ŚREDNIA PRZEPŁYWNOŚĆ OFEROWANA UŻYTKOWNIKOWI SYSTEMU UMTS-HSDPA

Mariusz Głąbowski, Sławomir Hanczewski, Maciej Stasiak

Politechnika Poznańska

Wydział Elektroniki i Telekomunikacji

Katedra Sieci Telekomunikacyjnych i Komputerowych ul. Piotrowo 3a, 60-965 Poznań

e-mail:(mglabows, shancz, stasiak)@et.put.poznan.pl

ŚREDNIA PRZEPŁYWNOŚĆ OFEROWANA UŻYTKOWNIKOWI

SYSTEMU UMTS-HSDPA

Streszczenie: W artykule została przedstawiona metoda analityczna pozwalająca na wyznaczenie średniej przepływ-ności oferowanej użytkownikowi w systemie UMTS posze-rzonym o technologię HSDPA (ang. High-Speed Downlink Packet Access). Zastosowanie HSDPA zwiększa szybkość transmisji pomiędzy stacją bazową a terminalem użytkow-nika w sieciach UMTS, dzięki czemu możliwe stało się ofe-rowanie przez operatorów systemów komórkowych nowych usług wymagających większych przepływności (np. szeroko-pasmowy dostęp do Internetu).

1. WSTĘP

Budowa sieci telefonii trzeciej generacji (3G) ma umożliwić użytkownikom dostęp zarówno do usług głosowych, jak i do transmisji danych. Teoretyczne opracowania systemu UMTS wykazały możliwość ofe-rowania użytkownikom sieci przpływności nawet do 2Mb/s. Jednak budowa pierwszych sieci (laboratoryj-nych i komercyj(laboratoryj-nych) pokazała, że osiągnięcie maksy-malnej zakładanej szybkości transmisji nie jest moż-liwe. W tabeli 1 przedstawione zostały rzeczywiste i teoretyczne szybkości transmisji w sieciach GSM i UMTS [1].

Tabela 1.

Rzeczywiste (A) i teoretyczne (B) szybkości transmisji w sieciach GSM i UMTS

System GSM GPRS EDGE UMTS

A [kb/s] 9,6 50 130 384

B [kb/s] 14,4 170 384 2048

Rozpoczęto zatem prace nad rozszerzeniem sys-temu UMTS - które podobnie jak GPRS i EDGE w systemach GSM - umożliwi zwiększenie szybkości transmisji w sieciach UMTS. Zaproponowane w ra-mach 3GPP1 _{rozwiązanie HSDPA umożliwia nawet}

kilkukrotne zwiększenie szybkości transmisji w kierun-ku od stacji bazowej do terminala użytkownika (łącze

1_{3rd Generation Partnership Project - wspólny projekt}

orga-nizacji standaryzujących mający na celu rozwój systemów ko-mórkowych trzeciej generacji

„w dół”, ang. downlink ). Niemalże jednocześnie rozpo-częto prace nad metodą zwiększenia szybkości na łą-czy w górę - HSUPA High-Speed Uplink Packet Access (planuje się, że pierwsze implementacje HSUPA w ko-mercyjnych sieciach powinny pojawić się w przyszłym roku). Usługi związane z HSDPA zostały udostępnio-ne już w 2005 roku i obecnie cieszą się dużą popu-larnością. W tym roku ten sposób przesyłania danych w sieciach UMTS pojawił się również w Polsce. Sieci UMTS-HSDPA określane są często mianem telefonii 3,5G.

W rozdziale drugim omówiono sposób określania pojemności systemu UMTS. Krótki opis technologii HSDPA przedstawiono w rozdziale 3. W rozdziale 4 zaproponowano metodę wyznaczania średniej prze-pływności dostępnej dla użytkowników HSDPA.

2. System UMTS

2.1. Twarda i miękka pojemność systemu ko-mórkowego

Pojedynczą komórkę systemu komórkowego można traktować jak wiązkę pełnodostępną o stałej lub zmiennej pojemności, w zależności od możliwego wpływu otoczenia na obciążenie interfejsu radiowego. W systemie o twardej pojemności maksymalna liczba abonentów obsługiwanych przez jedną komór-kę jest jednoznacznie określona i zależy wyłącznie od liczby wykorzystanych kanałów częstotliwościowych. Przykładem takiego systemu jest system GSM.

W systemach o miękkiej pojemności pojemność po-jedynczej komórki nie jest stała i zmienia się w za-leżności od wpływów zewnętrznych, których istotnym elementem jest stopień obciążenia komórek sąsiednich. Ideę zależności pojemności systemu od obciążeń ko-mórek sąsiednich zilustrowano na rys. 1, na którym przedstawiono komórkę dostępową 2 _{i dwie komórki}

sąsiednie (w postaci walcowatych naczyń). Obciążenie komórki odwzorowywuje wysokość wypełnienia naczy-nia. Na rysunku 1a) stosunkowo niewielkie obciążenie

2_{Pojęcie komórki dostępowej zostało wprowadzone w}

mode-lach analitycznych systemów GSM i UMTS i oznacza komórkę z której zasobów w danej chwili korzysta abonent

2006

Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne Poznań 7 - 8 grudnia 2006

V_max V_max Komórka dostępowa a) b)

Rys. 1. Ilustracja zjawiska miękkiej pojemności

komórek sąsiednich pozwala na utrzymanie dużej do-puszczalnej pojemności komórki dostępowej. Z kolei wzrost obciążenia w komórkach sąsiednich powoduje zmniejszenie dopuszczalnej pojemności komórki dostę-powej (rys. 1b). Do systemów o miękkiej pojemności zalicza się system UMTS.

W systemach z miękką pojemnością, dostępna przepływność systemu może się zmieniać od teoretycz-nej przepływności maksymalteoretycz-nej – za miarę której mo-żemy uznać przepływność idealnej komórki izolowa-nej, nie narażonej na wpływy zewnętrzne – do pewnej pojemności minimalnej, kiedy wpływ obciążeń komó-rek sąsiednich jest największy.

2.2. Alokacja zasobów w interfejsie radiowym WCDMA

Wykorzystywany w systemie UMTS interfejs radiowy WCDMA (ang. Wideband Code Division Multiple Ac-cess) posiada dużą teoretyczną przepływność izolowa-nego interfejsu. Jednocześnie, dostępna przepływność jest ograniczona dopuszczalnym poziomem mocy in-terferencji w kanale częstotliwościowym. W każdym systemie komórkowym z rozpraszaniem widma sygna-łów, pojemność interfejsu radiowego jest ograniczona na skutek występowania kilku typów zakłóceń [2]:

• wspólnokanałowych interferencji własnych ko-mórki – pochodzących od współużytkowników ka-nału częstotliwościowego z obszaru danej komór-ki,

• wspólnokanałowych interferencji zewnętrznych komórki – pochodzących od współużytkowników kanału częstotliwościowego z obszaru komórek są-siednich,

• interferencji sąsiedniokanałowych – pochodzą-cych z sąsiednich kanałów częstotliwościowych

te-go samete-go operatora lub innych operatorów tele-fonii komórkowej,

• wszelkich zakłóceń i interferencji pochodzących z innych systemów i źródeł, zarówno szerokopa-smowych jak i wąskopaszerokopa-smowych.

Podsumowując, w interfejsie radiowym WCDMA wraz ze wzrostem obciążenia (ruchu) wzrasta szum genero-wany przez innych użytkowników obsługigenero-wanych przez tę samą komórkę lub przez inne komórki. W celu zapewnienia odpowiedniego poziom usług, konieczne jest ograniczanie liczby alokowanych zasobów przez aktywne źródła ruchu. Szacuje się, że maksymalne wy-korzystanie zasobów interfejsu radiowego, bez obniże-nia jakości usług, będzie wynosiło około 50 – 80% [3]. Z tego też względu miękka pojemność interfejsu ra-diowego WCDMA jest określana mianem pojemności ograniczonej szumowo (ang. noise limited).

Z uwagi na wielusługowy charakter sieci UMTS, interfejs radiowy obsługuje kilka klas ruchu, z których każda do obsługi zgłoszenia żąda różnej przepływno-ści i tym samym, w różnym stopniu obciąża interfejs. Współczynnik obciążenia szumowego dla jednego źró-dła ruchu klasy i można określić na podstawie nastę-pującego wzoru: Li= 1 1 + W Eb N0
i Riνi . (1)

We wzorze (1) przyjęto następujące oznaczenia: W – przepływność sygnału rozpraszającego (tzw.

prędkość czipowa, w systemie UMTS standar-dowo wynosi 3,84 Mchip/s), tj. szybkość z jaką rozpraszany jest sygnał wejściowy (sygnał da-nych lub sygnał rozmówny),

Ri – przepływność sygnału danych od jednego

źró-dła ruchu klasy i,

νi – współczynnik aktywności źródła ruchu klasy i,

który oznacza procent czasu zajętości kanału transmisyjnego, w którym źródło jest aktywne, tj. nadaje sygnał o przepływności Ri,

Eb/N0 – stosunek energii przypadającej na jeden bit

do gęstości widmowej szumu,

Li – obciążenie interfejsu radiowego przez zgłoszenie

klasy i.

Przykładowe obciążenia interfejsu radiowego WCDMA przez zgłoszenia różnych klas przedstawio-no w tabeli 2.

2.2.1. Łącze „w dół”

Uwzględniając podział źródeł ruchu na odpowiednie klasy, całkowite obciążenie łącza „w dół” można zapi-sać w następującej postaci:

ηDL= (1 − ξj+ δ) M X i=1 Ni X 1 Li, (2)

Tabela 2.

Przykładowe obciążenia interfejsu radiowego WCDMA przez zgłoszenia różnych klas

Usługa (i) I II III IV

W [Mchip/s] 3,84 Ri [kb/s] 12,2 64 144 384 νi 0,67 1 1 1 Eb/N0 [db] 4 2 1,5 1 Li 0,005 0,026 0,050 0,112 I - Rozmowa

II, III, IV - Transmisja danych

gdzie: δ jest to stosunek interferencji od innych komó-rek do interferencji własnych komórki, natomiast ξj

jest to współczynnik tłumienia interferencji. Współ-czynnik ten wskazuje na stopień redukcji interferencji pomiędzy użytkownikami tej samej komórki dzięki sto-sowaniu sekwencji identyfikujących kanał, opartych na technice ortogonalnych ciągów kodowych o zmiennym współczynniku rozpraszania OVSF (ang. Orthogonal Variable Spreading Factor ). Oznacza to, że mogą one mieć różny współczynnik rozpraszania, a ich wzajem-na korelacja wynosi zero [4].

2.2.2. Jednostki alokacji w interfejsie radiowym z ruchem zintegrowanym

UMTS jest systemem ograniczonym szumowo, zatem PJP (podstawowa jednostka pasma) może być wyrażo-ne ułamkiem współczynnika obciążenia łącza. W sys-temach multi-rate przyjmuje się, że wartość PJP po-winna być mniejsza lub równa największemu wspólne-mu podzielnikowi zasobów żądanych przez poszczegól-ne strumienie zgłoszeń [5] [6]. W przypadku interfejsu radiowego WCDMA możemy napisać:

LPJP= NWP(L1, L2, . . . , LM). (3)

Pojemność systemu (interfejsu) możemy wyrazić w liczbie określonych powyżej PJP:

V = bη/LPJPc , (4)

gdzie η jest pojemnością interfejsu radiowego dla łą-cza „w dół”. Podobnie możemy wyrazić liczbę PJP wymaganą przez zgłoszenie danej klasy:

ti= dLi/LPJPe. (5)

Na rysunku 2 przedstawiono sposób zamiany alo-kacji zasobów, wyrażonej w kbit/s, na alokację za-sobów wyrażoną w PJP, zgodnie z definicją (5). Na rysunku pokazano obsługiwane zgłoszenia dwóch klas i ich odwzorowanie na obciążenie interfejsu radiowego, wyrażone w PJP.

3. HSDPA

Technika HSDPA, zastosowana w systemie UMTS, znacznie poprawia jakość transmisji na łączu „w dół”. Poprawa jakości transmisji możliwa jest dzięki zwięk-szeniu szybkości transmisji oraz zmniejzwięk-szeniu opóź-nień. Teoretycznie, szybkość transmisji może osiągnąć

[

]

R

Dostępna

przepływność

interfejsu w PJP

Obciążenie

[

]

R

t

t

PJP

PJP

V PJP

X

X

Rys. 2. Alokacja zasobów w interfejsie radiowym z ruchem zintegrowanym

wartość nawet 14 Mb/s, czyli siedem razy więcej niż w WCDMA. W systemach działających obecnie uzy-skuje się szybkości około 2Mb/s.

HSDPA opiera swoje działanie na koncepcji współdzielonego kanału transmisji (ang. fat-pipe). HSDPA wprowadza do systemu UMTS dwa nowe kanały:

- HS − DSCH - High Speed Downlink Shared Channel - kanał transportowy współdzielony przez wszystkich użytkowników komórki (sektora),

- HS − SCCH -High Speed Shared Control Channel - kanał, który umożliwia urządzeniu użytkownika określenie sekwencji, które identyfikują w kanale HS − DSCH dane przesyłane do tego urządzenia.

Kanał HS −DSCH podzielony jest na ramki, któ-rych długość wynosi 2ms. W każdej ramce dostępnych jest 16 sekwencji , z których 15 może posłużyć do iden-tyfikacji danych użytkowników. Zatem w każdej ramce dostępnych jest 15 równoległych kanałów do przesyła-nia danych. Kanały te mogą być przypisane jednemu użytkownikowi lub rozdzielone pomiędzy użytkowni-ków HSDPA. Określając szybkość transmisji danych w systemie HSDPA należy pamiętać, że dane te są przesyłane w komórce, w której realizowane są tak-że połączenia rozmówne. A zatem szybkość transmisji oferowana w systemie zależy od:

• obciążenia komórki, wynikającego z obsługi połą-czeń własnych (UMTS) komórki oraz oraz inter-ferencji międzykomórkowych,

• liczby użytkowników korzystających z transmisji danych z wykorzystaniem HSDPA.

Porównanie transmisji danych w systemie UMTS i HSDPA przedstawiono na rysunku 3 [10]. W górnej części rysunku została pokazana transmisja danych użytkowników sieci UMTS. Z każdym użytkownikiem skojarzony jest dedykowany kanał fizyczny DPDCH (ang. Dedicated Physical Data Channel), którym prze-syłane są dane użytkownika. Ze względu na długość ramki zmiany szybkości transmisji danych mogą na-stępować co 10 ms. W dolej części rysunku 3 przed-stawiono transmisje danych rozważanych

użytkowni-10 ms 2 ms

UMTS

HSDPA

Wielodostęp w czasie

Wielodostęp z podziałem

kodowym

Rys. 3. Transmisja danych w systemie UMTS i UMTS-HSDPA

ków z wykorzystaniem transmisji HSDPA. Dzięki za-stosowaniu we wspólnym kanale zwielokrotnienia ko-dowego i zwielokrotnienia w czasie uzyskano dużą jego przepustowość. Zgodnie z prawem wiązki, kanał taki może obsłużyć więcej zgłoszeń niż byłoby to możliwe w systemie UMTS przy identycznych wartościach ru-chu oferowanego. Dzięki czemu możliwa jest obsługa kolejnego użytkownika. Zmiany szybkości transmisji mogą następować co 2 ms. Należy jednak pamiętać, że w obecnych implementacjach technologii HSDPA sta-nowi ona tylko rozszerzenie systemu UMTS. Większy priorytet mają zgłoszenia realizowane przez UMTS i każde takie zgłoszenie zmniejsza pojemność wspólnego kanału. W skrajnym przypadku jego pojemność może być równa zero.

W systemie HSDPA nie ma mechanizmu stero-wania mocą sygnału. Aby dopasować transmisję do warunków panujących w łączu radiowym zastosowa-no modulację adaptacyjną wykorzystującą modulacje QPSK oraz 16QAM [11]. W systemie tym nie wystę-puje również miękkie przenoszenie połączeń.

4. Średnia przepływność dostępna dla użytkowników HSDPA

W sieci UMTS-HSDPA każda komórka obsługuje dwa rodzaje zgłoszeń. Pierwszą grupę stanowią zgłoszenia związane z realizacją usług obsługiwanymi przez sys-tem UMTS (tabela 2), drugą zgłoszenia korzystające z transmisji HSDPA. W pierwszej kolejności realizowa-ne są usługi UMTS. Do realizacji usług HSDPA wyko-rzystywane są zasoby łącza radiowego niewykorzysta-ne przez zgłoszenia UMTS (rysuniewykorzysta-nek 4). Każde nowe zgłoszenie UMTS ogranicza pasmo dostępne dla usług HSDPA. Może zatem dojść do sytuacji, w której pa-smo dostępne dla usług HSDPA zostanie ograniczone do zera.

Z punktu widzenia inżynierii ruchu, pojedyncza komórka w systemie UMTS traktowana jest tak, jak

B

UMTS

HSPDA

Rys. 4. Podział przepływności systemie UMTS-HSDPA

wiązka doskonała obsługującą ruch zintegrowany o po-jemności określonej wzorem (4).

Aby wyznaczyć średnią przepływność (średnią licz-bę PJP) oferowaną zgłoszeniom HSDPA, niezlicz-będne jest wyznaczenie rozkładu zajętości PJP przez zgło-szenia UMTS. Do tego celu wygodnie jest posłużyć się rozkładem Kaufmana-Robertsa [7], [8]:

n [Pn]V = M X i=1 Aiti[Pn−ti]V, (6) gdzie:

Ai - ruch oferowany przez zgłoszenia UMTS klasy i,

ti - liczba żądanych PJP przez zgłoszenia klasy i,

[Pn−ti]V = 0, jeżeli n < ti, a wartość [P0]V wynika

z warunku normującego:

V

X

n=0

[Pn]_V = 1. (7)

Dla każdego stanu zajętości wiązki wyznaczana jest na podstawie rozkładu (6) średnia liczba obsługiwanych zgłoszeń poszczególnych klas [9]:

yi(n) = Ai[Pn−ti]V / [Pn]V. (8)

Dysponując średnią liczbą zgłoszeń każdej klasy yi(n), można dla każdego stanu n wyznaczyć pasmo

(liczbę dostępnych PJP), które może być wykorzysta-ne przez użytkowników HSDPA jako różnicę pomiędzy całkowitą pojemnością komórki i liczbą zajętych PJP przez zgłoszenia UMTS. Średnia przepływność ofero-wana zgłoszeniom UMTS jest równa:

Tx= V X n=0 " V − M X i=1 yi(n)ti # [Pn]V . (9)

Przepływność Txmoże być dostępna tylko dla

jed-nego użytkownika (wówczas osiągnie największą szyb-kość transmisji) lub może być podzielona pomiędzy wielu użytkowników UMTS-HSDPA.

Na rysunkach 5 oraz 6 przedstawione zostały re-zultaty obliczeń średniej wartości przepływności Tx

z uwzględnieniem klas zgłoszeń UMTS przedstawio-nych w tabeli 2, w zależności od ruchu oferowane-go przez te klasy na jedną podstawową jednostkę pa-sma. Przedstawione wyniki na rysunku 5 otrzymano

przy założeniu, że system UMTS obsługuje trzy kla-sy zgłoszeń, żądających następujących przepływności: rozmowa 12,2 kb/s, transmisja danych 64 kb/s oraz 144 kb/s. Na rysunku 6 przedstawiono rezultaty uzy-skane dla przypadku, w którym obsługiwane są 4 klasy zgłoszeń przedstawionych w tabeli 2. W obu przypad-kach rozważano 100%, 80% i 50 % możliwe obciąże-nie komórki, natomiast ruch oferowany miał następu-jącą strukturę: a1t1 : a2t2 : a3t3 = 1 : 1 : 1 oraz a1: a2: a3: a4= 1 : 1 : 1 : 1. 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 PJP a

Rys. 5. Średnia przepływność oferowana zgłoszeniom UMTS-HSDPA (wykorzystanie łącza radiowego: —— 100% (V = 200 PJP), – – – 80% (V = 160 PJP), - - - - 50% (V = 100 PJP)) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 PJP a

Rys. 6. Średnia przepływność oferowana zgłoszeniom UMTS-HSDPA (wykorzystanie łącza radiowego: —— 100% (V = 200 PJP), – – – 80% (V = 160

PJP), - - - - 50% (V = 100 PJP))

5. Podsumowanie

Wprowadzana do systemu UMTS technologia trans-misji danych HSDPA może nawet kilkukrotnie zwięk-szyć przepustowość systemu UMTS na łączu w dół.

Obecnie prowadzone są również badania nad możli-wościami zwiększenia przepustowości systemu na łą-czu w górę (HSUPA). Dzięki tym technologiom sieci oparte na systemie UMTS staną się sieciami w pełni szerokopasmowymi.

Zaproponowana w artykule metoda wyznaczania średniej przepustowości przeznaczonej do realizacji usług w oparciu o HSDPA może zostać wykorzysta-na do awykorzysta-nalizy sieci telefonii 3,5G lub może być przy-datnym narzędziem w trakcie projektowania tych sie-ci. Proponowana metoda opiera się na dobrze znanym i sprawdzonym rozkładzie Kaufmana-Robertsa. Obli-czenia prowadzone zgodnie z przedstawionymi w me-todzie wzorami nie są skomplikowane, co jest nie-wątpliwie dużą zaletą z punktu widzenia inżyniera-projektanta sieci.

Literatura

[1] Korhonen J. HSDPA - An Introduction. www.ttpcom.com, 2004.

[2] Laiho J., Wacker A., Novosad T. Radio Network Plan-ning and Optimization for UMTS. John Wiley & Sons, Ltd., 2006.

[3] Holma H., Toskala A. WCDMA for UMTS. Radio Ac-cess For Third Generation Mobile Communications. John Wiley & Sons, Ltd., 2000.

[4] Faruque S. Cellular Mobile Systems Engineering. Ar-tech House, London, 1997.

[5] Roberts J., redaktor. Performance Evaluation and Design of Multiservice Networks, Final Report COST 224. Commission of the European Communities, Brussels, Holland, 1992.

[6] Roberts J., Mocci V., Virtamo I., redaktorzy. Bro-adband Network Teletraffic, Final Report of Action COST 242. Commission of the European Communi-ties, Springer, Berlin, 1996.

[7] Kaufman J. Blocking in a shared resource envi-ronment. IEEE Transactions on Communications, 29(10):1474–1481, 1981.

[8] Roberts J. A service system with heterogeneous user requirements — application to multi-service telecom-munications systems. Pujolle G., redaktor, Proce-edings of Performance of Data Communications Sys-tems and their Applications, strony 423–431, Amster-dam, Holland, 1981. North Holland.

[9] M. Stasiak. Efektywna dostępność w zagadnieniach modelowania pól komutacyjnych. Wydawnictwo Poli-techniki Poznańskiej, Poznań, 2005.

[10] Nortel. HSDPA and beyond. www.nortel.com, 2005. [11] Physical Layers of UTRA High Speed Downlink

Pac-ket Access (HSDPA), Release 4. 3GPP TS 25.848 V5.2.0, 2001.