TDDHSPA+及其关键技术.doc

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 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 antennas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 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ue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，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，都需要更改一次sn。将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做统一描述的好处是，能用较简单的判断方式来 更公平地更新两个ue天线的信道估计。stand alone midamble有以下几种方案：stand alone midamble与hs-sich使用相同midamble根序列的不同midamble shift。为 便于为stand alone midamble预留“空闲” midamble shift，stand alone midamble配置 在hsupa时隙。stand alone midamble使用与数据解调midamble不同的根序列的midamble shift。 stand alone midamble在两天线交替发送进行ue 2天线到node b各接收天线的信道估计。hsdpa调度时，第n次调度对应的hs-sich在ue天线1发送，第n次调度对应的hs-sich在 ue天线2发送。使用与数据解调midamble相同根序列的hs-sich+ stand alone midamble方案优于使用不同根序列的stand alone midamble在两天线交替发送方案。hs-sich在两天线交替发送的 方案受hsdpa调度间隔的影响。3.2 分组用户的连续连接（cpc）引入cpc的目的是：1)增加长时间处于 cell_dch 状态的非活动的数据用户的数量，而不降级小区的吞吐 量。这样使得重新开始传输数据时，时延降低。2)减少 ue 电量消耗。3)优化 hsdpa/e-dch 来更高效地传输低潜伏期,低速率的如 voip 的业务。 td-scdma hspa+在cpc技术中做出了以下改进：1)去掉伴随专用物理信道在之前的td-scdma hspa中，每个用户都有伴随专用物理信道，用来作为无线链路保持 和下行波束赋形所需的激励信号。但是，伴随专用物理信道占用了宝贵的码道资源，限制 了用户数量，所以td-scdma hspa+ 中不再使用伴随专用物理信道。2)使用特定的midamble作为上行参考信号由于td-scdma hspa+不再使用伴随专用物理信道，可以使用“空闲”midamble资源作 为上行参考信号，提供无线链路保持和下行波束赋形所需的激励信号。这里“空闲”的含 义是：考虑到用户调度的公平性和系统效率最大化的折衷，不会出现很小的资源单位，即 单个时隙中只有部分midamble shift是有效的，部分是空闲的。hspa+中sounding参考信号的使用：sounding参考信号的主要目的就是通过周期性的发 送上行激励信号，满足波束赋形和上行物理信道同步和功控参考的需求。为了实现不占用 用户面的无线资源，这里的sounding参考信号设计将基于空闲的midamble资源来实现。作 为整体框架的考虑，这一设计还可以扩展到用来产生sounding信号。具体的思路是，每一 个hspa+用户都会 获得 一个制 定的 midamble分配，此 分配 方案包 括midmable shift, midamble的重复周期、偏移、时隙等信息，这个分配方案可以有高层通过点对点的信令进 行配置。从信号的时域波形来看，在有sounding参考信号配置的时隙，数据部分和midamble 部分的接收功率将会出现差别。从信号本质上来说，这里建议的sounding信号和dpch没有 本质的区别，只是变成了一个非完全的td-scdma信号。这样在保留伴随dpch的作用的同时， 同时实现了不占资源开销的目的。因此在hspa+系统中可以综合考虑“空闲”midamble的使 用。stand alone midamble进行开环功控对上行信道估计码域带来的rot抬升较小，对系统 性能影响不大，因此建议hspa+中采用stand alone midamble码作为sounding参考信号。3)引入scch-less和agch-less技术hs-scch和e-agch分别是hsdpa和hsupa的物理控制信道。当用户业务的数据块大小和发 送周期较为固定(例如voip业务)时，首传数据块可以使用预定义资源，而不再使用hs-scch 和e-agch调度资源。这样可以减少控制信道的开销，进一步增加系统容量1。4)支持mimo的hs-scch设计鉴于ue的硬件实现与成本损耗问题，td-scdma hsdpa系统最多支持下行链路的双流传 输。而为了支持在hs-dsch上进行双流传输，需要在hs-scch信道上指示接收双流数据所需 的相应控制信令信息，主要包括tbs信息、调制方式信息等传输格式信息和harq相关信息。为了支持mimo双流传输，在hs-scch中需要新增调制信息、tbs信息、rv信息等，并对harq进程标识、新数据指示等信令做修改。为了简化ue对hs-scch信道的接收复杂度，将单流和双流这两种格式hs-scch设计为信令等长。ue对hs-scch做一次检测，通过信令隐式指 示获知数据流个数。hs-scch在单流和双流下的两种格式信令长度可以有多种设计方案，各种信令长度 hs-scch的解调门限和小区覆盖是不同的。当设计单流和双流两种格式hs-scch的信令等长 时，单流hs-scch通过比特填充而导致的解调门限和小区覆盖的恶化均很小，双流hs-scch 在满足调度灵活性的要求下，缩减部分信令。同时，为了保证ue能够通过一次解码hs-scch 即可获知数据流个数，需要将单流和双流两种格式的信令域对齐，尤其是tbs信令。5)支持mimo的hs-sich设计为了支持在hs-dsch上进行双流传输，需要在hs-sich信道上指示接收各数据的相应反 馈控制信令，主要包括ack信息和cqi信息等。在tdd系统中，上行控制物理信道hs-sich负责承载对hs-dsch信道上数据的harq确认信 息（ack/nack）和信道质量指示信息（cqi）。hs-sich信道占用1个上行sf=16的码道。hs-sich 为共享的物理信道，用户之间通过正交序列区分。为了对现有标准改动最小，而且简化ue的开发设计。当hs-sich需要传输mimo双流的反 馈信令时，扩展承载hs-sich的码道资源，即使用一个sf=8的码道。从资源上看，一个sf=8 的码道相当于2个sf=16的虚码道，因此当hs-sich要传输两个数据流的ack/nack信令和cqi 信令时，将每个信令的长度扩为单流时的2倍，同时码道资源也扩为单流时的2倍，不需要 设计新的编码方式，即： ack/nack：11比特，每个数据流的1比特信令使用现有标准的36位重复编码； rtbs：66比特，每个数据流6比特信令使用现有标准的（32，6）一阶rm编码； rmf：11比特，每个数据流的1比特信令使用现有标准的16位重复编码。 根据上面的新hs-sich结构设计看出，不需要引入新的信道编码方式，而是用sf=8的码道承载双流的反馈信令，各信令域的编码方式与现有标准相同。在前面的结构分析中，单 流hs-sich与现有标准相同，占用1个sf=16码道，双流hs-sich占用1个sf=8码道。从性能上 看，在达到相同解调门限时ue需要提高发射功率3db。但这对ue并不会造成发送功率受限的 问题。3.3 更高阶调制 64qamtd-scdma hspa在上、下行使用qpsk和16qam。为进一步提高速率，td-scdma hspa+在 下行引入64qam。通过参考文献中的仿真可以得出以下结论：1)对于awgn信道，包含64qam的调制策略可以达到2.5mb/s的最大速率，而不包含64qam 的调制策略只能达到1.68mb/s的最大速率。当ior与ioc的比值大于等于18db时，包 含64qam的调制策略将会表现出吞吐量增益。2)对于不同的衰落信道，现有的不包含 64qam 的调制策略最大只能得到 1.6mb/s 的吞 吐量，而包含 64qam 的调制策略在 pa3，pb3，va30 的信道下，分别可以达到 2.5mb/s，2.3mb/s，2.0mb/s 的最大吞吐量。衰落信道色散越厉害，接收机得到的 snr 会越 差，进而导致吞吐量的性能呈现明显下降。然而，即使在高色散的 va30 信道下， 包含 64qam 的调制策略仍能带来 25%的吞吐量增益。3)在室内微小区的场景中，因为ue收到的snr比较高，所以利用64qam的机会更多，进 而使小区吞吐量得到显著提高。在户外场景中，64qam不能带来小区吞吐量的显著增益。另外，通过抑制来自临小区的干扰功率，可以提高64qam带来的小区吞吐量的增益。3.4 层 2 增强层1新技术的引入极大地提高了下行的峰值速率，但是hsdpa在rlc层的峰值速率的确要 受限于rlcpdu的大小、rtt以及rlc窗尺寸。当前的320bit和640bit两种大小的rlcpdu并不 能满足引入mimo和64qam后的下行hsdpa的要求。此外，新技术的引入，使rlc层协议也不能 满足需求。因此层二技术的主要改动如下：1)通过引入可变大小的rlc pdu模式、mac-hs的复用和mac-hs的分割增加对高速数据 链路层的支持；2)提供2套协议格式，保证新旧系统的平滑演进；3)增加mac-d复用及rlc级联；4)支持mac分段；5)在一个pdu中支持多个逻辑信道的复用；6)保证向后兼容性。3.5 增强 cell_fach 状态增强cell_fach状态技术主要针对速率较低、在线时间长的业务(例如“永远在线业 务”)进行优化。其目的是：降低终端功耗，提高系统容量和增加支持的用户数。增强 cell_fach状态技术主要包括了以下改进：1)在cell_fach状态和cell_pch状态下支持hsdpa和hsupa技术以提高峰值速率；2)通过提高数据速率，减小cell_fach、cell_pch和ura_pch状态下的信道用户平面和 控制平面时延；3)减小cell_fach、cell_pch和ura_pch状态到cell_dch状态的转换时延；4)通过不连续传输来减小cell_fach状态下的ue功率消耗。 当研究cell_fach状态的增强技术时，以下项需要考虑：1)在cell_fach中使用hsdpa。rel-5中的hsdpa过程可以考虑进来，包括比如快衰反馈 机制等。2)由于在rel-7的1.28mcps tdd中，引进了多载波，研究应该基于多频的体系。比如 e-cell_fach中的hs-dsch应该如何在辅助频点上建立，以提高系统容量和峰值速 率。3)应该考虑提高上行传输，比如上行随机接入资源可以考虑在辅助频点上建立。4td-scdma hspa+的标准进展td-scdma hspa+在2007年9月成立了si(study item)来进行可行性研究，之后对其中各 个技术点，成立了wi(work item)来进行进一步的研究和标准化工作，详见表2。表 2 td-scdma hspa+各个 wi 标准进展tab.2 the process of work item in td-scdma hspa+mimocpc64qaml2增强增强cell_fack立项时间2008年6月2008年3月2007年12月和fdd在一个wi中完成2007年12月完成时间2008年12月2008年12月2008年9月2008年9月从表2可以看出，td-scdma hspa+整体在2008年底基本完成标准化工作，从时间上能够保证td-scdma的平滑演进1。5结束语对于td-scdma的未来演进，业界逐渐认同这样的四阶段演进论：第一阶段，实施hspa 网络部署；第二阶段，hspa软件升级到hspa+；第三阶段，利用lte tdd进行热点覆盖，而 用hspa+进行广覆盖；第四阶段，实现lte全网络部署。可以说，业界普遍的观点是，在较 长一段时间内，lte tdd将与lcr td-scdma共存并共同发展，lte的商用至少要等到2010年 之后才能实现，因此从现在到lte商用的这段时间内，hspa+将能有效满足营运