High-Speed Downlink Packet Access

High-Speed Downlink Packet Access (HSDPA)とは

HSDPA（高速下りパケットアクセス）は、第3世代移動通信システム（3G）であるUMTS（Universal Mobile Telecommunications System）を基盤とするネットワークにおいて、データ転送速度と容量を向上させるための通信プロトコルです。HSPA（High Speed Packet Access）ファミリーの一員であり、3.5G、3G+、ターボ3Gといった名称でも知られています。

HSDPAは、下り方向のデータ転送速度を1.8Mbpsから14.4Mbpsまで向上させることを可能にします。さらに、HSPA+では、DC-HSDPA（デュアルキャリアHSDPA）を用いて最大42Mbps、UMTS Release 9では最大84Mbpsといった、より高速なデータ転送を実現しています。

技術的な詳細

HS-DSCHチャネル

UMTS Release 5では、HSDPAのために新たなトランスポート層チャネルであるHS-DSCH（High-Speed Downlink Shared Channel）が導入されました。この実装を支えるために、HS-SCCH、HS-DPCCH、HS-PDSCHという3つの新たな物理層チャネルも導入されています。

HS-SCCH（High Speed-Shared Control Channel）: ユーザーがHS-DSCHでデータを受信する2スロット前に、データ転送の通知を行います。
HS-DPCCH（High Speed-Dedicated Physical Control Channel）: 上りチャネルとして機能し、肯定応答情報（ACK/NACK）と、ユーザーのCQI（Channel Quality Indicator：チャネル品質指標）を送信します。CQIは、基地局が次のデータ転送時にどの程度のデータを送るべきかを判断するために使用されます。
HS-PDSCH（High Speed-Physical Downlink Shared Channel）: 上位のHS-DSCHトランスポートチャネルにマッピングされ、実際のユーザーデータ転送を行います。

ハイブリッド自動再送要求（HARQ）

データは誤り検出訂正ビットとともに送信されます。これにより、小さな誤りは再送なしで修正可能になります。再送が必要な場合、ユーザー機器は受信したパケットを保存し、再送されたパケットと組み合わせて、可能な限り効率的に誤りのないパケットを復元します。再送パケットは、元のパケットと同一の場合（チェイス合成法）と、異なる場合（IR法：incremental redundancy）があります。

再送は無線ネットワークコントローラではなく基地局から行われるため、再送にかかる時間が短縮されています。

高速パケットスケジューリング

HS-DSCH下りチャネルは、無線状態に合わせて最適化されたスケジューリングによって、複数のユーザー間で共有されます。ユーザー機器は、下り信号品質を毎秒500回ほど基地局に通知します。基地局は、これらの情報をもとに、次の2msフレームでどのユーザーにどれだけのデータを送信するかを決定します。下り信号品質の高いユーザーには、より多くのデータが割り当てられます。

HSDPAユーザーに割り当てられるチャネライゼーションコードの量（ネットワーク帯域幅）は、ネットワークによって決定されます。この割り当ては半静的であり、運用中に変更可能ですが、フレーム単位での変更はできません。HSDPAユーザーへの帯域幅割り当ては、非HSDPAユーザーの音声への帯域幅割り当てとのトレードオフ関係にあります。チャネライゼーションコードの割り当て単位は16分割であり、HSDPAでは最大15まで割り当てることができます。

基地局は、次のフレームをどのユーザーに割り当てるかを決める際に、各ユーザーにどのチャネライゼーションコードを割り当てるかも決定します。この情報は、ユーザー機器に一つ以上の「スケジューリングチャネル」で送信されます。これらのチャネルはHSDPAの一部ではなく、別途割り当てられるものです。これにより、複数のユーザー向けのデータが、異なるチャネライゼーションコードを使って同時に送信されます。

適応変調符号化

変調と符号化の方式は、ユーザーごとの信号品質やセル使用率に応じて変化します。初期状態ではQPSK（四位相偏移変調）が使用されますが、無線状態が良ければ16QAMや64QAMを使用して、データスループットを大幅に向上させることができます。

例えば、5つの符号が割り当てられている場合、QPSKでは最大1.8Mbps、16QAMでは最大3.6Mbpsのピーク性能を発揮できます。さらに多くの符号を割り当てることで、データ転送レートが向上し、ネットワーク全体の効率が向上します。

その他の特徴

HSDPAは、UMTS Release 5以降の規格に含まれており、上りリンクも最大384kbpsまで向上させています（以前は最大128kbps）。
データ転送レートの向上とともに、HSDPAは遅延も短縮し、アプリケーションのラウンドトリップタイムを改善しています。
3GPPのその後の規格では、HSPA+がリリースされ、64QAM、MIMO、デュアルセルHSDPAなどの追加により、データ転送レートをさらに向上させています。

HSDPAユーザー機器（UE）のカテゴリー

HSDPAは、異なるデータ速度に対応した様々なバージョンで構成されています。機器カテゴリーごとに異なる最大速度とその実現方法が定義されています。2009年時点では、カテゴリー6（3.6Mbps）からカテゴリー8（7.2Mbps）の機器が一般的でした。

16-QAMはQPSKもサポートし、64-QAMは16-QAMとQPSKの両方をサポートしています。最大データ転送レートは物理層でのデータ転送レートであり、アプリケーション層のデータレートは約85%になります。

ロードマップ

HSDPAの第一フェーズは3GPP Release 5で示され、HS-DSCH、QPSKと16QAMの適応変調、基地局にHigh Speed Medium Access protocol（MAC-hs）が導入され、ピーク転送レート14.4Mbpsを目指しました。

第二フェーズは3GPP Release 7で示され、Evolved HSPA（HSPA+）として知られています。ビームフォーミングやMIMOといったアンテナ技術が導入され、42Mbpsのデータレートを実現しました。さらにデュアルキャリア運用が導入され、MIMOとの組み合わせにより理想的な条件で84Mbpsの転送レートに達します。

その後、ロードマップは3GPP Release 8で示されたE-UTRA（LTE）へと移行しました。LTEでは、当初から下り320Mbps、上り170Mbpsを目標とし、OFDMAを変調方式に採用しています。

採用例

2009年8月時点で、109カ国でHSDPAを採用した携帯電話網が250運用されています。そのうち、169のネットワークが下り最大3.6Mbpsまでをサポートしています。21Mbpsや28Mbpsをサポートするネットワークも増えています。

HSDPAは世界中で広く採用されており、多くの通信事業者によって展開されています。オーストラリアでは、テルストラがCDMA-EVDOからHSDPAへの移行を発表し、カナダでは、ロジャース・ワイヤレスがHSDPAの導入を開始しました。アメリカでは、T-Mobile USAがHSDPAを採用しました。

ブロードバンド・モバイルとしてのマーケティング

2007年頃から、HSDPA USBモデムが普及し、パソコンでのモバイルブロードバンド接続が一般化しました。また、固定電話回線の代替としてHSDPAを使用する機器も登場しています。ただし、無線状態によっては、最大の転送レートを発揮できない点には注意が必要です。

まとめ

HSDPAは、3Gネットワークにおけるデータ通信速度を向上させるための重要な技術です。技術革新とともに進化し、モバイルブロードバンド体験を大きく向上させています。

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