JavaScript is currently disabled.Please enable it for a better experience of Jumi.
HSPA ställer högre krav på effektförstärkarna i UMTS-mobilerna, skriver Christina Gessner på Rohde & Schwarz.
 Image
Christina Geßner är sedan 2004 teknisk chef inom Mobilradio hos Rohde & Schwarz.
Image

Mobilteknologi baserad på UMTS utvecklas snabbt. Nätoperatörerna uppgraderar sina nät med HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) som ökar dataflödet från nätet till mobilen (nerlänk). Ny transmissionsteknik ger datahastigheter på teoretiskt upp till 14 Mbit/s. HSDPA ökar också kapaciteten i näten och ger mobilanvändarna kortare accesstider till sina datatjänster. HSDPA ingår i release 5 av 3GPP-standarden, men fortfarande finns mycket kvar att utveckla inom UMTS. Tillverkare av utrustning för mobila nät och mobiltelefoner arbetar idag med implementeringen av HSUPA (High Speed Uplink Data Access), som ingår i release 6 av 3GPP. HSUPA ger i dataflödet från mobilen till nätet (upplänk) högre hastigheter (flera Mbit/s) och kortare accesstider. Det väntas tas i drift under 2007.

Kombinationen HSDPA/HSUPA kallas HSPA (High Speed Packet Access). Fördelarna blir tjänster med höga datahastigheter i båda riktningarna som kräver snabb interaktion mellan upp- och nerlänk, till exempel mobila kontorsapplikationer, IP-telefoni och videokonferenser.

Ny teknik i radiogränssnittet. HSPA blir möjligt tack vare nya lösningar i radiogränssnittet. HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request) är ett snabbt protokoll för dataöverföring i både upp- och nerlänk där mottagaren direkt begär omsändning av felaktiga paket. Till skillnad från UMTS, där nya datapaket kan skickas med 10 ms intervall, tillåter HSPA nya paket med 2 ms intervall. Nätet kan då snabbare hantera ändrade överföringsförhållanden. Grundstrukturen i UMTS behålls med ramar som är 10 ms långa och har 15 tidluckor, men subramar införs som är 2 ms långa och har 3 tidluckor. Ett datapaket kan sändas per subram.

Basstationen får ansvara för resurstilldelningen för HSPA. Den mäter kontinuerligt för att avgöra överföringskvalitén i upplänken och har algoritmer som reglerar tilldelning av resurser för upplänk. Basstationen utvärderar också mätrapporter från mobilerna för att ge rätt resurser för nerlänk.

HSPA innebär många förändringar av parametrar i det fysiska lagret, nya kanaler i det fysiska lagret, men också förändringar i protokollarkitekturen. Här följer en presentation av problem som behöver lösas framför allt när det gäller effektförstärkare för mobilerna.

Nya upplänkskanaler för HSPA. UMTS och även HSPA använder i radiogränsnittet den teknik som kallas WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) för att fördela resurserna i radiokanalen mellan användarna. I stället för att fördela resurserna i tid eller i frekvens, fördelas signalerna över hela det tillgängliga frekvensområdet genom kodspridning. Som mätvärde för spridningen använder man spridningsfaktor. Lägre spridningsfaktor tillåter överföring av större datamängder, men ger lägre spridningsvinst.

Före införandet av HSPA användes i huvudsak två upplänkskanaler för dataöverföring. DPDCH (Dedicated Physical Data Channel) för överföring av data och DPCCH (Dedicated Physical Control Channel) för överföring av kontrollinformation. DPDCH och DPCCH sänds i upplänken med hjälp av IQ multiplex (se fig 1). DPDCH ligger i I-domänen, medan DPCCH ligger i Q-domänen. De har olika spridning, där DPDCH har en variabel spridningsfaktor cd som beror av datahastigheten, medan DPCCH alltid ligger på kod 0 med spridningsfaktor 256.
Image
Fig 1. Överföring av upplänkskanalerna DPCCH och DPDCH.

HSDPA är ju en förbättring av nerlänk, men för att realisera detta behövs en ny kanal i upplänk. HS-DPCCH (High Speed Dedicated Physical Control Channel) har som främsta uppgift att förmedla uppmätt kanalkvalitet från mobilen till nätet. Denna information betecknas CQI (Channel Quality Indicator). Dessutom används HS-DPCCH för att bekräfta om datapaket i nerlänk tagits emot korrekt med ACK (Acknowledgement). Om det inte tagits emot korrekt skickas i stället NACK (Negative Acknowledgement) som innebär begäran om omsändning.

HS-DPCCH är tredje kanalen i upplänk och ligger i Q-domänen. I fig 2 visas hur detta ser ut i koddomän. HS-DPCCH ligger på kod 64 med spridningsfaktor 256, motsvarande 15 ksps (ksymboler/sekund).
Image
Fig 2. Koddomän upplänk med HS-DPCCH

Karaktären hos HS-DPCCH ger problem vid utvecklingen av mobilens effektförstärkare. HS-DPCCH sänder bara när information skall överföras från mobilen. Det blir något som liknar skurar. I nätet kan det vara fastställt att sändareffekten skall ändras beroende vilken information som sänds på HS-DPCCH. Därför kan ett ACK sändas med högre effekt än ett NACK. CQI-informationen är också individuellt justerbar. HS-DPCCH behöver inte vara synkroniserad i tid med övriga upplänkskanaler. De effektförändringar som orsakas av HS-DPCCH kan tidsmässigt inträffa oberoende av tidsläget hos DPDCH och DPCCH. Mitt i en DPCCH tidlucka kan plötsligt en HS-DPCCH subram sändas. Då måste effektnivån hos de olika upplänkskanalerna anpassas inbördes så att man inte överskrider den totalt tillgängliga sändareffekten.

HSUPA innebär ytterligare två kanaler i upplänk: E-DPDCH (Enhanced Dedicated Physical Data Channel) för överföring av data och E-DPCCH (Enhanced Dedicated Physical Control Channel) för överföring av kontrollinformation. En mobil kan samtidigt hantera upp till fyra E-DPDCH. Utifrån datamängd och tillåten sändareffekt väljer mobilen antal E-DPDCH kanaler och spridningsfaktor.
Image
Fig 3. HSUPA upplänksignal med fyra E-DPDCH

Hur E-DPDCH kanalerna och E-DPCCH kanalen läggs upp i IQ-domän är definierat i standarden för alla möjliga konfigurationer. I fig 3 visas resultatet i koddomänen av fyra E-DPDCH, mätt med spektrumanalysator. Denna konfiguration ger den högsta möjliga datahastigheten för HSUPA - 5,76 Mbps. E-DPCCH sänds alltid i I-domänen på kod 1 med spridningsfaktor 256. Här ligger HS-DPCCH på kod 33 med spridningsfaktor 256.

Man måste ta hänsyn till de nya upplänkskanalerna för HSUPA vid utvecklingen av mobilernas effektförstärkare.

Inställning av kanaleffekt. En särskild rutin används för inställning av effekten för de olika kanalerna i upplänk. När en förbindelse sätts upp skickar nätet förstärkingsfaktorer till mobilen. Förstärkningsfaktorn definierar amplitudförhållandet mellan en viss kanal och DPCCH. Den benämns ≤c för DPCCH, ≤d för DPDCH, ≤hs för HS-DPCCH, ≤ec för E-DPCCH och ≤ed för E-DPDCH. Med hjälp av detta förhållande kan man bestämma effektnivån för önskad kanal i förhållande till DPCCH.

Tabell 1 visar ett exempel för E-DPCCH. Tabellens vänstra kolumn anger det värde som nätet ger mobilen för E-DPCCH. Standarden definierar vilket amplitudförhållande Aec = ≤ec / ≤c mellan E-DPCCH och DPCCH som skall ställas in. Den högra kolumnen ger motsvarande effektförhållande, 20 * log Aec.
Image
Tabell 1. Amplitudförhållande mellan E-DPCCH och DPCCH

Med hjälp av dessa förstärkningsfaktorer kan mobilen ställa det relativa effektförhållandet mellan kanalerna. Observera att detta står fast oberoende av om den totala effekten för upplänken ändras. Snabb effektkontroll är avgörande för överföringskvaliteten. Mobilen måste följa de kommandon som kommer från nätet och stegvis höja eller sänka sändareffekten, men får inte överskrida maximalt tillåten uteffekt för sin klass.

Peak-to-average ratio. För dimensioneringen av effektförstärkarna är förhållandet mellan signalens toppeffekt och medeleffekt PAR (Peak-to-Average Ratio) viktigt. Inför 3GPP release 5 diskuterades detta intensivt, eftersom HS-DPCCH som tredje kodkanal tidvis kraftigt höjer PAR för upplänken. Det innebär högre dynamik i signalen och större krav på linjäritet hos effektförstärkarna. Det blir svårare att undvika distorsion av signalen och att klara kraven för grannkanalundertryckning och modulationskvalitet. Dessutom skall effektförstärkarna vara effektiva ur kostnadsperspektiv. För att detta skall vara realiserbart tillåter standarden för HSDPA en sänkning av mobilens maximala uteffekt under de perioder då HS-DPCCH sänds.

Nödvändig effektsänkning beror främst på förhållandet mellan DPCCH, DPDCH och HS-DPCCH. Den tillåtna effektsänkningen definieras utifrån kombinationen av förstärkningsfaktorerna ≤c, ≤d och ≤hs. Standarden tillåter bara effektsänkning för de mest kritiska kombinationerna, då en effektsänkning kan minska cellens täckningsområde.

I 3GPP har nivån 99,9% PAR använts som riktmärke för minskning av sändareffekten. Då har olika HSDPA upplänksignaler jämförts med en referenssignal som bara består av DPCCH och DPDCH. Utgående från detta har 3GPP release 5 fastställt att mobiler i effektklass 3 och 4 får minska sin maximala sändareffekt med upp till 2 dB medan HS-DPCCH sänds. Man har tagit hänsyn till att det ofta blir ännu högre PAR-värden i en HSDPA-signal.

Cubic Metric. I samband med införandet av HSUPA har man fått ompröva den metoden. De praktiska erfarenheter man fått från HSDPA visar att höjningen av PAR inte kan överföras 1:1 till dämpningen av sändareffekten. Därför har man i 3GPP release 6 fastställt ett nytt mätvärde som benämns CM (Cubic Metric). Det är ett mer noggrant mått på hur stor reduktion av sändareffekten som är nödvändig för att behålla prestanda i upplänken för de perioder då man sänder HS-DPCCH- och/eller E-DPDCH- / E-DPCCH-kanalerna. Cubic Metric är lika användbart för HSDPA som HSUPA upplänksignaler. Det är beroende av konfiguration och beräknas som kubiken av den observerade signalen i förhållande till kubiken av en referenssignal. Referenskanalen är en enkel talkanal. Exakt hur beräkningen görs definieras av standarden. Metoden bygger på att huvudorsaken till grannkanalinterferens i upplänk är tredje ordningens olinjäriteter i effektförstärkaren.

Om man lyckas uppfylla de på grund av HSPA höjda kraven beror naturligtvis på konstruktionen av effektförstärkaren. 3GPP har definierat ett antal sändartester för att verifiera detta.

Mätningar enligt standard. En viktig mätning är maximal uteffekt på HSPA-kompatibla mobiler. Då fastställs om de uppfyller kraven för tillåten maximal sändareffekt utifrån den signalkonfiguration som används. För 3GPP release 5 så används fasta värden beroende av förstärkningsfaktorerna för aktuell signalkombination. För 3GPP release 6 utgår reduktionen av sändareffekt på beräkning enligt CM-metoden.
Image
Fig 4. Effektsprången hos sändningsmasken för HS-DPCCH.

En annan viktig test är sändningsmasken för HS-DPCCH, som ju sänds som en skur. Det är då viktigt att effektsprången hålls inom vissa gränser när HS-DPCCH börjar och slutar. I fig 4 visas motsvarande mätning från en mobiltestare.
Image
Fig 5. ALCR-mätning för upplänkssignal med HS-DPCCH.

Välbekanta mätningar som spektrummask, grannkanalinterferens ACLR (Adjacent Channel Leakage Ratio), modulationskvalitet och fasnoggrannhet har vidareutvecklats för HSPA. I fig 5 visas en ACLR-mätning för en upplänksignal som innehåller HS-DPCCH. Mätningen är gjord på en mobiltestare. Fig 6 visar en mätning av modulationskvalitet i form av vektorfel EVM (Error Vector Magnitude). Lägg märke till effekten av att en HS-DPCCH subram startar mitt i en DPCCH.
Image
Fig 6. Modulationskvalitet med vektorfel.

Alla i 3GPP specificerade sändartest har referenskanaler för upplänk definierade. Då olika kombinationer av förstärkningsfaktor märkbart påverkar signalegenskaperna har vissa kanalkombinationer valts ut för subtester. Mobilerna måste klara alla dessa subtester, alltså alla kombinationer av förstärkningsfaktorer.

De tester som nämnts kan inte bara fastställa om produkten uppfyller standard, utan kan också användas tidigt i utvecklingsarbetet för att bedöma hur bra en implementation är.

Framtidsperspektiv. HSDPA och HSUPA ställer höga krav på utformningen av effektförstärkare. HSDPA-kompatibla mobiler finns sedan en tid på marknaden och har visat sin kapacitet i praktiken. Utveckling och optimering av HSUPA-kompatibla mobiler pågår just nu. Med kraftfull testutrustning kan de nya kraven fås med redan tidigt under utvecklingsfasen.

Utvecklingen av HSPA är långt ifrån färdig, ytterligare förbättringar av tekniken kommer i 3GPP release 7.

MER LÄSNING:
 
SENASTE KOMMENTARER
Kommentarer via Disqus