cdma 2000 空中接口技术的演进

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1、概述
　　2005年3月，3GPP2启动了cdma2000演进技术的研究与标准化工作，其空中接口技术的演进称为AIE（Air Interface Evolution）。cdma2000空中接口技术演进的基本思路为：提高峰值数据速率和系统吞吐量能力；保护现有投资和保持后向兼容性；提升宽带无线体验。
　　为了满足不同市场的需求，降低开发复杂度，3GPP2将AIE的工作分为两个阶段。
　　（1）阶段一实现多载波EV-DO（Nx EV-DO），即EV-DO Rev.B。该阶段在性能提高的前提下尽可能后向兼容，减少系统对基础硬件的影响，在性能与市场化进程之间折衷。
　　（2）阶段二实现cdma2000增强数据分组空中接口（E-PDAI）。该阶段可满足市场长远发展的需要，大幅度提升系统性能。
2、阶段一
　　阶段一立足于快速发展的市场化进程，保持后向兼容性，满足近期市场的需求。它主要是基于现有的1x EV-DO，通过合并多个1x EV-DO载波来提供更高的分组数据速率。
　　2.1　具体需求
　　（1）Nx EV-DO系统不应修改多信道的1x EV-DO Rev.A基站或基础硬件。
　　（2）Nx EV-DO的总传送带宽应为CDMA信道的整数倍。
　　（3）Nx EV-DO系统应完全后向兼容EV-DO Rev.A。低于1x EV-DO版本的接入终端应能接收来自Nx EV-DO系统的服务；Nx EV-DO终端应能接收低于EV-DO版本的系统在接入网络提供的服务。
　　（4）在Nx EV-DO系统中，可单独建立和释放前向链路（FL）和反向链路（RL）CDMA信道，并且可按需动态改变FL和RL CDMA的信道集。
　　（5）在Nx EV-DO系统中，FL CDMA信道数可与指配的RL CDMA信道数不同。
　　（6）在Nx EV-DO系统中，可支持独立指配RL CDMA信道的能力，不必遵循cdma2000 FL／RL FDD成对的原则。
　　（7）Nx EV-DO技术标准应支持Nx EV-DO接入网分配连续和不连续的N-CDMA信道，并应支持不同频段类别间信道的合并。
　　（8）Nx EV-DO技术标准前向应支持至少NF×3.1 Mbit/s的总峰值速率，反向应支持至少NR×1.8 Mbit/s的总峰值速率。其中，NF为前向链路的载波数，NR为反向链路的载波数。
　　（9）Nx EV-DO技术标准应允许为单载波AT（如1x EV-DO）分配Nx EV-DO接入终端使用的载波。
　　阶段一的技术定位决定了多载波EV-DO基于1x EV-DO Rev.A物理层，主要是对媒质接入控制（MAC）层和高层进行修改，以支持多载波的调度、增加、删除和不对称前反向载波。
　　2.2　主要技术点
　　（1）为了支持更高的数据速率，可采用高阶调制64QAM，并支持更大的数据分组。
　　（2）对于ACK/DRC等控制信道来说，当前向、反向载波数对称时，采用与EV-DO Rev.A相同的方式；当前向、反向载波数不对称时，尤其是前向载波数大于反向载波数时，采用长码掩码（Long Code Mask，LCM）实现一个反向载波上多个ACK/DRC信道的复用。
　　（3）将物理层分为对称模式、基本不对称模式和增强不对称模式三种。对称模式涵盖单载波操作，是必须支持的，并且它对于所有反向链路载波都采用相同的LCM；在基本不对称模式中，每个前向链路载波的前向开销信道（DRC/ACK）采用惟一的LCM，也就是说每个前向链路载波采用一个LCM，则（NxFL，1xRL）要采用N个惟一的LCM；在增强不对称模式中，每4个前向链路载波采用一个LCM，即采用CDM+TDM方式实现前向开销信道。
　　（4）采用DTX/DRX和快速循环以降低终端耗电。
　　（5）采用混合频率复用以提高小区边缘用户的性能。
　　目前，阶段一即EV-DO Rev.B的空中接口标准已于2006年6月正式颁布。EV-DO Rev.B的芯片正在积极研发当中，预计一两年内投入市场。
3、阶段二
　　阶段二立足于远期的市场需求，采用新技术提高频谱效率和数据速率。
　　3.1　具体需求
　　（1）语音容量：每MHz每扇区支持100个并发VoIP会话。
　　（2）数据吞吐量。在带宽为20 MHz的情况下讨论。
　　①用户峰值数据速率见表1。

表1　用户峰值数据速率

　　②系统平均吞吐量。当系统处于满负荷状态时，在室外高速车载环境下，前向速率为60 Mbit/s，反向速率为30 Mbit/s。
　　（3）频谱效率≥4 bit/s/Hz。
　　（4）系统时延。空闲状态时延为10 ms，传送时延为10 ms，切换时延为20 ms。
　　（5）与其他cdma2000技术的无缝互操作。
　　（6）与其他无线接入技术的无缝切换。
　　3.2　工作流程
　　阶段二的工作首先由TSG-C中负责物理层的工作组WG3启动。2005年5月，WG3确定了阶段二的工作流程。
　　（1）首先由TSG-S确定最终的需求和技术文稿。
　　（2）更新评估方法。该评估方法主要包含信道模型、空间调整、天线配置、业务模型、控制信道模型和干扰模型。
　　（3）各公司正式提交阶段二的建议。
　　（4）校准和决议。评估和选择技术并形成标准。
　　WG3于2005年12月初步确定了阶段二的工作计划，如图1所示。

图1　阶段二的工作计划

　　3.3　确定解决方案
　　截至2006年3月，共提交了6个阶段二的技术框架。其中，一部分厂商提交的解决方案包含紧耦合（SBC）和松耦合（LBC）两部分；另一部分厂商提交的方案只包含LBC部分。SBC方案是在阶段一即多载波的基础上，采用类似于3GPP2增强多播广播技术的方式，保持Pilot和MAC等控制信道不变，在Data时隙上采用OFDM技术传输数据，采用MIMO和干扰消除等提高性能，基本保持与阶段一的后向兼容。LBC主要是基于OFDM技术，采用了资源调度、干扰消除及MIMO等技术提高性能，不与阶段一后向兼容，只是保持与阶段一时序或采样频率的一致性。
　　由于时间关系，TSG-C一直在对LBC和SBC的优先级进行讨论，希望将有限的精力集中于一种解决方案。CDG（CDMA Development Group）也多次组织运营商召开会议，主要从目前全球市场需求、运营商频段及运营商长远规划的角度，对LBC和SBC的优先级进行讨论。参加会议的所有CDMA运营商都表示3GPP2一定要保证阶段二中LBC部分按计划完成。
　　在AIE新一轮技术征集（主要指LBC）中，OFDM以其技术优势毫无争议地成为AIE的基本多址技术。引入OFDM技术使得系统可用资源变为时域和频域二维资源池，甚至加上码字资源成为三维资源池。如何灵活动态地进行资源调度，使其既可以充分利用时域和频域特性提高频谱效率又能满足不同业务QoS，成为AIE技术研究的重点。目前，候选资源调度方式主要有集中式和分散式两种，分别采用了频域选择性增益和频率分集增益技术。OFDM自身可消除小区内干扰，但无法消除小区间干扰，如何消除小区间干扰及提高小区边缘用户成为AIE的关键技术点。目前主要的候选技术有频率复用和软切换。OFDM每个子载波信道可看作水平衰落信道，可以较容易地引入MIMO技术，根本性地提高系统容量。采用何种MIMO技术、如何插入导频以提高信道估计的准确度也是目前AIE研究的重点。目前主要的MIMO候选技术有SDMA、SCW和MCW等。
　　针对LBC，经过多轮谈判，在2006年6月3GPP2会议上，终于形成了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为框架，上下行链路采用OFDM技术。
　　AIE融合方案的主要技术特点如下。
　　（1）自适应编码和调制，调制方式为QPSK、8PSK、16QAM和64QAM。
　　（2）采用递增冗余IR的同步HARQ。其特点如下。
　　①更短的HARQ重传时延（前反向链路约为7 ms）；
　　②在高频率下，重传的HARQ可以采用更低阶调制，以避免编码比特重传获得1 dB的增益；
　　③HARQ间隔尚未确定，候选值为5、6和8帧。
　　（3）前向采用支持MIMO的OFDMA，达到20 MHz带宽、260 Mbit/s的峰值速率。
　　（4）前向链路有效的频域分集DRCH（分散式资源信道）和频域选择性BH（块资源信道）资源调度，以及灵活的DRCH和BH复用。
　　（5）前向链路预编码和SDMA。
　　①低速反馈的MISO/MIMO闭环预编码；
　　②预编码和空分多址联合。
　　（6）准正交反向链路传输。
　　①基于OFDMA的正交传输；
　　②层叠代OFDMA（LS-OFDMA）的非正交传输。
　　（7）预编码的CDMA反向链路。
　　①CDMA信道与OFDMA信道频率复用；
　　②CDMA用于反向控制信道；
　　③可选支持CDMA业务信道，用于传送低速、突发的和时延敏感的业务。
　　（8）通过功率控制获得最优的吞吐量和公平性的折衷。根据前缀信息，进行基于其他小区干扰情况的反向功率控制。
　　（9）利用软频率复用消除小区间干扰，提高小区覆盖和边缘小区性能，并在此基础上利用动态软频率复用以提高带宽利用率。
　　（10）最大限度地重用现有高层协议和分层结构。
　　（11）为了提高小区边缘用户性能，支持前向软切换组。
　　（12）小区内采取单频率规划，以增强前向业务和信令，支持软切换、快速寻呼信道。
4、两种技术介绍
　　4.1　资源分配
　　根据不同的频域分集和频域选择性，有两种资源分配方式。
　　（1）DRCH。用户分配的Tone（符号）分散于整个带宽，以获得频域分集增益，信道和干扰估计基于宽带公共导频。所有可用子载波（T个）被分为N个组，每组包含T/N个子载波。N对应于DRCH（16，0）中的16，0表示符号位置的偏置量。
　　（2）BRCH或BH。是集中式资源分配方式，即为用户分配频域上连续的一段频率，时域上分配一个帧的所有符号，以获得频域选择性增益。用户在不同帧上占用的块可以不同（Hopping），不同扇区的Hopping方式也可以不同。信道和干扰估计基于专用导频，根据不同的SIMO/MIMO方式，提供了三种导频插入方式。
　　上面两种资源分配方式也可以同时出现在每个物理帧中，有在BH上打孔形成DRCH或DRCH和NH在不同子带上应用两种模式。
　　4.2　功率控制方式
　　功率控制分为控制信道、CDMA业务信道和OFDM业务信道三部分。反向CDMA业务信道与cdma2000 1x EV-DO Rel.A业务信道的功率控制方式一致。以下重点描述控制信道和0FDM业务信道的功率控制方式。
　　基站采用反向导频信道作为闭环功率基准，反向导频信道采用CDMA方式周期性发送信息。基站对导频信道的功率控制方式与传统的闭环功率控制方式相同，即基站比较导频信道的SINR与目标值，确定基站发送的功率控制比特信息，终端根据接收到的功率控制比特，增加或降低导频信道的发送功率。其他反向控制信道以反向导频信道的功率作为基准进行功率调制，调制的粒度与反向服务扇区的ROT和导频质量指示相关。
　　终端反向业务信道功率的大小与该终端引起的扇区间和扇区内干扰相关。首先因为反向链路上不同终端占用不同的时频资源，应该避免基站接收到的子载波间功率相差太大，因为若载波间功率相差太大将导致载波正交性下降，降低网络容量。也就是说为了降低扇区内干扰，应该限制业务信道的变化范围。
　　基于OFDMA的业务信道主要是本小区对邻小区的干扰，但服务扇区并不了解此扇区业务信道引起的扇区间干扰。因此在融合方案中，当扇区的IoT（Interference over Thermal）高于门限值时，采用超帧前缀的扇区间干扰信道广播负载指示，该负载指示可取0、1和2共三个值，用于控制干扰终端的功率（扇区间干扰信道覆盖相邻扇区）。
　　另外，终端将Delta值和目前可支持的最大子载波数发送给基站，基站可通过这些信息进行反向链路分配。Delta值较小的用户，就有可能分配到较多的子载波，获得更高的数据速率，即基站可利用这些信息在调度过程中更好地进行折衷。
5、结束语
　　虽然AIE阶段二的技术框架已经确定，但其中还有大量的技术点处于Open状态。在随后的3GPP2会议中，各成员将会基于已确定的技术框架进一步提交技术文稿和仿真结果，3GPP2将依据仿真结果选择最终的技术。