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CDMA2000标准化进展
 
慧聪网   2006年2月28日15时11分   信息来源:邮电设计技术    

  0 前言

  作为第三代移动通信技术的一个主要代表,CDMA2000[1~4]由CDMAOne演进而来。它是美国向ITU-T提出的第三代移动通信空中 接口标准的建议,同时也是IS-95标准向第三代移动通信系统演进的技术体制方案。作为一种宽带CDMA技术,CDMA2000室内最高数据速率为2 Mbit/s以上,步行环境时为384 kbit/s,车载环境时为144 kbit/s。

  一般认为,IS-95A/B标准属于第二代移动通信技术标准。IS-95A是1995年5月美国电信工业协会(TIA)正式颁布的窄带CDMA标准。1999年3月,IS-95B标准制定完成。它是IS-95A的进一步发展,其主要目标是满足更高比特速率业务的需求,IS-95B可提供的理论最大比特速率为115 kbit/s,实际只能实现64 kbit/s。IS-95A和IS-95B均是系列标准,其总称为IS-95。CDMAOne是基于IS-95标准的各种CDMA产品的总称,即所有基于CDMAOne技术的产品,其核心技术均以IS-95作为标准。

  CDMA2000标准是一种体系结构,称为CDMA2000家族,它包含一系列子标准。由CDMAOne向3G演进的途径为:CDMAOne、cdma2000 1x、cdma2000 3x和cdma2000 1x EV。其中,从cdma2000 1x之后均属于第三代技术。
  CDMA2000标准在不断地演进和更新。CDMA2000标准在从最初的2G CDMA IS-95A/B标准演进到2.5G的cdma2000 1x标准之后,出现了两个分支:一个是CDMA2000标准定义的3x,即将3个CDMA载频进行捆绑以提供更高速数据;另一个分支是1x EV,包括1x EV-DO和1x EV-DV,其中1x EV-DO系统主要为高速无线分组数据业务设计,1x EV-DV系统则能够提供混合高速数据和话音业务。所有系列标准都向后兼容。目前,3GPP2主要制定cdma2000 1x的后续系列标准,即1x EV-DO和1x EV-DV的相关标准。

  1 cdma2000 1x

  cdma2000 1x标准是由CDMA IS-95标准演进而来的,其话音容量为IS-95系统的2倍,并提供高达307.2 kbit/s(A版本)的峰值速率,同时在无线信道类型、物理信道调制和无线分组接口功能上都有很大的增强。cdma2000 1x是一种成熟的、经过商用验证的技术,目前全球用户数量已超过11 800万。

  1.1 cdma2000 1x概述

  cdma2000 1x是CDMA2000移动通信系统的第一个阶段。其主要特点就是与现有的IS-95A/B系统后向兼容。由于cdma2000 1x具有快速寻呼信道的功能,因而极大地减少了终端的电源消耗,终端的待机时间提高了近50%。网络部分则根据数据传输的特点引入了分组交换机制,支持移动IP业务,支持QoS,能适应更多、更复杂的第三代业务。
  cdma2000 1x 0是cdma2000 1x的最初版本,于1999年7月公布。它为多载波模式定义了物理层,可实现大容量的话音和分组数据业务,其数据速率可达153 kbit/s。0版本采用了质量指示器位(QIB)模式的前向快速功率控制和观察时间差(OTD)模式的前向发送分集技术,支持快速寻呼信道和反向导频信道,并可为用户同时提供多种类型的业务。

  2000年3月公布的A版本,数据速率可达307.2 kbit/s,其前向快速功率控制采用QIB模式,前向发送分集为同步传输信号(STS)模式,支持辅助导频,支持QoS功能。它在0版本的基础上增加了新的公共信道(F-BCCH,F-CCCH,F-CACH,F-CPCCH,R-EACH和R-CCCH),采用了无线链路协议(RLP)来保证全速率数据业务的可靠传输,支持并发业务和增强型的加密协议,同时还提供对多媒体业务的信令支持。
  2002年4月公布的B版本与A版本基本相同,主要增加了“援救”信道,以提高通话的可靠性,降低掉话率。

  cdma2000 1x C版本公布于2002年5月,在前向链路(从基站到移动台)中引入了高速数据支持能力,前向链路最大数据速率可达3.1 Mbit/s。cdma2000 1x D版本公布于2004年3月,其反向链路(从移动台到基站)最大数据速率可达1.8 Mbit/s。cdma2000 1x C版本和D版本又称为1x EV-DV

  1.2 cdma2000 1x技术的特点

  cdma2000 1x在无线接口性能上较IS-95系统有了很大的增强。在相同条件下, CDMA2000系统的话音业务容量是IS-95系统的2倍,而数据业务容量是IS-95的3.2倍。cdma2000 1x的无线IP网络接口采用成熟的、开放的IETF协议,支持简单IP和移动IP的Internet/Intranet接入方式,真正实现了Internet接入的移动性。cdma2000 1x能实现对IS-95系统的完全兼容,技术延续性好,可靠性较高。这些特点使得CDMA2000成为第二代向第三代移动通信系统平滑过渡时所采用的主流技术之一。

  3G主要追求的目标是更高的比特率和更好的频谱效率。cdma2000 1x B版本具有以下主要技术特点:
  a) 多种信道带宽。前向链路上支持多载波码分多址(MC-CDMA)和直扩码分多址(DS-CDMA)两种方式;反向链路仅支持DS-CDMA方式。当采用MC-CDMA方式时,能支持多种射频带宽,即射频带宽可为N×l.25 MHz,其中N=1、3、5、9或12。目前技术仅支持前两种,即1.25 MHz(cdma2000 1x)和3.75 MHz(cdma2000 3x)。
  b) 可以更加有效地使用无线资源
  c) 可实现CDMAOne向CDMA2000系统平滑过渡
  d) 核心网协议可使用IS-41、GSM-MAP以及IP骨干网标准
  e) 前向发送分集
  f) 快速前向功率控制
  g) 使用Turbo码
  h) 辅助导频信道
  i) 灵活帧长
  j) 反向链路相干解调
  k) 可选择较长的交织器

  cdma2000 lx采用扩频速率为SR1,即前向信道和反向信道均采用码片速率1.228 8 Mbit/s的单载波直接序列扩频方式。因此,它可以方便地与IS-95 A/B后向兼容,实现平滑过渡。运营商可在某些需求高速数据业务而导致容量不够的蜂窝(CDMAOne)上,用相同载波部署cdma2000 1x系统,从而减少用户和运营商的投资。

  由于cdma2000 1x采用了反向相干解调、快速前向功控、发送分集和Turbo编码等新技术,其容量比IS-95大大提高。

  2 1x EV-DO

  目前cdma2000 1x EV-DO发布了两个版本,即Release 0和Release A,两个版本在功能特点和信道结构方面相差很大。Release 0支持的前、反向峰值速率分别为2.4 Mbit/s和153.6 kbit/s,而Release A在Release 0的基础上通过对前、反向链路改进,增强和引入新技术,使得前向链路支持的峰值速率达到3.1 Mbit/s,反向链路支持的峰值速率达到1.8 Mbit/s。

  迄今为止,3GPP2关于1x EV-DO Release 0的相关标准都已经发布,我国cdma2000 1x EV-DO Release 0系列的参考性技术文件也已经发布,相应的行业标准已经报批通过,主要包括空中接口技术要求、A接口技术要求、设备技术要求、测试方法等。

  2.1 1x EV-DO的网络结构

  cdma2000 1x EV-DO网络主要由MS/AT、BTS、BSC/PCF、AN AAA、PDSN和AAA等设备构成。

  基站收发信台主要完成无线信号的编码/解码、调制/解调、扩频/解扩、功率放大和功率控制等功能。基站控制器主要完成与语音业务有关的无线信道控制、码型变换和速率适配等功能。
  分组控制功能实体负责与基站控制器配合,完成与分组数据有关的无线信道控制功能,包括帧的选择与复制、功率控制等。由于与无线接入部分关系密切,大部分厂商将PCF与BSC集成到一起,1x EV-DO网络中的PCF在功能和地位上类同于GPRS网络中的分组控制单元。

  分组数据业务节点位于无线接入网和外部数据网之间,其作用主要包括:实现分组数据接入网关;是用户点对点协议(PPP)会话的终结点,保证PPP封装的IP包能在无线接入网和IP分组网间正确传输;负责管理用户状态,转发用户数据;在简单IP的情况下,为用户分配IP地址;在移动IP的情况下,具有外地代理的功能;负责收集AAA服务器需要的分组会话计费数据和无线会话计费数据,并把这些计费信息送到AAA服务器;PDSN对外连接各种ISP的IP分组网;支持通用路由封装(GRE)、IPsec、第二层隧道协议(L2TP)等隧道功能。CDMA 1x网络中的PDSN在功能和地位上类同于GPRS网络中的GPRS服务支持节点(SGSN)和GPRS网关支持节点(GGSN)功能的综合。

  AAA服务器通过与PDSN和本地代理的交互来完成移动用户的身份认证、数据业务的授权和计费信息的处理。也就是说,通过用一些预先登记的用户信息来验证用户的注册信息,进而提供身份认证;确定移动用户是否有权访问他目前申请的网络资源;搜集资源使用信息,用于计费和其他分析等。在实际使用中,AAA服务器都带有一个用户数据库,这个数据库中包括用户的初始化信息、属性值和每个用户的使用权限。

  1x EV-DO网络的重要接口有A10/A11、A12、A13和空中接口等。其中A10/A11是无线接入网和分组核心网之间的开放接口,A10用于传输PCF和PDSN之间的用户业务;A11用于传输PCF和PDSN之间的信令消息。A12接口连接AN与AN AAA,该接口主要完成AN级的认证功能。A13接口主要用于不同AN间切换时AT相关信息的交换。

  在简单IP的协议栈结构中,移动终端和接入节点之间的接口为Um接口,即1x EV-DO空中接口,主要包括物理层、媒体接入控制层、链路接入控制(LAC)层以及上层各种应用部分。

  2.2 1x EV-DO前向信道

  从信道结构来看,前向信道主要由导频信道、媒体接入控制信道、前向业务信道和控制信道组成。媒体接入控制信道又包括反向激活比特子信道、反向功率控制子信道、数据速率控制锁定子信道和前向自动请求重传子信道。

  导频信道主要用于系统捕获及信道质量测量

  媒体接入控制信道中反向激活比特子信道用于指示终端是否增加或降低传输速率;反向功率控制子信道则负责对反向链路进行功率控制,调整终端的功率;数据速率控制锁定子信道主要用于接入网向终端声明是否收到数据速率控制信息。为了支持反向HARQ功能,相应的前向链路新增了自动请求重传(ARQ)子信道,对接收到的反向子分组进行确认。

  控制信道主要负责向终端发送一些控制消息,诸如终端控制区(TCA)消息和扇区参数消息,其功能类似于cdma2000 1x中的寻呼信道。

  前向业务信道进一步划分为前缀部分和数据部分。前向业务信道主要负责向终端发送业务数据,会话建立后的参数配置消息也在前向业务信道发送。

  前向链路使用MAC索引值来标识用户,用Walsh码进行信道分配与扩频。在1x EV-DO系统实现数据业务时,前向链路在某一时刻只能与一个接入终端进行数据传输,此时接入网使用MAC索引值来标识接入终端。对于某个接入终端的MAC索引值分配是在接入终端发出业务信道分配请求后,由接入网在信道分配的TCA消息中指明。对于一个扇区,最多可以同时支持59个用户(其MAC索引值范围为5~63),业务数据的一个分组数据单元在前向链路传输时,需要1~8个时隙。为支持高速数据业务,前向链路中采用了Turbo码、多路子信道并行划分和16QAM等多种编码思想。

  前向链路可以对反向链路进行功率控制、速率控制。功率控制的原理与IS95/cdma2000 1x相同。

  2.3 1x EV-DO反向信道

  从信道结构来看,反向链路是由反向业务信道和接入信道两大类组成。

  反向业务信道由导频信道、响应信道、数据信道和媒体接入控制信道构成,媒体接入控制信道又包括反向速率指示信道、数据源控制信道和前向数据速率控制信道。导频信道分为主导频信道和辅助导频信道。

  其中,导频信道用于接入网对终端的捕获;响应信道用于向接入网发出响应,表明终端已经正确收到了接入网所发送的数据;媒体接入信道中的反向速率指示信道用于通知接入网目前终端数据信道的传输速率,反向速率指示与导频信道以时分方式进行复用;前向数据速率控制信道根据对各扇区的导频信道测量的结果,选定导频信号最强扇区并与之通信,同时要求该扇区按终端规定好的速率进行传输,从而实现对前向链路的速率控制。为减小干扰,前向数据速率控制信道信号在发送时可以采用门控与非门控两种方式传输。数据源控制信道主要是提高切换功率,减少业务中断。具体过程是:终端提前一定时间将自己需要切换的目标小区信息通过数据源控制信道提前通知基站,基站收到消息后做切换准备;辅助导频信道主要是为了辅助基站对高速数据进行解调,提高反向吞吐量;接入信道中的导频信道作为前缀,后面紧跟接入的数据包。

  反向信道是以时隙为单位进行传输的。一个时隙长度为1.666 7 ms,各信道以码分方式在一个时隙内进行复用。

  2.4 1x EV-DO的特点

  尽管cdma2000 1x已由许多无线运营商部署并投入运营,可提供153.6 kbit/s的数据传输链路,但还不能完全满足人们高速访问互联网的要求。因此,业界开发出了cdma2000 1x EV-DO的解决方案。1x EV-DO的主要技术特点包括:

  2.4.1 前向链路时分复用

  1x EV-DO充分利用了数据通信业务的不对称性和数据业务对实时性要求不高的特征,前向链路设计为时分复用(TDM)CDMA信道。对于前向链路,在给定的某一瞬间,某一用户将得到1x EV-DO载波的全部功率。另外,不管是传输控制信息还是传输业务信息,1x EV-DO的载波总是以全功率发射。

  2.4.2 速率控制

  在1x EV-DO网络中,前向链路的发射功率不变,即没有功率控制机制。但是,它采用了速率控制机制,速率随着前向射频链路质量的变化而变化。基站不决定前向链路的速率,而是由移动终端根据测得的C/I值请求最佳的数据速率。

  2.4.3 自适应调制编码技术

  根据前向射频链路的传输质量,移动终端可以要求9种数据速率,最低为38.4 kbit/s,最高为2 457.6 kbit/s。在1.25 MHz的载波上之所以能传输如此高速的数据,是由于1x EV-DO采用了高阶调制解调技术和纠错编码技术。

  2.4.4 调度程序使射频资源发挥最大效能

  基站中有一种调度程序,决定下一个时隙分配给哪个用户使用,时隙分配的原则是移动终端请求的速率与其平均吞吐量之比最高。对于1x EV-DO,当移动终端处于衰落状态时,基站的调度程序就不给它分配或少分配传输时间。这就是1x EV-DO的多用户分集增益,它有利于扩大网络容量。

  2.4.5 反向链路数据速率控制

  在1x EV-DO系统中,对反向链路移动终端使用的数据速率没有直接的控制,只是在移动终端传输的分组中携带了数据速率的信息。

  基站在反向激活信道发送反向激活比特(RAB),以广播的方式向移动台指示反向链路的负载情况,如果RAB被置为“忙”,则表示反向链路目前处于满载状态,移动台将用随机化的算法决定是否降低反向链路数据传输速率。基于该随机化算法,移动台当前数据传输速率越高,则降低速率的几率就越大。

  2.4.6 支持广播和组播业务

  为了充分利用带宽,使得类似于电视节目的广播服务能够更有效地在移动通信网络中传输,cdma2000 1x EV-DO引入了广播和组播业务(BCMCS)技术。BCMCS可以使组播IP流在空中只传输一份拷贝,多个用户接收,从而大大节省空中链路带宽,有效地提高服务质量和整体吞吐量,同时也能将费用降低到用户可以接受的水平。可以说,BCMCS技术使得通过移动通信网络提供高质量的广播业务成为可能。此外,BCMCS还可用于实现一键通(PTT)等业务。

  3 1x EV-DV

  1x EV-DV系统提供混合高速数据和话音业务。1x EV-DV与CDMA2000系列标准完全后向兼容,与ANSI-41核心网标准也兼容。1x EV-DV对应有cdma2000 1x C版本和cdma2000 1x D版本两套标准,C版本主要改进和增强了cdma2000 1x的前向链路,前向最高峰值速率达到3.1 Mbit/s。在此基础上,D版本改进和增强了反向链路,使反向最高峰值速率达到1.8 Mbit/s,而在C版本中反向峰值速率只有230.4 kbit/s。在3GPP2会议上,与cdma2000 1x EV-DV相关的标准系列(空中接口技术要求、A接口技术要求、设备技术要求、测试方法)已经陆续出台,现在进行的只是文字或细节上的修订。

  3.1 cdma2000 1x C版本的特点

  与cdma2000 1x B之前的版本相比,cdma2000 1x C版本中增加了许多新特性。

  3.1.1 更高的前向容量

  cdma2000 1x C版本结合了诸多的新技术,如自适应调频和编码(AMC)、混合自动请求重传(HARQ)和采用TDM/CDM混合技术的高速分组数据信道(F-PDCH),使前向数据传输速度可高达3.1 Mbit/s。

  3.1.2 可支持多种业务组合

  在cdma2000 1x C版本中,通过多个业务信道的组合,可支持多种不同QoS要求的业务。

  3.1.3 后向兼容

  CDMA2000制定1x EV-DV标准的其中一个目标是必须继续支持语音及其他已有的业务;网络方面,运营商可以由cdma2000 1x系统平滑演进到1x EV-DV;终端方面,由于1x EV-DV的后向兼容性,用户也可保证使用同一手机在整个网络中得到服务。

  3.1.4 更有效地支持数据业务

  1x EV-DV同时使用了时分复用(TDM)和码分复用(CDM),可根据所支持的业务性质而使用不同的资源分配方法。通过TDM/CDM的结合使用,并选取最佳的调制和编码率,可更公平合理地分配系统资源,从而进一步提升系统容量。

  3.2 cdma2000 1x D版本的特点

  在cdma2000 1x C版本基础之上,cdma2000 1x D版本中新增多种功能:反向链路性能增强、IP广播和组播(BCMC)、快速呼叫建立和3G移动设备标识(MEID)。

  3.2.1 反向链路增强

  Release C主要改进和增强了cdma2000 1x的前向链路,使前向最高峰值速率达到3.1 Mbit/s,但反向链路基本没有变化,反向峰值速率为230.4 kbit/s,前反向链路数据速率不对称,并且反向辅助信道(R-SCH)是通过第3层信令调度,在RLP层重传,调度速度慢,时延大,难以支持可视电话等前反向速率对称和对实时性要求高的业务。针对以上问题,D版本对反向链路进行了改进和增强,使反向最高峰值速率达到1.8 Mbit/s(反向必须支持1.2 Mbit/s,可选支持1.8 Mbit/s,通过占用多个码字实现)。分组数据可以通过调度和速率控制的方式,根据QoS要求和信道条件变化,有效地减小数据传输时延,进而改善QoS。

  3.2.2 广播和组播业务

  BCMCS有效和灵活的机制使得系统可以同时为多个用户提供相同的信息,并通过优化的空中接口和网络架构,提供最有效地利用空中资源和网络资源的方法。BCMCS包括广播业务和组播业务。广播业务指在预定的业务区内为多个用户发送信息,目标小区中的所有用户都可以接收广播的信息,传输的信息包括交通信息、天气预报等。组播业务指为一个特定的群组发送信息,这些用户可以处于同一小区内,也可以处于不同的区域。只要是群组中的成员都可以接收组播的信息,发布的信息包括广告、股票信息和点播电影等等。cdma2000 1x D版本在MAC层内部增加了基本媒体接入控制(BMAC)功能实体,完成BCMCS流与物理层的映射,以支持BCMCS业务。BMAC维护一个物理前向辅助信道(F-SCH)和广播逻辑信道的映射。BMAC根据复用类型、数据块的类型以及广播逻辑信道(优先级,数据块大小)来调度其BCMCS数据。目前BMAC仅支持在F-SCH中发送广播业务。

  3.2.3 快速呼叫建立

  在D版本中,通过直接信道分配、减小时隙周期索引、业务信道初始化增强和跟踪区域报告等技术,进一步增强了快速呼叫建立。

  以往和目前正在使用的移动台都是以其硬件决定的32位电子序列号(ESN)来惟一标识的。随着移动通信用户数目的不断增加,32位电子序列号资源日益紧张。为了更好地支持今后3G移动通信技术的发展,解决ESN资源不足的瓶颈问题,3GPP2组织开始研究一种ESN的替代方案,来扩展移动台可用的标识资源,并决定将这种ESN替代方案正式写入EV-DV的D版本中,形成新的移动台设备标识。

  无论是C版本还是D版本对话音容量几乎都没有增强。美国运营商Alltel公司和Sprint公司分别于2004年4月和6月向3GPP2提出了开始进行下一代空中接口技术(称为cdma2000 1x E版本)研究的建议,E版本主要侧重于话音容量的增强、性能增强和多载波支持能力或动态可变带宽等。性能增强主要包括空间信道技术(如多输入多输出天线技术)、支持64QAM调制方式和实时分组数据业务(如VoIP和视频会议等)性能,其中实时分组数据业务性能增强主要包括以下方面:调度策略改进、阻塞控制改善、快速呼叫建立改进和服务质量增强。

  3GPP2已于2004年8月成立话音容量增强工作组,对话音容量增强技术进行集中研究。此外,3GPP2还于2004年10月成立EV-DV多载波工作组和EV-DO多载波工作组,对多载波技术进行研究。

  目前,3GPP2基本完成cdma2000 1x EV-DV技术规范的制定工作,并已开始相关测试规范的讨论和制定,芯片厂商已经开始进行cdma2000 1x EV-DV基站芯片的研制开发。相比于cdma2000 1x,cdma2000 1x EV-DV可以提供更高的数据速率和更完善的QoS机制。从1x EV-DV两个版本的特点也可以看出,D版本更便于多样化业务的开发,在上、下行对称业务(如E-mail和可视电话等业务)的支持方面有更多的优势,与C版本相比具有更强的竞争力。但D版本技术更复杂,实现难度更大。

  4 结论

  从全球范围看,以CDMA2000为主导的3G市场从2003年就进入了准备启动阶段,而且一直保持加速启动的态势。在CDMA2000技术阵营中,速率最高的cdma2000 1x EV-DV有望在2006年初率先被韩国第三大移动运营商LGT商用。
  
 
 
作者:郎为民,靳焰,王逢,杨宗凯 
 
 
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