EV-DO系统特点及反向链路控制算法的分析

摘要　EV-DO作为一种基于CDMA的高速数据传输技术，前向采用时分复用方式，反向采用与cdma2000 1x相同的码分多址方式。因为EV-DO的前向采用的是时分复用方式，所以基站的容量主要取决于系统的反向链路情况。EV-DO特有的反向链路媒体介入控制算法机制可以参与调整基站反向链路，以优化小区的反向链路情况。

1 EV-DO的网络演进过程

cdma2000标准是由IS-95A/B标准演进而来的第三代移动通信标准，由3GPP2负责制定和发布。cdma2000 1x可以提供双倍于IS-95的语音容量以及153.6kbit/s的数据传输速率，技术特点是上行链路相干接收、下行链路发送分集，基站之间由GPS同步，与IS-95兼容性好，技术成熟、风险小，综合经济技术性能好。随着用户需求的不断增加，尤其是针对高速数据业务的需求，3GPP2提出了cdma2000 1x的演进技术，EV-DO。该技术着重实现对数据业务的增强，并能后向兼容cdma2000 1x技术。EV-DO的演进又可以进一步分为Rel.0，Rev.A，Rev.B以及Rev.C/D等不同阶段。图1示出了cdma2000标准的演进路线以及包含的几个阶段。

图1 CDMA演进图

（1）CDMA ONE：即IS-95A和IS-95B，以语音业务为主，属于第二代移动通信。

（2）cdma2000 1x：支持语音业务和数据业务，前反向最高数据速率达到153.6kbit/s，属于第三代移动通信。

（3）cdma2000 1x EV-DO：cdma2000 1x的第一阶段增强版，支持数据业务，前向最高速率高达2.4Mbit/s。

尽管cdma2000 1x数据承载能力相对IS-95已经有了很大的提高，但应用于多媒体业务时，还是存在空中接口上的瓶颈。为了解决这一问题，3GPP2发布了1x EV-DO Release 0标准（正式的名称为HRPD-High Rate Packet Data）。cdma2000 1x EV是在cdma2000 1x基础上进一步提高速率的增强体制。该标准根据无线数据业务的非对称特性，优化了数据业务的传输能力，前向最高传输速率提高到2.4Mbit/s。同时，它又与cdma2000 1x后向兼容，射频系统、链路预算与1x系统完全一致，运营商可以非常轻松地从现有地1x网络进行升级。此项技术已经通过3GPP2的标准化，正式被认定为一种3G技术。中兴通讯研发的EV-DO产品已经在全球40多个国家和地区商用或实验。

cdma2000 1x EV-DO Release 0的主要技术特点包括：

（1）前向链路时分复用。基站始终满功率发射，某一时刻，只有一个用户得到所在小区的满功率服务。

（2）自适应调制编码。终端根据自身所在的前向无线链路的传输质量，可以要求基站按照最大可接受的速率进行传输，最低为38.4kbit/s，最高为2457.6kbit/s，一共有9种数据速率进行选择。

（3）混合ARQ。混合ARQ功能允许终端在成功解调一个数据包后，通过提前终止的方式通知基站不再继续发送该包，从而提高系统的吞吐量。

（4）反向链路码分复用。终端根据基站的前向RAB信道指示，提高或降低传输速率，根据前向的RPC信道来决定发射功率的变化，峰值速率为153.6kbit/s，数据承载能力与1x系统相同。

（5）兼顾公平和吞吐量的调度算法。终端所在小区无线链路状态好的用户，可以获得到高速率的前向业务服务。前向调度算法决定下一个时隙调度哪一个用户的数据包。调度算法即考虑了提高吞吐量，要向无线链路条件好的发包，又要兼顾长时间得不到调度服务的无线链路不好的用户能够得到服务，充分兼顾到公平性和系统的最大吞吐量两个目标。

2 EV-DO前反向链路性能特点

2.1 EV-DO前向链路

EV-DO的前向链路是采用时分复用的方式（见图2）。前向链路由导频信道、媒体介入信道、控制信道和前向业务信道组成，这些信道之间采用时分复用的方式相互协作。

图2 EV-DO前向链路物理信道

对于前向业务信道，各个用户之间也是采用时分复用的方式进行使用。前向由于采用时分复用的方式，因此总是用满功率进行发送。图3、图4分别示出了EV-DO前向在激活时隙时的码片图和前向信道在空闲时隙时的码片图。

（1）导频信道。EV-DO的导频信道跟1x导频信道一样，用来帮助终端设备进行系统捕获、相位、定时恢复，还有在解调时进行信道估计。终端设备通过对导频的接收质量来进行自身的信道质量的估计，并决定是由哪个扇区给它提供服务，以及服务的速率。因为所有的EV-DO基站同步，都在同一时刻发送前向导频信息，同时由于采用分时满功率发射，因此终端在判断自身的无线环境时，更为准确。这一点要优于IS-95/1x系统。

（2）MAC信道（媒体介入控制信道）。MAC信道由反向激活（RA）信道，反向功率控制（RPC）信道和DRC锁定信道组成。RA信道是公共信道，它固定占用编号为2的64阶Walsh码。RPC信道和DRC锁定信道为专用信道，针对某一用户，它们以时分方式共享一个64阶Walsh码。该Walsh码由该用户的MAC层Index确定（可用的Index编号为5～63）。

●RA信道。RA信道的作用是用来动态控制反向链路上的负荷，当基站检测到反向负荷超出门限时，将通过RA信道上发送的RAB比特来通知该小区下面所有的手机按照事先约定好的转移概率来降低自己的发送速率，从而整体上降低小区的反向链路的发射功率；反之，当反向链路的发射功率低于门限，那么基站将通过RA信道发送RAB比特指示所有的手机按照事先约定的转移概率提高自己的发送速率。

图3 前向信道激活时刻的时隙图

图4 前向信道空闲时刻的时隙图

●RPC信道。基站用来控制终端的发射功率，支持软切换，功能和工作方法与IS-95/1x的功率控制信道相似。

●DRC锁定信道。用来通知终端当前基站无法收到它发送的DRC信息。发生这种情况，多半是由于反向负荷太重或者前向覆盖不平衡。终端收到该信息后，将停止向此小区发送DRC信息。

（3）控制信道。控制信道广播系统的公共配置参数消息，以及在没有激活的业务信道连接时向特定移动台发送信令消息。除此而外，也可以向用户发送用户数据。控制信道有38.4kbit/s和76.8kbit/s两种速率。

（4）业务信道。业务信道顾名思义，就是向用户发送数据，多个用户以时分复用的方式使用该信道。需要注意的是，业务信道始终以满功率发射，没有功率控制，采用速率控制。终端用户可以根据自身所处的无线链路环境来通知基站所需服务的速率。

2.2 EV-DO反向链路

EV-DO也带有码分的导频，用来相干解调。终端在没有和基站建立专用的业务信道之前，通过接入信道发送请求或响应。建立了专用的业务信道之后，终端通过反向的业务信道发送用户数据或者信令，并通过业务信道中特定的信息对前向业务信道的工作进行支持。

（1）接入信道。EV-DO反向接入信道的数据速率固定为9.6kbit/s，与1x的增强接入信道类似，随机发送试探。每个试探包括两部分，先为Preamble，由导频构成；然后是导频加上数据一起发送。

（2）业务信道。EV-DO的反向业务信道支持与IS-95基本相同的闭环功控和软切换，不同用户之间的业务信道通过长码区分。如图5所示，业务信道由导频信道、MAC信道、ACK信道、数据信道四部分组成，它们之间靠不同的Walsh码区分。MAC信道的反向速率指示（RRI）信道和导频信道时分复用同一个Walsh码。MAC中的数据速率控制（DRC）信道还要多经过一次Walsh码调制，用来通知网络相对应的DRC信息发送的目的扇区。

图5 EV-DO反向链路物理信道

3 EV-DO反向链路过载控制算法分析

EV-DO反向链路采用与1x相同的码分原理进行数据传输，因此要进行反向链路过载的控制。基站用于控制EV-DO终端的速率具有两种方式：

（1）反向速率控制。终端在一开始与基站建立连接的时候，基站会发送反向速率限制消息给终端，将终端的反向发送速率限制在一定的范围之内。建立连接之后，基站会根据情况的变化，向终端发送该消息进行反向速率的限制。

（2）反向激活比特和传输概率。基站这种功能的实现，是依据反向链路MAC过载控制算法进行，这是基站用于控制EV-DO终端发送数据的速率一种控制算法。

下面重点分析一下反向链路MAC控制算法工作原理和对于EV-DO作用。

3.1 EV-DO反向链路MAC算法的控制目的

反向链路MAC算法的根本控制目的就是允许网络中的终端能以最大的传输速率来传输数据。每个扇区需要判断究竟是否允许本扇区覆盖范围的用户提高自己的反向传输速率，而不会发生由于热噪声过高导致的信号崩溃。与以往所有的CDMA语音系统所面临的这类问题不同，EV-DO系统需要支持终端能够快速的从一个速率变化到另外一个速率，并支持高速突发速率。对于1x EV系统，系统设计中，当系统认为反向业务信道没有过载，那么将设置反向激活比特为“0”，此时终端将自动的提高自己的速率。反之，当反向链路的使用情况超出了可以容忍的界限，那么反向激活比特将被系统置为“1”，使系统的反向应用情况迅速的减轻。

3.2 EV-DO反向链路MAC算法的实现方法

EV-DO系统，对于实现反向链路MAC算法的方法，共有直接测量方法和负荷计算方法两种。

（1）直接测量方法

步骤如下：

●直接在扇区的每个天线口测量热噪声Z，用Z1和Z2来代表两个天线口的测量值。这个测量应该在每个时隙（1.667ms）进行一次。

●采用IIR滤波器采用24个时隙（40ms）的时间常数进行滤波平滑Z1和Z2，得到Z1avr和Z2avr。

●判断Z1avr和Z2avr的最大值是否大于所设的噪声门限Zt。如果大于该门限，系统则设置RAB比特为“1”，否则设置为“0”。Zt是定义扇区是否忙的门限参数。

直接测量方法应用时，推荐Zt数值和反向速率限制如下：

●反向速率限制对于所有的用户终端设定到153.6kbit/s；

●根据链路对于热噪声的限制，可以采用更加低的Zt值，普通情况为5dB。

（2）负荷计算方法

高通的驱动芯片提供了计算负荷途径。基站通过以下步骤来确定是否置位RA比特。

●终端用户发送数据速率通过反向RRI信道指示，在最后的16个时隙里面，反向包都是按照这个速率进行发送。这当中可能包括一些扇区没有正确接收的数据包，而RRI被正确解调的情况下。这个观察周期最多包含一个数据包，因为每个终端发送的数据包的长度是16个时隙，并且帧偏移值为从0～16。

●计算天线口的负荷。根据公式1计算天线j口的负荷。

公式1中函数f(DataRate)代表一个终端接收的总功率与接收到的导频功率的比值。

公式1忽略了ACK信道的功率。Ecp/Io是在扇区天线j测量的，代表导频信道每个PN码片的平均能量与总的接收功率谱密度的比值。对于函数f(DataRate)的定义见表1。其中，定义参数w＝100.1×DRCChannelGain。

表1 f(DataRate)定义

●决策。根据公式1计算所得的天线口天线Yj的值是否大于门限来决定扇区是否过载。终端对于反向激活比特的响应动作取决于基站配置给终端的传输速率转移概率(见表2)。表1中的参数定义如下：

表2 转移概率

DataOffsetNom：接入网设置该域为接入数据信道功率与导频信道功率的标称偏置，表示单位为0.5dB的二补码值。接入终端应支付该域指定的所有有效值。

DataOffset9k6：接入网设置该域为9600bit/s时反向链路数据信道的功率与9600bit/s时标称反向链路信道功率的比值，表示为单位为0.25dB的二补码值。

DataOffset19k2，DataOffset38k4，DataOffset76k8，DataOffset153k6的定义参照第2条，只是速率修改为参数里面代表的速率。

门限和反向速率限制的设置需要具有一定的保留，以便减少由于高的ROT效应。推荐的参数为：所有的手机反向速率限制控制在38.4kbit/s；基于负荷方式的门限设定在0.5。

4 结束语

EV-DO系统作为3G的产品，具有前向分时复用，反向与cdma2000 1x兼容，可以在cdma2000 1x基础上平滑升级的优点。EV-DO系统在反向上提出了反向链路过载控制的独特算法，该算法通过动态控制小区下所有用户的发送速率来降低小区反向链路过载的机率，使得基站在兼顾最大吞吐量的前提下，能够防止崩溃的发生。