HDR在移動通信中的技術實現

2019-11-03 09:37:40

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張鳳霞　益曉新　解放軍理工大學　　摘要：本文闡述了移動通令目前面臨的困難，介紹了HDR的技術優勢，深入研究了與CDMA兼容的HDR系統實現方法和技術內核，并給出了一些具體條件下的性能仿真曲線，最后得出了結論。

　　關鍵詞：高速數據傳輸；碼分多址；IS-95

　　1 前言

　　隨著無線電話技術的發展，其覆蓋范圍越來越大，因此對數據服務的需求也越來越高。自去年底，美國高通公司開發的HDR（高速數據傳輸）已正式登場，這種被稱作HDR的移動通信新技術成本低、功能強，適用于種種固定和移動通信設備，支持互聯網通信協議，用于移動通信時傳輸率可高達2.4Mbps，能與現在的IS-95及未來的CDMA2000兼容。并且1xHDR能夠利用最小的網絡和頻譜資源實現上述性能，提供了一種很高的頻譜利用技術，它是一種無線互聯網可用的技術，具有高速率、高容量、低功耗等優點，可以隨時隨地的接入因特網。

　　2　移動通信面臨的技術挑戰

　　數字蜂窩技術中一個較大的進步就是CDMA（碼分多址）無線系統的發展和標準化，但是，移動通信還是面臨著巨大的技術挑戰。最初比較普遍的一種觀點是：CDMA反向鏈路中由于一個基站有多個接入用戶，各用戶之間存在著干擾，因此反向鏈路可能是容量受限的方向（瓶頸）。事實證明這種觀點是不正確的，前向鏈路才是“瓶頸”，原因有以下三個：

　?。?）對反向鏈路上的干擾運用大數定律，由此可得由多個低功率發射機造成的干擾累加以后趨于平穩。而前向鏈路的干擾來自其他幾個大功率基站，這樣對六邊形（假設的蜂窩形狀）頂點的用戶來說，到發射基站和其他兩個干擾基站的距離相同，因此，存在著嚴重的干擾。對于這種情況可用軟切換來減少干擾。

　　（2）軟切換技術本身雖然可以增加容量，但是它在減少干擾的同時，由于在新增加的基站中要有另外的CDMA載波，因此前向鏈路的容量總的來說還是減少了。即在軟切換區域，前向鏈路的容量會或多或少的有所下降。

　?。?）在反向鏈路中，多個用戶的功率控制是快速準確的，而在前向鏈路中，功率控制要慢得多，這會造成容量下降。

　　上述的第（2）和（3）點對容量的限制已經在CDMA1的修正版本（IS-95-B和CDMA2000）中得到克服，即已經實現了快速功率控制并消除了軟切換區域，但是還不能克服第一點對容量的限制。

　　3 HDR中的技術方法

　　所有的通信系統，不管是有線系統還是無線系統，結合基于以下三種原理基礎上的技術，其性能都會有很大的提高。

　?。?）信道測量；

　?。?）信道控制；

　?。?）干擾抑制和減少。

　　在HDR中我們采用的技術方法是完全結合上述三種原理。首先在接收來自每一接入點（或基站）的共用導頻的基礎上，每個接入終端（用戶終端）能夠測量出信號對噪聲和干擾之和的比值（SNR）。前向鏈路支持的數據速率正比于用戶接收到的SNR,而SNR是連續變化的，對移動用戶更是如此，SNR或相應的它所能支持的數據速率值就是這樣通過其反向信道發送到基站的。事實上，通常有兩個或更多的基站同時被跟蹤，用戶就必須找出接收的最大SNR，并判斷出是從哪一個基站接收到的，這需要不停的重復跟蹤測量（可能是每個時隙重復一次），下行鏈路信道就是這樣邊被測量邊被控制的。而且通過根據SNR選擇出最佳基站可以減少其他基站的干擾。另外，由于數據比話音允許更長的時延，一些能夠帶來更大時延的糾錯編碼技術，尤其是turbo碼，可以在低Eo/No、低SNR和高干擾電平的情況下采用。

　　對于不同的SNR用戶，提高吞吐量需要采用不同的時延。假設根據用戶的SNR值及相應的瞬時速率，我們可以把用戶分成N級，這樣第n級用戶以Rnbit/s的速率接收，假設第n級用戶數據包出現的概率是Pn，其中n=1，2,……,N。假設每個用戶一次接收一個時隙的數據，這樣接收的平均速率，我們稱之為吞吐量，可以用下式表示：

這就意味著低數據速率的用戶將有按比例更長的時延，時延Lm反比于用戶數據速率Rno。

　　另一方面，假設我們要求所有的用戶有相同的時延，而不考慮它們各自所支持的Rn。當每個級別的用戶被服務時，將會分配給它反比于其數據速率的時隙數，令Fn表示第n級用戶被分配時隙數，Fn=kRn，K為常數。在這種情況下（假設總的比特數k很大，可以忽略邊緣效應），吞吐量可以表示為：

　　可以證明，對時延比為L_max/L_min的N級用戶的情況，最大吞吐量（定義為C）為：

　　式中R1n,n_o是使得n≤n_o時所有的R_n≤C,n≥N_o時所有的R_n>C的級別。

　　根據最大準則，可得出每個用戶時延或者是L_max（對R_nmin（R_n>C用戶）。

　　4　CDMA/HDR的實現

　　在第三部分，我們已經討論了用無線系統中優化分組數據傳輸的關鍵因素和參數的設計。下面我們將廠家CDMA/HDR系統實現中的一些關鍵技術。

　　由于HDR提供的服務具有極大的非對稱性，因此我們將重點考慮下行鏈路的情況。在IS-95的下行鏈路中，多個低速率信復用在一起（傳輸時在編碼域中保持正交），并共享以某種形式進行功率控制的可用基站的發射功率，這對多個低速率信道共用同一帶寬時，這種方法就不再是最佳。當低速率話音和高速率數據共用同一帶寬時，由于它們的需求有很大的差異，這種方法的有效性會進一步降低。而且如果用戶的數據速率相應的提高時，增加傳輸帶寬是沒有用的。

　　因此首要的設計選擇就是把兩種服務分開，即為低速率數據（話音）和高速率數據服務分配相鄰而不重疊的頻譜。就是用IS-95RF（射頻）載波傳輸話音，用HDR RF載波傳輸高速率分組短脈沖串。對于一個專用的RF載波，HDR下行鏈路和IS-95的設計有所不同。HDR下行鏈路的分組發送采用時間復用，在接入點以全功率發送，發送的數據速率和時隙長度是隨用戶信道的條件而變化的。而且當用戶隊列是空時，從接入點只發送短導頻脈沖串和定期發送的控制信息，有效的去除了空閑扇區的干擾。

　　接入終端用短脈沖串導頻快速準確地估計出信道的條件，在其他參數中接入終端還估計接收到的所有分解的多徑分量的E_c/N_t，預測出接收的有效SNR，這個SNR值是在給定錯誤性能的情況下，與該SNR所支持的最大數據速率相對應的SNR。這種信道狀態信息通過反向鏈路的DRC（數據速率請求信道）以數據速率請求的形式反饋給接入點，并以每隔1.67ms的速率更新，如圖1所示。反向鏈路的數據請求是一個4-bis的值，與表1中的某一個數據速率相對應。另外，接入終端請求從那些激活設備組成的唯一一個扇區發送信號。其主要的編碼和調制參數如表1中所示。FEC（前向糾錯）方案有采用一系列串行碼和重復譯碼。

表1

　　

數據速率（kbps）	分組長度（字節）	FEC率（b/svm）	調制方式
76.8	128	-----	OPSK
102.6	128	-----	OPSK
153.6	128	-----	OPSK
204.8	128	-----	OPSK
307.2	128	-----	OPSK
614.4	128	-----	OPSK
921.6	192	3/8	OPSK
1228.8	256	-----	OPSK
1843.2	384	-----	8PSK
2457.6	512	-----	160AM

表2總結了系統中三種碼字結構的主要參數。

表2

串行碼碼率	碼率一	3/8碼率	1/2碼率
外部卷積碼碼率		1/2	1/2
內部卷積碼碼率		1/2	1/2
外部碼插入率	1	1	3/4
內部碼插入率	1	4/6	4/6
有效的外部碼率		1/2	2/3
有效的內部碼率		3/4	3/4
尾隨比特的有效數目	5	5	5

　　圖2表明了AWGN（加性白高斯噪聲）信道下表1中某些模式的仿真性能，表3給出了獲得1％的分組錯誤率下同數據速率情況下所需的SNR（信噪比）。圖中用Eo/No來表示。

表3

數據速率（kbps）	76.8	102.6	153.6	204.8	307.2	614.4	921.6	1228.8	1843.2	2457.6
Ec/Nt(dB)	-9.5	-8.5	-6.5	-5.7	-4.0	-1.0	1.3	3.0	7.2	9.5

　　圖3是采用頻率再利用的大的三扇區網絡中，一個典型的嵌入式扇區SNR累加的分布函數曲線，其中的SNR是那些最佳服務扇區的SNR，且扇區覆蓋區的用戶均勻分布。從圖3的結果和SNR所要支持的給定數據速率，可以直接得出在那樣一個嵌入扇我中所獲得的數據速率直方圖。圖4中累加的SNR是表3中的值為了補償各種損耗附加2dB冗余量得到的。圖5給出的是通過改變參數而得到的每扇區每1.25MHz帶寬的吞吐量。注意到吞吐量在L_max/L_min=8時翻倍。

　　5　總結

　　1xHDR為無線工作人員帶來了良好的性能和經濟利益。該技術使無線工作人員能夠提供先進的數據服務，充分利用了頻譜和網絡資源；并且由1xHDR能提供高性能的分組數據服務，與同樣不超過ITU 3G的其他技術相比，它能更早地使操作者把無線互聯網推入市場。

　　通過采1xCDMA2000支持的標準化途徑，1xHDR是一種獲得了工業支持的進展，而且，通過附加了視距應用和有可能的智能天線，它還是一種提高平均吞吐量和蜂值數據速率的必然趨勢。

摘自《移動通信》2001.8

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