CDMA技术的发展

1CDMA技术的发展张玉凤中国泰尔实验室1、引言伴随着国内运营商的重组，CDMA技术重新受到国内业界的关注，本文主要介绍了CDMA技术发展现状和趋势。2、CDMA技术演进目前，总的来看CDMA技术的演进主要包括以下三个方向：z首先，考虑到CDMA20001X网络自身演进的要求，制定了CDMA20001X后续标准。z同时，为了满足系统在现有频段上扩展无线宽带数据能力以及在无线数据系统上承载各类应用服务（如VOIP/PSVT等）的需要，制定了CDMA20001xEVDORev.0/A/B标准。z此外，为了进一步满足在不同频段/带宽上无线宽带能力的要求和系统演进的需要，基于OFDMA技术制定了UMB(UltraMobileBroadband)标准。3、CDMA20001X技术CDMA20001X是由IS-95A/B演进而来的，并与现有的IS-95A/B系统后向兼容。与IS-95A/B相比，CDMA20001X在信道类型、物理信道结构和无线分组接口功能上都有很大的增强，网络部分则根据数据传输的特点引入了分组交换机制，支持简单IP和移动IP业务，支持QoS（QualityofService：服务质量），这些技术特点都是为了适应更多、更复杂的第三代业务。与IS-95A/B相比，CDMA20001X具有以下新的技术特点：z快速前向功率控制技术：可以进行前向快速闭环功率控制，与IS-95A/B系统前向信道只能进行较慢速的功率控制相比，大大提高了前向信道的容量。z反向导频信道：使反向信道也可以做到相干解调，与IS-95A/B系统反向信道所采用的非相关解调技术相比可以提高3dB增益，相应的反向链路容量提高1倍。z快速寻呼信道：极大地减少了移动台的电源消耗，使移动台的待机时间提高了50%。z前向发送分集：前向信道采用发射分集，提高了信道的抗衰落能力，改善前向信道信号质量以提高系统容量。zTurbo码：1X的业务信道可以采用Turbo码，以支持更高传送速率及提高系统容量。z辅助码分信道：使1X能更灵活地支持分组数据业务。z变长的Walsh函数：使得空中无线接口的资源利用率更高。z增强的MAC功能：以支持高效率的高速分组数据业务。z新的接入过程控制方式：目的在于根据数据业务的突发性特点，增加了控制保持状态和新的增强接入模式，在数据业务QoS和系统资源占用之间寻求折衷与平衡。3.1、CDMA20001XRev.0CDMA20001XRev.0是CDMA20001X的最初版本。它可以实现约为IS-95A/B两倍容量的话音业务和分组数据业务，数据峰值速率可达153.6kbps。Rev.0引入了多种模式（用于确定对前向基本信道和前向补充信道的功控比特分配）的前向快速闭环功率控制2和OTD（OrthogonalTransmitDiversity：正交发送分集）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。3.2、CDMA20001X后续版本CDMA20001X后续版本包括Rev.A/B/C/D，它主要是对CDMA1XRev.0进行了增强，其主要增强特性包括：zMEID支持，针对1X系统从ESN过渡到MEID的需要，在LCM生成和手机寻址方式等方面进行了扩展。z针对1X系统与DO系统互操作的需要，在系统中增加了DO网络指示和交叉寻呼功能。z前反向数据能力增强以及前向发送分集支持。z新的公共信道支持，如F-BCCH、F-CCCH、F-CACH、F-CPCCH、R-EACH和R-CCCH等。z对呼叫建立过程进行优化等。4、CDMA20001xEVDO技术EVDO是业界推出的第一个高性能、低成本的无线高速数据传输成熟解决方案，是CDMA20001X的增强型技术，它针对支持高速无线互联分组数据的传输进行了优化。EVDO标准现有三个版本，Rev.0、Rev.A和Rev.B，其中Rev.0和Rev.A可支持的前反向峰值速率分别为2.4Mbps/153Kbps和3.1Mbps/1.8Mbps，而在Rev.B中则可支持高达73.5/27Mbps的峰值速率（使用15个1.25M载波）。Rev.0在反向链路上的容量大约为每扇区300kbps；在Rev.A中，由于采用了自适应的BPSK、QPSK和8-PSK等多种调制方式及多种编码速率和混合ARQ技术，极大地提高了反向链路的容量，扇区吞吐量大约为Rev.0的两倍，达到600kbps；在Rev.B中，随着反向载波数目的增加，系统的反向数据吞吐量也将相应成倍增长。同时，通过在载波间实现自适应调度和在系统中引入干扰消除、均衡以及接收分集等技术，可以使系统性能在原基础上实现进一步的提高。4.1、CDMA20001xEVDORev.0针对数据服务突发性，高速率，非对称以及时延和QOS要求相对灵活的特点，DORev.0进行了相应的优化，在前向链路实现了基于分组的调度，其主要特点和增强特性包括：1)CDMA/TDM前向链路DORev.0是专门针对数据业务而优化设计的，其前向链路在信号传输时，对每一用户均以时分复用的方式在整个扇区内全功率和码空间发送，从而使系统能以最大的数据吞吐率（峰值可以达到2.4Mbps）高速传输突发的数据业务，并提高信号的传输质量。3图1:CDMA20001xEV-DO与IS-95/1X前向链路的比较2)自适应编码调制终端基于通讯过程中无线导频信道的变化情况，将定期上报请求（速率最高可达600Hz）与当前前向链路信道条件匹配的服务速率(从38.4kbps到2.4Mbps)，每种服务速率将对应不同的调制方式（QPSK/8PSK/16QAM）和编码速率(Turbo编码，码率为2/3,1/3,1/5等)组合。自适应编码调制结合优化的调度算法使基站可以根据整个系统的实际情况（信道质量及终端所请求的数据速率）来确定每一用户的服务时间和实际传输速率，合理地匹配各终端的当前物理信道情况服务其业务请求。由于多个用户的信道衰落具有相对独立性，系统在调度过程中可以利用多用户分级增益（MultipleUserDiversity）达到更高的传输效率。3)HARQ(TypeII)用户的移动和干扰的随机性使系统在服务用户与用户上报时的物理信道情况可能存在误差，这使用户在上报请求服务的数据速率时相对保守以保证数据包的可靠传输。DORev.0在前向信道引入了HARQ机制来保证系统数据传输时匹配用户当前物理信道的同时达到更高的传输效率：z首先，系统在数据传输时引入了交织（Interlace）机制，系统在传输数据包时基于Turbo码可以将编码后的数据包分为若干子数据包，每个子信息包中包括数据数据或校验数据，子数据包中传输时使用非连续的时隙从而使系统在传输同一数据包所属数据时可以规避突发性的干扰，获得时间分级增益（TimeDiversity）。z同时，用户接受每个子信息包后，将对接受的数据进行部分译码并基于译码结果对发送端进行反馈。如果部分译码成功，系统将提前终止该数据包的传输。增量式部分译码和提前终止的引入，可以使在用户进行报收信道估计的情况下保证对系统对信道的匹配从而提高传输效率。4)前向虚拟软切换当用户在DO系统中移动时，用户将选择当前信号最好的扇区来进行数据传输；当用户检测到服务扇区发生变化时，将及时向系统进行指示并进行虚拟软切换切换服务扇区。虚拟软切换的引入消除了由于系统软切换所带来的系统负载，同时可以保证系统在给定相同的前向功率条件下达到最高的传输效率。4.2、CDMA20001xEVDORev.ADORev.A是DORev.0的演进，除了在前反向链路数据传输能力的增强之外，尤其值得一提的是DORev.A针对各种实时业务及应用，如广播、VoIP、可视电话、在线游戏、实时多媒体业务等，进行了专门的设计和优化，可以充分有效地支持上述业务。4DORev.A的主要特点和增强特性包括：1)前反向峰值速率大幅度提高与DORev.0相比，在DORev.A中不仅前向链路峰值速率从2.4Mbps提升到3.1Mbps的新高度；更重要的是反向链路得到了质的提升。随着增量传送、灵活的分组长度结合、HybridARQ和更高阶调制等技术在反向链路的引入，DORev.A实现了反向链路峰值速率从DORev.0的153.6Kbps到1.8Mbps的飞跃。2)小区前反向容量均衡通过在手机中采用双天线接收分集技术和均衡技术，DORev.A的前向扇区平均容量可以达到1500Kbps，较DORev.0（平均小区容量850Kbps）提高了75%。DORev.A的反向平均小区容量也得到大幅度的提升，从DORev.0的300Kbps增加了100%，达到600Kbps。如果基站上采用4分支接收分集技术，反向平均小区容量还可进一步提高至1200Kbps。3)全面支持QoS与DORev.0相比，DORev.A在QoS支持方面也进行了优化，取得了显著提高，具体体现在以下方面：a)灵活和有效的QoS控制机制DORev.A中引入了多流机制，使系统和终端可以基于应用的不同QoS要求，对每个高层数据流进行资源分配和调度控制；同时,DORev.A中还提高了反向活动指示信道的传输速率，使终端可以实时跟踪网络的负载情况，在系统高负载时，保证低传输时延数据流的数据传输。此外，DORev.A还引入了更多的数据传输速率和数据包格式选择，使系统可以更灵活地进行调度。总之，DORev.A在保证系统稳定性的前提下，可以灵活而有效地满足不同数据流的传输要求，从而在一部终端上可以同时支持实时和非实时等多种业务。b)低接入时延DORev.A对接入信道和控制信道均进行了优化。首先，在接入信道上可以支持更高的传输速率和更短的接入前缀，使用户可以在发起服务请求时更快地接入网络；其次，在控制信道上可以支持更短的寻呼周期，使用户可以较快地响应来自网络的服务请求；此外，DORev.A高层协议中引入了三级寻呼周期机制，使终端可以在适配网络服务情况的同时降低功耗，延长待机时间。这对支持需要频繁建立和释放信道的业务如即按即讲（PTT）和即时多媒体通信（IMM）等非常重要。c)低传输时延在进行数据传输时，DORev.A引入了高容量模式和低时延模式。在低时延模式下可以采用不同的功率来传输某数据包的各子信息包，对首先传输的子信息包采用较高功率发射，从而使该数据包提前终止传输的概率提高，降低了平均传输时延。这对支持如VoIP和可视电话等实时业务十分重要。d)低切换时延DORev.A中引入了DSC信道，使终端在基于信道情况选择其他服务小区时，可以向网络进行预先指示，提前同步数据传输队列，大大降低了前向切换时延。这对支持VoIP和可视电话等实时业务十分重要且效果显著。4.3CDMA20001xEVDORev.BDORev.B是在DORev.A基础上的多载波扩展和增强。DORev.B在前向链路增加了64-QAM调制方式和8192比特数据包，在单载波（1.25MHz）上系统峰值速率达到4.9Mbps。在多载波条件下，DORev.B系统所支持的峰值速率将随着载波数据成倍增加，在系统带宽支持15载波（20MHz）时系统前反向峰值速率将达到73.5/27Mbps。5多载波系统相对于单载波系统而言，还可以利用无线信道的频率选择性（FrequencySelectivity）对用户的服务请求在多载波上进行联合调度，从而使系统在调度时获得时域和频域的多用户分级增益，提升系统容量；同时，如果将单载波上的高速数据流分解为多载波上中/低速数据流进行传输，可以获得更高的HARQ增益和降低终端发射功率，最终提升系统的数据吞吐量。另外，DORev.B系统数据传输引入了对称模式（前向载波数等于反向载波数）和非对称模式（前向载波数大于反向载波数）。z对称模式下，前向与反向载波将一一映射，系统在成对载波上的数据和控制反馈信息的传输与DORev.A系统基本相同；z非对称模式下，多个前向载波将映射到一个反向载波，系统将在一个反向信道上传输对多个前向载波的控制反馈信息。此外，不同于传统FDD(FrequencyDivisionDuplex)系统前反向