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Mobilfunk-Upload auch mit höheren Geschwindigkeiten

HSUPA – Turbo für den UMTS-Rückkanal

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

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Fortsetzung des Artikels von Teil 3

HSUPA – Turbo für den UMTS-Rückkanal

Der dazu vergebene „Grant“ spiegelt das Leistungsverhältnis zwischen Daten- und Pilot-Kanal wider und gestattet gleichzeitig die Verwendung einer maximalen Transportblockgröße (Transport Block Size, TBS). Die Interferenz der NodeB stellt somit die zu vergebene Ressource dar, die sie für jede ihrer Sektoren (Zellen) kontrollieren muss (typischerweise hat eine NodeB drei Zellen, also räumliche Abstrahl-Segmente, mindestens jedoch eine).
Nach dem Empfang des Grant darf das UE nun Daten senden. Allerdings muss es für die Auswahl der TBS neben dem Grant auch seine noch verfügbare Sendeleistung sowie die Menge der in seinem Speicher befindlichen Daten berücksichtigen. Größere TBSWerte erfordern höhere Sendeleistungen. Daher ist der von der NodeB gesendete Grant nur als obere Grenze zu verstehen, welche die NodeB tolerieren könnte, falls das UE noch genügend Sendeleistung aufbringen kann bzw. überhaupt noch eine entsprechende Datenmenge in seinem Speicher vorhanden ist. Damit die NodeB die empfangenen Daten decodieren kann, teilt das UE der NodeB die jeweils gewählte TBS mit. TBS-Werte können im Bereich von 18 bis 20 000 Bits liegen.
Die NodeB versucht anschließend, die Daten zu decodieren und quittiert jeden Transportblock entweder positiv mit einem ACK (Acknowledgement) oder bei einem erkannten Fehler mit einem NACK (Non-Acknowledgement). Bei einem NACK werden die Daten erneut übertragen (Retransmission, in Bild 1 nicht dargestellt).

Die Interferenzleistung am NodeBEmpfänger wird als Erhöhung der Empfangsleistung über dem Rauschpegel dargestellt und als „Rise-over-Thermal“-Rauschen (RoT) bezeichnet. Dieser Wert steigt um so mehr, je mehr Nutzer im Uplink übertragen (Bild 2). Dies können sowohl Sprach- als auch Datennutzer sein. Je höher die Interferenz, desto niedriger wird das Signal/Störleistungs-Verhältnis (Signal-to-Interference-and-Noise-Ratio, SINR) am Decoder-Eingang des NodeB-Empfängers. Um einen bestimmten Dienst mit einer festgelegten Blockfehlerrate (Block-Error-Rate, BLER) aufrechtzuerhalten, darf das SINR einen minimalen Wert nicht unterschreiten. Da eine NodeB prinzipiell in jedem TTI die Grants der jeweiligen HSUPA-Nutzer ändern kann, ist hierdurch eine sehr effiziente Auslastung der System-Ressourcen möglich.

Darüber hinaus kann das UE während des HSUPA-Betriebs dem Netzwerk mitteilen, wie zufrieden es mit der aktuellen Ressourcen-Zuteilung ist. Dies erfolgt über das „Happy-Bit“, das in jedem TTI an die NodeB versendet wird. Das Happy-Bit wird nach festgelegten Regeln ermittelt und muss sowohl den aktuellen Speicherstatus als auch die noch im UE zur Verfügung stehende Sendeleistung berücksichtigen. Die NodeB wiederum bezieht das vom UE empfangene Happy-Bit dann je nach Systemauslastung bzw. dem Zufriedenheitsgrad anderer Nutzer mit in den Entscheidungsprozess für die nächste Grant-Zuweisung ein.

Im Gegensatz zu HSDPA können die einzelnen HSUPA-Kanäle gleichzeitig mit mehreren NodeBs aufgebaut werden (Soft-Handover). Dabei können die E-DCH-Kanäle (Enhanced Uplink Dedicated Channel) in ihrer Leistung an schnell wechselnde Funk-Umgebungsbedingungen angepasst werden (Power-Control). Alle NodeBs, mit denen sich ein UE im Soft-Handover-Zustand befindet, können dabei die Grant-Zuweisung beeinflussen. Somit wird erreicht, dass z.B. ein sich in eine stark ausgelastete Zelle hineinbewegender HSUPA-Nutzer angewiesen werden kann, seine Leistung zu reduzieren. Dies erlaubt der entsprechenden NodeB, weiterhin alle anderen Nutzer zu empfangen. Gleichzeitig besteht die Möglichkeit, dass die NodeB den Grant aller anderen Nutzern in der Zelle ebenfalls reduziert, damit eine vorher festgelegte Schwelle der Gesamtinterferenz (RoT-Schwelle) in der NodeB nicht überschritten wird (siehe Bild 2). Andernfalls könnte dies unerwünschte Verbindungsabbrüche anderer Nutzer zur Folge haben.

Der hier vorliegende Erfahrungsbericht beschreibt Anwendungsfälle, die mit Hilfe der neuesten Generation von Endgeräten (User Equipment, UE) bereits heute realisiert werden können. Die Ergebnisse basieren auf Untersuchungen an kommerziellen Mobilfunknetzen in verschiedensten Regionen weltweit. Hierzu wurden mobile Test-Endgeräte verwendet, die mit den aktuellen Qualcomm-Chipsätzen ausgestattet waren. Diese Chipsätze können neben dem R99-Standard sowohl die 3GPP-UE-Kategorien bis Cat8 für HSDPA bzw. Cat6 für HSUPA unterstützen (siehe [2] sowie Tabelle 1). Darüber hinaus sind diese Chipsätze mit hochwertigen Empfängern der neuesten Generation („Type-3“-Klasse) ausgestattet, die mit Hilfe von Zwei-Antennen-Equalizern signifikant bessere Empfangseigenschaften gegenüber normalen RAKE-Architekturen aufweisen.

Nach der Vorstellung der wesentlichen Konzepte von HSUPA folgt in diesem Beitrag zunächst eine theoretische Betrachtung des maximal zu erwartenden Datendurchsatzes unterschiedlicher UE-Kategorien unter guten Funkbedingungen. Anschließend wird dies mit den praktischen Erfahrungen in realen UMTS-Netzen verglichen, die bereits mit Release 6 nachgerüstet wurden. Darüber hinaus wird anhand von simultanen Messungen mit mehreren Benutzern ersichtlich, welche Systemkapazität sich mit der Erweiterung auf HSUPA erreichen lässt. Zudem wird die durch HSUPA auftretende Erhöhung der Uplink-Interferenz betrachtet, die gleichzeitig an den Basisstationen (NodeB) aufgezeichnet wurde.