HSDPA: A Banda Larga do UMTS

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1 HSDPA: A Banda Larga do UMTS Este tutorial apresenta os conceitos básicos do High Speed Downlink Packet Access (HSDPA), extensão do WCDMA para implementação de um enlace de descida banda larga no UMTS. Eduardo Tude Engenheiro de Teleco (IME 78) e Mestre em Teleco (INPE 81) tendo atuado nas áreas de Redes Ópticas, Sistemas Celulares e Comunicações por Satélite. Ocupou várias posições de Direção em empresas de Teleco como VP de Operações da BMT, Diretor de Operações da Pegasus Telecom e Gerente de Planejamento Celular da Ericsson. Pioneiro no desenvolvimento de Satélites no Brasil (INPE), tem vasta experiência internacional, é detentor de uma patente na área e tem participado constantemente como palestrante em seminários. Assumiu em 2002 um novo desafio profissional como empreendedor e Presidente do Teleco. Categoria: Telefonia Celular Nível: Introdutório Enfoque: Técnico Duração: 15 minutos Publicado em: 21/02/2005 1

2 HSDPA: O que é? A 3ª Geração do Celular foi desenvolvida considerando que o crescimento de serviços de dados irão ter um crescimento significativo nos próximos anos e se tornarão uma fonte importante de tráfego e receita para as operadoras. A tecnologia celular GSM, padronizada pelo 3GPP, apresenta uma evolução no sentido de oferecer taxas de transmissão de dados cada vez maiores, como apresentado na tabela a seguir. Evolução da Tecnologia GSM Geração 2 G 2,5 G 2,5/3 G 3 G Tecnologia GSM GPRS EDGE Taxa de dados máx. teórica (kbit/s) Taxa de dados média (kbit/s) WCDMA (UMTS) WCDMA/HSDPA (UMTS) 14,4 171, Canalização (khz) Neste contexto é que foi desenvolvido o High Speed Downlink Packet Access (HSDPA), ou Enlace de descida de alta velocidade para acesso de pacotes. O HSDPA oferece ao usuário um canal de dados na sua direção (enlace de descida) com taxas de transmissão de até 11 Mbit/s. Ele visa aplicações em que o tráfego em direção ao usuário é muito maior do que no sentido oposto, como acontece quando se navega na Internet ou na transmissão de video ao vivo (multicast). O ADSL, utilizado em internet Banda Larga, também foi desenvolvido tendo em vista esta assimetria de tráfego. O HSDPA é um serviço de dados, baseado em pacotes do WCDMA, em um canal de 5 MHz no enlace de descida do WCDMA. Para saber mais sobre o WCDMA consulte o tutorial UMTS. Além de aumentar a taxa de dados e a capacidade da rede, o HSDPA apresenta também um melhor desempenho em relação à tempos de latência, característica importante para a experiência do usuário. Uma página de web pode demorar mais para ser carregada em uma conexão com alta taxa de dados do que em outra com menor taxa devido a diferenças no tempo de latência. O HSDPA compete com o EVDO/EVDV como solução para aplicações móveis com altas taxas de dados. É uma solução também para o provimento de serviços de dados de alta velocidade fixos ou de baixa mobilidade como acesso à internet da mesma forma que outras alternativas como o WIFI e o WIMAX. 2

3 HSDPA: Arquitetura e Caracteristicas Arquitetura A figura a seguir apresenta a arquitetura da rede de uma operadora GSM onde convivem a rede GSM/EDGE e a rede UMTS. Conectados ao núcleo da rede estão as redes de acesso rádio GSM/EDGE (GERAN) e a rede terrestre de acesso rádio do UMTS (UTRAN) baseada no Wideband Code Division Multiple Access (WCDMA). O equipamento do usuário (UE) é o terminal móvel. A implantação do HSDPA na rede de acesso (UTRAN) desta operadora seria feita através de "upgrade" de software/hardware nas estações base (BS) e controladores da rede rádio (RNC). A estação base (BS) é também conhecida como node B na terminologia 3GPP. Apresenta-se a seguir as principais características do HSDPA. Canal de Transporte (HS-DSCH) O objetivo do HSDPA é ser uma solução que permita uma alta taxa de dados no enlace de descida entre BS e UE. Para tanto ele utiliza um novo canal de transporte denominado High-Speed Down link Shared Channel (HS-DSCH) ou Canal compartilhado de enlace de descida de alta velocidade. Este canal é semelhante ao canal DSCH do WCDMA e permite que os recursos possam ser compartilhados por todos os usuários de um mesmo setor. O HSDPA utiliza o mesmo slot de tempo (0,67 ms) do WCDMA. O frame de 10 ms do WCDMA no entanto, é dividido em 5 sub-frames de 2 ms. Cada sub-frame (2 ms), também chamado de intervalo de tempo de transmissão (TTI), é composto de 3 slots de tempo. Todos os canais HS-DSCH do HSDPA (sub-frame de 2 ms) são multiplexados por código utilizando um fator 3

4 de espalhamento (SF) de 16. Um máximo de 15 códigos paralelos são alocados ao canal HS-DSCH. Estes códigos podem ser designados para um usuário durante um intervalo de tempo de transmissão (TTI), ou podem divididos entre vários usuários. Despacho rápido (Fast Scheduling) Para cada um intervalo de transmissão de tempo (sub-frame de 2 ms) o "scheduler" determina para qual equipamento do usuário (ou equipamentos) o HS-DSCH deve ser transmitido e, juntamente com o AMC descrito a seguir, a que taxa de dados. Além de uma menor granularidade com o sub-frame de 2 ms, uma mudança importante para melhorar a otimização dos recursos no HSDPA foi a transferência da função de "scheduler" do RNC para as BSs. Desta forma, de acordo com a qualidade do canal, o "scheduler" pode mais rapidamente monitorar as condições do canal da UE e adaptar a alocação da taxa de dados. Adaptive Modulation and Coding (AMC) O HSDPA utiliza um esquema de Modulação e Codificação Adaptativa (AMC) de modo a alocar taxas de dados mais altas para usuários com o canal em condições mais favoráveis (por exemplo próximos das BTS). Baseado na qualidade do canal monitorada pelo equipamento do usuário são otimizadas as seguintes características: Modulação; QPSK ou 16QAM Taxa de código efetiva do canal (code rate): 1/4 a 3/4 Número de códigos empregados: 1 a 15 Potência transmitida por código A máxima taxa de dados de pico (14,4 Mbit/s) seria atingida teoricamente com modulação 16QAM, code rate igual a 1 e o emprego de 15 códigos simultâneos. Mecanismo de retransmissão de mensagens em caso de erro O HSDPA procura também diminuir o tempo de atraso na comunicação devido a retransmissão de mensagens em caso de erro, melhorando desta forma o tempo de latência observado pelo usuário. Para tanto foi selecionado um mecanismo híbrido de requisição e repetição automática (Hybrid-ARQ) com um protocolo para e espera (SAW). Esta funcionalidade passou a ser terminada na estação base (BS) e não mais no RNC. 4

5 HSDPA: Equipamento do Usuário O gargalo real na implantação do HSDPA, como tem ocorrido com outros desenvolvimentos, é a disponibilidade de equipamentos do usuário que incluam as funcionalidades necessárias para o HSDPA. Os primeiros celulares com HSDPA devem estar disponíveis em A Ericsson pretende disponibilizar em 2005 terminais na forma de cartão para serem utilizados em microcomputadores. As especificações do HSDPA estabelecem 12 categorias para a o equipamento do usuário (UE) baseadas na camada física do HS-DSCH no FDD. Cat. Nº Max. de códigos recebidos Min. intervalo inter-tti Nº max. de Bits de um bloco de transporte recebidos Max. Taxa de dados (Mbit/s) Nº total de bits de soft canal , , , , , , , , As categorias 1 a 10 suportam modulação QPSK e 16 QAM, enquanto as categorias 11 e 12 suportam apenas modulação QPSK. As colunas da tabela acima tem o seguinte significado: Número máximo de códigos (5, 10 ou 15) de um canal HS-DSCH que uma UE pode receber simultaneamente. Tempo mínimo entre o início de duas transmissões consecutivas de sub-frames de 2 ms (TTI) para uma UE. Número máximo de bits em um bloco de transporte HS-DSCH recebidos em sub-frame de 2 ms (TTI) A máxima taxa de dados (pico) é obtida pela multiplicação das duas coluna anteriores e conversão da base de tempo de 2 ms para 1 s. A última coluna refere-se ao número máximo de bits utilizados nos processos de retransmissão de

6 mensagens em caso de erro. 6

7 HSDPA: Considerações Finais Este tutorial apresentou os conceitos básicos do High Speed Downlink Packet Access (HSDPA), extensão do WCDMA para implementação de um enlace de descida banda larga no UMTS. Com HSDPA é possível otimizar os recursos de transmissão de dados da rede e atender à característica de burst (surtos) comum no tráfego de dados. O HSDPA implementa também mecanismos para diminuição do tempo de latência o que implica em uma melhor experiência do usuário em aplicações como a navegação na web. O HSDPA é mais indicado para aplicações com requisitos de taxa de transmissão altamente variáveis e que ocasionalmente podem ser muito grandes. Este tutorial descreveu em mais detalhe a utilização do HSDPA com o WCDMA FDD ( Frequency Division Duplex), mas o HSDPA foi especificado para se utilizado também no WCDMA TDD (Time Division Duplex). As redes com HSDPA encontram-se ainda em fase de "trial", tendo sido testadas por operadoras como a Vodafone e a mm02. Espera-se para 2005 na Ásia a primeira operação comercial. Releases futuros das especificações do HSDPA pretendem aumentar a sua taxa de dados para 20 Mbit/s com a utilização de sistema MIMO (Multiple-Input Multiple-Output). O release 6 de dez/04 incorporou a especificação do High-speed radio uplink (EDCH or HSUPA) que permite uma taxa teórica de dados de até 5,76 Mbit/s no enlace de subida, complementando desta forma o HSDPA. Referências Web sites UMTS UMTS Forum. Informações sobre sistema UMTS e WCDMA. 3GPP Responsável pela padronização da evolução do GSM para 3 G. ETSI Especificações Desenvolveu as normas para o GSM. É possível fazer download gratuito das normas. Universal Mobile Telecommunications System (UMTS);UTRA High Speed Downlink Packet Access (HSDPA); Overall description; Stage 2 (3GPP TS version Release 6) Universal Mobile Telecommunications System (UMTS); UE Radio Access capabilities definition (3GPP TS version Release 6) White Papers HDSPA for Improved Downlink Data Transfer. Qualcomm. HDSPA - An Introduction by Juha Korhomen. TPCom. 7

8 HSDPA: Teste seu Entendimento 1. O HSDPA é a solução ideal para tráfego de: Voz. Dados de baixa velocidade. Dados Bidirecionais e simétricos Acesso a Internet Qualquer tipo 2. O HSDPA oferece um canal de dados para comunicação: Do celular para a Estação Rádio Base. Enlace de subida Da Estação Rádio Base para o celular. Bidirecional 3. O canal de transporte do HSDPA: É o mesmo do WCDMA. Utilisa um sub-frame de 2 ms com 10 slots de tempo. Tem um fato de espalhamento SF variável de 4 a 512. Tem um intervalo de tempo de transmissão (TTI) de 2 ms. 8

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