HSPA (High Speed Packet Access)

André-Luc BEYLOTENSEEIHT

Département Télécommunications et Réseaux

Plan Introduction HSDPA HSUPA Continuous Packet Connectivity I-HSPA Conclusions

Evolutions de l’UMTS

2000 2002 2004 2006 2007200520032001

3GPP Rel -9912/99

3GPP Rel 403/01

3GPP Rel 5 (HSDPA)

03/02

3GPP Rel 6(HSUPA)

12/04

3GPP Rel 7HSPA+06/07

Rel suivantes, (LTE)

JaponEurope

(pré-commercial.)

Europe(commercial)

HSDPA (commercial)

HSUPA (commercial)

High Speed Packet Access (1/3) Forte tension pour améliorer les capacités de transmission en terme

de débit et de délai des réseaux UMTS : Communications multimédias avec des besoins grandissant en débit

(TV sur les mobiles, streaming…) Concurrence annoncée du WIMAX

High Speed Packet Access (HSPA) évolution de l’UMTS Sur la voie descendante : High Speed Downlink Packet Access

(HSDPA) dès la Release Sur la voie montante, l’évolution est venue ensuite dans la Release 6

sous le nom High Speed Uplink Packet Access (HSUPA) HSPA était au départ conçu pour des trafics non temps-réel avec des

débits importants de transmission

High Speed Packet Access (2/3) Les principales propriétés/caractéristiques sont :

Des ordres de modulations et de codage supérieurs entraînant des débits supérieurs et une meilleure efficacité spectrale

En théorie jusqu’à 5,8 Mbit/s sur le lien montant et 14 Mbit/s sur le lien descendant sans tenir compte des techniques Multiple Inputs and Multiple Outputs (MIMO)

Ordonnancement rapide sur le Node B Objectif tirer profit des conditions de réception courantes des

utilisateurs et ce beaucoup plus rapidement

High Speed Packet Access (3/3) Adaptation sur le lien descendant

Possibilité d’adapter dynamiquement le schéma de modulation et de codage en fonction des conditions courantes du canal de transmission

Améliorations des techniques de retransmission De nouvelles techniques de retransmission intitulées Hybrid Automatic

Repeat Request (HARQ) sont introduites au niveau 1 => reduction de délai

Les retransmssions restent bien sûr possibles au niveau Radio Link Control (RLC)

Plus petites tailles de trames de niveau PHY et donc réductions des Transmission Time Intervals (TTI)

avec HSDPA 2ms et avec HSUPA 10ms et 2ms

Introduction à HSDPA (1/2) Dans la Release 99 il y avait typiquement :

DCH : canal de transmission de données dédiés Downlink Shared Channel (DSCH)

Dans HSDPA (Release 5) Des canaux High Speed DSCH (HS-DSCH) ont été ajoutés Les DSCH ont été supprimés en raison de leur manque

d’intérêt pour les implantations réelles

Introduction à HSDPA (2/2) Les améliorations de HSDPA pour les performances en

termes de capacité et de débit utile reposent sur : L’utilisation de l’adaptation du lien (ACM), Des ordres supérieurs de modulation Un ordonnancement rapide De plus petites tailles de trames (ou TTI : transmission time

interval) Des retransmissions de niveau couche PHY

HSDPA ne permet pas de faire du contrôle de puissance rapide ni de soft handover

Canaux HSDPA (1/2) Les DCH de la Rel. 99 n’ont pas disparu avec l’apparition de

HSDPA DCH et HSDPA

Pour la transmission de données (PS) au moins la signalisation (signaling radio bearer - SRB) passe sur un canal dédié DCH

Les trafics orientés vers le réseau CS passent sur un canal DCH

A partir de la Release 6, la signalisation peut à son tour être prise en charge sur un canal partagé

Dans la Release 5, les trafics montants n’utilisent que des canaux DCH

Canaux HSDPA (2/2) Dans la Release 6 des canaux Enhanced DCH (E-DCH) sont

proposés au travers de la solution high-speed uplink packet access (HSUPA)

Les données utilisateurs sont envoyées dans un canal High Speed Downlink Shared Channel (HS-DSCH)

Les données de contrôle sont envoyées dans un canal High Speed Common Control Channel (HS-SCCH)

HS-SCCH est envoyé deux slots avant HS-DSCH pour indiquer l’UE choisi pour la prochaine transmission sur HS-DSCH

Adaptation du lien (1/2) L’UE informe régulièrement le Node B regulièrement de sa

qualité de canal au travers de messages CQI (Channel Quality Indicator)

Adaptation du lien (2/2) Modulation adaptative et ordres de modulation supérieurs

(16/64QAM) avec HSDPA

0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0- 2

02468

1 01 21 41 6

Tim e [ n u m ber o f TTIs]

QPSK1 /4

QPSK2 /4

QPSK3 /4

1 6 QAM 2 / 4

1 6 QAM 3 / 4

Inst

anta

neou

s Es

No

[dB]

L’adaptation du lien ajuste

le mode en qqs ms en fonction du

CQI

Fast Retransmissions (1/3)

Les mécanismes Radio Link Control (RLC) ACK/NACKs coexistent avec HSPA

(erreur non récupérée par la couche PHY)

Packet

RLC ACK/NACK

Retransmisson Packet

Layer 1 ACK/NACK

Retransmisson

Rel ‘99 HSPA

RNC

NodeB

UE

Fast Retransmissions (2/3)

RNCNodeBUE

User data

RLC

MAC-d

Layer1

MAC-hs

HARQ (N)ACK

(Re)transmission

RLC (N)ACK

(Re)transmission

Fast Retransmissions (3/3) La signalisation couche PHY indique le besoin de retransmission ce qui se

traduit par une baisse substantielle du délai par rapport à la Rel’99

Les procédures de retransmission de la couche PHY (HARQ) se traduit par le fait que si des erreurs sont survenues, on ne supprime pas la PHY-PDU, on va essayer de la combiner avec les transmissions ultérieures

Les retransmissions peuvent être faites de deux façons: Par des retransmissions identiques Par des retransmissions différentes (redondance incrémentale)

Ordonnancement lien descendant (1/5)

NodeB gère un certain nombre d’utilisateurs et doit ordonnancer les messages vers ces différents utilisateurs au travers de fractions de temps (Transmission Time Intervals) Une certaine équité entre les utilisateurs doit être

maintenue Les ressources doivent être utilisées efficacement

Plusieurs algorithmes ont été proposés parmi lesquels les plus cités sont : Round Robin Proportional Fair

Ordonnancement lien descendant (2/5)

Round Robin (RR) C’est l’un des algorithmes les plus simples Les allocations aux utilisateurs sont faits cycliquement sans

priorité Points poisitifs

Facile à implanter Chaque utilisateur reçoit la même quantité de ressources

Point négatif Les conditions du canal ne sont pas prises en compte ce qui peut

se traduire par une perte de ressources

Ordonnancement lien descendant (3/5)

Proportional Fair (PF) Algorithme d’ordonnancement fondé sur un compromis Repose sur un équilibre entre deux volontés antagonistes :

Maximiser le débit du réseau en servant les utilisateurs ayant la meilleure qualité de canal

Permettre aux utilisateurs de recevoir un niveau de service minimal

Ordonnancement lien descendant (4/5)

PF alloue aux utilisateurs une priorité inversement proportionnelle aux ressources qui leur ont déjà été attribuées

L’UE a déjà été bien servi => priorité faible

Ordonnancement lien descendant (5/5)

En général la priorité est définie de la façon suivante :

Priorité = d/r

Attention, ne tient pas compte de la QoS ! L’espoir est que le canal varie suffisamment souvent

Où d est le débit instantané en tenant compte de la modulation/codage utilisé et r le débit moyen mesuré par une moyenne mobile

,otherwise ,*)1(

served isuser if ,**)1(

−+−

=old

old

ra

darar

Mobilité avec HSDPA (1/3) Les handovers constituent un compromis entre deux

facteurs : Quand la qualité du canal se détériore, le handover vers une

meilleure cellule peut se traduire par de meilleures conditions de réceptions de paquets

En revanche, chaque changement de node B se traduit par la suppression des paquets du buffer du node B et par des retransmissions potentielles par la couche RLC situé dans le RNC

Avec HSDPA, un utilisateur n’est connecté qu’à un seul (HSDPA) node B à la fois Seuls les hard handovers sont proposés contrairement au

soft handover possible sur les canaux DCH

Mobilité avec HSDPA (2/3) Attention même si dans le sens descendant, il n’y a qu’un seul canal HS-

DSCH et donc une seule cellule de rattachement, le canal DCH montant peut encore utiliser les softs handovers

Attention aux canaux de signalisation !

DCH

Node B,Serving HSDPA

UE

Node B,Part of DCH active set

HS-SCCH

DCH

Mobilité avec HSDPA (3/3) La procédure de handover de HSDPA se décrit ainsi :

La procédure de changement de Serving HS-DSCH est inititié quand les conditions de réception depuis une cellule voisine est significativement supérieure pendant une durée pré-définie

Cette information est remontée par l’UE au node-B qui fait suivre au RNC

Si le contrôle d’admission est réussi (assez de ressources dans cette nouvelle cellule) le RNC autorise l’UE à effectuer son handover en utilisant le Bearer de signalisation

Introduction à HSUPA 3 ans après l’introduction de HSDPA, le pendant sur la voie

montante a été introduit pour créer l’évolution HSPA Rel’6 Son nom original était Enhanced Dedicated Channel (E-DCH) Les choix évidents ont consisté à analyser les mécanismes de

HSDPA et de voir comment les adapter à la voie montante Améliorations de HSUPA par rapport à la Rel’99

PHY - Hybrid ARQ (HARQ) et donc retransmissions rapides Ordonnancement au niveau du Node B Taille de trames plus faibles, 10ms obligatoire pour tous les

équipements HSUPA et 2 ms de manière optionnelle HSUPA repose encore largement sur des mécanismes de

base de l’UMTS

Canaux HSUPA (1/3) Nouveaux canaux de transport dans le sens montant

Enhanced Dedicated Channel (E-DCH) Permettent HARQ et l’ordonnancement rapide Contrairement aux HS-DSCH (HSDPA) E-DCH n’est pas un

canal partagé mais un canal dédié Comme pour les canaux DCH, les E-DCH sont mis en

correspondance avec des canaux physiques de données et de contrôle

Les données sont véhiculées sur un nouveau canal physique enhanced dedicated physical data channel (E-DPDCH) et les informations de contrôle sur des canaux E-DPCCH

Canaux HSUPA (2/3) Les canaux physiques de contrôle de la Rel’99 (DPCCH)

sont inchangés Deux nouveaux canaux sont créés pour l’ordonnancement

E-DCH absolute grant channel (E-AGCH) - donne des valeurs absolues pour l’ordonnancement

E-DCH relative grant channel (E-RGCH) – donne des valeurs relatives (augmentation/diminution)

De nouveaux canaux de contrôle pour la retransmission : dans le sens descendant, la station de base annonce si elle a reçu correctement ou non les paquets dans le sens montant E-DCH HARQ indicator channel (E-HICH)

HSUPA channels (3/3)

NodeB

UEE-RGGH

E-AGCH

E-HICH

DPCCH

E-DPCCH

E-DPDCH

Ordonnancement sens montant (1/5) Avec HSDPA, toute la puissance d’une cellule peut être

dédiée à un seul utilisateur sur une courte période de temps : Débit crête potentiellement très élevé pour un UE et les

autres sont à 0 Mais l’intervalle de temps sera dédié à un autre utilisateur et

ainsi de suite Avec HSUPA l’ordonnancement de type HSDPA n’est pas

possible : HSUPA de type n vers 1 ; La puissance de transmission est utilisée par les UEs et ne

peut donc pas être partagée ;

Ordonnancement sens montant (2/5) La ressource est partagée sur le lien montant ici ce sera de

la puissance de transmission que le récepteur du Node B verra

L’ordonnancement HSUPA pourrait être décrite comme un ordonnancement très rapide de DCH

Ordonnancement sens montant (3/5) 2 types d’ordonnancement sont prévus pour le trafic

HSUPA Transmissions ordonnancées par le Node B. Chaque requête

induit un délai et de la signalisation. Transmissions non ordonnancées (Non-scheduled

transmissions - NST) sont contrôlées directement par le RNC qui définit un débit minimum auquel un UE peut transmettre sans effectuer de requête spécifique. Cela réduit la surcharge de signalisation et les temps de traitements et d’allocation de ressource

Ordonnancement sens montant (4/5) Règles pour les Transmissions ordonnancées

L’ordonnanceur mesure le niveau de bruit et décide si : Un débit supplémentaire peut être alloué D’autres doivent réduire leur débit

L’ordonnanceur gère aussi les retours sur le lien montant Ces retours sont transmis si l’E-DPCCH chaque TTI Il choisit les utilisateurs pouvant augmenter leur débit en

fonction de l’état du buffer et de la disponibilité en puissance Peut dépendre sur des priorités qui sont gérées par le RNC :

l’ordonnanceur peut choisir un utilisateur ou plusieurs utilisateurs pour ajuster les débits

Les débits absolus ou relatifs peuvent être envoyés sur les canaux E-RGCH ou E-AGCH

Mobilité avec HSUPA (1/2) Procédure équivalente à celle de l’UMTS y compris soft

handover ; Le fonctionnement d’HARQ dans le cas d’un soft handover

HSUPA est le suivant : Si l’un des Node B envoie un ACK, l’information est

communiquée à la couche MAC qui considérera la transmission comme effective

Mobility with HSUPA (2/2)

Data

Layer 1 ACK/NACK

RNC

NodeB

UE

NodeB

Layer 1 ACK/NACK

Correctly received packet

Packet reordering

Continuous Packet Connectivity (1/5)

Continuous Packet Connectivity (CPC) a été introduite à partir de la Release 7

Objectif : améliorer les performances de services contraints temporellement et avec un débit faible typiquement VoIP

Elimine l’obligation de transmission/réception en continu. 3 caractéristiques principales

Transmission discontinue UL Transmission discontinue DL HS-SCCH less pour HSDPA VoIP

Continuous Packet Connectivity (2/5)

Avantages Les utilisateurs inactifs ont besoin de moins de ressources ce

qui crée moins d’interférences globales : on peut accepter plus de connexions simultanées

Réduction de la consommation énergétique des UE Ressources de l’UTRAN mieux utilisées

Continuous Packet Connectivity (3/5)

= DPDCH (DCH) / E-DPDCH (E-DCH)= DPCCH

E-DCH with 2-ms TTI(Rel-6, phase 2, VoIP)

E-DCH with 10-ms TTI(Rel’6, phase 1, VoIP)

R99 DCH with 20-ms TTI(Rel’99, CS voice)

12.2 kbps DCH

32 kbps E-DCH

160 kbps E-DCH

Power offset

E-DCH with 2 ms TTIand UL DPCCH gating

(Rel-7, VoIP)

160 kbps E-DCH

PO

Continuous Packet Connectivity (5/5)

Les UE peuvent s’éteindre

Fonctionnement HS-SCCH-less HSDPA lien descendant Les transmissions étant planifiées pas besoin de High Speed

Secondary Control Channel (HS-SCCH) pour les petits paquets de VoIP

Le canal HS-SCCH n’est utilisé que pour les retransmissions

UE shall monitor PDCCH

On Duration

DRX Cycle

DRX Period

Pas de mesures à effectuer pas de données envoyées

Performances obtenues Comparaison entre UMTS et voix en mode circuit et HSPA rel’6 avec VoIP

avec Rel 99 voix en mode circuit CS : capacité de 60-70 utilisateurs/cellules

avec Rel 7+ VoIP la capacité est doublée

H. Holma, M. Kuusela, E. Malkamäki, K. Ranta-aho, C. Tao: “VoIP over HSPA with 3GPP Release 7”, PIMRC, 2006.

I-HSPA (1/3) Internet-HSPA (I-HSPA) a pour objectif d’accélérer et de

simplifier l’architecture de l’UMTS Utilisable avec les stations de base UMTS Utilise des terminaux standards Architecture extrêmement simplifiée qui permet

Accès sans fil à haut débit Améliore les délais Réduit les retransmissions

I-HSPA (2/3)

UE

NodeB /E-NodeB

RNC

SGSN

GGSN

Internet /Intranet

Internet /Intranet

I-HSPA

I-HSPA (3/3)Temps d’aller retour pour un paquet de 32 octets

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

Today HSDPA HSDPA+HSUPA

Release 99 ~200 ms

HSDPA <100 ms

HSUPA ~50 ms

InternetIu + coreRNCIubNode BAIUE

I-HSDPA+I-HSUPA

I-HSPA ~25 ms

Conclusions (1/2)

High Speed Packet Access : évolution de l’UMTS introduite dans les releases 5 et 6 pour les sens descendants et montants respectivement

HSPA offre des débits-crête bien supérieurs jusqu’à 14 Mbit/s dans le sens descendant et 5,4 Mbit/s dans le sens montant avec une réduction des délais

Principes clés de HSPA : Retransmissions rapides PHY : HARQ Ordonnancement fait par la station de base Trames plus courtes (2ms - DL et 2 ou 10ms - UL) Modulation et codages améliorés ; adaptation dynamique

dans le sens descendant

Conclusions (2/2)

HSPA améliore aussi les performances des applications de type VoIP (pas prévu initialement)

Continuous Packet Connectivity (CPC) introduit dans la version 7

I-HSPA introduit pour les accès Internet Débits plus grands et délais plus faibles Réduction des coûts

Femtocells ont été proposées pour augmenter la densité et renvoyer les utilisateurs vers des raccordements résidentiels (ADSL, fibre)

HSPA vs UMTSFeature

Modulation Adaptative

ordonnancement BTS

UMTS

Non

Non

HSUPA

Non

Oui

HARQ Non Oui

HSDPA

Oui

Oui

Oui

Soft handover Oui Oui Non(sauf DCH associé)

Downlink HSDPA Théoriquement jusqu’à 14.4 Mbit/s Capacités observées 1.8-3.6 Mbit/s

Uplink HSUPA Théoriquement jusqu’à 5.76 Mbit/s Capacité observée 1.46 Mbit/s

Débits Max HSPA