EV-DO容量分析

CDMA2000 1x EV-DO Release 0（DO Rel.0）作为因特网的无线延伸，其最初的设计目的是为了提供非对称的高速分组数据业务。它的前向链路采用了HARQ、多用户分集、自适应速率调整、虚 拟软切换和自适应调制编码等多种关键技术，获得了良好的前向平均吞吐量。但是，随着多媒体数据业务的发展，各种新的业务形式不断出现，对系统带宽和QoS 保证等方面的要求也不断提高，DO Rel.0在支持新业务方面也暴露了一些不足：反向吞吐量不足以开展多种应用；反向速率相对于前向速率偏小，限制了对称性数据业务的应用。为解决上述问 题，2004年3月，3GPP2发布了1x EV-DO Rev A（DO Rev A）版本，除了将前向链路峰值速率提高到3.072Mbit/s之外，最大的改进是将反向链路的峰值速率提高到1. 8432Mbit/s。同时,1x EV-DO Rev A在反向物理链路实现中引入高阶调制和HARQ技术，并通过反向MAC的流体控制（Fluid Control）机制精确控制反向链路的T2P，进而提升ROT 控制门限，大幅提高反向链路的传送速率和容量，同时进一步改善前向链路吞吐量，以支持对称性宽带多媒体业务，适应分组数据业务发展对系统容量的要求。 一、影响1xEV-DO反向容量的因素

CDMA20001xEV-DO前向链路以时分为主，在前向链路设计中采用了先进的多用户调度技术、HARQ 技术（结合递增冗余和提前中止技术）与速率控制技术等多种优化技术，有效改善了系统容量。而反向链路是以码分为主，系统容量主要受终端发射功率、基站码道 数、用户分布和邻区干扰等因素影响。此外，1x EV-DO 反向开销信道（反向导频信道、DRC 信道和ACK 信道）也需要占用终端的部分功率资源和系统码资源，从而导致系统反向容量的下降。

表1给出了各开销信道相对于导频信道的增益。

DO Rel.0 DO Rev A N/A -6dB -1.5dB（non-handoff） N/A -3dB（soft-handoff） -1.5dB（non-handoff） -9dB -3dB（soft-handoff） 二、RevA反向容量的提升方式

为了改善DORel.0反向容量的不足，DO RevA反向链路采用了HARQ、T2P控制算法及干扰消除技术来提升容量，下面依次分析这些技术的引用对反向容量的改善。 1．反向HARQ对Eb/Nt的影响

图1给出了DORel.0和DORevA的反向数据信道结构。在DO Rel.0中，物理层的数据包为每帧16个时隙（16-slots），每个时隙为1.67ms。在DO Rev A中，增加了ARQ信道，用来支持反向物理信道的HARQ。反向物理信道是面向子帧的，每一个帧包含16个时隙（或4个子帧，每个子帧包含4个时隙），一 个子分组是接入网络物理层认可的反向业务信道最小传输单位，一个子分组包含4个连续的时隙。子帧是可以传输一个子分组的4个连续时隙，每一个物理层分组最 多能够包含4个子分组。如果有一个以上的子分组要传输，这些

子分组的传输要被两个子帧隔开，其他物理层分组的子分组可以在这些子帧上传输，即按3个子帧交 织的方式发送。上层收到每个子分组后，基站都会发送ACK或NAK给终端来指示当前包是否成功解码，终端在收到ACK应答或者传完四个子分组后将停止传 送。

图 1 DO Rel.0和Rev A反向数据信道结构

DO RevA支持反向数据速率的范围从4.8kbit/s到1.8432Mbit/s。使用HARQ后，数据速率是该包的大小和时延目标的函数。表2给出了DORev A中数据发送格式及等效数据速率。 数据包大小 (bits) 128 256 512 768 1024 1536 2048 3072 4096 6144 8192 12288 数据包格式 B4 B4 B4 B4 B4 Q4 Q4 Q2 Q2 Q4Q2 Q4Q2 E4E2 终止目标等效数据速率 4-slot 19.2 38.4 76.8 115.2 153.6 230.4 307.2 460.8 614.4 921.6 1228.8 1843.2

使用HARQ不仅提高了频谱效率，而且使系统在复杂性、容量时延和误包率（PER）上得到了平衡。表3给出了在3km/hr信道上发送1024bits包 的例子，表中列出了所需的Eb/Nt，平均传输时延及最后一个子分组传输完毕后得到的PER。作为比较，传送一个相同的包在DORel.0需要约 4.1dB的Eb/Nt才能获得1％的PER，且传输时延是26.66ms。在DORevA上，根据不同的应用，一个较长的终止目标可以用来获得更多的容 量增益（因为需要较低的Eb/Nt），而短的终止目标将选择小的传输时延从而获得较低的PER。

8-slot 9.6 19.2 38.4 57.6 76.8 115.2 153.6 230.4 307.2 460.4 614.4 921.6 12-slot 6.4 12.8 25.6 38.4 51.2 76.8 102.4 153.6 204.8 307.2 409.6 614.4 16-slot 4.8 9.6 19.2 28.8 38.4 57.6 76.8 115.2 153.6 230.4 307.2 460.8 终止目标 4-slot 8-slot 12-slot 16-slot Eb/Nt(dB) 12.6 5.64 3.44 2.22 传输时延(ms) 6.8 10.7 21.6 33.6 最终误包率(％) <0.0001 0.0008 0.037 1.0 HARQ是利用功率控制的局限性及信道状态的变化通过提前终止物理包的传送来获得高的反向频谱效率，从而提高系统的吞吐量。在相近的导频Ec/Nt条件 下，DORevA数据信道的平均Eb/Nt与DORel.0相比有约2.5dB的增益。这主要是由于DO Rev A在给定的物理包传输时使用了HARQ提前结束及时间分集。 2．T2P控制对ROT工作点的提升

由于1xEV-DO反向链路是码分的，任何一个用户的发射功率都对其它用户造成干扰。由于ROT表示发射功率要比噪声高出多少才能被正确解调，在多用户存 在时，噪声不再是热噪声，而是其它用户的干扰，所以ROT反映的是其它用户对本用户的干扰程度，并反映了反向链路的负荷情况。1xEV-DO要使反向容量 做得比较好，就必须控制ROT的工作点。ROT是和负荷捆绑在一起的，ROT控制的目的是当ROT工作点比较高时，能使系统保持稳定，使系统的稳定性和容 量得到比较大的提升，如果ROT控制得比较好，则负荷可以做得比较大，即反向的容量可以做得比较高。

DORevA的MAC层采用了T2P（业务信道相对于导频信道的功率）控制算法进行资源调度，如图2所示。T2P为系统资源，表示以某个速率把某个物理帧 发送出去的时候需要多少资源，终端发送这个物理帧的功率用TxT2P表示。为了有效控制TxT2P对基站负荷的影响，引入了令牌桶 （TokenBucket）的概念，令牌桶是针对每个流来做的，每个流的流入流出是个反馈系统，且T2P Inflow是以基站的忙闲为自变量。

图2 T2P控制算法

实际系统中由于有各种干扰的影响，所以ROT是动态变化的，当基站的ROT增加时，可以通过控制终端流出的资源（TxT2P）来减少对基站的影响，此时流 入的资源T2PInflow也要减小。DORel.0用RAB标识基站的负荷。在设计时，首先设置一个ROT门限，然后测量实际的ROT，如果在某个时刻 测量的ROT比设定的ROT门限高，则RAB为1，表示此时系统忙，此时终端将通过降低速率的方式来降低发射功率。反之，则表示基站不忙，此时终端可以加 大发射功率。DO Rel.0中反向速率是按帧来调整的，所以RAB在16个时隙里都是一样的。但在实际情况中，由于流是动态变化的，所以T2P的调整不仅要考虑基站负荷的 长期变化，还要考虑实际应用中的突发情况。DO Rev A的RAB在每个时隙更新一次，T2P控制机制收到基站发出的RAB后，取每4个时隙平均值中的最大值得到QRAB，根据QRAB决定是增加还是减少 T2P。

按长期统计取平均值得到FRAB，FRAB指示长期以来系统的负荷情况，它决定基站能容忍终端增加多少发射功率，或T2P需要减少多少。系统通过结合 QRAB和FRAB来调整

T2PInflow，并与其它因素结合来控制输出资源的大小，从而可以使终端更好地了解系统的负载情况和自身的可用资源，实时确 定最为合适的T2P值，使得系统的反向容量达到最大。实际的T2P调整流程如图3所示。

图3 QRAB和FRAB调整T2P的例子

3．干扰消除技术对SINR的改善

从前面的叙述中我们可以得知，DORevA反向链路使用了HARQ，每一个物理层分组最多能够包含4个子分组。如果有一个以上的子分组要传输，这些子分组 的传输要被两个子帧隔开，因此传完一个16-slot的用户分组需要40个时隙。我们通过一个例子来分析DORev A实现干扰消除所带来的增益。假设基站侧各用户共享的接收机采样缓冲器如图4所示。为了

实现系统在性能和复杂性之间获得好的平衡，我们在帧偏置n，n- 1，n-2上进行了两次迭代：

图4 接收机结构及干扰消除处理

（1）在当前时隙（n）到达后，对所有子分组在此时隙结束的用户进行解调和解码； （2）重组缓冲器里的数据，并删除在第1步中成功译码的用户数据分组，从而减少干扰；

（3）重新解调那些还未解码且它们最后的子分组是在时隙（n-1）结束的用户数据分组，并对其进行解码；

（4）重组缓冲器里的数据，并删除在第3步中成功译码的用户数据分组，从而减少干扰；

（5）为最后子分组是在时隙（n-2）结束的用户数据分组重复（3）～（4）步。 （6）重复（1）～（5）步一次。

仿真表明，使用图4的接收机结构和上述的处理程序，并采用干扰消除，在每扇区16个用户的情况下，可以使系统容量得到84％的提升。

在一个分组的连续子分组到达的时间间隔里，其它用户的数据包可能被成功解码并删除，所以当这个子分组到达时，它的SINR将得到提升，容量得到提升的现象也就很容易理解了。