 Hans Journal of Wireless Communications 无线通信, 2013, 3, 65-69 http://dx.doi.org/10.12677/hjwc.2013.32010 Published Online April 2013 (http://www.hanspub.org/journal/hjwc.html) MIMO Technology Research and Evolution in HSPA+ System Xirui Guo China Information Technology Designing & Consulting Institute Co., Ltd., Beijing Email: guoxirui@gmail.com Received: Jan. 24th, 2013; revised: Jan. 27th, 2013; accepted: Mar. 6th, 2013 Copyright © 2013 Xirui Guo. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Abstract: In order to further improve the peak data rate and user throughput of HSPA network, MIMO technology is introduced in 3GPP Rel-7. MIMO technology can increase spectral efficiency and data rates without using additional bandwidth. For affordability of mobile broadband services, MIMO is applied to multi-carrier HSDPA in 3GPP Rel-9 and beyond release. Firstly the perspective of future evolution of MIMO technology is presented in this paper, it intro- duces the principles of HSPA+ MIMO, and finally the effects of non-MIMO UEs in HSPA+ MIMO network are analyzed. Keywords: MIMO; PCI; CQI; VAM HSPA+系统中的 MIMO 技术研究及其演进 郭希蕊 中讯邮电咨询设计院有限公司，北京 Email: guoxirui@gmail.com 收稿日期：2013 年1月24 日；修回日期：2013年1月27日；录用日期：2013 年3月6日 摘 要：为了进一步提高 HSPA系统的峰值数据速率以及用户吞吐量，3GPP 在Rel-7 中引入了 MIMO 技术。 MIMO 技术能在不增加带宽的情况下提高频谱效率，提高数据速率。为了满足宽带移动通信业务的需求，3GPP 在Rel-9 及后续版本中又引入了MIMO 结合多载波的HSDPA 技术。本文首先阐述了 HSPA+ MIMO 技术的演进 方向，然后介绍了 HSPA+ MIMO 的技术原理，最后分析了MIMO 对非MIMO 终端的影响。 关键词：多输入多输出技术；主预编码向量；信道质量指示；虚拟天线矩阵 1. 引言 无线通信系统中，信号传输的多径会引起衰落， 使系统的性能恶化。MIMO(Multiple Input Multiple Output，多输入多输出技术)技术利用了空间复用的原 理，针对多径无线信道，通过在发射端和接收端分别 使用多个发射天线和接收天线，向一个用户同时传送 多个数据流，达到空间分集的增益，从而在不增加带 宽的情况下提高频谱效率，提高数据速率，减少误比 特率，改善无线信号传送质量，同时还可以增大基站 覆盖范围。 HSPA+(高速分组接入演进)是在 HSPA(高速分组 接入)技术基础上的演进，为了使频谱效率进一步提 高，HSPA+技术引进了一些新的技术，如MIMO、下 行64QAM 调制、上行 16QAM调制和双载波技术。 本文主要对 HSPA+中的 MIMO 技术原理和 MIMO 网 络对非 MIMO 终端的影响进行研究。 2. HSPA+ MIMO技术的演进 HSPA+ MIMO技术最早在 3GPP R7版本中引入， MIMO 在3GPP R7 版本中只能独立使用，最多传送两 Copyright © 2013 Hanspub 65  HSPA+系统中的 MIMO 技术研究及其演进 个数据流，每个数据流可以使用QPSK 或16QAM 调 制方案，将 HSDPA(高速下行链路分组接入)的峰值数 据速率提升至28 Mbps。在3GPP R8 版本中MIMO 可 以和 64QAM 调制同时使用，每个数据流可以使用 64QAM 调制，从而可以较大的提高下行速率，使小 区峰值达到 42 Mbps。3GPP R9 版本中，引入了 DC-HSDPA(双载波高速下行链路分组接入)+MIMO 技术，通过双载波技术、64QAM 及MIMO 技术的整 合使用，HSPA 的下载峰值速率达到 84 Mbps，提高 了用户改善[1]。R10 版本中，将 4载波与 64QAM、 MIMO 技术同时使用，使小区的峰值速率达到 168 Mbps。R11 版本中，在下行将 8载波与 64QAM、MIMO 技术同时使用，HSPA 的下载峰值速率达到 336 Mbps[2]。图 1给出了 HSPA+ MIMO 技术的演进过程。 3. HSPA+ MIMO工作原理 FDD HSPA+ MIMO(频分双工高速分组接入演进 多输入多输出)技术选择了基于双码流发射天线阵 D-TxAA(Double Transmit Antenna Array)的双码字 MIMO(2 × 2 MIMO)，即下行支持两个天线发射，每 天线发送不同的子数据流且承载不同的传输块，并可 以根据当前的信道条件更改数据流的数量。同时利用 终端的快速物理层闭环反馈来调整发射天线权重；在 UE 侧采用1 × 2，1个天线发射，2个天线接收。图 2 是FDD HSPA+采用的MIMO 方案，两路数据首先在 非MIMO 模式下完成编码、扩频和加扰，扩频后的复 值传输到MIMO 的2根天线分支中，然后进行加权处 理后发送[3]。 UE 使用CPICH( 公共导频信道)分别估计每个天 线。第一个天线采用P-CPICH(主公共导频信道)的调制 样式 1，第二个天线可以采用 P-CPICH 的调制样式 2， 也可以采用 S-CPICH(辅公共导频信道)的调制方式 1。 即P/P + STTD(主导频/主导频 + 空时发射分集)方案 和P/S(主导频/辅导频)方案，导频配置由高层确定。UE 确定采用的主预编码向量(PCI)vector p ref pref 12 ,ww 并 通过 HS-DPCCH(高速专用物理控制信道)通知 Node B。具体信息采用 PCI 的向量标识，PCI 和信道质量 指示(CQI)同时传送给Node B，采用 HS-DPCCH 的 CQI/PCI域完成。 当UE 配置为 MIMO 模式时，图 2说明了 HS- R7R8R9R10 R11 MIMO+16QAM 下行：28Mbps MIMO+64QAM 下行：42Mbps DC- HSD PA+MIMO 下行：84Mbps 4C- HSD PA+MIMO 下行：168Mbps 下行：8C- HSD PA+MIMO 下行：336Mbps Figure 1. The evolution of HSPA+ MIMO 图1. HSPA+ MIMO技术的演进过程 NodeB 权重产生 w1w4 从上行反馈决定权重大小 w2w3 TrCH 处理 HS-DSCH TrCH处理 HS-DSCH 扩频 / 加扰 A nt 1 A nt 2 CPICH1 CPICH2 w1 w2 w3 w4 主传输块 主传输块：总代表被调度的 UE 辅传输块: 随机代表被调度的UE 辅传输块 Figure 2. The generic downlink transmitter structure to support MIMO operation for HS-PDSCH transmission 图2. HSPA+ MIMO下行发射机结构 Copyright © 2013 Hanspub 66  HSPA+系统中的 MIMO 技术研究及其演进 DSCH(高速下行共享信道)信道的传输结构。信道的编 码交织和扩频与非MIMO 模式完全相同。Node B决 定在一个 TTI(传输时间间隔)的时间内采用一个还 是 两个传输块。两个传送天线收到已经扩频的复数信 号，然后应用加权值 ，，和。其中预编码 加权值 和为实数常数，加权值 和w4为可变复 数值。具体定义如下： 1 w2 w3 w4 w 2 w 1 w3 w 31 12ww ， ， 42 ww 2 11 1 ,, 22 2 jj j w 1 , 2 j 由于 w1和w3相等且数值固定，w2和w4仅符号相 反，因此 UE 实际反馈PCI 时，只需要指明w2的取值 即可，基站根据上述原则可计算出 w4，这样设计的好 处是 UE 不需要向基站反馈每个预编码权值从而节省 了信令开销。 如果 Node B调度器决定采用一个传输块，将采 用预编码向量 。如果决定采用两个传输块， 将采用两个正交的预备码向量。 叫做主预编 码向量应用于主传输块，相应的 为辅预编码 向量应用在第二个传输块。 12 ,ww 12 ,ww 34 ,ww UE 在接收端同样需要知道预编码向量加权值， Node B通过 HS-SCCH(高速共享控制信道)发送预编 码向量加权值w2给UE。HS-SCCH 通过2 bit的值标 记出 w2的四种可能值。其他三个加权值可以通过 w2 推倒得出。 Node B 根据 UE上报 PCI/CQI 情况，最后确定采 用的码块个数，传送块大小和调制方式。 Node B 告知 UE 在HS-PDSCH(高速物理下行共享信道)信道上采 用的预编码加权值w2，通过指示向量完成，具体是采 用HS-SCCH Type 3信道的预编码加权值(Precoding Weight Information)字段。以子帧为单位对 HS-PDSCH 进行调整。 UE 上报较高的 SNR 时，UE 处于双流模式下， 可以获得空间复用增益，提高峰值速率；当 UE 上报 的SNR 较低时，UE处于单流模式，采用发射分集， 获得天线阵列增益。单流/双流根据PCI 来选择，UE 上报 PCI ，Node B 选择合适的 PCI来进行传输。 由于下行MIMO 的引入，UE进行 CQI反馈时需 要支持 Type A和Type B两个类型的CQI 报告。 type A：CQI指范围为 0到255，支持单流和双流 模式，编码是和PCI一起完成的。 type A格式的 CQI 上报，双流模式下，UE选择 合适的 CQI1和CQI2上报，这两个 CQI 分别用 2个4 bit 的二进制数来表示，用于指示主流和辅流上的传输块 大小；单流模式下，上报 CQIs，CQIs用5 bit的二进 制数表示。 12 s 15 CQICQI31UE CQI CQI UE 当 推荐两个传输块 当推荐一个传输块 type B：CQI 范围为0到30，其值和 R5 版本规 定的 CQI值相同。支持单流模式，编码是和 PCI一起 完成的。 UE 上报type A 或者type B CQI是由高层决定的， 上报 type A CQI的比例(MIMO N/M Ratio)可配置。 MIMO N/M Ratio的取值范围为：1/2，2/3，3/4，4/5， 5/6，6/7，7/8，8/9，9/10，1/1。如果UE 上报为双流 type A CQI，而此时需传输的资源较少或Node B 资源 较少，Node B 会决定采取单流传输。 4. MIMO对非 MIMO 终端的影响 根据协议，Node B可以使用在两根天线上 同时发 送P-CPICH 的方式但需要其他控制信道和业务信道配 置为 STTD 开环发射分集；也可以使用在一根天线上 发送 P-CPICH，在另外一根天线上发送S-CPICH 的方 式。高层可以配置MIMO 小区采用哪种导频发送方式 。 各设备商和运营商在采用P/P + STTD的MIMO 网络中，对Cat8 类终端迚行测试，发现吞吐率会下降， 具体性能与无线环境有关，原因是终端芯片厂商在初 期进行设计时，出于成本的考虑，在启用 STTD 功能 时，均衡接收机将被关闭。在测试中发现，对于Cat8 类终端，在P/P + STTD的情况下 LMMSE 均衡接收 机关闭，导致性能相比 R6 小区采用单天线发送下降 21.5%[4]，如表 1所示。在 P/P + STTD的情况下只能 使用 Rake接收机。 Table 1. Cat8 UE ’s performance in different scenarios 表1. Cat8终端在各种场景下性能 场景 平均吞吐率 终端接收机使用情况 R6 小区， 采用 P-CPICH 6.5 Mbps 使用 EQ 和Rake接收机，根 据信道状况选择 MIMO 小区， 采用 P/P + STTD 5.1 Mbps 只能使用 Rake 接收机，EQ 接收机关闭 Copyright © 2013 Hanspub 67  HSPA+系统中的 MIMO 技术研究及其演进 由于直接采用 P/P + STTD 的方式，不能进行 MIMO 和HSDPA 终端的混合组网，需要寻找新的 MIMO 和HSDPA 的混合组网方式。如果MIMO 采用 P/S 导频的方式，则可以避免对HSDPA 终端采用 STTD发送，这也是 3GPP推荐的一种组网方式。 P/S 方案：MIMO 两个数据流采用主、辅导频进 行信道估计和相位参考，其他信道采用单天线进行发 射。P-CPICH、SCH 和P-CCPCH 不工作在 STTD 模 式下，非MIMO 能力的 UE不工作在 STTD 模式下； MIMO UE 可以在 STTD 模式下接收以下信道： HS-SCCH，F-DPCH，E-AGCH，E-HICH，E-RGCH。 采用 P/S 方案，将主要面临以下两个方面的问题。 1) 功率不平衡 由于关闭STTD 模式后，包括公共信道在内的非 MIMO 信道，只能在主导频所在天线发送，这就导致 了图 3中的 A点处，两个通道的功率不平衡，从而降 低了一个功放的利用率。 3GPP 中采用VA M ( 虚拟天线 矩阵)来平衡功放功率。经过VA M矩阵处理后，在图 3中的B点处，两条之路的功率处于平衡状态，从而 可以充分利用两条支路上的功率放大器。VA M矩阵 除了要保证两个功放的功率平衡之外，还需要保证双 流情况下，两个流的功率平衡。 引入 VAM矩阵之后，对 MIMO 终端和非MI MO 终端的性能又将产生影响。MIMO中原有 4种可用的 预编码向量，由于VA M的引入，其中的一些预编码 向量(PCI)与VA M组合时，在MIMO 单流时会导致两 条支路上的功率不平衡。如果不对 PCI进行限集的话， 将带来性能明显的下降。文献[5]中高通的仿真显示， UE 在进行单流 PCI反馈的时候进行限集比不限集带 来更少的性能损失。因此3GPP 建议在 MIMO 单流时 需要对部分预编码向量的使用进行限制(即PCI 限 集)。 2) S-CPICH 对非MIMO 终端的影响 P/S + VAM方案中，MIMO与R99/HSDPA 业务 混合载频组网，传统终端只用主导频作为相位参考， 辅导频对传统终端来说类似本小区干扰，这样将降低 非MIMO 终端的反馈 CQI，对吞吐量有影响。为了保 证对非 MIMO 终端的覆盖，主导频仍然采用 10%总的 发送功率，辅导频如果也采用 10%的总功率的话，干 扰将更加严重，因此，3GPP标准中已经允许对辅导 频功率进行配置，从而减少干扰。3GPP 标准中允许 对辅导频功率进行配置，通过减小 S-CPICH 功率，降 低S-CPICH对非MIMO 终端的影响。表 2是诺西的 一个仿真结果，在 S-CPICH 功率与P-CPICH 功率相 同时，对PB3(3 km/h步行 B信道)信道的吞吐率损失 19.08%，PA3(3 km/h步行 A信道)信道的吞吐率损失 9.66%。在 S-CPICH功率比P-CPICH 功率低 3 dB 时， 对PB3信道的吞吐率损失 7.29%，PA3信道的吞吐率 损失 5.39%。在 S-CPICH 功率比 P-CPICH 功率低 6 dB 时，对 PB3 信道的吞吐率损失 4.19%，PA3 信道的吞 吐率损失2.85%。由表 2可知，随着 S-CPICH 功率的 降低，对非MIMO终端吞吐率的影响也逐渐降低。 ∑ ∑ ∑ ∑ HS-DSCH HS-DSCH 主传输块 辅传输块 P-CPICH S-CPICH 其他信道 w 1 w 2 w 3 w 4 A B UE VAM v 1 v 2 v 3 v 4 Figure 3. The balance of power problems after the introduction of VAM 图3. 引入 VAM 后的功率平衡问题 Copyright © 2013 Hanspub 68  HSPA+系统中的 MIMO 技术研究及其演进 Table 2. Relative degrada t i o n o f n o n - M I M O U E throughput due to addition of S-CPICH (compared to case without S-CPICH)[6] 表2. S-CPICH不同的功率偏置对非 MIMO 终端吞吐率的影响[6] 与无 S-CPICH 时吞吐率损失比较 S-CPICH Ec /Ior PA3 PB3 −10 dB −9.66% −19.08% −13 dB −5.39% −7.29% −16 dB −2.85% −4.19% 5. 总结 MIMO 有效利用了频谱资源和码资源，MIMO 对 于频谱资源紧张或频谱资源昂贵的运营商来说是个 很好的选择。采用双流方案理论上可以将用户峰值速 率提升 100%。但是，MIMO 双流的启用会受到信道 条件影响，当用户所处的无线信道条件较差时，系统 依然还会选择单流方案。使用MIMO 技术还会较大程 度的增加硬件成本，主要是射频单元成本的增加。对 于已部署HSPA 的运营商，需考虑对已有系统的改动 代价。终端的普及率对MIMO性能的影响很大，非 MIMO 终端在 MIMO网络中容量会受到影响，过低的 普及率(低于 30%)可能带来网络容量的负作用。 参考文献 (References) [1] Qualcomm. HSPA+ R8 and R9, 2009. [2] 3GPP TS 25.308 V11.3.0. 3rd generation partnership project; technical specification group radio access network; high speed downlink packet access (HSDPA); overall description; stage 2 (release 11), 2012. [3] 3GPP TS 25.214 V10.2.0. 3rd generation partnership project; technical specification group radio access network; physical layer procedures (FDD) (Release 10), 2011. [4] 赵先明, 张建国, 郝瑞晶等. HSPA+无线网络性能与实践[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2011: 22-24. [5] 3GPP R1-095068. MIMO codebook restrictions for single stream transmissions. Qualcomm Europe. [6] 3GPP R1-093565. Simulation results of reduced S-CPICH trans- mit power. Nokia Siemens Networks, Nokia Corporation. Copyright © 2013 Hanspub 69 |