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Die Herausforderung „3G“
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Die Herausforderung „3G“
Die folgenden Modifikationen der bereits vorhandenen Knoten sind erforderlich, um erweitertes Uplink-DCH (EUL, Enhanced Uplink) zu unterstützen (Bild 3):
- UE: Eine neue MAC-Instanz (MACes/MAC-e) wird dem UE zugefügt. MAC-es/MAC-e verarbeitet HARQRetransmissionen, Ablaufplanung und MAC-e-Multiplexing.
- Node B: Eine neue MAC-Instanz (MAC-e) wird dem Node B hinzugefügt, um HARQ-Retransmissionen, Ablaufplanung und MAC-e-Demultiplexing durchzuführen.
- SRNC: Im SRNC wird eine neue MAC-Instanz zugefügt, um eine aufeinanderfolgende Zustellung (Neuklassierung) zur Verfügung zu stellen und die Kombinierung von Daten von verschiedenen NodeBs im Falle von Soft-Handover zu verarbeiten.
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In Zukunft, also in der 4G-Technologie und danach, liegt der Schwerpunkt der Entwicklung in einer Technologie mit der Bezeichnung OFDM (Orthogonal Frequency Domain Modulation). Eines der Grundgesetze der Kommunikationstheorie, Shannon’s Gesetz, begrenzt die Datenkapazität entsprechend der verfügbaren Bandbreite, Leistung und der Signalpegel. Im Allgemeinen bedeutete eine Erhöhung der Datenraten eine Erhöhung der Bandbreite. Wenn man jedoch einen bestimmten Bandbreitenwert überschreitet, kommt ein neuer Effekt ins Spiel, der als „Verzögerungsstreuung“ (Delay Spread) bezeichnet wird. Er begrenzt, um wie viel die Bandbreite erhöht werden kann, um dies zu bewältigen. Einfach ausgedrückt, passiert folgendes: Die Bandbreite ist so groß, dass die Signale in der oberen Frequenz in der Bandbreite sowie diejenigen in der unteren Frequenz die Funkverbindung auf unterschiedliche Weise durchlaufen. Wenn sie am Empfänger ankommen, sind sie so unterschiedlich „gelaufen“, dass sie nicht zum ursprünglichen Signal zusammengesetzt werden können. Dieser Effekt tritt immer auf, er ist jedoch bei relativ geringen Bandbreiten so klein, dass er in Wirklichkeit keinen Unterschied ausmacht. Wenn man jedoch zelluläre Systeme (bei ungefähr 1 bis 2 GHz Frequenz) bis zu Bandbreiten über 20 MHz verschiebt, wird dieser Effekt wesentlich stärker.
OFDM überwindet dies durch viele gleichzeitig übermittelte schmale Kanäle. Diese individuellen „engen Funkkanäle“ werden von Teilnehmern gemeinsam genutzt, um Störungen zu verringern und die Kapazität zu maximieren. Zum Beispiel können 50 individuelle 1-MHz-Kanäle eine bessere Kapazität ergeben als ein einziger 50-MHz-Kanal, da die Verzögerungsstreuung sich nur auf jeden 1-MHz- Kanal auswirkt und die Datenkapazität nicht beeinträchtigt. Doch dann muss die Modulation spektral effizient und der Frequenzkanalplan so aufgebaut sein, dass sich individuelle Frequenzkanäle nicht überlappen oder gegenseitig stören. OFDM kombiniert viele der „vereinten engen Kanäle“, um viele Teilnehmer im Funkband zu unterstützen, so dass jeder User einen einzigartigen Satz enger Funkkanäle erhält. Dadurch kann jeder User die Funkstörung untereinander minimieren und die Verwendung von Funkfrequenzen maximieren, die gute Übertragungskennwerte bieten.
HSDPA stellt ein System zur aktiven Kanalüberwachung und zum Reporting dar. Diese werden als „CQI-Reports“ bezeichnet und stellen Messungen der Funkverbindungsqualität dar, die in ms-Intervallen durch das Handy durchgeführt und dann an das Netzwerk zurückgesandt werden. Auf Grundlage dieser Messungen wählt das Netzwerk das optimale Modulationsformat, um so die Übersendung des nächsten Datenpakets auf möglichst effiziente Weise freizugeben. Diese Entscheidungen werden für jedes Datenpaket, für jeden individuellen Teilnehmer auf einer Paket-für-Paket- Basis getroffen. Man nennt diesen Prozess „Adaptive Modulation und Codierung“ (AMC – wählt die Größe des Transportblocks, die Multi-Codeund QPSK/16QAM-Eigenschaften der Modulation). Das unterscheidet sich von Release99, bei dem zu Beginn der Datensitzung ein einziges Modulationsformat (tatsächlich die Datenrate) gewählt und dann für die gesamte Sitzung ohne Rücksicht auf die Funkverbindungsbedingungen beibehalten wird.
Nach dem Versenden jedes Datenpakets findet ein zweiter neuer Prozess Anwendung, der als Hybrid Acknowledge ReQuest (HARQ) und Stop And Wait (SAW) bezeichnet wird. Der SAW-Prozess bedeutet, dass dieser spezielle Datenstrom zu diesem Teilnehmer nach dem Senden jedes Pakets anhält und wartet, bis der User bestätigt, dass er die Daten korrekt empfangen hat. Diese „Bestätigung“ ist die ARQMeldung. Die Technologie setzt eine „hybride“ ARQ ein, weil dann, wenn die Daten wegen eines Datenfehlers nicht bestätigt werden (NACK – Not Acknowledged), intelligente Methoden zur Wahl stehen, wie man die Daten mit minimaler Verzögerung, Bandbreite und Maximierung der bereits gesandten Daten neu übertragen kann, so dass jede Daten-Retransmission so effizient wie möglich ist. Mit HARQ- und SAWProzess lassen sich Daten zuverlässig und schnell versenden bei gleichzeitig geringstmöglichem Ressourcen-Einsatz. Diese Technologie erlaubt es dem Netzwerkbetreiber, das Funknetz auf Belastungs- und Kapazitäts-Zwangsbedingungen (+ Teilnehmer-Abonnements etc.) zu optimieren. Sie wurde zur Anlieferung von IP-basierten Daten entwickelt, zum Beispiel Web-Streaming (Video, Musik), wobei ein asymmetrisches Modell der Webnutzung angenommen wird (überwiegend das Herunterladen von Daten). Die verfügbare Datenrate kann zwischen 384 kbit/s und 14,4 Mbit/s (volle Kapazität von BTS) schwanken. Bild 1 zeigt hierzu das Modulations- und Codierungskonzept in HSDPA.
Die Netzwerke verwenden im Allgemeinen einen bevorzugten Fehlerpegel in der Datenverbindung, ungefähr 10 %. Dies deshalb, weil bei diesem Fehlerpegel die Retransmissionen die beschädigten Daten rasch neu versenden können, wonach die Daten dann erfolgreich empfangen werden. Liegt die Fehlerrate wesentlich höher, dann sind mehr Neu-Versendungen als neue Daten vorhanden, und die gesamte Durchsatzrate ist geringer. Ist die Fehlerrate niedriger (d.h. nahe Null), dann wird die Signalqualität als „zu gut“ eingestuft, und es werden Ressourcen vergeudet. Um dies zu erreichen, werden die CQI-Reports zusammen mit den ACK/NACK-Meldungen dazu verwendet, ein „Target S/R“ (angepeiltes Signal/Rausch-Verhältnis) festzulegen. Anschließend gleicht das Netzwerk die Leistungspegel zu/von jeder Teilnehmereinrichtung (UE) ab, um dieses Ziel zu erreichen. Zu diesem Zeitpunkt ist das gesamte HSDPANetzwerk „abgeglichen“, und jeder User erhält den besten verfügbaren Durchsatz. Dieser Abgleich muss dann entsprechend den Bedingungen in jedem Übertragungszeitraum (10 ms) neu berechnet werden. Die proprietären Algorithmen jedes Netzanbieters werden auf unterschiedliche Methoden des Abgleichs der Anforderungen aller Netzwerkteilnehmer optimiert.
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- Die Herausforderungen bei der Implementation der neuen Technologien
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