高速数据传输在移动通信中的技术实现

  1 前言
  随着无线电话技术的发展,其覆盖范围越来越大,因此对数据服务的需求也越来越高。自去年底,美国高通公司开发的HDR(高速数据传输)已正式登场,这种被称作HDR的移动通信新技术成本低、功能强,适用于种种固定和移动通信设备,支持互联网通信协议,用于移动通信时传输率可高达2.4Mbps,能与现在的IS-95及未来的CDMA2000兼容。并且1xHDR能够利用最小的网络和频谱资源实现上述性能,提供了一种很高的频谱利用技术,它是一种无线互联网可用的技术,具有高速率、高容量、低功耗等优点,可以随时随地的接入因特网。
  
  2 移动通信面临的技术挑战
  数字蜂窝技术中一个较大的进步就是CDMA(码分多址)无线系统的发展和标准化,但是,移动通信还是面临着巨大的技术挑战。最初比较普遍的一种观点是:CDMA反向链路中由于一个基站有多个接入用户,各用户之间存在着干扰,因此反向链路可能是容量受限的方向(瓶颈)。事实证明这种观点是不正确的,前向链路才是“瓶颈”,原因有以下三个:
  
  (1)对反向链路上的干扰运用大数定律,由此可得由多个低功率发射机造成的干扰累加以后趋于平稳。而前向链路的干扰来自其他几个大功率基站,这样对六边形(假设的蜂窝形状)顶点的用户来说,到发射基站和其他两个干扰基站的距离相同,因此,存在着严重的干扰。对于这种情况可用软切换来减少干扰。
  
  (2)软切换技术本身虽然可以增加容量,但是它在减少干扰的同时,由于在新增加的基站中要有另外的CDMA载波,因此前向链路的容量总的来说还是减少了。即在软切换区域,前向链路的容量会或多或少的有所下降。
  
  (3)在反向链路中,多个用户的功率控制是快速准确的,而在前向链路中,功率控制要慢得多,这会造成容量下降。
  
  上述的第(2)和(3)点对容量的限制已经在CDMA1的修正版本(IS-95-B和CDMA2000)中得到克服,即已经实现了快速功率控制并消除了软切换区域,但是还不能克服第一点对容量的限制。
  
  3 HDR中的技术方法
  所有的通信系统,不管是有线系统还是无线系统,结合基于以下三种原理基础上的技术,其性能都会有很大的提高。
  
  (1)信道测量;
  
  (2)信道控制;
  
  (3)干扰抑制和减少。
  
  在HDR中我们采用的技术方法是完全结合上述三种原理。首先在接收来自每一接入点(或基站)的共用导频的基础上,每个接入终端(用户终端)能够测量出信号对噪声和干扰之和的比值(SNR)。前向链路支持的数据速率正比于用户接收到的SNR,而SNR是连续变化的,对移动用户更是如此,SNR或相应的它所能支持的数据速率值就是这样通过其反向信道发送到基站的。事实上,通常有两个或更多的基站同时被跟踪,用户就必须找出接收的最大SNR,并判断出是从哪一个基站接收到的,这需要不停的重复跟踪测量(可能是每个时隙重复一次),下行链路信道就是这样边被测量边被控制的。而且通过根据SNR选择出最佳基站可以减少其他基站的干扰。另外,由于数据比话音允许更长的时延,一些能够带来更大时延的纠错编码技术,尤其是turbo码,可以在低Eo/No、低SNR和高干扰电平的情况下采用。
  
  对于不同的SNR用户,提高吞吐量需要采用不同的时延。假设根据用户的SNR值及相应的瞬时速率,我们可以把用户分成N级,这样第n级用户以Rnbit/s的速率接收,假设第n级用户数据包出现的概率是Pn,其中n=1,2,……,N。假设每个用户一次接收一个时隙的数据,这样接收的平均速率,我们称之为吞吐量,可以用下式表示:
  

 

  这就意味着低数据速率的用户将有按比例更长的时延,时延Lm反比于用户数据速率Rno。
  
  另一方面,假设我们要求所有的用户有相同的时延,而不考虑它们各自所支持的Rn。当每个级别的用户被服务时,将会分配给它反比于其数据速率的时隙数,令Fn表示第n级用户被分配时隙数,Fn=kRn,K为常数。在这种情况下(假设总的比特数k很大,可以忽略边缘效应),吞吐量可以表示为:
  
 

  可以证明,对时延比为Lmax/Lmin的N级用户的情况,最大吞吐量(定义为C)为:
  
 

  式中R1n,no是使得n≤no时所有的Rn≤C,n≥No时所有的Rn>C的级别。
  
  根据最大准则,可得出每个用户时延或者是Lmax(对Rnmin(Rn>C用户)。
  
  4 CDMA/HDR的实现
  在第三部分,我们已经讨论了用无线系统中优化分组数据传输的关键因素和参数的设计。下面我们将厂家CDMA/HDR系统实现中的一些关键技术。
  
  由于HDR提供的服务具有极大的非对称性,因此我们将重点考虑下行链路的情况。在IS-95的下行链路中,多个低速率信复用在一起(传输时在编码域中保持正交),并共享以某种形式进行功率控制的可用基站的发射功率,这对多个低速率信道共用同一带宽时,这种方法就不再是最佳。当低速率话音和高速率数据共用同一带宽时,由于它们的需求有很大的差异,这种方法的有效性会进一步降低。而且如果用户的数据速率相应的提高时,增加传输带宽是没有用的。
  
  因此首要的设计选择就是把两种服务分开,即为低速率数据(话音)和高速率数据服务分配相邻而不重叠的频谱。就是用IS-95RF(射频)载波传输话音,用HDR RF载波传输高速率分组短脉冲串。对于一个专用的RF载波,HDR下行链路和IS-95的设计有所不同。HDR下行链路的分组发送采用时间复用,在接入点以全功率发送,发送的数据速率和时隙长度是随用户信道的条件而变化的。而且当用户队列是空时,从接入点只发送短导频脉冲串和定期发送的控制信息,有效的去除了空闲扇区的干扰。
  
  接入终端用短脉冲串导频快速准确地估计出信道的条件,在其他参数中接入终端还估计接收到的所有分解的多径分量的Ec/Nt,预测出接收的有效SNR,这个SNR值是在给定错误性能的情况下,与该SNR所支持的最大数据速率相对应的SNR。这种信道状态信息通过反向链路的DRC(数据速率请求信道)以数据速率请求的形式反馈给接入点,并以每隔1.67ms的速率更新,如图1所示。反向链路的数据请求是一个4-bis的值,与表1中的某一个数据速率相对应。另外,接入终端请求从那些激活设备组成的唯一一个扇区发送信号。其主要的编码和调制参数如表1中所示。FEC(前向纠错)方案有采用一系列串行码和重复译码。
  
 

  
表1

  
  数据速率(kbps) 分组长度(字节) FEC率(b/svm) 调制方式
  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总结了系统中三种码字结构的主要参数。
  
  
表2

  串行码码率 码率一 3/8码率 1/2码率
  外部卷积码码率 1/2 1/2
  内部卷积码码率 1/2 1/2
  外部码插入率 1 1 3/4
  内部码插入率 1 4/6 4/6
  有效的外部码率 1/2 2/3
  有效的内部码率 3/4 3/4
  尾随比特的有效数目 5 5 5
  
  图2表明了AWGN(加性白高斯噪声)信道下表1中某些模式的仿真性能,表3给出了获得1%的分组错误率下同数据速率情况下所需的SNR(信噪比)。图中用Eo/No来表示。
  
 

  
表3

  数据速率(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
  
 

  图3是采用频率再利用的大的三扇区网络中,一个典型的嵌入式扇区SNR累加的分布函数曲线,其中的SNR是那些最佳服务扇区的SNR,且扇区覆盖区的用户均匀分布。从图3的结果和SNR所要支持的给定数据速率,可以直接得出在那样一个嵌入扇我中所获得的数据速率直方图。图4中累加的SNR是表3中的值为了补偿各种损耗附加2dB冗余量得到的。图5给出的是通过改变参数而得到的每扇区每1.25MHz带宽的吞吐量。注意到吞吐量在Lmax/Lmin=8时翻倍。
  
 

  

  5 总结
  1xHDR为无线工作人员带来了良好的性能和经济利益。该技术使无线工作人员能够提供先进的数据服务,充分利用了频谱和网络资源;并且由1xHDR能提供高性能的分组数据服务,与同样不超过ITU 3G的其他技术相比,它能更早地使操作者把无线互联网推入市场。
  
  通过采1xCDMA2000支持的标准化途径,1xHDR是一种获得了工业支持的进展,而且,通过附加了视距应用和有可能的智能天线,它还是一种提高平均吞吐量和蜂值数据速率的必然趋势。