HSDPA: High Speed Downlink Packet Access

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HSDPA
High Speed Downlink
Packet Acces
Claudia Milena Hernández Bonilla
FIET
5. ACCESO A PAQUETES EN ENLACE DE BAJADA DE
ALTA VELOCIDAD (HSDPA)
5.1. Capacidades de datos release 99
5.2. Concepto HSDPA
5.3. Impacto de HSDPS sobre la arquitectura de la
red de acceso radio
5.4. Estructura a nivel físico HSDPA
5.5. Capacidades de los terminales HSDPA
5.6. Movilidad con HSDPA
5.7.Desempeño HSDPA
5.8. Evolución y tendencias

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Introducción: UMTS
• UMTS  sistema de comunicaciones móviles de 3G
conocido como IMT-2000 - ITU.
• UMTS facilita el ofrecimiento de servicios de banda
ancha, comercio y entretenimiento, mediante la red fija
inalámbrica y satelital.
Evolución
Cellular Networks evolution

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Evolución
Evolución

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5.1. Capacidades de Datos Release 99
Release 99 de UMTS es una evolución del sistema GSM/GPRS , con
una nueva interfaz de radio basada en WCDMA  Nuevos servicios
con alta capacidad.
• La red de acceso radio es nueva, pero el núcleo de UMTS es similar
al núcleo de red GSM/GPRS
El núcleo de la red UMTS se divide en dos dominios de conmutación:
• Conmutación de circuitos: Basado en el modelo GSM
• Conmutación de paquetes: Basado en el modelo GPRS
Node
B
UTRAN
Arquitectura Release 99
GMS
C
HLR
PSTN/ISDN
BTS
GSM
BSS
RNC
BSC
MSC/VL
R
SGSN
Dominio de
circuitos
Dominio de
paquetes
INTRANETS
GGS
N
Otras PLMN
INTERNET
Red de Acceso Radio Núcleo de la Red
MS
UE
M
E
M
E

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Canales para transferir datos
Los canales que se pueden emplear para la
transmisión de paquetes en el enlace de bajada
son:
• Dedicated Channel (DCH): cualquier tipo de
servicio, capacidad de acuerdo a la velocidad
pico, controlado por potencia.
• Downlink-shared Channel (DSCH): opera con
un DCH, propiedades se fijan de acuerdo a las
necesidades de transferencias de paquetes.
Canales para transferir datos
• Forward Access Channel (FACH): puede ser
usado para , no se puede emplear cuando se
transmite simultaneamente voz y datos.

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Arquitectura UTRAN
5.2. HSDPA
Es la evolución de la tercera generación (3G) de
tecnología celular móvil, llamada 3.5G, y se
considera el paso previo antes de la cuarta
generación (4G), la futura integración de redes.
HSDPA lleva a las redes WCDMA a su máximo
potencial en la prestación de servicios de banda
ancha, mediante un aumento en la capacidad de
datos celulares, con throughput más elevado.

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Release 99 Release 5
Mejoras
La eficiencia espectral y las velocidades mejoradas no
sólo habilitan nuevas clases de aplicaciones, sino que
además permite que la red sea utilizada
simultáneamente por un número mayor de usuarios;
HSDPA provee de tres a cuatro veces más capacidad que
WCDMA. En cuanto a la interfaz de las aplicaciones en
tiempo real tales como videoconferencia y juegos entre
múltiples jugadores, actualiza a la tecnología WCDMA al
acortar la latencia de la red (se prevén menos de 100
ms), brindando así mejores tiempos de respuesta.

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Comparación Tecnologías
Latencia

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3G vs 3.5G
 Velocidad de transmisión ( 2 10 Mbps)
 Modulación ( QPSK QPSK & 16QAM)
 Retardo ( 10ms  2ms )
Camino a 4G

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Evolución
Cobertura

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Usuarios
Actores

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Concepto de HSDPA
HSDPA (High Speed Downlink Packet Access)
es la optimización de UMTS/WCDMA, incluida
en las especificaciones de 3GPP release 5.
La idea de HSDPA es incrementar el throughput
de paquetes de datos con métodos conocidos de
GSM y EDGE incluyendo adaptación de enlace y
combinación de retransmisión de capa física.
Concepto de HSDPA
Consiste en un nuevo canal compartido en el
enlace descendente (downlink) que mejora la
capacidad máxima de transferencia de
información hasta alcanzar velocidades de 14
Mbps.

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Características HSDPA
• Canales compartidos de alta velocidad
• Intervalos de tiempos de guarda cortos
• Modulación y codificación adaptativa
• Redundancia incremental
• Scheduling rápido y diversidad
• ARQ Híbrido
Canales compartidos
• High Speed - Downlink Shared Channels
(HSDSCH).

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Canales compartidos
▫ Nuevo canal de transporte – HS-DSCH (cada HS-
DSCH puede ser usado por múltiples usuarios)
▫ Nuevos canales de control – HS-SCCH yHS-DPCCH
 HS-SCCH: Transferencia de información DL
 HS-DPCCH: UL ACK/NACK, CQI
▫ Nuevo canal físico – HS-PDSCH
 Canal físico mapeado al canal HS-DSCH que lleva los datos del
usuario actual
Scheduling rápido
• El scheduling es un elemento clave de HSDPA que
determina el comportamiento global del sistema.
• Cada usuario periodicamente (500 veces por segundo)
transmite una indicación de la calidad del enlace de
bajada.
• Por cada TTI de 2 ms: se determina cual terminal
deberia transmitir, toma una decisión AMC.

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Scheduling rápido y diversidad
Modulación y codificación
adaptativa
De acuerdo a las condiciones del canal se varia
dinámicamente el esquema de modulación y codificación.
Codificación adaptativa:
– Relación de codificación de ¼ y ¾ además de la de 1/3
– 5, 10 o 15 multi-codigos:
• El canal HS-DSCH usa una constante de
ensanchamiento de 16 para la multiplexación.
• Un máximo de 15 codigos paralelos se pueden asignar a
un usuario o dividirlos entre varios usuarios

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adaptativa
• 16QAM y QPSK
• Soporte adicional para 64QAM basado on
3GPP TS 25.855
adaptativa

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Velocidades
adaptativa
• B determina diferentes combinaciones basadas
en el indicador de calidad del canal (CQI), el
cual es reportado por el equipo terminal cada
2ms.
• CQI no es el único factor determinante, también
se analiza QoS, capacidad del equipo y prioridad
del usuario.

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ARQ Híbrido
ARQ: mecanismo que permite al receptor solicitar
retransmisiones de los paquetes errados.
HARQ : combinación de ARQ y un código corrector de
errores.
HSDPA HARQ: consiste en combinar transmisiones de
datos repetidos con transmisiones previas para
incrementar la probabilidad de decodificar exitosamente
los datos.
Operación general HSDPA

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5.3. Impacto de HSDPA sobre la
arquitectura de la red de acceso radio

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Actualización HSDPA

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Canales HSDPA Datos de usuario: HS-DSCH High Speed
Downlink shared channel
Señalización:
HS SCCH High Speed Shared Control
Channel
HS DPCCH High Speed Physical Control
Channel
Canal Dedicado:
DCH:
DPDCH DedicatedPhysicalDataChannel
DPCCH DedicatedPhysicalControlChannel

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High-speed downlink shared channel (HS-DSCH) y su
correspondiente canal físico: lleva los datos de usuario en
el enlace de bajada, 10Mbps  16QAM.
High-speed Shared Control Channel (HS-SCCH)
lleva la información de control de la capa física, necesaria
para habilitar la decodificación de los datos del HS-DSCH
y realizar la combinación de los datos enviados en caso de
transmisión de un paquete erróneo.
Uplink High-Speed Dedicated Physical Control
Channel (HS-DPCCH) : lleva la información de
control necesaria en el enlace de subida, ARQ e
información de calidad.

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Scheduling
- Paquetes se reciben en B
- B almacena el paquete en un Buffer
- Si se presenta falla en la decodificación del paquete, se retransmite
desde B, no desde RNC.
Scheduling
Falla en la señalización:
•Retransmite RNC

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High-speed downlink shared
channel HS DSCH
Canal de transporte que lleva los datos de usuario,
Mapeado en high-speed physical downlink shared
channel (HS-PDSCH).
Diferencias entre HS-PDSCH y DCH Rel 99:
- Adaptación de enlace  control de potencia
- Soporte para 16QAM  QPSK
- Retransmisión de capa física  retransmisión de
capa de enlace de radio RLC
- Operación multicodigo con SF = 16 fijo SF varia entre
4 y 512.
- Empleo de codificación turbo  codificación
Convolucional
- No existe transmisión discontinua en HS-PDSCH: se
transmite todo o nada durante el TTI: 2 ms.
channel HS DSCH

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Bit Scrambiling evita secuencias
repetidas de 1s ó 0s.
Codificación del canal: Rel 99,
simplificada.
Segmentación de canal físico: mapea
los datos a los interleavers (Rel 99).
HARQ.
channel HS DSCH - Codificación
HARQ
Retransmisiones idénticas: Chase o soft combiner
Retransmisiones diferentes:Redundancia
incremental

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Retransmisión Idéntica
Retransmisión Diferente

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16 QAM  necesita la amplitud de la seña, no es
suficiente con conocer la fase.
Common Pilot Channel (CPICH) brinda la fase,
amplitud: diferencia entre CPICH y HS DSCH.
channel HS DSCH - Modulación
High-speed shared control channel
HS SCCH
Dividido en dos partes:
La primera  desensanchamiento de los códigos
correctos (5 a 10) y la información de modulación.
La segunda  información menos urgente, indicador
de ARQ, indicador de nueva transmisión.

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High-speed dedicated physical
control channel HS DPCCH
Es necesario llevar información del terminal a B para
facilitar la adaptación del enlace y las retransmisiones
de capa física.
-HARQ feedback
-Channel quality information (CQI)
-SF: 256
-3 Slots en 2ms.
- HARQ:
ACK: secuencia de 1s
NACK: secuencia de 0s
- CQI: no solo relación señal a interferencia
experimentada por el usuario, función del
multitrayecto del ambiente, tipo del receptor
terminal, relación de interferencia de la BS
comparada con otras y la potencia esperada de la
BS.
High-speed dedicated physical
control channel HS DPCCH

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Adaptación de enlace: de acuerdo a CQI.
MAC- BTS decide cada 2ms el esquema de modulación
y codificación a emplear.
Adaptación de enlace HS DSCH
Adaptación de enlace HS DSCH

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Funcionamiento de la capa física
de HSDPA
- El scheduler de B evalua cada 2ms los usuarios con
datos en el buffer.
- Cuando se asigna un TTI, B identifica los
parámetros HS DSCH, No de códigos, factibilidad de
16 QAM y capacidades del terminal.
- B transmite HS DCCH dos slots antes de HS DSCH
- El terminal monitorea los HS DCCH asignados por
la red, cuando decodifica la parte1, empieza a
almacenar en el buffer los datos de HS DSCH e
intenta decodificar la parte 2.
- Cuando decodifica la parte 2, determina el
proceso de ARQ.
- Una vez decodificados los datos el terminal envia
a travez del enlace de subida el ACK/NACK.
- Si la red continua enviando datos al terminal, se
mantiene el HS DCCH.
Funcionamiento de la capa física
de HSDPA

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5.5 Capacidades de los terminales
HSDPA
HSDPA

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HSDPA
Handover: cambio de un canal físico durante la
ejecución de una llamada
Hard: el móvil se mueve de un canal a otro, siendo
atendido por la misma estación base.
Soft: el móvil atravieza la zona de dos estaciones
base mientras se mueve entre las celdas .
5.6 Movilidad con HSDPA

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Falta de soft Handover, solo hay una celda HS
DSCH.
UTRAN determina la celda de servicio HS DSCH.
Se incluye una nueva medida para informar a
UTRAN cual es la mejor celda de servicio.
Dos métodos para implementar movilidad:
- Conmutar de HS DSCH a canales DCH.
- Cambiar directamente de celdas HS DSCH a HS
DSCH.
Medida para determinar la mejor celda
HS DSCH:
El RNC determina las celdas que conforman el
“active set” del usuario para la transmisión de los
canales.
Esta medida reporta la mejor celda de servicio HS
DSCH al RNC basado en una medida del P CPICH,
Ec / Io o la potencia de código de la señal
recibida, de las celdas candidatas potenciales para
ser la celda de servicio.

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Handover intra Nodo B HS DSCH a HS
DSCH
Handover intra Nodo B HS DSCH a HS DSCH
RNC envia un mensaje de reconfiguración al nodo B y un
mensaje de reconfiguración de canal físico al UE .
Cuando se realiza el handover:
-La celda fuente deja de transmitir al usuario.
-El scheduler de paquetes de la celda objetivo permite el
control de la transmisión al UE.
- El UE empieza a escuchar el SH SCCH de la celda
objetivo.
- Si el nodo B tenia paquetes pendientes, le son enviados a
la celda objetivo para los procesos de HARQ.

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Handover inter Nodo B HS DSCH a HS DSCH
Handover inter Nodo B HS DSCH a HS DSCH
RNC envía un mensaje de reconfiguración al nodo B que
controla la celda objetivo y un mensaje de reconfiguración
de canal físico al UE.
-Todas las Unidades de datos del protocolo (PDUs) para el
usuario se borran.
-Las PDUs se deben recuperar mediante retransmisiones
de capas superiores: a nivel de control de enlace de radio
(RLC) .
- UDP no requiere retransmisiones.

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Handover HS DSCH a HS DCH
Necesario para usuarios que se mueven de una celda
HSDPA a una Rel 99.
Handover HS DSCH a DCH
RNC envía un mensaje de reconfiguración al nodo
B que controla la celda objetivo y un mensaje de
reconfiguración de canal físico al UE.
-Todas las PDUs para el usuario se borran.
- Las PDUs se deben recuperar mediante
retransmisiones de capas superiores: RLC.
- También se permiten handover de DCH a HS
DSCH.

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Factores que gobiernan el desempeño
- Condiciones del canal: ambiente de la celda, velocidad
del terminal, relación interferencia de la celda.
- Desempeño del terminal: sensitividad, nivel de
capacidad HSDPA, velocidades soportadas y
multicódigos.
- Naturaleza y precisión gestión del recurso radio:
precisión de la asignación de potencias y códigos que se
asignan a los UE.
5.7 Desempeño HSDPA

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• La eficiencia espectral mejora con SIR variable,
introduciendo códigos más eficientes y HARQ. Cerca de
B se alcanzan los valores pico de velocidad
• La eficiencia en codificación se logra transmitiendo más
bits por simbolo y más datos por código de canalización.
• En la realidad la velocidad de transmisión de datos está
limitada por el overhead del paquete y las limitaciones
prácticas del receptor.
• Maxima velocidad pico: 11- 12Mbps
• Factor clave para medida del desempeño:
relación señal a interferencia y ruido (SINR)
experimentada por el detector del UE (Es/No)

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Terminales categoría 12, 6 – 500m, ambiente
urbano.

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5.7 Desempeño: Red de 3.8 Mbps
Rysavy
5.7 Desempeño: Red de 3.6 Mbps
Ericsson

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5.7 Desempeño: Eficiencia
espectral
5.8 Evolución: En Colombia

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5.8 Evolución: En Colombia
• La operadora de telefonía móvil COMCEL promocionó
y dió inicio al uso de esta tecnología en el 2008,
ofreciendo el servicio tanto para los teléfonos celulares
como para computadores por medio de módem USB
(Alcatel XO3O, Huawei 220..)
• El 28 de Octubre de 2008 el operador de telefonía
móvil Tigo despliega su red 3.5G en 6 ciudades
principales y 8 ciudades intermedias, ofreciendo
servicios de Video Llamada, Internet Móvil de alta
velocidad y TV Móvil.
5.8 Evolución: … En Colombia
• A partir del 1 de Diciembre Movistar incorpora
la red 3.5G.
• A finales del año 2008 EDATEL lanza su servicio
de "Banda Ancha inalámbrico" por HSDPA /
UMTS en el territorio donde tiene cobertura
(Departamento de Antioquia, llegando a esos
lugares de difícil acceso por los medios
tradicionales).

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5.8 Tendencias HSDPA
Están programadas varias optimizaciones para
HSDPA que incrementaran las capacidades de
UMTS/HSDPA:
Enlace ascendente optimizado (HSUPA).
Receptores avanzados
Sistemas MIMO.
5.8 Tendencias
Release 6: Soporte multimedia mejorado
mediante servicios multicast – Broadcast
multimedia, mejora del enlace de subida, mejora
cobertura, incrementa throughput y reduce el
retardo, opción de integración WLAN, capacidad
inicial VoIP.

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5.8 Tendencias
Release 7: Mejoras de GSM con EDGE evolved,
HSPA +  Evolución de HSPA, mayor orden de
modulación y MIMO, mejoras en la velocidad,
capacidad, resistencia a la interferencia.
Release 8: (En desarrollo) uso simultáneo de
64QAM y MIMO, OFDM.
Release 9: HSPA y LTE
Release 10: LTE advanced
5.8 Tendencias

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5.8 Tendencias
5.8 Tendencias

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5.8 Tendencias
5.8 Tendencias

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5.8 Tendencias: HSUPA empezó en
el 2008
HSUPA clave para mejorar servicios de web upload, email
HSUPA ya en 25 redes y siendo desplegado en muchas mas
HSUPA actualmente solo en modems
Primeros telefonos HSUPA se esperan en el segundo trimestre del 2008
Redes HSUPA
Enero 2008
Referencias
• Mobility Management and Capacity Analysis for
High Speed Downlink Packet Access in WCDMA.
• Concepts of High Speed Downlink Packet Access: Bringing
Increased Throughput and Efficiency to W-CDMA.
• EDGE, HSPA, LTE – Broadband Innovation.
• 3G Evolution Towards High Speed Downlink Packet Access.
• HSPA Evolution – Boosting the performance of mobile broadband
access.
• HSDPA performance and evolution.
• Basic Concepts of HSPA
• HSDPA/ HSUPA for UMTS

HSDPA: High Speed Downlink Packet Access

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