High Speed Physical Downlink Shared Channel
Modulation und Datenrate
Reduktion der Antwortzeit
Verbesserung der Kanalkodierung (Turbo Codes)
Ein Problem bei UMTS war, dass es aus einem Kompromiss von Circuit Switched Verbindung und Packet Switched Verbindung bestand. Für Packed Switched Data benutzte man, dedizierte physikalische Kanäle. Dies erwies sich schon bei GPRS als problematisch da man bei Paketübertragung eher schubweise große Datenmengen überträgt und nicht kontinuierlich wie bei Sprache. Man muss daher immer wieder Kanäle freigeben oder man kann sie nicht nutzen.
Aus diesem Grunde überlegte man sich bei der Weiterentwicklung von UMTS einen anderen, neuen Ansatz.
High Speed Physical Downlink Shared Channel
Man führte einen neunen Kanal Typ ein, den Shared Channel. Dieser stellt man nicht „dauerhaft“ einem Nutzer zur Verfügung sondern nur sehr kurzfristig für eine bestimmte Dauer.
Der sogenannte High Speed Physical Downlink Shared Channel (HS-PDSCH) hatte einen festen Spreizfaktor von 16. Nimmt man an, dass keine dedizierten Kanäle in einem UMTS-Kanal verwendet werden können bis zu 15 solcher HS-SDSCH Kanäle parallel betrieben werden. Ein weiteres Merkmal dieser Kanäle ist die Dauer der Frames. Sie sind nur noch 2 ms lang. Von der Node-B kann man nun einem Nutzer nicht nur ein, sondern bis zu 15 (also alle) Kanäle zur Verfügung stellen. Dadurch allein wird die Datenrate 15-mal so hoch.
Stellen wir uns 15 Kanäle vor. Bei einem dedizierten Kanal, entspricht dass, wie im folgenden Bild, einer Straße auf der LKWs fahren, die der Nutzer mit seinen Daten „beladen“ kann. Hierbei hat er jedoch stets nur eine Straße zur Verfügung. Der Nutzer behält die Straße und die LKWs, auch wenn er gerade keine Daten zur Übertragung hat. Dadurch kommt es vor, dass immer wieder leere LKWs fahren. Bei HSDPA werden keine Straßen, sondern einzelne LKWs zugewiesen. Es ist möglich bis zu 15 LKWs gleichzeitig zu nutzen wie auf der unteren Abbildung zu sehen ist. Überträgt man keine Daten mehr, können die LKWs sofort einen oder mehreren anderen Nutzern zur Verfügung stehen. Durch diese Art der Zuweisung kommt es nicht nur zu einer schnelleren Datenübertragung, sondern auch zu einer besseren Nutzung der Gesamtkapazität.
Damit Shared Channels zugewiesen werden können nutzt man 4 sogenannte High Speed Shared Control Channels (HS-SCCH). Sie haben eine SF von 128. Ein Endgerät muss in der Lage sein, alle 4 Kanäle zu lesen.
Modulation und Datenrate
Eine weitere Erhöhung der Datenrate ermöglicht eine höhere Modulation. Statt bisher QPSK (2 bits pro Symbol) konnte nun auch mit 16 QAM (4 bits pro Symbol) übertragen. Kombiniert mit verschiedenen Kodierraten bei der Fehlerkorrektur ergeben sich viele mögliche Datenraten.
| Modulation | Kodierrate | 5 Kanäle (Mbit/s) | 10 Kanäle (Mbit/s) | 15 Kanäle (Mbit/s) |
| QPSK | 1/4 | 0,6 | 1,2 | 1,8 |
| 1/2 | 1,2 | 2,4 | 3,6 | |
| 3/4 | 1,8 | 3,6 | 5,4 | |
| 16-QAM | 1/2 | 2,4 | 4,8 | 7,2 |
| 3/4 | 3,6 | 7,2 | 10,7 | |
| 1 | 4,8 | 9,6 | 14,4 |
Somit ist bei sehr guten Konditionen (Fehlerfreie Übertragung, 15 Kanäle und 16 QAM) eine Geschwindigkeit von 14,4 Mbit/s möglich.
Allerdings ist die Qualität der Kanäle nicht immer gut und ändert sich sehr schnell. Daher nutzt man bei HSDPA einen Uplink Kanal, den High Speed Dedicated Physical Control Channel (HS-DPCCH) um der E-Node B mittzuteilen, ob ein Datenframe korrekt empfangen wurde und um über die Kanalqualität zu informieren. Entsprechend kann die E-Node B entsprechend die Modulation und/oder die Kodierrate anpassen um die Übertragung zu verbessern.
Reduktion der Antwortzeit
Eine weitere Verbesserung von HSDPA war die Response Time. Wie vorher beschrieben reduzierte sich diese von 500 ms bei GPRS auf 100-200 ms bei UMTS R99. Die erste Maßnahme zur weiteren Reduktion war die bereits erwähnte Verringerung der Framelänge auf 2 ms. Weiterhin unterteilte man ein Frame in 3 sogenannte Slots. Die Kanalzuweisung über die HS-SCCH war so gestaltet, dass bereits nach zwei Slots die Informationen über den zu verwendeten Kanal bekannt waren und die E-Node B konnte bereits mit der Übertragung der Daten beginnen während der HS-SCCH noch lief. Nun hatet das UE, also das Endgerät, 5 ms Zeit die Daten zu dekodieren und eine Bestätigung zu senden. Diese kommt rechtzeitig genug, dass man bereits nach nur 10 ms ein gegebenenfalls falsch übertragenes Frame erneut schicken kann.
In diesem Fall schickt man jedoch nicht das identische Frame. Wenn z.B. mit Fehlerkodierung und Punktuierung gearbeitet wird, schickt man das gleiche Frame indem jedoch andere bits punktuiert werden. Beim Empfang kann dann das neue Frame mit dem alten Frame kombiniert werden und die Wahrscheinlichkeit der Fehlerkorrektur wird deutlich höher. Ein solches Verfahren bezeichnet man mit Hybrid Automatic Repeat Request HARQ.
Durch die extrem kurze Zeit, indem Fehler bereits in der E-Node B korrigiert und weitergeleitet werden reduziert sich die Antwortzeit auf 10-20 ms.
Verbesserung der Kanalkodierung (Turbo Codes)
Eine weitere Verbesserung, welche mit HSDPA Einzug fand und auch in CDMA2000 angewandt wurde waren sogenannte Turbocodes. 1992 gelang es einem französischen Team eine neue Art von Fehlerkodierung. Hierbei wurde neben dem Originalbitfolge eine Bitfolge mit convolutional Code gesendet. Darüber hinaus wurde die Folge verzögert, durchmischt und ebenfalls convolutional kodiert. Es gibt somit drei Versionen, die gesendet werden. Das Resultat, welches von dem französischen Team gezeigt wurde, war so gut, dass man ihm Anfangs kaum glauben schenken konnte. Die Resultate lagen nahe am theoretischen Optimum das man als Shannon Grenze bezeichnet.