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全面了解后3G时代的技术走向:4大关键技术

 摘自:EDN China   发表日期: 2009/3/12 0:08:57
 
    HSDPA(高速下行分组接入)用于实现WCDMA网络高速下行数据业务,可以使下行的数据速率达到8~10Mbps,被誉为后3G时代的主要解决方案。对采用多入多出(MIMO) 技术的HSDPA系统,数据速率可以达到20Mbps。HSDPA的出现引起了业界的极大关注。作为WCDMA体系的后续演进技术,HSDPA中的许多关键技术与cdma20001XEV/DV以及TD-SCDMA中的一些关键技术有异曲同工之妙,因此,适时研究HSDPA,对于我们全面了解后3G时代的技术走向十分重要。

  在HSDPA技术方案中,涉及到的关键技术主要包括4种:自适应编码调制、H-ARQ、快速蜂窝选择(FCS)、多入多出天线处理(MIMO)。

  自适应编码调制

  自适应调制与编码(AMC)也属于链路自适应的范畴。AMC的基本原理就是改变调制和编码的格式并使它在系统限制范围内和信道条件相适应,而信道条件则可以通过发送反馈来估计。在AMC系统中,一般用户在理想信道条件下用较高阶的调制方式和较高的编码速率,而在不太理想的信道条件下则用较低阶的调制编码方式。

  采用AMC的好处主要有:处于有利位置的用户可以具有更高的数据速率,由此蜂窝平均吞吐量得到提高;在链路自适应过程中,通过调整调制编码方案而不是调整发射功率的方法可以降低干扰水平。

  目前实现AMC面临几项挑战。首先,AMC对测量误差和延迟比较敏感,为了选择适合的调制方式,必须首先知道信道的质量,对信道估测的错误可能会使系统选择错误的数据传输数据率,使传输功率过高,浪费系统容量或者因功率太低而出现误码率升高;其次,由于移动信道的时变特性,信道测量报告的延迟降低了信道质量估计的可靠性;另外,干扰的变化也增加测量的误差,此时可以寻求与其它技术的结合,比如利用混合判决反馈重传技术(H-ARQ)可以降低MCS的要求识别和对测量误差和流量波动的敏感性。

  H-ARQ

  H-ARQ也是一种链路自适应的技术。在AMC中,采用显式的C/I测量来设定调制编码的格式,而在H-ARQ中,链路层的信息用于进行重传判决。

  有很多方法可以实现H-ARQ:Chase合并、兼容速率凿孔TurboCodes和增量冗余。Chase合并的策略是发送有相同编码的数据组,然后在接收端可以将这些多个重发信息进行SNR加权合并来获得分集接收再进行译码。增量冗余或H-ARQ-II是实现H-ARQ的另一种方式。这种策略是在第一次译码失败时另外再传送附加冗余信息而不是再将整个数据码组重发一次。H-ARQ-type-Ⅲ也是增量冗余方案中的一种,然而在H-ARQ- type-Ⅲ中,每次的重传是可以自解码的,这一点与HARQ-II不同。在多冗余的H-ARQ-type-Ⅲ中,每次重发冗余信息时要对不同的比特进行打孔。

  AMC可以根据UE的测定或者网络提供的信息条件来灵活地选择适当的MCS,但需要UE进行准确信道测量并且受到相应延迟的影响。H-ARQ能够自动地适应信道条件的变化并且对测量误差和时延不敏感。AMC和H-ARQ二者结合起来可以得到最好的效果——AMC提供粗略的数据速率选择而H-ARQ可以根据数据信道条件对数据速率进行较精细的调整。

  快速蜂窝选择

  FCS是为HSDPA而推荐使用的。使用FCS,UE能指示一个最好的小区用于下行链路。确定“最好的”蜂窝不仅要基于无线信号传播的条件,还要考虑在Activeset中小区的功率和码字空间的资源。一般而言,同时有很多小区处于activeset,但只有最适合的小区基站允许发送,这样可以降低干扰提高系统容量。

  在离小区中心较远的边缘,每个信道质量都比较低。使用FCS策略可以选择一个服务小区使得链路的质量相对稳定。它是通过C/I和上行DCCH的小区指示信息来对各个小区进行比较的。FCS对物理层方面的要求和Release99中的选择性分集发射(SSDT)相似。

  如果使用Node-B之间的单元选择,在HSDPA调度和终端就绪之后,需要实现HARQ状态和调度表的同步。一种传输状态同步的方法是通过空中传播的物理层实现的。如果FCS可以选择变化的Node-B,那么就需要让所有的Node-B都能侦测到上行链路的物理层发送信号,而这和常规的上行链路功率控制策略矛盾。它这种策略不能确定上行链路发送信号能被所有的Node-B侦测。有两种途径可以解决:使用改进的上行链路功率策略,当任何Node-B 需要时,UE的传递功率都能相应增加;第二种方式还是使用常规的功率控制策略,但加上一个功率偏移来保证传输状态能被新的Node-B侦测。这两种方式中,优先推举第二种方式。但是,必须评估需要多大的功率偏置及其对整个系统的性能影响。

  MIMO技术

  多入多出(MIMO)系统是在发送和接收端同时使用多天线,这样相对于只在发送端使用多个天线有更多好处。在MIMO系统中,通过码复用技术可以使峰值吞吐量得到提高。

  采用码复用技术后,为HS-DSCH分配的信道/扰码对用来调制M个独立的数据流(M为发送的天线数)。复用了相同信道化码、扰码的数据必须用空间参数加以区分,这要求在接收端使用至少M个天线。在理论上,使用码复用的峰值传输速率是单天线传送的M倍。通过码复用可以结合码复用技术和一个较低阶的星座调制如16QAM来达到一个适中的数据传输速率,而若不采用码复用技术,达到相同的数据速率可能需要采用64QAM调制。相对于使用单天线传送加上较高阶的星座调制达到的相同速率,码复用技术可以降低对Eb/N0的要求,从而提高整个系统的性能。

  在关注HSDPA中使用的MIMO技术时,重点集中在具有代表性的开环方式MIMO。在常规单天线发送的HSDPA中,一组下行信道(N个)在多个用户间共享。使用M个发射天信的开环MIMO,也使用同样数量的下行信道码,但是每个码字被复用了M次,并且每个码字用来调制不同的数据子串。特别的数据以更高的编码速率进行编码、速率匹配和交织。

  对于UE的联合检测,在每个收发天线对之间都要进行复信道估计。在平坦衰落信道下,信道的特性可以由MP个复信道因子来确定。在频率选择性衰落信道下,信道特性可以由LPM个复信道因子刻画,其中L是RAKE接收机的Finger数。信道估计可以通过接收信号和M个正交导频序列相关运算获得。对比常规的单天线接收机,信道估计复杂度提高了MP倍。对数据检测,每个天线后面都要接针对N个扩频码的匹配滤波器。一般来说,每个天线需要LP个解扩器。对于MN个数据子流的每个子流,对应LP个解扩器输出,每个输出用对应信道估计的复共轭进行加权,然后加在一起构成充分统计量。这个过程称为空时RAKE接收,是单天线RAKE接收在多天线处理情况下的扩展。

  共享同一个码字的M个数据子串的充分统计量(向量)中的每个量(标量)包含了空间多址干扰,然而在平坦衰落信道下,因为在信道传送过程中码字的正交性得到了保持,作为一组(Group)的这些子串并不受到其它码字所产生子串的干扰。对M个编码子串中的每一组,采用多用户检测来消除MAI的影响。可采用的多用户检测方法包括最大似然检测和VerticalBLAST检测。最大似然检测方法可以通过充分统计向量的噪声方差直接推导出来,但是最大似然检测的复杂度是随M呈指数增长的,因此,次最优但复杂度较低的V-BLAST是较可行的方法。V-BLAST检测器包括两部分:一个线性变换和一个串行干扰抵消器,线性变换通过迫零算法或最小均方误差准则消除MAI,经过线性变换后,子流中的具有最高信噪比编码符号被检测出来,并抽取出充分统计量中的对应信号。使用修正过的充分统计量,线性变换和干扰抵消重复进行,直到所有的子串都被检测出来。经过MIMO检测器后,MN个子串恢复成高速数据流,解映射到比特,然后解交织、译码。


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