ＨＳＰＡ＋Ｒ７物理層關(guān)鍵技術(shù)研究

于　璐　李軍輝　趙慧麟　張　翔

【摘要】HSPA+是HSPA的演進技術(shù)。文章重點研究了HSPA+ R7標準版本中的下行MIMO、上下行高階調(diào)制、連續(xù)分組連接這三種物理層關(guān)鍵技術(shù),并介紹了GCF HSPA+新增終端射頻一致性測試項目。

【關(guān)鍵詞】HSPA+ R7 MIMO 高階調(diào)制 CPC 終端射頻一致性測試

1 引言

HSDPA和HSUPA分別在下行與上行方向?qū)MTS進行了優(yōu)化,兩者統(tǒng)稱為HSPA。當(dāng)前全球UMTS網(wǎng)絡(luò)已廣泛升級至HSPA,以提升數(shù)據(jù)速率和系統(tǒng)容量。從3GPP R7標準版本開始,HSPA又引入了新內(nèi)容,稱為HSPA+。研究表明,HSPA+可在多方面進一步提升UMTS系統(tǒng)的性能。

3GPP在R7 HSPA+引入的主要特性有:

◆下行MIMO;

◆高階調(diào)制——行16QAM,下行64QAM;

◆連續(xù)分組連接(CPC);

◆改進的層2以支持高速下行數(shù)據(jù)速率;

◆下行增強CELL_FACH狀態(tài);

◆增強碎形DPCH信道(F-DPCH)。

本文將重點研究前三種物理層技術(shù),并介紹HSPA+對終端射頻一致性測試的影響。

2HSPA+ R7物理層關(guān)鍵技術(shù)

2.1 下行MIMO技術(shù)

從GSM為消除多徑效應(yīng)引起的碼間串?dāng)_采用的自適應(yīng)均衡,到CDMA利用多徑效應(yīng)采用的RAKE接收機,一直以來業(yè)界從未停止無線信道空間特性對傳輸技術(shù)影響的研究。最新研究熱點是MIMO技術(shù)。

MIMO被廣泛用于指代多天線技術(shù),即在信號的發(fā)射端和接收端使用多天線。研究表明,MIMO可以引入不同類型的性能增益,顯著提升數(shù)據(jù)速率,進一步挖掘信道資源。一方面,MIMO引入的空間分集帶來的分集增益,可在遠距離傳輸或惡劣的信道條件下顯著改善接收信號質(zhì)量;另一方面,MIMO引入的空間復(fù)用可以在近距離傳輸或理想信道條件下提升數(shù)據(jù)速率與無線鏈路信道容量,大大提高頻譜利用率。圖1為空間分集(發(fā)射分集、接收分集)、空間復(fù)用與MIMO的示意圖。

圖1空間分集、空間復(fù)用與MIMO示意圖

HSPA+ R7在下行鏈路引入了MIMO,終端理論上可支持高達28Mbps的下行速率。

對于MIMO技術(shù)的引入,3GPP經(jīng)歷了長時間的討論,進行了大量的研究,評估了多種方案,最終在R7標準中達成一致意見,將R99版本中的閉環(huán)空時發(fā)射分集TxAA(Transmit Antenna Array)演進成為MIMO——D-TxAA(Double Transmit Antenna Array),并且僅支持HS-DSCH。當(dāng)無線信道質(zhì)量惡劣到無法支持MIMO時,D-TxAA可回退到傳統(tǒng)的TxAA。UMTS空間技術(shù)演進路線如圖2所示:

圖2 UMTS空間技術(shù)演進路線圖

MIMO的引入為終端提出了新要求。標準要求終端應(yīng)可以對每個發(fā)射天線單獨進行信道估計,并且除上報反映無線信道質(zhì)量的信道質(zhì)量指示(CQI)外,還應(yīng)發(fā)送預(yù)編碼控制信息(PCI)以協(xié)助基站進行調(diào)制方式、編碼方式以及預(yù)編碼權(quán)重的選擇。PCI、CQI和HARQ-ACK(ACK、NACK)應(yīng)分別獨立進行信道編碼。標準在下行方向定義了新的TYPE 3類型HS-SCCH,基站使用此傳輸信道將預(yù)編碼權(quán)重、發(fā)送數(shù)據(jù)塊個數(shù)、冗余星座版本等信息發(fā)送給終端。同時,在上行方向也修改了HSDPA的上行控制信道HS-DPCCH。

圖3 下行MIMO方案——D-TxAA框圖

2.2 高階調(diào)制技術(shù)

3GPP R7 HSPA+在下行方向引入了64QAM調(diào)制,在上行方向引入了16QAM調(diào)制。

(1)下行64QAM

UMTS FDD基本下行調(diào)制方式為QPSK,R5 HSDPA引入了下行16QAM。在R7 HSPA+中通過對HS-DSCH使用64QAM,理論上可以實現(xiàn)約21.1Mbps的下行峰值速率。

較之低階調(diào)制,高階調(diào)制雖可以提升數(shù)據(jù)速率,但也同時降低了傳輸?shù)目煽啃?使得信號對干擾更加敏感,因此64QAM主要應(yīng)用于信道條件較好(例如高信噪比)的場景。

發(fā)射機的信號質(zhì)量用矢量幅度誤差EVM表征。64QAM對于發(fā)射機失真更加敏感,因此需要進一步降低基站發(fā)射機的EVM。在標準中,當(dāng)下行僅使用QPSK時,EVM的要求不超過17.5%;當(dāng)使用16QAM時,新增EVM的要求不超過12.5%;使用64QAM時的EVM指標還處于研究階段。鏈路級仿真表明,下行64QAM在EVM大于7.5%時將對網(wǎng)絡(luò)吞吐量帶來可觀的降低影響。但即使64QAM的EVM維持在12.5%,比之HSDPA,64QAM仍然可以帶來約30%的下行吞吐量增益。

(2)上行16QAM

UMTS FDD上行基本調(diào)制方式為BPSK,在R7 HSPA+中,通過對E-DCH使用16QAM,理論上可以實現(xiàn)約11.5Mbps的上行峰值速率。

由于

功率回退=理論最大發(fā)射功率-實際允許最大發(fā)射功率,

比之BPSK,16QAM的引用增加了信號的峰均比,因此要求終端功放工作于更高的功率回退點,這將降低功放的效率。

立方量CM(Cubic Metric)是為表征滿足終端發(fā)射機信號失真所要求的功率回退而在技術(shù)要求25.101中新引入的度量指標。研究表明,相比于傳統(tǒng)的PAR,CM更能準確衡量功放的非線性指標。CM的定義如下:

CM=CEIL{[20lg((v_norm)3)rms)-20lg((v_norm_ref3)rms)]/k,0.5}

式中:

v_norm是輸入信號的歸一化電壓波形;

v_norm_ref是參考信號(12.2kbps AMR語音)的歸一化電壓波形,且20lg((v_norm_ref3)rms)=1.52dB;

CEIL{x,0.5}代表向上取整到最近的0.5dB;

當(dāng)信號所有信道化碼符合準則CSF,N,且N

高CM值代表高功率回退值,HSPA+由于采用了上行16QAM,因此立方量值不可避免將會增大。然而仿真表明,當(dāng)配置一個上行HS-DPCCH時,即使在最差功率配置條件下,CM也將小于3.5dB,此時仍能夠滿足標準對CM的要求。標準對終端最大發(fā)射功率的要求由CM與最大功率降低量(MPR)給出,詳見表1:

在終端信號質(zhì)量方面,對于傳統(tǒng)上行BPSK,標準要求終端發(fā)射機EVM不超過17.5%。當(dāng)使用16QAM時,要求EVM不超過14%;如果同時終端發(fā)射平均功率大于-30dBm,則相對載波泄漏比(RCLR)應(yīng)小于-17dB。另外,標準對相對碼域誤差指標要求也進行了修訂。

2.3 連續(xù)分組連接CPC

HSPA+在R7中引入的連續(xù)分組連接CPC使用戶以最小的資源開銷長期保持在CELL_DCH RRC連接狀態(tài),從而避免頻繁接入鏈路重建造成的信令負擔(dān)并減小從停止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧せ顮顟B(tài)的時延,尤其適用于VoIP與Web等“Always On”業(yè)務(wù)。

CPC技術(shù)包含兩個主要特性:UE不連續(xù)發(fā)射DTX/不連續(xù)接收DRX與HS-SCCH-less運行。

3GPP R6及以前的終端規(guī)定,當(dāng)處于CELL_DCH狀態(tài)時即使無用戶數(shù)據(jù)發(fā)送也必須保持上行控制信道的連續(xù)發(fā)射。不連續(xù)發(fā)射(DTX)使UE可以在上行鏈路無信息發(fā)送時,關(guān)閉上行DPCCH或HS-DPCCH的發(fā)射,只維持同步與控制功率等最低發(fā)射要求,以降低小區(qū)的整體上行鏈路噪聲。相應(yīng)地,不連續(xù)接收(DRX)使UE在下行鏈路不需接收信息時,可以暫時關(guān)閉接收機。在DTX和DRX過程中,UE只需定期監(jiān)測是否從“微眠模式”(micro sleep)中恢復(fù)。圖4為UE DTX的過程示意圖:

圖4CPC中的UE DTX

連續(xù)的下行HS-SCCH發(fā)射將增加小區(qū)整體下行鏈路噪聲,且UE持續(xù)監(jiān)測HS-SCCH還將增加終端耗電。為此,CPC引入了HS-SCCH-less運行。HS-SCCH-less運行可以在低速傳輸?shù)惹闆r下,節(jié)省HS-SCCH發(fā)送,通過終端本身對有限格式組合的盲解調(diào)來減小上下行干擾,提升上下行容量并節(jié)省終端耗電。

仿真表明,在引入CPC后,終端電池使用時間可延長80%,同時VoIP系統(tǒng)容量在上行鏈路將增加40%,在下行鏈路將增加10%。

3 HSPA+ R7終端射頻一致性測試

針對HSPA+,國際一致性認證論壇GCF新增了相應(yīng)的射頻一致性認證測試項。GCF WI-067、WI-069和WI-070分別定義了MIMO、64QAM和CPC的測試用例。預(yù)計隨著芯片及終端的逐步成熟,GCF將加強對HSPA+的一致性測試要求。

4 總結(jié)

UMTS從R7版本開始演進至HSPA+。HSPA+應(yīng)用了MIMO、高階調(diào)制、CPC等最新技術(shù)。相信隨著HSPA+的逐步成熟,無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的平滑升級,支持HSPA+的芯片與終端的不斷問世,以及測試儀表與測試技術(shù)的不斷發(fā)展,HSPA+的應(yīng)用前景會越來越廣闊。

參考文獻

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[6]Global certification forum Device Certification Criteria V3.34.1[S]. 2009.6.★

【作者簡介】

于璐:助理工程師,碩士畢業(yè)于北京郵電大學(xué)?，F(xiàn)任職于工業(yè)和信息化部電信研究院中國泰爾實驗室無線通信部,研究方向:3GPP UMTS移動通信標準研究與終端射頻認證測試。

李軍輝:工程師,碩士畢業(yè)于北京郵電大學(xué)。現(xiàn)任職于工業(yè)和信息化部電信研究院中國泰爾實驗室無線通信部,研究方向:TD-SCDMA、WCDMA等移動通信標準研究與射頻認證測試及系統(tǒng)開發(fā)。

張翔:教授級高級工程師,工業(yè)和信息化部電信研究院中國泰爾實驗室無線通信部主任,中國通信學(xué)會高級會員,研究方向:無線通信、移動通信等。