EV-DO系統(tǒng)特點(diǎn)及反向鏈路控制算法的分析

摘要　EV-DO作為一種基于CDMA的高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，前向采用時(shí)分復(fù)用方式，反向采用與cdma2000 1x相同的碼分多址方式。因?yàn)镋V-DO的前向采用的是時(shí)分復(fù)用方式，所以基站的容量主要取決于系統(tǒng)的反向鏈路情況。EV-DO特有的反向鏈路媒體介入控制算法機(jī)制可以參與調(diào)整基站反向鏈路，以優(yōu)化小區(qū)的反向鏈路情況。

1  EV-DO的網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)過程

cdma2000標(biāo)準(zhǔn)是由IS-95A/B標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)而來的第三代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，由3GPP2負(fù)責(zé)制定和發(fā)布。cdma2000 1x可以提供雙倍于IS-95的語音容量以及153.6kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，技術(shù)特點(diǎn)是上行鏈路相干接收、下行鏈路發(fā)送分集，基站之間由GPS同步，與IS-95兼容性好，技術(shù)成熟、風(fēng)險(xiǎn)小，綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)性能好。隨著用戶需求的不斷增加，尤其是針對(duì)高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求，3GPP2提出了cdma2000 1x的演進(jìn)技術(shù)，EV-DO。該技術(shù)著重實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的增強(qiáng)，并能后向兼容cdma2000 1x技術(shù)。EV-DO的演進(jìn)又可以進(jìn)一步分為Rel.0，Rev.A，Rev.B以及Rev.C/D等不同階段。圖1示出了cdma2000標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)路線以及包含的幾個(gè)階段。

圖1  CDMA演進(jìn)圖

（1）CDMA ONE：即IS-95A和IS-95B，以語音業(yè)務(wù)為主，屬于第二代移動(dòng)通信。

（2）cdma2000 1x：支持語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，前反向最高數(shù)據(jù)速率達(dá)到153.6kbit/s，屬于第三代移動(dòng)通信。

（3）cdma2000 1x EV-DO：cdma2000 1x的第一階段增強(qiáng)版，支持?jǐn)?shù)據(jù)業(yè)務(wù)，前向最高速率高達(dá)2.4Mbit/s。

盡管cdma2000 1x數(shù)據(jù)承載能力相對(duì)IS-95已經(jīng)有了很大的提高，但應(yīng)用于多媒體業(yè)務(wù)時(shí)，還是存在空中接口上的瓶頸。為了解決這一問題，3GPP2發(fā)布了1x EV-DO Release 0標(biāo)準(zhǔn)（正式的名稱為HRPD-High Rate Packet Data）。cdma2000 1x EV是在cdma2000 1x基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高速率的增強(qiáng)體制。該標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的非對(duì)稱特性，優(yōu)化了數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸能力，前向最高傳輸速率提高到2.4Mbit/s。同時(shí)，它又與cdma2000 1x后向兼容，射頻系統(tǒng)、鏈路預(yù)算與1x系統(tǒng)完全一致，運(yùn)營商可以非常輕松地從現(xiàn)有地1x網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行升級(jí)。此項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)通過3GPP2的標(biāo)準(zhǔn)化，正式被認(rèn)定為一種3G技術(shù)。中興通訊研發(fā)的EV-DO產(chǎn)品已經(jīng)在全球40多個(gè)國家和地區(qū)商用或?qū)嶒?yàn)。

cdma2000 1x EV-DO Release 0的主要技術(shù)特點(diǎn)包括：

（1）前向鏈路時(shí)分復(fù)用。基站始終滿功率發(fā)射，某一時(shí)刻，只有一個(gè)用戶得到所在小區(qū)的滿功率服務(wù)。

（2）自適應(yīng)調(diào)制編碼。終端根據(jù)自身所在的前向無線鏈路的傳輸質(zhì)量，可以要求基站按照最大可接受的速率進(jìn)行傳輸，最低為38.4kbit/s，最高為2457.6kbit/s，一共有9種數(shù)據(jù)速率進(jìn)行選擇。

（3）混合ARQ。混合ARQ功能允許終端在成功解調(diào)一個(gè)數(shù)據(jù)包后，通過提前終止的方式通知基站不再繼續(xù)發(fā)送該包，從而提高系統(tǒng)的吞吐量。

（4）反向鏈路碼分復(fù)用。終端根據(jù)基站的前向RAB信道指示，提高或降低傳輸速率，根據(jù)前向的RPC信道來決定發(fā)射功率的變化，峰值速率為153.6kbit/s，數(shù)據(jù)承載能力與1x系統(tǒng)相同。

（5）兼顧公平和吞吐量的調(diào)度算法。終端所在小區(qū)無線鏈路狀態(tài)好的用戶，可以獲得到高速率的前向業(yè)務(wù)服務(wù)。前向調(diào)度算法決定下一個(gè)時(shí)隙調(diào)度哪一個(gè)用戶的數(shù)據(jù)包。調(diào)度算法即考慮了提高吞吐量，要向無線鏈路條件好的發(fā)包，又要兼顧長時(shí)間得不到調(diào)度服務(wù)的無線鏈路不好的用戶能夠得到服務(wù)，充分兼顧到公平性和系統(tǒng)的最大吞吐量兩個(gè)目標(biāo)。

2  EV-DO前反向鏈路性能特點(diǎn)

2.1  EV-DO前向鏈路

EV-DO的前向鏈路是采用時(shí)分復(fù)用的方式（見圖2）。前向鏈路由導(dǎo)頻信道、媒體介入信道、控制信道和前向業(yè)務(wù)信道組成，這些信道之間采用時(shí)分復(fù)用的方式相互協(xié)作。

圖2  EV-DO前向鏈路物理信道

對(duì)于前向業(yè)務(wù)信道，各個(gè)用戶之間也是采用時(shí)分復(fù)用的方式進(jìn)行使用。前向由于采用時(shí)分復(fù)用的方式，因此總是用滿功率進(jìn)行發(fā)送。圖3、圖4分別示出了EV-DO前向在激活時(shí)隙時(shí)的碼片圖和前向信道在空閑時(shí)隙時(shí)的碼片圖。

（1）導(dǎo)頻信道。EV-DO的導(dǎo)頻信道跟1x導(dǎo)頻信道一樣，用來幫助終端設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)捕獲、相位、定時(shí)恢復(fù)，還有在解調(diào)時(shí)進(jìn)行信道估計(jì)。終端設(shè)備通過對(duì)導(dǎo)頻的接收質(zhì)量來進(jìn)行自身的信道質(zhì)量的估計(jì)，并決定是由哪個(gè)扇區(qū)給它提供服務(wù)，以及服務(wù)的速率。因?yàn)樗�有的EV-DO基站同步，都在同一時(shí)刻發(fā)送前向?qū)ьl信息，同時(shí)由于采用分時(shí)滿功率發(fā)射，因此終端在判斷自身的無線環(huán)境時(shí)，更為準(zhǔn)確。這一點(diǎn)要優(yōu)于IS-95/1x系統(tǒng)。

（2）MAC信道（媒體介入控制信道）。MAC信道由反向激活（RA）信道，反向功率控制（RPC）信道和DRC鎖定信道組成。RA信道是公共信道，它固定占用編號(hào)為2的64階Walsh碼。RPC信道和DRC鎖定信道為專用信道，針對(duì)某一用戶，它們以時(shí)分方式共享一個(gè)64階Walsh碼。該Walsh碼由該用戶的MAC層Index確定（可用的Index編號(hào)為5～63）。

●RA信道。RA信道的作用是用來動(dòng)態(tài)控制反向鏈路上的負(fù)荷，當(dāng)基站檢測到反向負(fù)荷超出門限時(shí)，將通過RA信道上發(fā)送的RAB比特來通知該小區(qū)下面所有的手機(jī)按照事先約定好的轉(zhuǎn)移概率來降低自己的發(fā)送速率，從而整體上降低小區(qū)的反向鏈路的發(fā)射功率；反之，當(dāng)反向鏈路的發(fā)射功率低于門限，那么基站將通過RA信道發(fā)送RAB比特指示所有的手機(jī)按照事先約定的轉(zhuǎn)移概率提高自己的發(fā)送速率。
 

圖3  前向信道激活時(shí)刻的時(shí)隙圖

圖4  前向信道空閑時(shí)刻的時(shí)隙圖

●RPC信道。基站用來控制終端的發(fā)射功率，支持軟切換，功能和工作方法與IS-95/1x的功率控制信道相似。

●DRC鎖定信道。用來通知終端當(dāng)前基站無法收到它發(fā)送的DRC信息。發(fā)生這種情況，多半是由于反向負(fù)荷太重或者前向覆蓋不平衡。終端收到該信息后，將停止向此小區(qū)發(fā)送DRC信息。

（3）控制信道�？刂菩诺缽V播系統(tǒng)的公共配置參數(shù)消息，以及在沒有激活的業(yè)務(wù)信道連接時(shí)向特定移動(dòng)臺(tái)發(fā)送信令消息。除此而外，也可以向用戶發(fā)送用戶數(shù)據(jù)�？刂菩诺烙�38.4kbit/s和76.8kbit/s兩種速率。

（4）業(yè)務(wù)信道。業(yè)務(wù)信道顧名思義，就是向用戶發(fā)送數(shù)據(jù)，多個(gè)用戶以時(shí)分復(fù)用的方式使用該信道。需要注意的是，業(yè)務(wù)信道始終以滿功率發(fā)射，沒有功率控制，采用速率控制。終端用戶可以根據(jù)自身所處的無線鏈路環(huán)境來通知基站所需服務(wù)的速率。

2.2  EV-DO反向鏈路

EV-DO也帶有碼分的導(dǎo)頻，用來相干解調(diào)。終端在沒有和基站建立專用的業(yè)務(wù)信道之前，通過接入信道發(fā)送請求或響應(yīng)。建立了專用的業(yè)務(wù)信道之后，終端通過反向的業(yè)務(wù)信道發(fā)送用戶數(shù)據(jù)或者信令，并通過業(yè)務(wù)信道中特定的信息對(duì)前向業(yè)務(wù)信道的工作進(jìn)行支持。

（1）接入信道。EV-DO反向接入信道的數(shù)據(jù)速率固定為9.6kbit/s，與1x的增強(qiáng)接入信道類似，隨機(jī)發(fā)送試探。每個(gè)試探包括兩部分，先為Preamble，由導(dǎo)頻構(gòu)成；然后是導(dǎo)頻加上數(shù)據(jù)一起發(fā)送。

（2）業(yè)務(wù)信道。EV-DO的反向業(yè)務(wù)信道支持與IS-95基本相同的閉環(huán)功控和軟切換，不同用戶之間的業(yè)務(wù)信道通過長碼區(qū)分。如圖5所示，業(yè)務(wù)信道由導(dǎo)頻信道、MAC信道、ACK信道、數(shù)據(jù)信道四部分組成，它們之間靠不同的Walsh碼區(qū)分。MAC信道的反向速率指示（RRI）信道和導(dǎo)頻信道時(shí)分復(fù)用同一個(gè)Walsh碼。MAC中的數(shù)據(jù)速率控制（DRC）信道還要多經(jīng)過一次Walsh碼調(diào)制，用來通知網(wǎng)絡(luò)相對(duì)應(yīng)的DRC信息發(fā)送的目的扇區(qū)。

圖5  EV-DO反向鏈路物理信道

3  EV-DO反向鏈路過載控制算法分析

EV-DO反向鏈路采用與1x相同的碼分原理進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此要進(jìn)行反向鏈路過載的控制�；�站用于控制EV-DO終端的速率具有兩種方式：

（1）反向速率控制。終端在一開始與基站建立連接的時(shí)候，基站會(huì)發(fā)送反向速率限制消息給終端，將終端的反向發(fā)送速率限制在一定的范圍之內(nèi)。建立連接之后，基站會(huì)根據(jù)情況的變化，向終端發(fā)送該消息進(jìn)行反向速率的限制。

（2）反向激活比特和傳輸概率�；�站這種功能的實(shí)現(xiàn)，是依據(jù)反向鏈路MAC過載控制算法進(jìn)行，這是基站用于控制EV-DO終端發(fā)送數(shù)據(jù)的速率一種控制算法。

下面重點(diǎn)分析一下反向鏈路MAC控制算法工作原理和對(duì)于EV-DO作用。

3.1  EV-DO反向鏈路MAC算法的控制目的

反向鏈路MAC算法的根本控制目的就是允許網(wǎng)絡(luò)中的終端能以最大的傳輸速率來傳輸數(shù)據(jù)。每個(gè)扇區(qū)需要判斷究竟是否允許本扇區(qū)覆蓋范圍的用戶提高自己的反向傳輸速率，而不會(huì)發(fā)生由于熱噪聲過高導(dǎo)致的信號(hào)崩潰。與以往所有的CDMA語音系統(tǒng)所面臨的這類問題不同，EV-DO系統(tǒng)需要支持終端能夠快速的從一個(gè)速率變化到另外一個(gè)速率，并支持高速突發(fā)速率。對(duì)于1x EV系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，當(dāng)系統(tǒng)認(rèn)為反向業(yè)務(wù)信道沒有過載，那么將設(shè)置反向激活比特為“0”，此時(shí)終端將自動(dòng)的提高自己的速率。反之，當(dāng)反向鏈路的使用情況超出了可以容忍的界限，那么反向激活比特將被系統(tǒng)置為“1”，使系統(tǒng)的反向應(yīng)用情況迅速的減輕。

3.2  EV-DO反向鏈路MAC算法的實(shí)現(xiàn)方法

EV-DO系統(tǒng)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)反向鏈路MAC算法的方法，共有直接測量方法和負(fù)荷計(jì)算方法兩種。

（1）直接測量方法

步驟如下：

●直接在扇區(qū)的每個(gè)天線口測量熱噪聲Z，用Z1和Z2來代表兩個(gè)天線口的測量值。這個(gè)測量應(yīng)該在每個(gè)時(shí)隙（1.667ms）進(jìn)行一次。

●采用IIR濾波器采用24個(gè)時(shí)隙（40ms）的時(shí)間常數(shù)進(jìn)行濾波平滑Z1和Z2，得到Z1avr和Z2avr。

●判斷Z1avr和Z2avr的最大值是否大于所設(shè)的噪聲門限Zt。如果大于該門限，系統(tǒng)則設(shè)置RAB比特為“1”，否則設(shè)置為“0”。Zt是定義扇區(qū)是否忙的門限參數(shù)。

直接測量方法應(yīng)用時(shí)，推薦Zt數(shù)值和反向速率限制如下：

●反向速率限制對(duì)于所有的用戶終端設(shè)定到153.6kbit/s；

●根據(jù)鏈路對(duì)于熱噪聲的限制，可以采用更加低的Zt值，普通情況為5dB。

（2）負(fù)荷計(jì)算方法

高通的驅(qū)動(dòng)芯片提供了計(jì)算負(fù)荷途徑�；�站通過以下步驟來確定是否置位RA比特。

●終端用戶發(fā)送數(shù)據(jù)速率通過反向RRI信道指示，在最后的16個(gè)時(shí)隙里面，反向包都是按照這個(gè)速率進(jìn)行發(fā)送。這當(dāng)中可能包括一些扇區(qū)沒有正確接收的數(shù)據(jù)包，而RRI被正確解調(diào)的情況下。這個(gè)觀察周期最多包含一個(gè)數(shù)據(jù)包，因?yàn)槊總�(gè)終端發(fā)送的數(shù)據(jù)包的長度是16個(gè)時(shí)隙，并且?guī)�偏移值為�?～16。

●計(jì)算天線口的負(fù)荷。根據(jù)公式1計(jì)算天線j口的負(fù)荷。

公式1中函數(shù)f(DataRate)代表一個(gè)終端接收的總功率與接收到的導(dǎo)頻功率的比值。

公式1忽略了ACK信道的功率。Ecp/Io是在扇區(qū)天線j測量的，代表導(dǎo)頻信道每個(gè)PN碼片的平均能量與總的接收功率譜密度的比值。對(duì)于函數(shù)f(DataRate)的定義見表1。其中，定義參數(shù)w＝100.1×DRCChannelGain。

表1  f(DataRate)定義

●決策。根據(jù)公式1計(jì)算所得的天線口天線Yj的值是否大于門限來決定扇區(qū)是否過載。終端對(duì)于反向激活比特的響應(yīng)動(dòng)作取決于基站配置給終端的傳輸速率轉(zhuǎn)移概率(見表2)。表1中的參數(shù)定義如下：

表2  轉(zhuǎn)移概率

DataOffsetNom：接入網(wǎng)設(shè)置該域?yàn)榻尤霐?shù)據(jù)信道功率與導(dǎo)頻信道功率的標(biāo)稱偏置，表示單位為0.5dB的二補(bǔ)碼值。接入終端應(yīng)支付該域指定的所有有效值。

DataOffset9k6：接入網(wǎng)設(shè)置該域?yàn)?600bit/s時(shí)反向鏈路數(shù)據(jù)信道的功率與9600bit/s時(shí)標(biāo)稱反向鏈路信道功率的比值，表示為單位為0.25dB的二補(bǔ)碼值。

DataOffset19k2，DataOffset38k4，DataOffset76k8，DataOffset153k6的定義參照第2條，只是速率修改為參數(shù)里面代表的速率。

門限和反向速率限制的設(shè)置需要具有一定的保留，以便減少由于高的ROT效應(yīng)。推薦的參數(shù)為：所有的手機(jī)反向速率限制控制在38.4kbit/s；基于負(fù)荷方式的門限設(shè)定在0.5。

4  結(jié)束語

EV-DO系統(tǒng)作為3G的產(chǎn)品，具有前向分時(shí)復(fù)用，反向與cdma2000 1x兼容，可以在cdma2000 1x基礎(chǔ)上平滑升級(jí)的優(yōu)點(diǎn)。EV-DO系統(tǒng)在反向上提出了反向鏈路過載控制的獨(dú)特算法，該算法通過動(dòng)態(tài)控制小區(qū)下所有用戶的發(fā)送速率來降低小區(qū)反向鏈路過載的機(jī)率，使得基站在兼顧最大吞吐量的前提下，能夠防止崩潰的發(fā)生。