空中接口演進(jìn)分析.doc

cdma2000 1x EV-DO 空中接口演進(jìn)分析馬春1，桑林21北京郵電大學(xué)通信與信息系統(tǒng)，北京（100876）2北京郵電大學(xué)通信與信息系統(tǒng)，北京（100876）詳細(xì)地址：北京市海淀區(qū)西土城路10號(hào)北京郵電大學(xué)93號(hào)信箱（100876）摘 要：隨著無(wú)線通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，各種移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)也得到了快速的發(fā)展。本文首先介紹了cdma2000 1x EV-DO系統(tǒng)空中接口演進(jìn)的歷程，然后詳細(xì)分析了AIE兩個(gè)階段相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)，第一階段代表標(biāo)準(zhǔn)EV-DO Rev.B和第二階段標(biāo)準(zhǔn)UMB，并重點(diǎn)闡述了UMB系統(tǒng)物理層超幀結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵詞：cdma2000 1x, EV-DO Rev.B, UMB, AIE中圖分類號(hào): TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A1. 引言隨著移動(dòng)寬帶通信技術(shù)的飛速發(fā)展，用戶對(duì)移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)的需求也在不斷的提高，移動(dòng)寬帶化與寬帶移動(dòng)化這兩股力量正在移動(dòng)通信領(lǐng)域迅速發(fā)展，這使得多種標(biāo)準(zhǔn)共存的移動(dòng)通信市場(chǎng)中競(jìng)爭(zhēng)更加激烈。目前3G主流標(biāo)準(zhǔn)有CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA、WIMAX這四種，標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP和3GPP2分別針對(duì)WCDMA和CDMA2000系列標(biāo)準(zhǔn)啟動(dòng)了更強(qiáng)大的演進(jìn)方案, 不但增強(qiáng)了原有版本的性能，而且進(jìn)一步提高了數(shù)據(jù)速率，改進(jìn)了用戶體驗(yàn)。2. cdma2000 1x EV-DO標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)歷程cdma2000空中接口演進(jìn)版本1x EV-DO是通信業(yè)界推出的第一個(gè)高性能、低成本的無(wú)線高速數(shù)據(jù)傳輸成熟解決方案。其標(biāo)準(zhǔn)化工作由3GPP2在2000年9月完成，并頒布為C.S0024系列標(biāo)準(zhǔn)。在2001年6月的國(guó)際電聯(lián)會(huì)議上，cdma2000 1x EV-DO被正式批準(zhǔn)成為IMT-2000標(biāo)準(zhǔn)的一部分。cdma2000 1x EV-DO是cdma2000 1x的增強(qiáng)型技術(shù)，采用了向下兼容性的設(shè)計(jì)。目前，1x EV-DO系列標(biāo)準(zhǔn)有幾個(gè)演進(jìn)的版本：3GPP2 C.S0024-0版本、C.S0024-A版本、C.S0024-B版本和UMB版本。圖1 給出了CDMA2000 1x EV-DO系列標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)過(guò)程。圖1 cdma2000 1x EV-DO系列標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)路線Fig.1. Evolution Routes of cdma2000 1x EV-DO Series Standards標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP2啟動(dòng)了針對(duì)cdma2000系列標(biāo)準(zhǔn)的空中接口演進(jìn)（AIE, Air Interface Evolution）方案，并將其演進(jìn)劃分為兩個(gè)階段。第一階段，引入多載波以及其它關(guān)鍵技術(shù)，提高前反向峰值速率，與此有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)制定工作已完成。第二階段，使用更寬的系統(tǒng)帶寬，同時(shí)采用OFDM、MIMO等關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)一步提高頻譜利用率和峰值速率，降低時(shí)延，增強(qiáng)系統(tǒng)性能。這個(gè)版本的標(biāo)準(zhǔn)通常稱為EV-DO Rev.C版本，其正式的名稱是超移動(dòng)寬帶（UMB，Ultra Mobile Broadband），3GPP2于2007年4月份發(fā)布了UMB標(biāo)準(zhǔn)的1.0版本，并于同年9月24日正式發(fā)布了2.0版本。3. 第一階段EV-DO Rev.B標(biāo)準(zhǔn)cdma2000標(biāo)準(zhǔn)AIE第一階段主要立足于對(duì)市場(chǎng)的需求、保持后向兼容性、減少系統(tǒng)升級(jí)對(duì)硬件的影響等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。這一階段的標(biāo)準(zhǔn)代表是cdma2000 1x EV-DO Rev.B，它是在EV-DO Rev.A基礎(chǔ)上的多載波擴(kuò)展和增強(qiáng)。基于Rev.B系統(tǒng)，基站與終端之間可以在前反向多個(gè)載波上同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，從而獲得更高的峰值傳輸速率和系統(tǒng)吞吐量。EV-DO Rev.B系統(tǒng)的突出特點(diǎn)是采用了多載波的設(shè)計(jì)，載波數(shù)為115個(gè)，可以支持從1.25MHz（單載波）到20MHz（15個(gè)載波）的各種載波配置，靈活的匹配不同頻率的分配。在Rev.0版本和Rev.A版本中可支持的前向峰值速率分別為2.4Mbps和3.1Mbps，而在Rev.B版本中則可支持高達(dá)73.5Mbps的前向峰值速率（使用15個(gè)1.25MHz 載波）。此外，由于多個(gè)載波的引入，在時(shí)域和頻域均可以獲得多用戶分集增益，系統(tǒng)每扇區(qū)數(shù)據(jù)吞吐量隨著載波數(shù)目的引入將獲得額外的提升。EV-DO Rev.B中引入了更多的數(shù)據(jù)傳輸速率和數(shù)據(jù)包選擇格式，使系統(tǒng)可以更靈活的進(jìn)行調(diào)度，在前向鏈路還增加了64-QAM調(diào)制方式和新的傳輸包格式，允許包擴(kuò)展（packet extension），這使得前向鏈路數(shù)據(jù)能力得以提升。在單載波（1.25MHz）上系統(tǒng)峰值速率達(dá)到4.9Mbps ，在三載波（5MHz）和15載波（20MHz）上系統(tǒng)前向峰值速率可達(dá)到14.7 Mbps和73.5 Mbps 。此外，EV-DO Rev.B還引入了非對(duì)稱傳輸模式，支持前反向采用非對(duì)稱載波數(shù)目進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在該版本中，還應(yīng)用了優(yōu)化調(diào)度、速率控制、自適應(yīng)調(diào)制等技術(shù)，這使得每一扇區(qū)的數(shù)據(jù)吞吐量顯著提高并為多媒體業(yè)務(wù)提供了多種數(shù)據(jù)選擇。并且隨著增量傳送、靈活的分組長(zhǎng)度結(jié)合、HARQ和更高階調(diào)制等技術(shù)在反向鏈路的應(yīng)用，反向鏈路的峰值速率也得到了很大的飛躍。除此之外，系統(tǒng)在QoS支持方面也進(jìn)行了優(yōu)化，使用了靈活有效的QoS控制機(jī)制，降低系統(tǒng)的接入時(shí)延、傳輸時(shí)延和切換時(shí)延。另外，在Rev.B中還支持VoIP及VoIP和數(shù)據(jù)的并發(fā)業(yè)務(wù)，能夠同時(shí)支持實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)等業(yè)務(wù)要求?；谝陨咸匦?，EV-DO Rev.B將實(shí)現(xiàn)更高的頻譜利用率，同時(shí)支持靈活的前反向載波配置，這便于使用不同的頻段對(duì)EV-DO系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展。其中，系統(tǒng)擴(kuò)展可以采用不同的部署方式，如熱點(diǎn)覆蓋等，在提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)，也提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐能力。4. 第二階段UMB標(biāo)準(zhǔn)4.1 UMB系統(tǒng)特點(diǎn)與關(guān)鍵技術(shù)UMB是cdma2000系列標(biāo)準(zhǔn)中最新的演進(jìn)升級(jí)版本，它是一種專門針對(duì)無(wú)線移動(dòng)環(huán)境和實(shí)時(shí)應(yīng)用而優(yōu)化的移動(dòng)無(wú)線寬帶標(biāo)準(zhǔn)。該系統(tǒng)繼承了EV-DO系統(tǒng)的自適應(yīng)編碼調(diào)制、HARQ以及QoS控制機(jī)制，引入了處于世界領(lǐng)先地位的正交頻分多址接入（OFDMA）技術(shù)，并結(jié)合多路輸入輸出（MIMO）、空分多址（SDMA）和波束形成（Beamforming）等多天線技術(shù)，使得網(wǎng)絡(luò)具有先進(jìn)的移動(dòng)寬帶服務(wù)和引人注目的用戶體驗(yàn)。UMB系統(tǒng)可以在1.25MHz和20MHz帶寬之間以約150kHz的頻率增量靈活部署，因此，能夠?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)帶來(lái)更大的升級(jí)空間和靈活的部署能力，同時(shí)增大了帶寬和頻段的選擇范圍。該系統(tǒng)能夠在移動(dòng)的環(huán)境下提供高速的數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)系統(tǒng)基于20MHz傳輸帶寬時(shí)，前向和反向的峰值速率分別可以達(dá)到288 Mbps 和 75 Mbps，并且平均時(shí)延低于16ms。UMB還可支持任何環(huán)境中的語(yǔ)音和寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，支持全移動(dòng)場(chǎng)景（速度大于300km/h），這使得系統(tǒng)的數(shù)據(jù)容量得以提升。另外，UMB空中接口設(shè)計(jì)通過(guò)先進(jìn)的調(diào)制方式、高效的資源分配方式等支持VoIP容量的增強(qiáng)，有研究表明5，在帶寬為5MHz的移動(dòng)環(huán)境中，可支持320個(gè)VoIP用戶使用語(yǔ)音服務(wù)同時(shí)支持前向鏈路的數(shù)據(jù)吞吐量達(dá)2.26 Mbps，而當(dāng)帶寬為20MHz時(shí)，可支持1000個(gè)VoIP用戶使用語(yǔ)音服務(wù)且數(shù)據(jù)吞吐量不會(huì)降低。除此之外，UMB還增強(qiáng)了對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋和各類QoS服務(wù)，支持多媒體高速組播及網(wǎng)絡(luò)間的無(wú)縫切換。此外，UMB在編碼調(diào)制技術(shù)上也有很多新的亮點(diǎn)。編碼中引入了一種稱為tail-biting的卷積碼，在部分信道中還采用了比Turbo碼性能更好的低密度奇偶校驗(yàn)碼（LDPC），進(jìn)一步提高了編譯碼效率。在調(diào)制時(shí)引用了高級(jí)的分層調(diào)制方式，而前向鏈路部分信道除支持傳統(tǒng)的OFDM外，還支持旋轉(zhuǎn)的OFDM數(shù)據(jù)傳輸。因此，作為下一代移動(dòng)寬帶通信網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)之一，UMB能夠使數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到比目前的商用系統(tǒng)更高的數(shù)量級(jí)，為用戶帶來(lái)先進(jìn)的移動(dòng)寬帶服務(wù)，如在提供低速、低時(shí)延的語(yǔ)音服務(wù)的同時(shí)有效的提供超高速、非時(shí)延敏感的寬帶數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)。此外，UMB支持與現(xiàn)有cdma2000 1x 和1x EV-DO系統(tǒng)之間進(jìn)行跨系統(tǒng)間的無(wú)縫切換，支持融合接入網(wǎng)的部署，還可以提供無(wú)縫漫游的廣域覆蓋或者熱點(diǎn)地區(qū)的部分覆蓋。4.2 物理層超幀簡(jiǎn)介UMB空中接口協(xié)議可以分為四個(gè)子層，從上至下分別為應(yīng)用層、無(wú)線鏈路層、MAC層和物理層1。其中，MAC層和物理層結(jié)合緊密、合理優(yōu)化，使得系統(tǒng)能具有高的頻譜效率和低的延遲。在UMB物理層的數(shù)據(jù)傳輸中，是以超幀（superframe）為基本傳輸單元，這是UMB協(xié)議中新提出的概念。在前向鏈路和反向鏈路中，超幀的構(gòu)成是不同的。在全雙工模式下，前向鏈路的一個(gè)超幀是由一個(gè)超幀前導(dǎo)（superframe preamble）和25個(gè)前向物理幀（PHY frames）組成的，其中每個(gè)物理幀由024編號(hào)標(biāo)識(shí)，且由8個(gè)OFDM符號(hào)構(gòu)成。超幀前導(dǎo)用于接入終端對(duì)系統(tǒng)信息的捕獲，而物理幀用于傳輸數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。在全雙工反向鏈路中，一個(gè)超幀僅由25個(gè)反向物理幀構(gòu)成，無(wú)超幀前導(dǎo)，為了保持前反向鏈路的超幀在傳輸時(shí)間上是對(duì)齊的，則在設(shè)計(jì)時(shí)將反向的第一個(gè)物理幀的長(zhǎng)度取為前向中超幀前導(dǎo)和第一個(gè)物理幀的長(zhǎng)度之和，由16個(gè)OFDM符號(hào)構(gòu)成，其它的反向物理幀均由8個(gè)OFDM符號(hào)構(gòu)成4。超幀的構(gòu)成在全雙工和半雙工模式下有所不同。在全雙工模式下，物理幀之間是緊湊相連的，而在半雙工模式下，任意兩個(gè)物理幀之間都加入了保護(hù)間隔（Tg=78.13s）。半雙工模式下的前向鏈路只是加入保護(hù)間隔，而反向鏈路中除加入保護(hù)間隔外，第一個(gè)物理幀只包含8個(gè)OFDM符號(hào)，時(shí)間上與前向超幀中編號(hào)為0的物理幀對(duì)齊，對(duì)應(yīng)于前向超幀前導(dǎo)的部分在反向不傳輸信息2。圖2給出了全雙工模式下前向和反向鏈路中超幀的結(jié)構(gòu)圖。圖3給出了半雙工模式下前向和反向鏈路中超幀的結(jié)構(gòu)圖。圖2 全雙工模式下前向和反向鏈路中超幀的結(jié)構(gòu)圖Fig.2. Forward and Reverse Link Superframe Structure under Full-duplex Mode圖3 半雙工模式下前向和反向鏈路中超幀的結(jié)構(gòu)圖Fig.3. Forward and Reverse Link Superframe Structure under Half-duplex Mode5. 結(jié)束語(yǔ)cdma2000系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了很多階段，期間受到了很多因素的影響，各種先進(jìn)技術(shù)的快速發(fā)展推進(jìn)了其演進(jìn)歷程，增強(qiáng)了其性能。同時(shí)，其它3G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展態(tài)勢(shì)等也給cdma2000帶來(lái)巨大的壓力。對(duì)于cdma2000 空中接口演進(jìn)第二階段UMB系統(tǒng)，它集成了OFDMA、CDMA、MIMO的空中接口技術(shù)和高級(jí)天線技術(shù)，并將上述各種技術(shù)及其它先進(jìn)的無(wú)線接入技術(shù)整合并優(yōu)化，使系統(tǒng)可以支持更高的速度、更大的容量和覆蓋面積、增強(qiáng)的移動(dòng)用戶體驗(yàn)等特性。事實(shí)上，UMB還有很廣闊的發(fā)展空間，很多先進(jìn)的技術(shù)還沒(méi)有充分發(fā)揮它們的優(yōu)勢(shì)，比如當(dāng)前UMB系統(tǒng)前反向吞吐量不同的一個(gè)重要原因是反向鏈路不支持MIMO技術(shù)，若這些技術(shù)目標(biāo)得以完全實(shí)現(xiàn)，那么系統(tǒng)的性能又將大大的提升。參考文獻(xiàn)13GPP2 C.S0084-000-0 v2.0 Overview for Ultra Mobile Broadband (UMB) Air Interface SpecificationS23GPP2 C.S0084-001-0 v2.0 Physical Layer for Ultra Mobile Broadband (UMB) Air Interface SpecificationS3Rashid Attar et al. Evolution of cdma2000 Cellular Networks : Multicarrier EV-DOJ. IEEE Communications Magazine. March. 20064高月紅等. 超移動(dòng)寬帶UMB系統(tǒng)簡(jiǎn)介J. 移動(dòng)通信.2008.5Sean McBeath,Jack Smith et al. VoIP Support Using Group Resource Allocation Based on the UMB SystemJ. IEEE Communications Magazine. January. 2008Air Interface Evolution of cdma2000 1x EV-DO SystemChun Ma1, Lin Sang21P.O.BOX 93, Beijing Univ. of Posts & Telecommunications No.10 Xitucheng Road, Haidian District, Beijing (100876)2P.O.BOX 93, Beijing Univ. of Posts & Telecommunications No.10 Xitucheng Road, Haidian District, Beijing (100876)AbstractWith the improvement of wireless communication technology, the 3G mobile technology standard has gotten a rapid development. This article firstly introduces the Air Interface Evolution(AIE) course of cdma2000 1x EV-DO system and then analyses the characteristics and key technologies of AIE two phases standards-EV-DO Rev.B and UMB