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CDMA 1x&EVDO学习资料

1xEV-DO(HRPD) 技术报告 

二○○二年二月

1xEV-DO (HRPD) 技术分析报告

I

前言

技术发展是由市场需求推动的,CDMA 无线通信技术的发展进程尤其如此。90年代初,为满足高质量、大容量语音无线通信业务的需要,TIA/EIA 制定了IS-95A 标准。随后,随着Internet 与信息技术的高速发展,对无线数据业务的需求日益增长。为满足这种需求,TIA/EIA 相继制定了IS-95B 、CDMA2000 1X 等标准。然而,近几年来,由于数据业务向多样性、大容量性和非对称性方向发展,而CDMA2000 1X 的数据业务能力非常有限,不能满足未来业务需求。为此,3GPP2 TSG-C 于2000年初成立了1xEV 工作小组,旨在制定、提供解决高速不对称性分组数据业务的解决方案:1xEV-DO 技术。

1xEV-DO 主要技术规范于2001年全部制定完毕,现进入版本维护阶段。在提供高速分组数据业务方面,与IS-95/CDMA2000 1X 技术相比,1xEV-DO 具有如下特点。

空中接口方面:1xEV-DO 技术有效地解决了数据业务在空中接口的传输瓶颈问题。相比CDMA2000 1X 的153.6Kbps 速率,1xEV-DO 前向链路峰值速率约高达

2.4576 Mbps/(Sector)。同时,反向链路采用了反向导频、功率控制和速率控制等技术。前向链路采用了优化调度、速率控制和信道时分等技术。调度技术使基站根据整个系统实际情况,合理地安排各终端的业务请求;速率控制技术是1x EV-D O 技术所特有的,使终端能根据应用需要向基站定制所需要的传输速率。前向链路在信号传输时,始终以最大功率进行发射,从而提高了信号传输质量和速率。

射频参数方面:1xEV-DO 与IS-95/CDM A2000 1X 具有相同的RF 特性、码片速率、功率要求、覆盖区域,从而最大限度地保护了运营商的现有投资,使得CDMA2000 1X 网络进行1xEV-DO 升级时,直接使用现存的IS-95/CDMA2000 1X 射频部分。

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II

技术实现方面:1xEV-DO 与IS-95/CDMA2000 1X 具有相同的功率控制、软切换、接入过程、Turbo 编码等技术,可以使开发商利用IS-95/CDMA2000 1X 方面的成熟开发经验,较容易地研制成功1xEV-DO 产品。

组网方面:1xEV-DO 非常灵活。对于那些只需要分组数据业务的用户,可以单独组网,以简单网络配置提供高速分组数据业务。此时的核心网配置不需要基于ANSI-41的复杂结构,而是基于IP 网络结构。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,同时提供语音与高速分组数据业务。另外,对于同时支持CDMA2000 1X/1xEV-DO 的双模终端,1xEV-DO 技术还提供了在两个系统间(CDMA2000 1X 、1xEV-DO )的切换机制。

对于1xEV-DO 的下一阶段,即1xEV-DV 技术,目前3GPP2 也正在制定相应的标准。但由于1xEV-DV 涉及的技术比较复杂,许多技术目前正在研究、仿真过程中。

综上所述,我们可得出以下结论:与IS-95/CDMA2000 1X 相比,1xEV-DO 技术能够提供高达十几倍的高速分组数据业务。同时,1xEV-DO 的诸多技术与CDMA2000 1X 相同,组网简单,并能利用现有投资进行平滑升级。因此,如果与CDMA2000 1X 共同组网,则在花费很小的代价下,即可以同时提供优质语音与高速分组数据业务。与1xEV-DV 技术相比而言,1xEV-DO 技术成熟,进入市场早,风险较小。因此,在不远的将来,1xEV-DO 技术将成为实现高速分组数据业务的首选技术。 

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III

目录

第1部分 系统结构介绍...............................1 第2部分 空中接口协议体系...........................3 2.1 协议结构及功能................................3 2.2 协议数据的封装................................5 2.3 典型会话过程的建立............................7 2.4 典型连接过程的建立............................8 2.5 本章小结......................................8 第3部分 前向链路结构...............................9 3.1 信道结构与帧结构..............................9 3.2 信道分配机制.................................10 3.3 编码、调制与基带成形.........................11 3.4 本章小结.....................................11 第4部分 反向链路结构..............................13 4.1 信道结构与功能...............................13 4.2 信道标识与扩频...............................14 4.3 编码、调制与基带成形.........................14 4.4 接入过程.....................................14 4.5 导频的维护与切换.............................15 

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IV

4.6 本章小结.....................................16 第5部分 互操作性规范(IOS).........................17 5.1 1xEV-DO系统业务流程..........................17 5.2 AN之间的切换.................................17 5.3 1xEV-DO网络与CDMA2000 1X网络的切换..........19 5.4 本章小结.....................................21 第6部分 安全认证..................................22 6.1 AN-level认证.................................22 6.2 IP-level认证.................................23 6.3 本章小结.....................................25 第7部分 1xEV-DO分组数据网计费处理流程............26 7.1 使用数据记录.................................26 7.2 远端地址计费.................................26 7.3 快速切换计费.................................27 7.4 Airlink Records..............................28 7.5 PDSN过程.....................................28 7.6 本章小结.....................................30 第8部分 缩略语....................................31 第9部分 参考文献..................................33 

第1部分 系统结构介绍

从网络结构上看,1xEV-DO的网络结构比较简单。系统仅由AT、AN、PCF、PDSN、AAA等设备构成。1xEV-DO采用基于IP网的结构,不需要ANSI 41的核心网结构。设备接口方面主要包括空中接口、A8/A9接口、A10/A11接口、A12/A13接口。其中A8/A9、A10/A11接口的功能与CDMA2000 1X 相同。A12、A13接口是新增加的。其中A12接口连接源AN与AN AAA,只传送信令。该接口主要完成AN级的认证功能,同时AN AAA向AN返回AT在A8/A9、A10/A11接口需要使用的MN ID(IMSI)。A13接口也是信令接口,主要用于不同AN间切换时AT相关信息的交换。图1.1给出了1xEV-DO的组网结构。

图 1.1 1xEV-DO系统结构框图 

空中接口方面,1xEV-DO技术能够提供高达2.4576Mbps/Sector的数据传输速率。前向链路最多可同时支持59个用户/Sector,各用户以时分形式占用信道。前向链路采用了独特调度算法对各AT的业务安排适当机会进行发送,发送时以最大功率传送。反向链路借鉴了CDMA2000 1X 的技术,增加了反向导频信道。反向链

1

路采用与IS-95/CDMA2000 1X相同的软切换算法,接入过程与IS-95也基本相同。另外,反向链路还采用了速控技术,可以实时调整反向链路的速率。 

IOS接口方面,除前文介绍以外,1xEV-DO系统提供了AT进行会话发起、接入认证、连接建立、连接释放等流程。切换方面,1xEV-DO IOS考虑了多种情况下的切换。包括Intra PCF、Active、Intra-PDSN/Inter PCF、CDMA2000 1X to 

1xEV-DO、1xEV-DO to CDMA2000 1X等各种情况。 

以后各章节将对1xEV-DO系统核心技术逐一进行介绍。 

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第2部分 空中接口协议体系

2.1 协议结构及功能

1xEV-DO的空中接口协议采用分层方式定义。具体而言,1xEV-DO将空中接口分为七层,分别为应用层(Application Layer)、流层(Stream Layer)、会话层(Session Layer)、连接层(Connection Layer)、安全层(Security Layer)、

媒体接入控制层(MAC Layer)及物理层(Physical Layer)。而每层中又进一步分成系列子层,具体分层结构由图2.1所示。

 

图2.1 1xEV-DO 空中接口协议体系 

 

3

空中接口各层功能介绍如下: 

应用层:该层主要负责信令、分组数据的可靠性传输。对于信令传输采用缺省信令应用协议(Default Signaling Application),对分组数据采用缺省分组数据协议(Default Packet Application)。缺省信令应用协议又分为信令网络协议、信令链路协议,分别实现对信令的传输、封装与分割;缺省分组数据协议包括流控协议、无线链路协议与位置更新协议。这些协议完成对分组数据的流量控制、纠错、重传、AT的移动性管理等功能。 

流层:根据应用的不同,QoS的差别,对应用层的不同协议数据进行分流、作标记。流层将应用层数据分为四类流,其中流0、流1分别对应缺省信令应用协议和缺省分组数据应用协议。 

会话层:定义了发起一个会话过程的流程。包括UATI参数的分配、会话控制协议的协商、密钥参数的互换等。 

连接层:该层规定了AT接入系统的过程,包括系统的捕获、空闲状态的监听、AT的接入、业务信道的分配、激活状态下业务数据的传输、导频集合维护、切换等过程。 

安全层:安全层用于确保AT、AN之间连接的安全性。主要提供如下功能:密钥交换、业务认证与加密。 

MAC层:从协议结构看,该层分为控制信道的MAC协议、接入信道的MAC协议、前向业务信道的MAC协议与反向业务信道的MAC协议四种。各个信道的MAC分别定义了该物理信道的发送方式、流程、消息的交互等等。如控制信道MAC协议定义控制信道的发送模式(同步、异步);接入信道的MAC协议则定义了接入探点的数据结构、接入过程;反向业务信道MAC协议则定义了反向速控的过程、长码的分配;前向业务信道MAC协议定义如何标识一个AT,如何实现对AT的业务传输,如何实现前向业务信道的监控等功能。 

物理层:物理层规定高速分组数据流的编码、调制及在空中信道发送的过程。包括数据单元定义、可用频带分配、交织、编码、信道复用、星座图映射、基带成形和发送等过程。 

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从应用功能来分,各层主要完成两大功能:数据单元的封装与状态机的定义。数据的封装规定了数据单元从应用层到物理层的过程中数据封装;状态机则描述同一层间系统运行时可能的状态、命令等等。 

2.2 协议数据的封装

2.2.1控制信道 (信令)封装过程

图2.2给出了控制信道的信令封装过程。信令首先经过应用层的SNP、SLP协议的封装、分割,传送到流层,复用到流0。数据单元在经过会话层时,不经任何处理,直接转交给连接层。连接层在将数据单元加上必要的报头信息后,交付安全层。数据单元在安全层经过加密协议、认证协议的处理后转交给控制信道的MAC层。控制信道的MAC层将数据进一步加上控制信道的报头、MAC层的报头、填充位等信息后,最后交接给物理层。 

 

 图 2.2控制信道(信令) 的封装 

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2.2.2 业务信道 (数据) 封装过程

与信令封装机制不同,业务数据封装使用应用层的RLP数据封装协议。该数据在流层被复用为流1。然后,数据单元直接经过会话层,到达连接层。在连接层,数据单元被加上报头信息,转交给安全层。经过安全层的加密、认证处理后,转交给业务信道的MAC层协议。业务信道MAC层协议将数据单元加尾后,最后交接给物理层。物理层将不同MAC层数据单元映射为对应的物理业务信道数据单元,经过系列的信号处理后,经无线信道发射出去。图2.3给出了一个具体的业务数据单元的封装过程。 

 

 

图2.3 业务信道 (数据) 的封装 

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2.3 典型会话过程的建立

会话过程的建立主要分成以下几个步骤:UATI的申请,连接的建立,密钥的互换,会话参数、会话协议的协商等步骤。图 2.4 给出了一个典型会话协商过程的流程图。 

Address

Management

Protocol

Protocol

Negotiation

and

Configuration

图2.4一个典型的会话过程的流程图

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2.4 典型连接过程的建立

连接过程建立是通过处于空闲状态下的AT发送连接请求(Connection Request)消息发起的。同时,AT 向AN发送路由更新消息,通知AN更新其导频集合。AN对AT发送的消息予以响应,然后进行业务信道的分配。收到业务信道分配的消息后,AT向小区发送导频、DRC数据,以便选择信道质量最好的扇区,进行通信。在收到AN的回应后,AT发送业务信道分配完成的消息。图2.5给出了一个典型的连接过程。 

I d l e S t a t e P r o t o c o l I d l e S t a t e P r o t o c o l

图2.5 一个典型连接过程的建立 

2.5 本章小结

1xEV-DO空中接口采用分层结构来定义。这样的好处是使各层间相互独立,便于维护。空中接口共定义七层协议,对应完成不同的功能。每层协议体系又定义一系列状态转移图与协议数据封装机制。状态转移图定义AT、AN在某层协议可能处于的状态,以及各状态转移时的命令等参数。协议数据封装机制则根据不同的应用,在各层对所传送的数据进行封装。协议数据封装又分为信令数据封装与业务数据封装两种。 

第3部分 前向链路结构

3.1 信道结构与帧结构

从信道结构来看,前向链路由导频(Pilot)信道、MAC信道、前向业务(FTC)信道与控制(CC)信道组成。MAC 信道又包括反向活动比特(RAB)子信道与反向功率控制(RPC)子信道,具体的信道构成方式见图3.1。与CDMA2000 1X相同,不同信道采用变长Walsh码字。各信道功能如下:其中Pilot信道主要用于系统捕获及Pilot信道质量测量;MAC信道中RAB子信道用于指示AT是否增加或降低传输速率;RPC信道则负责对反向链路进行功率控制,调整AT的功率;CC信道主要负责向AT发送一些控制消息,诸如TCA消息、速率极值消息等等,其功能类似于CDMA2000 1X中的Paging Channel。FTC信道进一步划分为FTC前缀部分(Preamble)、数据(Data)两部分。FTC主要负责向AT发送业务数据,会话建立后的参数配置消息也在FTC信道发送。

前向信道的一个帧由16个时隙构成,每个时隙又由2048码片组成,各时隙占时1.6667ms。一个前向分组数据单元传输(PDU)占用1到16个时隙,有数据业务时,时隙处于激活状态,各信道按一定顺序、码片长度进行复用,如图3.2所示。没有业务时,对应时隙处于空闲状态,只传送MAC信道。

图 3.1前向链路结构 

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3.2 信道分配机制

在1xEV-DO系统中,实现数据业务时,前向链路在某一时刻只能与一个AT进行数据传输,此时AN用MACIndex来标识AT。对于某AT的MACIndex分配是在AT发出进行业务信道请求的分配后,由AN在信道分配的TCA消息中指明。对于一个扇区,最多可以同时支持59(MACIndex 5-63)个用户业务数据的传输。 

 

图 3.2前向链路/时隙结构 

前向链路利用MACIndex来标识用户,用Walsh码进行信道分配与扩频。具体信道分配过程如下: 

参照图3.3,对于FTC而言,该信道由“前缀(Preamble)”+“数据

(Data)”两部分时分复用而成。其中Preamble信道用于对AT的标识,其Walsh 码字为32chips。Walsh

码与MACIndex 的关系为: 

32

2/w i

for i=0,2,…,62 322

/)1 - (i w for i=1,3,…,63 RPC/ R A B RPC/ RAB RPC/ RAB RPC/ RAB Idle Slot RPC/RAB

RPC/R A B RPC/RAB RPC/RAB

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这里,i=1,2,…,63 为分配给某AT的MACIndex值。 MAC信道中的RPC子信道完成对AT的功率控制,该信道由多个Walsh码经扩频后,以码分方式复用在一起的。每个Walsh码对一个AT进行功率控制,为64chips。Walsh码与MACIndex 的关系为: 

64

i/2 w

for i=0,2,…,62 6432 2/)1-(i w +

for i=1,3,…,63 这里,i=1,2,…,63 为分配给某AT的MACIndex值。 

MAC信道中的RAB子信道完成对AT的速率控制,最大速控速率为600次/秒。该信道与RPC信道码分复用在一起。 

与FTC 、RPC 信道不同,CC 信道并不利用MACIndex 标识终端AT 。通常,CC 信道利用UATI (由CC 的MAC 协议进行封装)来指明与之通信的AT 。但其中几个MACIndex 在CC 信道中有特殊用途,例如MACIndex 2 表明CC 以76.8 Kbps 的速率进行传输,MACIndex 3表示以38.4Kbps 速率进行传输。 

3.3 编码、调制与基带成形

1xEV-DO的前向链路最高可以支持2.4576Mbps/扇区的数据业务传输。为保障高速率数据传输的可靠性,采用了多种信源编码、信道编码技术。编码方面,CDMA2000 1X 可以采用卷积编码、Turbo码两种,而1xEV-DO 只采用Turbo码编码器,但其结构与CDMA2000 1X 的相同。另外,与CDMA2000 1X不同的是,1xEV-DO在FTC信道采取将一条高速信道并行划分为16条子通路,对各个通路分别正交扩频处理,然后再复合的思想。大大提高了信道的容量;调制方式上,1xEV-DO系统采用QPSK、8-PSK、16-QAM等多种调制方式;基带成形方面,1xEV-DO系统沿用了CDMA2000 1X的FIR滤波器

3.4 本章小结

前向链路由多个信道以时分复用方式构成的。每扇区最大可以支持

2.4576Mbps的数据业务,同时支持59个用户。一个分组数据单元在前向链路传输

时,需要1到16个时隙。前向链路的信道分配与MACIndex关系密切。为支持高速数据业务,前向链路中采用了Turbo码、多路子信道并行划分、16QAM等多种编码思想。前向链路可以对反向链路进行功率控制、速率控制。功控的思想与

IS95/CDMA2000 1X相同。 

Forward Traffic

 

图 3.3前向链路复用(部分图) 

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第4部分 反向链路结构

4.1 信道结构与功能

从信道结构来看,反向链路由反向业务信道(RTC)、接入信道(AC)两大类构成。其中RTC信道由反向导频信道、MAC信道、响应信道 (Ack)与数据(Data)信道构成。其中反向MAC信道又包括反向速率指示(RRI)信道和前向速率控制(DRC)信道;AC由导频信道与数据信道构成。整个反向信道结构如图4.1示。反向信道是以时隙或半时隙为单位进行传送的。一个时隙长度为1.6667 ms。各信道以码分方式在一个时隙内进行复用。

图 4.1反向信道结构 

各信道功能如下:RTC信道中导频信道易于AN对AT的捕获,MAC信道中的RRI信道用于通知AN目前AT数据信道的传输速率。RRI与导频信道以时分方式进行复用,如图4.2。AT的DRC信道根据对各扇区的导频信道测量结果,选定导频信号最强扇区与之通信,同时要求该扇区按AT规定好的传输速率进行传输,从而对前向链路进行速控。为减小干扰,DRC信号在发送时可以采用门控(Gate 

Operation)与非门控两种方式传送;Ack信道则向AN发出响应,表明AT已经正确收到了AN所发送的数据;AC信道中的导频信道作为前缀,后面紧跟接入的数

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据。整个接入过程中,导频信道都存在,但发送的功率不同。这一点与RTC中导频信道与RRI信道时分复用的形式不同。

图4.2 RTC 信道中的RRI与导频信道的时分复用 

4.2 信道标识与扩频

在反向信道中,Walsh码主要用于扩频,同时可以指定与A T通信的扇区。长码共42比特,用于标识用户的地址。

图4.3出了反向链路复用结构,其中Walsh码在DRC信道上主要完成两个功能:指定与AT通信的扇区,同时进行扩频。因此一个AT最多可以监测8个扇区,选择其中一个与之通信。在其他信道上,Walsh码主要用于扩频。与CDMA2000 1X相同,1xEV-DO的反向链路中的Walsh码是可变长的。

4.3 编码、调制与基带成形

反向链路的最大速率为153.6Kbps,与CDMA2000 1X中的RC3速率相同。反向链路采用Turbo码编码方式,调制方式采用BPSK方式。基带成形方面,1xEV-DO系统中的基带成形滤波器与CDMA2000 1X 完全相同。

4.4 接入过程

1xEV-DO的接入过程与IS-95B的十分类似,一个接入过程由许多接入序列组成,接入序列由接入探点组成。每个接入探点由前缀部分加物理层数据包组成。前缀部分传输时,仅传送导频信号,物理层数据包传送时,导频与数据都要传送。 

接入过程主要步骤:当AT发现系统开销(Overhead )消息改变时,在每个接入周期开始进行接入探点发送。如果在规定时间内仍未接到AN的ACK消息,则

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