HSPA演进中MIMO技术的应用.doc

HSPA演进中MIMO技术的应用 马敏 南京信息职业技术学院摘要：为了实现蜂窝系统中提供高速率业务的同时较低时延的需求，HSPA在WCDMA的基础上引进了几个基本技术，MIMO技术就是其中之一。本文介绍了MIMO 在HSPA中的具体应用，包括HSDPA-MIMO数据传输、速率控制以及HSDPA-MIMO中的控制信息。关键词：HSPA; MIMO; HSDPA-MIMO引言WCDMA无线接入技术演进的第一步就是在3GPP/WCDMA规范的R5版本中引入了HSDPA，R6中定义的HSPA是WCDMA分组数据业务的增强版本，其功能在R7版本中又得到进一步的增强。MIMO是R7版本中主要的新特征之一，它提供多个流的传输增加数据的峰值速率。MIMO是指在发射端和接收端使用多根天线，从而获得分集增益，进而增加接收端的载干比。HSDPA-MIMO采用双流传输自适应阵列（D-TxAA）模式，使用秩自适应和预编码的多码本方案。1 HSDPA-MIMO数据传输为了支持双流传输，支持每TTI两个传输快的传输，HSDPA-MIMO为多码本设计，并在UE端需要连续干扰抵消接收机。其中双流MIMO中的调制、扩频和预编码如图1所示。图1 双流MIMO中的调制、扩频与编码每个流单独扩频后的信号可视为一个虚拟天线上的信号。这些信号映射到物理天线之前需要经过线性与编码处理。对于每个流，预编码码本是一对加权值。wij是第i个流映射到天线j之前的复加权值。 （1）双流传输模式下，预编码能够帮助接收端分离两个流。如果用于第二个流的加权值是接收端协方差矩阵的（正交）特征向量，那么两个流在发射端将互补影响。因此，一旦第一个流的加权值确定，第二个流的加权值，则需要保证预编码加权矩阵列正交。 （2）有4个不同的值，因此预编码矩阵W有4个不同的值。预编码矩阵在一个子帧内是不变的。加权值的设置是由NodeB决定的。为了解调数据，UE需要估计基站端虚拟天线和每个UE物理天线之间的信道。因此总共需要估计4个信道。一种可行的方式是每条虚拟信道上传输一个公共导频信号，但是由于UE会顾及主天线上传输的主公共导频信号，与其兼容性不好。因此，公共导频信道采用与发送分集同样的传输方式。在每根物理天线上，传输一个公共导频信道。每根天线上传主公共导频信道，其信道化码或者扰码在每根天线上是一样的。或者在一根天线上传主公共导频信道，另一根天线上传辅公共导频信道。主公共导频信道在两根天线上传输的情况下，不同的公共导频信号之间应当是相互正交的。这两种设计都能保证UE能够估计每一个物理传输天线与每一根接收天线之间的信道。2 HSDPA-MIMO的速率控制多流传输中每个流的速率控制与单个流相似。由于速率控制机制也需要决定传输流的 个数和预编码矩阵，因此，每个TTI期间，速率控制机制决定传输流的个数、每个流上传输块的大小、调制方式和预编码矩阵。与非MIMO模式相似，这些信息都通过HS-SCCH提供给。多流传输模式下，通过调度器控制两个传输块的大小，单独控制两个流的数据速率。多流传输需要相对较高的载干比，能够提供高数据速率。对于较低的数据速率，可以应用单流传输。在单流传输模式下，两根物力天线用作分集传输，仅有一条虚拟天线携带用户信息。与R6相似，速率控制机制基于UE反馈的瞬时信道质量。双流传输模式下，需要知道每个流上所支持的数据速率的相关信息。由于odeB调度器自由地选择发送给UE的数据流个数，单流传输模式下支持的数据速率也需要了解。因此CQI需要包括这两种模式，同时也需要包括预编码矩阵。3 HSDPA-MIMO中的控制信息为了支持MIMO，带外控制信息作出了相应的调整。由于引进MIMO并没有对排序和序列优先选择器产生影响，所以MAC-hs投中的带内控制信息不需要改变。但是为了有效地支持MIMO提供的高速率数据传输，MAC层、RLC层需要重新灵活划分。下行链路带外控制信息在HS-SCCH上传输。在UE支持MIMO的情况下，HS-SCCH采用不同格式以支持额外的信息需求，如图2所示（图中加粗字体的信息是相对R5的添加部分）。将HS-SCCH划分为两部分。第1部分第2部分信道化编码 UE ID调制方式 传输数据块尺寸数据流数量 HARQ信息预编码矩阵 传输数据块尺寸，数据流2 HARQ信息，数据流2图2 MIMO支持的HS-SCCH信息第1部分包括传输给UE流的个数（1或者2）、各自的调制方式、以及NodeB传输所采用的4个预编码矩阵。HS-SCCH的第2部分，其格式取决于传输流的个数。用于指示两个流的HARQ和传输块集大小的信息在这部分传输。在MIMO模式下，HS-SCCH的比特数有些许增加，但HS-SCCH扩频因子保持128不变。额外的比特信息需要通过调整两部分的速率匹配进而添加到物理信道中。最后，针对一个UE进行连续传输是子帧间必须采用相同HS-SCCH的限制，不适用于所有R8终端，从而可为调度器提供最大灵活性。上行链路带外控制信息包括ACK/NAK、PCI和CQI，在HS-DPCCH上传输。在单流模式下，仅有一个ACK/NAK需要传输，其格式与R5相同。在双流传输模式下，两个ACK/NAK联合编码程10比特，在HS-DPCCH的同一个时隙上传输。预编码控制信息（PCI）包括2比特，指示4个预编码矩阵中哪个最合适当前UE端的信道。信道质量指示符（CQI）指示应用所推荐的PCI传输的情况下，UE端所推荐的数据速率。单流和双流CQI报告都是有用的，由于不能从双流报告中直接推断单流传输质量，因此定义了报告模式A（PCI和推荐流数及每个流上的CQI，其中CQI是8比特）和报告模式B（单流传输的PCI和CQI，其中CQI是5比特）两种CQI报告模式。与非MIMO模式相似，PCI/CQI在HS-DPCCH上的两个时隙内传输。为了适应不同的传输环境，M个PCI/CQI报告中前N个是模式A报告，余下的（M-N）个是模式B报告。N/M由RRC配置的。4结论由于UE终端的能力不同，并不强制所有UE都支持MIMO。由于多流传输主要的目的是增加所支持的峰值速率，所以MIMO主要应用于高端UE。只有接收15信道化编码的UE支持MIMO。终端能否支持MIMO是由UE配置决定的。引入MIMO将影响到物理层处理过程，对协议层的影响不大。MIMO能够在最大程度上提供高速率数据传输。参考文献1 J.Pautler, M.Ahmed, K.Rohani. On Application of Multiple-input Multiple-output Antennas to CDMA Cellular SystemsJ. IEEE Vehicular Technology Conference, Atlantic City, USA, Oct.7-11, 2001.2 E.Dahlman, S.Parkvall, J.Skold, P.Beming著，堵久辉等译. 3G Evolution HSPA and LTE for Mobile Broadband Second EditionM.北京，人民邮电出版社，20103 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Netwok; Multiplexing and Channel Coding (FDD).3GPP, 3GP TS 25.212.4 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Netwok; Spreading and Modulation (FDD).3GPP, 3GP TS 25.213.5 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Acc