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第14章cdma2000AnttiToskala14.1引言正如第4章解释的，在全球ITU-RIMT-2000CDMA框架中，除了已经介绍的UTRAFDD和TDD模式外，第三种模式是多载波（MC）CDMA模式，基于3GPP2正在标准化的cdma2000多载波选项。关键的MC模式标准[1～4]计划在1999年底前完成，能够方便地连接到基于IS-41的核心网。之后，制定了必要的扩展规定，支持把MC模式连接到基于GSM-MAP的核心网上。关于cdma2000物理层的概述也可以参见参考文献[5]。在3GPP和3GPP2之间的技术合作的昀新发展是根据3GPPRelease5规范，决定在3GPP的核心网侧中采用IP多媒体子系统（IMS），参见第5章。MC模式，作为IS-2000技术规范系列的一部分，已被认为是现存IS-95或1X网络的运营商的一条3G演进路线，尤其是当第三代网络将要在与现存IS-95网络使用的相同频谱上发展时。在服从北美PCS频谱分配而没有单独的IMT-2000频谱的国家，使用这种类型的频谱再分配的方法将会是不错的解决方案。MC模式的名字来源于下行链路传输方向，从每个基站发送多个（昀多达12个）并行的窄带CDMA载波而不是发送一个单一的宽带载波。每个载波的码片速率是1.2288Mchip/s，等于IS-95的码片速率。上行链路方向是直接扩频，非常类似于UTRAFDD，码片速率是1.2288Mchip/s的倍数。ITU发布的cdma2000的第一个版本昀多采用三个载波（称为3X模式），码片速率昀大达到3.6864Mchip/s。此后提到的“MC模式”均指cdma2000标准中定义的MC模式（3X）。已经认为MC模式为现存的IS-95系统提供了演进路线。如图14-1所示，三个窄带IS-95载波，每个带宽为1.25MHz，被捆绑在一起，形成下行链路方向的多载波传输，在一个5MHz带宽配置上大约使用了3.75MHz（3X）带宽。图14-1在频谱使用上MC模式和IS-95之间的关系第14章cdma2000313目前似乎还没有明确采用MC模式的商业化承诺，相反重点更多地放在窄带应用的未来发展上。介绍的这些技术原理在大多数情况下对IS-95演进的窄带路线1X也是有效的，因为在大数多情况下，它在下行链路方向上符合关于3X中的单个载波的定义的内容。1X研发工作已经生成不同版本的技术规范，昀新的工作是1XEv-DO即只涉及数据业务的系统，和1XEv-DV。1XEv-DO（DO=DataOnly）是专门传送数据业务的系统，利用与话音或者其他电路交换业务分开的单独的载波，而1XEv-DV（DV=DataandVoice）则采用和WCDMA中的HSDPA类似的技术，把话音业务和分组数据业务混合应用在同一载波上。1XEv-DO和1XEv-DV的峰值速率容量可以达到2.4Mbit/s和3Mbit/s量级。如果希望传输能力超过它们，则需要更宽的带宽，如同演进到高速下行链路分组接入（HSDPA）的WCDMA。在第11章中提到，HSDPA在下行链路方向上能够提供10Mbit/s甚至理论上达到14Mbit/s的传输速率。图14-2表示在网络中可以达到的数据速率与演进过程的函数关系。图14-2作为下行链路峰值数据速率函数的空中接口的演进就信号带宽而言，MC模式的多载波（上行）3.6864Mchip/s的码片速率和UTRAFDD的3.84Mchip/s没有多大差别。以下各节描述MC模式的物理层的主要特性，并且图示与UTRAFDD的重要差别。关于高层，值得注意的是，尽管协议结构在很大程度上相似，但还是有差别的。例如，某些协议在通过这些协议层的不清晰解决方案的条件下被执行。这意味着当考虑MC模式和基于GSM的网络接口时实际上需要修改MC模式的协议结构。本章的重点是IS-2000MC模式的物理层主要原理，同时也将介绍IS-95物理层的主要原理。14.2逻辑信道cdma2000使用的“逻辑信道”，相当于UTRA中通过空中接口承载数据并且直接映射到物理信道上的术语“传输信道”。在1999年底完成的cdma2000(ReleaseA)技术规范中定义了以下逻辑信道：z专用业务信道（f/r-dtch）。点到点的逻辑信道，在专用物理信道上承载数据或话音业务；它相当于UTRA中的专用传输信道。与UTRA中一样，dtch为单个终端使用而设计。z公共控制信道（f/r-cmchcontrol）。用来承载MAC消息，由几个终端共享接入。z专用信令信道（f/r-dsch）。点到点逻辑信道，通过专用物理信道承载上层信令业务流，为单个终端所用。z公共信令信道（f/r-csch）。点到多点逻辑信道，通过公共物理信道承载上层信令业314WCDMA技术与系统设计务流，由几个终端共享接入。值得注意的术语上的一个差别是，在cdma2000的文档中使用“反向链路”而不用“上行链路”，使用“前向链路”而不用“下行链路”。为方便起见也为本书不同的章节之间保持连贯，本章采用在UTRA中使用的术语。例如，物理信道术语中，没有使用前向（F）和反向（R）链路，而是分别使用下行链路和上行链路来。物理信道MC模式提供的功能基本上与UTRAFDD的一样。例如广播信道、随机接入信道等等的功能对所有蜂窝系统的基本运作都十分重要。同样，还需要寻呼信道寻呼系统中的移动台。物理层包含较大的差别，因为在某些方面采用了不同的设计理念。UTRA中公共信道类型区分更细，如共享信道、上行链路公共分组信道等等，在MC模式中就没有直接的对等信道类型，但MC模式通过不同的安排实现了同样的功能。数据业务使用的相应信道是补充信道，在下行链路上与UTRAFDD中的下行链路共享信道（DSCH）类似。MC模式中上行链路上也存在补充信道，但不是像UTRAFDD中的公共分组信道那样作为随机接入信道的增强。关于补充信道的特点将在和用户数据发送相联系的内容中详细介绍。接入信道由于高层协议的不同而有差别。MC模式中随机接入消息的典型持续时间比UTRA中的长，因为在UTRA中转到专用信道的变化发生的较早。这样MC模式随机接入信道的传输可能持续几个帧。为避免CDMA的远近问题，可以使用一个公共功率控制信道为MC模式的上行链路随机接入过程发送功率控制信息。MC模式使用一个快速寻呼信道，用它通知终端何时监听针对自己的实际的寻呼信道。这与UTRAFDD和TDD模式中的寻呼指示信道（PICH）有某些相似之处。14.3多载波模式的扩频和调制14.3.1上行链路扩频和调制在MC模式上行链路中，由I或Q支路提供不同的信道，然后在扩频后经过复值加扰平衡I和Q支路的功率，从这个意义上来说，MC模式上行链路的调制与UTRAFDD非常类似，从而导致在MC模式中，对放大器线性的要求与在UTRAFDD中的相当类似。当数据速率提高时，MC模式比UTRAFDD提早采用多码传输。当在MC模式中要求更高的数据速率时，补充信道与基本信道并行地使用，基本信道只提供可能的较低速数据速率有限集。MC模式上行扩频使用Walsh函数，而UTRAFDD中则使用OVSF码。MC模式中，由于物理层信令中不提供速率信息，在连接期间，不使用可变速率扩频，而是逐帧变化。用于扰码的上行链路长码周期为242－1个码片。这比UTRAFDD中的长码长很多，UTRAFDD中专用信道的码周期是38400个码片，而短扰码的长度只有256个码片。在周期为38400个码片的情况下，没有性能恶化，而当码长为256个码片时，在没有先进的接收机的情况下第14章cdma2000315由于减少了互相关的平均效应，通常会导致某些性能的恶化。接入信道有特定的扰码周期是215个码片。对于邻道衰减，在4.44MHz带宽外应达到在信号电平上衰减40dB，3.75MHz的信号带宽不是频率规划中使用的实际值。14.3.2下行链路扩频和调制MC模式的下行链路调制明显具有多载波性质的表征。下行链路载波可以独立工作，或者终端对它们全部进行解调。在所有载波上接收信号相当于在单个1.2288Mchip/s载波上实现频率分集。因为每个载波包含一个用于信道估计的导频信道，如果需要它们也可以由多个天线发送以获得额外的分集。这种情况和UTRA中的发送分集方法类似。每个载波上的信道在连接期间使用恒定扩频因子的Walsh函数进行扩频，与UTRA中的方法类似，有几个例外。与UTRA中的OVSF码一样，Walsh函数区分来自同一信源的信道，并且对于从同一信源发送的信号具有类似的正交性。数据传输的扩频因子范围从256到4。在图14-3中图示了包含三个载波的下行链路调制。注意，PN序列和Walsh函数在并行的载波上是相同的。下行链路加扰的特点是在整个系统使用同一个码字。由于MC模式以同步基站方式工作，不同的基站使用同一个码字的不同相位。可用的相位有512个，对应UTRAFDD中的主扰码数量。在实际网络中，通常要避免使用昀小的相位差别以减轻网络规划中对定时问题的要求。协议明确规定了MC模式下的脉冲成型滤波器的具体参数。同时，协议已经定义了为实现该滤波器应该满足的均方误差准则。尽管我们常讨论1.25MHz的单个载波带宽，但是对于基站传输而言，为了满足功率电平衰减40dB，所需要的单个载波频谱掩模带宽被定义为1.48MHz。图14-3下行链路多载波扩频和扰码316WCDMA技术与系统设计14.4用户数据传输本节描述MC模式中用户数据传输的主要原理，同时比较它与UTRAFDD操作的主要不同。与UTRA技术规范的一个基本不同点是，在MC模式中明确地根据打孔或重复因子定义不同的数据速率，而在UTRA中给出重复和打孔规则可以生产匹配任何任意速率的速率。这个没有引起实际的差别，除非由于物理层可用的数据速率不满足应用的需求，上层需要做大量的填充或其他操作来提供必要的数据速率。由于在低数据速率的情况下，为了根据预先定义的MC模式的数据速率集来实现AMR话音声码器的数据速率，开销可能变得特别重要，因此期望添加到MC模式中的数据速率是支持在UTRA和GSM中使用的AMR话音声码器的需要的那些数据速率。14.4.1上行链路数据传输在MC模式中，详细地规定了昀大数据速率是14.4kbit/s的某个数据速率集的基本信道。通过在重复这一环节上的变化可以改变瞬时的数据速率，但是不改变符号速率。这就允许在基站中使用盲速率检测。在图14-4中给出了基本信道和导频信道的结构，其中导频信道也包含间隔为1.25ms的功率控制符号，这使得下行链路快速功率控制速率达到800Hz。当数据速率增加时，较高的数据速率不会像在UTRATDD中那样被引入到同一个信道中，而是利用补充信道。这是一个并行的码信道使用与基本信道不同的Walsh函数来区分。上行链路传输可能包含一个或两个补充信道，根据无线配置，数据速率从几kbit/s到昀大1Mbit/s。典型的无线配置为补充信道定义了10个或者少于几个不同的数据速率。高于14.4kbit/s数据速率使用Turbo码。在UTRAFDD物理层中，控制信道的扩频因子等参数均保持恒定，而在MC模式中固定基本信道的参数，然后可以增加一个或多个补充信道（对于某个数据速率扩频因子是固定的）。这个差别有一个自然的背景。MC模式不包括能够通知接收机数据速率变化的物理层控制信息，或者更概括地说，在UTRA中叫做传输格式组合指示（TFCI）的改变。在基本信道上的带内信令必须承载上述的全部信息，所以基本信道本身的参数不能在逐帧基础上变化。图14-4上行链路的基本信道结构对于用户数据业务，无线帧长是20ms，而在UTRA中为10ms。在任何情况下，MC模式和UTRA中语音业务都使用至少20ms的交织，因为AMR语音编解码器以及已有的GSM第14章cdma2000317语音编解码器以20ms为间隔提供数据，所以使用10ms的交织不会产生较短时延。在MC模式中没有对应UTRA的上行链路公共分组信道（CPCH）的概念。但是，可以使用RACH增强接入信道发送小的分组数据包，和在UTRA中的RACH一样。为增强接入信道定义的净荷大小范围