空中接口演进分析.doc

cdma2000 1x EV-DO 空中接口演进分析马春1，桑林21北京邮电大学通信与信息系统，北京（100876）2北京邮电大学通信与信息系统，北京（100876）详细地址：北京市海淀区西土城路10号北京邮电大学93号信箱（100876）摘 要：随着无线通信技术的不断进步，各种移动通信标准也得到了快速的发展。本文首先介绍了cdma2000 1x EV-DO系统空中接口演进的历程，然后详细分析了AIE两个阶段相关标准的特点和关键技术，第一阶段代表标准EV-DO Rev.B和第二阶段标准UMB，并重点阐述了UMB系统物理层超帧结构。关键词：cdma2000 1x, EV-DO Rev.B, UMB, AIE中图分类号: TN92 文献标识码A1. 引言随着移动宽带通信技术的飞速发展，用户对移动宽带业务的需求也在不断的提高，移动宽带化与宽带移动化这两股力量正在移动通信领域迅速发展，这使得多种标准共存的移动通信市场中竞争更加激烈。目前3G主流标准有CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA、WIMAX这四种，标准化组织3GPP和3GPP2分别针对WCDMA和CDMA2000系列标准启动了更强大的演进方案, 不但增强了原有版本的性能，而且进一步提高了数据速率，改进了用户体验。2. cdma2000 1x EV-DO标准演进历程cdma2000空中接口演进版本1x EV-DO是通信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。其标准化工作由3GPP2在2000年9月完成，并颁布为C.S0024系列标准。在2001年6月的国际电联会议上，cdma2000 1x EV-DO被正式批准成为IMT-2000标准的一部分。cdma2000 1x EV-DO是cdma2000 1x的增强型技术，采用了向下兼容性的设计。目前，1x EV-DO系列标准有几个演进的版本：3GPP2 C.S0024-0版本、C.S0024-A版本、C.S0024-B版本和UMB版本。图1 给出了CDMA2000 1x EV-DO系列标准的演进过程。图1 cdma2000 1x EV-DO系列标准的演进路线Fig.1. Evolution Routes of cdma2000 1x EV-DO Series Standards标准化组织3GPP2启动了针对cdma2000系列标准的空中接口演进（AIE, Air Interface Evolution）方案，并将其演进划分为两个阶段。第一阶段，引入多载波以及其它关键技术，提高前反向峰值速率，与此有关的标准制定工作已完成。第二阶段，使用更宽的系统带宽，同时采用OFDM、MIMO等关键技术，进一步提高频谱利用率和峰值速率，降低时延，增强系统性能。这个版本的标准通常称为EV-DO Rev.C版本，其正式的名称是超移动宽带（UMB，Ultra Mobile Broadband），3GPP2于2007年4月份发布了UMB标准的1.0版本，并于同年9月24日正式发布了2.0版本。3. 第一阶段EV-DO Rev.B标准cdma2000标准AIE第一阶段主要立足于对市场的需求、保持后向兼容性、减少系统升级对硬件的影响等方面进行设计。这一阶段的标准代表是cdma2000 1x EV-DO Rev.B，它是在EV-DO Rev.A基础上的多载波扩展和增强。基于Rev.B系统，基站与终端之间可以在前反向多个载波上同时传输数据，从而获得更高的峰值传输速率和系统吞吐量。EV-DO Rev.B系统的突出特点是采用了多载波的设计，载波数为115个，可以支持从1.25MHz（单载波）到20MHz（15个载波）的各种载波配置，灵活的匹配不同频率的分配。在Rev.0版本和Rev.A版本中可支持的前向峰值速率分别为2.4Mbps和3.1Mbps，而在Rev.B版本中则可支持高达73.5Mbps的前向峰值速率（使用15个1.25MHz 载波）。此外，由于多个载波的引入，在时域和频域均可以获得多用户分集增益，系统每扇区数据吞吐量随着载波数目的引入将获得额外的提升。EV-DO Rev.B中引入了更多的数据传输速率和数据包选择格式，使系统可以更灵活的进行调度，在前向链路还增加了64-QAM调制方式和新的传输包格式，允许包扩展（packet extension），这使得前向链路数据能力得以提升。在单载波（1.25MHz）上系统峰值速率达到4.9Mbps ，在三载波（5MHz）和15载波（20MHz）上系统前向峰值速率可达到14.7 Mbps和73.5 Mbps 。此外，EV-DO Rev.B还引入了非对称传输模式，支持前反向采用非对称载波数目进行数据传输。在该版本中，还应用了优化调度、速率控制、自适应调制等技术，这使得每一扇区的数据吞吐量显著提高并为多媒体业务提供了多种数据选择。并且随着增量传送、灵活的分组长度结合、HARQ和更高阶调制等技术在反向链路的应用，反向链路的峰值速率也得到了很大的飞跃。除此之外，系统在QoS支持方面也进行了优化，使用了灵活有效的QoS控制机制，降低系统的接入时延、传输时延和切换时延。另外，在Rev.B中还支持VoIP及VoIP和数据的并发业务，能够同时支持实时和非实时等业务要求。基于以上特性，EV-DO Rev.B将实现更高的频谱利用率，同时支持灵活的前反向载波配置，这便于使用不同的频段对EV-DO系统进行扩展。其中，系统扩展可以采用不同的部署方式，如热点覆盖等，在提高系统稳定性的同时，也提高了系统的数据吞吐能力。4. 第二阶段UMB标准4.1 UMB系统特点与关键技术UMB是cdma2000系列标准中最新的演进升级版本，它是一种专门针对无线移动环境和实时应用而优化的移动无线宽带标准。该系统继承了EV-DO系统的自适应编码调制、HARQ以及QoS控制机制，引入了处于世界领先地位的正交频分多址接入（OFDMA）技术，并结合多路输入输出（MIMO）、空分多址（SDMA）和波束形成（Beamforming）等多天线技术，使得网络具有先进的移动宽带服务和引人注目的用户体验。UMB系统可以在1.25MHz和20MHz带宽之间以约150kHz的频率增量灵活部署，因此，能够为网络带来更大的升级空间和灵活的部署能力，同时增大了带宽和频段的选择范围。该系统能够在移动的环境下提供高速的数据传输，当系统基于20MHz传输带宽时，前向和反向的峰值速率分别可以达到288 Mbps 和 75 Mbps，并且平均时延低于16ms。UMB还可支持任何环境中的语音和宽带数据业务，支持全移动场景（速度大于300km/h），这使得系统的数据容量得以提升。另外，UMB空中接口设计通过先进的调制方式、高效的资源分配方式等支持VoIP容量的增强，有研究表明5，在带宽为5MHz的移动环境中，可支持320个VoIP用户使用语音服务同时支持前向链路的数据吞吐量达2.26 Mbps，而当带宽为20MHz时，可支持1000个VoIP用户使用语音服务且数据吞吐量不会降低。除此之外，UMB还增强了对系统网络的覆盖和各类QoS服务，支持多媒体高速组播及网络间的无缝切换。此外，UMB在编码调制技术上也有很多新的亮点。编码中引入了一种称为tail-biting的卷积码，在部分信道中还采用了比Turbo码性能更好的低密度奇偶校验码（LDPC），进一步提高了编译码效率。在调制时引用了高级的分层调制方式，而前向链路部分信道除支持传统的OFDM外，还支持旋转的OFDM数据传输。因此，作为下一代移动宽带通信网络的标准之一，UMB能够使数据传输速率达到比目前的商用系统更高的数量级，为用户带来先进的移动宽带服务，如在提供低速、低时延的语音服务的同时有效的提供超高速、非时延敏感的宽带数据通信业务。此外，UMB支持与现有cdma2000 1x 和1x EV-DO系统之间进行跨系统间的无缝切换，支持融合接入网的部署，还可以提供无缝漫游的广域覆盖或者热点地区的部分覆盖。4.2 物理层超帧简介UMB空中接口协议可以分为四个子层，从上至下分别为应用层、无线链路层、MAC层和物理层1。其中，MAC层和物理层结合紧密、合理优化，使得系统能具有高的频谱效率和低的延迟。在UMB物理层的数据传输中，是以超帧（superframe）为基本传输单元，这是UMB协议中新提出的概念。在前向链路和反向链路中，超帧的构成是不同的。在全双工模式下，前向链路的一个超帧是由一个超帧前导（superframe preamble）和25个前向物理帧（PHY frames）组成的，其中每个物理帧由024编号标识，且由8个OFDM符号构成。超帧前导用于接入终端对系统信息的捕获，而物理帧用于传输数据业务。在全双工反向链路中，一个超帧仅由25个反向物理帧构成，无超帧前导，为了保持前反向链路的超帧在传输时间上是对齐的，则在设计时将反向的第一个物理帧的长度取为前向中超帧前导和第一个物理帧的长度之和，由16个OFDM符号构成，其它的反向物理帧均由8个OFDM符号构成4。超帧的构成在全双工和半双工模式下有所不同。在全双工模式下，物理帧之间是紧凑相连的，而在半双工模式下，任意两个物理帧之间都加入了保护间隔（Tg=78.13s）。半双工模式下的前向链路只是加入保护间隔，而反向链路中除加入保护间隔外，第一个物理帧只包含8个OFDM符号，时间上与前向超帧中编号为0的物理帧对齐，对应于前向超帧前导的部分在反向不传输信息2。图2给出了全双工模式下前向和反向链路中超帧的结构图。图3给出了半双工模式下前向和反向链路中超帧的结构图。图2 全双工模式下前向和反向链路中超帧的结构图Fig.2. Forward and Reverse Link Superframe Structure under Full-duplex Mode图3 半双工模式下前向和反向链路中超帧的结构图Fig.3. Forward and Reverse Link Superframe Structure under Half-duplex Mode5. 结束语cdma2000系统的发展经历了很多阶段，期间受到了很多因素的影响，各种先进技术的快速发展推进了其演进历程，增强了其性能。同时，其它3G技术标准的发展态势等也给cdma2000带来巨大的压力。对于cdma2000 空中接口演进第二阶段UMB系统，它集成了OFDMA、CDMA、MIMO的空中接口技术和高级天线技术，并将上述各种技术及其它先进的无线接入技术整合并优化，使系统可以支持更高的速度、更大的容量和覆盖面积、增强的移动用户体验等特性。事实上，UMB还有很广阔的发展空间，很多先进的技术还没有充分发挥它们的优势，比如当前UMB系统前反向吞吐量不同的一个重要原因是反向链路不支持MIMO技术，若这些技术目标得以完全实现，那么系统的性能又将大大的提升。参考文献13GPP2 C.S0084-000-0 v2.0 Overview for Ultra Mobile Broadband (UMB) Air Interface SpecificationS23GPP2 C.S0084-001-0 v2.0 Physical Layer for Ultra Mobile Broadband (UMB) Air Interface SpecificationS3Rashid Attar et al. Evolution of cdma2000 Cellular Networks : Multicarrier EV-DOJ. IEEE Communications Magazine. March. 20064高月红等. 超移动宽带UMB系统简介J. 移动通信.2008.5Sean McBeath,Jack Smith et al. VoIP Support Using Group Resource Allocation Based on the UMB SystemJ. IEEE Communications Magazine. January. 2008Air Interface Evolution of cdma2000 1x EV-DO SystemChun Ma1, Lin Sang21P.O.BOX 93, Beijing Univ. of Posts & Telecommunications No.10 Xitucheng Road, Haidian District, Beijing (100876)2P.O.BOX 93, Beijing Univ. of Posts & Telecommunications No.10 Xitucheng Road, Haidian District, Beijing (100876)AbstractWith the improvement of wireless communication technology, the 3G mobile technology standard has gotten a rapid development. This article firstly introduces the Air Interface Evolution(AIE) course of cdma2000 1x EV-DO system and then analyses the characteristics and key technologies of AIE two phases standards-EV-DO Rev.B and UMB