HSDPA的演进：基于OFDM和MIMO的HSOPA技术

 摘要

    文章主要介绍了基于正交频分复用（OFDM）和多入多出（MIMO）的高速OFDM分组接入（HSOPA）技术。详细阐述了其优点所在，最后对HSOPA的频谱规划提出了建议。

    1、引言

    3GPP在R5中引入了HSDPA技术，与R99相比，它可以为用户提供更高的下行数据数率（R99中最高的速率为2Mb/s，而在R5中HSDPA的理论速率是14.4Mb/s），从而可以为用户提供更加丰富多彩的业务。在HSDPA中它采用了一些新的技术，比如自适应调制编码（AMC，AdaptiveModulationCoding）、较短的帧长、多码子操作、快速物理层HARQ（Hybrid-AutomaticRepeat Request）和NodeB快速分组调度等技术。

    但是，随着互联网技术的不断发展，人们对数据传输速率的要求也越来越高，因此，研究者就提出了HSDPA的下一代演进技术：HSOPA技术。与HSDPA相比，HSOPA引入了两种关键技术，一种是MIMO技术，通过空时处理MIMO可以提高系统容量和可靠性；另一种关键技术是OFDM，OFDM技术可以大大的提高频谱效率，它已经在Wi-Fi（IEEE802.11）和WiMAX（IEEE802.16）中广泛使用。与只使用OFDM技术相比，将这两种技术结合起来所能支持的用户数将增加一倍。HSOPA是HSDPA的演进技术，从HSDPA到HSUPA（High-SpeedUplink Packet Access），最终演进到HSOPA，其所能提供的数据速率和频谱效率越来越高。

    HSOPA可以为不同用户提供不同质量的服务：对于那些金牌用户，HSOPA可以为他们提供最高的数据传输速率；对于重要用户，HSOPA可以为其提供中等的数据传输速率；而对于普通用户而言，HSOPA只需为他们提供一般的速率就可以了。

    在HSOPA以前，OFDM和MIMO技术都没有在标准的公众蜂窝网上使用过，因此二者的结合是技术上的突破，它可以实现更高的频谱效率。通过现有的试验来看，利用OFDM-MIMO技术，用户的数据传输速率可以达到40Mb/s，这个速率几乎是目前HSDPA峰值理论速率的4倍。

    2、HSOPA的目标

    在去年四月北京召开的3GPP会议上，不同的制造商和运营商对用于无线网络中的OFDM-MIMO技术进行了深入的探讨。大家一致认为结合OFDM-MIMO技术，HSOPA可以实现以下功能：

    ◆增加无线频谱效率：我们知道在WCDMA系统中其信道的带宽是5MHz，其静止环境下的最高数据传输速率是2Mb/s，HSDPA的峰值理论速率也只有14.4Mb/s，然而通过OFDM-MIMO技术，HSOPA的数据传输速率可以达到40Mb/s，由此可知HSOPA的频谱效率是非常高的。

    ◆支持更多的用户数目：通过实际的系统测试，对于一个5MHz的载波，HSOPA能同时支持的用户数目超过100。

    ◆降低每比特的传输成本：由于HSOPA可以为用户提供较高的传输速率和较多的用户数目，因此其单位比特的传输成本将大大降低，从而更加具有竞争优势。

    ◆改善用户的通信体验：HSOPA可以大大减小数据的传输延时，例如对于和一个ping同样大小的数据包来说，HSOPA的延时是UMTS的1/6。要达到这个要求需要对接入网的结构进行必要的修改，减小用于数据处理、传输的网络节点的个数。

    总之，为了实现上面的目标，在HSOPA技术中，学者们提出了OFDM技术和MIMO技术的结合。对于OFDM技术而言，它易于扩展，可以克服多径衰落，从而无需复杂的均衡技术。对于MIMO来说，它通过多根收发天线可以提供较大的系统传输容量，从而提高无线频谱效率。同时，利用空时编码技术可以明显改善数据传输的可靠性。下面我们来介绍一下HSOPA中的这两种关键技术。

    3、HSOPA中的OFDM技术

    在过去几年中，OFDM已经成功用于各种有线、无线系统中，尤其是在无线局域网方面，人们对OFDM技术有着浓厚的兴趣。在目前的许多无线应用中，例如数字音频广播（DAB，DigitalAudioBroadcast）、数字视频广播（DVB，DigitalVideo Broadcast）、WLAN（IEEE 802.11a和IEEE 802.11g）以及WiMAX（IEEE 802.16）都使用了OFDM技术，在有线系统比如异步数字用户线（ADSL，Asynchronous Digital Subscriber Loop）也使用了OFDM技术。

    OFDM是一种调制接入技术，因此，对于存在多径传播的无线环境，它能够很好地抵抗多径衰落，无需复杂的均衡技术。对传统的调制方式而言，由于多径衰落的存在，通常其性能都要低于理论性能。对窄带信号而言，它必然引起符号间的干扰，从而造成信号的畸变，通常需要采用均衡技术才能解决。对宽带系统而言，宽待系统可以通过RAKE技术将多径信号加以接收合并，从而消除多径衰落。

    OFDM是一种无线环境下的高速传输技术。无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的，而OFDM技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。这样，尽管总的信道是非平坦的，具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此就可以大大消除信号波形间的干扰。由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。

    OFDM信号处理比较简单，它使用了两种众所周知的数字信号处理技术：快速反傅立叶变换（IFFT，InverseFastFourierTransform）和快速傅立叶变换（FFT，Fast Fourier Transform）。调制过程如图1所示：

    图1 OFDM信号调制过程

    在OFDM处理的发射侧，首先将原始数据进行信道编码以克服信道的随机差错，随后进行数据交织，这样可以解决信道的突发差错。随后将数据比特映射成符号，可以进行四进制移相监控（QPSK，QuaternaryPhaseShiftKeying）映射，也可以是正交幅度调制（QAM，Quadrature Amplitude Modulation）映射。然后进行串并变化，并进行快速反傅立叶变换，以形成多个正交的子载波。为了克服多径衰落引起的符号间干扰，在符号末尾要插入保护间隔。在接收侧首先将符号保护间隔删除，然后进行快速傅立叶变换解调出各个子载波的数据，然后进行并串变换、去交织、译码以恢复初始的数据。

    OFDM另外一个优点就是在频域的扩展比较简单，只需要简单的调整子载波的数目就行。比如对于WCDMA的5M带宽，可以采用1024个子载波。当然，OFDM技术也存在一些需要克服的问题。比如其面临的第一个挑战就是较高的峰均比（PAPR，Peak-to-AveragePowerRatio），过高的PAPR将增加对射频原件线性的要求，尤其是增加了对功放的要求。因此如果不对PAPR进行适当的处理，那么放大器的功率效率将下降，这无疑将影响到终端的大小和电池的寿命。目前学者们在这个方面已经提出了多种方案，其中的一种比较重要的方法就是利用数字信号处理和编码技术加以解决。OFDM面临的第二个问题就是它对频偏十分敏感，因此对晶振的要求非常高。

    4、HSOPA中的MIMO技术

    在OFDM系统中虽然多个子载波相互正交，提高了系统的频谱效率。但是，由于在每个符号末尾插入了循环保护间隔，因此在一定程度上反而降低了传输效率。

    由于MIMO（MultipleInputMultipleOutput）系统可以提高无线系统的系统容量和系统的可靠性，所以该技术得到了越来越多的关注，其中的一些关键技术已经被写入了一些无线通信的标准中。

    MIMO信号可以通过两种不同的方式来改善无线通信：一种是分集（Diversity）机制，而另一种就是空间复用（SpatialMultiplexing）机制。分集机制通过利用发射天线和接收天线之间多条通路来改善通信系统的鲁棒性(Robustness)，从而改善系统的误码率(BER，BitErrorRate)。分集也可以通过多个发射天线来获得，但是此时必须考虑多个发射天线之间的干扰，这就是空时编码（STC，Space-Time Coding）要研究的内容。我们把BER对信噪比（SNR，Signal to Noise Ratio）的斜率称为分集阶数（Diversity Order）。对于一个具有Mr根接收天线和Mt根发送天线的MIMO系统，通过空时编码可以达到的分集阶数为MtMr。

    另一种技术是空间复用机制，在充分散射的MIMO环境中，接收天线可以识别出同时从多个发射天线发射出来的信号。也就是说，系统可以等价为一个并行独立的数据流，其容量是单天线系统的min（Mr，Mt）倍。而我们知道对于功率，容量与之仅成对数关系。所以对于MIMO系统，其容量增益来自多个并行的空间信道，因此我们称之为空间复用。该机制的一个著名实例就是BLAST（BellLabsSpaceTime）系统。

    在目前实际的无线应用中，IEEE802.11n中采用了MIMO技术，所以其传送的数据比特速率是IEEE802.11g的两倍。

    MIMO实现空间分集是比较简单的，通过简单的空时分组编码就可以实现，例如alamouti码，在该系统中发送天线是两根，发送的符号每两个分成一组，表示为x1和x2。对于第一根天线其发送的序列是x1和x2*，同时第二根天线发送的序列是x2和x1*。这两根天线所发送的信号序列是正交的，其系统框图如图2所示：

    图2 Alamouti编码调制框图

    MIMO系统和OFDM系统的结合将减小空时处理的复杂度。例如，对于一个2×2（两根发射天线，两根接收天线）的MIMO系统而言，在一个5MHz的信道上，OFDM的处理复杂度将比传统的CDMA系统低12倍。

    5、HSOPA的频谱规划

    HSOPA的频谱可以跟现有的3G系统共载频，也将引入新的频段，比如在欧洲2.6GHz的频谱已经分配给了IMT-2000（InternationalMobileTelecommunication-2000）技术，并且在2008年后便可以使用。在建设的初期，由于用户数量和负荷都比较少，一般考虑将HSOPA和现有的3G系统共载频，这样可以重复利用馈线和天线，节省成本。随着用户数量的不断发展，HSOPA会对其它3G业务产生较大的干扰，所以，此时建议HSOPA使用单独的载频。

    6、小结

    将OFDM和MIMO两种关键技术引入HSOPA中，大大增强了其访问因特网的能力：可以提供更高的数据速率；可以提供更强的QoS保证；可以承载更多的用户数目；大大降低了每兆字节的传输成本，提高了运营商的商业竞争力。