Il documento descrive le tecnologie HSDPA e HSUPA, evidenziando le innovazioni apportate al sistema UMTS, come l'aumento della velocità di trasmissione e l'efficienza spettrale. HSDPA ottimizza il downlink, mentre HSUPA introduce miglioramenti per l'uplink, supportando servizi multimediali con minori ritardi e capacità più elevate. Entrambe le tecnologie fanno parte dell'approccio HSPA, preparandosi per l'evoluzione verso le reti 4G LTE.

1. HSDPA – HSUPA
Generalita’
Le principali innovazioni dell’HSDPA sono:
l’incremento dell’efficienza spettrale del sistema;
il miglioramento della gestione di informazioni intermittenti con alta velocità di picco; la massima
velocità nominale raggiunge i 14 Mbit/s rispetto ai 2 Mbit/s di Release ‘99;
la flessibilità della trasmissione radio attraverso meccanismi adattativi, basati sulla rapida
riconfigurazione delle risorse e sulla stima del canale trasmissivo.
Il dispiegamento della tecnologia HSDPA è stato pianificato attraverso un approccio che prevede
un’introduzione graduale delle funzionalità di rete e del livello di QoS (Quality of Service) garantito.
Le classi di servizio Interactive e Background (definite in 3GPP TS 23.107: “Quality of Service (QoS) concept
and architecture”), essendo
quelle meno stringenti dal punto di vista della tolleranza al ritardo, sono state le prime
ad essere supportate in rete. Tuttavia, se da un lato queste classi ben si adattano a servizi di tipo best effort,
dall’altro non sono adatte al supporto di servizi a pacchetto con requisiti di tipo real time, per le quali invece è
necessario che la rete sia in grado di garantire le classi Conversational e Streaming. Si noti che l’HSDPA di
Release 5 è una tecnica che è ottimizzata esclusivamente per la tratta in downlink e che sfrutta i canali
dedicati tradizionali DCH (Dedicated CHannel) per la trasmissione sul canale di ritorno in uplink. In questo
contesto il 3GPP, a partire dalla Release 6, ha previsto una serie di ottimizzazioni anche per il canale di ritorno
dando luogo alla tecnica HSUPA (High Speed Uplink Packet Access), nota anche come FDD Enhanced
Uplink. L’HSUPA introduce un insieme di miglioramenti sui canali dedicati della tratta uplink E-DCH
(Enhanced-Dedicated CHannel) del sistema UMTS, mediante una serie di funzionalità che mirano, da un lato,
a supportare in maniera più efficiente servizi multimediali quali download di video e file, e-mail, gaming, videostreaming e, dall’altro, ad aumentare la capacità complessiva di sistema. In particolare, l’obiettivo della
tecnologia HSUPA è quello di rendere possibile una copertura in uplink con alti bit rate di picco [fino ad un
massimo teorico di 5,8 Mbit/s, anche se nella fase iniziale probabilmente non si supereranno 1,45 Mbit/s (data
rate calcolato a livello fisico)], riducendo al contempo il ritardo nelle trasmissioni a pacchetto e favorendo in tal
modo il supporto di servizi PS real time. La tecnologia HSUPA costituisce quindi la naturale controparte, sulla
tratta in uplink, della tecnologia HSDPA, inserendosi in tal modo nel framework evolutivo “HSPA” della rete
UMTS che costituirà uno step intermedio nell’attesa del dispiegamento delle reti cellulari di quarta generazione
LTE (Long Term Evolution). Di seguito sono evidenziate sia le principali caratteristiche della tecnologia
HSUPA sia le differenze rispetto ad HSDPA.
Caratteristiche
La tecnologia HSUPA rende disponibile, per la tratta in uplink, un nuovo canale dedicato, E-DCH,
a differenza della tecnologia HSDPA che invece utilizza un canale condiviso HS-DSCH (High
Speed Downlink Shared Channel) per il downlink. Insieme con il canale E-DCH vengono inoltre
introdotti nuovi canali fisici di segnalazione sia uplink che downlink.
Da un punto di vista di strategie di RRM (Radio Resource Management), la risorsa condivisa in
uplink è costituita dall’interference headroom (In altre parole la potenza totale ricevuta al Nodo B da tutti
gli utenti presenti nel sistema), cioè
la massima interferenza accettabile sulla tratta uplink affinché il carico di
cella (uplink load) non sia superiore a quello pianificato. In uplink i codici di scrambling dei diversi utenti
non sono ortogonali e il power control (non presente nella tecnologia HSDPA) è essenziale per contenere
il problema del near-far: il controllo della potenza è quindi la modalità principale per implementare in
HSUPA tecniche di adattamento al canale. Il power control è applicato sulla base della stessa tecnica
impiegata per il canale DCH Release ’99 (come in HSDPA, è obbligatoria la presenza di un canale fisico DPCCH
Release ’99 associato al canale E-DCH di HSUPA, mentre è facoltativa la presenza del canale dati DPDCH R’99), mediante
l’uso di opportuni offset di potenza.
In HSUPA non si utilizzano modulazioni ad elevata cardinalità, poco efficienti dal punto di vista delle
prestazioni in presenza di canali selettivi in frequenza (i bit sono modulati solo con BPSK/QPSK, a
differenza di HSDPA in cui è consentita anche la modulazione 16-QAM). Il motivo di questa scelta dipende
dal fatto che mentre l’uplink è tipicamente limitato in potenza (virtualmente non ci sono limitazioni sui codici
di canalizzazione impiegabili da un singolo utente), in downlink il numero limitato di codici (In HSDPA i codici
utilizzabili sono al massimo 15 con SF=16, condivisi tra tutti gli utenti) rende necessario l’impiego di modulazioni a
cardinalità elevata per aumentare il bit rate a parità del numero di codici utilizzati.

2. L’impiego della tecnologia HSUPA richiede l’introduzione di nuovi protocolli MAC (Medium Access
Control), per supportare le funzionalità specifiche di H-ARQ e Scheduling. In particolare sono
introdotti i nuovi livelli MAC-e e MACes, unificati nello UE e distinti nell’UTRAN, situati
rispettivamente nel Nodo B e nell’RNC.
FIGURA 1 Hybrid - ARQ a livello di Nodo B in HSUPA.
Analogamente a quanto previsto per HSDPA, anche in HSUPA sono utilizzati dei meccanismi di
ri-trasmissione basati su tecniche H-ARQ (Hybrid-ARQ). A differenza di quanto accadeva in
Release ’99, le ri-trasmissioni H-ARQ avvengono a livello di Nodo B (e non nel Radio Network
Controller, RNC, figura 1) introducendo in questo modo notevoli benefici in termini di riduzione
dei ritardi. Come in HSDPA, l’H-ARQ prevede una gestione multi-processo, che consente una
trasmissione continua di più processi in parallelo che, a trasmissione avvenuta, restano in attesa
di riscontri.
FIGURA 2 Scheduling in uplink a livello di Nodo B.
Lo scheduling degli utenti sulla tratta in uplink viene controllato dal Nodo B (figura 2) sulla base
dei feedback inviati dagli UE. In particolare, negli header delle MAC-e PDU sono contenuti
appositi campi di segnalazione attraverso cui l’UE indica allo scheduler del Nodo B informazioni
riguardanti l’occupazione dei suoi buffer RLC, la priorità dei dati contenuti nel buffer e la potenza
disponibile in trasmissione. In particolare sono trasmessi:

3. Scheduling Information: forniscono al Nodo B una visione dei buffer di trasmissione dello UE (e
quindi delle risorse di cui avrebbe bisogno) e della potenza di trasmissione di cui può disporre
per trasmettere il canale E-DCH.
Happy Bit: è un’indicazione del terminale sul suo grado di “soddisfazione” riguardo alle risorse
che gli sono state assegnate dal Nodo B, ossia se è in grado di utilizzare maggiori risorse
oppure se gli bastano quelle assegnate. Si tratta in sostanza di uno scheduling di tipo
multipunto- punto, in cui però è il nodo centrale (Nodo B) a decidere come assegnare le risorse.
L’utilizzo del Soft Handover in uplink permette la trasmissione contemporanea dei dati verso più Nodi B
(cosa che non era possibile in HSDPA a causa dell’utilizzo di un solo canale condiviso fra gli utenti).
Il guadagno di macro-diversità così ottenuto rende più efficiente l’utilizzo della potenza e limita
l’interferenza generata nelle celle adiacenti (attraverso il controllo multi-cella della potenza in uplink).
La tecnologia HSUPA introduce la possibilità di utilizzare in uplink un TTI (Transmission Time Interval) da
2 ms, oltre a quello da 10 ms già utilizzato in Release ’99. A differenza però dell’HSDPA dove il TTI da 2
ms, abbinato a tecniche di Modulazione e Codifica Adattative (AMC) (il Node B, tenendo conto dei vincoli imposti
dai processi di H-ARQ e sulla base di meccanismi di stima della qualità del canale di trasmissione, determina in maniera
altamente dinamica (in teoria ad ogni TTI, pari a 2 ms) il formato di modulazione e codifica (ad es. 16-QAM R=1/2) da utilizzare
nella trasmissione in downlink verso un certo UE) serviva a compensare l’assenza del power control, per
HSUPA l’utilizzo del TTI da 2 ms è opzionale ed offre il beneficio di ridurre i ritardi di
trasmissione legati all’Hybrid-ARQ nella tratta in uplink. Nella tabella 1 sono infine sintetizzate le
principali differenze tra le tecnologie HSDPA e HSUPA, che mostrano come quest’ultima
costituisce un’evoluzione del DCH piuttosto che un “reverse HSDPA”, pur rimanendone
complementare dal punto di vista del sistema.
TABELLA 1 Principali differenze tra HSDPA e HSUPA.
Note
Release ’99:
la massima velocità in downlink è di 2,048 Mbit/s. Tuttavia un servizio a 2 Mbit/s assorbirebbe tutte le risorse della
cella, per cui conviene limitare la velocità a 384 kbit/s per consentire l’accesso simultaneo a più utenti(4)
HSPA:
è l’acronimo di “High Speed Packet Access”, e prevede l’utilizzo congiunto delle tecnologie HSDPA ed HSUPA, per
supportare la trasmissione High Speed su entrambe le tratte di downlink e di uplink):9)
Near-Far:
In assenza di power control, i segnali degli utenti posti molto vicino alla stazione base potrebbero compromettere
la corretta ricezione di quelli degli altri utenti che giungono affievoliti a causa della maggiore distanza.
(8)13)(14)
Abbreviazioni
3GPP
AMC
BPSK
DCH
E-DCH
FDD
H-ARQ
HSDPA
HS-DSCH
3rd Generation Partnership Project
Adaptive Modulation and Coding
Binary Phase Shift Keying
Dedicated CHannel
Enhanced-Dedicated Channel
Frequency Division Duplex
Hybrid-Automatic Repeat reQuest
High Speed Downlink Packet Access
High Speed Downlink Shared Channel
HSUPA
LTE
MAC
QAM
QoS
QPSK
RLC
RNC
RRM
TFC
TTI
UE
High Speed Uplink Packet Access
Long Term Evolution
Medium Access Control
Quadrature Amplitude Modulation
Quality of Service
Quadrature Phase Shift Keying
Radio Link Control
Radio Network Controller
Radio Resource Management
Transport Format Combination
Transmission Time Interval
User Equipment