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CDMA2000 1X EV-DV进展状况及关键技术

2010-10-20   来源:互联网   点击:
摘要 文章介绍了1X EV-DV标准的发展情况,对DV的两个版本Rev C和Rev D特点和空中接口关键技术进行了详细的描述,并简单介绍了新空中接口技术(Rev E)的方向。 1、CDMA2000空中接口演进   CDMA标准是一个不断
摘要 文章介绍了1X EV-DV标准的发展情况,对DV的两个版本Rev.C和Rev.D特点和空中接口关键技术进行了详细的描述,并简单介绍了新空中接口技术(Rev.E)的方向。

1、CDMA2000空中接口演进

  CDMA标准是一个不断演进的标准。CDMA标准在2G IS-95A/B基础上发展到CDMA2000 1X,之后,出现了两个分支:CDMA2000 3X(即将3个CDMA载频捆绑以提供高速数据)和1X EV。其中1X EV包括1X EV-DO(也称为HRPD)和1X EV-DV,1X EV-DO系统专门为高速无线分组数据业务设计,1X EV-DV系统则能够提供混合高速数据和话音业务。

  CDMA2000 1X EV-DV与CDMA2000系列标准完全后向兼容,与ANSI-41核心网标准也兼容。从标准角度讲,1X EV-DV对应有CDMA 2000 Revision C和Revision D两套标准体系,相应的空中接口技术规范已发布,目前3GPP2正在制定相应的测试规范,其中基站和移动台的最小性能测试规范计划将于2005年10月份完成。Rev.C主要改进和增强了CDMA2000 1X的前向链路,前向峰值速率达到3.1Mb/s,而Rev.A和B前向峰值数据速率为307.2 kb/s。在Rev.C的基础上,Rev.D改进和增强了反向链路,反向峰值速率达到1.8Mb/s,而在Rev.C中反向峰值速率为153.6kb/s。但Rev.C和Rev.D中对话音容量都没有很大的改善。下面将对Rev.C和Rev.D的主要技术特点进行介绍。

2、CDMA2000 Rev.C主要特点

  2.1 概述

  在CDMA2000 1X EV-DV Rev.C中新增了以下特性:

  ◆更高的前向容量:1X EV-DV Rev.C结合了诸多新的技术如自适应调频和编码(AMC)、混和自动重发请求(HARQ)、使用TDM/CDM混合的新高速分组数据信道(F-PDCH),使前向数据传输速度可高达3.1Mb/s。

  ◆可支持多种业务组合:在DV Rev.C中,通过多个业务信道的组合,可支持多种不同QoS要求的业务。

  ◆后向兼容CDMA2000:制定1X EV-DV标准的其中一个目标是必须继续支持语音及其它已有的服务;网络方面,运营商可以由1X系统平滑演进到1X EV-DV;终端方面,由于1X EV-DV的后向兼容性,用户也可保证能以同一手机在整个网络中得到服务。

  ◆更有效地支持数据业务:同时使用了时分多路复用(TDM)和码分多路复用(CDM),可根据所支持的业务性质而使用不同的资源分配方法,并且通过选取最佳的调制和编码率,可更公平合理地分配系统资源,进一步提升系统容量。

  2.2 前向链路增强

  CDMA2000 Rev.C为了提高前向速率,增加了新的前向分组数据信道F-PDCH,并通过自适应调制和编码、前向HARQ、小区交换等技术提升前向吞吐量。

  (1)前反向物理层信道变化

  在保持CDMA2000 1X所有前反向信道的基础上,Rev.C在前向信道增加了一个分组数据信道F-PDCH和两个分组数据控制信道F-PDCCH0和F-PDCCH1。其中F-PDCH用于传送高速分组数据,在同一个扇区的不同用户之间,F-PDCH以时分的方式快速复用。此外,同一时刻F-PDCH信道允许不同用户码分复用,也就是TDM/CDM方式,但同一时刻PDCH码分复用的用户数量不能太多,否则将大大增加TDM/CDM的信令开销,同时增加终端的复杂性和处理负担。Rev.C中允许PDCH同一时刻最多两个用户码分复用。F-PDCCH0和F-PDCCH1用于传输两个用户的F-PDCH控制信息。

  为了配合前向链路的增强,Rev.C反向信道新增了Ack信道R-ACKCH和信道质量指示信道R-CQICH。Ack信道用于支持前向HARQ,对接收到的前向子分组进行确认,CQICH用于向基站反馈前向信道质量,通过Walsh Cover指示目标基站,基站基于这个信息确定下一个发送子分组的调制和编码方式。

  (2)分组数据控制保持模式

  CDMA2000 Rev.C在分组数据激活和休眠模式的基础上增加了控制保持模式,控制保持模式介于激活模式和休眠模式之间。当处于控制保持模式时,移动台不解调F-PDCH但解调F-PDCCH,对反向导频进行1/2或者1/4门控,CQI报告进行1/2或者1/4门控,或者不报告CQI,能在不进入休眠的时间内节约移动台的耗电量。

  从控制保持到激活的状态转移可以由移动台或者基站发起,移动台通过物理层信令(如全速率反向导频和完全CQI等)将F-PDCH从控制保持模式快速转移到激活模式,基站也可通过物理层信令(如特殊的F-PDCCH消息)指示移动台退出控制保持模式,开始解调F-PDCH。激活模式到控制保持模式的状态转移基于定时器,激活状态下一定时间内无数据传输,定时器超时以后,进入控制保持模式。

  (3)自适应调制和编码(AMC)

  为了根据信道的条件改变调制和编码方式,基站需要基于移动台反馈的反向链路质量对前向链路进行估计,对信道条件好的用户采用高阶调制(如16QAM),信道条件差的用户采用低阶调制(如QPSK)和低编码数据速率。这种自适应的调制和编码取代了功率控制,减小了发送功率变化导致的干扰变化,充分利用了基站的资源,可以为用户提供合理的数据速率,增大小区的平均吞吐量。

  结合效率和公平,自适应参数主要基于以下因素:可用的BTS功率资源、Walsh码资源、待发送的数据量和信道条件。发送的时间间隔取决于剩余的资源和信道条件,为1.25ms至5ms。

  (4)物理层前向Hybrid ARQ

  Hybrid ARQ技术是前向纠错编码FEC和ARQ技术的结合,与高层的重传(如RLP和TCP)相比,能有效的增加无线链路的数据吞吐量,减小重传的时延。物理层的HARQ技术和自适应调制和编码(AMC)结合,在接收端采用不同合并技术,如增量冗余和软合并等,使数据传输更加适应无线链路的变化,改善数据链路的性能。在Rev.C中,HARQ技术采用4个信道停止和等待SAW(Stop-and-Wait)的方式实现。

  为支持H-ARQ机制,引入了子分组(Sub-packet)的概念。原始数据在经过Turbo编码后,再根据一定的编码方案,将1个编码分组分割为4个子分组,每个子分组不固定长度。每个子分组在1个或者多个时隙中独立发送,调度和调制独立,在信道变好的时候或者BTS资源和信道变好时允许重传。在数据包传输中,首先传输第一个子数据包,若未能成功解码,则传输第二个子数据包,在接收端把这两个子数据包进行合并解码,依此类推,直至解码成功或四个子数据包全部传输完毕。如果在4个子数据包全部传输后,接收端仍未能正确解码,则将由更上层的控制机制完成进一步的差错保证措施。H-ARQ机制的引入,有效的增加了前向链路的数据传输能力。

  (5)小区交换

  在Rev.C中,由于F-PDCH支持高数据速率,该信道没有软切换,采用小区交换,移动台对各个基站的导频信号进行测量,当测量到某个基站的导频信号大于当前服务基站的导频信号时,移动台将发起小区交换,将服务基站交换到最佳基站,保证始终由最佳服务扇区向移动台发送分组数据。

  小区交换有软交换和更软交换两种类型,软交换是在不同BTS下的两个扇区间进行交换,前向功率控制比特不可以合并,小区交换时间较长,更软交换是在相同BTS下两个扇区间进行交换,前向功率控制比特可以在BTS进行合并,小区交换时间较短。

  小区交换时,移动台在一定的时间通过发送目标基站Walsh Cover的CQI报告指示目标基站,这种物理层的指示方式比信令更快,在这段时间内,移动台需要向服务基站和目标基站同时发送CQI报告,保证ARQ实例能正常结束,网络建立起新的数据信道。

  与CDMA2000 1X相同,Rev.C中FCH和SCH信道仍采用软切换方式。

  2.3 安全

  在DV Rev.C对安全进行了增强,增加了AKA(Authentication and Key Agreement)和消息完整性保护。根据P_REV的不同,对MS和BS进行不同级别的安全保护。

  在DV Rev.C中引入AKA,从而允许UIM和服务BS间的相互鉴权,以及在MS的UIM和BS中建立新的(IK,CK)集。

  消息完整性报告是为了防止信令消息在空中接口上被修改。基于消息本身、128比特IK(完整密钥)和消息长度等计算消息鉴权码(MAC-I)。通过修改后的2G鉴权(当不能执行AKA时,基于AUTHR和AMEA)或AKA建立IK。接收机验证MAC-I,若传送期间消息被改变,则该消息的MAC-I在接收机处无法通过验证,该消息被接收机丢弃。

  2.4 PLCM与ESN不关联

  公共长码掩码PLCM长为42比特,用于前向信道的绕码。基站分配前向业务信道的时候必须通知移动台业务信道的PLCM,在Rev.B及其更低的版本中,基站根据ESN得到PLCM,然后发送给移动台,当不知道ESN的时候基站无法分配前向业务信道。除此之外ESN号面临短缺,以后的应用中可能存在问题。

  在Rev.C中允许基站在ECAM消息中发送给移动台和ESN无关联的PLCM。移动台切换时,为了减小网络的复杂性,基站可以通过业务连接消息和通用切换指示消息通知移动台转到基于ESN的PLCM上,而不必发送基站定义的PLCM给切换的目标基站。

  2.5 快速呼叫建立

  快速呼叫建立主要针对分组数据的呼叫建立过程进行了增强,减小呼叫建立的时延,也可以用于其它业务的呼叫建立,便于对呼叫建立时间有特殊要求业务的开展,如PTT。Rev.C对呼叫建立过程的增强主要体现在以下几个方面:

  ◆信道分配时指示已保存的业务配置;

  ◆可以重新存储某个业务配置;

  ◆短重连接消息。

3、CDMA2000 Rev.D主要特点

  3.1 概述

  Rev.C主要改进和增强了CDMA2000 1X的前向链路,使前向峰值速率达到3.1Mb/s,但反向链路基本没有变化,反向峰值速率仍为153.6kb/s,前反向链路数据速率不对称,并且反向补充信道R-SCH是通过层3信令调度,在RLP层重传,调度速度慢,时延大,难以支持可视电话等前反向速率对称和实时性要求高的业务。针对以上问题,Rev.D对反向链路进行了改进和增强,使反向最高峰值速率达到1.8Mb/s,分组数据可以通过调度和速率控制的方式,根据QoS要求和信道条件变化,有效的减小了数据传输时延,改善了QoS。

  Rev.D反向链路主要特点:

  (1)完全保留了现有的CDMA2000信道的信令结构。

  (2)反向链路控制方式灵活:反向链路每10ms可以通过Grant进行快速调度控制,也可以通过速率控制实现一定范围的速率变化,调整速度和效率高。

  (3)反向调度和速率控制的速度加快。

  在Rev.D以前的版本,移动台通过层3信令消息向基站请求,从申请到发送的时延大于100ms。Rev.D中增加了新的MAC层向基站传输MS的相关信息和请求,使得反向链路从申请到发送的调整时延可以减小到40ms。

  ◆增加了新的10ms反向请求信道R-REQCH;

  ◆在反向分组控制信道R-PDCCH中发送移动台状态指示比特MSIB。

  (4)物理层分组帧长固定为10ms,10种固定分组大小。

  (5)采用同步4信道HARQ技术,提高链路效率。

  (6)采用自适应调制和编码技术,采用高阶调制(BPSK、QPSK和8PSK)。

  (7)移动台可以基于QoS要求在时延和吞吐量之间选择。

  (8)QoS改善,不同业务区分接入优先级,基于Buffer和功率申请资源。

  3.2 反向链路增强

  图1为CDMA2000 Rev.D协议结构,从图1中可以看出Rev.D中新增了很多物理信道,下面对物理信道进行简介。

  (1)Rev.D反向物理信道

  Rev.D反向物理信道新增加了RC7和相应的4个反向物理信道:

  ◆R-SPICH传输反向辅助导频,帮助基站快速检测以便更好地估计信道。它在REV_SPICH_EP_SIZEs大于3096比特的时候与R-PDCH同时发送,能促进简单快速检测,改善反向功率控制,获得附加增益,改善高速分组数据的相关解调性能。

  ◆R-REQCH用于向基站发送移动台R-PDCH调度的相关信息,包括移动台Buffer存储的数据量、各个Buffer对应的业务指示SR_ID、功率余量,以便基站进行调度或速率控制。Rev.D以前的CDMA2000标准通过层3信令向基站传输移动台的信息,Rev.D中R-REQCH的机制反馈和控制更为迅速。



图1 CDMA2000 Rev.D协议结构


  ◆R-PDCH用于传送反向的高速分组数据。该信道采用固定帧长,有11种编码分组,信道编码采用1/5 Turbo码,调制方式有BPSK、QPSK和8PSK三种方式,子分组数据速率为19.2kb/s-1.8456Mb/s。R-PDCH不能和R-SCH并存。

  ◆R-PDCCH和R-PDCH同时传送,和F-PDCCH类似,用于传输移动台R-PDCH相关的信息,它在每个子分组数据发送的同时传输,使基站能够对R-PDCH正确解码。

  (2)Rev.D前向物理信道

  为了支持反向链路的增强,并进一步提高系统容量,Rev.D前向物理信道新增了RC7和相应的3个前向物理信道:

  ◆前向许可信道F-GCH:用于发送允许移动台的发射功率、编码分组大小和时长。广播的GCH消息可以在拥塞控制中激活所有移动台,使其R-PDCH按给定的TX功率发送。F-GCH优先级高于F-ICCH的速率控制命令。而在Rev.D之前的版本中,基站通过层3消息通知移动台允许发送,控制速度慢。

  ◆前向确认信道F-ACKCH:基站通过前向确认信道F-ACKCH向移动台确认接收到的子分组正确解码,单个F-ACKCH对应4个HARQ实例,基站F-ACKCH信道采用CDM/TDM混合结构,与之前介绍的前向HARQ类似。

  ◆前向指示信道F-ICCH是低版本中F-CPCCH和F-RCCH的结合,对于每个用户,其功控比特和速率控制符号在确定的位置发送。F-RCCH用于指示单个或者一组移动台增加、降低或者保持TPR,通过移动台TPR的变化调整速率,类似于1X EV-DO中的反向激活比特RAB,能减小干扰。

  (3)R-PDCH控制

  从图1可以看出,Rev.D的MAC层新增了R-PDCH控制功能和BMAC复用子层,R-PDCH控制功能,BMAC复用子层用于支持BCMCS(广播多播业务)的接入和复用。下面对R-PDCH的控制进行介绍。

  各个控制信道采用同步方式对R-PDCH进行控制。基站可以通过F-GCH和F-RCCH信道控制移动台的发送功率和速率。

  F-GCH帧长10ms,用于控制移动台R-PDCH立刻按照F-GCH或者RL Grant中指示的速率发送,前向链路F-GCH信道控制反馈速率快,调整的幅度大,而低版本的CDMA2000标准中通过层3消息控制反向链路的发送速率,从反馈到发送的时间大于1OOms。

  RL Grant仅由服务基站发送,服务基站由R-CQICH的Walsh Cover指示,RL Grant可以发送给单个移动台,也可以广播给扇区的所有移动台,当没有RL Grant时,移动台可以按照预置的速率传输R-PDCH,即自主速率发送。在严重阻塞的时候,基站通过发送广播Grant,能有效的指示扇区所有移动台按照自主速率发送,如果自主速率过高,基站发送RL Grant指示移动台以低于自主速率发送。

  F-RCCH帧长10ms,用于指示单个或者一组移动台增加、降低或者保持TPR,通过移动台TPR的变化调整速率。F-RCCH采用和F-CPCCH类似的结构,可以和F-CPCCH共享Walsh码。

  F-RCCH仅指示R-PDCH差分的速率变化,对速率的控制速度比F-GCH更慢,但基站的功率开销比F-GCH小。F-RCCH有2种方式控制速率:专用速率控制DRC和公共速率控制CRC。

  3.3 MEID支持

  目前移动台都是以其硬件决定的32位电子序列号ESN来唯一标识移动台的,随着移动通信用户数目的不断增加,32位电子序列号ESN的资源日益紧张。为更好地支持今后3G移动通讯技术的发展,解决ESN资源不足的瓶颈问题,3GPP2组织开始研究一种ESN的替代方案,来扩展移动台可用的标识资源,并决定将这种ESN替代方案正式写入EV-DV的Rev.D版本中,形成新的移动台设备标识MEID。

  MS可以使用32比特的电子序列号ESN或者56比特的移动设备标识MEID的两者之一(不能同时)。ESN和MEID是用来唯一标识一个移动台的(相当于移动台的硬件号码),若移动台的版本号MOB_P_REVP小于7,将使用ESN,否则使用MEID。为了后向兼容,若移动台支持MEID,则根据MEID推导出32比特的伪ESN,再使用伪ESN来替换ESN。32位伪ESN的高8位设置为0X80,低24位为MEID经过SHA-1算法后取其24位。MEID与伪ESN的映射是固定的,不同的MEID会映射出同一个伪ESN,ESN不是唯一的。因而在Rev.D中支持PLCM 32,用于避免由于ESN的冲撞导致的串音现象。

  Rev.D的MS与Rev.D之前版本的BS通信时使用伪ESN,并在BS P_REV<11时使用基于ESN的PLCM。Rev.D的MS与Rev.D版本的BS通信时,在使用ESN的地方用伪ESN替代。

  3.4 快速呼叫建立

  在Rev.C的基础上,Rev.D采用了一系列技术,进一步增强了快速呼叫建立:

  ◆直接信道分配(DCA):在Rev.D中,BS不需寻呼MS就可以发送扩展信道分配消息(ECAM),这种方式适用于MS位置大致已知的情况,主要用于分组数据。忽略寻呼、寻呼相应和BS Ack Order消息,从而减少呼叫建立时间。

  ◆减小的SCI操作:CDMA2000较低版本中允许的最小的SCI为1.28s(SCI=0),这样网络寻呼MS时不得不等待平均0.64s。为了降低时隙模式移动台的寻呼时间,在Rev.D中定义了新的SCI值:-1(640ms)、-2(320ms)、-3(160ms)和-4(80ms)。

  ◆业务信道初始化增强:信道一分配,MS在前向链路接收到两个好帧前就开启发射机开始传送前缀,而Rev.D之前版本的MS仅在接收到两个好帧后才开启发射机。另一方面,Rev.D中进行固定前缀发送,一接收到两个好帧,MS在规定的时间内传送前缀,并进入业务信道子状态,而Rev.D之前版本的MS连续传送前缀,直到接收到BS ACK Order。

  ◆跟踪区域报告:为了便于寻呼和进行直接信道分配,允许网络在业务信道释放后的特定时间内更紧密地跟踪移动台。BS为一或更多扇区指配相同的跟踪区域标识。无论何时MS穿过一个跟踪区域边界,MS都使用与RER上报相同的无线环境上报消息发送一个报告,但应防止由于乒乓效应导致的太多的报告。

4、对IOS部分(A接口)的影响

  以上主要对CDMA2000 1X EV-DV的空中接口技术进行了介绍,作为一套完整的网络体系,A接口即IOS部分也需要进行改进。IOS4.3和IOS5.0分别对应于CDMA2000 1X EV-DV空中接口Rev.C和Rev.D。

  IOS4.3和IOS5.0为了支持CDMA2000 1X EV-DV的功能,主要增加了以下内容:

  ◆支持基本1X EV-DV:在CDMA2000空口基础上演进支持基本的1X EV-DV特性,同一载频承载电路域语音、数据业务和分组域高速数据业务。

  ◆支持PLCM 32(公共长码掩码):C.S0005-C和C.S0005-D定义了支持PLCM 32用于避免由于ESN的冲撞导致的串音现象。

  ◆对BCMCS的支持。

5、新的空中接口研究

  无论是CDMA2000 1X EV-DV Rev.C还是Rev.D,对话音容量都几乎没有增强。美国运营商ALLTEL公司和Sprint公司分别于2004年4月和6月向3GPP2提出了开始进行下一代空中接口技术(称为Rev.E)研究的建议,Rev.E技术主要测重于:话音容量的增强、性能增强和多载波支持能力或动态可变带宽等,性能增强主要包括空间信道技术(如MIMO天线技术)、支持64 QAM调制方式和实时分组数据业务(如VoIP和视频会议等)性能,其中实时分组数据业务性能增强主要包括以下方面:调度策略改进、阻塞控制改善、快速呼叫建立改进和服务质量增强。

  3GPP2已于2004年8月成立了话音容量增强工作组对话音容量增强技术进行集中研究。此外,3GPP2已于2004年10月成立了EV-DV多载波工作组和EV-DO多载波工作组对多载波技术进行研究。

6、结束语

  目前,3GPP2基本完成CDMA2000 1X EV-DV技术规范的制定工作,并已开始相关测试规范的讨论和制定,芯片厂商已经开始进行CDMA2000 1X EV-DV基站芯片的研制开发。相比于CDMA2000 1X,CDMA2000 1X EV-DV可以提供更高的数据速率和更完善的QoS机制。从文中所述的CDMA2000 1X EV-DV两个版本的特点也可以看出,Rev.D版本更便于多样化业务的开发,在上、下行对称业务(如E-mail、可视电话等业务)的支持方面有更多的优势,与Rev.C相比更强的竞争力,但Rev.D技术更复杂,实现难度更大。
作者:杜滢    来源:泰尔网

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