（通信与信息系统专业论文）tdhsupa系统中mimo技术的研究.pdf

摘要 摘要 为了提高t d s c d m a 上行链路的数据传输速率和系统容量，3 g p p 在r 6 版本中 引入了h s u p a ( 高速上行分组接入技术) 无线接入技术，而m i m o ( 多输入多输出) 技术是无线移动通信的重大突破，能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统 容量和频谱利用率，是新一代移动通信系统不可或缺的关键技术。本文正是研究 将m i m o 技术引入到t d h s u p a 物理层后的上行接收端中的m i m o 信号检测算法。 首先研究基于3 g p pt r2 5 9 9 6v 6 1 o 标准的m i m o 空间信道模型，详细介绍了 空间信道建模的流程，所需的参数定义和不同仿真场景。根据上述内容搭建空间 信道模型，并分别从信道矩阵的空间相关性曲线、功率时延谱及信道容量3 个方面 进行仿真验证和数值分析比较，构成准确分析m i m o 系统性能与设计其相关的 m 蹦o 天线系统的基础。 然后对c d m a 系统中的接收合并算法从接收天线个数、信噪比和误比特率等 方面进行了详细的探讨，包括算法的公式推导和仿真分析。结合t d h s u p a 和 v - b l a s t 空时码的特点，研究了其相关的信号检测算法：迫零和最小均方误差均 衡技术结合串行干扰消除算法，并在搭建的空间信道模型上对相关算法进行仿真 分析。针对在于扰消除过程中，如何有效地选择干扰消除信号，提出了一种改进 的串行干扰消除算法，为t d h s u p a 系统中的m i m o 信号检测算法研究打下了理论 基础。 最后把建立的信道模型应用在t d 。h s u p a 链路级仿真中，给出了m a t l a b 7 0 仿真平台上的仿真链路设计和环境参数设置，对其中的m i m o 发射、信道和接收模 块进行了详细介绍。最后仿真比较上述接收算法，得出在不同调制方式下，接收 端检测算法在不同信道条件下的性能情况。 关键词：多输入多输出、高速上行分组接入、信道模型、最小均方误差( m m s e ) 均衡接收、干扰抵消 重庆邮电大学硕士论文 i i a b s t r a c t a b s t r a c t i no r d e rt oi m p r o v et r a n s f e rr a t e so fu p l i n ka n ds y s t e mc a p a c i t yo ft d s c d m a h s u p a ( h i g hs p e e du p l i n kp a c k e ta c c e s s ) w i r e l e s sa c c e s st e c h n o l o g y i s i n t r o d u c e di n3 g p pr 6v e r s i o n ，a n dm i m o ( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) i sa m a j o rb r e a k t h r o u g hi nt h ew i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s t h et e c h n o l o g yw h i c h c a l ln o ti n c r e a s et h eb a n d w i d t hi n c r e a s e dc o m m u n i c a t i o ns y s t e mc a p a c i t ya n d s p e c t r a le f f i c i e n c yi nc a s eo fe x p o n e n t i a l l y , i ti se s s e n t i a lf o rt h en e x t - g e n e r a t i o n m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m i nt h i sp a p e r , w em a i n l ys t u d yt h em i m o s i g n a l d e t e c t i o na l g o r i t h ma tt h eu p l i n kr e c e i v e ra f t e rm i m o t e c h n o l o g yi si n t r o d u c e di n t o t h et d - h s u p a p h y s i c a ll a y e r f i r s to fa l l ，t h er e s e a r c ho fm i m os p a t i a lc h a n n e lm o d e li sb a s e do n3 g p pt r 2 5 9 9 6v 6 1 0s t a n d a r d ，i td e s c r i b e di nd e t a i lt h ep r o c e s so f s p a t i a lc h a n n e lm o d e l i n g ， t h ed e f i n i t i o no ft h e r e q u i r e dp a r a m e t e r s a n dd i f f e r e n ts i m u l a t i o ns c e n a r i o s a c c o r d i n gt ot h ec o n t e n t ，s p a c ec h a n n e lm o d e li ss t r u c t u r e d ，s i m u l a t i o na n d n u m e r i c a la n a l y s i sc o m ef r o mt h et h es p a t i a lc o r r e l a t i o nc a lv eo fc h a n n e lm a t r i x ， t h ep o w e rd e l a yp r o f i l et ot h ec h a n n e lc a p a c i t yr e s p e c t i v e l y i tc o n s t i t u t e so ft h e b a s i ct h a ta c c u r a t e l ya n a l y s e st h em i m os y s t e mp e r f o r m a n c ea n dd e s i g no fi t s r e l a t e dm i m oa n t e n n as y s t e m 。t h e ns t u d yo nt h er e c e p t i o no ft h ec d m a s y s t e mc o m b i n e da l g o r i t h mb a s e d o nt h ee s t a b l i s h e dm i m os p a c ec h a n n e lm o d e l i td i s c u s s e di nd e t a i lf r o mt h e r e c e i v i n ga n t e n n an u m b e r ，s i g n a lt on o i s er a t i ot ot h eb i te i t o rr a t e ，i n c l u d i n gt h e a l g o r i t h mf o r m u l aa n ds i m u l m i o na n a l y s i s c o m b i n a t i o n t h ec h a r a c t e r i s t i c so f t d - h s u p aa n db l a s ts p a c e t i m ec o d e st os t u d yt h es i g n a ld e t e c t i o na l g o r i t h m s ： z e r o f o r c i n g a n dm m s ee q u a l i z a t i o na l g o r i t h mc o m b i n e dw i t hi n t e r f e r e n c e c a n c e l l a t i o n ，a n ds i m u l a t et h er e l e v a n ta l g o r i t h m so nt h es p a t i a lc h a n n e lm o d e l f o r h o wi n t e l l i g e n ti nc h o o s i n gt h ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o ns i g n a li nt h ei n t e r f e r e n c e c a n c e l l a t i o np r o c e s s ，am o d i f i e di n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o na l g o r i t h mi sp u tf o r w a r d i t h a sl a i dat h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h em i m os i g n a ld e t e c t i o na l g o r i t h mo f t d h s u p as y s t e m f i n a l l yt h es p a c ec h a n n e lm o d e li su s e dt ot h el i n ks i m u l a t i o na tp h y s i c a ll e v e l i nt d h s u p a ，i ti sg i v e nt ol i n kd e s i g na n de n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r ss c tm s i m u l a t i o np l a t f o r mo fm a t l a b ，a n da n a l y s e st h ek e ym o d u l e i tm a i n l yp r e s e n t s l a u n c h ，c h a n n e la n dr e c e i v e rm o d u l e so fm i m o t h ep e r f o r m a n c eo ft h er e c e i v e r i i i 重庆邮电大学硕士论文 a l g o r i t h mo b t a i n e di nd i f f e r e n tm o d u l a t i o na n dv a r i o u sc h a n n e lc o n d i t i o n s k e y w o r d ：m i m o 、t d h s u p a ( h i g hs p e e du pp a c k e ta c c e s s ) 、c h a n n e lm o d e l 、 m i n i m u m m e a n s q u a r e de r r o re q u a l i z e r 、i n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n i v 图索引 图索引 图2 1h s u p a 工作流程1 7 图2 2e u c c h 与e p u c h 的复用( 包含e u c c h t p c 的e p u c h 的数据突发 结构) 2 0 图2 3e u c c h 的码字组成2 0 图2 4 不包含e u c c h t p c 的e - p u c h 数据突发结构2 0 图3 ：1m i m o 信道建模方法的分类2 l 图3 2 用于仿真的信道模型形成概况2 2 图3 j 3 基站与终端之间角度参数2 3 图3 4 情形l 状态下的信道快衰落曲线3 2 图3 5 情形2 状态下的信道快衰落曲线3 3 图3 6 情形1 空间自相关性曲线3 4 图3 7 情形2 空间自相关性曲线3 4 图3 8 情形1 下三个场景的功率时延谱3 5 图3 9 情形2 下三个场景的功率时延谱3 5 图3 1 0 情形1 不同场景下信道容量3 7 图3 1 1 情形2 不同场景下信道容量3 7 图4 1 无线链路中接收分集3 9 图4 2 三种接收算法性能比较4 3 图4 3s d 不同接收天线误比特率性能比较4 4 图4 4e g c 不同接收天线误比特率性能比较4 4 图4 5m r c 不同接收天线误比特率性能比较4 5 图4 6c d m a 环境下不同接收算法误比特率性能比较4 5 图4 7 分层空时码向量编码器示意图4 6 图4 8 城市宏蜂窝环境下两发两收天线q p s k 调制方式仿真示意图4 9 图4 9 城市宏蜂窝环境下两发两收天线q p s k 调制方式仿真示意图4 9 图4 1 0 郊区宏蜂窝信道环境下两发两收q p s k 算法性能比较示意图5 0 图4 。1 1基于功率选择m m s e s i c 算法流程图5 1 图5 1 仿真系统框图5 3 图5 2m i m o 发端模块5 5 v 重庆邮电大学硕士论文 图5 3m i m o 端接收模块5 6 图5 4 终端到达角方向5 8 图5 5 移动台运动方向5 9 图5 6 三扇区的天线模式图5 9 图5 7 三扇区最大增益方向示意图6 0 图5 8 六扇区的天线模式图6 0 图5 9 六扇区最大增益方向示意图6 1 图5 1 0t d h s i j i a 仿真时隙分配6 3 图5 1 1 城市宏蜂窝环境下q p s k 调制下不同算法比较结果。6 5 图5 1 2 郊区宏蜂窝环境下q p s k 调制下不同算法比较结果6 6 图5 1 3 城市宏蜂窝环境1 6 q a m 调制不同算法比较结果无h a r q 重传6 6 图5 1 4 郊区宏蜂窝环境1 6 q a m 调制下不同算法比较结果无h a r q 重传6 7 图5 1 5 城市宏蜂窝环境1 6 q a m 调制下不同算法比较结果有h a r q 重传6 7 表索引 表2 1e a g c h 物理信道承载的信息1 8 表2 2e h i c h 时隙格式。1 9 表3 1 环境参数2 5 表5 1h s d s c h 固定相关信道参数6 3 表5 2 仿真参数参数6 4 表5 3e p u c h 固定参考信道6 4 v i i i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 目前，全球移动数据业务的迅猛发展、对上行链路的数据速率和时延性能都 有较高要求的业务应用的不断增加以及h s d p a 技术的广泛应用极大地推动了对 h s u p a ( m g hs p e e du p l i n kp a c k e ta c c e s s ) 高速上行链路分组接入技术的需求，成为 h s u p a 技术商用的主要驱动力【l 】。虽然目前在t d s c d m a 试验网中，需求较大 的业务类型仍然为以下行为主的业务，h s u p a 的具体引入时间点依赖于网络对以 上行业务需求，但随着未来网络业务媒体化、多样化发展，以及对上行业务需求 的日趋明显，h s u p a 技术必将逐渐引入到网络中，研究t d s c d m a 系统中的 h s u p a 技术意义重大。t d h s u p a 与h s d p a 类似，引入了五条新的物理信道 e p u c h 、e u c c h 、e a g c h 、e r g c h 、e h i c h 和两个新的m a c 实体m a c e 和m a c c s ，并把分组调度功能从r n c 下移到n o d e b ，实现了基于n o d e b 的快速 分组调度。t d h s u p a 通过采用多码传输、h a r q 、基于n o d eb 的快速调度等关 键技术，使得单小区最大上行数据吞吐率达到1 6 m b i v s 下行则可以达到2 8 m b i v s ， 大大增强了t d s c d m a 上行链路的数据业务承载能力和频谱利用率。 中国公司在t d s c d m a 系统研究的基础上，结合在t d h s d p a 领域扎实的 理论基础和丰富的技术实践，在这些关键领域已经拥有很多知识产权，保证了在 t d s c d m ah s u p a 研究中具有较强的竞争力。从技术标准的角度看，h s u p a 是 提高数据传输速率必然趋势之一。t d s c d m a 是我国第一个拥有自主知识产权的 国际通信标准【2 1 ，采用此项技术的h s u p a 能够避免技术上的垄断带来的知识产权 问题。研究基于t d s c d m ah s u p a 的相关技术，一方面是为了使得h s u p a 商用 化得以顺利进行，另一方面也是提升这一技术在国际上的竞争力。 信道是影响蜂窝无线通信系统性能的关键因素，它的特点对无线信道中实现 高速可靠传输提出了极大的挑战。发射机与接收机之间的传播路径非常复杂，从 简单的视距传播到复杂的由各种障碍物，如山脉，街道，建筑物和其他移动的物 体而引起的反射、绕射和散射传播。这些因素的总和称之为这一地区的传播环境。 由于上面提到的各种因素具有极度的随机性，用固定的函数是无法表达传播环境 特性的，在统计意义上对无线信道进行建模是一个相对不错的思想。另外，为了 研究移动通信系统的性能，定义一个比较能够准确反映移动传播环境的信道模型 是必不可少的。而如何充分开发利用有限的频谱资源，提高频谱利用率，也是当 前通信界研究的热点课题之一。追求尽可能高的频谱利用率己成为并且在今后仍 然是一个充满挑战的问题。这种挑战促使人们努力开发高效的编码以及信号处理 9 重庆邮电大学硕士论文 技术来提高无线频率的效率。多输入多输出( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ， m i m o ) 的多天线技术可使蜂窝通信的信道容量不受限制地提高，这为未来移动通 信技术的发展指明了方向。许多研究证吲3 】【4 】【5 1 ，在通信系统中使用m i m o 技术能 够增加信道容量和频谱利用率，扩展覆盖范围，减少多径衰落和同信道干扰，降 低误比特率。 1 2 研究现状 随着3 g p ph s d p a 标准化的完成，3 g 系统对下行分组数据业务的支持能力有 了很大的增耐6 1 。这自然就引发了一个考虑，h s d p a 采用的关键技术是否可以应 用于上行分组业务的优化，进而对覆盖、吞吐量以及时延等上行性能进行改善。 于是，3 g p p 启动了针对h s u p a 技术的研究，最早是建立了w c d m a 上行增强可 行性分析的研究项目。随后，t d d 厂家也提出并建立了t d d 上行增强研究项目， 对基站快速调度、a m c 、h a r q 等技术进行评估。作为3 g p p 标准重要组成部分 的t d s c d m a ，也在h s u p a 方面做了很多研究和评估工作。 2 0 0 5 年，在3 g p p 开始了对t d d 系统上行增强技术的分析评估工作。通过仿 真分析，验证了h a r q 、a m c 等技术能对上行分组性能带来较大的提升。2 0 0 6 年3 月，3 g p p 正式提出并通过了开展t d 上行增强工作项目的建议。t d h s u p a 标准化工作正式开展，并在3 g p p 的几个工作组建立了相关的技术报告，开始具体 的标准研究工作。其中，以r a n l 工作组和r a n 2 工作组为主建立了两个技术报 告，分别研究对空中接口物理层协议和m a c 层协议的修改和影响。同时，由于 n o d eb 增加了m a c e 实体，对网络结构产生了一定影响，加上对新增的特性指标 和性能分析，r a n 3 工作组和r a n 4 工作组也展开了相关研究。该工作项目于2 0 0 7 年6 月份完成，相关标准内容已经在3 g p pr 7 版本中体现。 在3 g p p 完成h s u p ar 7 的规范后，国内c c s a 也启动了行标制定的工作。 在2 0 0 7 年4 月的会议上建立了t d h s u p a 行标项目，内容以及工作考虑包括制定 总体技术报告以指导接口技术要求。考虑到兼容一版行标n 频点特性以及t d 产 业化现状，大唐移动提议先考虑单载波的方式，关键技术与3 g p pr e l 一7h s u p a 保 持一致，规范制定和修改上考虑n 频点特性，这一点得到了业界的广泛认可。在 c c s a 的组织下，t d - h s u p a 特性将体现在3 版行标中。目前，相关规范正在制 定起草过程中，已完成接口技术要求征求意见稿，在协会t c 5w g 9 工作组征询意 见，并且预计下半年将启动设备和测试规范的起草工作。 对于h s u p a 来说，未来将引入m i m o 技术，m i m o 可以拓展信号的空间维 度，来进行空间复用或者空间分集。在空间复用时，h s p a 中的m i m o 在原有c d m a l o 第一章绪论 的基础上，同一个码字可以复用于多个数据流，来达到提高吞吐量的效果，从而 提高频谱利用率。在空间分集时，m i m o 可以利用不同天线阵列的空间分集增益 来获得信号质量的提升，因而对于需要较大信噪比的高速数据业务非常有利。在 向h s p a 引入m i m o 的过程中，曾经讨论过多种的方案，最终采用的是双数据流一 发射自适应天线阵列( d t x a a ) 模式( 2 发2 收的天线阵列) ，它由w c d m a 中 原有的闭环发射分集改进而来，最大支持两个不同的数据流。目前在t d h s u p a 系统中，考虑到l i e 的硬件实现和成本损耗问题，目前t d dh s p a 系统的m i m o 方案中l i e 最多可支持下行链路的双天线接收，因此本文正是基于目前的研究现状 提出了一种在多天线信道环境下，对t d h s u p a 上行接收算法进行研究。 1 3 论文主要研究内容及结构安排 本文以t d h s u p a 网络为背景，首先根据相关标准要求对多天线信道进行仿 真建模分析；并结合t d h s u p a 系统的协议架构、引入的新信道及关键技术等搭 建出一个t d h s u p a 仿真链路环境，在设定的网络环境下对其研究方案进行仿真， 验证目标结果。 本学位论文是基于多天线技术的t d h s u p a 系统性能研究，课题来源于大唐 技术有限公司项目“t d s c d m ah s u p a 系列化商用无线系统设备研发与产业化” ( 2 0 0 9 z x 0 3 0 0 1 0 0 4 )，国家科技重大专项( 项目编号： 2 0 0 9 z x 0 3 0 0 1 0 0 4 & ：2 0 0 9 z x 0 3 0 0 3 0 0 6 ) 。本学位论文是根据作者自己已发表、录 用和投稿的论文整理而成，包含1 篇国内中文核心期刊和1 项专利申请。 本文的主要内容和章节安排如下： 第二章首先概述了m 蹦o 的技术特点和t d h s u p a 的发展进程、以及相比于 f d d 模式下的t d h s u p a 所具有的优势。然后对t d h s u p a 系统的相关技术进行简 要介绍，包括调度和非调度传输、资源授权技术，并对系统中新增的三个物理信 道( e a g c h 、e h i c h 、e e p u c h ) i 拘时隙格式、控制信息和数据突发结构进行了 分析介绍。 第三章是本论文的重要方法论基础，首先给出了3 g p pt r - t 1 2 2 5 9 9 6v 6 1 0 标准中的m i m o 信道建模的基础理论和方法，并对建模流程作了相应的概述。然后 给出了所需参数的定义和不同信道环境下( 城市宏蜂窝，微蜂窝、郊区宏蜂窝) 参数形成步骤。在m a t l a b 7 0 平台上根据标准给定的相关系数参考值搭建了m i m o 信道模型，并通过快衰落、互相关性，功率时延谱、系统容量等几个方面来验证 阐述多天线模型的正确性和实用性。 第四章首先介绍了三种基本的接收合并算法，并对相关的公式进行了推导。 重庆邮电大学硕士论文 并通过仿真比较在了在多天线环境下的三种算法在不同的接收天线数目下有效的 信噪比的改变情况，还通过在c d m a 系统下对这三种接收合并技术做出了比较分 析。然后对b l a s t 结构检测算法的作了简要的介绍。在此基础上提出了对z f s i c 和m m s e s i c 功率选择性优化算法，并在第三章多天线模型的基础上对其中的算法 性能进行了分析和验证。本章主要是介绍其相关接收端的合并技术和检测算法， 在后面的章节中将利用两者之间的结合对其在链路仿真中对其算法性能比较做出 相关的分析。 第五章首先阐述了t d h s u p a 物理链路仿真的基本理论和模型，给出相关的仿 真链路设计，在此基础上系统的介绍了相关的链路仿真过程中m i m o 发送、信道和 接收模块。由于本文作者的能力有限对相关的模块进行了一些简化，省去了一些 复杂但对总体链路性能影响不大的功能模块，总体的链路与t d h s u p a 标准吻合。 最后，在其物理仿真链路上对相关的改进算法进行仿真，并与单天线系统的算法 理论值进行分析比较。 第六章是本论文的结论部分，总结了论文的全部工作，并提出了对未来的研 究工作的设想。 1 2 第二章t d - h s u p a 系统介绍 2 1 引言 第二章m i m o 和t d h s u p a 系统介绍 t d s c d m a 的h s u p a 标准制定从2 0 0 7 年开始【1 0 】，主要写入3 g p p 的r 7 版 本中，在单载波的情况下，将上行数据速率提高到2 2 m b i t s ，这些性能的提高主要 得益于系统在物理层中引入了新增的物理信道和相关的关键技术，包括快速调度、 混合自动重传请求( h a r q ) 及自适应调制编码( a m c ) 等，而m i m o 技术能够 在空间中产生独立的并行信道同时传输多路数据流，这样能够在不增加带宽的情 况下提高频谱利用率或提高系统的性能。本章将对这些系统和相关理论进行介绍。 2 2m i m o 概述 多输入多输出( m u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t ：m i m o ) 是用来描述多天线无线通信 系统的抽象数学模型【l l 】【1 2 】【1 3 1 。这项技术利用多个发射端独立发送信号，同时在接 收端多根天线接收并恢复原信息。该技术最早用来抑制信道衰落，是由马可尼1 9 0 8 年提出的。网络资料通过多重切割之后，经过多重天线进行同步传送，由于无线 讯号在传送的过程当中，为了避免发生干扰起见，会走不同的反射或穿透路径， 因此到达接收端的时间会不一致。为了避免资料不一致而无法重新组合，因此接 收端会同时具备多重天线接收，然后利用d s p 重新计算的方式，根据时间差的因 素，将分开的资料重新作组合，然后传送出正确且快速的资料流。由于传送的资 料经过分割传送，不仅单一资料流量降低，可拉高传送距离，又增加天线接收范 围，因此m i m o 技术不仅可以增加既有无线网络频谱的资料传输速度，而且又不 用额外占用频谱范围，更重要的是，还能增加讯号接收距离。所以不少强调资料 传输速度与传输距离的无线网络设备，纷纷开始抛开对既有、矾- f i 联盟的兼容性要 求，而采用m i m o 的技术，推出高传输率的无线网络产品。 尽管m i m o 技术有很多显著的优点，但也存在两个因素影响着m i m o 技术的 商业化进程，一是天线问题，在m i m o 的系统设计中，天线的数目和间距是很重 要的系统参数。具有多天线的基站更多地关注环境，因此，天线元的数目被限制 在恰当的数目，比如说两根或四根天线。而对于终端而言，至少1 2 波长间距才能够 保证非相关衰落，根据h s u p a 系统载频2 g h z ，天线间距至少为7 5 c m ，间距参 数对于实现m i m o 的高频谱效率尤其重要。然而，对于目前手机而言，安装两根天 线已是不小的问题。第二个因素是接收机复杂度的问题，由于采用空时均衡技术， 使得接收端的复杂度大大增加。因此，m i m o 接收机应该是双模的，以支持非m i m o 1 3 重庆邮电大学硕士论文 模式。在m i m o 模式时，接收机的每根天线使用一个r f 链路，另外还要有附加的 基带操作，即用来消除空间干扰的空时合并器和检测器。这些附加需求使得两发 两收m i m o 系统的复杂度大约是单天线接收机的四倍。h s p a + 系统最大的天线配 置是两发两收，同时要求m i m o 接收机支持非m i m o 模式。 2 3t d h s u p a 系统简介 2 0 0 8 年是t d s c d m a 发展里程上关键的一年，中国政府和t d s c d m a 的各界 开发人员经过八年的努力，终于将我国自主提出的t d s c d m a 标准从理论变成可 以商用的网络，向世人们展示中国在无线移动通信领域的实力。中国移动对 t d s c d m a 网络的运营，给t d s c d m a 的发展又增加了强有力的动力，使得 t d s c d m a 系统成为目前3 g 移动通信中最具有发展前景的制式。在t d s c d m a 发 展进程中，t d s c d m a 系统【9 】的数据传输一度受到各个方面的影响。许多人对 t d s c d m a 数据传输提出了各种各样的置疑，于是提出了高速分组接入技术。然 而t d h s d p a 技术虽然解决了高速下行分组数据接入的功能，实现了终端下行音视 频以及各种数据文件的功能，但是无法解决高速上行分组数据传输的功能，例如 终端视频上载等需要高速的上行数据传输需求，这就是提出t d h s u p a 最根本也是 最直接的原因。h s u p a ( h i g hs p e e du p l i n kp a c k e ta c c e s s ) 高速上行链路分组接入。 h s u p a 通过采用多码传输、h a r q 、基于n o d eb 的快速调度等关键技术，使得单 小区最大上行数据吞吐率达到2 2 4 m b i t s 引，大大增强了t d s c d m a 上行链路的数 据业务承载能力和频谱利用率。： 与h s d p a 类似，h s u p a 弓i 入了五条新的物理信道e p u c h 、e u c c h 、 e a g c h 、e r g c h 、e h i c h 和两个新的m a c 实体m a c e 和m a c e s ，并把分组 调度功能从r n c 下移到n 0 d e b ，实现了基于n o d e b 的快速分组调度，并通过混合自 动重传h a r q 及多码传输等关键技术，使得上行链路的数据吞吐率最高可达到 5 7 6 m b i t s ，大大提高的上行链路数据业务的承载能力。w c d m a 和t d s c d m a 的 h s u p a 在技术上实现方式大致相似，并且网络演进都可以在不改变已经建设的网 络架构前提下，只需要软件升级即可完成。比较而言，t d d 模式的h s l h ) a 比f d d 模式的h s u p a 具有一定的优势【7 】： 1 ) 首先，频谱利用率较高，在上行时隙配置为4 ：2 时，单载波( 1 6 m h z 带 宽) t d s c d m ah s u p a 的理论峰值速率可以达n 2 2 4 m b p s ，在1 0 m h z 带宽d 内能够达到峰值速率( w c d m a 的一对载波带宽) 大于w c d m ah s u p a 相应的速率。 2 ) 其次，相对于w c d m a 系统而言，多载波t d s c d m a h s u p a 系统由于自 1 4 第二章t d h s u p a 系统介绍 身的特点，将更适合不同业务和综合调度效率的提高，为运营商带来更大 的收益。 3 1 另外，对于w c d m a 系统，如果要在1 0 m h z 的带宽内提供h s u p a ，要求 上下行的5 m h z 的带宽分别都是连续的；而在t d s c d m a 系统中，则可以 使用6 个分离的1 6 m h z 载波，在载波资源受限的情况下，这无疑是一个巨 大优势。 综上所述，t d s c d m a 向增强型技术和l t e 演进，将使得t d s c d m a 具备持 续的发展能力和长远的竞争力。在这些增强的系统中，m i m o 技术无疑是其中的一 项关键技术，它可以在有限的带宽内提高频谱利用率并降低数据传输的成本，本 文研究的重点是，基于现有标准，分析m i m o 技术及其在t d h s u p a 系统中的应用。 2 4t d h s u p a 系统关键技术 从t d s c d m a 的数据传输角度来分析，t d h s d p a 和t d h s u p a 采用的关 键技术基本相同，即都采用了自适应调制和编码技术、h a r q 技术、高阶调制技 术以及快速调度技术【1 4 】。这些技术是保证t d s c d m a 能够提供高速的上下行数据 传输的基本要求。在这里不准备对这些内容进行详细介绍，而重点介绍t d h s u p a 和t d h s d p a 不同的地方，以及这些不同给终端实现带来的困难。 2 4 1 调度传输 在t d s c d m a 的h s d p a 和h s u p a 中都存在数据调度传输，无线资源都是 由网络进行控制，但是在实现上，h s d p a 和h s u p a 存在很大的差别。对于h s d p a 情况，网络可以根据是否需要进行数据传输以及数据传输量直接进行无线资源指 派，不需要终端的参与。即网络如果需要进行数据传输则直接使用h s s c c h 物理 信道通知终端，终端在h s p d s c h 物理信道上接收数据，所以在数据传输和调度 上，终端的实现相对比较简单，h s d p a 终端仅仅将收到的数据合并起来上报到应 用层即可。但是在h s u p a 系统中，这种情况发生了很大的变化。 在h s u p a 中，是否需要进行上行数据传输以及数据传输的量是由终端控制， 网络对无线资源的调度将受到终端上报的调度信息控制，以此在h s u p a 中需要增 加调度信息的上报过程，即利用e r u c c h 过程或是在m a c - ep d u 中携带调度信 息进行上报。在数据调度传输方面，在终端则，h s u p a 也比h s d p a 提出了更高 的要求。根据目前h s u p a 的标准的要求，终端收到e a g c h 之后，即相隔5 m s 之后，终端将在指定的e d c h 许可资源e p u c h 上发送数据，然而在终端侧，大 量的数据是缓存在r l c 的缓存中。在这么短的时间内，终端将解读e a g c h ，并 重庆邮电大学硕士论文 且根据e a g c h 的内容进行e t f c 的选择，然后将r l c 数据下传到m a c 层，并 且组装成m a c ep d u 数据包。在h s d p a 中是不存在这些过程，所以在h s u p a 中，对芯片的处理能力提出了更高的要求。 2 4 2 快：速h a r q 快速h a r q 允许n o d eb 对接收到的错误数据快速请求重传，h a r q 功能在媒体 接入控制高速( m a c e ) 层实现，该层在n o d eb 处终止。这样，快速h a r q 的重传时 延远低于r l c ( 无线链路控制子层) 的重传时延，大大降低了t c p i p 和时延敏感业 务的时延抖动。在解码之前，n o d eb 将之后重传的信息与原来传输信息合并，这 就是通常所说的软合并。软合并可以增大容量和特定数据速率的覆盖率。 t d h s u p a 的h a r q 算法与t d h s d p a 在许多方面都相同，如采用停等a r q 模式、 在同一个物理信道上采用多个h a r q 进程等。但是上行增强h a r q 算法与h s d p a 的区别在于h a r q 进行重传时，每次重传的t f c 格式不一致。这主要是因为上行链 路规定u e 的c c t r c h 信道只能有一个，当数据分组需要重传时，由于时间关系， 每次传输的t f c 集合可能不同，这样重传的业务组合会有变化。e d c h 传输资源由 n o d eb 通过e a g c h 分配，然后由e h i c h 返回应答信息，这里存在着时序问题。 其中终端接n e a g c h 和随后开始传输e d c h 的时隙间隔，现在一般定义为6 个时 隙( 与u e 的处理能力有关系) ，终端传输e d c h 和收到基站应答的时间间隔的值由 高层配置，取值范围为4 到1 5 时隙。h a r q 相关的上下行信令，主要有通过上行 e u c c h 携带的h a r q 进程i d ( 3 l i , 特) ，重传序列号r s n ( 2 比特) 和其它，如支持进程 的个数和n e h i c h 相关信息由高层配置。 2 4 3 自适应编石- q - 9 调制( a m c ) 自适应编码与调n ( a m c ) ，是指依据用户信道质量状况动态，调整传输数据 使用的调制和编码方式。当用户信道质量较好时，使用较高阶的调制和编码；反 之，则使用较低阶的方式。对于t d h s u p a ，由于上行o v s f 码资源有限，需要采 用高阶调制来提高系统的频谱效率，虽然目前仅仅考虑的是8 p s k 和1 6 q a m ，但是 在采用智能天线技术以后，有可能使用6 4 q a m ，因为使用智能天线将会大大提高 链路信道质量，从而提高链路性能。 1 6 第二章t d h s u p a 系统介绍 2 5t d h s u p a 系统工作流程 图2 1h s u p a 工作流程 图给出了t d h s u p a 的工作流程，从图中可以看出h s u p a 把调度和重传控制的 功能从r n c 移到了n o d eb 端。h s u p a 工作流程具体步骤如下【1 5 1 ： 1 ) u e 根据信道质量、可用发射功率、缓冲区中等待数据量决定要申请的速率， 并向n o d eb 端发出申请。 2 ) n o d eb 端调度器根据系统中采用的调度算法算出各个用户的优先级，并据此 将各用户排队。 3 ) 按照优先级，n o d eb 根据系统热噪声增长量( r o t , n o i s eo v e rt h e r m a l ) 或者终 端吞吐量，并结合用户申请的速率，对队列中的各个用户决定分配的速率、并 通过e a g c h e i 崛c h 发送调度指令通知u e 4 ) u e 通过e p u c h 发送数据包，并通过e p u c h 传送相应控制信息。 5 ) n o d eb 对e p u c h 上的数据包进行解调，并根据c r c 的检测结果在e h i c h 上发送a c k n a c k 响应。 6 ) u e 根据收到的a c k n a c k 决定是否重传、若收到n a c k 消息，需重传、直 到收到a c k 消息或者到达系统设定的最大重传次数为止。 2 6t d h s u p a 新增信道介绍 2 6 1e a g c h ( e d c h 绝对许可信道