第1章 绪论
1.1 3G高速数据无线传输技术概述
1.1.1 cdma2000-1x EV-DO与HSPA技术的概念
1.什么是cdma2000-1x EV-DO
1928年，美国Purdue大学学生发明了工作于2MHz的超外差式无线电接收机，并很快在底特律的警察局投入使用，世界上第一种可以有效工作的移动通信系统诞生了。在近80年的发展历程中，移动通信事业蒸蒸日上，为了满足全球用户的需求，技术革新步伐不断加快，先后经历了第一代蜂窝移动通信系统（AMPS、ETACS、NMT-450等），第二代蜂窝移动通信系统（GSM、CDMA等）、第三代蜂窝移动通信系统（WCDMA、cdma2000、TD-SCDMA等）。随着Internet的普及，市场对广域、高速无线接入的需求急剧增长，无线局域网技术虽然能够提供较高的数据传输速率，但在覆盖范围、安全性、计费等方面存在的固有不足使其无法满足为公用移动网提供无线数据接入服务的要求，人们寄希望于能够提供较高数据传输速率的第三代蜂窝移动通信标准IMT 2000之上。
然而从第二代数字移动通信系统向第三代数字移动通信系统过渡，并不是简单的一次升级，由于技术、市场、业务开发和终端发展等多方面因素的限制，它们之间的平滑过渡还需要有一定的时间，而且在这期间还必须要有一些新型的通信技术来确保过渡过程的平滑性。
cdma2000-1x EV-DO标准最早起源于Qualcomm公司的HDR（高速数据速率）技术。早在1997年，Qualcomm就向CDG（CDMA发展组织）提出了HDR的概念，此后经过不断完善和实验，在2000年3月以cdma2000-1x EV-DO的名称向3GPP2提交了正式的技术方案。cdma2000-1x EV的意思是Evolution，表示标准的发展和演进；DO的意思为Data Only，表示只支持数据业务，后来为了能够更好地表达此技术的含义，把Data Only改为Data Optimized。EV-DO即Evolution-Data Optimized——演进数据优化，表示cdma2000-1x EV-DO技术是对cdma2000-1x网络在提供数据业务方面的一个有效的增强和优化手段，2000 年10月3GPP2投票表决把该标准定义为C.S0024，在美国的TIA/EIA称为IS-856。
cdma2000-1x EV-DO表示该技术只支持数据而不支持话音业务，3GPP2标准化组织定名为HRPD（高速分组数据）。它能在与IS-95/cdma2000-1x相同的1.25MHz频带内采用专用的数据信道支持高速分组数据业务，最初版本的前向最高数据速率可达2.4576Mb/s，反向最高数据速率可达153.6Kb/s。2001 年12月在ITU的会议上，cdma2000-1x EV-DO技术作为cdma2000 家族的一个分支被吸纳为IMT-2000 标准之一。cdma2000-1x EV-DO是目前cdma2000网络中已标准化且现实可用的高速无线互联解决方案。
目前，移动通信得到迅速普及，用户主要使用的是移动语音通信，随着人们获取信息的需求增长和移动技术的发展，移动数据业务已经蓬勃发展起来。移动数据业务可以提供移动办公、视频播放等娱乐性应用，人们可以享受不受地域限制、随时随地的无线高速数据业务。cdma2000-1x已由许多无线运营商部署并投入运营，可提供最高307.2kb/s的数据传输速率，但还不能完全满足人们高速访问计算机互联网的要求。cdma2000-1x EV-DO是基于cdma2000-1x的无线数据增强系统，它秉承互联网的设计理念，针对数据业务的特点对无线接口技术进行优化，同时支持大容量与高速率业务，基本能够满足高速无线互联的要求。
cdma2000-1x EV-DO技术是cdma2000-1x技术向提高分组数据传输能力方向的演进，它是在独立于cdma2000-1x的载波上向移动终端提供高速无线数据业务，但不支持话音业务，对于那些同时需要语音、数据业务的用户，可以与IS-95/cdma2000-1x联合组网。其后续系列cdma2000-1x EV-DV还可提供混合分组数据与语音业务。
由于数据和语音具有不同的特性，如数据速率对时延的实时性要求低于语音业务；数据业务对误码率的要求高于语音业务；对于前反向非对称而言，前向数据业务（基站到移动台）的速率需求较反向高出数倍，而语音业务则为严格的对称业务。因此，像在cdma2000-1x系统中那样，将数据业务和语音业务通过扩频码复用在一起，并通过快速功率控制来共享基站的发射功率和频率资源，对于高速数据业务来说系统效率较低。
cdma2000-1x EV-DO系统设计思想是将高速分组数据与低速语音及数据业务分离开来，利用单独载频来提供高速分组数据业务，而传统的语音业务和中低速分组数据业务由cdma2000-1x系统承载。不同于cdma2000-1x系统采用闭环功率控制技术以抵消信道衰落带来的影响的传统方法，cdma2000-1x EV-DO借助于新的帧结构、更短的时隙，采用“机会主义”前向调度算法，始终以最大功率为当前传输速率最高的终端服务，从而变对抗衰落为充分利用信道衰落，实现了系统整体的数据吞吐量的极大提高。这是无线传输在思想上的大的转变。这样不但可以获得更高的频谱效率，网络设计也比较灵活。
在具体设计时，充分考虑到cdma2000-1x EV-DO系统与cdma2000-1x系统的兼容性，并利用双模终端的互操作，来实现低速语音业务与高速分组数据业务的共同服务。而且，cdma2000-1x EV-DO系统的设计最初是针对非实时、不对称的高速分组数据业务的。
作为Internet的无线接入手段，主要提供网页浏览、文件下载等传统互联网业务，并未考虑满足实时业务的需求，而传统互联网业务都具有上下行不对称性、对时延要求不高的特点。不对称性即系统的下行数据量远远高于上行数据量，因此，设计cdma2000-1x EV-DO系统时，重点改善了前向链路，对反向链路的优化相对较少。
cdma2000-1x EV-DO前向链路采用了时分复用、自适应调制编码（AMC）、混合自动请求重发（HARQ）、多用户调度、功率分配和虚拟软切换等关键技术。最初Rev0的反向链路只是为了配合前向链路，增加了速率控制机制，基本沿袭了cdma2000-1x的技术，仅是采用了连续导频，改善了解调性能。从最终网络应用的结果来看，系统设计达到了预期的目的。以传输速率为例，Rev0在单扇区系统满负载的情况下，可以提供平均为600kb/s的上网速率，达到与有线网络（如ADSL）基本相同的水平。而为了与cdma2000-1x网络兼容，便于新技术的推广应用。cdma2000-1x EV-DO系统在设计时，继承了cdma2000-1x的分组数据核心网及其与无线接入网的互操作规范，如互操作协议的A8、A9、A10、A11接口，以及分组核心网的安全机制。
2.HSPA的概念
HSPA是HSDPA（High Speed Downlink Packet Access，高速下行分组接入）与HSUPA（High Speed Uplink Packet Access，高速上行分组接入）的统称。目前，业界讨论得更多的是HSPA，而不是单一的HSDPA或者HSUPA。随着业务需求的多样化，业务质量的高要求，单一的下行增强或上行增强都不能很好的解决问题，需要上下行统一增强的技术来解决日益发展的业务需求。
（1）HSDPA的提出
目前，WCDMA和cdma2000都已经商用，而TD-SCDMA也开始投入市场，随着通信技术的不断发展，多媒体业务的需求量增大，用户对服务质量的要求越来越高。3GPP组织发布的R4/R99标准定义的WCDMA系统在理想情况下能支持最高可达2Mb/s的用户数据速率。然而，对于诸如视频、流媒体和下载等对流量和延时要求较高的数据业务，需要系统提供更高的传输速率和更短的处理时延。为更好地发展数据业务，能与cdma2000-1x EV-DO、Wi-Fi、WiMAX等宽带无线接入技术相竞争，3GPP从两方面对空中接口作了改进，在R5版本中适时引入了高速下行分组接入解决方案——HSDPA，使其能支持高达14.4Mb/s的下行峰值速率。
HSDPA技术是WCDMA在无线部分的增强与演进，理论上，其数据吞吐量约是R99网络的5倍，小区容量约是R99系统的3倍。它不但支持高速率不对称数据服务，而且在增大网络容量的同时还能使运营商成本最小化。引入HSDPA后的WCDMA网络仅在无线接口部分作了微小的变动，基本结构仍与R99保持一致，且支持其终端与R99终端在同一载波上共存，因此可为WCDMA更高数据传输速率和更高容量提供一条平稳的演进途径，就如同在GSM网络中引入EDGE一样。它可以使最高下行数据速率达10Mb/s，从而大大提高用户下行数据业务速率，而且不改变已经建设的WCDMA系统的网络结构。因此，该技术是WCDMA网络建设后期提高下行容量和数据业务速率的一种重要技术。
HSDPA技术在扩频因子16的基础上将多个码道捆绑在一起分配给一个用户，或者将一个码道分配给多个用户使用，从而提高了无线接口的传输速率和传输效率。它还采用了很多新的无线传输技术和算法来提高传输速率，如快速调度算法、自适应编码调制和混合自动重发等。
HSDPA还引入了新的下行物理信道HS-PDSCH和HS-SCCH、新的上行物理信道HS-DPCCH。HS-PDCH是在扩频因子为16时产生的物理信道，最多可以有15个信道用于数据的承载，并能自适应的采用QPSK或16QAM的调制方式。HS-SCCH用于下行控制信息的传输，主要是对终端分配资源的指示。Node B可以传送多个HS-SCCH信道的信息给不同组的终端，如果HS-SCCH没有被确定，终端要监听最多4 个HS-SCCH信道的信息。如果HS-SCCH被确定，终端只监听一个HS-SCCH信道的信息。HS-DPCCH主要用于上行控制信息的传输，主要承载H-ARQ的ACK/NACK信息，信道质量信息等。
HSDPA通过自适应编码调制技术实现链路自适应功能，通过上行控制信道HS-DPCCH传送终端用户所处的信道质量和手机能力的信息，在每个传输间隔内自适应的决定采用的调制方式以及相应编码率，通过编码和调制方式的组合，产生不同的传输速率以适应不同的业务需求，从而提高信道的利用率。但是编码率的提高或采用高阶调制需要在每个传输间隔内增加传输块的大小，从而导致每个传输块的错误率提高。所以，最佳的两者平衡是根据信道质量的情况正确选择合适的调制方式，在实际的网络运营时也应该根据网络的实际情况而适时调整。
HSDPA加快了无线资源调度的时间。在R99中一个无线帧为10ms，而HSDPA中一个无线帧为2ms，在2ms的时间间隔内实现无线资源分配，同时在无线资源分配时自动将资源分配给无线信道条件最好的用户，使得资源始终服务于相对拥有最好信道条件的用户，从而达到最高的终端用户速率。
HSDPA对原有数据和重传数据采用合并的方式进行解码，从而获得额外的解码增益。当HSDPA终端用户接收或解码一个传输间隔内的传输块时，会将传输块的数据先存在手机的缓存器中，如果数据被成功解码，缓存器中的数据就会被清除。如果数据没有被成功解码，缓存器中的数据就会被保留，Node B会重传已传的数据，终端会把重传数据和缓存器中已有的数据结合，从而提高解码的成功率。目前规范定义的最大重传次数为4 次，在这种情况下，数据块在受到干扰时也可能被正确解码。但重传次数越多，解码时延越大。
（2）HSUPA的提出
与HSDPA类似，HSUPA是上行链路方向（从移动终端到无线接入网络的方向）针对分组业务的优化和演进。HSUPA是继HSDPA后，WCDMA标准的又一次重要演进。HSUPA的标准化工作具体体现在3GPP WCDMA R6的规范中。利用HSUPA技术，上行用户的峰值传输速率可以提高2～5倍，HSUPA还可以使小区上行的吞吐量比R99的WCDMA多出20%～50%。采用HSUPA技术，用户的峰值速率可达到1.4～5.8Mb/s。与WCDMA R99相比，HSUPA的网络上行容量增加20%～50%，增加25%的Iub传输容量，重传延迟小于50ms，覆盖范围增加0.5～1.0dB。HSUPA极大地提高了上行传输速率，无论对于发送Email，文件上传还是交互式游戏这样的应用，用户都将体会到HSUPA提供的高速率和短延迟。
HSUPA采用了三种主要的技术：物理层混合重传，基于Node B的快速调度，和2ms TTI短帧传输。下面将对这些技术进行介绍。
1）物理层混合重传
在WCDMA R99中，数据包重传是由RNC控制下的RLC重传完成的。在AM模式下，RLC的重传由于涉及RLC信令和Iub接口传输，重传延时超过100ms。在HSUPA中定义了一种物理层的数据包重传机制，数据包的重传在移动终端和基站间直接进行，基站收到移动终端发送的数据包后会通过空中接口向移动终端发送ACK/NACK信令，如果接收到的数据包正确，则发送ACK信号；如果接收到的数据包错误，就发送NACK信号，移动终端通过ACK/NACK的指示，可以迅速重新发送传输错误的数据包。由于绕开了Iub接口传输，在10msTTI下，重传延时缩短为40ms。在HSUPA的物理层混合重传机制中，还使用到了软合并和增量冗余技术，提高了重传数据包的传输正确率。
2）基于Node B的快速调度
在WCDMA R99中，移动终端传输速率的调度由RNC控制，移动终端可用的最高传输速率在DCH建立时由RNC确定，RNC不能够根据小区负载和移动终端的信道状况变化灵活控制移动终端的传输速率。
基于Node B的快速调度的核心思想是由基站来控制移动终端的传输数据速率和传输时间。基站根据小区的负载情况，用户的信道质量和所需传输的数据状况来决定移动终端当前可用的最高传输速率。当移动终端希望用更高的数据速率发送时，移动终端向基站发送请求信号，基站根据小区的负载情况和调度策略决定是否同意移动终端请求。如果基站同意移动终端的请求，基站将发送信令提高移动终端的最高可用传输速率。当移动终端一段时间内没有数据发送时，基站将自动降低移动终端的最高可用传输速率。由于这些调度信令是在基站和移动终端间直接传输的，所以基于Node B的快速调度机制可以使基站灵活快速地控制小区内各移动终端的传输速率，使无线网络资源更有效地服务于访问突发性数据的用户，从而达到增加小区吞吐量的效果。
3）2ms TTI和10 ms TTI
WCDMA R99上行DCH的传输时间间隔（TTI）为10ms，20ms，40ms，80ms。在HSUPA中，采用了10ms TTI以降低传输延迟。虽然HSUPA也引入了2ms TTI的传输方式，进一步降低传输延迟，但是基于2ms TTI的短帧传输不适合工作于小区的边缘。
HSUPA和HSDPA都是WCDMA系统针对分组业务的优化，HSUPA采用了一些与HSDPA类似的技术，但是HSUPA并不是HSDPA简单的上行翻版，HSUPA中使用的技术考虑到了上行链路自身的特点，如上行软切换、功率控制和UE的PAR（峰均比）问题，HSDPA中采用的AMC技术和高阶调制并没有被HSUPA采用。