CDMA EV-DO反向链路控制算法与功率控制的结合

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摘要　EV-DO是CDMA 3G的一种高速数据传输技术，它具有独特的反向链路媒体介入控制算法机制，可以参与调整基站反向链路的状况，以优化小区的反向链路情况。除此之外，EV-DO仍然支持反向功率控制。结合两者的特点，共同优化小区反向链路、提高服务质量，是一个需要研究的方向。
1、EV-DO无线链路关键信道分析
　　1.1　EV-DO前向链路结构
　　EV-DO的前向链路是采用时分复用的方式，如图1。前向链路由导频信道、媒体介入信道、控制信道和前向业务信道组成，这些信道之间采用时分复用的方式相互协作。
　　对于前向业务信道，各个用户之间也是采用时分复用的方式，因此总是用满功率进行发送。

图1　EV-DO前向链路物理信道

　　1.2　EV-DO前向RA信道
　　如图1所示，前向信道的媒体介入控制（MAC）由反向活动（RA）信道、反向功率控制（RPC）信道和（DRC）锁定信道组成。RA信道是公共信道，它固定占用编号为2的64阶Walsh码。
　　EV-DO的反向链路媒体介入控制算法依靠RA信道来实现。RA信道的作用是用来动态控制反向链路上的负荷，当基站检测到反向负荷超出门限时，将通过RA信道上发送的反向激活比特（RAB）来通知该小区下面所有的手机按照事先约定好的转移概率来降低自己的发送速率，从而从整体上降低小区反向链路的发射功率；反之，当反向链路的发射功率低于门限时，基站将通过RA信道发送RAB比特指示所有手机按照事先约定的转移概率提高自己的发送速率。
　　1.3　EV-DO前向RPC信道
　　RPC信道为专用信道。针对某一用户，它们以时分方式共享一个64阶Walsh码。该Walsh码由该用户的MAC层Index确定（可用的Index编号为5～63）。
　　基站采用RPC信道来控制终端的发射功率，支持软切换，其功能和工作方法与IS-95/1x的功率控制信道相似。
2、EV-DO反向链路过载控制算法分析
　　EV-DO反向链路采用与1X相同的码分原理进行数据传输，因此要进行反向链路过载的控制。基站用于控制EV-DO终端的速率具有两种方式：
　　（1）反向速率控制。终端在一开始与基站建立连接的时候，基站会发送反向速率限制消息给终端，将终端的反向发送速率限制在一定的范围之内。建立连接之后，基站会根据情况的变化，向终端发送该消息进行反向速率的限制。
　　（2）反向激活比特和传输概率。该功能是依据反向链路MAC过载控制算法进行的，这是基站用于控制EV-DO终端发送数据速率的一种控制算法。
　　下面重点分析一下反向链路MAC控制算法的工作原理及其对于EV-DO的作用。
　　2.1　EV-DO反向链路MAC算法的控制目的
　　反向链路MAC算法的根本控制目的就是允许网络中的终端能以最大的传输速率来传输数据。每个扇区需要判断是否允许本扇区覆盖范围的用户提高自己的反向传输速率，而不会由于热噪声过高而导致信号崩溃。与以往所有的CDMA语音系统所面临的这类问题不同，EV-DO系统需要支持终端能够快速地从一个速率变化到另外一个速率，并支持高速突发速率。对于1x-EV系统，若系统认为反向业务信道没有过载，那么将设置反向激活比特为“0”，此时终端将自动地提高自己的速率。反之，若反向链路的使用情况超出了可以容忍的界限，那么反向激活比特将被系统置为“1”，使系统的反向应用情况迅速减轻。
　　2.2　EV-DO反向链路MAC算法的实现方法
　　EV-DO系统有两种实现反向链路MAC算法的方法：直接测量方法和负荷计算方法。
　　（1）直接测量方法
　　直接测量方法的步骤如下：
　　●直接在扇区的每个天线口测量热噪声Z，用Z1和Z2来代表两个天线口的测量值。测量应该在每个时隙（1.667 ms）进行一次。
　　●采用IIR滤波器24个时隙（40 ms）的时间常数进行滤波平滑Z1和Z2，得到Z1avr和Z2aver。
　　●判断Z1avr和Z2aver的最大值是否大于所设的噪声门限Zt。如果大于该门限，系统设置RAB比特为“1”，否则设置为“0”。Zt是定义扇区是否忙的门限参数。
　　应用直接测量方法时，推荐Zt数值和反向速率限制如下：
　　●对于所有的用户终端设定反向速率限制为153.6 kbit/s；
　　●根据链路对于热噪声的限制，可以采用更加低的Zt值，普通情况为5 dB。
　　（2）负荷计算方法
　　高通的驱动芯片提供了计算负荷的途径。基站通过以下步骤来确定是否置位RA比特：
　　●终端用户发送数据速率通过反向RRI信道指示，在最后的16个时隙里面，反向包都是按照这个速率进行发送。这当中可能包括一些扇区没有正确接收到数据包而RRI被正确解调的情况。这个观察周期最多包含一个数据包，因为每个终端发送的数据包的长度是16个时隙，并且帧偏移值为从0～16。
　　●计算天线口的负荷。根据下式计算天线j口的负荷。
　　　　（1）
　　其中函数f（DataRate）代表一个终端接收的总功率与接收到的导频功率的比值。
　　公式（1）忽略了ACK信道的功率。Ecp/Io是在扇区天线j测量的，代表导频信道每个PN码片的平均能量与总的接收功率谱密度的比值。对于函数f（DataRate）的定义见表1。其中，定义参数w=100.1×DRCChannelGain。

表1　f（DataRate）的定义

　　●决策。根据公式（1）计算所得的天线口Yj的值是否大于门限来决定扇区是否过载。终端对于反向激活比特的响应动作取决于基站配置给终端的传输速率转移概率，见表2。
　　门限和反向速率限制的设置需要有一定的保留，以便降低高ROT效应造成的影响。推荐的参数如下：
　　（1）所有的手机反向速率限制控制在38.4 kbit/s；
　　（2）基于负荷方式的门限设定在0.5。
　　表2中的参数定义如下：

表2　转移概率

　　（1）DataOffsetNom：接入网设置该域为接入数据信道功率与导频信道功率的标称偏置，表示单位为0.5 dB的二补码值。接入终端应支付该域指定的所有有效值。
　　（2）DataOffset9k6：接入网设置该域为9 600 bit/s时反向链路数据信道的功率与9 600 bit/s时标称反向链路信道功率的比值，表示为单位为0.25 dB的二补码值。
　　（3）Data.Offset19k2、DataOffset38k4、DataOffset76k8、DataOffset153k6的定义参照第2条，只是速率修改为参数代表的速率。
3、EV-DO反向功率控制与反向过载控制组合控制
　　EV-DO对于反向链路采用反向功率控制功能来上升或者降低用户的发射功率。每个用户评估前向信道所接收到的总能量。根据这个测量，用户调整自己的发射功率来弥补路径的损耗。其中，闭环功率控制依靠基站发送的控制指令来完成。在IS-856系统中，用户根据反向功率控制调整发射导频功率水平。业务信道、DRC信道、ACK信道的功率都与导频信道的发射功率相关。闭环功率控制的目的是要保持每一个用户的导频信号/噪声比在设定的功率控制门限的水平上，以保证误帧率可以在1%以下。
　　根据这个控制原理，如果误帧率在1%以上，基站会通过反向功率信道指示手机提高发射功率，以便增强其信号的强度，提高解码的正确性。但是，这样一来必然会增加手机对于基站天线的功率负担，并且会加大小区临区的干扰。
　　恶劣的情况下，如果基站发现某小区用户的反向数据的误码率高于门限，则会通知手机提升功率，结果必然会对其他用户造成影响；而其他用户的误码率上升到超过门限时，也会被通知提高发射功率，这样的恶性竞争最终会导致所有用户的反向数据无法被解调出来而出现信号“崩溃”。更为严重的是，这样的竞争同时会干扰临区，造成临区的信号“崩溃”。整个过程跟反向链路过载控制的演变过程基本类似。
　　因此，如何结合两者的控制策略来共同保证基站小区的服务质量，防止信号“崩溃”是一个非常重要的工作。根据两者的作用途径和原理，可以按照以下步骤进行控制，以提供小区的服务质量：
　　（1）按照反向链路过载控制策略执行原有的过载控制策略。
　　（2）执行反向功率控制策略之前，需要区分控制目的是哪一种：
　　●降低手机的发射功率，该策略照常执行；
　　●升高手机的发射功率，该策略需要修正。
　　修正的方法：
　　（1）判断基站小区的反向链路是否过载。建议采用高通提供的负荷计算方法来进行判断，这样计算结果能够区分出一个渐变的过程。
　　（2）根据第1步的判断结果，如果发现小区没有过载或者低于设定的门限，那么按照原有的流程对手机进行反向功率控制；反之，如果发现小区过载或者超出了设定的门限，那么执行步骤3见图2。

图2　策略示意图

　　（3）此时，反向功率控制不能直接对手机进行功率控制，而是采用反向功率模板来完成对于手机的反向功率控制。该模板要将反向功率控制字按照一定的规律排列，保持手机发射功率不会增加或者降低，从而维持在一定的水平。
　　这样的好处是，在小区过载的情况下，不会由于反向功率控制来增加对于小区过载的恶性发展，同时维持手机的发射功率，兼顾手机的使用效果和小区的服务质量。当无线环境不再恶劣时，则可以恢复正常功率控制的策略来满足更好的服务要求。
4、结语
　　文章分析了EV-DO控制反向链路过载和反向功率控制的基本原理，创造性地提出了将两者结合的控制方法。本方法的提出可以在不改动原有系统结构的基础上提高系统的稳定性，防止用户在无线环境恶劣的情况下恶性竞争从而导致信号“崩溃”的可能，同时还兼顾了小区的服务效果。