要害字:3GPP UMTS 運營商　MIMO　放大器　互聯網　無線通信　接入網　網絡　802.11　DSL　頻譜利用率　射頻　IEEE　OFDM　CDMA　電池　天線　局域網　WLAN　HSDPA　WCDMA　QoS　寬帶　　

    摘要：基于正交頻分復用（OFDM，Orthogonal frequency division multiplexing）和多入多出（MIMO，Multiple Input Multiple Output）的高速OFDM分組接入（HSOPA，High-Speed OFDM Packet access）是UMTS網絡中高速下行分組接入（HSDPA，High-Speed Downlink Packet Access）的下一步演進技術。

    通過利用OFDM，MIMO技術，HSOPA可以提高頻譜效率，支持更多的用戶數目和更高的QoS保證，降低每兆字節的傳輸成本，從而大大的提高運營商的商業競爭力。

    1、引言

    在3GPPR5中引入了HSDPA技術，與R99相比它可以為用戶提供更高的下行數據數率（R99中最高的速率為2Mbit/s，而在R5中HSDPA的理論速率是14.4Mbit/s），因而可以為用戶提供更加豐富多彩的業務。在HSDPA中它采用了一些新的技術，比如自適應調制編碼（AMC，AdaptiveModulationCoding）、較短的幀長、多碼子操作、快速物理層HARQ（Hybrid-Automatic Repeat Request）和Node B快速分組調度等技術。

    但是隨著互聯網技術的不斷發展，人們對數據傳輸速率的要求也越來越高，因此學者們就提出了HSDPA的下一代演進技術：HSOPA技術。與HSDPA相比，HSOPA引入了兩種要害技術，一種是MIMO技術，通過空時處理MIMO可以提高系統容量和可靠性；另一種要害技術是OFDM，OFDM技術可以大大的提高頻譜效率，它已經在WiFi（IEEE802.11）和WiMAX（IEEE802.16）中廣泛使用。與只使用OFDM技術相比，將這兩種技術結合起來所能支持的用戶數將增加一倍。HSOPA是HSDPA的演進技術，從HSDPA到HSUPA（High-SpeedUplinkPacketAccess），最終演進到HSOPA，其所能提供的數據速率和頻譜效率越來越高。

    HSOPA可以為不同用戶提供不同質量的服務：對于那些金牌用戶，HSOPA可以為他們提供最高的數據傳輸速率；對于重要用戶，HSOPA可以為其提供中等的數據傳輸速率；而對于普通用戶而言，HSOPA只需為他們提供一般的速率就可以了。

    在HSOPA以前，OFDM和MIMO技術都沒有在標準的公眾蜂窩網上使用過，因此二者的結合是技術上的一種突破。它可以實現更高的頻譜效率。通過現有的試驗來看，利用OFDM-MIMO技術，用戶的數據傳輸速率可以達到40Mbit/s，這個速率幾乎是目前HSDPA峰值理論速率的4倍。

    2、HSOPA的目標

    在2005年4月北京召開的3GPP會議上，不同的制造商和運營商對用于無線網絡中的OFDM-MIMO技術進行了深入的探討。大家一致認為結合OFDM-MIMO技術。HSOPA可以實現：

    （1）增加無線頻譜效率：我們知道在WCDMA系統中其信道的帶寬是5MHz，其靜止環境下的最高數據傳輸速率是2Mbit/s，HSDPA的峰值理論速率也只有14.4Mbit/s，然而通過OFDM-MIMO技術，HSOPA的數據傳輸速率可以達到40Mbit/s，可以看出HSOPA的頻譜效率是非常高的。

    （2）支持更多的用戶數目：通過實際的系統測試，對于一個5MHz的載波，HSOPA所能同時支持的用戶數目可以超過100。

    （3）降低每比特的傳輸成本：由于HSOPA可以為用戶提供較高的傳輸速率和較多的用戶數目，因此其單位比特的傳輸成本將大大的降低，從而更加具有商業競爭優勢。

    （4）改善用戶的通信體驗：HSOPA可以大大減小數據的傳輸延時，例如對于ping一個同樣大小的數據包來說，HSOPA的延時是UMTS的1/6。要達到這個要求需要對接入網的結構進行必要的修改，減小用于數據處理、傳輸的網絡節點的個數。

    總之，為了實現上面的目標，在HSOPA技術中，學者們提出了OFDM技術和MIMO技術的結合。對于OFDM技術而言，它易于擴展，可以克服多徑衰落，從而無需復雜的均衡技術。對于MIMO來說，它通過多根收發天線可以大大提供系統的傳輸容量，從而提高無線頻譜效率。同時，利用空時編碼技術可以明顯的改善數據傳輸的可靠性。

    3、HSOPA中的兩種要害技術

    3.1 HSOPA中的OFDM技術

    在過去幾年中，OFDM已經成功的用于各種有線、無線系統中，尤其是在無線局域網方面，人們對OFDM技術有著濃厚的愛好。在目前的許多無線應用中，例如數字音頻廣播（DAB，DigitalAudioBroadcast）、數字視頻廣播（DVB，DigitalVideo Broadcast）、WLAN（IEEE802.11a和IEEE802.11g）以及WiMAX（IEEE802.16）都使用了OFDM技術。在有線系統比如異步數字用戶線（ADSL，Asynchronous Digital Subscriber Loop）也使用了OFDM技術。

    OFDM是一種調制接入技術，因此對于存在多徑傳播的無線環境，它能夠很好地反抗多徑衰落，從而無需復雜的均衡技術。對于傳統的調制方式而言，由于多徑衰落的存在，通常其性能都要低于其理論性能。對于窄帶信號而言，它必然引起符號間的干擾，從而造成信號的畸變。此時通常需要采用均衡技術才能解決。對于寬帶系統而言，寬待系統可以通過RAKE技術將多徑信號加以接收合并，從而消除多徑衰落。

    OFDM是一種無線環境下的高速傳輸技術。無線信道的頻率響應曲線大多是非平坦的，而OFDM技術的主要思想就是在頻域內將給定信道分成許多正交子信道，在每個子信道上使用一個子載波進行調制，并且各子載波并行傳輸。這樣，盡管總的信道是非平坦的，具有頻率選擇性，但是每個子信道是相對平坦的，在每個子信道上進行的是窄帶傳輸，信號帶寬小于信道的相應帶寬，因此就可以大大消除信號波形間的干擾。由于在OFDM系統中各個子信道的載波相互正交，它們的頻譜是相互重疊的，這樣不但減小了子載波間的相互干擾，同時又提高了頻譜利用率。

    OFDM信號處理比較簡單，它使用了兩種眾所周知的數字信號處理技術：快速反傅立葉變換（IFFT，InverseFastFourierTransform）和快速傅立葉變換（FFT，Fast Fourier Transform）。其調制過程如圖1所示。

    圖1 OFDM信號調制過程

    在OFDM處理的發射側，首先將原始數據進行信道編碼以克服信道的隨機差錯，隨后進行數據交織，這樣可以解決信道的突發差錯。隨后將數據比特映射成符號，可以進行四進制移相監控（QPSK，QuaternaryPhaseShiftKeying）映射，也可以是正交幅度調制（QAM，Quadrature Amplitude Modulation）映射。然后進行串并變化，并進行快速反傅立葉變換，以形成多個正交的子載波。為了克服多徑衰落所引起的符號間干擾，在符號的末尾要插入保護間隔。在接收側首先將符號保護間隔刪除。然后進行快速傅立葉變換解調出各個子載波的數據，然后進行并串變換、去交織、譯碼以恢復初始的數據。

    OFDM另外一個優點就是在頻域的擴展比較簡單，只需要簡單的調整子載波的數目就行。比如對于WCDMA的5M帶寬，可以采用1024個子載波。當然，OFDM技術也存在一些需要克服的問題。比如其面臨的第一個挑戰就是較高的峰均比（PAPR，Peak-to-AveragePowerRatio）。過高的PAPR將增加對射頻原件線性的要求，尤其是增加了對功放的要求。因此假如不對PAPR進行適當的處理，那么放大器的功率效率將下降，這無疑將影響到終端的大小和電池的壽命。目前，學者們在這個方面已經提出了多種方案。其中的一種比較重要的方法就是利用數字信號處理和編碼技術加以解決。OFDM面臨的第二個問題就是它對頻偏十分敏感，因此對晶振的要求非常高。

    3.2 HSOPA中的MIMO技術

    在OFDM系統中雖然多個子載波相互正交，提高了系統的頻譜效率。但是，由于在每個符號的末尾插入了循環保護間隔所以在一定程度上又降低了傳輸效率。

    由于MIMO（MultipleInputMultipleOutput）系統可以提高無線系統的系統容量和系統的可靠性，所以該技術得到了越來越多的關注，其中的一些要害技術已經被寫入了一些無線通信的標準中。

    MIMO信號可以通過兩種不同的方式來改善無線通信：一種是分集（Diversity）機制，而另一種就是空間復用（SpatialMultiplexing）機制。分集機制通過利用發射天線和接收天線之間多條通路來改善通信系統的魯棒性（Robustness），從而改善系統的誤碼率（BER，BitErrorRate）。分集也可以通過多個發射天線來獲得，但是此時必須考慮多個發射天線之間的干擾，這就是空時編碼（STC，Space-Time Coding）所要研究的內容。我們把BER對信噪比（SNR，Signal to Noise Ratio）的斜率稱為分集階數（Diversity Order）。對于一個具有Mr根接收天線和Mt根發送天線的MIMO系統，通過空時編碼可以達到的分集階數為MtMr。

    另一種技術是空間復用機制，在充分散射的MIMO環境中，接收天線可以識別出同時從多個發射天線發射出來的信號。也就是說，系統可以等價為一個并行獨立的數據流，其容量是單天線系統的min（Mr，Mt）倍。而我們知道對于功率，容量與之僅成對數關系。所以對于MIMO系統，其容量增益來自多個并行的空間信道，因此我們稱之為空間復用。該機制的一個聞名實例就是BLAST（BellLabsSpaceTime）系統。

    在目前實際的無線應用中，IEEE802.11n中采用了MIMO技術，所以其傳送的數據比特速率是IEEE802.11g的兩倍。

    MIMO實現空間分集是比較簡單的，通過簡單的空時分組編碼就可以實現，例如alamouti碼，在該系統中發送天線是兩根，發送的符號每兩個分成一組，表示為x1和x2。對于第一根天線其發送的序列是x1和-x2*，同時第二根天線發送的序列是x2和x1*。這兩根天線所發送的信號序列是正交的，其系統框圖如圖2所示。

    圖2 Alamouti編碼調制框圖

    MIMO系統和OFDM系統的結合將減小空時處理的復雜度。例如，對于一個2×2（兩根發射天線，兩根接收天線）的MIMO系統而言，在一個5MHz的信道上，OFDM的處理復雜度將比傳統的CDMA系統低12倍。

    4、HSOPA的頻譜規劃

    HSOPA的頻譜可以跟現有的3G系統共載頻，也將引入新的頻段，比如在歐洲2.6GHz的頻譜已經分配給了IMT-2000（InternationalMobileTelecommunication-2000）技術，并且在2008年后便可以使用。一般在建設的初期，由于用戶數量和負荷都比較少，此時一般考慮將HSOPA和現有的3G系統共載頻，這樣可以重復利用饋線和天線，節省成本。隨著用戶數量的不斷發展，HSOPA會對其它3G業務產生較大的干擾，所以，此時建議HSOPA使用單獨的載頻。

    5、結束語

    將OFDM和MIMO兩種要害技術引入HSOPA中，大大增強了其訪問因特網的能力：可以提供更高的數據速率；可以提供更強的QoS保證；可以承載更多的用戶數目：大大降低了每兆字節的傳輸成本，提高了運營商的商業競爭力。(寧一編輯)