CDMA數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的自適應(yīng)技術(shù)

CDMA數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的自適應(yīng)技術(shù)

王剛     熊可成


摘    要:在許多蜂窩系統(tǒng)中, 對(duì)于分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)來說SINR(信號(hào)與干擾噪聲比)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所需
要的值,所以可以提高數(shù)據(jù)傳輸速率,同時(shí)使得蜂窩的頻譜效率有2倍以上的提高。實(shí)現(xiàn)的方法
有:減少編碼密度、擴(kuò)頻因子或者是增加星座圖的密度等等。本文將詳細(xì)介紹在CDMA系統(tǒng)中提
供數(shù)據(jù)速率自適應(yīng)的技術(shù)。
關(guān)鍵詞:分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)  數(shù)據(jù)速率自適應(yīng)  


一、綜述
Internet和無線業(yè)務(wù)(話音和數(shù)據(jù))的持續(xù)飛速發(fā)展使得的我們需要增加系統(tǒng)容量、數(shù)據(jù)傳送
速率、支持更多的服務(wù)類型(多媒體業(yè)務(wù))。更高的數(shù)據(jù)速率將為我們提供更加廣闊的服務(wù)業(yè)
務(wù)范圍,包括:
☆基本及增強(qiáng)的話音業(yè)務(wù),如電話會(huì)議、語音郵件;
☆支持短消息、email、傳真等低比特率服務(wù);
☆64-144kb/s的中等速率文件傳輸和Internet接入;
☆高于144kb/s速率支持高速分組交換和電路交換網(wǎng)絡(luò)以及高質(zhì)量的電視會(huì)議;
☆交互式業(yè)務(wù)多媒體服務(wù),支持不同業(yè)務(wù)的不同QoS(服務(wù)質(zhì)量)要求。
但是,為話音業(yè)務(wù)而專門設(shè)計(jì)的蜂窩通信系統(tǒng)運(yùn)用以下技術(shù)來保證通信質(zhì)量:
☆長度為20ms的幀結(jié)構(gòu);
☆很強(qiáng)的前向差錯(cuò)控制和交織以獲得0.01的誤幀率,不需要重新傳輸。
以上的特點(diǎn)決定了蜂窩通信固有的幀時(shí)延和解碼時(shí)延以及很低的數(shù)據(jù)率。針對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),這些
條件可以有所變化,比如說:并不需要一個(gè)固定的幀長度,可以使用自動(dòng)重發(fā)請(qǐng)求(ARQ)方式來
完成糾錯(cuò),雖然瞬時(shí)數(shù)據(jù)率是可變的,數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)可以收益于更高的峰值和平均比特率。
最近的研究表明,在快衰落信道上需要快速的速率調(diào)整,但同時(shí)我們也應(yīng)該考慮慢速的速率調(diào)
整:衰落和蜂窩傳輸損耗影響傳輸速率。由于以下原因,比幀速率更快的自適應(yīng)對(duì)于現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)
并不適應(yīng):
☆反饋時(shí)隙一般為幾十至幾百毫秒。雖然CDMA系統(tǒng)規(guī)定了一個(gè)快速閉環(huán)反饋,它只能用于電路
模式的功率控制,對(duì)于速率的控制方法并沒有確定。
☆數(shù)據(jù)的自適應(yīng)只是在物理層的幀和時(shí)隙確定,在時(shí)隙或幀傳輸中并沒有允許有可變的調(diào)制、
編碼、擴(kuò)頻因子的結(jié)構(gòu)。
必須明確,就頻譜效率而言,CDMA與TDMA是相同的,CDMA話音業(yè)務(wù)相對(duì)的巨大容量是因?yàn)椴捎?br />了話音激活技術(shù),而不是其具有更高的頻譜效率。更高的數(shù)據(jù)速率、頻譜效率可以通過加強(qiáng)第
二代蜂窩系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn), CDMA和TDMA中對(duì)于這些增強(qiáng)措施已經(jīng)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化:
共享分組數(shù)據(jù)信道以達(dá)到更高的數(shù)據(jù)速率;
在大范圍內(nèi)利用更高可用的信干比達(dá)到數(shù)據(jù)速率的自適應(yīng);
采用與第二代語音標(biāo)準(zhǔn)兼容的時(shí)隙和幀格式,同時(shí)允許遷移和登記消除;
無信息傳輸時(shí),移動(dòng)臺(tái)處于休眠狀態(tài)來減少對(duì)于空中接口資源的利用,同時(shí)還具備快速激活性能。
使用專用和公共控制信道來減少數(shù)據(jù)分組傳輸?shù)慕尤牒徒�立延遲時(shí)間;
二、速率自適應(yīng)的總結(jié)
下表總結(jié)了第二代及第三代分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的自適應(yīng)技術(shù),每一列分別指示:
☆不同速率的指派方法;
☆通知基站移動(dòng)臺(tái)使用的速率及格式的方法;
☆信道質(zhì)量的反饋方式;
☆峰值數(shù)據(jù)速率的典型值;
CDMA系統(tǒng)的速率自適應(yīng)是通過可變的擴(kuò)頻因子、編碼和碼聚集實(shí)現(xiàn)的,Walsh碼聚集可以獲得
更高的碼速率。每個(gè)用戶分配1-8個(gè)碼,每個(gè)都支持9.6kb/s。WCDMA 和cdma2000是通過可變擴(kuò)
頻和編碼來完成更高速率信息傳輸?shù)摹?br />在CDMA系統(tǒng)中,接收機(jī)利用導(dǎo)頻強(qiáng)度信息來估計(jì)SINR。在 IS-95B和cdma2000中,導(dǎo)頻信號(hào)強(qiáng)度
信息通過導(dǎo)頻強(qiáng)度測量信令(PSMM)或增補(bǔ)信道請(qǐng)求信令(SCRM)傳輸?shù)交�站。在WCDMA中的測量
報(bào)告還包括誤組率、誤比特率、接收電平、傳輸路徑損耗和下行鏈路SINR測量。
在CDMA系統(tǒng)中,信道質(zhì)量在接收機(jī)測量,通過特定信令送給發(fā)射機(jī)。衡量信道質(zhì)量的參數(shù)包括:
☆誤幀率;
☆誤符號(hào)率或誤比特率的均值和標(biāo)準(zhǔn)方差;
☆平均SINR(可以用Viterbi譯碼器計(jì)算歐氏距離,或者利用子空間技術(shù)計(jì)算)。
三、CDMA的分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)
3.1  IS-95 B
CDMA通過碼聚集來實(shí)現(xiàn)更高速率的服務(wù)。在一個(gè)突發(fā)瞬間最多有8個(gè)碼進(jìn)行傳輸。激活的高速
分組數(shù)據(jù)包有一個(gè)9.6kb/s 的基本碼信道。如果需要更高的數(shù)據(jù)速率,在前向或反向信道上指
派最多7個(gè)增補(bǔ)信道(SCH),這樣傳輸速率可以達(dá)到76.8kb/s�；�本碼信道(FCH)有軟切換支持,
還可以進(jìn)行信令傳輸和功率控制。增補(bǔ)碼信道在分組突發(fā)情況下被指派,它的軟切換功能是可
選的。如果分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的誤幀率可以接受,減少增補(bǔ)信道的軟切換可以提高前向信道的容量。
圖1 IS-95B分組數(shù)據(jù)的發(fā)送初始化過程
3.2  cdma2000
cdma2000提供了許多媒質(zhì)接入層的增強(qiáng)措施,為了減少接入和建立時(shí)間,專用控制信道上設(shè)計(jì)
了5ms的幀結(jié)構(gòu)。除了IS-95的活動(dòng)和休眠狀態(tài),為了快速的接入和建立新設(shè)定了兩個(gè)接入層狀
態(tài)�？刂票３譅顟B(tài)是在指定的DCCH(專用公共控制信道)上不連續(xù)的傳輸。這個(gè)DCCH允許快速
接入到業(yè)務(wù)信道和快速激活。在掛起狀態(tài),不指定空中接口,但是保存RLP(無線鏈路協(xié)議)狀態(tài)
來避免重初始化的時(shí)延。
cdma2000與IS-95相同,分配到移動(dòng)臺(tái)的增補(bǔ)碼信道(SCH)數(shù)據(jù)速率由SCAM信令向移動(dòng)臺(tái)指示。
在前向信道也可以考慮使用盲速率檢測:移動(dòng)臺(tái)接收機(jī)假設(shè)接收幀為幀集合中的一個(gè)進(jìn)行解碼。
基站無須向移動(dòng)臺(tái)發(fā)送SCAM信令就可以使用基站的任意格式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
cdma2000物理層提供了一個(gè)具有可變擴(kuò)頻增益的增補(bǔ)碼信道(SCH),而不采用IS-95B中的多碼
信道。cdma2000中的增補(bǔ)碼信道使用固定的幀長度為20ms的可變擴(kuò)頻因子。最低的擴(kuò)頻因子
為2,在1.25Mhz帶寬峰值為307.2 kb/s,在5Mhz帶寬情況下,峰值為614.4 kb/s。
另外物理層的增強(qiáng)措施還有:Turbo編碼,實(shí)現(xiàn)相關(guān)檢測的反向信道導(dǎo)頻,快速前向鏈路功率控
制,配合窄波束天線工作的前向?qū)Ｓ脤?dǎo)頻。
3.3  WCDMA
WCDMA和cdma2000物理層的增強(qiáng)措施相似。在5M的帶寬上支持2.048Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。通
過可變擴(kuò)頻和1/3基站信道編碼刪除(Puncture),數(shù)據(jù)速率的連續(xù)集通過使用碼率匹配得到,也
就是說,使用重復(fù)或者刪除來使得編碼比特率與物理層信道指定集來匹配。
MAC可以使用兩種操作模式:連接或空閑。開機(jī)后,直到RRC連接確立進(jìn)入連接狀態(tài),終端一直處
于空閑狀態(tài)。如果終端處于活動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸模式,分配給它專用信道。沒有處于活動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸模
式的移動(dòng)臺(tái)都與公共控制信道相連。在這種狀態(tài)下,移動(dòng)臺(tái)接收廣播和尋呼信息,在移動(dòng)到不同
的蜂窩或登記區(qū)域后更新移動(dòng)臺(tái)信息。
表3 WCDMA擴(kuò)頻因子和數(shù)據(jù)速率
對(duì)于各種服務(wù)混合模式(語音+信令,數(shù)據(jù)+信令,話音+數(shù)據(jù)+信令),用戶都被指派一個(gè)傳輸模式
混合集(TFCS),格式根據(jù)每個(gè)物理層狀況從中進(jìn)行選取。通過TFCI(傳輸模式混合指示)向接收
機(jī)指示。由于變化的信道和干擾條件及服務(wù)類型的增刪,用戶的QoS要求得不到滿足或者服務(wù)狀
況發(fā)生了變化,TFCS都需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)重組。
WCDMA標(biāo)準(zhǔn)包括網(wǎng)絡(luò)從移動(dòng)臺(tái)獲取不同測量的選項(xiàng)。這些測量包括:導(dǎo)頻強(qiáng)度測量、誤比特率、
誤快率、傳輸損耗和SINR測量,他們都用來幫助網(wǎng)絡(luò)完成資源分配和切換管理。WCDMA同時(shí)規(guī)
定了觸發(fā)信道傳送測量信息的標(biāo)準(zhǔn),網(wǎng)絡(luò)使用測量控制信令規(guī)定移動(dòng)臺(tái)應(yīng)傳輸?shù)氖录�和其中�?br />含的測量。
3.4  CDMA系統(tǒng)的突發(fā)指派和管理
CDMA蜂窩系統(tǒng)分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)速率自適應(yīng)需要?jiǎng)討B(tài)帶寬管理和突發(fā)指派。由于空中接口
資源是共享的,所以必須控制前向鏈路的發(fā)射功率和反向信道的接收總功率。在小區(qū)邊緣會(huì)使
用更多的網(wǎng)絡(luò)資源,突發(fā)電平控制是根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載和支持給定速率的空中接口資源來決定的。
在基站和移動(dòng)臺(tái)的導(dǎo)頻信號(hào)能夠確定空中接口資源的需求。
在IS-95B和cdma2000中,基本信道的傳輸無須突發(fā)允許指令,更高速率的增補(bǔ)信道的分配是基于
用戶需求、系統(tǒng)負(fù)載和干擾決定的。在WCDMA中,每個(gè)移動(dòng)臺(tái)被指派比特率集(TFCS),實(shí)際每幀
的速率可以從此集合中進(jìn)行選取,通過TFCI進(jìn)行指示。
3.5 碼聚集實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率
在合適的SINR情況下,碼聚集可以提供更高的數(shù)據(jù)比特率。另外,可用帶寬可以由使用不同碼的
用戶同時(shí)享用,還可以提高調(diào)制指數(shù)。但是如果擴(kuò)頻因子不大,同時(shí)具有高的調(diào)制率和低的SINR,
符號(hào)間干擾(ISI)就成為一大難題,需要仔細(xì)的進(jìn)行分析考慮。
四、總結(jié)
CDMA標(biāo)準(zhǔn)有以下資源有效分配的方法:
☆利用導(dǎo)頻強(qiáng)度測量信息進(jìn)行有效的功率和干擾管理;
☆不連續(xù)的在專用或公用控制信道傳輸信頭;
速率自適應(yīng)技術(shù)已經(jīng)在CDMA蜂窩通信系統(tǒng)中得到了應(yīng)用,以SINR為函數(shù)的自適應(yīng)方法的無線資
源管理仍然是今后的一個(gè)研究領(lǐng)域�？梢酝ㄟ^設(shè)定信道質(zhì)量反饋機(jī)制來執(zhí)行碼速率調(diào)整,同時(shí),
干擾消除技術(shù)的使用可以同時(shí)使CDMA和TDMA系統(tǒng)提高頻譜效率。未來的工作是可用帶寬的規(guī)劃
和公平分配以及獲得快速準(zhǔn)確的信道質(zhì)量測量來獲得系統(tǒng)最大的吞吐量。

作者:王剛  熊可成
        北方交通大學(xué)現(xiàn)代通信研究所