ＨＳＰＡ＋Ｒ７物理層關鍵技術研究

于　璐　李軍輝　趙慧麟　張　翔

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

【關鍵詞】HSPA+ R7 MIMO 高階調制 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對UMTS進行了優化,兩者統稱為HSPA。當前全球UMTS網絡已廣泛升級至HSPA,以提升數據速率和系統容量。從3GPP R7標準版本開始,HSPA又引入了新內容,稱為HSPA+。研究表明,HSPA+可在多方面進一步提升UMTS系統的性能。

3GPP在R7 HSPA+引入的主要特性有:

◆下行MIMO;

◆高階調制——行16QAM,下行64QAM;

◆連續分組連接(CPC);

◆改進的層2以支持高速下行數據速率;

◆下行增強CELL_FACH狀態;

◆增強碎形DPCH信道(F-DPCH)。

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

2HSPA+ R7物理層關鍵技術

2.1 下行MIMO技術

從GSM為消除多徑效應引起的碼間串擾采用的自適應均衡,到CDMA利用多徑效應采用的RAKE接收機,一直以來業界從未停止無線信道空間特性對傳輸技術影響的研究。最新研究熱點是MIMO技術。

MIMO被廣泛用于指代多天線技術,即在信號的發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,顯著提升數據速率,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量;另一方面,MIMO引入的空間復用可以在近距離傳輸或理想信道條件下提升數據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(發射分集、接收分集)、空間復用與MIMO的示意圖。

圖1空間分集、空間復用與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技術的引入,3GPP經歷了長時間的討論,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版本中的閉環空時發射分集TxAA(Transmit Antenna Array)演進成為MIMO——D-TxAA(Double Transmit Antenna Array),并且僅支持HS-DSCH。當無線信道質量惡劣到無法支持MIMO時,D-TxAA可回退到傳統的TxAA。UMTS空間技術演進路線如圖2所示:

圖2 UMTS空間技術演進路線圖

MIMO的引入為終端提出了新要求。標準要求終端應可以對每個發射天線單獨進行信道估計,并且除上報反映無線信道質量的信道質量指示(CQI)外,還應發送預編碼控制信息(PCI)以協助基站進行調制方式、編碼方式以及預編碼權重的選擇。PCI、CQI和HARQ-ACK(ACK、NACK)應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編碼權重、發送數據塊個數、冗余星座版本等信息發送給終端。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 高階調制技術

3GPP R7 HSPA+在下行方向引入了64QAM調制,在上行方向引入了16QAM調制。

(1)下行64QAM

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

較之低階調制,高階調制雖可以提升數據速率,但也同時降低了傳輸的可靠性,使得信號對干擾更加敏感,因此64QAM主要應用于信道條件較好(例如高信噪比)的場景。

發射機的信號質量用矢量幅度誤差EVM表征。64QAM對于發射機失真更加敏感,因此需要進一步降低基站發射機的EVM。在標準中,當下行僅使用QPSK時,EVM的要求不超過17.5%;當使用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%時將對網絡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上行基本調制方式為BPSK,在R7 HSPA+中,通過對E-DCH使用16QAM,理論上可以實現約11.5Mbps的上行峰值速率。

由于

功率回退=理論最大發射功率-實際允許最大發射功率,

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射機信號失真所要求的功率回退而在技術要求25.101中新引入的度量指標。研究表明,相比于傳統的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:

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

2.3 連續分組連接CPC

HSPA+在R7中引入的連續分組連接CPC使用戶以最小的資源開銷長期保持在CELL_DCH RRC連接狀態,從而避免頻繁接入鏈路重建造成的信令負擔并減小從停止狀態轉變為激活狀態的時延,尤其適用于VoIP與Web等“Always On”業務。

CPC技術包含兩個主要特性:UE不連續發射DTX/不連續接收DRX與HS-SCCH-less運行。

3GPP R6及以前的終端規定,當處于CELL_DCH狀態時即使無用戶數據發送也必須保持上行控制信道的連續發射。不連續發射(DTX)使UE可以在上行鏈路無信息發送時,關閉上行DPCCH或HS-DPCCH的發射,只維持同步與控制功率等最低發射要求,以降低小區的整體上行鏈路噪聲。相應地,不連續接收(DRX)使UE在下行鏈路不需接收信息時,可以暫時關閉接收機。在DTX和DRX過程中,UE只需定期監測是否從“微眠模式”(micro sleep)中恢復。圖4為UE DTX的過程示意圖:

圖4CPC中的UE DTX

連續的下行HS-SCCH發射將增加小區整體下行鏈路噪聲,且UE持續監測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等情況下,節省HS-SCCH發送,通過終端本身對有限格式組合的盲解調來減小上下行干擾,提升上下行容量并節省終端耗電。

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

UMTS從R7版本開始演進至HSPA+。HSPA+應用了MIMO、高階調制、CPC等最新技術。相信隨著HSPA+的逐步成熟,無線網絡設備的平滑升級,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的不斷發展,HSPA+的應用前景會越來越廣闊。

參考文獻

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【作者簡介】

于璐:助理工程師,碩士畢業于北京郵電大學。現任職于工業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,碩士畢業于北京郵電大學。現任職于工業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開發。

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