ＨＳＰＡ＋Ｒ７物理层关键技术研究

于　璐　李军辉　赵慧麟　张　翔

【摘要】HSPA+是HSPA的演进技术。文章重点研究了HSPA+ R7标准版本中的下行MIMO、上下行高阶调制、连续分组连接这三种物理层关键技术,并介绍了GCF HSPA+新增终端射频一致性测试项目。

【关键词】HSPA+ R7 MIMO 高阶调制 CPC 终端射频一致性测试

1 引言

HSDPA和HSUPA分别在下行与上行方向对UMTS进行了优化,两者统称为HSPA。当前全球UMTS网络已广泛升级至HSPA,以提升数据速率和系统容量。从3GPP R7标准版本开始,HSPA又引入了新内容,称为HSPA+。研究表明,HSPA+可在多方面进一步提升UMTS系统的性能。

3GPP在R7 HSPA+引入的主要特性有:

◆下行MIMO;

◆高阶调制——行16QAM,下行64QAM;

◆连续分组连接(CPC);

◆改进的层2以支持高速下行数据速率;

◆下行增强CELL_FACH状态;

◆增强碎形DPCH信道(F-DPCH)。

本文将重点研究前三种物理层技术,并介绍HSPA+对终端射频一致性测试的影响。

2HSPA+ R7物理层关键技术

2.1 下行MIMO技术

从GSM为消除多径效应引起的码间串扰采用的自适应均衡,到CDMA利用多径效应采用的RAKE接收机,一直以来业界从未停止无线信道空间特性对传输技术影响的研究。最新研究热点是MIMO技术。

MIMO被广泛用于指代多天线技术,即在信号的发射端和接收端使用多天线。研究表明,MIMO可以引入不同类型的性能增益,显著提升数据速率,进一步挖掘信道资源。一方面,MIMO引入的空间分集带来的分集增益,可在远距离传输或恶劣的信道条件下显著改善接收信号质量;另一方面,MIMO引入的空间复用可以在近距离传输或理想信道条件下提升数据速率与无线链路信道容量,大大提高频谱利用率。图1为空间分集(发射分集、接收分集)、空间复用与MIMO的示意图。

图1空间分集、空间复用与MIMO示意图

HSPA+ R7在下行链路引入了MIMO,终端理论上可支持高达28Mbps的下行速率。

对于MIMO技术的引入,3GPP经历了长时间的讨论,进行了大量的研究,评估了多种方案,最终在R7标准中达成一致意见,将R99版本中的闭环空时发射分集TxAA(Transmit Antenna Array)演进成为MIMO——D-TxAA(Double Transmit Antenna Array),并且仅支持HS-DSCH。当无线信道质量恶劣到无法支持MIMO时,D-TxAA可回退到传统的TxAA。UMTS空间技术演进路线如图2所示:

图2 UMTS空间技术演进路线图

MIMO的引入为终端提出了新要求。标准要求终端应可以对每个发射天线单独进行信道估计,并且除上报反映无线信道质量的信道质量指示(CQI)外,还应发送预编码控制信息(PCI)以协助基站进行调制方式、编码方式以及预编码权重的选择。PCI、CQI和HARQ-ACK(ACK、NACK)应分别独立进行信道编码。标准在下行方向定义了新的TYPE 3类型HS-SCCH,基站使用此传输信道将预编码权重、发送数据块个数、冗余星座版本等信息发送给终端。同时,在上行方向也修改了HSDPA的上行控制信道HS-DPCCH。

图3 下行MIMO方案——D-TxAA框图

2.2 高阶调制技术

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

(1)下行64QAM

UMTS FDD基本下行调制方式为QPSK,R5 HSDPA引入了下行16QAM。在R7 HSPA+中通过对HS-DSCH使用64QAM,理论上可以实现约21.1Mbps的下行峰值速率。

较之低阶调制,高阶调制虽可以提升数据速率,但也同时降低了传输的可靠性,使得信号对干扰更加敏感,因此64QAM主要应用于信道条件较好(例如高信噪比)的场景。

发射机的信号质量用矢量幅度误差EVM表征。64QAM对于发射机失真更加敏感,因此需要进一步降低基站发射机的EVM。在标准中,当下行仅使用QPSK时,EVM的要求不超过17.5%;当使用16QAM时,新增EVM的要求不超过12.5%;使用64QAM时的EVM指标还处于研究阶段。链路级仿真表明,下行64QAM在EVM大于7.5%时将对网络吞吐量带来可观的降低影响。但即使64QAM的EVM维持在12.5%,比之HSDPA,64QAM仍然可以带来约30%的下行吞吐量增益。

(2)上行16QAM

UMTS FDD上行基本调制方式为BPSK,在R7 HSPA+中,通过对E-DCH使用16QAM,理论上可以实现约11.5Mbps的上行峰值速率。

由于

功率回退=理论最大发射功率-实际允许最大发射功率,

比之BPSK,16QAM的引用增加了信号的峰均比,因此要求终端功放工作于更高的功率回退点,这将降低功放的效率。

立方量CM(Cubic Metric)是为表征满足终端发射机信号失真所要求的功率回退而在技术要求25.101中新引入的度量指标。研究表明,相比于传统的PAR,CM更能准确衡量功放的非线性指标。CM的定义如下:

CM=CEIL{[20lg((v_norm)3)rms)-20lg((v_norm_ref3)rms)]/k,0.5}

式中:

v_norm是输入信号的归一化电压波形;

v_norm_ref是参考信号(12.2kbps AMR语音)的归一化电压波形,且20lg((v_norm_ref3)rms)=1.52dB;

CEIL{x,0.5}代表向上取整到最近的0.5dB;

当信号所有信道化码符合准则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将会增大。然而仿真表明,当配置一个上行HS-DPCCH时,即使在最差功率配置条件下,CM也将小于3.5dB,此时仍能够满足标准对CM的要求。标准对终端最大发射功率的要求由CM与最大功率降低量(MPR)给出,详见表1:

在终端信号质量方面,对于传统上行BPSK,标准要求终端发射机EVM不超过17.5%。当使用16QAM时,要求EVM不超过14%;如果同时终端发射平均功率大于-30dBm,则相对载波泄漏比(RCLR)应小于-17dB。另外,标准对相对码域误差指标要求也进行了修订。

2.3 连续分组连接CPC

HSPA+在R7中引入的连续分组连接CPC使用户以最小的资源开销长期保持在CELL_DCH RRC连接状态,从而避免频繁接入链路重建造成的信令负担并减小从停止状态转变为激活状态的时延,尤其适用于VoIP与Web等“Always On”业务。

CPC技术包含两个主要特性:UE不连续发射DTX/不连续接收DRX与HS-SCCH-less运行。

3GPP R6及以前的终端规定,当处于CELL_DCH状态时即使无用户数据发送也必须保持上行控制信道的连续发射。不连续发射(DTX)使UE可以在上行链路无信息发送时,关闭上行DPCCH或HS-DPCCH的发射,只维持同步与控制功率等最低发射要求,以降低小区的整体上行链路噪声。相应地,不连续接收(DRX)使UE在下行链路不需接收信息时,可以暂时关闭接收机。在DTX和DRX过程中,UE只需定期监测是否从“微眠模式”(micro sleep)中恢复。图4为UE DTX的过程示意图:

图4CPC中的UE DTX

连续的下行HS-SCCH发射将增加小区整体下行链路噪声,且UE持续监测HS-SCCH还将增加终端耗电。为此,CPC引入了HS-SCCH-less运行。HS-SCCH-less运行可以在低速传输等情况下,节省HS-SCCH发送,通过终端本身对有限格式组合的盲解调来减小上下行干扰,提升上下行容量并节省终端耗电。

仿真表明,在引入CPC后,终端电池使用时间可延长80%,同时VoIP系统容量在上行链路将增加40%,在下行链路将增加10%。

3 HSPA+ R7终端射频一致性测试

针对HSPA+,国际一致性认证论坛GCF新增了相应的射频一致性认证测试项。GCF WI-067、WI-069和WI-070分别定义了MIMO、64QAM和CPC的测试用例。预计随着芯片及终端的逐步成熟,GCF将加强对HSPA+的一致性测试要求。

4 总结

UMTS从R7版本开始演进至HSPA+。HSPA+应用了MIMO、高阶调制、CPC等最新技术。相信随着HSPA+的逐步成熟,无线网络设备的平滑升级,支持HSPA+的芯片与终端的不断问世,以及测试仪表与测试技术的不断发展,HSPA+的应用前景会越来越广阔。

参考文献

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[2]3GPP TS 25.306 V8.7.0,UE Radio Access capabilities[S]. 2009.6.

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[6]Global certification forum Device Certification Criteria V3.34.1[S]. 2009.6.★

【作者简介】

于璐:助理工程师,硕士毕业于北京邮电大学。现任职于工业和信息化部电信研究院中国泰尔实验室无线通信部,研究方向:3GPP UMTS移动通信标准研究与终端射频认证测试。

李军辉:工程师,硕士毕业于北京邮电大学。现任职于工业和信息化部电信研究院中国泰尔实验室无线通信部,研究方向:TD-SCDMA、WCDMA等移动通信标准研究与射频认证测试及系统开发。

张翔:教授级高级工程师,工业和信息化部电信研究院中国泰尔实验室无线通信部主任,中国通信学会高级会员,研究方向:无线通信、移动通信等。