CDMA2000 空中接口技術(shù)的演進(jìn)

摘要　首先介紹了AIE階段一的具體需求和主要的技術(shù)點。接著重點描述了AIE階段二的具體需求、工作流程以及需要確定的解決方案，最后討論了在融合過程中的資源分配和功率控制技術(shù)。

1、概述

　　2005年3月，3GPP2啟動了cdma2000演進(jìn)技術(shù)的研究與標(biāo)準(zhǔn)化工作，其空中接口技術(shù)的演進(jìn)稱為AIE（Air Interface Evolution）。cdma2000空中接口技術(shù)演進(jìn)的基本思路為：提高峰值數(shù)據(jù)速率和系統(tǒng)吞吐量能力；保護(hù)現(xiàn)有投資和保持后向兼容性；提升寬帶無線體驗。

　　為了滿足不同市場的需求，降低開發(fā)復(fù)雜度，3GPP2將AIE的工作分為兩個階段。

　　（1）階段一實現(xiàn)多載波EV-DO（Nx EV-DO），即EV-DO Rev.B。該階段在性能提高的前提下盡可能后向兼容，減少系統(tǒng)對基礎(chǔ)硬件的影響，在性能與市場化進(jìn)程之間折衷。

　　（2）階段二實現(xiàn)cdma2000增強數(shù)據(jù)分組空中接口（E-PDAI）。該階段可滿足市場長遠(yuǎn)發(fā)展的需要，大幅度提升系統(tǒng)性能。

2、階段一

　　階段一立足于快速發(fā)展的市場化進(jìn)程，保持后向兼容性，滿足近期市場的需求。它主要是基于現(xiàn)有的1x EV-DO，通過合并多個1x EV-DO載波來提供更高的分組數(shù)據(jù)速率。

　　2.1　具體需求

　　（1）Nx EV-DO系統(tǒng)不應(yīng)修改多信道的1x EV-DO Rev.A基站或基礎(chǔ)硬件。

　?。?）Nx EV-DO的總傳送帶寬應(yīng)為CDMA信道的整數(shù)倍。

　?。?）Nx EV-DO系統(tǒng)應(yīng)完全后向兼容EV-DO Rev.A。低于1x EV-DO版本的接入終端應(yīng)能接收來自Nx EV-DO系統(tǒng)的服務(wù)；Nx EV-DO終端應(yīng)能接收低于EV-DO版本的系統(tǒng)在接入網(wǎng)絡(luò)提供的服務(wù)。

　?。?）在Nx EV-DO系統(tǒng)中，可單獨建立和釋放前向鏈路（FL）和反向鏈路（RL）CDMA信道，并且可按需動態(tài)改變FL和RL CDMA的信道集。

　?。?）在Nx EV-DO系統(tǒng)中，F(xiàn)L CDMA信道數(shù)可與指配的RL CDMA信道數(shù)不同。

　　（6）在Nx EV-DO系統(tǒng)中，可支持獨立指配RL CDMA信道的能力，不必遵循cdma2000 FL／RL FDD成對的原則。

　?。?）Nx EV-DO技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)支持Nx EV-DO接入網(wǎng)分配連續(xù)和不連續(xù)的N-CDMA信道，并應(yīng)支持不同頻段類別間信道的合并。

　?。?）Nx EV-DO技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)前向應(yīng)支持至少NF×3.1 Mbit/s的總峰值速率，反向應(yīng)支持至少NR×1.8 Mbit/s的總峰值速率。其中，NF為前向鏈路的載波數(shù)，NR為反向鏈路的載波數(shù)。

　?。?）Nx EV-DO技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)允許為單載波AT（如1x EV-DO）分配Nx EV-DO接入終端使用的載波。

　　階段一的技術(shù)定位決定了多載波EV-DO基于1x EV-DO Rev.A物理層，主要是對媒質(zhì)接入控制（MAC）層和高層進(jìn)行修改，以支持多載波的調(diào)度、增加、刪除和不對稱前反向載波。

　　2.2　主要技術(shù)點

　?。?）為了支持更高的數(shù)據(jù)速率，可采用高階調(diào)制64QAM，并支持更大的數(shù)據(jù)分組。

　?。?）對于ACK/DRC等控制信道來說，當(dāng)前向、反向載波數(shù)對稱時，采用與EV-DO Rev.A相同的方式；當(dāng)前向、反向載波數(shù)不對稱時，尤其是前向載波數(shù)大于反向載波數(shù)時，采用長碼掩碼（Long Code Mask，LCM）實現(xiàn)一個反向載波上多個ACK/DRC信道的復(fù)用。

　　（3）將物理層分為對稱模式、基本不對稱模式和增強不對稱模式三種。對稱模式涵蓋單載波操作，是必須支持的，并且它對于所有反向鏈路載波都采用相同的LCM；在基本不對稱模式中，每個前向鏈路載波的前向開銷信道（DRC/ACK）采用惟一的LCM，也就是說每個前向鏈路載波采用一個LCM，則（NxFL，1xRL）要采用N個惟一的LCM；在增強不對稱模式中，每4個前向鏈路載波采用一個LCM，即采用CDM+TDM方式實現(xiàn)前向開銷信道。

　?。?）采用DTX/DRX和快速循環(huán)以降低終端耗電。

　?。?）采用混合頻率復(fù)用以提高小區(qū)邊緣用戶的性能。

　　目前，階段一即EV-DO Rev.B的空中接口標(biāo)準(zhǔn)已于2006年6月正式頒布。EV-DO Rev.B的芯片正在積極研發(fā)當(dāng)中，預(yù)計一兩年內(nèi)投入市場。

3、階段二

　　階段二立足于遠(yuǎn)期的市場需求，采用新技術(shù)提高頻譜效率和數(shù)據(jù)速率。

　　3.1　具體需求

　?。?）語音容量：每MHz每扇區(qū)支持100個并發(fā)VoIP會話。

　?。?）數(shù)據(jù)吞吐量。在帶寬為20 MHz的情況下討論。

　?、儆脩舴逯禂?shù)據(jù)速率見表1。

表1　用戶峰值數(shù)據(jù)速率

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　?、谙到y(tǒng)平均吞吐量。當(dāng)系統(tǒng)處于滿負(fù)荷狀態(tài)時，在室外高速車載環(huán)境下，前向速率為60 Mbit/s，反向速率為30 Mbit/s。

　　（3）頻譜效率≥4 bit/s/Hz。

　?。?）系統(tǒng)時延?？臻e狀態(tài)時延為10 ms，傳送時延為10 ms，切換時延為20 ms。

　?。?）與其他cdma2000技術(shù)的無縫互操作。

　　（6）與其他無線接入技術(shù)的無縫切換。

　　3.2　工作流程

　　階段二的工作首先由TSG-C中負(fù)責(zé)物理層的工作組WG3啟動。2005年5月，WG3確定了階段二的工作流程。

　?。?）首先由TSG-S確定最終的需求和技術(shù)文稿。

　?。?）更新評估方法。該評估方法主要包含信道模型、空間調(diào)整、天線配置、業(yè)務(wù)模型、控制信道模型和干擾模型。

　?。?）各公司正式提交階段二的建議。

　　（4）校準(zhǔn)和決議。評估和選擇技術(shù)并形成標(biāo)準(zhǔn)。

　　WG3于2005年12月初步確定了階段二的工作計劃，如圖1所示。

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圖1　階段二的工作計劃

　　3.3　確定解決方案

　　截至2006年3月，共提交了6個階段二的技術(shù)框架。其中，一部分廠商提交的解決方案包含緊耦合（SBC）和松耦合（LBC）兩部分；另一部分廠商提交的方案只包含LBC部分。SBC方案是在階段一即多載波的基礎(chǔ)上，采用類似于3GPP2增強多播廣播技術(shù)的方式，保持Pilot和MAC等控制信道不變，在Data時隙上采用OFDM技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)，采用MIMO和干擾消除等提高性能，基本保持與階段一的后向兼容。LBC主要是基于OFDM技術(shù)，采用了資源調(diào)度、干擾消除及MIMO等技術(shù)提高性能，不與階段一后向兼容，只是保持與階段一時序或采樣頻率的一致性。

　　由于時間關(guān)系，TSG-C一直在對LBC和SBC的優(yōu)先級進(jìn)行討論，希望將有限的精力集中于一種解決方案。CDG（CDMA Development Group）也多次組織運營商召開會議，主要從目前全球市場需求、運營商頻段及運營商長遠(yuǎn)規(guī)劃的角度，對LBC和SBC的優(yōu)先級進(jìn)行討論。參加會議的所有CDMA運營商都表示3GPP2一定要保證階段二中LBC部分按計劃完成。

　　在AIE新一輪技術(shù)征集（主要指LBC）中，OFDM以其技術(shù)優(yōu)勢毫無爭議地成為AIE的基本多址技術(shù)。引入OFDM技術(shù)使得系統(tǒng)可用資源變?yōu)闀r域和頻域二維資源池，甚至加上碼字資源成為三維資源池。如何靈活動態(tài)地進(jìn)行資源調(diào)度，使其既可以充分利用時域和頻域特性提高頻譜效率又能滿足不同業(yè)務(wù)QoS，成為AIE技術(shù)研究的重點。目前，候選資源調(diào)度方式主要有集中式和分散式兩種，分別采用了頻域選擇性增益和頻率分集增益技術(shù)。OFDM自身可消除小區(qū)內(nèi)干擾，但無法消除小區(qū)間干擾，如何消除小區(qū)間干擾及提高小區(qū)邊緣用戶成為AIE的關(guān)鍵技術(shù)點。目前主要的候選技術(shù)有頻率復(fù)用和軟切換。OFDM每個子載波信道可看作水平衰落信道，可以較容易地引入MIMO技術(shù)，根本性地提高系統(tǒng)容量。采用何種MIMO技術(shù)、如何插入導(dǎo)頻以提高信道估計的準(zhǔn)確度也是目前AIE研究的重點。目前主要的MIMO候選技術(shù)有SDMA、SCW和MCW等。

　　針對LBC，經(jīng)過多輪談判，在2006年6月3GPP2會議上，終于形成了10家公司融合的Framework文稿。融合后的LBC Framework文稿，以高通公司原有的UHDR-FDD為框架，上下行鏈路采用OFDM技術(shù)。

　　AIE融合方案的主要技術(shù)特點如下。

　　（1）自適應(yīng)編碼和調(diào)制，調(diào)制方式為QPSK、8PSK、16QAM和64QAM。

　?。?）采用遞增冗余IR的同步HARQ。其特點如下。

　?、俑痰腍ARQ重傳時延（前反向鏈路約為7 ms）；

　?、谠诟哳l率下，重傳的HARQ可以采用更低階調(diào)制，以避免編碼比特重傳獲得1 dB的增益；

　?、跦ARQ間隔尚未確定，候選值為5、6和8幀。

　　（3）前向采用支持MIMO的OFDMA，達(dá)到20 MHz帶寬、260 Mbit/s的峰值速率。

　　（4）前向鏈路有效的頻域分集DRCH（分散式資源信道）和頻域選擇性BH（塊資源信道）資源調(diào)度，以及靈活的DRCH和BH復(fù)用。

　?。?）前向鏈路預(yù)編碼和SDMA。

　　①低速反饋的MISO/MIMO閉環(huán)預(yù)編碼；

　?、陬A(yù)編碼和空分多址聯(lián)合。

　?。?）準(zhǔn)正交反向鏈路傳輸。

　?、倩贠FDMA的正交傳輸；

　?、趯盈B代OFDMA（LS-OFDMA）的非正交傳輸。

　?。?）預(yù)編碼的CDMA反向鏈路。

　?、貱DMA信道與OFDMA信道頻率復(fù)用；

　?、贑DMA用于反向控制信道；

　　③可選支持CDMA業(yè)務(wù)信道，用于傳送低速、突發(fā)的和時延敏感的業(yè)務(wù)。

　?。?）通過功率控制獲得最優(yōu)的吞吐量和公平性的折衷。根據(jù)前綴信息，進(jìn)行基于其他小區(qū)干擾情況的反向功率控制。

　?。?）利用軟頻率復(fù)用消除小區(qū)間干擾，提高小區(qū)覆蓋和邊緣小區(qū)性能，并在此基礎(chǔ)上利用動態(tài)軟頻率復(fù)用以提高帶寬利用率。

　?。?0）最大限度地重用現(xiàn)有高層協(xié)議和分層結(jié)構(gòu)。

　?。?1）為了提高小區(qū)邊緣用戶性能，支持前向軟切換組。

　?。?2）小區(qū)內(nèi)采取單頻率規(guī)劃，以增強前向業(yè)務(wù)和信令，支持軟切換、快速尋呼信道。

4、兩種技術(shù)介紹

　　4.1　資源分配

　　根據(jù)不同的頻域分集和頻域選擇性，有兩種資源分配方式。

　?。?）DRCH。用戶分配的Tone（符號）分散于整個帶寬，以獲得頻域分集增益，信道和干擾估計基于寬帶公共導(dǎo)頻。所有可用子載波（T個）被分為N個組，每組包含T/N個子載波。N對應(yīng)于DRCH（16，0）中的16，0表示符號位置的偏置量。

　?。?）BRCH或BH。是集中式資源分配方式，即為用戶分配頻域上連續(xù)的一段頻率，時域上分配一個幀的所有符號，以獲得頻域選擇性增益。用戶在不同幀上占用的塊可以不同（Hopping），不同扇區(qū)的Hopping方式也可以不同。信道和干擾估計基于專用導(dǎo)頻，根據(jù)不同的SIMO/MIMO方式，提供了三種導(dǎo)頻插入方式。

　　上面兩種資源分配方式也可以同時出現(xiàn)在每個物理幀中，有在BH上打孔形成DRCH或DRCH和NH在不同子帶上應(yīng)用兩種模式。

　　4.2　功率控制方式

　　功率控制分為控制信道、CDMA業(yè)務(wù)信道和OFDM業(yè)務(wù)信道三部分。反向CDMA業(yè)務(wù)信道與cdma2000 1x EV-DO Rel.A業(yè)務(wù)信道的功率控制方式一致。以下重點描述控制信道和0FDM業(yè)務(wù)信道的功率控制方式。

　　基站采用反向?qū)ьl信道作為閉環(huán)功率基準(zhǔn)，反向?qū)ьl信道采用CDMA方式周期性發(fā)送信息?；緦?dǎo)頻信道的功率控制方式與傳統(tǒng)的閉環(huán)功率控制方式相同，即基站比較導(dǎo)頻信道的SINR與目標(biāo)值，確定基站發(fā)送的功率控制比特信息，終端根據(jù)接收到的功率控制比特，增加或降低導(dǎo)頻信道的發(fā)送功率。其他反向控制信道以反向?qū)ьl信道的功率作為基準(zhǔn)進(jìn)行功率調(diào)制，調(diào)制的粒度與反向服務(wù)扇區(qū)的ROT和導(dǎo)頻質(zhì)量指示相關(guān)。

　　終端反向業(yè)務(wù)信道功率的大小與該終端引起的扇區(qū)間和扇區(qū)內(nèi)干擾相關(guān)。首先因為反向鏈路上不同終端占用不同的時頻資源，應(yīng)該避免基站接收到的子載波間功率相差太大，因為若載波間功率相差太大將導(dǎo)致載波正交性下降，降低網(wǎng)絡(luò)容量。也就是說為了降低扇區(qū)內(nèi)干擾，應(yīng)該限制業(yè)務(wù)信道的變化范圍。

　　基于OFDMA的業(yè)務(wù)信道主要是本小區(qū)對鄰小區(qū)的干擾，但服務(wù)扇區(qū)并不了解此扇區(qū)業(yè)務(wù)信道引起的扇區(qū)間干擾。因此在融合方案中，當(dāng)扇區(qū)的IoT（Interference over Thermal）高于門限值時，采用超幀前綴的扇區(qū)間干擾信道廣播負(fù)載指示，該負(fù)載指示可取0、1和2共三個值，用于控制干擾終端的功率（扇區(qū)間干擾信道覆蓋相鄰扇區(qū)）。

　　另外，終端將Delta值和目前可支持的最大子載波數(shù)發(fā)送給基站，基站可通過這些信息進(jìn)行反向鏈路分配。Delta值較小的用戶，就有可能分配到較多的子載波，獲得更高的數(shù)據(jù)速率，即基站可利用這些信息在調(diào)度過程中更好地進(jìn)行折衷。

5、結(jié)束語

　　雖然AIE階段二的技術(shù)框架已經(jīng)確定，但其中還有大量的技術(shù)點處于Open狀態(tài)。在隨后的3GPP2會議中，各成員將會基于已確定的技術(shù)框架進(jìn)一步提交技術(shù)文稿和仿真結(jié)果，3GPP2將依據(jù)仿真結(jié)果選擇最終的技術(shù)。