HSDPA的演進——基于0FDM和MIM0的HSOPA技術

摘要　基于正交頻分復用（OFDM，Orthogonal frequency division multiplexing）和多入多出（MIMO，Multiple Input Multiple Output）的高速OFDM分組接入（HSOPA，High-Speed OFDM Packet Access）是UMTS網(wǎng)絡中高速下行分組接入（HSDPA，High-Speed Downlink Packet Access）的下一步演進技術。通過利用OFDM，MIMO技術，HSOPA可以提高頻譜效率，支持更多的用戶數(shù)目和更高的QoS保證，降低每兆字節(jié)的傳輸成本，從而大大的提高運營商的商業(yè)競爭力。

1、引言

　　在3GPP R5中引入了HSDPA技術，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2Mbit/s，而在R5中HSDPA的理論速率是14.4Mbit/s），因而可以為用戶提供更加豐富多彩的業(yè)務。在HSDPA中它采用了一些新的技術，比如自適應調(diào)制編碼（AMC，Adaptive Modulation Coding）、較短的幀長、多碼子操作、快速物理層HARQ（Hybrid-Automatic Repeat Request）和Node B快速分組調(diào)度等技術。

　　但是隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的不斷發(fā)展，人們對數(shù)據(jù)傳輸速率的要求也越來越高，因此學者們就提出了HSDPA的下一代演進技術：HSOPA技術。與HSDPA相比，HSOPA引入了兩種關鍵技術，一種是MIMO技術，通過空時處理MIMO可以提高系統(tǒng)容量和可靠性；另一種關鍵技術是OFDM，OFDM技術可以大大的提高頻譜效率，它已經(jīng)在WiFi（IEEE802.11）和WiMAX（IEEE802.16）中廣泛使用。與只使用OFDM技術相比，將這兩種技術結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，從HSDPA到HSUPA（High-Speed Uplink 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量的服務：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技術都沒有在標準的公眾蜂窩網(wǎng)上使用過，因此二者的結合是技術上的一種突破。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，用戶的數(shù)據(jù)傳輸速率可以達到40Mbit/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

　　在2005年4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)絡中的OFDM-MIMO技術進行了深入的探討。大家一致認為結合OFDM-MIMO技術。HSOPA可以實現(xiàn)：

　　（1）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2Mbit/s，HSDPA的峰值理論速率也只有14.4Mbit/s，然而通過OFDM-MIMO技術，HSOPA的數(shù)據(jù)傳輸速率可以達到40Mbit/s，可以看出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所能同時支持的用戶數(shù)目可以超過100。

　　（3）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的降低，從而更加具有商業(yè)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ping一個同樣大小的數(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)的結構進行必要的修改，減小用于數(shù)據(jù)處理、傳輸?shù)木W(wǎng)絡節(jié)點的個數(shù)。

　　總之，為了實現(xiàn)上面的目標，在HSOPA技術中，學者們提出了OFDM技術和MIMO技術的結合。對于OFDM技術而言，它易于擴展，可以克服多徑衰落，從而無需復雜的均衡技術。對于MIMO來說，它通過多根收發(fā)天線可以大大提供系統(tǒng)的傳輸容量，從而提高無線頻譜效率。同時，利用空時編碼技術可以明顯的改善數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?

3、HSOPA中的兩種關鍵技術

　　3.1　HSOPA中的OFDM技術

　　在過去幾年中，OFDM已經(jīng)成功的用于各種有線、無線系統(tǒng)中，尤其是在無線局域網(wǎng)方面，人們對OFDM技術有著濃厚的興趣。在目前的許多無線應用中，例如數(shù)字音頻廣播（DAB，Digital Audio Broadcast）、數(shù)字視頻廣播（DVB，Digital Video Broadcast）、WLAN（IEEE802.11a和IEEE802.11g）以及WiMAX（IEEE802.16）都使用了OFDM技術。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。

　　OFDM是一種調(diào)制接入技術，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，從而無需復雜的均衡技術。對于傳統(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其理論性能。對于窄帶信號而言，它必然引起符號間的干擾，從而造成信號的畸變。此時通常需要采用均衡技術才能解決。對于寬帶系統(tǒng)而言，寬待系統(tǒng)可以通過RAKE技術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。無線信道的頻率響應曲線大多是非平坦的，而OFDM技術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：快速反傅立葉變換（IFFT，Inverse Fast Fourier Transform）和快速傅立葉變換（FFT，F(xiàn)ast Fourier Transform）。其調(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，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，Quaternary Phase Shift Keying）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。為了克服多徑衰落所引起的符號間干擾，在符號的末尾要插入保護間隔。在接收側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。當然，OFDM技術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-Average Power Ratio）。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?shù)奶幚?，那?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/放大器/" target="_blank">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。

　　3.2　HSOPA中的MIMO技術

　　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，由于在每個符號的末尾插入了循環(huán)保護間隔所以在一定程度上又降低了傳輸效率。

　　由于MIMO（Multiple Input Multiple Output）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，所以該技術得到了越來越多的關注，其中的一些關鍵技術已經(jīng)被寫入了一些無線通信的標準中。

　　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用（Spatial Multiplexing）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，Bit Error Rate）。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）所要研究的內(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。

　　另一種技術是空間復用機制，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用。該機制的一個著名實例就是BLAST（Bell Labs Space Time）系統(tǒng)。

　　在目前實際的無線應用中，IEEE802.11n中采用了MIMO技術，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)的結合將減小空時處理的復雜度。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的處理復雜度將比傳統(tǒng)的CDMA系統(tǒng)低12倍。

4、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（International Mobile Telecommunication-2000）技術，并且在2008年后便可以使用。一般在建設的初期，由于用戶數(shù)量和負荷都比較少，此時一般考慮將HSOPA和現(xiàn)有的3G系統(tǒng)共載頻，這樣可以重復利用饋線和天線，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)務產(chǎn)生較大的干擾，所以，此時建議HSOPA使用單獨的載頻。

5、結束語

　　將OFDM和MIMO兩種關鍵技術引入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。