Generacija 3,5, pohitreni UMTS

Še preden je zaživel tretji rod mobilnega omrežja, je postalo jasno, da temeljne prenosne hitrosti (do 384 Kb/s) ne bodo kos zahtevam, ne samo prihajajočim, temveč tudi trenutnim (internetnim) storitvam. Za omrežje UMTS so bile zato razmeroma hitro pripravljene razširitve, ki bodo na podlagi trenutne infrastrukture povzdignile podatkovni prenos do teoretičnih 14,4 Mb/s, kar ponekod celo prekaša danes razširjene širokopasovne povezave v stacionarnem omrežju.

V začetku lanskega leta naj bi od približno 3 milijard uporabnikov mobilne telefonije 16 milijonov uporabljalo podatkovne storitve omrežja UMTS. Številka je razmeroma majhna, pri čemer velja razloge za počasno uvajanje iskati predvsem v skromnem naboru mobilnih storitev. Za to je med drugim kriva ne nazadnje tudi (še vedno) slaba prepustnost omrežja. Navsezadnje je bil standard UMTS definiran pred dobrim desetletjem z nekaterimi prototipnimi terminali iz leta 1995. Takrat je bil prenos 384 Kb/s v primerjavi z modemskim pristopom naravnost neverjeten. Kljub temu da bi omrežje UMTS teoretično omogočilo uporabniku vzpostaviti povezavo z 2 Mb/s, tudi to za sodobne aplikacije in storitve ni dovolj. Dostop xDSL z internetom, televizijo in telefonijo zagotavlja v osnovi prepustnost vsaj 8 megabitov, zato je osnovna različica UMTS, razen za osnovni dostop do interneta in, recimo, branje elektronske pošte, bolj ali manj neuporabna. Za storitve, kot je prenos tv signala oziroma storitve mobilne televizije, o kateri je danes še največ govora, je obstoječe mobilno omrežje premalo zmogljivo.

Ena izmed ključnih težav podatkovnega prenosa v aktualni specifikaciji za mobilno omrežje UMTS, kot ga definira združenje za tretji rod omrežij (3rd Generation Partnership Project, 3GPP), sicer znani pod imenom Release 99 (Rel'99), je obvladovanje zgoščenega prometa (burst traffic). Nova izpeljanka Release 5 (Rel'5) z optimizacijo prenosnih poti te težave nekoliko odpravlja. Ena izmed ključnih novosti specifikacije Rel'5 je tako imenovan paketni dostop visokih hitrosti do uporabnika (High Speed Downlink Packet Access, HSDPA) z zmogljivostjo 2 Mb/s oziroma, teoretično, tudi do 14,4 Mb/s. Uvajanje tehnike HSDPA v praksi najlaže primerjamo z nadgradnjami osnovnega omrežja GSM na podlagi tehnike hitrih vodovno komutiranih podatkov (High Speed Circuit Switched Data, HSCSD) ali splošne paketne radijske storitve (General Packet Radio Service, GPRS), znane tudi kot generacija 2,5. Obe tehniki sta povzdignili temeljne prenosne zmogljivosti 9,6 Kb/s, kot jih sicer zmore omrežje GSM, na praktičnih 57,6 oziroma 128 Kb/s. Vse tri tehnike imajo sicer drugačno ozadje, pri tem pa je skupni imenovalec vedno obstoječa fizična infrastruktura, ki jo je mogoče s programsko ali strojno nadgradnjo pripeljati do večjih podatkovnih hitrosti.

Tehnologija HSDPA ni omejena zgolj na mobilne uporabnike. Visoke prenosne hitrosti bodo zagotovo našle pot tudi do stacionarnih uporabnikov, kjer je, recimo, ustrezna ali alternativna infrastruktura nedostopna.

Optimizacija podatkovnega kanala

HSDPA se ne zgleduje po nobeni od dveh tehnik, saj je, recimo, GPRS že osnova za prenos podatkov po omrežju UMTS. HSCSD, recimo, deluje po načelu združevanja časovnih rezin prenosnega kanala (vsak kanal GSM je razdeljen na osem časovnih rezin, kjer ena rezina predstavlja aktivno povezavo ne glede na to, ali se podatki prenašajo ali ne), ki si jih med seboj delijo aktivni uporabniki, medtem ko deluje GPRS na podlagi izmenjave podatkovnih paketov, ki se prenašajo po omrežju (povezava je aktivna samo takrat, ko se prenaša paket). Razširitev tretjega rodu že v sami osnovi namesto neposredne povezave (GSM oziroma HSCSD) uporablja paketni prenos, zato na tem področju ni bilo dovolj prostora za dodatne razširitve ali izboljšave. HSDPA rešuje problem prenosa drugje, in sicer na samem frekvenčnem spektru z izboljšavami, kot so dinamična prilagodljiva modulacija in kodiranje (dynamic adaptive modulation and coding), hitri razporejevalnik (fast scheduler) ter hitri vnovični prenos (fast retransmission) poškodovanih ali izgubljenih paketov.

Uporaba hitre skupne prenosne poti k uporabniku (High Speed Downlink Shared Channel, HS-DSCH) je temeljno načelo hitrejšega prenosa podatkov, kjer si več uporabnikov deli en kanal. Poleg tega izvaja HSDPA neposredno optimizacijo razpoložljive prenosne poti, tako da mobilno omrežje skupaj s terminali sproti prilagaja tehnike zapisa informacije v radijski signal (modulacija recimo) glede na moč in kakovost kanala. Na podlagi indikatorja kakovosti kanala (Channel Quality Indicator, CQI) potrditvi (ACK) oziroma zavrnitvi (NACK) sprejema lahko bazna postaja zelo dinamično (vsaki 2 milisekundi) spreminja karakteristike prenosa, kot sta modulacija in kodiranje. Na tej podlagi je torej mogoče podatkovni prenos sproti prilagajati razpoložljivi pasovni širini in kakovosti frekvenčnega spektra za posameznega uporabnika v času prenosa podatkov.

Za hiter prenos podatkov določa HSDPA tri tipe povezav:

- prenosni kanal HS-DSCH,

- skupni nadzorni kanal HSDPA (HSDPA Control Channel, HS-SCCH) in

- namenski fizični kontrolni kanal za visoke hitrosti High Speed Dedicated Physical Control Channel (HS-DPCCH).

V osnovi je uporabnikom skupaj na voljo po 15 prenosnih kanalov HS-DSCH, ki jih lahko združeno uporablja tudi en sam uporabnik. Moč signala HS-DSCH je v času prenosa konstantna. Da bi zagotovili konstantno prepustnost v okolju s spreminjajočimi se razmerami (medtem ko se, recimo, uporabnik giblje), se namesto prilagajanja moči spreminja modulacija in kodiranje signala. Kanal HS-DPCCH mora zato skrbeti za sprotni nadzor kakovosti signala na podlagi indikatorja kakovosti CQI ter odzivu ACK oziroma NACK. Na podlagi takega merjenja v realnem času (na 2 milisekundi) lahko HSDPA sproti prilagodi razpoložljivo pasovno širino za vsakega uporabnika posebej. S tem se lahko nadgrajeno omrežje UMTS uspešno odziva tudi na zgostitve prometa brez posebnih posledic za uporabnike podatkovne izmenjave. Ti bodo dejansko kakovost prepustnosti povezave občutili zgolj glede na število uporabnikov v posamezni celici (hitrost prenosa je torej odvisna le od števila uporabnikov, ki si v danem trenutku delijo razpoložljivo pasovno širino).

Odziv na kakovost signala oziroma prilagajanje prepustnosti in optimalno izkoriščanje frekvenčnega spektra v realnem času uporablja dve ključni tehniki: kvadratno amplitudno modulacijo (Quadrature Amplitude Modulation, QAM) in samodejne hibridne sheme za zahtevo (Hybrid Automatiuc Request, H-ARQ). Sheme ARQ omogočajo hiter odziv na napake, ki lahko nastanejo pri prenosu. Posamezen poškodovan ali nedostavljen paket je mogoče takoj vnovič poslati z uporabo drugačne modulacije ali kodiranja. S tem tehnika HSDPA odpravlja tudi nekatere težave protokola za krmiljenje prenosa (Transmission Control Protocol, TCP), sicer podporne tehnike internetnega protokola (Internet Protocol, IP).

Ena izmed težav brezžičnih omrežij je, da poizkušajo vpeljati na splošno razširjene tehnologije za stacionarna omrežja. Tak je tudi protokol TCP, ki rešuje probleme zgostitve prometa (oziroma probleme nedostavljenih paketov) preprosto tako, da zniža hitrost prenosa. Povrnitev na začetno prenosno hitrost je počasna, kar je danes na splošno ena večjih hib interneta. V fiksnih omrežjih rešuje te težave t. i. aktivno upravljanje čakalnih vrst v protokolu TCP oziroma tehnika, znana pod preprostim imenom FAST (Fast Active queue-management Scalable TCP, FAST). Pri navadnih povezavah UMTS so časovna okna za odkrivanje napak s strani mobilnega terminala tako velika (od 80 do 100 ms), da vplivajo na sam protokol TCP in s tem upočasnitev prometa. Pri HSDPA je odziv z uporabo prilagodljivih shem H-ARQ desetkrat hitrejši (10 ms). S tem ostane prenos prek protokola TCP večinoma neprizadet.

Tudi samo popravljanje napak v prenosu je pri HSDPA optimizirano. Ko se zgodi napaka, je preprosta rešitev (Chase combining) vnovična zahteva po prenosu poškodovanega ali izgubljenega paketa. Drug pristop (Incremental Redundancy) pa omogoča vnovični prenos zgolj paritetnih bitov, na podlagi katerih je mogoče rekonstruirati poškodovan podatkovni paket. Ta tehnika je seveda bolj zapletena in zahteva dodatne procesne in pomnilniške zmogljivosti pri terminalih HSDPA. Bazne postaje zato izbirajo tehniko odpravljanja napak glede na hitrost prenosa in zmogljivost terminala (pri čemer mora vsak terminal podpirati obe tehniki). Ravno zato prinaša HSDPA poleg višjih hitrosti tudi neprimerno bolj robustno delovanje in kakovost prenosa podatkov.

Poleg omenjenih tehnik izboljšave prenosa prek frekvenčnega spektra pa omogoča nova tehnologija tudi hitro prilagajanje fizični porazdelitvi baznih postaj. Naloga mobilnih terminalov je, da samodejno izberejo najustreznejšo bazno postajo za prenos podatkov k uporabniku (downlink channel). Zato je v takih razmerah povezava vedno osredotočena na zgolj eno bazno postajo, kljub temu da jih je na določenem območju več, s čimer so odpravljene nekatere nevšečnosti, ki so sicer rezultat interference oziroma mešanja signalov več baznih postaj.

Omenili smo že, da je v vsaki celici (okoli ene bazne postaje) na voljo po 15 povezav. Izraba razpoložljivih povezav je v domeni terminala in bazne postaje. Za nadzor in upravljanje je uporabljen nadzorni kanal HS-SCCH, prek katerega se bazna postaja in terminal uskladita glede karakteristike povezave skupaj s hitrostjo prenosa. Končna hitrost prenosa je torej odvisna od števila uporabljenih povezav HS-DSCH znotraj ene celice.

Porazdeljena uporaba prenosne poti omogoča učinkovitejše izkoriščanje zmogljivosti razpoložljive pasovne širine in hitrejši prenos podatkov.

Zmogljivosti in praksa

Hitrost prenosa v omrežju HSDPA je odvisna tako od zmogljivosti bazne postaje kot tudi od zmogljivosti terminala. Vpliv imajo seveda tudi okoljski dejavniki, ki motijo signal. Hitrost prenosa je zato razdeljena na 12 kategorij. Vsaka izmed njih zahteva od bazne postaje in terminala ustrezne zmogljivosti. Teoretična maksimalna hitrost 14,4 Mb/s je seveda možna le pri izrabi vseh 15 povezav HS-DSCH, to pa je v praksi silno težko zagotoviti, saj morajo biti izpolnjeni idealni pogoji (en uporabnik v eni celici). Tudi praksa tehnologij HSCSD in GPRS je omejila prenose na največ 128 Kb/s (s tehniko EDGE je sicer mogoče tudi te hitrosti v praksi nekoliko povečati).

Za hitrejši prenos podatkov je seveda treba prilagoditi tudi mobilne terminale. Ti morajo biti vzvratno združljivi z obstoječim omrežjem oziroma obstoječo specifikacijo (Rel'99). Dejanska hitrost prenosa bo zato odvisna od implementirane kategorije tako na strani operaterja (bazne postaje) kot tudi na strani uporabnika (mobilni terminali). V praksi bo verjetno zaživela predvsem kategorija 6 z maksimalno hitrostjo 3,6 Mb/s. Več tudi težko pričakujemo, saj bo, če ne drugače, v posamezni celici vedno več uporabnikov. Izraba petih povezav naenkrat je nekako tudi statistično najverjetnejša. Pri tehniki HSDPA je vsekakor pomembna optimalna izkoriščenost prenosne poti; to rešuje prilagodljiva modulacija in kodiranje signala ter hiter odziv na morebitne napake v prenosu.

V praksi so mobilni terminali že na voljo predvsem kot omrežni vmesniki za prenosne računalnike. To je lani, recimo, demonstriral Nortel s komercialnim omrežjem in terminalsko opremo za kategorijo 12 (1,8 Mb/s) in kategorijo 6 (3,6 Mb/s). Prilagajanje zmogljivosti signala pa ima tudi nekatere pozitivne stranske posledice. HSDPA omogoča vzdrževanje nominalne hitrosti omrežja UMTS (384 Kb/s) tudi v slabih razmerah, oziroma na samem obrobju pokritosti posamezne celice.

Nekatere ključne značilnosti tehnologije HSDPA, ki v teoriji omogočajo prenosne hitrosti proti uporabniku tudi do 14,4 mbps na osnovi obstoječe mobilne infrastrukutre.

Uporaba

Uvajanje HSDPA na podlagi trenutne infrastrukture UMTS ima vsekakor pozitivne posledice na razvoj aplikacij, sicer značilnih za stacionarne širokopasovne povezave. Sam prenos hitrosti (približno petkrat hitreje) in boljša izkoriščenost mobilnih celic (približno desetkrat boljša izkoriščenost frekvenčnega spektra) poleg tega tudi ugodno vplivata na cenovno politiko obračunavanja obilnega širokopasovnega prenosa.

Vsesplošna navzočnost širokopasovnih povezav že v stacionarnem omrežju vpliva pozitivno na širitev uporabe interneta, saj omogoča razvoj novih aplikacij in dostavo večpredstavnih vsebin (zvok in video). Če primerjamo razvoj mobilnih govornih storitev, ki so bile na začetku usmerjene predvsem v profesionalne in namenske scenarije (medicinska pomoč, profesionalne poslovne storitve itd.), ki jih je povozila vsesplošna raba (mobilne telefone uporabljamo celo doma namesto stacionarnih), je razvoj mobilnih podatkovnih storitev verjetno na dobri poti.

Uvajanje HSDPA (oziroma alternativnih tehnologij) bo vplivalo na filozofijo in poslovne modele širokopasovnih brezžičnih povezav. Ciljna populacija so v tem trenutku poslovni uporabniki z zahtevami po dostopu do poslovnih aplikacij kjerkoli. Tehnika HSDPA je usmerjena tudi na tiste skupine uporabnikov, pri katerih še vedno prevladuje stacionarni dostop, kot so poslovni prostori ali gospodinjstva. Z uvajanjem novih tehnologij bo meja med stacionarnim in brezžičnim širokopasovnim dostopom morda kar zabrisana (pri tem pa ne smemo pozabiti, da se tudi stacionarni internet nezadržno "hitri"). Prenosne hitrosti do 14,4 Mb/s so dejansko ustrezen pogoj za dostavo kakovostnih storitev, kot so televizija, govorne storitve in spletni dostop prek interneta. Prav zato bo mobilna tehnologija s hitrim podatkovnim prenosom pogosto predstavljala temeljno infrastrukturo tudi v zaprtih prostorih, kjer je, ne nazadnje, signal zaradi manjšega vpliva interference boljši in s tem tudi laže zagotovljena višja hitrost prenosa.

Pri tem ne smemo pozabiti na konkurenčne tehnologije, ki so že vpeljane ali pa so na dobri poti, da se uveljavijo. Brezžična krajevna omrežja danes v poslovnem okolju (in tudi doma) niso več nobena posebnost. Vendar pa ima nov rod mobilnih tehnologij bistveno prednost - prehajanje (roaming). Na tej podlagi je uporabnik vedno mobilen in ni vezan na specifično lokacijo. Prav zato bodo lahko samo mobilne tehnologije, kot je UMTS, omogočile neopazen prehod pri uporabi poslovnih aplikacij ali sistemov za zabavo v pisarni oziroma doma in na terenu. Tako kot uporabljamo omrežje GSM na delovnem mestu ali doma, bo tudi tehnologija UMTS (oziroma konkurenčna brezžična) sčasoma postala pomembna infrastruktura za prenos podatkov.

Prednosti in slabosti

Uvajanje tehnike HSDPA ima številne prednosti. Mobilnim operaterjem omogoča boljšo izkoriščenost temeljne infrastrukture in nizanje novih podatkovnih storitev, kot je mobilna televizija. Hkrati se postavlja ob bok alternativnim brezžičnim tehnologijam, kot je WiMax, saj so hitrosti popolnoma primerljive, ob tem da je temeljna infrastruktura že na voljo. Tega za WiMax ne moremo trditi. Seveda je pri uvajanju novih tehnologij treba pomisliti tudi na druge dejavnike, ki ključno vplivajo na uporabniško sprejemljivost.

To je predvsem strošek uporabe storitve, ki najpogosteje igra ključno vlogo. Dejansko je z vpeljavo tehnike HSDPA mogoče obstoječ frekvenčni pas bolje izkoristiti, vendar zahteva nadgradnja tudi svojo ceno. Prednost tehnike je vsekakor že obstoječa infrastruktura, vendar je vprašanje vsesplošne uporabe vezano bolj na vzorce uporabe. Podatkovni prenos je danes še vedno skoncentriran v urbanem okolju, kjer je mogoče z razmeroma nizko investicijo vzpostaviti alternativne tehnologije, kot je WiMax. Vendar pa tak brezžični dostop ne rešuje problema mobilnosti in je dejansko simulacija stacionarnega dostopa prek frekvenčnega spektra (mobilnost je možna zgolj na mikroravni). V tem pogledu ima UMTS v kombinaciji s HSDPA odlično prednost. Vendar so po drugi strani omejitve terminalov tiste (majhni zasloni, recimo), ki zavirajo uporabo kompleksnejših in podatkovno požrešnih storitev ter s tem zagotavljanje širokopasovnih povezav.

Oblikovanje storitev, prilagojenih za mobilne uporabnike, je torej tisti ključni dejavnik, ki bo investitorjem povrnil vložke v nadgradnjo. Zdi se, kot da bo tehnološki deja vu (osnovna infrastruktura prehiteva informacijske storitve) zopet negativno vplival na uvajanje mobilnega prenosa podatkov. Problemi uvajanja novih tehnologij so v resnici večdimenzionalni. Perspektivne storitve, kot je mobilna televizija, imajo že na samem začetku težave, ki niso samo tehnične narave, saj gre za vmešavanje mobilnih operaterjev na področje, na katerem prevladujejo povsem drugi igralci - televizijske postaje. Prav zaradi pomanjkanja jasne vizije glede oblikovanja in ponujanja konkretnih (podatkovnih) storitev za končne uporabnike je prihodnost HSDPA kljub zanimivemu reševanju konkretnih tehničnih problemov še vedno nekoliko zamegljena.

Tehnološki razvoj kljub temu nemoteno teče naprej. Evolucija mobilnih omrežij je s prihajajočo specifikacijo Release 6 usmerjena med drugim v zagotavljanje hitrega prenosa podatkov tudi v nasprotni smeri, torej od uporabnika v omrežje. Hitri paketni dostop od uporabnika (High Speed Uplink Packet Access, HSUPA) naj bi bil namenjen predvsem aplikacijam, za katere je značilna hitra izmenjava podatkov med uporabniki, kot so interaktivne igre, in tudi zaokrožuje koncept hitrega paketnega dostopa (High Speed Data Access, HSDA) mobilnih omrežij v prihodnosti.

kategorija

število potrebnih povezav HS-DSCH

prenosna hitrost

kategorija 1

5

1,2 Mb/s

kategorija 2

5

1,2 Mb/s

kategorija 3

5

1,8 Mb/s

kategorija 4

5

1,8 Mb/s

kategorija 5

5

3,6 Mb/s

kategorija 6

5

3,6 Mb/s

kategorija 7

10

7,3 Mb/s

kategorija 8

10

7,3 Mb/s

kategorija 9

15

10,2 Mb/s

kategorija 10

15

14,4 Mb/s

kategorija 11

5

900 Kb/s

kategorija 12

5

1,8 Mb/s

Tabela 1: Kategorije in zmogljivosti prenosa s tehniko HSDPA. Hitrost prenosa je poleg števila povezav odvisna tudi od uporabljene tehnike kodiranja in modulacije.