TDD HSPA+及其关键技术.doc
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1、精品论文TDD HSPA+及其关键技术李艳东 1,马文敏 2,唐雄燕 11 北京邮电大学电信工程学院,北京 (100876)2 河北工业大学信息工程学院,天津 (300401)E-mail:摘 要:为了进一步改进和增强现有 3G 技术,3GPP 提出了新的演进方案 HSPA。HSPA 技术包括 HSDPA 和 HSUPA,两者相结合构成了完整的 3.5G 系统。HSPA+是在 HSPA 基础上的演进。 在关键技术上,它保留了 HSPA 的特征,它向下完全兼容 HSPA 技术,但为了支持更高的速率 和更丰富的业务,HSPA+也引入了更多的新技术:MIMO 技术、分组数据的连续传输、下行64QAM
2、 高阶调制、上行 16QAM 高阶调制、增强的 CELL_FACH、层二增强等。本文根据 3GPP 相关提案,给出了 TDD HSPA+物理层的介绍及当前研究热点。关键词:长期演进计划 增强型高速分组接入 多输入多输出 扩频通信中图分类号:TD65+5.31引言为了增强对于数据业务的支持,TD-SCDMA在3GPPRel5和Rel7中分别引入了HSDPA(高 速下行分组接入)技术和HSUPA( 高速上行分组接入)技术(合称HSPA)。而TD-SCDMA 在3GPPRel8中启动了一个新的研究项目HSPA+,对HSPA进行了进一步的演进和增强。本文介 绍了TD-SCDMA HSPA+的目标、关键
3、技术和标准进展1。2TD-SCDMA HSPA+的目标HSPA+ 的性能目标如下:HSPA+能够在频谱、峰值速率、时延方面进行顺利的演进, 并且在5MHz内达到与LTE一样的性能;HSPA+能推动LTE 相关技术的发展,并提供一个能 向LTE平滑演进的路径,还要尽可能实现与LTE 共享资源;HSPA+是基于分组交换的网络, 只使用一些高速信道;HSPA+应该兼容R99和HSPA的终端;网络升级成本低,只需要通过 对现有的3G网络进行简单的升级便可达到HSPA+的功能2。3TD-SCDMA HSPA+的关键技术3.1 MIMO 技术智能天线和MIMO是多天线系统的两个不同分支。智能天线利用信道的
4、相关性以达到波 束赋形的目的,能提高系统覆盖;而MIMO技术则利用信道的独立性以达到多数据流并行传 输的目的,能提高系统的容量。如果将智能天线与MIMO技术相结合,系统能同时获得空间 分集和空间复用增益。这种新的天馈系统不但能提供智能天线所带来的覆盖增益,还能通过 MIMO技术获得M(M为发送端或接收端的最小天线数)倍的容量增益。按照复用方法的不同, TD-SCDMA HSPA+中的智能天线系统可以采用以下两种MIMO演进方案:智能天线分组拉 远,双极化智能天线分组复用,如图1所示1。- 2 -图1 与智能天线的MIMO方案Fig1 MIMO combined with Smart Anten
5、nas下面介绍TD-SCDMA HSPA+的MIMO技术中采用的一些方案。1)PSRC方案z八天线情况:Spreading Code 1Highspeed D data E stream MU XCodingInterleaving . MappingCodingInterleavingMapping .Spreading Code 2.Spreading Code C图2 两天线的PSRC框图Antenna 1ScramblingCodeAntenna TScramblingCodeFig2 Example of two-antenna PSRC structurez八天线情况:这种方案通常
6、是TDD系统中,Node B处有8个或者6个天线,利用上行信道的互易信息 来进行下行的波束赋形。可选 1.通常的波束赋形方案,即只有一个流和一个波束赋形数据传输。与非MIMO的区别是, UE有两个或多个天线,可以达到接收分集增益。波束可以通过EBB来分解信道矩阵的相关 性并选择对应于最大特征值的特征向量来得到。精品论文可选 2.图3 带有基于EBB的波束赋行的单流传输Fig3 Single stream transmission with beamforming based on EBB把Node B的八根天线作为一个整体。根据上行信道来形成两个波束,分别对应一个数 据流。波束流是根据信道相关
7、矩阵的特征值分解或者信道矩阵的SVD分解得到的。通过信道 相关矩阵的最大的两个特征值对应的特征向量,可以进而得到波束。图4 带有基于特征值分解的波束赋行的双流传输Fig4 Double-stream transmission with beamforming based on eigenvalue decomposition可选 3.把Node B的多根天线分为2个天线组。每个组可以形成一个波束。这样,总共有两个波 束,各对应一个数据流,形成数据复用。并且,每个数据流在被波束赋形前可以先进行预编 码。至于如何划分不同的天线到天线组的问题,跟部署环境和天线配置有关。图5 带有基于天线组的波束赋行
8、的双流传输Fig5 Double-stream transmission with beamforming based on antenna groups- 3 -在有些情况下,信道的相关性随着时间而变化。可选1和可选2的协作可以产生更好的吞吐量性能。分解和复用的切换点取决于信道的相关性。2)D-TxAA方案Fig5 Double-stream transmission with beamforming based on antenna groups在有些情况下,信道的相关性随着时间而变化。可选1和可选2的协作可以产生更好的吞 吐量性能。分解和复用的切换点取决于信道的相关性。2)D-TxAA方
9、案图6 D-TxAA的信号处理过程Fig6 The process of D-TxAAHSPA+可以在下行信道中采用了22 的MIMO系统,即基站和UE都设置了双天线。理论上, HSPA+中MIMO 系统的下行峰值速率可达最大28Mb/s。但HSPA+没有在上行信道中支持MIMO,D-TxAA也只适用于HS-DSCH(高速下行共享信道)。D-TxAA 对信号的处理过程如图6 所示。图 中有两个独立的数据块,它们在具有相同信道化码的无线信道上同时传送。每个传输块被分开处理和进行信道编码。在扩频和加扰之后,用基于加权因子的预编码优化信号传输,这里- 10 -有W1 W4四个预编码权值。第一个数据流
10、乘以W1 和W2 ,第二个数据流乘以W3 和W4 。权值可以通过以下方法得到:W1 =W3 = 1/ 2 ,W4 =-W22W 1 + i , 1 i , 1 + i , 1 i2222需要注意,W1 总是固定的,只有W2 才能被基站选择,而W3 和W4 是自动根据W1和W2来获取。基站会根据UE上行信道的报告来选取最适合的加权因子。在乘以加权因子以后,两 个数据流会在每个天线上传输之前合并。两个不同的传输块将根据信道条件和传输速率的需 要选择不同的调制编码方案(MCS)。为了使UE 能够通过各个天线来分别估计信道,传输天线必须传输不同的导频信号。其 中一个天线传输P-CPICH(主公共导频信
11、道)的天线1调制方式,另一个天线传输P-CPICH的 天线2调制方式或S-CPICH的天线1调制方式。为了使接收端(UE)也知道传输所用的预编码 权值,基站信号的预编码权值W2 需要通过HS-SCCH(高速共享控制信道)告诉UE。D-TxAA 要求从UE 反馈一个信号来帮助基站选择MCS和预编码权值,所以UE 要为传输块1确定预编码矢量,这种反馈叫做PCI(预编码控制信息)。同时,为了解决传输两路数据流时码的重复使 用所带来的干扰问题,HSPA+也对CQI作了修改。UE会通过HS-DPCCH上的CQI字段来传输 PCI/CQI复合信息,然后根据该信息,基站可以选择是否在当前信道状况下使用双数据
12、流,以及传输块大小和调制方式。如果是双数据流,那么第二个预编码矢量会包含基站所选取的W3 和W4 两个权值。因为它们必须与含W1 和W2 的第一个预编码矢量正交3)MIMO信道估计码的分配方案3。准确的信道估计是MIMO数据正确解调的前提,为此采用PSRC的每个MIMO数据流需要伴 随传输的单独的信道估计码,在TD-SCDMA中使用Midamble作为信道估计码。下面是鼎桥公 司的一种MIMO信道估计码的分配方法:假设虚拟天线端口数为n,每虚拟天线端口各有16 个Walsh 码,根据高层配置的K值,得到以L128/nK为偏移量的nK个Midamble shift m1,m2, ,mnK 。其中
13、m1,m1+n, Lm1+(K-1)n分配给第一个天线端口,m2,m2+n, ,m2+(K-1)n 分配给第二个天线端口,以此类推,mn,mn+n, ,mn+(K-1)n分配给第n个天线端口。虚 拟天线端口数为2,K=4 时的Midamble shift分配如表1 所示。表 1 虚拟天线端口数为 2,k=4 时的 Midamble shift 分配Tab.1the allocation of Midamble shif, when the number of viturl antenna ports is 2 or 4虚拟天线端口1虚拟天线端口2M1M3M5M7M2M4M6M8C1 C2C5
14、C6C9 C12C13 C16C1 C14C5 C8C9 C12C13 C16HSPA+ 上行除辅助解调的Midamble(集合1)外,再加部分单独发送的Midamble(集合2)做Sounding RS进行周期性上报,以便Node B及时更新UE的CQI和波束赋形权值。被调度 UE同时发送数据和Midamlbe域,未被调度UE仅发Midamble域。上行Stand alone midamble 采用以下配置方式实现:辅助解调的Midamble(集合1)和单独发送的Midamble(集合2)使用相同基本Midamble的不同shift。每个UE的midamble功率相等。z集合1:2UE,每U
15、E分配1个SF2码和1个Midamble shift,分别为(m1,m5);使用的基本Midamble ID为0, 窗长取 128 / 8 。z集合2 :4UE ,每UE 分配1 个Midamble shift( 从剩余6 个 shift 中取4 个,分别为(m2,m4,m6,m8),使用的基本Midamble ID为0, 窗长取 128 / 8 。4)MIMO模式下码道盲检方式由于非MIMO模式与MIMO模式下Mid-amble码的分配方式是不一致的,所以用户终端仅仅 根据接收到的Mid-amble码无法准确的获取所使用扩频码字信息,会造成接收端解调错误。 本小区可以采用发送同时隙用户类型标
16、识信息,或是制定同时隙用户分配原则使得终端可 以准确的获取相同时隙用户类型信息即所采用的Mid-amble码的分配方式,从而得到用户的 扩频码字信息,进行正确地解调。但是邻小区用户仅仅是根据信道估计得到的Mid-amble 码,获取用户采用的扩频码字信息,由于采用MIMO技术后,Mid-amble码与扩频码字的对应 关系不再是唯一的,所以无法根据原来的方式获取正确的用户相关信息。终端采用码道盲 检的方式获取用户相关扩频码字信息的方案,可以使终端获得相同时隙邻小区其他用户类 型,从而保证终端的正确解调,避免邻小区MIMO用户对于本小区用户的干扰。MIMO用户双 流时采用SF1的配置时,具体的算法
17、流程:用户根据信道估计检测邻小区用户激活情况;若存在同时激活 m1 和 m2 窗则进行码道的盲检,检测为两种码道配置的哪种配置情况,若 没有同时激活 m1 和 m2 窗,则无需进行码道的盲检。5)单/双流选择方案FDD 中的MIMO 在每个天线上发送一个公共信道估计码,UE 通过各天线上的公共信道 估计码进行22 信道测量,来进行单/双流的选择。对于使用智能天线的TDD系统,由于 NodeB端天线数目较大(6或8根),NodeB不可能在每个天线上发送一个公共信道估计码,因 此也就无法像FDD那样通过公共信道估计码在UE端进行单/双流的选择。但由于上下行干扰 的不对称,利用上行信道估计信息进行下
18、行单/双流选择不如UE直接根据下行信道信息进行 下行MIMO单/双流选择准确。6)支持MIMO的上行信道估计方法考虑到UE的硬件实现与成本损耗等问题,目前T DD HSPA+系统的MIMO方案中UE最多可 支持下行链路的双天线接收,上行链路的单天线发射。对于MIMO中的一些技术,比如基于 SVD的Precoding,需要在Node B获得完整的信道矩阵H,即通过上行信道估计获得UE端2天 线与Node B端各天线的链路信道衰落。使用HSPA的上行物理信道实现UE端2天线的上行信道估计,是UE的多天线时域切换交替 发送上行物理信道,并不引入新的信道形式,而是利用现有的HSDPA与HSUPA的上行
19、物理信 道。从而在保证UE上行单天线发送时Node B获得上行完整信道矩阵,并且尽量少的改动现 有标准。高层通过RRC信令通知UE进入MIMO工作模式之后,在通信过程中,UE根据网络侧的 资源分配情况,判断为自身分配的资源是在一个TTI内只有一个上行时隙,还是在一个TTI 内有多个上行时隙:当上行TTI内有多时隙时,UE两天线在时隙间交替发送上行信道;当上 行TTI内有单时隙时,UE两天线在TTI间交替发送上行信道。把TTI内多时隙间UE两天线交替发送和多个单时隙TTI间的UE两天线交替发送相结合, 统一描述如下:设网络侧为UE分配的资源TTI编号参数为SN,当使用HCSN或ECSN等信令时,
20、根据这些信 令取值的奇偶性,来决定SN取0还是1。比如信令取值为奇数,则令SN=1,信令取值为偶数, 则令SN=0。设网络侧分配给UE的资源有多个TTI,而且可能是每个TTI内有多个上行时隙(这 些时隙可以是连续的,也可以是不连续的)。将每个TTI内为UE分配的上行时隙进行由小到大的排序,编号为1、2、N,分别对 应着分配给该UE的上行时隙TSup1,TSup2,TSupN。那么在某个TTI编号为i的上行时 隙TSupi内,所用的UE天线标号为if (iSN)mod 2 1,then 使用UE的Tx1 if (iSN)mod 2 0,then 使用UE的Tx2 对每个分配给UE的TTI,都需要
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