Startseite > Kommunikation > HSUPA – Turbo für den UMTS-Rückkanal

Mobilfunk-Upload auch mit höheren Geschwindigkeiten

HSUPA – Turbo für den UMTS-Rückkanal

23. Juni 2008, 12:56 Uhr | Dr. Ralf Weber

▶ Diesen Artikel anhören

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

HSUPA – Turbo für den UMTS-Rückkanal

Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass sich die Antwortzeiten durch den Einsatz von HSPA auf 21 % der für R99 benötigten Antwortzeiten reduzieren lassen. Der Beitrag von HSUPA ist dabei abhängig von der herstellerspezifischen Ressourcen-Vergabe der NodeB und trug alleine ca. 16 % zur Reduktion bei.

Es ist zu erwarten, dass die UMTS-Netzwerke bald weiter aufgerüstet werden. Damit werden dann voraussichtlich Datenraten von bis zu 14,4 Mbit/s im Downlink (HSDPA Cat10) und bis zu 5,7 Mbit/s im Uplink (HSUPA Cat6) möglich sein.

Dies wird sicher nicht der Technik letzter Stand bleiben, denn die nächste Erweiterung des UMTS-Standards mit Namen HSPA+ steht bereits in den Startlöchern [7] und verspricht noch höhere Datenraten sowie weitere Verbesserungen hinsichtlich Kapazität und Effizienz von Paketdatenübertragungen. Die „Qualcomm Engineering Services Group“ wird daher weiterhin Netzwerkbetreiber unterstützen und sich beim Auf- und Ausbau der UMTS-Mobilfunk-Netze weltweit engagieren [3, 8]. HSPA+ ist dabei der nächste spannende Schritt.

Die in diesem Artikel beschriebenen Messkampagnen wurden von mehreren internationalen Teams der Qualcomm Engineering Services Group durchgeführt, für deren freundliche Unterstützung sich der Autor hiermit herzlich bedankt. Besonderer Dank gilt dabei den Herren Andrea Garavaglia, Jochen Hoidis und Sunil Patil. ha

Literatur

[1] 3GPP UMTS Standard: Release 99 Specification, www.3gpp.org.
[2] 3GPP UMTS Standard: Release 6 Specification, www.3gpp.org.
[3] Chevallier, C. et al.: UMTS Deployment Handbook. Wiley & Sons, 2006.
[4] Holma, H.; Toskala, A.: HSDPA/HSUPA for UMTS. Wiley & Sons, 2006.
[5] Garavaglia, A.: HSUPA Throughput and Latency Performance. Informa Conference on Deploying & Optimizing HSPA, Amsterdam, June 18-21, 2007.
[6] Weber, R. et al.: HSUPA Performance Aspects. Proceedings Wireless Congress 2007, Munich, Nov. 7 – 8, 2007.
[7] 3GPP Technical Report: High Speed Packet Access (HSPA) Evolution. TR 25.999, www.3gpp.org.
[8] Weber, R.: Multimedia Performance Assessments in Deployed UMTS Networks. IEEE Processings of ICMCS ‘05 Conference, Montreal, Aug. 14 – 17, 2005.

Verglichen wurden die Antwortzeiten von Ping-Paketen zwischen einem UE, das HSDPA im Downlink und R99 im Uplink konfiguriert hatte, sowie einem UE, das ebenfalls HSDPA im Downlink und zusätzlich HSUPA im Uplink verwenden konnte.

Die Messungen mit 32 byte großen Ping-Paketen ergaben, dass HSUPA die Antwortzeiten im Mittel von 95 ms auf 80 ms und somit um 16 % reduzieren konnte. Tabelle 4 zeigt zum Vergleich die besseren Antwortzeiten für Ping-Pakete unterschiedlicher Größe, die sich nach der Aufrüstung von R99 auf HSPA (Release 6, HSUPA Cat3) ermitteln ließen. Die Reduktion der Antwortzeiten bei HSPA beträgt somit je nach Größe der Ping-Pakete zwischen 62 und 79 %. Dabei hängen diese im Wesentlichen von den herstellerabhängigen Strategien der Grant-Zuweisung im Uplink ab. Es ist zu erwarten, dass sich die Antwortzeiten noch weiter reduzieren, sobald ein 2-ms-TTI-Takt verwendet wird.

Generell wurde beobachtet, dass die HSUPA-Performance sehr stark abhängig ist von der Limitierung seitens des Backbones des Netzwerk-Betreibers sowie der eingesetzten Anzahl von HSUPA-Hardware-Elementen in der NodeB (Channel Elements, CE), insbesondere der reservierten HSUPA-Ressourcen während des Soft-Handovers.

Letztlich wurde deutlich, dass HSUPA die Erwartungen bezüglich Durchsatz und Antwortzeiten erfüllt. In den heute kommerziellen Systemen lassen sich bereits Datenraten von bis zu 2 Mbit/s im Uplink auf der Luftschnittstelle erreichen.

Für stationäre Nutzer unter guten Funkbedingungen konnte ein mittlerer Durchsatz von ca. 1,7 Mbit/s für FTP-Anwendungen ermittelt werden. Dies entspricht ca. 96 % dessen, was theorisch auf IP-Ebene erreichbar ist. Der mittlere HSUPA-Zelldurchsatz einer Cat3-NodeB erreichte auf Anwendungsebene ca. 2 Mbit/s, während sich bei einer Cat5-NodeB ein Mittelwert von ca. 3 Mbit/s ergab. In beiden Fällen wurde der Zelldurchsatz nicht durch die HSUPA-Technologie, sondern durch die beschränkten Hardware-Ressourcen zwischen NodeB und RNC bestimmt. Mehrfach konnten somit Spitzenwerte von 3 Mbit/s für ein Cat3-Netzwerk und 3,6 Mbit/s für ein Cat5-Netzwerk erreicht werden, was der Hardware-Limitierung des Backbones entsprach. Am Rand einer isolierten Zelle, d.h. bei schwachen Empfangsbedingungen, ergab sich ein mittlerer FTP-Durchsatz von ca. 900 kbit/s. Dies stellt immerhin das Dreifache der Datenrate dar, die bei Systemen ohne HSUPA unter sehr guten Funkbedingungen maximal möglich wäre. Auch die gemessene mittlere Datenrate von 1 Mbit/s eines mobilen Nutzers kann durchaus mit einem konventionellen DSL-Anschluss konkurrieren.

Zur Bestimmung des maximalen Durchsatzes, den eine NodeB in einer Zelle verarbeiten kann, wurden drei HSUPA-Nutzer (UE-1, UE-2, UE-3) im Nahbereich einer Zelle positioniert. Alle drei führten gleichzeitig FTP-Datentransfers auf einen Server im Netz durch. Die Anbindung der NodeB an den RNC war aus hardwaretechnischen Gründen beim Cat3-Netzwerk auf 3 Mbit/s und beim Cat5-Netzwerk auf 3,6 Mbit/s begrenzt, welches wiederum den maximalen Zelldurchsatz beschränkte. Bild 6 zeigt den Zeitverlauf der Durchsätze von drei Nutzern in einem Cat3-Netzwerk sowie den daraus akkumulierten Zelldurchsatz. Wie man erkennt, konnten im Mittel Zelldurchsätze von ca. 2 Mbit/s erreicht werden, mit Spitzenwerten von bis zu 3 Mbit/s im zeitlichen Verlauf. Wie die Tabellen 2 und 3 zeigen, wurden scheinbar jedoch nicht alle Nutzer gleich behandelt. Nutzer UE-1 bekam immer den höchsten Grant und konnte dadurch auch den besten mittleren Durchsatz erreichen. Die gleichzeitige Messung der Uplink-Interferenz an der NodeB ergab ein um ca. 6,5 dB höheres RoT, sobald alle drei HSUPA-Nutzer aktiv waren (Bild 7).

Um die HSUPA-Performance eines sich bewegenden Nutzers zu bestimmen, wurde eine Messroute von ca. 15 Minuten Dauer innerhalb einer Großstadt mit dem Auto abgefahren. Bei Geschwindigkeiten von 30 bis 50 km/h ergab sich ein mittlerer FTP-Durchsatz von ca. 1,15 Mbit/s (siehe Tabelle 2), wobei man Raten oberhalb von 1 Mbit/s als durchaus gut bezeichnen kann. Anzumerken ist, dass weitere kommerzielle Nutzer in dem getesten UMTS-Netz vorhanden waren, die ggf. mit R99- oder HSDPA-Diensten eine zusätzliche Netzlast erzeugten. Zum Zeitpunkt der Tests konnte angenommen werden, dass keine kommerziellen HSUPA-Nutzer im System aktiv waren, da entsprechende Endgeräte noch nicht im Handel verfügbar waren.

In einem weiteren Test wurde untersucht, inwieweit sich die Antwortzeiten (Round-Trip-Time, RTT) durch den Einsatz von HSUPA reduzieren lassen. Dies ist besonders für Echtzeit-Anwendungen interessant, bei denen kurze Reaktionszeiten gefordert sind, wie bei Online-Spielen oder aber bei Voice-over-IP, Skype bzw. Videotelefonie-Diensten.

Die Tabellen 2 und 3 zeigen die Ergebnisse der unterschiedlichen Test-Szenarien einer HSUPA-Messkampagne jeweils in einem Cat3- und Cat5-Netzwerk. Auch hier wurden im stationären Fall im Nahfeld der NodeB mit 1,3 Mbit/s für Cat3 bzw. 1,7 Mbit/s für Cat5 wieder Durchsätze knapp unter dem theoretischen Maximum erreicht. Sowohl bei Cat3 als auch Cat5 wurde der Durchsatz nur durch gelegentliche Unterbrechungen gestört. Ein Beispiel für den gemessenen Durchsatz in einem Cat5-Netzwerk ist in Bild 4 dargestellt. Es zeigte sich, dass diese Schwankungen nicht durch Fehler in der Funkübertragung, sondern durch Engpässe im Backbone und daher von wiederholten Übertragungen im TCP-Protokoll resultierten. Generell wurde beobachtet, dass mit der Erhöhung der Datenrate auf der Luftschnittstelle auch die Dimensionierungen der Netzwerkkomponenten außerhalb der NodeB, d.h. die Anbindungen des RNC sowie des Core-Netzwerks, immer mehr an Einfluss gewannen. Letztere sollten daher gleichzeitig mit der Einführung von HSUPA angepasst werden.

Bild 5 zeigt beispielhaft den Vergleich zwischen dem vom UE benutzten TBS und dem von der NodeB maximal erlaubten „Serving Grant“ (SG), wenn sich der HSUPA-Nutzer am Zellrand befindet.

Der SG kann als die maximale TBS in Bits dargestellt werden und berechnet sich aus dem erlaubten Leistungsverhältnis von Daten- und Pilot-Kanal. Wie man erkennt, wählt das UE eine niedrigere TBS, als es seitens der NodeB hätte verwenden können.

Dies liegt daran, dass für die Wahl der TBS das UE neben dem Grant auch seine noch verfügbare Sendeleistung berücksichtigen muss. Reicht diese nicht aus, um mit dem maximal erlaubten Grant zu übertragen, muss das UE die TBS soweit reduzieren, dass es seine maximale Sendeleistung nicht überschreitet. Dennoch war in diesem Fall der mittlere Durchsatz mit ca. 900 kbit/s immer noch recht akzeptabel.