CDMA數據業務的自適應技術王剛 熊可成摘 要:在許多蜂窩系統中, 對于分組數據業務來說SINR(信號與干擾噪聲比)遠遠大于所需要的值,所以可以提高數據傳輸速率,同時使得蜂窩的頻譜效率有2倍以上的提高。實現的方法有:減少編碼密度、擴頻因子或者是增加星座圖的密度等等。本文將詳細介紹在CDMA系統中提供數據速率自適應的技術。關鍵詞:分組數據業務 數據速率自適應 一、綜述Internet和無線業務(話音和數據)的持續飛速發展使得的我們需要增加系統容量、數據傳送速率、支持更多的服務類型(多媒體業務)。更高的數據速率將為我們提供更加廣闊的服務業務范圍,包括:☆基本及增強的話音業務,如電話會議、語音郵件;☆支持短消息、email、傳真等低比特率服務;☆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絡以及高質量的電視會議;☆交互式業務多媒體服務,支持不同業務的不同QoS(服務質量)要求。但是,為話音業務而專門設計的蜂窩通信系統運用以下技術來保證通信質量:☆長度為20ms的幀結構;☆很強的前向差錯控制和交織以獲得0.01的誤幀率,不需要重新傳輸。以上的特點決定了蜂窩通信固有的幀時延和解碼時延以及很低的數據率。針對數據業務,這些條件可以有所變化,比如說:并不需要一個固定的幀長度,可以使用自動重發請求(ARQ)方式來完成糾錯,雖然瞬時數據率是可變的,數據業務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整,但同時我們也應該考慮慢速的速率調整: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對于現有標準并不適應:☆反饋時隙一般為幾十至幾百毫秒。雖然CDMA系統規定了一個快速閉環反饋,它只能用于電路模式的功率控制,對于速率的控制方法并沒有確定。☆數據的自適應只是在物理層的幀和時隙確定,在時隙或幀傳輸中并沒有允許有可變的調制、編碼、擴頻因子的結構。必須明確,就頻譜效率而言,CDMA與TDMA是相同的,CDMA話音業務相對的巨大容量是因為采用了話音激活技術,而不是其具有更高的頻譜效率。更高的數據速率、頻譜效率可以通過加強第二代蜂窩系統來實現, CDMA和TDMA中對于這些增強措施已經進行了標準化:共享分組數據信道以達到更高的數據速率;在大范圍內利用更高可用的信干比達到數據速率的自適應;采用與第二代語音標準兼容的時隙和幀格式,同時允許遷移和登記消除;無信息傳輸時,移動臺處于休眠狀態來減少對于空中接口資源的利用,同時還具備快速激活性能。使用專用和公共控制信道來減少數據分組傳輸的接入和建立延遲時間;二、速率自適應的總結下表總結了第二代及第三代分組數據業務的自適應技術,每一列分別指示:☆不同速率的指派方法;☆通知基站移動臺使用的速率及格式的方法;☆信道質量的反饋方式;☆峰值數據速率的典型值;CDMA系統的速率自適應是通過可變的擴頻因子、編碼和碼聚集實現的,Walsh碼聚集可以獲得更高的碼速率。每個用戶分配1-8個碼,每個都支持9.6kb/s。WCDMA 和cdma2000是通過可變擴頻和編碼來完成更高速率信息傳輸的。在CDMA系統中,接收機利用導頻強度信息來估計SINR。在 IS-95B和cdma2000中,導頻信號強度信息通過導頻強度測量信令(PSMM)或增補信道請求信令(SCRM)傳輸到基站。在WCDMA中的測量報告還包括誤組率、誤比特率、接收電平、傳輸路徑損耗和下行鏈路SINR測量。在CDMA系統中,信道質量在接收機測量,通過特定信令送給發射機。衡量信道質量的參數包括:☆誤幀率;☆誤符號率或誤比特率的均值和標準方差;☆平均SINR(可以用Viterbi譯碼器計算歐氏距離,或者利用子空間技術計算)。三、CDMA的分組數據業務3.1 IS-95 BCDMA通過碼聚集來實現更高速率的服務。在一個突發瞬間最多有8個碼進行傳輸。激活的高速分組數據包有一個9.6kb/s 的基本碼信道。如果需要更高的數據速率,在前向或反向信道上指派最多7個增補信道(SCH),這樣傳輸速率可以達到76.8kb/s。基本碼信道(FCH)有軟切換支持,還可以進行信令傳輸和功率控制。增補碼信道在分組突發情況下被指派,它的軟切換功能是可選的。如果分組數據業務的誤幀率可以接受,減少增補信道的軟切換可以提高前向信道的容量。圖1 IS-95B分組數據的發送初始化過程3.2 cdma2000cdma2000提供了許多媒質接入層的增強措施,為了減少接入和建立時間,專用控制信道上設計了5ms的幀結構。除了IS-95的活動和休眠狀態,為了快速的接入和建立新設定了兩個接入層狀態。控制保持狀態是在指定的DCCH(專用公共控制信道)上不連續的傳輸。這個DCCH允許快速接入到業務信道和快速激活。在掛起狀態,不指定空中接口,但是保存RLP(無線鏈路協議)狀態來避免重初始化的時延。cdma2000與IS-95相同,分配到移動臺的增補碼信道(SCH)數據速率由SCAM信令向移動臺指示。在前向信道也可以考慮使用盲速率檢測:移動臺接收機假設接收幀為幀集合中的一個進行解碼。基站無須向移動臺發送SCAM信令就可以使用基站的任意格式進行數據傳輸。cdma2000物理層提供了一個具有可變擴頻增益的增補碼信道(SCH),而不采用IS-95B中的多碼信道。cdma2000中的增補碼信道使用固定的幀長度為20ms的可變擴頻因子。最低的擴頻因子為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。另外物理層的增強措施還有:Turbo編碼,實現相關檢測的反向信道導頻,快速前向鏈路功率控制,配合窄波束天線工作的前向專用導頻。3.3 WCDMAWCDMA和cdma2000物理層的增強措施相似。在5M的帶寬上支持2.048Mb/s的數據傳輸速率。通過可變擴頻和1/3基站信道編碼刪除(Puncture),數據速率的連續集通過使用碼率匹配得到,也就是說,使用重復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。開機后,直到RRC連接確立進入連接狀態,終端一直處于空閑狀態。如果終端處于活動數據傳輸模式,分配給它專用信道。沒有處于活動數據傳輸模式的移動臺都與公共控制信道相連。在這種狀態下,移動臺接收廣播和尋呼信息,在移動到不同的蜂窩或登記區域后更新移動臺信息。表3 WCDMA擴頻因子和數據速率對于各種服務混合模式(語音+信令,數據+信令,話音+數據+信令),用戶都被指派一個傳輸模式混合集(TFCS),格式根據每個物理層狀況從中進行選取。通過TFCI(傳輸模式混合指示)向接收機指示。由于變化的信道和干擾條件及服務類型的增刪,用戶的QoS要求得不到滿足或者服務狀況發生了變化,TFCS都需要進行動態重組。WCDMA標準包括網絡從移動臺獲取不同測量的選項。這些測量包括:導頻強度測量、誤比特率、誤快率、傳輸損耗和SINR測量,他們都用來幫助網絡完成資源分配和切換管理。WCDMA同時規定了觸發信道傳送測量信息的標準,網絡使用測量控制信令規定移動臺應傳輸的事件和其中包含的測量。3.4 CDMA系統的突發指派和管理CDMA蜂窩系統分組數據業務的數據速率自適應需要動態帶寬管理和突發指派。由于空中接口資源是共享的,所以必須控制前向鏈路的發射功率和反向信道的接收總功率。在小區邊緣會使用更多的網絡資源,突發電平控制是根據系統負載和支持給定速率的空中接口資源來決定的。在基站和移動臺的導頻信號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允許指令,更高速率的增補信道的分配是基于用戶需求、系統負載和干擾決定的。在WCDMA中,每個移動臺被指派比特率集(TFCS),實際每幀的速率可以從此集合中進行選取,通過TFCI進行指示。3.5 碼聚集實現更高的數據傳輸速率在合適的SINR情況下,碼聚集可以提供更高的數據比特率。另外,可用帶寬可以由使用不同碼的用戶同時享用,還可以提高調制指數。但是如果擴頻因子不大,同時具有高的調制率和低的SINR,符號間干擾(ISI)就成為一大難題,需要仔細的進行分析考慮。四、總結CDMA標準有以下資源有效分配的方法:☆利用導頻強度測量信息進行有效的功率和干擾管理;☆不連續的在專用或公用控制信道傳輸信頭;速率自適應技術已經在CDMA蜂窩通信系統中得到了應用,以SINR為函數的自適應方法的無線資源管理仍然是今后的一個研究領域。可以通過設定信道質量反饋機制來執行碼速率調整,同時,干擾消除技術的使用可以同時使CDMA和TDMA系統提高頻譜效率。未來的工作是可用帶寬的規劃和公平分配以及獲得快速準確的信道質量測量來獲得系統最大的吞吐量。作者:王剛 熊可成 北方交通大學現代通信研究所
