3G系统高速分组接入技术

发布: 2010-10-20 00:24 | 作者: 龚明升祁玉生南京 | 来源: | 字体: 小中大

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　　摘要:本文介绍WCDMA与TD-SCDMA系统的高速下行分组接入(HSDPA)技术以及cdma2000 系统的1x EV-DO和EV-DV技术原理，并对这些分组接入技术做出对比，然后展望3G分组接入技术的发展方向。

　　关键词:第三代移动通信、HSDPA、cdma2000 1x EV-DO、cdma2000 1x EV-DV

　　1、概述

　　分组数据业务和话音业务对资源的需求具有截然不同的特点：分组数据业务一般有突发的特征，可以容忍时延及时延抖动，对差错敏感，前向需求与反向需求不对称，QoS等级多，追求的目标是系统的吞吐量最大化；而话音业务相对连续，对时延和时延抖动敏感，能容忍一定的差错，前反向需求对称，QoS等级相对单一，追求的目标是Erlang容量最大化[4]。因此，各种3G标准都对分组接入业务提出了特有的解决方案，以提高分组数据业务的传输能力和性能。其中WCDMA系统和TD-SCDMA系统采用高速下行分组接入(HSDPA)技术，而cdma2000 1x系统则提出分阶段的1x EV-DO和1x EV-DV实现技术。

　　2、HSDPA技术原理

　　为了很好地解决系统覆盖与容量之间的矛盾，消除干扰，提升系统容量， WCDMA的后续发展中产生了许多新技术。其中最值得关注的就是高速下行分组接入(HSDPA)，这一技术也被我国的TD-SCDMA系统采用。HSDPA是3GPP基于R99、R4并在R5协议中为了满足上/下行数据业务不对称的需求而提出的一种调制解调算法，它可以在不改变已建设的WCDMA网络结构的情况下，把下行数据业务峰值速率提高到10Mbps。该技术是WCDMA网络建设后期提高下行容量和数据业务速率的一种重要技术。

　　基于演进考虑，HSDPA设计遵循的准则之一是尽可能地兼容R99版本中定义的功能实体与逻辑层间的功能划分。在Um接口的物理层，作为下行共享信道(DSCH)的演进，增设高速下行共享信道(HS-DSCH)，采用自适应编码调制(AMC)和混合ARQ(HARQ)技术；MAC层引入MAC处理实体(MAC-hs)，实现应用层相关操作信令和功能的增强。表1[5]对DSCH和HS-DSCH的基本特性进行了对比：

　　HSDPA引入的信道使用与其它信道相同的频点，从而使运营商可以灵活地根据实际业务情况对信道资源进行灵活配置。

　　HSDPA信道包括HS-DSCH以及相应的高速下行共享控制信道(HS-SCCH)和上行专用物理控制信道(HS-DPCCH)。下行共享控制信道承载从MAC-hs到终端的控制信息，包括移动台身份标记、HARQ相关参数以及HS-DSCH使用的传输格式。这些信息每隔2ms从基站发向移动台。HS-DPCCH则由移动台用来向基站报告下行信道质量状况并请求基站重传有错误的数据块。

　　HS-DSCH映射的信道码资源最大可由15个扩频因子(SF)固定为16的SF码构成。不同移动台除了在不同时段分享信道资源外，还分享信道码资源。信道码资源共享使系统可以在较小数据包传输时仅使用信道码集的一个子集，从而更有效地使用信道资源。此外，信道码共享还使得终端可以从较低的数据率能力起步，逐步扩展，有利于终端的开发。HS-DSCH信道的传输时间间隔设定为2ms，使系统有更强的AMC及信道的适应性。从共用信道池分配的信道码由Node B根据HS-DSCH信道业务情况每隔2ms分配一次。与专用数据信道使用软切换不同，高速共享数据信道(HS-DSCH) 间使用硬切换方式。

　　ACK/NAK比率以及用户反馈，估计出每个活跃的HSDPA用户的信道质量。根据目前的信道质量，Node B内的AMC会采取相应的调制及编码算法，发射数据。具体步骤如下：

　　(1)Node B内的调度模块对不同的用户进行评估,考虑他们的信道条件、每个用户的缓冲区的数据量以及最近一次的服务时间等因素。

　　(2)决定好服务的用户后，Node B确定HS-DSCH的参数。

　　(3)Node B在发射HS-DSCH之前，先发射HS-SCCH通知终端一些必要的参数。

　　(4)终端监测HS-SCCH，监测是否有发给自己的信息，如果有的话，终端开始接收HS-DSCH，并进行缓存。

　　(5)根据HS-SCCH上的信息，终端可以判断在HS-DSCH上接收到的数据是否需要和缓存中的数据进行合并。

　　(6)终端对在HS-DSCH上接收到的数据进行解调，并根据CRC结果在上行HS-DPCCH上发送响应ACK/NAK。

　　2.1快速链路调整技术

　　如前所述，数据业务与语音业务具有不同的业务特性。语音通信系统通常采用功率控制技术以抵消信道衰落对于系统的影响，以获得相对稳定的速率，而数据业务相对可以容忍延时，可以容忍速率的短时变化。因此HSDPA不是试图去对信道状况进行改善，而是根据信道情况采用相应的速率。由于HS-DSCH每隔2ms 就更新一次信道状况信息，因此，链路层调整单元可以快速跟踪信道变化情况，并通过采用不同的编码调制方案来实现速率的调整。

　　当信道条件较好时，HS-DSCH采用更高效的调制方法--16QAM，以获得更高的频带利用率。理论上，xQAM调制方法虽然能提高信道利用率，但由于调制信号间的差异性变小，因此需要更高的码片功率，以提高解调能力。因此，xQAM调制方法通常用于带宽受限的场合，而非功率受限的场合。在HSDPA中，通常靠近基站的用户接收信号功能相对较强，可以得到xQAM调制方法带来的好处。

　　此外，WCDMA是语音数据合一型系统，在保证语音业务所需的公共以及专用信道所需的功率外，可以将剩余功率全部用于HS-DSCH，以充分利用基站功率。

　　2.2 结合软合并的混合重传(HARQ)技术

　　终端通过HARQ机制快速请求基站重传错误的数据块，以减轻链路层快速调整导致的数据错误带来的影响。终端在收到数据块后5ms内向基站报告数据正确解码或出现错误。终端在收到基站重传数据后，在进行解码时，结合前次传输的数据块以及重传的数据块，充分利用它们携带的相关信息，以提高译码概率。基站在收到终端的重传请求时，根据错误情况以及终端的存储空间，控制重传相同的编码数据或不同的编码数据(进一步增加信息冗余度)，以帮助提高终端纠错能力。

　　2.3 集中调度技术

　　集中调度技术是决定HSDPA性能的关键因素。它使得系统可以根据所有用户的情况决定哪个用户可以使用信道，以何种速率使用信道。集中调度技术使信道总是为与信道状况相匹配的用户所使用，从而最大限度地提高信道利用率。

　　信道状况的变化有慢衰落与快衰落两类。慢衰落主要受终端与基站间距离影响，而快衰落则主要受多径效应影响。数据速率相应于信道的这两种变化也存在短时抖动与长时变化。数据业务对于短时抖动相对可以容忍，但对于长时抖动要求则较严。好的调度算法既要充分利用短时抖动特性，也要保证不同用户的长时公平性。也就是说，既要使得最能充分利用信道的用户使用信道以提高系统吞吐率，也要使得信道条件相对不好的用户在一定时间内能够使用信道，也保证业务连续性。

　　常用的调度算法包括比例公平算法、乒乓算法、最大CIR算法。乒乓算法不考虑信道变化情况；比例公平算法既利用短时抖动特性也保证一定程度的长时公平性；最大CIR算法使得信道条件较好的少数用户可以得到较高的吞吐率，多数用户则有可能得不到系统服务。

　　HSDPA对系统性能的影响包括业务与系统吞吐率两个层面。快速链路层调整技术最大限度地利用了信道条件，并使得基站以接近最大功率发射信号；集中调度技术使得系统获得系统级的多用户分集好处；高阶调制技术则提高了频谱利用率以及数据速率。这些技术的综合使用使得系统的吞吐率获得显著提高。同时，用户速率的提高以及HARQ技术的使用使得TCP/UDP性能得到改善,从而提高了业务性能。但是,业务性能的提高程度与业务模型有关。

　　作为WCDMA R5版本高速数据业务增强技术，HSDPA通过采用时分共享信道以及快速链路调整、集中调度、HARQ等技术提高了系统的数据吞吐率以及业务性能，同时保证系统的前向兼容，除在Node B增加相应的MAC模块外，不对系统结构带来其它影响，从而有利于系统的灵活部署。

　　3、cdma2000 1x EV-DO和EV-DV技术原理

　　鉴于分组数据和话音数据的不同特点，如果将两种业务放在不同的载波上，对二者采用不同的传输和控制方法，将可以大大简化系统设备的结构，使两种业务分别得到好的服务质量。因此cdma2000 1x系统最初提出1x EV-DO标准,它可以在一个或多个载波上传输高速分组业务,而在另外的载波上传输话音和实时业务。

　　针对高速分组数据传输的特点，1x EV-DO在前向链路上采用了诸如高阶调制、动态速率控制、快速小区选择和时分调度等多项技术；而对于反向链路上的数据传输，本质上和cdma2000 1x没有本质的区别。1x EV-DO前向链路具有以下特点：

　　(1)在1.25MHz的载波上，数据速率最大可以达到2.4Mbps；

　　(2)在前向链路采用最佳服务扇区选择和动态速率控制技术，由所有属于相同最佳服务扇区的用户以时分复用的方式共享唯一的数据业务信道；

　　(3)移动台、低时延的反馈目前可支持的最高数据速率(根据当前的信道状况),最快600次/s；

　　(4)根据反馈的速率情况，自适应的采用不同的编码和调制方式；

　　(5)采用调度算法，动态调度分组数据传输，每次只向一个用户传输数据，使前向链路吞吐量最大化。

　　虽然1x EV-DO已经可以提供很高的数据速率，但它毕竟需要单独占用一个1.25MHz带宽，与话音业务不能共享同一载波，当分组数据业务量不是很高时，载波的利用就会不够充分。因此，3GPP2提出了1x EV-DV技术，使系统可以同时支持高速数据业务和实时业务，在同一载波上传输实时、非实时和混合业务。

　　1x EV-DV为了实现与cdma2000 1x标准保持后向兼容性的同时，在话音业务相同的载波上支持高速分组数据业务，新增加了四种物理信道：前向分组数据信道、前向分组数据控制信道和反向信道质量指示信道、反向确认信道。除此以外，它相对于EV-DO还有很多自身特有的关键技术，包括：快速自适应调制编码、物理层重传改进机制、功率控制和速率控制的结合。

　　相对于EV-DO，EV-DV的前向传输速率完全是由基站决定的，移动台只通过反向质量指示信道向基站报告所测量的前向公共导频信道的C/I。这是因为基站中的可用资源（发射功率、Walsh码等）在有话音业务激活的情况下是随时间变化的，移动台很难快速全面的跟踪这种变化；而且EV-DV允许系统通过两个前向分组数据信道同时给一个用户发送数据，因此EV-DV中的前向分组数据信道由基站集中进行控制。在前向分组数据信道的调度方面EV-DV和EV-DO类似，即每次只给一个用户发送；但是EV-DV允许在两个不同的前向分组数据信道上同时传输数据，而且调度的基本时间单位也较EV-DO短，只有1.25 ms，这样可以保证传输过程中占用的资源和无线环境变化不会太剧烈[4]。

　　EV-DO采用的是4时隙交叉方式，对于一个编码数据包（EP）而言，在其对应的多个时隙还没有发送完时，如果收到移动台的ACK，则会停止剩余时隙的发送。EV-DV的传输单位也是EP，但所采用的重传方式不同：一个EP编码后生成多个子数据包（SP），对于该EP，先发第一个SP，看移动台是否可以正确解码出其中的数据信息，若是，则发回ACK，基站收到后就不再发送后面的SP；否则移动台发回NAK，基站再发送第二个SP；这样的重传过程一直进行，直到基站的最大重传次数限制为止。这样每个SP的调度都是独立的，调制方式也可以是独立的。

　　经验证明，话音业务宜采用功率控制技术；而数据业务采用速率控制技术，结合时分的调度算法则可以获得更高的效率。由于在EV-DV前向链路上可以同时存在话音和数据两种业务的移动台，所以系统把功率控制和速率控制相结合，通过800Hz的快速功率分配估计话音用户所需的功率；把剩余的功率分配给分组数据用户；并根据分配的功率进行速率控制，从而充分利用系统富余出来的资源。

　　1x EV-DV在保持后向兼容性的同时，还在不断的发展，在下一个Release中将主要考虑以下内容：
　　(1)增强1x反向链路的分组数据传输能力，最近提出的增强版本中已经将最高上行速率提高到了1.8Mbps；
　　(2)采用广播和组播技术，将更有利于实现3G与WLAN互联；
　　(3)天线技术，采用基于多输入多输出(MIMO)的新型天线技术和智能天线技术，提高数据高峰/平均吞吐量，避免高阶调制；
　　(4)异步自适应的递增性冗余技术，它结合了链路自适应和递增性冗余技术，以及信道估计和调度算法，来提供足够的调度灵活性，能充分地利用多用户分集增益；
　　(5)动态Walsh码分配，在功率控制业务和速率控制业务之间动态地分享片断的码空间，从而更高效地使用整个码空间。

　　4、3G分组技术的比较及发展趋势

　　目前3G技术正在飞速发展，而且已经开始了对超3G技术的进行研究，通过前面对3G系统高速分组接入技术的介绍，并且联系现阶段对超3G技术的研究成果，我们可以发现当前分组接入技术的发展具有以下特点：

　　(1)调制技术向动态方向发展，可根据当前信道状况动态调整调制方式，采用BPSK、4PSK、8PSK、16QAM等不同的方式，从而能够充分利用信道资源；

　　(2)引入混合重传技术，能够自动地适应信道条件的变化，并且对测量误差和时延不敏感。从而有利于根据数据信道条件对数据速率进行较精细的调整。

　　(3)对于信道分配引入动态调度算法，结合MIMO技术在发送和接收端同时使用多天线，可以使峰值吞吐量得到提高。

　　(4)开始逐步将4G系统的正交波分复用技术应用到当前的移动接入技术中。

　　从上面的分析可以看出，高速分组接入技术正在向动态化、智能化方向发展，通过采用自适应技术，能够实时跟踪当前信道状况，使用一定算法得到当前最佳的调制、分配和传送方式，从而能更充分利用系统资源。

　　5、总结

　　论文介绍了3G系统中高速分组数据技术的原理，并通过对它们的横向比较，得

　　出了当前分组接入技术的共同特点以及将来的发展趋势。利用自适应的调制技术、功率和速率分配技术以及动态的信道分配算法，系统频谱效率得到大大提高，这对建设下一代高速宽带移动通信系统有十分重要的意义，并能促进3G系统向下一代移动通信系统的平滑过渡。

参考文献：
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2.B.Haberland 陈建华，3G向高速下行分组接入演进，电信技术，2004.6
3.The Focus project on 4G Mobile Network Architectures and Protocols, WINLAB, Rutgers University
4.杨大成，cdma2000 1x移动通信系统，机械工业出版社，2003.6
5.孙华，甄颖，一种增强WCDMA网络性能的技术：HSDPA，电信快报，2004.3

作者：龚明升祁玉生南京邮电学院来源：《网络通信世界》