HSDPA - High Speed Downlink Packet Access
HSDPA ist ein Teil von HSPA und ist ein Protokoll-Zusatz für UMTS-Mobilfunknetze. Bei der Einführung von HSDPA keine großen Umbauten gemacht werden. Und es müssen auch keine zusätzlichen Basisstationen gebaut werden. Die meisten Basisstationen brauchen nur ein Software-Upgrade. Nur alte UMTS-Basisstationen aus der Anfangszeit von UMTS müssen ersetzt werden.
Mit HSDPA wird die Datenübertragung und Paketvermittlung effektiver organisiert. Die Sendeleistung in einer Zelle wird optimal verteilt und die Datenrate entsprechend angepasst. Statt nur ein Kanal werden alle möglichen Kanäle für die Datenübertragung genutzt. Die Nutzer erhalten je nach ihren Empfangsbedingungen unterschiedliche Priorität. Nutzer mit besseren Empfangsbedingungen werden bevorzugt mit Datenverkehr versorgt. Trotzdem bleibt eine Mindestdatenrate immer garantiert. Gleichzeitig bleibt immer genug Netzkapazität für die Sprachübertragung reserviert.
HS-DSCH - High Speed Downlink Shared Channels
Während in einer UMTS-Zelle ohne HSDPA nur etwa drei bis vier Teilnehmer mit einer vernünftigen Übertragungsrate das Mobilfunknetz gleichzeitig nutzen können, kann in einer UMTS-Zellen mit HSDPA durch HS-DSCH die Kapazität für bis zu 15 einzelne Kanäle erweitert werden. Das bedeutet, dass in einer Mobilfunkzelle bis zu 15 Nutzer gleichzeitig in einem 5-MHz-WCDMA-Kanal Daten empfangen können. Die Daten für einen Empfänger können auch in mehreren Kanäle untergebracht werden. Jeder Kanal hat einen Zeitraum von 2 ms. Nach 2 ms wird über die Zuteilung erneut entschieden.
Die Zuteilung der Kanäle erfolgt in Abhängigkeit der Funkqualität. Das Mobilfunkgerät informiert die Basisstation mit Fast Scheduling über die ständig schwankende Funkqualität. Je besser die Funkqualität zu einem Mobilfunkgeräte, desto mehr Daten bekommt es. Auf dieses Weise wird sichergestellt, das mehr Daten fehlerfrei beim Empfänger ankommen und aufwendige Fehlerkorrekturen vermieden werden. Trotzdem ist eine minimale Datenrate definiert (proportional fair scheduling), so dass auch schlecht erreichbare Mobilfunkgeräte Daten empfangen können.
Beim Übertragen von Daten werden den Teilnehmern bis zu einer bestimmten Höchstgrenze Datenkanäle zugewiesen. Wollen sehr viele Teilnehmer Daten übertragen, werden die verfügbaren Kanäle an die Teilnehmer aufgeteilt. Die Anzahl der Teilnehmer bestimmt, wie viele Datenkanäle pro Teilnehmer zugewiesen werden können. Diese Regelung gilt sowohl bei GSM (GPRS) und UMTS/HSDPA.
Während beim GSM jeder Teilnehmer eine eigene Frequenz belegt, benutzen die Teilnehmer im UMTS-Netz die gleiche Frequenz. Die Daten werden anhand von Codes auseinander gehalten. Die Funkschnittstelle wird sowohl per Code Division als auch per Time Division portioniert.
Modulationsverfahren
Für eine höhere Datenrate setzt HSDPA effizientere Modulationsverfahren ein. Mit Hilfe der Modulationsverfahren QPSK (Quadrature Phase Shift Keying oder Vierphasenmodulation) und 16-QAM (16 Level Quadratur Amplituden Modulation) erhöht HSDPA die Übertragungsrate im UMTS-Netz. Beide Verfahren verwenden eine Phasenmodulation. QPSK kann pro Übertragungsschritt 2 Bit gleichzeitig übertragen. 16QAM verwendet zusätzlich eine Amplitudenmodulation. Es ermöglicht 4 Bit gleichzeitig zu übertragen. Dadurch steigt die Datenmenge pro Code. Das geht jedoch zu Lasten der Störsicherheit. Beispielsweise verdoppelt 16QAM gegenüber QPSK die Bandbreite. Doch nehmen dadurch auch die Störungen zu. Erschwerend kommt hinzu, dass Interferenzstörungen mit der Anzahl der Codes steigen.
Eine hohe Kodierrate und dadurch höhere Nutzdatendichte teilt die Basisstation deshalb nur den Endgeräten zu, die sich in der Nähe befinden und mit einer guten Signalqualität erreichbar sind.
FEC - Forward Error Correction (Vorwärtsfehlerkorrektur)
Zusätzlich kann in Abhängigkeit der Funkqualität die Vorwärtsfehlerkorrektur nach FEC (forward error correction) in die Übertragung integriert werden. Die Vorwärtskorrektur fügt zu den Nutzdaten redundante Daten hinzu. Im Fehlerfall kann der Empfänger die Daten eigenständig rekonstruieren. Dadurch entfällt die aufwendige Neuanforderung und Sendewiederholung.
Die Kodierrate in der Tabelle gibt an, wie hoch der FEC-Anteil ist. Er variiert in Abhängigkeit der Funkqualität. Eine Kodierrate von 1/4 bedeutet, dass ein Viertel der übertragenen Daten Nutzdaten sind. Die anderen drei Viertel entfallen auf die Fehlerkorrektur. Diese Kombination aus Nutzdaten und Fehlerkorrektur wird für äußerst schlechte Empfangsbedingungen verwendet. Bei besonders guten Empfangsbedingungen wird eine Kodierrate von 4/4 verwendet. Einen Fehlerkorrektur-Anteil gibt es bei der Übertragung nicht mehr. In der Praxis dürfte das kaum vorkommen.
Übertragungsgeschwindigkeit in Abhängigkeit der Funkqualität
| Modulation | FEC-Kodierrate / Spreizfaktor | 5 Kanäle (Codes) | 10 Kanäle (Codes) | 15 Kanäle (Codes) |
|---|---|---|---|---|
| QPSK | 1 / 4 | 0,6 MBit/s | 1,2 MBit/s | 1,8 MBit/s |
| 2 / 4 | 1,2 MBit/s | 2,4 MBit/s | 3,6 MBit/s | |
| 3 / 4 | 1,8 MBit/s | 3,6 MBit/s | 5,4 MBit/s | |
| 16-QAM | 2 / 4 | 2,4 MBit/s | 4,8 MBit/s | 7,2 MBit/s |
| 3 / 4 | 3,6 MBit/s | 7,2 MBit/s | 10,7 MBit/s | |
| 4 / 4 | 4,8 MBit/s | 9,6 MBit/s | 14,4 MBit/s |
Um eine höhere Übertragungsrate zu erreichen, muss man die Daten mit mehr Codes kodieren. Doch das geht zu Lasten der Störsicherheit. Hohe Kodierraten sind nur bei geringem Abstand zwischen Basisstation und Endgerät sinnvoll. Wenn die Funkverbindung schlechter wird, dann muss die Kodierrate wieder gesenkt werden.
Die Datenrate wird über den Spreizfaktor bestimmt. Je stärker die Spreizung, desto schmaler der Übertragungskanal und desto mehr Kanäle lassen sich im breitbandigen Übertragungskanal unterbringen.
Übertragungsgeschwindigkeit
Welche Übertragungsraten möglich sind, wird vom Netzbetreiber bestimmt und hängen auch vom Netzausrüster ab, der den Netzbetreiber beliefert. Die geben sehr unterschiedliche Werte für ihr Equipment an. Die höchsten Datenraten sind nur in einer engen Zone rund um die jeweilige Basisstation zu erreichen. Je weiter sich das Endgerät von der Basisstation weg befindet, desto geringer fällt die Datenrate aus.
Latenzzeit
Ein wesentlicher Teil von HSDPA ist die Verringerung der Latenzzeit. Dafür wird die Verwaltung der HSDPA-Übertragung (Scheduling) von den Funknetz-Controllern (RNC, Radio Network Controller) in die Basisstationen (BTS, Base Tranceiver Station oder Node B) verlegt. Dadurch werden die RNCs entlastet und die Latenzzeit zwischen den Basisstationen und den RNCs fällt weg. Dadurch sind Ping-Zeiten zwischen 50 und 100 ms möglich.
Mit HSDPA kann alle 2 ms ein Datenpaket gesendet werden. Mit UMTS allein kann nur alle 10 ms ein Paket gesendet werden. Außerdem werden verlorene Datenpakete schneller nachgesendet, als es bei der normalen UMTS-Fehlerkorrektur möglich ist.
Antwortzeiten von PING-Anfragen im Vergleich (Latenzzeit)
| UMTS mit HSDPA | 100 bis 200 ms |  |
|---|---|---|
| UMTS ohne HSDPA | 200 bis 300 ms | |
| EDGE (EGPRS) | 400 bis 500 ms | |
| GPRS | 600 ms und mehr | |
Shared Channel Transmission
Mit HSDPA kommt ein neues Verfahren mit der Bezeichnung Shared Channel Transmission hinzu. Das ermöglicht es, dass nicht nur die Übertragungskanäle bzw. Frequenzen für die Datenübertragung für alle Teilnehmer zur Verfügung steht, sondern dass sogar die Übertragungscodes als gemeinsame Ressource dynamisch genutzt werden. Das führt dazu, dass die verfügbare Bandbreite in der UMTS-Zelle viel effektiver ausgenutzt werden kann und somit die Verfügbarkeit und Bandbreite für alle Teilnehmer steigt.
AMC - Adaptive Modulation and Coding
AMC passt die Verbindung zwischen Endgerät und Basisstation an. Unter der Optimierung fällt die Wahl der Kanalkodierung, das Modulationsverfahren und die Datenrate in Abhängigkeit vom HSPA-Ausbau, den Fähigkeiten des Endgeräts und der Signalqualität. AMC sorgt dafür, dass die Kapazitätssteigerung durch die neuen Modulationsverfahren möglichst ausgenutzt wird.
FH-ARQ - Fast Hybrid Automatic Repeat Request
FH-ARQ kombiniert die normale Übertragung von Daten mit Sendewiederholungen. Mit ARQ kann das Endgerät fehlerhafte Datenpakete sehr schnell neu anfordern. Dadurch sinkt die Latenzzeit auf weniger als 10 ms. FH-ARQ wird in der Basisstation (Node-B) ausgeführt. Innerhalb der Netzarchitektur von UMTS war ARQ im dahinterliegenden RNC enthalten. Durch die Steuerung von Sendewiederholungen innerhalb der Basisstation verkürzt sich die Reaktionszeit im Fehlerfall.
UMTS-Technik
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Mit dem Elektronik-Set LoRa Edition kannst Du Dein eigenes IoT-Endgerät bauen und mit Deinem eigenen LoRaWAN oder dem LoRaWAN von The Things Network (TTN) verbinden. Als Basis dient das LoRa-Modul RAK3272S Breakout Board von RAK Wireless. Wahlweise kannst Du das LoRa-Modul mit einen Mikrocontroller oder einem PC steuern.
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