고속 패킷 접속
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1. 개요
고속 패킷 접속(HSPA)은 3세대 이동 통신 기술의 발전된 형태를 포괄하는 용어로서, 고속 하향 패킷 접속(HSDPA)과 고속 상향 패킷 접속(HSUPA), 진화된 HSPA(HSPA+) 등을 포함한다. HSDPA는 최대 14.4Mbps의 속도를 제공하며, HSUPA는 상향 링크 속도를 향상시킨 기술이다. HSPA+는 MIMO 기술과 고차 변조를 통해 더 빠른 데이터 속도를 지원하며, DC-HSDPA는 여러 주파수 대역을 묶어 속도를 향상시킨 기술이다. 대한민국에서는 2006년부터 HSPA 기술이 상용화되었으나, 4G 및 5G 기술의 등장으로 점차 쇠퇴하였다.
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| 고속 패킷 접속 | |
|---|---|
| 고속 패킷 접속 | |
 | |
| 기술 | |
| 기술 유형 | 무선 네트워크 기술 |
| 기반 기술 | 3G WCDMA |
| 주요 개선점 | 패킷 데이터 처리 속도 향상 |
| 업로드 속도 | 최대 11.5 Mbit/s (HSPA Evolution: 최대 23 Mbit/s) |
| 다운로드 속도 | 최대 14.4 Mbit/s (HSPA Evolution: 최대 42 Mbit/s) |
| 지원 프로토콜 | HSDPA, HSUPA |
| 발전 단계 | HSPA+, DC-HSDPA |
| 다른 이름 | 3.5G, 3.75G, UMTS Broadband |
| 통신 방식 | |
| 접속 방식 | 패킷 스위칭 |
| 전송 방식 | OFDM 기반 (HSPA Evolution) |
| 네트워크 구조 | |
| 구성 요소 | 기지국 무선 네트워크 컨트롤러 코어 네트워크 |
| 특징 | |
| 특징 | 기존 3G 네트워크 대비 향상된 데이터 속도 다양한 멀티미디어 서비스 지원 모바일 광대역 인터넷 접속 제공 |
| 장점 | 빠른 데이터 전송 속도 사용자 체감 성능 향상 모바일 인터넷 환경 개선 |
| 단점 | 네트워크 혼잡 시 속도 저하 가능성 서비스 지역에 따라 가용성 차이 |
| 관련 기술 | |
| 관련 기술 | UMTS WCDMA HSDPA HSUPA HSPA+ DC-HSDPA |
| 진화 | LTE, 5G |
| 국제 표준 | |
| 표준 단체 | 3GPP |
| 표준 명칭 | Release 5 (HSDPA) Release 6 (HSUPA) Release 7 (HSPA+) |
| 기타 정보 | |
| 서비스 제공 | 전 세계 이동통신 사업자 |
| 상용화 시기 | 2000년대 중반 |
| 주요 활용 분야 | 모바일 인터넷 스트리밍 서비스 화상 통화 |
2. 고속 하향 패킷 접속 (HSDPA)
'''고속 다운링크 패킷 접속'''(영어: High Speed Downlink Packet Access, '''HSDPA''')은 고속 패킷 접속(HSPA) 계열의 향상된 3G 이동 통신 프로토콜이다. HSDPA는 '''3.5G''' 및 ''3G+''로도 알려져 있다. 범용 이동 통신 시스템(UMTS) 기반 네트워크에서 더 높은 데이터 속도와 용량을 제공하며, 지연 시간을 줄여 애플리케이션의 왕복 시간을 단축한다.
초기 HSPA 사양은 다운링크에서 최대 14 Mbit/s, 업링크에서 5.76 Mbit/s의 최대 데이터 속도를 지원했다. 이는 원래 WCDMA 프로토콜에 비해 다운링크에서는 최대 5배, 업링크에서는 최대 2배의 시스템 용량을 제공했다.[3] 3GPP 릴리스 7에서 도입된 개선된 고속 패킷 접속(HSPA+)은 데이터 속도를 더욱 높였다.
HSDPA는 3GPP 릴리스 5에서 도입되었으며, 지연 시간을 줄이면서 14.0 Mbit/s의 최대 데이터 속도를 달성하는 것을 목표로 했다. HSDPA로 업그레이드하는 것은 WCDMA 네트워크에 대한 소프트웨어 업데이트만으로 가능한 경우가 많다.
CDMA2000-EV-DO 네트워크는 초기 성능에서 앞서 나갔지만, 전 세계적으로 HSDPA를 채택하는 통신사가 늘어나면서 HSDPA가 유리한 위치를 점하게 되었다. 2007년부터는 HSDPA USB 모뎀이 많이 판매되었고, HSDPA 유선 전화 교체 박스도 인기를 얻었다.
- NTT 도코모(NTT Docomo): 2006년 8월 31일, "FOMA 하이스피드"라는 서비스 명칭으로 HSDPA 규격에 대응하기 시작했다. 2008년 4월 1일에는 최대 수신 통신 속도 7.2Mbps(카테고리 8)의 HSDPA 통신 서비스를 개시했고, 2009년 1월에는 인구 커버율 100%를 달성했다.[16] 2009년 6월에는 HSUPA 규격에 대응했다.[17]
- 소프트뱅크 모바일(구・보더폰 일본 법인)(Softbank Mobile (former Vodafone Japan)): 2006년 10월 1일, "3G 하이스피드"라는 서비스 명칭으로 HSDPA 대응을 시작했다. 2011년 2월 25일부터는 ULTRA SPEED 브랜드 명칭으로 HSPA+, DC-HSDPA 서비스를 개시했다.
- 이·액세스(e-Access)→소프트뱅크(SoftBank)의 Y!mobile 부문: 2007년 3월 31일, "EM 모바일 브로드밴드"라는 서비스 명칭으로 HSDPA 규격에 의한 데이터 통신 서비스를 시작했다. 2007년 12월에는 최대 수신 통신 속도 7.2Mbps의 HSDPA 데이터 통신 서비스를, 2008년 11월 20일에는 최대 송신 통신 속도 1.4Mbps의 HSUPA 통신 서비스를 개시했다.
2. 1. 기술적 특징
HSDPA는 공유 채널 전송, 다중 코드 전송, 고차 변조, 짧은 전송 시간 간격(TTI), 빠른 링크 적응 및 스케줄링, 빠른 하이브리드 자동 반복 요청(HARQ) 등의 기술을 사용하여 데이터 전송 효율을 높인다.[3] 기지국에 있는 고속 매체 접속 프로토콜(MAC-hs)이 추가되어 흐름 제어, 스케줄링, 우선순위 제어, 패킷 결합형 HARQ, TFRI 선택 등의 기능을 수행한다.[3]3GPP 주파수 분할 이중의 릴리즈 '99 규격과 비교하면 물리 계층에 다음과 같은 채널이 추가되었다.[11]
- 하향 링크
- HS-PDSCH (고속 물리 하향 링크 공유 채널)
- HS-SCCH (공유 제어 채널)
- 상향 링크
- HS-DPCCH (HS-DSCH용 상향 링크 전용 물리 제어 채널)
또한, MAC 계층에는 물리 계층과 인접한 형태로 '''MAC-hs'''가 새로 추가되어 다음과 같은 기능을 제공한다.[11]
- 기지국측
- 흐름 제어: 상위 계층에 대해 무선 통신 속도에 맞는 적절한 데이터 전송 속도를 지시한다.
- 스케줄링 및 우선 제어: 상위 노드로부터 통지된 우선순위 정보를 고려하여 시스템 전체의 종합적인 통신 효율을 향상시키기 위해 단말에 타임 슬롯을 할당한다.
- 패킷 결합형 HARQ: 수신측에서 복호 실패 데이터를 버리지 않고 재전송 데이터와 결합하여 복호되는 것을 고려하여 재전송 패턴을 결정한다. 여러 HARQ 프로세스가 독립적으로 동작한다.
- TFRI 선택: TFRI (Transport Format Resource Index)는 타임 슬롯에 할당된 코드 수, 변조 방식, 데이터 크기를 나타내며, HS-SCCH를 사용하여 단말로 전송된다. 단말에서 전송된 품질 정보를 사용하여 적절한 TFRI를 선택함으로써 적응 변조·부호화(AMC)를 실현한다.
- 단말측
- 패킷 결합형 HARQ: 수신 실패 데이터를 버리지 않고 재전송 데이터와 결합하여 복호한다. 여러 HARQ 프로세스가 독립적으로 동작한다. 복호 성공 시에는 ACK, 복호 실패 시에는 NACK을 HS-DPCCH를 통해 전송한다.
- 순서 제어: 송신측의 HARQ가 프로세스별로 독립적으로 동작하기 때문에, 최초 전송 시의 시계열 순서대로 수신 성공하는 것은 아니다. 이 기능은 최초 전송 시의 순서를 유지하여 데이터를 상위 계층으로 전달한다.
HSDPA는 기지국과 단말에 MAC-hs를 추가함으로써 기능을 실현하며, au 등이 이미 상용화하고 있는 EV-DO와 기술적으로 유사하다.[11]
2. 2. 단말 카테고리
HSDPA는 단말의 수신 능력에 따라 여러 카테고리로 분류되며, 각 카테고리별로 최대 데이터 속도, 지원하는 변조 방식, 코드 수 등이 다르다.[4]| 카테고리 | 동시 수신 가능한 코드 수 최댓값 | 연속 수신 가능한 타임 슬롯 간격 최솟값 | 변조 방식 | 타임 슬롯당 수신 가능한 비트 수 최댓값 (bit) | IR 버퍼 크기(kbit) | 통신 속도(Mbps) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 5 | 3 | QPSK/16QAM | 7298 | 19.2 | 1.22 |
| 2 | 5 | 3 | QPSK/16QAM | 7298 | 28.8 | 1.22 |
| 3 | 5 | 2 | QPSK/16QAM | 7298 | 28.8 | 1.82 |
| 4 | 5 | 2 | QPSK/16QAM | 7298 | 38.4 | 1.82 |
| 5 | 5 | 1 | QPSK/16QAM | 7298 | 57.6 | 3.65 |
| 6 | 5 | 1 | QPSK/16QAM | 7298 | 67.2 | 3.65 |
| 7 | 10 | 1 | QPSK/16QAM | 14411 | 115.2 | 7.21 |
| 8 | 10 | 1 | QPSK/16QAM | 14411 | 134.4 | 7.21 |
| 9 | 15 | 1 | QPSK/16QAM | 20251 | 172.8 | 10.13 |
| 10 | 15 | 1 | QPSK/16QAM | 27952 | 172.8 | 13.98 |
| 11 | 5 | 2 | QPSK | 3630 | 14.4 | 0.91 |
| 12 | 5 | 1 | QPSK | 3630 | 28.8 | 1.82 |
'''고속 상향 패킷 접속'''('''HSUPA''', High-Speed Uplink Packet Access)은 HSPA 계열의 3G 이동 통신 프로토콜이다. 3GPP 릴리즈 6에서 상향 링크 데이터 속도를 5.76Mbit/s로 향상시키고, 용량을 확장하며, 지연 시간을 줄이기 위해 명시 및 표준화되었다. 이를 통해 인터넷 전화(VoIP), 사진 업로드 및 대용량 이메일 전송과 같은 새로운 기능을 사용할 수 있다.
HSDPA의 타임 슬롯은 2ms이므로, 위 표의 '타임 슬롯당 수신 가능한 비트 수 최댓값'을 '연속 수신 가능한 타임 슬롯 간격 최솟값'으로 나누고, 다시 2000으로 나누면 통신 속도 최댓값(Mbps)을 얻을 수 있다. 단, 이 통신 속도는 MAC-hs 계층의 통신 속도이며, 실제 사용자가 체감하는 통신 속도와는 다르다.[11]
3. 고속 상향 패킷 접속 (HSUPA)
HSUPA는 UMTS 진화 과정에서 두 번째로 중요한 단계였다. 그 이후로 LTE(하향 링크 150Mbit/s, 상향 링크 50Mbit/s) 및 LTE 어드밴스드(최대 하향 링크 속도 1 Gbit/s 초과)와 같은 더 높은 전송 속도를 가진 새로운 기술에 의해 대체되었다.
3GPP에서는 HSDPA와의 혼동을 피하기 위해 '''EUL'''(Enhanced UpLink)이라고 부르며, 새롭게 추가된 물리 채널 및 MAC 또한 '''E-DPDCH''' 및 '''MAC-e'''와 같이 "e"가 접두어로 사용된다.
HSUPA는 단말기 송신 능력에 따라 카테고리로 분류된다. HSDPA와 달리, 카테고리별로 사용 가능한 타임 슬롯 길이가 다르다. 홀수 카테고리는 타임 슬롯 길이로 10ms만 사용 가능하며, 짝수 카테고리는 10ms 외에 2ms도 사용 가능하다. 최대 속도 5.742Mbit/s는 카테고리 6을 타임 슬롯 길이 2ms로 운용하는 경우에만 달성된다. 타임 슬롯 길이 10ms의 최대 속도는 2Mbit/s이며, 카테고리 4~6에서 지원된다.
HSDPA처럼 2단계 부호화를 하지 않기 때문에, 타임 슬롯 길이를 제외하면 상위 카테고리가 하위 카테고리를 포함하게 된다.카테고리 최대 전송 속도 1 0.73Mbit/s 2 1.46Mbit/s 3 1.46Mbit/s 4 2.93Mbit/s 5 6 5.742Mbit/s 7 (3GPP Rel7) 11.5Mbit/s
FDD enhanced uplink; Overall description; Stage 2
3. 1. 기술적 특징
HSUPA는 WCDMA에 새로운 전송 채널인 향상된 전용 채널(E-DCH)을 추가한다. 또한 HSDPA와 유사하게 다중 코드 전송, 더 짧은 전송 시간 간격을 통한 더 빠른 링크 적응, 빠른 스케줄링 및 증분 중복을 사용한 빠른 하이브리드 자동 반복 요청(HARQ)을 통해 재전송 효율을 높이는 등 여러 가지 개선 사항을 제공한다. HSDPA와 마찬가지로 HSUPA는 "패킷 스케줄러"를 사용하지만, 사용자 장비(UE)가 데이터 전송 권한을 요청하고 스케줄러가 언제 몇 개의 UE가 전송할 수 있는지 결정하는 "요청-승인" 원칙에 따라 작동한다. 전송 요청에는 UE의 전송 버퍼 및 대기열 상태와 사용 가능한 전력 여유에 대한 데이터가 포함된다. 그러나 HSDPA와 달리 상향 링크 전송은 서로 직교하지 않는다.
"스케줄된" 전송 모드 외에도, 표준에서는 UE에서 자체적으로 시작하는 전송 모드인 "비스케줄된" 모드를 허용한다. 예를 들어, 비스케줄된 모드는 감소된 TTI와 Node B 기반 스케줄러조차도 필요한 짧은 지연 시간과 일정한 대역폭을 제공할 수 없는 인터넷 전화(VoIP) 서비스에 사용될 수 있다.
각 MAC-d 플로우(즉, QoS 플로우)는 스케줄된 모드 또는 비스케줄된 모드를 사용하도록 구성된다. UE는 스케줄된 플로우와 비스케줄된 플로우의 데이터 속도를 독립적으로 조정한다. 각 비스케줄된 플로우의 최대 데이터 속도는 호 설정 시 구성되며 일반적으로 자주 변경되지 않는다. 스케줄된 플로우가 사용하는 전력은 절대적 승인(실제 값으로 구성됨) 및 상대적 승인(단일 상향/하향 비트로 구성됨) 메시지를 통해 Node B에 의해 동적으로 제어된다.
물리 계층에서 HSUPA는 다음과 같은 새로운 채널을 도입한다.3. 2. 단말 카테고리
범주릴리스 최대
업링크
속도변조 방식 1 6 0.73Mbit/s QPSK 2 6 1.46Mbit/s QPSK 3 6 1.46Mbit/s QPSK 4 6 2.93Mbit/s QPSK 5 6 QPSK 6 6 5.76Mbit/s QPSK