（通信与信息系统专业论文）无线分组数据网络中的速率自适应技术研究及其性能分析.pdf

摘要 本文主要是对无线分组数据网络中的速率自适应技术的研究和性能分析仿 真。首先分析了包括c d m a ( i s 一9 5 ) ，c d m a 2 0 0 0 ，w c d m a ，t d m a ( i s 1 3 6 ) 1 1g s m ( g p r s 和e d g e ) 等现有标准中速率自适应的技术。针对目前的这些标准中， 只能够实现基于帧的速率调整的缺陷，采用了一种新的动态扩频增益( d s g c ) 环结构作为无线分组数据网络的速率自适应技术的实现方式，并给出采用速率自 适应技术的信道共享系统事务接收质量计算方法。接着，论文对d s c d m a 系 统上行链路的性能做了建模和仿真，并与传统功率自适应( 功率控制) 系统的性 能做了比较。 在对无线分组数据系统上行链路的性能进行研究时，论文分别采用二项式分 布模型和连续时间马尔可夫链作为用户的活动模型来进行分析。并给出进步提 高速率自适应系统性能的建议。 a b s t r a c t i nt h i st h e s i sw ef o c u so nt h ea n a l y s i sa n ds i m u l a t i o no fw i r e l e s sp a c k e td a t a s y s t e m sp e r f o r m a n c e f i r s t l y , w ea n a l y z e t h er a t e a d a p t a t i o nt e c h n i q u e s i n c d m a ( i s 一9 5 ) ，c d m a 2 0 0 0 ，w c d m a ，t d m a ( i s 一1 3 6 ) a n dg s m ( g p r s a n d e d g e ) w ec a l ls e et h a tt h er a t ea d a p t a t i o nt e c h n i q u e sp r o p o s e di nt h e s es t a n d a r d sc a no n l y p e r m i t f r a m e b a s e dr a t e a d a p t a t i o n t o a p p l y w e t h e n s e c o n d l y , a p p l y an e w s y m b o l b a s e dd y n a m i cs p r e a d i n gg a i nc o n t r o l ( d s g c ) m o p i nw i r e l e s sp a c k e td a t a s y s t e mt om a k e t h ef a s tr a t ea d a p t a t i o np o s s i b l e a f t e rt h a tt h em e a n sf o r c a l c u l a t i n g p e r f o r m a n c e m e a s u r e sr e l a t e dt ot h eq u a l i t yf o r r e c e p t i o no fa na p p l i c a t i o ni nc h a n n e l s h a r i n gb yr a t e a d a p t i v es y s t e ma r ep r o v i d e d a tl a s tw eg i v et h ea n a l y f i c a lr e s u l to f t h ep e r f o r m a n c ea n a l y s i so f r a t ea d a p t a t i o ns c h e m ei nd s c d m a s y s t e m s w h e na n a l y z i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft h ed s c d m as y s t e m ，w e g i v et h et w o r e s u l t sb a s e do nb i n o m i a lm o d e la n dc t m cm o d e lt oc h a r a c t e r i z et h eu s e ra c t i v i t i e s o fd a t at r a f f i c ，r e s p e c t i v e l y f r o mt h et w or e s u l t s ，w ep r o v i d es o m es u g g e s t i o n st o e n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo f r a t ea d a p t a t i o n t e c h n i q u e s 南京邮电学院学位论文独创性声明 y t 6 2 8 8 4 8 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：日期 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电学院研究生部办理。 研究生签名：导师签名：日期： 苎= 童堕堡一 1 。1 论文的背景 第一章绪论 随着i n t e m e t 及其他无线业务的增长，有些业务( 例如多媒体业务) 需要更 高的数据速率和q o s 。对无线蜂窝系统来说，数据速率越高，其业务范围就越广 泛。而之前的无线蜂窝系统设备以能够提供语音业务为主，无论从数据速率还是 q o s 来说都不能满足需求。 下面是这些新业务的特征： 基本的和增强的语音业务，例如电话会议和语音邮件。 低速率数据业务，如消息、邮件、传真等等。 中等速率数据业务，如文件传输，互联网接入等等，其速率应达到6 4 1 4 4 k b s 。 高速率数据业务，支持高速分组和基于电路的网络接入，支持高品质视频会 议，其速率要远大于6 4 k b s 。 多媒体业务，能够提供即时视频、音频和数据业务等互动应用，还能够对不 同的业务提供不同的q o s 。 第二代蜂窝系统主要用于提供语音业务，因而只需b m p 提供最低的数据速 率，也就是说，只需提供最小的信噪比( s i n r ) 即可。由文献 1 可知，约有3 0 5 0 用户的s i n r 超过了2 1 d b ( g s m 中，s i n r 的最低要求是1 2 d b ) 。s i n r 高， 则可以向用户提供高的数据速率。s 1 n r 的这种分布也可以用于c d m a 系统，但 实际上c d m a 系统却通过功率控制来抑制这种分布。 用于提供语音业务的蜂窝系统特征如下： 低速语音编码器，需2 0 m s 的帧同步结构。 较强的前向纠错( f e c ) 和交织能力，帧错误率保持在o 0 1 左右，无重发机 制 这些特征导致帧同步和解码的时延，以及较低的数据速率。对数据业务来说， 这些特征就可以做些修改。例如，数据业务不需要固定帧长，通过使用自动请求 重发( a r q ) 机制，可以允许较高的误帧率。如果瞬时数据速率可变的话，数 据业务还可以从较高的峰值速率和平均速率中获益。 南京邮电学院硕士毕业论文 1 第一章宝 论 有研究显示，快衰落信道可以利用快速速率自适应来提高系统容量，但是在 目前的标准中，考虑的更多的是慢速速率自适应。因为数据速率的调整是根据衰 落和距离引起的损耗来的，比帧速率还要快的速率调整，在目前的标准下是没有 定义的，因为： 反馈间隔限制在几十到几百毫秒。虽然c d m a 中定义了一种快速闭环反馈， 但这也只是用于为电路模式的业务提供闭环功率控制的。而用于闭环速率控 制的快速反馈还没有定义。 速率调整结构只是在物理层的帧或者时隙做了定义，也就是说，在一个时隙 或一个帧当中，并没有定义这样一个结构：允许调制、编码或扩频因子等方 面可以逐个符号改变。 在本论文中，论文作者针对上面的这两方面缺陷，在c d m a 无线系统中采 用了一种新的基于符号( s b ) 的动态扩频增益控制( d s g c ) 环。在此基础上， 基本可以实现c d m a 系统的快速速率自适应。 对于快速速率自适应的性能研究，目前仍没有一个统一的标准。论文作者随 后主要分析了速率自适应的信道共享系统模型，以及d s c d m a 系统中速率自 适应方案的性能。 1 2 论文的内容及章节安排 论文在接下来的第二章中，综述了现有一些标准中的速率自适应过程，如 c d m a ( i s 一9 5 ) 、c d m a 2 0 0 0 、u m t s w c d m a 、t d m a ( i s 1 3 6 ) 和g s m ( g p r s 和 e d g e ) 等等。 第三章中，详细阐述了s b d s g c 的结构。该s b d s g c 相较于其他系统主 要有以下两个优点： 在任何时候，发射机都可以灵活的调整实际扩频增益，以保持时变信道中误 符号率( s e r ) 或者误比特率( b e r ) 的精确性。 可以非常快速的反馈信道状态信息( c s i ) ，比如，每几个符号就可以反馈一 次。 采用s b d s g c 环，可以弥补现有标准的缺陷，实现快速闭环速率控制，使 得快速速率自适应成为可能。在信道共享系统( 如宽带无线蜂窝系统) 中，就可 南京邮电学院硕士毕业论文2 第一章绪论 以采用快速速率自适应技术来提高系统中的当前连接数。即，当有新的事务到达 时，适当地改变己连接的各事务的速率，使得系统可以容纳更多的事务连接。在 第四章中，就将阐述一个采用速率自适应技术的信道共享数学模型，并且给出计 算事务接收质量的方法。 论文在第五章当中，对d s c d m a 系统中速率自适应方案进行了数据流量、 平均分组延迟和平均功率消耗等方面性能的分析，并与功率控制( 功率自适应) 方案做了比较。首先，考虑了用户活动的随机性和数据流量的变化，采用二项式 分布模型来描述用户的活动情况。二项式分布模型意味着不同的用户之间是相互 独立的。但是这种假设在速率自适应系统中并不总能成立。因此论文在第五章中， 还提出了一种新的用户模型，采用连续时间马尔可夫链( c t m c ) 来描述用户活 动中数据流量的特征。这个模型考虑了速率自适应系统中用户活动的相关性。基 于这个c t m c 模型，同样研究了速率自适应方案中的数据流量、平均分组延迟 和平均功率消耗等方面的性能，并与功率控制( 功率自适应) 方案做了比较。第 六章为全文总结。 南京邮电学院硕士毕业论文 第二章无线分组数据业务中的自适应技术 2 1 速率自适应的概括介绍 表1 概括了二代和三代t d m a 和c d m a 分组数据标准中的数据速率自适应 技术。表格中的栏目分别表示： 将不同速率分配给用户的方法。 将速率值和格式发送给移动台的方法。 信道质量反馈的方法。 峰值数据速率的典型值。 c d m a 中的速率调整是通过可变的扩频、编码和码字组合实现的。i s 一9 5 b c d m a 系统通过w a l s h 码组合来实现高速率。每个高速率的用户可使用8 个码 字，每个码字的传输速率为9 6 k b s 。w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 系统则通过可变扩频 和编码的组合来实现高速率。 t d m a 系统中，时隙与时隙间的速率调整是通过编码和调制的改变实现的， 而符号速率和块长度不变。时隙组合是g p r s 1 3 6 ( 1 3 个时隙2 0 m s ) 和 g p r s e g p r s ( 1 8 个时隙g s m 帧) 中采用的方法。 下面将详细介绍这些技术的特点。 2 2c d m a 中的分组数据：| s - 9 5 b ，c d m a 2 0 0 0 和w c d m a 2 2 1i s 一9 5 b 在第二代c d m a i s 一9 5 b 中，高数据速率是通过码字组合实现的：在一个突 发传输当中，最多可以有8 个码字分配给一个支持高速分组数据的移动台。一个 激活的高速分组数据移动台总有一个基本码字信道( f c h ) ，速率为9 6 k b s 。若 需要更高的速率，则在前向或者反向链路上还可以分配7 个补充码字信道( s c h ) 给该移动台。每个补充信道都支持9 6 k b s 的速率，这样，就提供了7 6 8 k b s 的 峰值速率。f c h 支持软切换，除了用于传输用户数据，还用于信令和功率控制。 南京邮电学院硕士毕业论文4 f c h 是在分组数据请求期间分配的，而s c h 则是在分组数据发送期间分配的。 可以选择s c h 是否支持软切换。如果允许较高的f e r ( 帧错误率) ，则不允许s c h 支持软切换可提高前向链路的容量。 数据速率由基站( b s ) 控制，并通过补充码字信道分配消息( s c a m ) 分配 给移动台。信道质量反馈是在发射机处，由移动台通过导频强度测量报告和反向 链路的补充码字信道请求消息( s c r m ) 完成的。 表2 2 列出了i s 9 5 b 分组数据的概要。一个分组数据业务呼叫的发起，可 建立一个分组数据业务级别的注册。当没有数据传输时，空中接1 ：3 资源将会被收 回。当有新的数据到达时，空中接口资源必须重新初始化，不过分组数据业务的 注册是早就已经建立了的，不需重新注册。 系统或标准速率调整方法指示格式方法信道质量反馈 峰值数据速率 c d m ai s 9 5 bm 个补充码字信 补充信道分配消补充信道请求消 6 4 k b s 道，每个速率为息( s c a m )息，导频强度测 8 或者1 4 k b s最报告 c d m a 2 0 0 0 可变速率补充码s c a m ，同时也补充信道请求消每个w a l s h 码 字信道一可变扩有盲速率检测息，导频强度测6 1 4 4 k b s ，通过 频和编码量报告，功率控码字复用可得 制比特( 8 0 0 h z ) 2 0 4 8 k b s w c d m aj ，艾理翠况重1 百 传输格式组合指测量报告：2 0 4 8 k b s ( 6 个 道一可变扩频和示( t f c i ) 标明导频强度 w a l s h 码) 编码每一帧的格式 s i n r b e r ，b l e r g p r s时隙组合，自适独立编码域 a r q 状态消息 1 6 0 k b s 应编码 “s t e a l i n gb i t ” 中的测量报告： 信号和干扰 误比特率 信号变化 t d m a1 3 6 + 时隙组合，自适独立编码数据域信道质量反馈： 4 4 4 k b s ( g p r s - 1 3 6 )应调制和增量冗类型( d f t )上行链路 余a r q 状态 消息 下行链路分 组信道反馈 e g p r s时隙组合，自适独立编码域 a r q 状态消息 4 7 3 6 k b s 应编码，自适应 “s t e a l i n gb i t ” 中的测量报告： 调制，增量冗余信号和干扰 误比特率 表2 1 二代和三代蜂窝标准中。分组数据业务的速率自适应概括 南京邮电学院硕士毕业论文 第二章无线分组数据业务中的自适应技术 2 2 2c d m a 2 0 0 0 信道 调制符号 比特帧 2 4 b i t 5m s 1 6 b i t 2 0m s 4 0 b i t 2 0 nm s 8 0 b i t 2 0 nm s 1 7 2 b i t ，2 0 nm s 3 6 0 b i t ，2 0 nm s 7 4 4 b i t 2 0 nm s 1 5 1 2 b i t 2 0 nm s 3 0 4 8 b i t 2 0 nm s 6 1 2 0 b m o nm s 数据速率 ( k b i t s ) r 9 61 2 15 2 7 n 4 8 n 9 6 n 1 9 2 n 3 8 4 n 7 68 i n 15 3 6 ，n 3 0 7 2 n 删除符号 无 9 6 1 5 1 9 无 无 3 8 4 3 8 4 3 8 4 3 8 4 无 7 6 8 无1 5 3 6 尤3 0 7 2 无 6 1 4 4 无 1 2 2 8 8 1 前向基本信道和前向补充信道结构 速率 ( k s y m b o l s ) 1 9 2 2 前向话务信道的长码扰码、功率控制和信号点映射 1 9 2 92 n 92 n 92 n 3 84 n 7 68 n 1 5 3 6 n 3 0 7 2 n 6 1 44 n l i t 2 - 1 1 2 5 m h z 。! 塑2 粤。系统中，无线配置4 的前向基本 信道和前向补充信道结构 w 南京邮电学院硕士毕业论文 6 数x x !x 秘 缸舡弘 k n h b ! 忽忽尼 佗彪腔陀也 嘴m 6 6 o 他 坫m m m 兰三童重些坌望墼塑些堑主箜鱼重壁垫查 c d m a 2 0 0 0 中采用了几项媒体接入控制( m a c ) 层的增强方案。其中，专用 控制信道( d c c h ) 中定义了一个5 m s 的帧定位结构，以减少接入和建立延迟。 除了i s 9 5 b 中定义的激活和等待状态，c d m a 2 0 0 0 中还定义了另外两个m a c 层 状态，用于快速接入和建立，以便更加充分的利用空中接口资源。这两个m a c 层状态，一个是控制占用状态( c o n t r o lh o l ds t a t e ) ，即已分配了一个d c c h ，用 于快速接入数据信道和快速激活。另一个状态是挂起状态，即没有分配空中接1 2 信道，但是无线链路协议( r l p ) 的状态将被存储下来，以避免重新初始化引起 的延迟 1 】。 带宽卷积编码率扩频因子帧长度( b i t s )峰值数据速率 1 2 5 m h z1 21 6 89 6 6 4 3 6 0 1 9 2 3 27 4 43 8 4 1 61 5 1 27 6 8 83 0 4 8 1 5 3 6 46 1 2 03 0 7 2 2 5 m h z1 31 2 81 6 8 96 6 43 6 01 9 2 3 27 4 43 8 4 1 615 1 27 6 8 83 0 4 81 5 3 6 46 1 2 03 0 7 2 2 1 2 2 6 46 1 44 表2 2c d m a 2 0 0 0 扩频因子和数据速率 在c d m a 2 0 0 0 中，分配给移动台的s c h 数据速率可以像i s 9 5 b 中一样，通 过详细的s c a m 消息通知移动台。另外，c d m a 2 0 0 0 中的前向链路中，还使用了 盲速率检测。即，移动台接收机可以假设接收到的帧的格式是一组帧格式中的一 种，尝试对接收到的帧进行解码。而基站可以使用这组帧格式中的任意一个进行 传输，且不需向移动台发送s c a m 。 c d m a2 0 0 0 的物理信道中采用一个扩频增益可调的s c h 来代替i s 9 5 b 中的 多个码字信道。c d m a 2 0 0 0 中的补充码字信道采用了可变扩频因子。其中最低的 扩频因子有两个，在1 2 5 m h z 的带宽中可使峰值速率为3 0 7 2 k b s ，在5 m h z 的 带宽中可使峰值速率达到6 1 4 4 k b s 。表2 2 中列出了速率，扩频因子和帧长度的 对应关系。图2 1 给出带宽为1 2 5 m h z 的c d m a 2 0 0 0 系统的信道结构。 南京邮电学院硕士毕业论文 笙三童丕垡坌望塑塑些墨! 堕旦重堕垫查一 c d m a2 0 0 0 物理信道的其他改进措施包括t u r b o 编码，用于相关性检测的反 向链路导频，快速前向链路功率控制等等a 2 2 3 宽带c d m a ( w c d m a ) 欧洲和日本提出的w c d m a 标准，其物理层的一系列增强技术与c d m a 2 0 0 0 类似。w c d m a 通过可变扩频和对1 3 码率的信道编码进行码删余，可在5 m h z 的带宽内实现2 0 4 8 m b s 的数据速率。w c d m a 还利用码率匹配，即使用重复或 者删余将编码比特速率与物理信道的一组速率相匹配，来实现连续的数据速率。 m a c 层的活动有两种模式：连接或者空闲。终端开机之后，处于空闲模式。 r r c ( 无线资源控制) 连接建立后，进入连接模式。连接模式状态定义为优化分 组数据的操作。若终端处于激活的数据传输模式，则其状态为信道己分配。若终 端不再处于激活的数据传输模式，则其状态转变为只保留一般的控制信道。在这 样的状态下，移动终端监听广播和寻呼信道，并在移动到其他小区的时候向网络 报告其位置更新信息。 扩频因子重复速率峰值数据速率 6 42 31 2 2 1 61 96 4 891 4 4 41 73 8 4 46 5 92 0 4 8 表2 3w c d m a 中扩频因子和数据速率对应不例 ( 负的重复码率表示码删余) 对于每种组合业务( 如，语音+ 信令，数据+ 信令或者语音+ 数据+ 信令) ， 用户都分配有一个传输格式组合集( t f c s ) 。每一个物理层帧的结构都从这个集 合中选择，并通过传输格式组合指针( t f c i ) 来通知接收机。若业务结构改变， t f c s 可随之重新配置。 w c d m a 标准当中还包括一些选项，用于网络从移动台处获得各种测量报 告。网络可以根据这些测量报告进行资源分配和切换。测量报告的具体内容包括 导频强度测量报告，比特和块错误率，路径损耗和s i n r 测量报告等。w c d m a 标准当中还有一些测量报告，可报告一些准则和事件。网络使用这种测量报告控 南京邮电学院硕士毕业论文 第二章无线分组数据业务中的自适应技术 制信息，来通知移动台在测量报告中应该报告哪种事件。 2 2 4c d m a 系统中的突发分配和管理 c d m a 系统中的分组数据业务，其数据速率的调整需要动态带宽管理和突 发分配。这些共享的资源就是空中接口提供的全部容量。通过在前向链路限制发 射功率，和在反向链路控制所有的接收功率，就可以控制这些共享资源。移动台 的发射接收速率越高，就要占用越多的资源。突发级别的许可控制是以当前系 统负荷以及满足用户请求的速率所需占用的空中接口资源的估计为基础的。空中 接口资源的请求可从导频强度测量报告和基站处的测量报告取得。突发模式的资 源管理可以使得系统能够适应分组数据业务。以负荷和干扰为基础的突发管理在 文献 2 ， 3 中有详细的介绍。 i s 9 5 一b 和c d m a 2 0 0 0 中，基本信道的传输不需要突发许可，而高速补充信道 则可根据用户的需求、系统负荷以及干扰来调整。w c d m a 中，则为移动台安 排了一个速率集合( t f c s ) ，每一帧的实际速率可根据t f c i 从这个集合当中选 择。 2 2 5 码字组合实现的高速数据速率 用户在合适的s i n r s 情况下，或者用户所请求的业务需要多媒体业务的q o s 情况下，码字组合可以为用户提供很高的数据速率。反过来，系统所提供的带宽 也可以为多个用户利用不同的码字同时使用。c d m a 中高速数据速率的迸一步 提高，可能就要利用更高的调制速率来实现，这跟后面所要讨论的t d m a 系统 有些类似。然而，这样的系统，扩频增益小，调制速率高，s i n r 低，因此其符 号间干扰( i s i ) 将会变得十分严重。 2 3 t d m a 中的分组数据：g p r s 1 3 6 ，g p r s ，和e g p r s 在g s m 和i s 一1 3 6 t d m a 系统中，主要是g p r s 和g p r s 1 3 6 中定义了分组 数据业务。为经济和便于向3 g 演进起见，i s 一1 3 6 中分组数据协议栈的上层( 第 三层以上) 与g s mg p r s 相同。g p r s 一1 3 6 即t d m a 中的分组数据标准，它以 南京邮电学院硕士毕业论文 笙三童垂垡坌塑墼塑些堑! 塑旦垩堕垫查一 g p r s 为基础，但其物理层带宽为3 0 k h z ，并且允许与a n s i 一4 1 网络相连接。 g p r s 1 3 6 采用了g p r s 参考模型当中很多现有的网元。它增加了一个网关移动 交换中心( m s c ) 访问位置寄存器( v l r ) ，使得g p r s 分组数据网络可以与基 于a n s i 4 1 移动电路交换网络连接【4 】。 g s m 演进的增强数据速率( e d g e ) 标准是为了t d m a 系统向第三代演进 而提出的。增强电路交换数据( e c s d ) 和e g p r s 是e d g e 的两个部分，它们 分别定义了电路模式数据和分组模式数据的增强方案。 使用自适应编码，自适应调制和增量冗余等可获得可变的数据速率。这些概 念的早在数十年前就已经提出，但目前才提出将其应用于系统当中。速率自适应 非常适合于分组数据，不过在实际应用中，链路层的设计仍需要一些改进。 2 3 1g p r s 1 3 6 g p r s 1 3 6 采用自适应调制和增量冗余来提高流量。在增量冗余的情况下， 每个r l p 段都编码为d 数据块和d 奇偶校验块。例如，如果使用一个码率为1 2 的非系统化卷积码，其中一个发生器的输出就映射到d 数据块，而另外一个发 生器的输出映射到d 奇偶校验块。最先发送的是d 数据块，作为第一次发送的 编码率单位。奇偶校验块的发送，是为了取得下列编码率：d ( d + i ) ，1 2 。这 样，增量冗余就会使得有效编码率与信道s i n r 相匹配。g p r s 1 3 6 标准中定义 方向r l p 段c r cr l p 块调制每个c d s hp d u峰值三 长度长度长度p d u 中长度长度时隙吞 ( o c t e t s )( b i t s ) ( b i t s )r l p 块( b i t s ) ( b i t s ) 吐量 数( k b s ) 下行3 71 61 0 4 24 82 5 62 9 6 - 4 一d q p s k 8 一p s k33 63 4 84 4 4 上行3 8 1 41 0 625 02 6 22 9 7 4 4 一d q p s k 8 一p s k33 9 3 5 74 5 6 上行3 0 1 58 54 82 1 82 4 - 4 一d q p s k2 ( 简化) 甚一p s k3 6 3 2 73 6 3 表2 4g p r s 1 3 6 数据速率：增量冗余模式 南京邮电学院硕士毕业论文 1 0 兰三兰垂堡坌望塑塑些墨! 堕! 鎏宴茎查一 了d ；3 的增量冗余，而e g p r s 则定义了d = i 的增量冗余。当d = 1 的时候，第 一次传输没有进行编码，因此第一次的冗余传输会使得编码率变为1 2 a 在增量冗余的情况下，接收到的数据和奇偶校验必须与之前接收到的数据和 奇偶校验一起解码，才能成功解码。这样，包含了序列号码的标题段就必须单独 编码，接收器需首先对标题段进行解码，以决定如何将这些接收到的块组合起来， 便于将这些数据段正确解码。 g p r s 1 3 6 还定义了一种卷积固定编码模式。这种模式不需要编码标题段， 标题段和数据使用同样的卷积编码一同编码【4 】。 g p r s 1 3 6 中的自适应调制，其调制是作为s i n r 的一个功能，在4 一，8 - 和 1 6 一间切换的。但目前只有石4 差分正交相移键控( d q p s k ) 和相干8 - p s k 已 经标准化，1 6 级调制正在标准化当中。调制对应于每符号2 ，3 或者4 比特。为 在每帧当中固定的符号数里实现这样的目标，需将2 ，3 或者4 个r l p 段或者 r l p 数据倚偶校验块映射到t d m a 时隙当中去。 表2 4 和2 5 列出在3 0 k h z 信道下，三时隙组合( t h r e e s l o ta g g r e g a t i o n ) 所 获得的峰值速率。可以看出，增量冗余与码率为5 6 的固定编码模式相比，可将 流量提高约1 1 。 方向调制r l p 块数p d u 长度码率1 2 置换峰值= 时阻 ( b i t s )卷积编码器p c h 吞吐量 输出( b i t s )( k b s ) 下行 22 0 52 5 62 6 4 a | 4 一d q p s k 黾一p s k 32 9 33 4 83 9 6 上行22 0 52 6 22 6 4 a | 一d q p s k 8 一p s k32 9 33 5 7 3 9 6 上行( 简化) 21 7 32 1 82 1 6 | 4 一d q p s k g p s k 32 4 52 9 13 2 4 表2 5g p r s - - 1 3 6 数据速率一固定编码模式 以下为g p r s 1 3 6 标准的一些特征： 增量冗余 信道质量反馈包含于从接收器处获得的2 比特调制报告，该报告的内容是发 射器在当前的s i n r 情况下所采用的最高调制方式。c q f 域是在分组信道反 南京邮电学院硕士毕业论文1 i 兰三童蒌垡坌丝墼塑些墨! 盟重壁垫垄一 馈( p c f ) 中定义的，对应于反向上行链路。a r q 状态( a r q 位图反馈) 中也同样包括c q f ，用于上行和下行链路e 数据速率( 调制格式) 是通过在每个物理层帧当中采用编码2 - 比特数字域类 型( d f t ) 域来通知接收器的。这样就可以根据路径损耗和衰落的缓慢变化 来在时隙当中切换调制方式。 2 3 2g p r s g p r s 使用g m s k ( 高斯最小频移键控) 调制的自适应编码，没有增量冗余。 因此，标题段和数据将在一起编码。g p r s 中共定义了四种不同的无线链路控制 ( r l c ) 块的长度，每种都对应于一种编码率( 表2 6 ) 。发送r l c 块时，其编 码率必须与块最初发送时的编码率相同 5 ，g p r s 中没有定义段重组和分组重 组，因此，信道恶化时，其接收端的解码可能会失败。而且，由于r l p 块长度 的不同，g p r s 的速率自适应灵活度相比与g p r s 1 3 6 较差。与g p r s 一1 3 6 相同， g p r s 中也采用多时隙的组合应用来获得较高的速率。数据速率和格式通过单独 编码的“s t e a l i n gb i t s ”来通知接收器。信道质量反馈则是由a r q 状态反馈消息 中的测量报告提供。 2 3 3e g p r s 方案峰值速率r l c 块长度编码率 ( k b l s )( b i t s ) c s - 42 0 o4 0 01 c s 一31 4 42 8 83 4 c s - 21 2 02 4 02 3 c s 一18 o1 6 01 2 表2 6g p r s 中的峰值速率和r l c 块长度 e g p r s 中，共定义了9 种调制和编码方案( m c s s ) ，m c s - 1 ，m c s 2 ，m c s 9 ， g m s k 调制方式有四种编码率，8 - p s k 调制方式有5 种编码率。m c s 9 是无编 码8 - p s k 6 。8 - p s k 方案中，m c s - 8 的编码压缩率较小( 编码率为o 9 2 ) 。在存 在相位噪声，功率放大器的非线性失真，和相关信道干扰的情况下，m c s 8 ( 编 南京邮电学院硕士毕业论文 第二章无线分组数据业务中的自适应技术 码率为0 9 2 ) 优于m c s 一9 。不过，当射频( r f ) 硬件某些地方改进后，m c s 一9 就可以提供最高的峰值速率。 共有三种r l c 块长度为这九种调制和编码格式定义，如图2 2 所示。根据 链接质量，给一个r l c 块选择一个初始m c s 。重发时，就有可能选择同样的 m c s ，或者从同一族中选择其他的m c s 。例如，m c s 9 载有两个长度为7 4 字 节的r l c 块。如果s i n r 恶化，这两个r l c 块有可能会采用m c s 一6 ( 8 一p s k 编 码率1 2 ) 。若需要传统的编码，这7 4 字节的r l c 还可以进一步分拆为两个3 7 字节的子块，每个子块都可以使用m c s 3 发送( 编码率为4 5 的g m s k ) 。标题 段也应该指出这是一个7 4 字节r l c 段的子块，而不是使用3 7 字节块的一次新 的发送。这样，e g p r s 就为块和块之间的速率调整提供了很高的灵活性。 e g p r s 依赖接收器缓存，可以在纯链路调熬和增量冗余之间无缝转换。数 据块最初是采用1 3 码率的卷积码来编码的。在m c s 的操作中，一个块的初始 南京邮电学院硕士毕业论文 苎三兰歪些坌塑垫塑些墨! 塑i 重生垫查 传输包括对编码率为1 3 的编码数据使用删余方案p 1 ( 对所选择的m c s ) 所取 得的比特。当接收到r l c 块的否定应答( n e g t i v ea c k n o w l e d g m e n t ) ，就发送附加 的编码比特( 例如，对所选择的m c s ，使用删余方案p 2 对编码率为1 3 的编码 数据进行删余后的数据结果) 。若编码数据块的所有删余方案都发送过，那么就 再次从p 1 开始循环。如果接收器没有足够的缓存来进行增量冗余操作，那就可 以利用对应于p l ，p 2 或者p 3 的信息来进行解码。对于增量冗余操作，接收器 必须要有足够的缓存，以便存储那些对应于还没解码成功的r l c 块的信息。接 收器每次接收到附加编码比特，就会尝试将这冗余信息和之前存储的信息( 对应 于同r l c 块) 一起解码。 根据 7 ，每种删余方案都要设计的尽量不同，以使得增量冗余有更好的性 能。另外，在纯链路调整中要得到更好的性能，那么删余方案的设计要保证每种 方案( p 1 ，p 2 ，p 3 ) 有着相类似的差错性能。 方案调制每时隙最编码率标题段编每2 0 m s 的族 大速率码率块数 ( k b s ) m c s - 9毽一p s k5 921 00 3 52a m c s 85 4 509 20 3 52a m c s - 74 4 80 7 20 3 52b m c s 62 9 60 4 91 31a m c s - 52 2 40 3 71 31b m c s - 4g m s k1 7 6101 21c m c s 31 4 8o 8 01 2la m c s 21 1 20 6 6l 21b m c s - l8 8o 5 31 ，2lc 表2 7e g p r s 调制和编码方案，以及峰值数据速率 增量冗余中要求标题段单独编码。标题段部分的编码率很高，以便接收器能 够在传输当中确认该块的属性。链路调整和增量冗余当中采用的标题段和传输格 式是相同的。标题段的格式共定义了三种，其格式信息是包含在每个g s m 脉冲 串( b u r s t ) 中的“s t e a l i n gb i t s ”。标题段中包含了编码方案，数据格式和一个或 者两个块的序列号。测量报告则包含在a r q 状态反馈当中。 表2 7 列出了e g p r s 的编码率，调制方案和峰值速率。 南京邮电学院硕士毕业论文 第二章无线分组数据业务中的自适应技术 2 3 4 分组数据的重激活 分组数据连接的建立和初始化中有一项步骤称为分组数据登记。分组数据登 记是无线分组数据服务器在初始分组业务协商中建立的。空中接口资源只在激活 数据传输状态下分配，而在一段时间的闲置后拆除。文献 1 中的分组连接建立 的标准过程给出了在数据需要传输时，如何快速分配空中接口资源和重新初始化 r l p 。另外，根据s i n r 的情况，可利用信道质量反馈来调整数据速率。 2 4 本章小结 在所有主要的蜂窝系统标准当中，都定义了速率自适应技术以便获得更高的 数据速率，并定义了信道质量反馈机制来实施速率自适应。但是如何获得更快更 准确的信道质量反馈测量报告，以及如何实现快速速率自适应( 基于符号) 还需 进一步研究。 南京邮电学院硕士毕业论文 第三章基于符号的速率自适应无线通信系统结构 3 1 概述 本章阐述的基于符号( s b ) 的动态扩频增益控制( d s g c ) 环是针对多用户 c d m a 无线系统提出的，相比于目前的一些d s g c 设计，其主要优点有以下两 个： 可以非常快速的反馈信道状态信息， 可在任意时刻灵活的调整扩频增益，以便在时变信道中保持误符号率( s e r ) 和误比特率( b e r ) 的精确性。 通过这两方面的改善，弥补了现有的速率自适应方案的缺陷，例如，速率调整不 能够在一个帧内的符号间进行，无法快速的获得信道质量反馈信息等。这样，就 可以在c d m a 无线系统当中实现快速速率自适应。 3 2 系统描述 首先定义并解释一些本章当中常用的一些术语。按照惯例，“前向信道”仍 指载有基站向移动台信息的信道，“反向信道”则指载有移动台向基站信息的信 道。扩频增益( s g ) 指一个符号所占用的码片数。扩频增益改变后保持不变的 一段时间间隔，称为“更新时间( u p d m i n g i n t e r v m ) ”，本章中使用l 表示。提高 扩频增益以后，符号的持续间隔增加，如果信号功率保持不变的话，则每个符号 的总功率也会增加。所以，该符号所载的信息，可以在相同的s e r 情况下通过 衰减更严重或者加性白噪声( a w o n ) 更多的信道而被正常接收。“信号由码 字x 扩频”，即与相应的码字时间函数x ( t ) 相乘。最后，本章使用“用户”表 示来自上层用户的信息，使用“链路测量报告”表示用于管理链路正常操作的信 息。链路测量报告数据包括用于符号扩频增益( s g ) 的控制信息。根据传统的标 记法，这些都被称为速率通知( r i ) 消息。另外，基站处所需的信道状况信息， 叫做信道状态信息( c s i ) 。 本章中采用第三代c d m a 系统为框架来阐述d s g c 的操作。在3 gc d m a 系统中， 南京邮电学院硕士毕业论文1 6 第三章基于符号的速率自适应无线通信系统的结构 将不同的伪随机( p n ) 序列分配给站台不同的发射天线。前向( 下行) 链路使用 p n 序列的目的是降低不同小区内用户间的多用户干扰。事实上，p n 序列为站台 不同的发射器创建了几个信号空间。在每个信号空间中，信道化编码用于从不同 的用户或者事务源分离信息，例如测量报告，语音，文本和多媒体源数据等。本 章中，信道化编码是从正交可变扩频因子( o v s f ) 码字 8 中生成的，属于修正 了的h a d a m a r d w a ls h 序列。 垂站 第i 个移动台 圈3 1 a 基于帧i j 勺d s g c 为了便于描述，首先提供目前基于帧( f s ) 的d s g c 和基于符号( s b ) 的d s g c 的系统框图，如图3 1 a 和图3 1 b 。图中，f 表示用于前向信道的p n 码，。 表示用于第个i 反向信道的p n 码。前向信道中，来自不同用户的符号由不同的信 道化编码扩频；例如，发送至第f 个用户的符号由c p 。扩频。然后，载有这些扩 频的符号的信号组合到一起。再用p n 序列c p ，将这个组合信号扩频。该p n 序 列称为“扰码”，其目的是区分不同小区或者不同扇区内的移动台。经过扰码的 信号之后通过不同的前向时变信道到达不同的移动接收器。 南京邮电学院硕士毕业论文1 7 兰三兰茎王笪量塑望垩旦堕堡垂堡望笪墨竺盟苎塑一 基站 图3 1 b 基于符号的d s g c ( s b d s g c ) 第i 个移动台 在反向链路，来自不同移动台的信号由每个移动台使用不同的扰码来区分。 第i 个移动台在反向时变信道发送时使用p n 码。作为其扰码。每个移动台的 信道化编码的分配不需要在移动台之间协调，因为它们的信号可以由扰码区分。 图3 1 a 和图3 1 b 只给出了o s g c 系统的主要功能模块，和基站与第i 个移动 台之间的链路，以便简化描述。这些功能模块包括： 1 检测扩频增益 2 通知扩频增益的使用 3 估计和预测信道条件 4 通知发射器由移动台估计的信道状态 若发射器端只有l 和2 工作，则相应的d s g c 就成为“开环”，这样就不需从对 等接收器处接收反馈消息。本章的重点是“闭环”d s g c 系统。这样，对等站台 处就对信道条件( c s i ) 进行估计，并反馈给本地站点。 无论是哪种d s g c 系统中，用户数据