HSDPA演進：基于OFDM和MIMO的技術(shù)

[摘要] 3GPP在R5中引入了HSDPA技術(shù)，與R99相比，它可以為用戶提供更高的下行數(shù)據(jù)數(shù)率（R99中最高的速率為2Mb/s，而在R5中HSDPA的理論速率是14.4Mb/s），從而可以為用戶提供更加豐富多彩的業(yè)務(wù)。在HSDPA中它采用了一些新的技術(shù)，比如自適應(yīng)調(diào)制編碼（AMC，AdaptiveModulationCoding）、較短的幀長、多碼子操作、快速物理層HARQ（Hybrid-AutomaticRepeat Request）和NodeB快速分組調(diào)度等技術(shù)。

[關(guān)鍵字] HSDPA OFDM 和MIMO 無線通信 　　

1、引言

3GPP在R5中引入了HSDPA技術(shù)，與R99相比，它可以為用戶提供更高的下行數(shù)據(jù)數(shù)率（R99中最高的速率為2Mb/s，而在R5中HSDPA的理論速率是14.4Mb/s），從而可以為用戶提供更加豐富多彩的業(yè)務(wù)。在HSDPA中它采用了一些新的技術(shù)，比如自適應(yīng)調(diào)制編碼（AMC，AdaptiveModulationCoding）、較短的幀長、多碼子操作、快速物理層HARQ（Hybrid-AutomaticRepeat Request）和NodeB快速分組調(diào)度等技術(shù)。

但是，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對數(shù)據(jù)傳輸速率的要求也越來越高，因此，研究者就提出了HSDPA的下一代演進技術(shù)：HSOPA技術(shù)。與HSDPA相比，HSOPA引入了兩種關(guān)鍵技術(shù)，一種是MIMO技術(shù)，通過空時處理MIMO可以提高系統(tǒng)容量和可靠性；另一種關(guān)鍵技術(shù)是OFDM，OFDM技術(shù)可以大大的提高頻譜效率，它已經(jīng)在Wi-Fi（IEEE802.11）和WiMAX（IEEE802.16）中廣泛使用。與只使用OFDM技術(shù)相比，將這兩種技術(shù)結(jié)合起來所能支持的用戶數(shù)將增加一倍。HSOPA是HSDPA的演進技術(shù)，從HSDPA到HSUPA（High-SpeedUplink Packet Access），最終演進到HSOPA，其所能提供的數(shù)據(jù)速率和頻譜效率越來越高。

HSOPA可以為不同用戶提供不同質(zhì)量的服務(wù)：對于那些金牌用戶，HSOPA可以為他們提供最高的數(shù)據(jù)傳輸速率；對于重要用戶，HSOPA可以為其提供中等的數(shù)據(jù)傳輸速率；而對于普通用戶而言，HSOPA只需為他們提供一般的速率就可以了。

在HSOPA以前，OFDM和MIMO技術(shù)都沒有在標(biāo)準的公眾蜂窩網(wǎng)上使用過，因此二者的結(jié)合是技術(shù)上的突破，它可以實現(xiàn)更高的頻譜效率。通過現(xiàn)有的試驗來看，利用OFDM-MIMO技術(shù)，用戶的數(shù)據(jù)傳輸速率可以達到40Mb/s，這個速率幾乎是目前HSDPA峰值理論速率的4倍。

2、HSOPA的目標(biāo)

在去年四月北京召開的3GPP會議上，不同的制造商和運營商對用于無線網(wǎng)絡(luò)中的OFDM-MIMO技術(shù)進行了深入的探討。大家一致認為結(jié)合OFDM-MIMO技術(shù)，HSOPA可以實現(xiàn)以下功能：

增加無線頻譜效率：我們知道在WCDMA系統(tǒng)中其信道的帶寬是5MHz，其靜止環(huán)境下的最高數(shù)據(jù)傳輸速率是2Mb/s，HSDPA的峰值理論速率也只有14.4Mb/s，然而通過OFDM-MIMO技術(shù)，HSOPA的數(shù)據(jù)傳輸速率可以達到40Mb/s，由此可知HSOPA的頻譜效率是非常高的。

支持更多的用戶數(shù)目：通過實際的系統(tǒng)測試，對于一個5MHz的載波，HSOPA能同時支持的用戶數(shù)目超過100。

降低每比特的傳輸成本：由于HSOPA可以為用戶提供較高的傳輸速率和較多的用戶數(shù)目，因此其單位比特的傳輸成本將大大降低，從而更加具有競爭優(yōu)勢。

改善用戶的通信體驗：HSOPA可以大大減小數(shù)據(jù)的傳輸延時，例如對于和一個ping同樣大小的數(shù)據(jù)包來說，HSOPA的延時是UMTS的1/6。要達到這個要求需要對接入網(wǎng)的結(jié)構(gòu)進行必要的修改，減小用于數(shù)據(jù)處理、傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)節(jié)點的個數(shù)。

總之，為了實現(xiàn)上面的目標(biāo)，在HSOPA技術(shù)中，學(xué)者們提出了OFDM技術(shù)和MIMO技術(shù)的結(jié)合。對于OFDM技術(shù)而言，它易于擴展，可以克服多徑衰落，從而無需復(fù)雜的均衡技術(shù)。對于MIMO來說，它通過多根收發(fā)天線可以提供較大的系統(tǒng)傳輸容量，從而提高無線頻譜效率。同時，利用空時編碼技術(shù)可以明顯改善數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃�。下面我們來介紹一下HSOPA中的這兩種關(guān)鍵技術(shù)。

3、HSOPA中的OFDM技術(shù)

在過去幾年中，OFDM已經(jīng)成功用于各種有線、無線系統(tǒng)中，尤其是在無線局域網(wǎng)方面，人們對OFDM技術(shù)有著濃厚的興趣。在目前的許多無線應(yīng)用中，例如數(shù)字音頻廣播（DAB，DigitalAudioBroadcast）、數(shù)字視頻廣播（DVB，DigitalVideo Broadcast）、WLAN（IEEE 802.11a和IEEE 802.11g）以及WiMAX（IEEE 802.16）都使用了OFDM技術(shù)，在有線系統(tǒng)比如異步數(shù)字用戶線（ADSL，Asynchronous Digital Subscriber Loop）也使用了OFDM技術(shù)。

OFDM是一種調(diào)制接入技術(shù)，因此，對于存在多徑傳播的無線環(huán)境，它能夠很好地抵抗多徑衰落，無需復(fù)雜的均衡技術(shù)。對傳統(tǒng)的調(diào)制方式而言，由于多徑衰落的存在，通常其性能都要低于理論性能。對窄帶信號而言，它必然引起符號間的干擾，從而造成信號的畸變，通常需要采用均衡技術(shù)才能解決。對寬帶系統(tǒng)而言，寬待系統(tǒng)可以通過RAKE技術(shù)將多徑信號加以接收合并，從而消除多徑衰落。

OFDM是一種無線環(huán)境下的高速傳輸技術(shù)。無線信道的頻率響應(yīng)曲線大多是非平坦的，而OFDM技術(shù)的主要思想就是在頻域內(nèi)將給定信道分成許多正交子信道，在每個子信道上使用一個子載波進行調(diào)制，并且各子載波并行傳輸。這樣，盡管總的信道是非平坦的，具有頻率選擇性，但是每個子信道是相對平坦的，在每個子信道上進行的是窄帶傳輸，信號帶寬小于信道的相應(yīng)帶寬，因此就可以大大消除信號波形間的干擾。由于在OFDM系統(tǒng)中各個子信道的載波相互正交，它們的頻譜是相互重疊的，這樣不但減小了子載波間的相互干擾，同時又提高了頻譜利用率。

OFDM信號處理比較簡單，它使用了兩種眾所周知的數(shù)字信號處理技術(shù)：快速反傅立葉變換（IFFT，InverseFastFourierTransform）和快速傅立葉變換（FFT，F(xiàn)ast Fourier Transform）。調(diào)制過程如圖1所示：

圖1 OFDM信號調(diào)制過程

在OFDM處理的發(fā)射側(cè)，首先將原始數(shù)據(jù)進行信道編碼以克服信道的隨機差錯，隨后進行數(shù)據(jù)交織，這樣可以解決信道的突發(fā)差錯。隨后將數(shù)據(jù)比特映射成符號，可以進行四進制移相監(jiān)控（QPSK，QuaternaryPhaseShiftKeying）映射，也可以是正交幅度調(diào)制（QAM，Quadrature Amplitude Modulation）映射。然后進行串并變化，并進行快速反傅立葉變換，以形成多個正交的子載波。為了克服多徑衰落引起的符號間干擾，在符號末尾要插入保護間隔。在接收側(cè)首先將符號保護間隔刪除，然后進行快速傅立葉變換解調(diào)出各個子載波的數(shù)據(jù)，然后進行并串變換、去交織、譯碼以恢復(fù)初始的數(shù)據(jù)。

OFDM另外一個優(yōu)點就是在頻域的擴展比較簡單，只需要簡單的調(diào)整子載波的數(shù)目就行。比如對于WCDMA的5M帶寬，可以采用1024個子載波。當(dāng)然，OFDM技術(shù)也存在一些需要克服的問題。比如其面臨的第一個挑戰(zhàn)就是較高的峰均比（PAPR，Peak-to-AveragePowerRatio），過高的PAPR將增加對射頻原件線性的要求，尤其是增加了對功放的要求。因此如果不對PAPR進行適當(dāng)?shù)奶幚恚�那么放大器的功率效率將下降，這無疑將影響到終端的大小和電池的壽命。目前學(xué)者們在這個方面已經(jīng)提出了多種方案，其中的一種比較重要的方法就是利用數(shù)字信號處理和編碼技術(shù)加以解決。OFDM面臨的第二個問題就是它對頻偏十分敏感，因此對晶振的要求非常高。

4、HSOPA中的MIMO技術(shù)

在OFDM系統(tǒng)中雖然多個子載波相互正交，提高了系統(tǒng)的頻譜效率。但是，由于在每個符號末尾插入了循環(huán)保護間隔，因此在一定程度上反而降低了傳輸效率。

由于MIMO（MultipleInputMultipleOutput）系統(tǒng)可以提高無線系統(tǒng)的系統(tǒng)容量和系統(tǒng)的可靠性，所以該技術(shù)得到了越來越多的關(guān)注，其中的一些關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)被寫入了一些無線通信的標(biāo)準中。

MIMO信號可以通過兩種不同的方式來改善無線通信：一種是分集（Diversity）機制，而另一種就是空間復(fù)用（SpatialMultiplexing）機制。分集機制通過利用發(fā)射天線和接收天線之間多條通路來改善通信系統(tǒng)的魯棒性(Robustness)，從而改善系統(tǒng)的誤碼率(BER，BitErrorRate)。分集也可以通過多個發(fā)射天線來獲得，但是此時必須考慮多個發(fā)射天線之間的干擾，這就是空時編碼（STC，Space-Time Coding）要研究的內(nèi)容。我們把BER對信噪比（SNR，Signal to Noise Ratio）的斜率稱為分集階數(shù)（Diversity Order）。對于一個具有Mr根接收天線和Mt根發(fā)送天線的MIMO系統(tǒng)，通過空時編碼可以達到的分集階數(shù)為MtMr。

另一種技術(shù)是空間復(fù)用機制，在充分散射的MIMO環(huán)境中，接收天線可以識別出同時從多個發(fā)射天線發(fā)射出來的信號。也就是說，系統(tǒng)可以等價為一個并行獨立的數(shù)據(jù)流，其容量是單天線系統(tǒng)的min（Mr，Mt）倍。而我們知道對于功率，容量與之僅成對數(shù)關(guān)系。所以對于MIMO系統(tǒng)，其容量增益來自多個并行的空間信道，因此我們稱之為空間復(fù)用。該機制的一個著名實例就是BLAST（BellLabsSpaceTime）系統(tǒng)。

在目前實際的無線應(yīng)用中，IEEE802.11n中采用了MIMO技術(shù)，所以其傳送的數(shù)據(jù)比特速率是IEEE802.11g的兩倍。

MIMO實現(xiàn)空間分集是比較簡單的，通過簡單的空時分組編碼就可以實現(xiàn)，例如alamouti碼，在該系統(tǒng)中發(fā)送天線是兩根，發(fā)送的符號每兩個分成一組，表示為x1和x2。對于第一根天線其發(fā)送的序列是x1和x2*，同時第二根天線發(fā)送的序列是x2和x1*。這兩根天線所發(fā)送的信號序列是正交的，其系統(tǒng)框圖如圖2所示：

圖2 Alamouti編碼調(diào)制框圖

MIMO系統(tǒng)和OFDM系統(tǒng)的結(jié)合將減小空時處理的復(fù)雜度。例如，對于一個2×2（兩根發(fā)射天線，兩根接收天線）的MIMO系統(tǒng)而言，在一個5MHz的信道上，OFDM的處理復(fù)雜度將比傳統(tǒng)的CDMA系統(tǒng)低12倍。

5、HSOPA的頻譜規(guī)劃

HSOPA的頻譜可以跟現(xiàn)有的3G系統(tǒng)共載頻，也將引入新的頻段，比如在歐洲2.6GHz的頻譜已經(jīng)分配給了IMT-2000（InternationalMobileTelecommunication-2000）技術(shù)，并且在2008年后便可以使用。在建設(shè)的初期，由于用戶數(shù)量和負荷都比較少，一般考慮將HSOPA和現(xiàn)有的3G系統(tǒng)共載頻，這樣可以重復(fù)利用饋線和天線，節(jié)省成本。隨著用戶數(shù)量的不斷發(fā)展，HSOPA會對其它3G業(yè)務(wù)產(chǎn)生較大的干擾，所以，此時建議HSOPA使用單獨的載頻。

6、小結(jié)

將OFDM和MIMO兩種關(guān)鍵技術(shù)引入HSOPA中，大大增強了其訪問因特網(wǎng)的能力：可以提供更高的數(shù)據(jù)速率；可以提供更強的QoS保證；可以承載更多的用戶數(shù)目；大大降低了每兆字節(jié)的傳輸成本，提高了運營商的商業(yè)競爭力。