3G系統(tǒng)高速分組接入技術(shù)

　　摘要:本文介紹WCDMA與TD-SCDMA系統(tǒng)的高速下行分組接入(HSDPA)技術(shù)以及cdma2000 系統(tǒng)的1x EV-DO和EV-DV技術(shù)原理，并對這些分組接入技術(shù)做出對比，然后展望3G分組接入技術(shù)的發(fā)展方向。

　　關(guān)鍵詞:第三代移動通信、HSDPA、cdma2000 1x EV-DO、cdma2000 1x EV-DV

　　1、概述

　　分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和話音業(yè)務(wù)對資源的需求具有截然不同的特點：分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)一般有突發(fā)的特征，可以容忍時延及時延抖動，對差錯敏感，前向需求與反向需求不對稱，QoS等級多，追求的目標(biāo)是系統(tǒng)的吞吐量最大化；而話音業(yè)務(wù)相對連續(xù)，對時延和時延抖動敏感，能容忍一定的差錯，前反向需求對稱，QoS等級相對單一，追求的目標(biāo)是Erlang容量最大化[4]。因此，各種3G標(biāo)準(zhǔn)都對分組接入業(yè)務(wù)提出了特有的解決方案，以提高分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸能力和性能。其中WCDMA系統(tǒng)和TD-SCDMA系統(tǒng)采用高速下行分組接入(HSDPA)技術(shù)，而cdma2000 1x系統(tǒng)則提出分階段的1x EV-DO和1x EV-DV實現(xiàn)技術(shù)。

　　2、HSDPA技術(shù)原理

　　為了很好地解決系統(tǒng)覆蓋與容量之間的矛盾，消除干擾，提升系統(tǒng)容量， WCDMA的后續(xù)發(fā)展中產(chǎn)生了許多新技術(shù)。其中最值得關(guān)注的就是高速下行分組接入(HSDPA)，這一技術(shù)也被我國的TD-SCDMA系統(tǒng)采用。HSDPA是3GPP基于R99、R4并在R5協(xié)議中為了滿足上/下行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)不對稱的需求而提出的一種調(diào)制解調(diào)算法，它可以在不改變已建設(shè)的WCDMA網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的情況下，把下行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)峰值速率提高到10Mbps。該技術(shù)是WCDMA網(wǎng)絡(luò)建設(shè)后期提高下行容量和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)速率的一種重要技術(shù)。

　　基于演進(jìn)考慮，HSDPA設(shè)計遵循的準(zhǔn)則之一是盡可能地兼容R99版本中定義的功能實體與邏輯層間的功能劃分。在Um接口的物理層，作為下行共享信道(DSCH)的演進(jìn)，增設(shè)高速下行共享信道(HS-DSCH)，采用自適應(yīng)編碼調(diào)制(AMC)和混合ARQ(HARQ)技術(shù)；MAC層引入MAC處理實體(MAC-hs)，實現(xiàn)應(yīng)用層相關(guān)操作信令和功能的增強。表1[5]對DSCH和HS-DSCH的基本特性進(jìn)行了對比：

　　HSDPA引入的信道使用與其它信道相同的頻點，從而使運營商可以靈活地根據(jù)實際業(yè)務(wù)情況對信道資源進(jìn)行靈活配置。

　　HSDPA信道包括HS-DSCH以及相應(yīng)的高速下行共享控制信道(HS-SCCH)和上行專用物理控制信道(HS-DPCCH)。下行共享控制信道承載從MAC-hs到終端的控制信息，包括移動臺身份標(biāo)記、HARQ相關(guān)參數(shù)以及HS-DSCH使用的傳輸格式。這些信息每隔2ms從基站發(fā)向移動臺。HS-DPCCH則由移動臺用來向基站報告下行信道質(zhì)量狀況并請求基站重傳有錯誤的數(shù)據(jù)塊。

　　HS-DSCH映射的信道碼資源最大可由15個擴頻因子(SF)固定為16的SF碼構(gòu)成。不同移動臺除了在不同時段分享信道資源外，還分享信道碼資源。信道碼資源共享使系統(tǒng)可以在較小數(shù)據(jù)包傳輸時僅使用信道碼集的一個子集，從而更有效地使用信道資源。此外，信道碼共享還使得終端可以從較低的數(shù)據(jù)率能力起步，逐步擴展，有利于終端的開發(fā)。HS-DSCH信道的傳輸時間間隔設(shè)定為2ms，使系統(tǒng)有更強的AMC及信道的適應(yīng)性。從共用信道池分配的信道碼由Node B根據(jù)HS-DSCH信道業(yè)務(wù)情況每隔2ms分配一次。與專用數(shù)據(jù)信道使用軟切換不同，高速共享數(shù)據(jù)信道(HS-DSCH) 間使用硬切換方式。

　　ACK/NAK比率以及用戶反饋，估計出每個活躍的HSDPA用戶的信道質(zhì)量。根據(jù)目前的信道質(zhì)量，Node B內(nèi)的AMC會采取相應(yīng)的調(diào)制及編碼算法，發(fā)射數(shù)據(jù)。具體步驟如下：

　　(1)Node B內(nèi)的調(diào)度模塊對不同的用戶進(jìn)行評估,考慮他們的信道條件、每個用戶的緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)量以及最近一次的服務(wù)時間等因素。

　　(2)決定好服務(wù)的用戶后，Node B確定HS-DSCH的參數(shù)。

　　(3)Node B在發(fā)射HS-DSCH之前，先發(fā)射HS-SCCH通知終端一些必要的參數(shù)。

　　(4)終端監(jiān)測HS-SCCH，監(jiān)測是否有發(fā)給自己的信息，如果有的話，終端開始接收HS-DSCH，并進(jìn)行緩存。

　　(5)根據(jù)HS-SCCH上的信息，終端可以判斷在HS-DSCH上接收到的數(shù)據(jù)是否需要和緩存中的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并。

　　(6)終端對在HS-DSCH上接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)，并根據(jù)CRC結(jié)果在上行HS-DPCCH上發(fā)送響應(yīng)ACK/NAK。

　　2.1快速鏈路調(diào)整技術(shù)

　　如前所述，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)與語音業(yè)務(wù)具有不同的業(yè)務(wù)特性。語音通信系統(tǒng)通常采用功率控制技術(shù)以抵消信道衰落對于系統(tǒng)的影響，以獲得相對穩(wěn)定的速率，而數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)相對可以容忍延時，可以容忍速率的短時變化。因此HSDPA不是試圖去對信道狀況進(jìn)行改善，而是根據(jù)信道情況采用相應(yīng)的速率。由于HS-DSCH每隔2ms 就更新一次信道狀況信息，因此，鏈路層調(diào)整單元可以快速跟蹤信道變化情況，并通過采用不同的編碼調(diào)制方案來實現(xiàn)速率的調(diào)整。

　　當(dāng)信道條件較好時，HS-DSCH采用更高效的調(diào)制方法--16QAM，以獲得更高的頻帶利用率。理論上，xQAM調(diào)制方法雖然能提高信道利用率，但由于調(diào)制信號間的差異性變小，因此需要更高的碼片功率，以提高解調(diào)能力。因此，xQAM調(diào)制方法通常用于帶寬受限的場合，而非功率受限的場合。在HSDPA中，通�？拷�基站的用戶接收信號功能相對較強，可以得到xQAM調(diào)制方法帶來的好處。

　　此外，WCDMA是語音數(shù)據(jù)合一型系統(tǒng)，在保證語音業(yè)務(wù)所需的公共以及專用信道所需的功率外，可以將剩余功率全部用于HS-DSCH，以充分利用基站功率。

　　2.2 結(jié)合軟合并的混合重傳(HARQ)技術(shù)

　　終端通過HARQ機制快速請求基站重傳錯誤的數(shù)據(jù)塊，以減輕鏈路層快速調(diào)整導(dǎo)致的數(shù)據(jù)錯誤帶來的影響。終端在收到數(shù)據(jù)塊后5ms內(nèi)向基站報告數(shù)據(jù)正確解碼或出現(xiàn)錯誤。終端在收到基站重傳數(shù)據(jù)后，在進(jìn)行解碼時，結(jié)合前次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊以及重傳的數(shù)據(jù)塊，充分利用它們攜帶的相關(guān)信息，以提高譯碼概率�；�站在收到終端的重傳請求時，根據(jù)錯誤情況以及終端的存儲空間，控制重傳相同的編碼數(shù)據(jù)或不同的編碼數(shù)據(jù)(進(jìn)一步增加信息冗余度)，以幫助提高終端糾錯能力。

　　2.3 集中調(diào)度技術(shù)

　　集中調(diào)度技術(shù)是決定HSDPA性能的關(guān)鍵因素。它使得系統(tǒng)可以根據(jù)所有用戶的情況決定哪個用戶可以使用信道，以何種速率使用信道。集中調(diào)度技術(shù)使信道總是為與信道狀況相匹配的用戶所使用，從而最大限度地提高信道利用率。

　　信道狀況的變化有慢衰落與快衰落兩類。慢衰落主要受終端與基站間距離影響，而快衰落則主要受多徑效應(yīng)影響。數(shù)據(jù)速率相應(yīng)于信道的這兩種變化也存在短時抖動與長時變化。數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)對于短時抖動相對可以容忍，但對于長時抖動要求則較嚴(yán)。好的調(diào)度算法既要充分利用短時抖動特性，也要保證不同用戶的長時公平性。也就是說，既要使得最能充分利用信道的用戶使用信道以提高系統(tǒng)吞吐率，也要使得信道條件相對不好的用戶在一定時間內(nèi)能夠使用信道，也保證業(yè)務(wù)連續(xù)性。

　　常用的調(diào)度算法包括比例公平算法、乒乓算法、最大CIR算法。乒乓算法不考慮信道變化情況；比例公平算法既利用短時抖動特性也保證一定程度的長時公平性；最大CIR算法使得信道條件較好的少數(shù)用戶可以得到較高的吞吐率，多數(shù)用戶則有可能得不到系統(tǒng)服務(wù)。

　　HSDPA對系統(tǒng)性能的影響包括業(yè)務(wù)與系統(tǒng)吞吐率兩個層面�？焖冁溌穼诱{(diào)整技術(shù)最大限度地利用了信道條件，并使得基站以接近最大功率發(fā)射信號；集中調(diào)度技術(shù)使得系統(tǒng)獲得系統(tǒng)級的多用戶分集好處；高階調(diào)制技術(shù)則提高了頻譜利用率以及數(shù)據(jù)速率。這些技術(shù)的綜合使用使得系統(tǒng)的吞吐率獲得顯著提高。同時，用戶速率的提高以及HARQ技術(shù)的使用使得TCP/UDP性能得到改善,從而提高了業(yè)務(wù)性能。但是,業(yè)務(wù)性能的提高程度與業(yè)務(wù)模型有關(guān)。

　　作為WCDMA R5版本高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)增強技術(shù)，HSDPA通過采用時分共享信道以及快速鏈路調(diào)整、集中調(diào)度、HARQ等技術(shù)提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐率以及業(yè)務(wù)性能，同時保證系統(tǒng)的前向兼容，除在Node B增加相應(yīng)的MAC模塊外，不對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)帶來其它影響，從而有利于系統(tǒng)的靈活部署。

　　3、cdma2000 1x EV-DO和EV-DV技術(shù)原理

　　鑒于分組數(shù)據(jù)和話音數(shù)據(jù)的不同特點，如果將兩種業(yè)務(wù)放在不同的載波上，對二者采用不同的傳輸和控制方法，將可以大大簡化系統(tǒng)設(shè)備的結(jié)構(gòu)，使兩種業(yè)務(wù)分別得到好的服務(wù)質(zhì)量。因此cdma2000 1x系統(tǒng)最初提出1x EV-DO標(biāo)準(zhǔn),它可以在一個或多個載波上傳輸高速分組業(yè)務(wù),而在另外的載波上傳輸話音和實時業(yè)務(wù)。

　　針對高速分組數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c，1x EV-DO在前向鏈路上采用了諸如高階調(diào)制、動態(tài)速率控制、快速小區(qū)選擇和時分調(diào)度等多項技術(shù)；而對于反向鏈路上的數(shù)據(jù)傳輸，本質(zhì)上和cdma2000 1x沒有本質(zhì)的區(qū)別。1x EV-DO前向鏈路具有以下特點：

　　(1)在1.25MHz的載波上，數(shù)據(jù)速率最大可以達(dá)到2.4Mbps；

　　(2)在前向鏈路采用最佳服務(wù)扇區(qū)選擇和動態(tài)速率控制技術(shù)，由所有屬于相同最佳服務(wù)扇區(qū)的用戶以時分復(fù)用的方式共享唯一的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)信道；

　　(3)移動臺、低時延的反饋目前可支持的最高數(shù)據(jù)速率(根據(jù)當(dāng)前的信道狀況),最快600次/s；

　　(4)根據(jù)反饋的速率情況，自適應(yīng)的采用不同的編碼和調(diào)制方式；

　　(5)采用調(diào)度算法，動態(tài)調(diào)度分組數(shù)據(jù)傳輸，每次只向一個用戶傳輸數(shù)據(jù)，使前向鏈路吞吐量最大化。

　　雖然1x EV-DO已經(jīng)可以提供很高的數(shù)據(jù)速率，但它畢竟需要單獨占用一個1.25MHz帶寬，與話音業(yè)務(wù)不能共享同一載波，當(dāng)分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量不是很高時，載波的利用就會不夠充分。因此，3GPP2提出了1x EV-DV技術(shù)，使系統(tǒng)可以同時支持高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和實時業(yè)務(wù)，在同一載波上傳輸實時、非實時和混合業(yè)務(wù)。

　　1x EV-DV為了實現(xiàn)與cdma2000 1x標(biāo)準(zhǔn)保持后向兼容性的同時，在話音業(yè)務(wù)相同的載波上支持高速分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，新增加了四種物理信道：前向分組數(shù)據(jù)信道、前向分組數(shù)據(jù)控制信道和反向信道質(zhì)量指示信道、反向確認(rèn)信道。除此以外，它相對于EV-DO還有很多自身特有的關(guān)鍵技術(shù)，包括：快速自適應(yīng)調(diào)制編碼、物理層重傳改進(jìn)機制、功率控制和速率控制的結(jié)合。

　　相對于EV-DO，EV-DV的前向傳輸速率完全是由基站決定的，移動臺只通過反向質(zhì)量指示信道向基站報告所測量的前向公共導(dǎo)頻信道的C/I。這是因為基站中的可用資源（發(fā)射功率、Walsh碼等）在有話音業(yè)務(wù)激活的情況下是隨時間變化的，移動臺很難快速全面的跟蹤這種變化；而且EV-DV允許系統(tǒng)通過兩個前向分組數(shù)據(jù)信道同時給一個用戶發(fā)送數(shù)據(jù)，因此EV-DV中的前向分組數(shù)據(jù)信道由基站集中進(jìn)行控制。在前向分組數(shù)據(jù)信道的調(diào)度方面EV-DV和EV-DO類似，即每次只給一個用戶發(fā)送；但是EV-DV允許在兩個不同的前向分組數(shù)據(jù)信道上同時傳輸數(shù)據(jù)，而且調(diào)度的基本時間單位也較EV-DO短，只有1.25 ms，這樣可以保證傳輸過程中占用的資源和無線環(huán)境變化不會太劇烈[4]。

　　EV-DO采用的是4時隙交叉方式，對于一個編碼數(shù)據(jù)包（EP）而言，在其對應(yīng)的多個時隙還沒有發(fā)送完時，如果收到移動臺的ACK，則會停止剩余時隙的發(fā)送。EV-DV的傳輸單位也是EP，但所采用的重傳方式不同：一個EP編碼后生成多個子數(shù)據(jù)包（SP），對于該EP，先發(fā)第一個SP，看移動臺是否可以正確解碼出其中的數(shù)據(jù)信息，若是，則發(fā)回ACK，基站收到后就不再發(fā)送后面的SP；否則移動臺發(fā)回NAK，基站再發(fā)送第二個SP；這樣的重傳過程一直進(jìn)行，直到基站的最大重傳次數(shù)限制為止。這樣每個SP的調(diào)度都是獨立的，調(diào)制方式也可以是獨立的。

　　經(jīng)驗證明，話音業(yè)務(wù)宜采用功率控制技術(shù)；而數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)采用速率控制技術(shù)，結(jié)合時分的調(diào)度算法則可以獲得更高的效率。由于在EV-DV前向鏈路上可以同時存在話音和數(shù)據(jù)兩種業(yè)務(wù)的移動臺，所以系統(tǒng)把功率控制和速率控制相結(jié)合，通過800Hz的快速功率分配估計話音用戶所需的功率；把剩余的功率分配給分組數(shù)據(jù)用戶；并根據(jù)分配的功率進(jìn)行速率控制，從而充分利用系統(tǒng)富余出來的資源。

　　1x EV-DV在保持后向兼容性的同時，還在不斷的發(fā)展，在下一個Release中將主要考慮以下內(nèi)容：
　　(1)增強1x反向鏈路的分組數(shù)據(jù)傳輸能力，最近提出的增強版本中已經(jīng)將最高上行速率提高到了1.8Mbps；
　　(2)采用廣播和組播技術(shù)，將更有利于實現(xiàn)3G與WLAN互聯(lián)；
　　(3)天線技術(shù)，采用基于多輸入多輸出(MIMO)的新型天線技術(shù)和智能天線技術(shù)，提高數(shù)據(jù)高峰/平均吞吐量，避免高階調(diào)制；
　　(4)異步自適應(yīng)的遞增性冗余技術(shù)，它結(jié)合了鏈路自適應(yīng)和遞增性冗余技術(shù)，以及信道估計和調(diào)度算法，來提供足夠的調(diào)度靈活性，能充分地利用多用戶分集增益；
　　(5)動態(tài)Walsh碼分配，在功率控制業(yè)務(wù)和速率控制業(yè)務(wù)之間動態(tài)地分享片斷的碼空間，從而更高效地使用整個碼空間。

　　4、3G分組技術(shù)的比較及發(fā)展趨勢

　　目前3G技術(shù)正在飛速發(fā)展，而且已經(jīng)開始了對超3G技術(shù)的進(jìn)行研究，通過前面對3G系統(tǒng)高速分組接入技術(shù)的介紹，并且聯(lián)系現(xiàn)階段對超3G技術(shù)的研究成果，我們可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)前分組接入技術(shù)的發(fā)展具有以下特點：

　　(1)調(diào)制技術(shù)向動態(tài)方向發(fā)展，可根據(jù)當(dāng)前信道狀況動態(tài)調(diào)整調(diào)制方式，采用BPSK、4PSK、8PSK、16QAM等不同的方式，從而能夠充分利用信道資源；

　　(2)引入混合重傳技術(shù)，能夠自動地適應(yīng)信道條件的變化，并且對測量誤差和時延不敏感。從而有利于根據(jù)數(shù)據(jù)信道條件對數(shù)據(jù)速率進(jìn)行較精細(xì)的調(diào)整。

　　(3)對于信道分配引入動態(tài)調(diào)度算法，結(jié)合MIMO技術(shù)在發(fā)送和接收端同時使用多天線，可以使峰值吞吐量得到提高。

　　(4)開始逐步將4G系統(tǒng)的正交波分復(fù)用技術(shù)應(yīng)用到當(dāng)前的移動接入技術(shù)中。

　　從上面的分析可以看出，高速分組接入技術(shù)正在向動態(tài)化、智能化方向發(fā)展，通過采用自適應(yīng)技術(shù)，能夠?qū)崟r跟蹤當(dāng)前信道狀況，使用一定算法得到當(dāng)前最佳的調(diào)制、分配和傳送方式，從而能更充分利用系統(tǒng)資源。

　　5、總結(jié)

　　論文介紹了3G系統(tǒng)中高速分組數(shù)據(jù)技術(shù)的原理，并通過對它們的橫向比較，得

　　出了當(dāng)前分組接入技術(shù)的共同特點以及將來的發(fā)展趨勢。利用自適應(yīng)的調(diào)制技術(shù)、功率和速率分配技術(shù)以及動態(tài)的信道分配算法，系統(tǒng)頻譜效率得到大大提高，這對建設(shè)下一代高速寬帶移動通信系統(tǒng)有十分重要的意義，并能促進(jìn)3G系統(tǒng)向下一代移動通信系統(tǒng)的平滑過渡。

參考文獻(xiàn)：
1.Bender P.et al. CMDA/HDR: A Bandwidth-Efficient High-Speed Wireless Data Service for Nomadic Users. IEEE Communications Magazine,2000(7):70～77
2.B.Haberland 陳建華，3G向高速下行分組接入演進(jìn)，電信技術(shù)，2004.6
3.The Focus project on 4G Mobile Network Architectures and Protocols, WINLAB, Rutgers University
4.楊大成，cdma2000 1x移動通信系統(tǒng)，機械工業(yè)出版社，2003.6
5.孫華，甄穎，一種增強WCDMA網(wǎng)絡(luò)性能的技術(shù)：HSDPA，電信快報，2004.3