cdma 2000 1xEV 技术特点及展望

• 3GPP2发展cdma 2000 的1xEV-DO和1xEV-DV两个阶段很引人注目
  
• 1xEV-DO的标准文件已经发布，1xEV-DV则尚为提案
  
• cdma 2000 1x的扩展版本技术1xEV仍然是3G走向4G的过渡技术

　　蜂窝移动通信系统采用CDMA技术始于90年代初期的IS95，为了进一步提高语音服务的容量，为分组和电路交换数据业务提供更高的数据速率，2000年左右又提出了cdma 2000标准。

　　随着无线因特网的概念逐渐演化为现实，对于高效的高速数据业务的要求在不断增长着。文献1提出了一种CDMA高速数据系统，可以无线接入到数据网络。因为因特网业务的典型特征是前、反向链路上数据的不对称性，通常要求前向链路上的吞吐量大大高于反向链路。因此，cdma 2000 1x研究方向的重点在于改善前向链路，反向链路的设计和前向链路的设计非常类似，性能也差不多。

　　当前，3GPP2中cdma 2000 1x标准的演进，主要分为以下两个阶段：第1阶段是1xEV-DO，主要基于高通、朗讯、爱立信公司提出的HDR（高速数据速率）技术，标准已基本定型[2]，已被国际电信联盟(ITU )批准为IMT-2000标准规格，正式的文件已于2001年11月份在日内瓦召开的ITU-R SG8上发布；第2阶段为1xEV-DV，根据其基本要求[3]，以摩托罗拉和朗讯等公司提出的解决方案1XTREME最为典型，目前该提案尚在评审之中。

　　1 1xEV-DO的技术特点

　　1.1 1xEV-DO的基本要求[4]

　　1xEV-DO需要一条专用的频率为1.25 MHz 的CDMA信道，仅用来提供高速数据，目的在于更好地满足不断变化的用户需求，改进cdma 2000 1x系统的基本分组数据功能和效率，提供超过cdma 2000 1x系统的高速数据速率，同时更好地利用频谱效率，满足用户对于无线分组数据的应用。

　　该系统可以优化非实时、高速分组数据速率业务，并且这些业务在一个单独的，仅传输数据业务的信道上传输。如果终端需要传送语音或其它实时业务，系统应该使用一个cdma 2000 1x 语音/数据信道。理想的平滑过渡方案是从TIA/EIA/IS95-A、TIA/EIA/IS95-B或cdma 2000出发过渡到1xEV-DO，这样可以最大限度地减小对终端和网络结构的影响，以取得最佳的经济效益。

　　核心网络应该能够在1xEV-DO系统和基于3GPP2网络规范的系统之间切换，同时也能在基于GSM MAP网络规范的系统之间切换。1xEV-DO规范的移动峰值数据速率在反向链路上应该支持144 kbit/s，前向链路上应该达到1.25 Mbit/s。1xEV-DO的目标在于为尽可能多的用户提供高速分组数据应用。该规范希望能够适应将来带宽更宽情况下的信道（例如：3×1.25 MHz 信道）。1xEV-DO规范还应支持：提供高数据速率、非实时、分组数据能力；为分组业务提供和cdma 2000 1x信道协同工作的能力（包括切换）；能够在蜂窝和PCS系统配置的所有频段上配置；不对称的数据速率；采用现存的TIA/EIA/IS95- A、TIA/EIA/IS95- B或cdma 2000天线，对于特殊的应用，采用智能和具指向性的天线；对于所有1xEV-DO频率信道，采用业务均衡机制。

　　1xEV-DO覆盖范围应该和IS95及cdma 2000 1x一致，确保运营商能够使用现存的蜂窝/扇区配置而无需重新蜂窝分割；能够在现存的BTS设备上配置1xEV-DO；可以在IS95、cdma 2000 1x和1xEV-DO混合RF信道工作；1xEV-DO超出频段外的发射应该满足与cdma 2000 1x系统的相同要求。

　　1.2 HDR技术[2]

　　1.2.1物理信道

　　HDR的扩频切普速率和IS95、cdma 2000一样为1.2288 Mcps。前向信道包括多个时隙为1.67 ms的数据信道。接入网络以时分复用的方式在此信道上发射导频信号、控制信息和用户数据。高速数据速率的两个导频脉冲插入到每个时隙中，用于同步、C/I估计和相干解调。

　　在数据速率控制信道的每一个时隙内，可支持的数据速率和最好服务扇区的信息被发送给接入网络，可支持的数据速率范围从38.4 kbit/s到2.4576 Mbit/s，调制方案（QAM、8PSK或16QAM）根据数据速率的要求变化，纠错编码中的Turbo码和cdma 2000 1x一样，基本码率是1/5和1/3。在序列重复和符号重复以后，有效的编码率也是根据数据速率的要求而变化。当发射数据给一个接入终端，接入网络使用被接入终端指定的数据速率和最好的服务扇区。在前向链路上，没有软切换，但是在反向链路上和IS95、cdma 2000 1x一样采用软切换。

　　HDR技术的前向链路和cdma 2000 1x相比，具如下特点：时分复用和码分复用相结合，正交扩频后的信道在发送时采用时分复用；业务信道采用QPSK、8PSK或16QAM得到不同数据速率；信道编码方案采用Turbo码，码率为1/5或1/3；信道交织采用了更为复杂的算法，可进一步提高纠突发错误的能力。
HDR技术中的反向链路包括一个导频信道、一个应答信道（在混合检错重发方案中发送应答信号比特）和一个数据信道。此外，DRC（数据速率控制）信道是每隔1.67 ms插入到导频码信道中。码长为4 bit的DRC符号采用双正交编码。RRI（反向速率指示）信道和导频信道时分复用。

　　反向链路帧长为26.67 ms，可在以下数据速率上发送：9.6、19.2、38.4、76.8和153.6 kbit/s。接入终端采用RRI信道明确地指示在反向链路的帧上以何种速率发送。该码长为3 bit的RRI符号采用正交码编码，同时为了适应相应的帧长度而重复，数据码信道采用BIT/SK调制。Turbo码的采用和cdma 2000 1x一样，基本码速率是1/4或1/2。在HDR技术中，反向链路采用QPSK扩频。

　　HDR反向链路和cdma 2000 1x相比，具如下特点：反向导频信道和RRI信道时分复用；信道编码全部采用Turbo码，码率为1/4或1/2；信道交织采用简单的比特反转算法。

　　1.2.2 早期中止技术

　　为了提高系统吞吐量，采用了早期中止技术，增加的DRC和应答信道主要为前向业务信道服务。例如，对于前向链路而言，前向链路可以占有1个或16个时隙，一个前向链路分组包含3个时隙。在两个邻近的时隙，多时隙发射是分组交错的。H－ARQ（混合检错重发）方案允许一旦分组被成功接收到（也就是解码后CRC校验成功），多时隙分组发射提前中断。对于分组信息包的每一个时隙，接入终端发送一个认可信号（ACK）或否认信号（NAK）给接入网络。如果收到一个ACK，接入网络将中止那个分组信息时隙的剩下部分;否则，发射将持续下去，直到那个分组信息的所有时隙都反射完毕。

　　由于早期中止而空闲的时隙可用来发射其他的数据分组信息，混合ARQ方案可改善前向链路的性能。早期中止一个成功接收到的分组的好处是可以得到高速有效的数据速率。例如：一个分组信息的发射速率为153.6 kbit/s，占用4个时隙。如果在接收到第3个时隙后成功解码，其有效数据速率是204.8 kbit/s。可见，提高了数据速率，也就等效于提高了系统吞吐量。

　　HDR已经被证明能够为高速率数据分组业务提供卓越的性能，通过混合ARQ和接入终端的双天线，分组数据吞吐量是典型的IS95系统的15倍[1，5]。无线运营商在他们有效的带宽内，综合cdma 2000 1x（可提供语音、数据和多媒体业务）和HDR（可提供高速率数据业务）技术将是解决语音和数据业务最有效的方案。

　　2 1xEV-DV的技术特点

　　2.1 1xEV-DV的基本要求[4]

　　首先，1xEV-DV要求能够在现有cdma 2000 1x业务的同一载波上提供实时和高速分组数据业务。1xEV-DV规范应该包括并扩展cdma 2000 Release A和cdma 2000 Release B标准中定义的现有cdma 2000 1x所有的特点、功能和业务。更为有效的是，1xEV-DV规范应该具备cdma 2000 1x和cdma 2000 1xEV-DO规范支持的语音和分组功能；1xEV-DV规范应该能够最大程度上利用现有的cdma 2000标准协议族，从cdma 2000平滑过渡；不是形式上的要求，应该支持再利用现存的结构设备；提供从TIA/EIA/IS95-B和cdma 2000的平滑演进，对终端和基站的影响降至最小，从而得到最大的经济效益。

　　对于核心网络而言，1xEV-DV规范应与ANSI-41核心网标准兼容。根据MC MAP规范，1xEV-DV规范应不排除支持GSM MAP核心网并与之兼容。对于系统容量和数据速率而言，支持1xEV-DV的系统应该能够支持下列系统容量和数据速率：对于使用相同基站天线配置和语音编码器的单一无线信道，同时发生的话音呼叫至少是cdma 2000的两倍；对于任何处于室外高速车载环境中的用户，前向和反向信道要求必须同时满足，前向数据传送信道峰值速率至少达到2.4 Mbit/s，反向数据传送信道峰值速率至少达到1.25 Mbit/s；满负荷系统每扇区平均数据速率要求，对于任何处于室外高速车载环境中的用户，前向和反向信道要求必须同时满足，前向和反向数据传送信道至少达到600 kbit/s；对于任何处于步行速率环境的用户和处于室内静止环境的用户，前向和反向信道必须同时满足，前向数据传送信道峰值数据速率至少达到2.4 Mbit/s，反向数据传送信道至少达到2 Mbit/s。另外，1xEV-DV系统在仅提供无QoS要求的分组数据业务时，提供的峰值和平均数据速率应该不低于1xEV-DO系统；同时应支持前向和反向信道的对称和非对称模式；1xEV-DV应该能够工作在3x无线配置下，在这种情况下，对于系统性能的要求（峰值和系统均值）应该按照技术标准发展组规定的方式成比例放大。

　　2.2 1XTREME技术

　　下面介绍由摩托罗拉和诺基亚公司提出的cdma 2000 1x扩展版本提案??1XTREME[6]。它支持标准的cdma 2000 1x移动台，只需在RF的结构上作少许改动。其技术关键在于可以在1.25 MHz的一个载波上，同时支持分组和语音业务，导频、寻呼、快速寻呼和同步信道没有作改动。

　　2.2.1 高级混合ARQ

　　为得到最大吞吐量，1XTREME技术的ARQ设计必须和物理层中的FEC信道编码机制联系在一起考虑。下面给出这些更高级混合ARQ中的两种基本形式：

　　（1）分集合并：这是一种直观上可以改善性能的方法。接收机不是丢弃那些被检测出是错误的分组，而是保留最初的分组传输和后来重发中的软信息符号。这些相同码符号集收到的不同结果采用最大比合并方法合并，最终的分组被发送给解码器。

　　（2）编码合并：重发的分组和原始的分组连接在一起等效成一种低码率的码字输出。达到这种效果的一种可能的方法是使用速率兼容的抽取的卷积码和Turbo码。发射机有一个输出被抽样的低码率编码器，采用不同的抽样模式，得到一系列不同的、高码率的码字。

　　1XTREME系统采用了这些智能合并的方式，而不是简单的分组选择，就可以在更低的信干比下工作。在包错率高的情况下，采用这些更高级形式的混合ARQ可以在系统容量和平均延迟得到更大的改善。

　　如果采用ARQ方案中一般的选择重复发送，存储不同的重发软符号值将要求接收机中有较大的存贮容量。因此，1XTREME提出了双信道方式停止等待ARQ。例如：当等待第1个分组（例如在奇数信道）的认可信号（ACK）或否认信号（NAK）时，允许基站发送第2个分组（假定在偶数信道），从而避免一个选择重复发送方案中的大存储量要求，这种方案可以最大程度地提高吞吐量。

　　当移动台从一个基站切换到另一个基站，它必须通知新基站任何一个没有被接收到的分组的有关编码、调制和码速率。这就允许一个新基站以适合采用的合并机制格式发送这些重发分组。

　　2.2.2 1XTREME和HDR的类似点

　　1XTREME基站采用自适应调制、编码和重复/抽取来增加前向链路的吞吐量（除了HDR的3个调制方案，在信道条件允许的情况下，采用了一个方形64QAM调制方案，编码速率是1/2或3/4，同时也采用了Turbo编码方案，采取的是并行地连接卷积编码器，从而使cdma 2000 1x系统中最大可能的数据速率达到5.184 Mbit/s。）。移动台测量从不同扇区和基站来的导频，决定可能达到的最大数据速率。移动台把最佳的扇区、调制和编码方案组合传输给基站，没有采用快速前向链路功率控制和前向链路的软切换。如果没有可支持的专用业务信道，调度算法和HDR是非常类似的，基站仅需使吞吐量最大即可。

　　2.2.3 1XTREME和HDR的不同点

　　1XTREME可以在一个同样的载波上，既支持基于分组的前向链路共享信道，也可以支持基于电路的专用信道，这就限定了调度算法，一个主要的影响是系统允许干扰电平可以变化很快。当专用信道使用功率控制得到不同的QoS，干扰的快速变化也是无法预料的。这些变化必须限制在共享信道的调度算法中。多重接入方案采用混合码分和时分，每一帧可以分配给不同的用户或用户集，在被多个用户共享的帧之间采用码分。这意味着基站不得不选择码的数量、功率等级和每一个用户的传输速率（在HDR中，前两者固定在最大可能的值上，后者取决于移动台）。因此，调度算法可能不得不比基于HDR技术的系统更加复杂，采用了更短的帧长（为5 ms，而HDR为26.67 ms）。使用了混合ARQ的高级形式（自动重复请求），混合ARQ通常指前向纠错和ARQ纠正技术的组合。HDR使用的仅仅是一种混合ARQ的基本形式，也就是没有FEC编码和ARQ机制之间的交互作用。
2001年3月份，摩托罗拉在拉斯维加斯蜂窝和因特网协会（CTIA）贸易展上通过交互式赛车游戏，首次向公众演示了其cdma 2000 1x-EV技术，在射频信道上传输速率可以达到4.8 Mbit/s。

　　3 结论及展望

　　原来人们认为，由于中国建有全球最大的GSM网络，中国最有希望的换代方案是WCDMA空中接口和GSM固定网相结合的方案。但是最近中国联通的基于IS95的CDMA网络建成后，对cdma 2000在中国的应用将大为有利。由于cdma 2000所能达到的最高速率与WCDMA有一定差距，尽管cdma 2000 3x（3XRTT）允许数据速率达到2 Mbit/s，但是其工作在3.75 MHz频率信道，要求给定更大的信道要求，对于这种变化，必须对基站的硬件进行升级，这就导致过渡费用过大。目前存在两种潜在的可选方案作为窄带CDMA的演进方案，两者都在1.25 MHz的信道上操作。例如高通公司开发的高速数据速率（HDR）技术，可以在前向链路以2.4 Mbit/s的速率传输数据。摩托罗拉和诺基亚提出的1XTREME技术，可以确保传输速率达到5.2Mbit/s。这样的话，可以真正做到平滑升级，对于移动通信系统从窄带演进到宽带而言，花费代价较高，通常要求对基站软硬件同时改进。而对于未来窄带的CDMA网络，可能的升级路径如图1所示。

图1 cdma可能的演进途径

　　图1中，S代表软件升级，最初从一个技术或者网络接口演变到另一个。其中包括一些硬件安装，如服务器或线卡。对于这种升级，硬件部分的代价较小。H代表从技术或者网络接口演变必须采用硬件升级，软件当然也是必需的，但是费用相对硬件而言，要小得多。

　　笔者认为，在cdma 2000 1x扩展版本的这些增加的特性上，可以把它们看成3G增强型系统，显然，其性能优于当前的3G系统，但距4G还有一定距离。毫无疑问，4G系统将会更加先进，同时更有可能采用以上提案所不具备的新技术，如：正交频分复用（OFDM）、空时编码、智能天线和多用户检测等。当然，为了保护投资者、设备制造商、电信运营商的利益，最有可能的是，3G或3G增强型系统将会在4G网络中占主导地位，这显示出1xEV技术将会在3G和4G中起过渡作用，或者说是3G系统向4G系统过渡的第一步。

　　参考文献

1 Bender P, Black P, Grob M, et al. CDMA-HDR a bandwidth efficient high speed wireless data service for nomadic users.IEEE Communications Magazine, 2000, 38(7): 70-77
2 3GPP2 C.S0024. Cdma 2000 High Rate Packet Data Air Interface Specification
3 3GPP2 S.R0026. High-Speed Data Enhancements for cdma 2000 1x - Integrated Data and Voice
4 3GPP2 S.R0023 v2.0.High Speed Data Enhancements for cdma 2000 1x-Data Only
5 Jalali A, Padovani R, Pankaj R. Data throughput of CDMA-HDR a high efficiency-high data rate personal communication wireless system. Vehicular Technology Conference Proceedings, 2000, (3): 1854-1858
6 3GPP2-C00-1XTR_20000426-006. 1XTREME Layer 1 Supplemental Packet Access