Zuletzt editiert: 25. Mai 2004 |
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Nachdem bereits Ende 2005 die Mobilfunkgeneration 3,5G - mit dem Namen HSDPA - Einzug halten wird, startet UMTSlink.at eine mehrteilige Artikelserie, um diese Innovation für UMTS-Netze vorzustellen.
Im 1. Teil soll HSDPA in groben Zügen betrachtet werden, die Details dazu folgen dann in den weiteren Artikel-Teilen.
Gar so lange ist es ja noch nicht her, da UMTS als 3. Mobilfunkgeneration - kurz 3G - in unsere Lande gezogen ist und uns neue Wunderdinge versprochen hat. Superschnelle Datenanbindungen mit bis zu 2Mbit/s und multimediale Dienstmöglichkeiten der Superlative. Mittlerweile hat die Praxis die hoffnungsvolle Theorie eingeholt und bei vielen Endkonsumenten hat sich "Ernüchterung" eingestellt. Wir wissen heute sehr gut, dass es den netten Marketinggag mit den 2Mbit/s Datenspeed in der kommerziellen Praxis einfach nicht gibt. Das Maximum liegt bei 384kbit/s, was ja zwar auch nicht wenig ist, aber von den "versprochenen" Werten weit entfernt ist. Das Vertrauen in das Marketing wurde hingegen durch diese Aktionen auch nicht verbessert. UMTSlink.at hält natürlich nichts von Eigenlob: aber UMTSlink.at war seit 2001 ein Verfechter der Meinung, dass UMTS-Netze kaum mehr als 384kb/s im Downlink bieten werden - zumindest in den ersten Jahren nicht.
Sie fragen sich jetzt natürlich, was hat diese Einleitung mit HSDPA - ein
neues Zauberwort in der trendigen Vermarktungs-Branche? - In der
Tat, sehr viel. Denn genau jene Punkte, die bei UMTS übertriebener Maßen
versprochen wurden, werden mit dem neuen Technologieaufsatz HSDPA endlich in
die Tat umgesetzt. Technologisch setzt nämlich HSDPA durch Upgrade-Methoden bei
den Schwächen von UMTS an. Daher wird in der Analogie von 2,5G, wo es um einen
technologischen Aufsatz für GSM-Netze durch HSCSD bzw. GPRS ging, HSDPA bereits
als 3,5G bezeichnet - als die Mobilfunkgeneration 3,5.
Was heißt eigentlich HSDPA? HSDPA ist die Abkürzung für "High Speed
Downlink Packet Access" und drückt damit bereits einen wesentlichen
Aspekt dieser neuen Technik aus: nämlich einen eindeutig höheren
Datenspeed für den Endverbraucher - nämlich in der optimistischen Theorie sogar
bis zu 14,4Mbit/s. Doch der höhere Datenspeed ist bei weitem nicht DAS
entscheidende Argument von HSDPA. HSDPA hat nämlich noch einiges mehr an
"Bonusmaterial" für den Endkonsumenten (aber auch für den Mobilnetzbetreiber)
zu bieten. Genau diesem Bonusmaterial soll nun nachgegangen werden. HSDPA ist
somit die Antwort von UMTS auf die 1xEvDo-Offensive vom amerikanischen
3G-Konkurrenzstandard CDMA2000 - nur das HSDPA 1xEvDo weit überlegen ist.
Wohlgemerkt sei: Bei HSDPA handelt es sich um eine technische Evolution, die sich nur in der Downlink-Richtung - also vom Mobilfunknetz zum Mobilendgerät - bemerkbar macht. Im Uplink - also umgekehrte Übertragungsrichtung - werden klassische UMTS-Methoden verwendet.
HSDPA ist ein technologischer Bereich, der in der neuen UMTS-Release 5 Berücksichtigung findet. Unter einer Release kann man sich dabei einen Technologieschub vorstellen, mit dem neue Features nach einem einheitlichen Standard in eine bestehende Mobilnetzinfrastruktur integriert werden können. Die bisherige Implementierung wurde mit der Bezeichnung Release 99 zusammengefasst. In der neuen Release 5 werden neben HSDPA-Features auch weitere Features berücksichtigt, die jedoch nicht Gegenstand dieses Artikels sein sollen. Für einen UMTS-Netzbetreiber ist es auch nicht zwingend HSDPA-Features zu integrieren. HSDPA wurde überhaupt so entwickelt, dass im UTRAN (Funknetzteil von UMTS) sowohl herkömmliche UMTS-Zellen als auch HSDPA-Zellen in nachbarschaftlicher oder auch in koexistenzieller Beziehung nebeneinander betrieben werden können.
Abbildung 1: HSDPA-Auswirkungen auf das UTRAN
So kann es bei einem HSDPA-Netzbetreiber Zellen geben, die sowohl UMTS- als auch HSDPA-Kanäle terminieren können, es müssen dabei aber nicht alle Zellen (landesweit) mit HSDPA aufgerüstet werden. Es macht wohl kaum einen Sinn, eine einsam entlegene Mobilfunkzelle mitten im Wald in eine High-Tech-Zelle mit HSDPA hochzurüsten. Solche entlegenen Zellen werden mit dem bisherigen Modus (rel. 99) weiter operieren. Interessant ist HSDPA vor allem für Ballungsgebiete.
Wie bereits zuvor erwähnt und wie sich viele Leser auch so bereits wissen, bietet HSDPA höhere Datengeschwindigkeiten. Die ersten HSDPA-Endgeräte, die am Markt erhältlich sein werden, können im Downlink bis zu 3,6Mbit/s übertragen (einige weniger-entwickelte Endgeräte habe ein Maximum von 1,8Mbit/s). Diese Datenrate versteht sich jedoch primär als Spitzendatenrate, die nur dann in einem Übertragungszeitrahmen erreicht werden können, wenn die Funkübertragungsbedingungen sehr gut sind. Die Durchschnittsdatenrate soll laut ersten Analysen bei etwa 900kbit/s liegen. Und das ist schon ziemlich beachtlich, wenn man bedenkt, dass die meisten ADSL-Datenverbindungen bereits bei 768kbit/s ihr Maximum finden. Natürlich hängt diese Durchschnittsdatenrate letztlich davon ab, wie viele Endverbraucher in einer Zelle aktiv einen Dienst konsumieren.
Höhere Datenraten, nämlich bis zu 14,4Mbit/s (und momentan inoffiziell sogar mehr), lassen sich mit dem klassischen Rake-Receiver vorab nicht erzielen, dafür braucht man Empfänger-technisch gesehen schon etwas mehr Pepp, nämlich den so genannten "Advanced Receiver", der derzeit im Labor zwar sehr gut funktioniert, aber für ein akkubetriebenes kleines Handy noch nicht ausgereift genug ist.
Welche HSDPA-Geräteklassen und welche damit verbunden Datenraten sich erzielen lassen ist Thema eines späteren Artikels.
Und hier sind wir eigentlich beim allerwichtigsten Punkt angelangt: HSDPA hat nämlich weit geringere Latenzzeiten (Wartezeiten) als UMTS-Datenverbindungen mit Release 99. Eine Datenanbindung per Mobilfunkträger ist naturgemäß dadurch gekennzeichnet, dass es immer wieder zu Kanalqualitätsschwankungen kommt, die Auswirkungen auf den Datendurchsatz haben. Das Problem ist jetzt folgendes, um es vorerst einmal kurz und bündig zu erklären: Die meisten Datendienste, wie z.B. Internetsurfen, Emailtransfer oder FTP-Transfer, benutzen für die Transportkontrolle (Flusskontrolle) der Datenpakete das Protokoll TCP. TCP verknüpft mit IP sind auch Standardprotokolle die im Internet verwendet werden. TCP wurde jedoch primär für Festnetz-Datenanbindungen konzipiert und nicht für kanalschwankende Mobilfunkanbindungen. Bei Festnetz-Anbindungen gibt es keine gravierenden Kanalschwankungen, sodass TCP bei der Flusskontrolle davon ausgeht, dass der Kanal so gut wie gleichbleibende Qualität während einer Übertragung aufweist. Kommt es trotzdem zu einer Kanalschwankung, wie z.B. zu einem Datenstau, dann regelt TCP sich bei der Paket-Übertragung entsprechend zurück, um den Kanalbedingungen gerecht zu werden (schlechtere Kanalqualität --> geringere Paketübertragung pro Zeiteinheit bzw. geringere Datengeschwindigkeit). Verbessert sich die Kanalqualität wieder, so regelt sich TCP nur sehr langsam und träge bis zum Maximalspeed wieder hinauf. Für Festnetz-Anbindungen, wie gesagt, spielt das kaum eine Rolle, weil die Kanalqualität sich nicht stark ändert - daher ist die Latenzzeit bei Festnetzanbindung relativ klein, da der langsame Hochregelmechanismus entfällt.
Bei Mobilfunknetzen hingegen kommt es z.B. durch Fast Fading Effekte sehr oft zu Kanaleinbrüchen. Das bedeutet im Detail bei UMTS Release 99: Der maximale Datenspeed ist mit 384kbit/s zwar sehr gut, der Endkonsument bekommt im Durchschnitt jedoch meistens davon nicht viel zu spüren, da das TCP-Protokoll diesen Maximalwert durch den Hochregel-Mechanismus nach einem Kanaleinbruch (Schwundloch) nicht wirklich ausnutzen kann. Ein Kanaleinbruch bedingt, dass der Empfänger ein Datenpaket fehlerhaft empfängt, sodass es vom Funknetzteil ein zweites Mal übertragen werden muss --> es entsteht eine Art Flaschenhals für das TCP-Protokoll. Die Latenzzeiten sind daher bei Mobilfunknetzen eher hoch. Bei UMTS liegt die durchschnittliche Latenzzeit zwischen 200ms und 300ms. Bei GPRS ist das übrigens noch schlimmer: dort sind es etwa 700ms!
Dank neuer Mechanismen, mit denen HSDPA auf die schwankende Funkkanalqualität reagieren kann, verringert sich die Latenzzeit bei einem HSDPA-Funkkanal erheblich! Die Latenzzeit liegt in etwa nur noch bei 100ms. Das ist prozentuell gesehen eine enorme Verbesserung und man kann mit Recht sagen: HSDPA ist ein guter Schritt näher Richtung Festnetzqualität" von Mobilfunkdiensten!
Durch ein ausgeklügeltes Management ist es HSDPA möglich eine Funkzelle bis zu ihrer Kapazitätsgrenze dauerhaft auszunutzen. Werden Paketdatendienste über Rel.99-Kanäle durchgeführt, so werden, wie wir noch sehen werden, die Leistungsreserven und damit verbunden die Kapazität einer Node B nicht zufrieden stellend ausgenutzt. Hauptübel bei REl. 99 war und ist, das Paketdatendienste nicht über den DSCH-Kanal (Downlink Shared CHannel) durchgeführt werden, sondern in den meisten Fällen über dedizierte Kanäle (DCH - Dedicated CHannel), deren Übertragungscharakteristik aber eher leitungsorientierten Diensten entspricht. Jedenfalls wird so ein nicht unbeträchtlicher Teil der Zellenkapazität nicht genutzt - das Frequenzband fährt also nicht auf voller Last.
Um diesem Manko gerecht zu werden verwendet HSDPA eine ganz andere Philosophie der Leistungsregulierung als Rel. 99-Kanäle. Mehr dazu folgt in einem eigenen Artikel.
Der wichtigste neue HSDPA-Kanal ist der HS-DSCH (Transportkanal - High Speed Downlink Shared CHannel) bzw. der HS-PDSCH (phys. Kanal - High Speed Physical Downlink Shared CHannel). Über diesen Kanal werden in Hochgeschwindigkeit die Nutzdaten, wie z.B. Internetdaten für den Browser, übertragen. Zur primären Steuerung dieses Nutzkanals gibt es bei HSDPA auch den neuen HS-SCCH (High Speed Shared Control CHannel).
UMTS-spezifisch gibt es für diesen Shared-Channelbetireb eigene assoziierte "Zugewiesene Kanäle" - also Dedicated CHannel. Im Uplink gibt es als Rückkanal den HS-DPCCH (High Speed Dedicated Physical Control CHannel) und im Downlink den DPCH (Dedicated Physical CHannel).
Bezüglich der Funktionsweise und Struktur der einzelnen Kanäle folgt eine eigener Teil dieser Artikel-Serie.
Um zu höheren Datenraten gelangen zu können verwendet HSDPA unter anderem einen ähnlichen Trick wie EDGE, nämlich ein optional "datenschnelleres" Modulationsverfahren. Je nach Kanalqualitäten kann so zwischen dem klassischen UMTS-Modulationsverfahren (4PSK) und dem neuen 16QAM-Modulationsverfahren gewechselt werden. Ist die Kanalqualität sehr gut, wird das 16QAM-Verfahren verwendet, das gegenüber dem klassischen UMTS-Verfahren die doppelte Datenrate ermöglicht.
Um bei der Analogie von EDGE (aber auch GPRS) zu bleiben, gibt es noch eine Parallel: Es gibt verschieden robuste Kodierungsmethoden, mit denen die Bits geschützt zum Funkempfänger übertragen werden. Auch hier gilt: Je besser die Kanalqualität, desto weniger Redundanz bezüglich Kanalkodierung muss den Nutzdaten zugefügt werden und desto mehr Nutzdaten können übertragen werden. UND: Je nach Kanalqualität können die Nutzbits unterschiedlich gut geschützt werden, wodurch eine Anpassung an die Kanalqualität erreicht wird.
Für die bereits zuvor erwähnten relativ hohen Latenzzeiten von UMTS-Rel.99-Datendiensten ist im wesentlichen die zentralistische Architektur des REl.99-UTRANs verantwortlich. Hier steuert ein zentraler Knotenpunkt, nämlich der RNC, ein relativ großes Funknetzgebiet, nämlich das so genannte RNS (Radio Network Subsystem). Unter einem RNS versteht man ein Funknetzversorgungsgebiet, das von einem RNC und den sämtlichen an ihn angeschlossenen Node Bs gebildet wird. Typischer Weise sind an einen RNC etwa 200 Node Bs angeschlossen - dieser Zahlenwert kann variieren und hängt vom Hardware-Hersteller und von der Topologie ab. Der "zentrale" RNC muss somit für all "seine" Zellen Steuerungsaufgaben durchführen. Dazu gehört auch die Aufgabe des Handshaking-Betriebs bei Datendiensten - bei UMTS spricht man hier von "AM - Acknowledged Mode", was soviel wie "Bestätigungs-Modus" bedeutet. Für dieses Handshaking-Verfahren ist die RLC-Protokollschicht im zentralen RNC verantwortlich. Im AM-Modus werden Datenpakete im Falle der Downlinkübertragung vom RNC vorab in einem Buffer gespeichert und an die Node B weiter geleitet; die Node B sendet per Funk das Datenpaket in die Zelle, sodass das Datenpaket vom Mobilendgerät empfangen werden kann. Wird das Datenpaket fehlerfrei empfangen, so wird der RNC verständigt, dass die Funkübertragung des Pakets korrekt war. Der RNC kann somit das in seinem Buffer gespeicherte Datenpaket verwerfen. Sollte das Mobilendgerät jedoch Empfangsfehler feststellen, so wird der RNC verständigt, dass er das in seinem Buffer gespeicherte Datenpaket nochmals übertragen muss.
Abbildung 2: MAC-hs-Protokoll im UTRAN Rel.5
Sind nun z.B. 200 Node Bs an den RNC angeschlossen und terminiert jede Node B terminiert 3 Zellen (im allgemeinen terminiert die Node B 3 Sektoren!), so verwaltet der RNC 600 Zellen. Gehen wir davon aus, dass in einem Ballungsgebiet z.B. 5 Datenverbindungen pro Zelle aktiv sind, so bedeutet das, dass der RNC 3000 Datenverbindungen terminiert. Um all diese Dienste überhaupt abarbeiten zu können, ist die Bezugszeitdauer eines Datenpakets relativ lange angesetzt - in den meisten Fällen liegt die Rahmendauer (TTI - Transmission Time Interval) bei 20ms (es sind auch folgende Längen möglich: 10ms, 20ms, 40ms und 80ms). Die Reaktionszeit auf ein fehlerbehaftetes, nicht korrigierbares Datenpaket beim Empfänger ist daher nicht unbeträchtlich - der Datenfluss leidet beträchtlich darunter. Wie bereits zuvor erwähnt kommt es durch Funklöcher oder andere Funkeffekte sehr schnell einmal zu einem nicht korrigierbaren Übertragungsfehler, sodass ein bereits gesendetes Datenpaket nochmals oder mehrmals neuübertragen werden muss.
Genau hier setzt nun HSDPA mit einem neuen funkspezifischen Protokoll-Schicht an - der MAC-hs (Medium Access Control - High Speed). Die MAC-hs ist eine neue zusätzliche Protokollschicht mit neuen Funktionen: die MAC-hs wird nun in der Node B implementiert und verfügt über einen eigenen "Handshaking"-Mechanismus, der eine weit kürzere Rahmenbezugsdauer verwendet. Der Vorteil liegt klar auf der Hand: das Handshakting wird durch die Implementierung in der Node B dezentralisisert und ist nun vorort in der Zelle. Durch die kürzere Bezugsrahmendauer - man spricht hier von STTI, Short Transmission Time Intervall - von nur noch 2ms ist auch die Reaktionszeit für den Handshaking-Regelkreis stark verkürzt worden. Zusätzlich wurde bei HSDPA durch AMC (siehe oben) die Möglichkeit geschaffen bei Fehlermeldungen im "Handshaking"-Kreis mit einer der Funkkanalqualität adäquaten Kodierung zu reagieren. Der korrekt empfangene Datendurchsatz wird dadurch vehement verbessert - der Endkonsument merkt es an einer sehr guten Durchschnittsdatengeschwindigkeit.
Die MAC-hs bietet somit sehr viel gutes für ein Rel.5-Netzwerk und ist die wichtigste Novität, die HSDPA mit sich bringt. Durch die Dezentralisierung neuer Regelmechanismen wird dem kritischen Leser natürlich auch schnell klar, dass die Einführung von HSDPA es notwendig macht, dass sämtliche Node Bs mit neuen Funktionen hochgerüstet werden müssen - nämlich mit dem MAC-hs-Protokoll. Die Node B muss bei HSDPA also auch mehr Rechenleistung bereitstellen als dies bei Rel.99 der Fall war.
Weitere Infos zur MAC-hs folgen in einem späteren Teil dieser Serie.
(c) 2005, Rudolf Riemer
Hiermit endet nun auch der 1. Teil der HSDPA-Serie, der hoffentlich einen ersten Eindruck hinterlassen hat, was wir uns von HSDPA erhoffen dürfen.
Fortsetzung folgt nächste Woche, mit dem Thema: Datengeschwindigkeit von HSDPA.