HSPA+如何透过MIMO技术突破传输限制

 以CDMA为基础的WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access)，通讯技术的最高数据传输速率，从第1代Release 99实际布建的384 Kbps，大幅提升到我们介绍过的HSDPA(High Speed Downlink Packet Access)的下行14.4 Mbps，及HSUPA(High Speed Uplink Packet Access)的上行5.76 Mbps后，永不满足且持续创新的人们思考着：在CDMA技术的基础上，是否可以再更进一步提高传输速率呢？ 

         在建立于OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)技术基础上的第4代行动电话技术(4G)制定完成前，我们要怎么再加强现有的系统？就在这样的环境下，HSPA+(High Speed Packet Access Plus)满足了现有用户的期望，即在Release 7中，上行理论值最高仅11 Mbps，下行更可达28 Mbps。 

         前面介绍HSDPA和HSUPA时，我们提到一些提升传输速率的方法，例如，改善调变技术、快速重传的机制、同时多码的传送…等。HSPA+继承这些为加速传输设置的机制，并在这基础上加入了MIMO(Multi-input Multi-output)通讯技术。 

         HSPA+使用2 x 2 MIMO，其观念如下图1所示。

图1：MIMO多重数据传输。

         在1个无线通讯系统中，当传送与接收端拥有1个以上的时，此系统就可利用这些不同天线，来传送不同数据流。由于这些数据流在时间及空间领域上正交；换句话说，在理想状态下，这2个数据流对彼此只会造成极小干扰。

         因此，HSPA+用的 2 x 2 MIMO在理想状态下，可达到2倍数据传输量。

         如图1上所示，在整个环境非常良好时、且每个数据流都够强时，我们的确适合用它们来传送不同数据。

         但真实世界总是不完美，这些不同的数据流，通常都是不等的！比较强的那个数据流，会受比较少的干扰；而比较弱数据流，却被较严重干扰。

         在这种情况下，我们可考虑将较多的能量，放在转强的那个数据流上，如图1下。显而易见的，以这个做法，它无法传送2倍的数据量，但它却能增加无线讯号的涵盖范围及讯号强度。

         所以，它会比没有使用此技术的系统，有较佳的数据传输量。而这种把较多能量摆放在某个数据流上的技术，我们称之为beamforming。

         想象一下，1群演员在舞台上进行表演，但是聚光灯却总是跟着故事主角移动。当主角往左，灯光也朝着往左；而主角走到舞台右侧时，灯光还是跟向舞台右边移动，打在主角身上。故事的情节走到哪，聚光灯就打在那里。这样移动灯光和在舞台上的焦点过程，就是所谓的beamforming的概念。

         图2中的，就像舞台上的主角(接受端)一样，随着它的移动，以及给网络的回报，基地台，也就是我们前面提到的聚光灯(传送端)，会根据手机位置改变方向，打出较集中也较强的讯号。如此一来，手机会得到较强的讯号，并且受到来自其它讯号较小的干扰。

图2：Beamforming概念图例。

         在HSPA+中，MIMO这项技术，只用在下行的方向。也就是说，MIMO只能跟HSPDA结合使用。下图3描述HSPA+的运作流程。基本上，它的运作方式与我们先前介绍的Release 5的HSDPA大同小异。

         首先，网络透过HS-SCCH(High Speed Shared Control Channel)此下行频道，告知使用者接下来要去听哪些频道上的数据，在这里就会包括了要有1个或2个数据流。听到HS-SCCH上有给自己的讯息后，使用者接下来马上去HS-PDSCH(High Speed Physical Downlink Shared Channel)接收数据。

         接着，再利用上行HS-DPCCH(High Speed Dedicated Physical Control Channel)传送ACK/NACK及回报现在网络质量CQI(Channel Quality Indicator)，告知网络希望接下来拿到1个或2个资料流。网络会根据这个回报的HS-DPCCH，决定下次要给该使用者的数据量、调变方式、及1个或2个数据流。之后重复着这样的循环。

         图3：HSDPA + MIMO运作流程图。（略）

         最后，我们来探讨MIMO对手机其它方面的影响。在HSPDA的介绍中曾提过，HARQ快速重传机制，由于HSPA+中可能同时有2个数据流，所以手机需2倍的HARQ程序。下图4是1个在2个数据流下使用HARQ程序的例子。

图4：HARQ程序处理范例。

         在这个例子中，假设该手机拥有12个HARQ程序。网络端会利HS-SCCH告诉手机，现在主要那个数据流所用的HARQ程序，及使用1个或2个数据流。

         在2个的情形，手机可以算出另1个数据流使用的HARQ程序，因为这2个相差HARQ程序总数的一半(12/2=6)；也就是如果网络告诉该手机使用HARQ程序0，并告知会有2个数据流，手机可以知道主要的那个数据流使用HARQ 程序0；另1个则用HARQ程序0。在这张图中，网络在要求使用HARQ程序2到5时只给予1个数据流。

         之后，如果程序0的数据成功收到，但程序6却失败；换句话说，手机对程序0上的数据送出ACK，却对程序6上的NACK。网络端因此需重传程序6上的数据，并利用0送出新的数据。

         如果像这个例子一样，手机回报对于程序6的CQI比对于0的还要好的话，网络就会将重传的程序6放在主要数据流上。

         利用HS-SCCH告诉手机用程序6并有2个数据流，结果如图4所示。相似的，如果程序1被ACK但7被NACK，同时1的CQI比较好的话，网络会重传7，利用1来传送新的数据，且把1放在主要资料流上。