信息产业部电信研究院标准体制研究所刘东明杜滢

　　摘要从HRPD系统的主要性能特点、网络结构、协议结构、呼叫流程、标准进展等方面对cdma2000高速分组数据技术进行了介绍，并对cdma2000高速分组数据的发展作了分析。

　　关键词IS-95 CDMA cdma20001x HRPD 1x EV-DO 1x EV-DV

　　一、引言

　　随着移 动通信的日益普及，仅仅是移 动话音通信已经不能满足人们获取信息的需要，移 动数据通信业务因其可以提供办公、娱乐、与他人进行跨越地域界限的交流而显现出巨大的生命力和发展前景。1x EV-DO技术正是在这样的市场需求推动下应运而生的。

　　IS-95A，即2G的CDMA技术，主要提供话音业务和简单的数据业务。尽管cdma20001x数据承载能力已经有了很大的提高，但对于丰富多彩的多媒体业务还是存在空中接口上的瓶颈。为了解决空中接口上的瓶颈问题，3GPP2发布了1x EV-DO(早期又称为HDR——High Data Rate，现在称为HRPD——High Rate Packet Data)的标准。1x EV-DO是一种1x增强型技术，DO即Data Only，表示该技术只支持数据而不支持话音业务，主要目标是提高无线接口的数据传输速率，相对于cdma20001x的153.6kbit/s，1x EV-DO技术可以提供前向高达2.4Mbit/s的数据速率。

　　二、HRPD性能特点

　　下面简要概括HRPD的性能特点。

　　1.支持高速数据传输

　　HRPD在空中接口上采用了新的调制技术并增加了数据速率控制、调度优化以及时分复用等方法，使得空中接口上的数据传输速率有了很大的提高。它可以在一个CDMA载频(1.25MHz)上采用专用的数据信道支持高速分组数据业务，前向最高数据速率可达2.4576Mbit/s，反向支持单个用户峰值数据速153.6kbit/s。

　　2.支持的业务

　　可以支持端到端IP协议，提供长时间在线的数据服务，但不能支持话音业务。因此，在进行网络部署的时候需要独立的载频支持HRPD。

　　3.射频参数

　　与IS-95A/cdma2000 1x具有相同的射频特性，包括载频宽度、发射功率要求、码片速率、覆盖特性等，不但在现有网络上增加HRPD载频的网络规划容易，而且射频部分不需要改动。

　　4.功率控制

　　为了提高空中接口上的数据传输效率，HRPD在前向始终以最大功率发送，即保持最大的发射带宽，因此在前向链路上没有功率控制。反向链路仍然采用和IS-95A/1x一样的反向功率控制。

　　三、网络结构

　　图1为HRPD的网络结构示意图。在图中，深色部分为支持HRPD而增加的设备。其中：HRPD BTS和HRPD BSC为类似于cdma2000 BSC和BTS的AN部分(接入网络)；AN AAA为接入网AAA服务器，这个服务器用于对接入HRPD无线网络的用户进行鉴权。

　　同时，为了支持高速分组数据业务还引入了AT——接入终端的概念，接入终端类似于原来2G网络中的移 动台，用户可以通过将计算机与接入终端(接入终端作为调制解调器)连接或直接使用支持分组数据业务的接入终端访问分组数据网。

　　这些新引入的网络实体之间与已有网络实体之间的接口如下：HRPD BSC(PCF)与PDSN的接口仍然采用cdma2000 A接口中已定义的A10/A11接口。同时，新增加两个接口(仍为A接口中的一部分)：A12接口，用于连接HRPD BSC与AN AAA传递鉴权信息；A13接口，用于连接两个HRPD BSC以支持HRPD BSC间的切换。

　　四、空中接口协议

　　HRPD的空中接口定义了7层协议，在每一层协议中又定义了若干协议子层。这7层协议由上到下包括应用层(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)。图2为详细的协议结构图。

　　HRPD的空中接口协议的功能如下：

　　1.应用层(Application Layer)

　　应用层用以确保信令、分组数据的可靠性传输。在该层定义了默认信令应用和默认分组应用两个部分。

　　(1)默认信令应用(Default Signaling Application)包括：

　　●信令网络协议(Signaling Network Protocol)：信令网络协议提供信令消息的消息传输业务。

　　●信令链路协议(Signaling Link Protocol)：信令链路协议(SLP)提供对信令消息的分段机制和可靠、高效的发送机制。用于承载信令网络协议数据包。

　　(2)默认分组应用(Default Packet Application)包括：

　　●无线链路协议(Radio Link Protocol)：无线链路协议(RLP)为数据流提供差错检测和重传。

　　●位置更新协议(Location Update Protocol)：位置更新协议定义了位置更新的过程和消息以支持默认分组应用的移 动性管理。

　　●流控制协议(Flow Control Protocol)：流控制协议定义了禁止/使能默认分组数据应用的数据流控制过程。

　　2.流层(Stream Layer)

　　流层完成不同应用的流数据的复用。Stream0专门用于信令，默认对应于默认信令应用(Default Signaling Application)。其它Stream可以分配给不同QoS要求的应用。流协议最多可以复用4个流。在默认情况下不使用Stream1，Stream2和Stream3。流层包含的协议有：流协议(Stream Protocol)，在发送方向的数据上增加流头(stream header)；在接收数据时，去掉流头并将数据包发给接收实体上对应的应用。

　　3.会话层(Session Layer)

　　会话层提供地址管理、协议协商、协议配置、状态维护业务以及对终端的位置估算。在接入终端和接入网络之间建立起来的一个会话，在正常情况下可以一直保持。会话层包含的协议有：

　　(1)会话管理协议(Session Management Protocol)：提供控制地址管理协议和会话配置协议的激活与去活的方式。同时还提供会话保持激活机制。会话管理协议对本层其它两个协议的控制按照首先激活地址管理协议，然后激活会话配置协议的顺序进行。

　　(2)地址管理协议(Address Management Protocol)：规定了管理接入终端标识(UATI)的分配并维护终端地址的过程。

　　(3)会话配置协议(Session Configuration Protocol)：用于协商和配置在会话中使用的协议以及所使用的协议的配置参数。

　　4.连接协议(Connection Layer)

　　连接协议负责空中链路的连接建立和维护。包含的协议有：

　　(1)空中链路管理协议(Air Link Management Protocol)：提供在一个连接期间接入终端和接入网络所有状态机的管理。这个协议可以处于三种状态之一，对应于是否接入终端是否在捕获网络(初始化状态)、已捕获了网络但连接关闭(空闲状态)、与接入网络有一个连接(连接状态)，根据所处的状态，该协议可以对应激活初始化状态协议、空闲状态协议、连接状态协议。

　　(2)初始状态协议(Initialization State Protocol)：提供接入终端

　　(AT)捕获网络和接入网络(AN)支持网络捕获的过程。

　　(3)空闲状态协议(Idle State Protocol)：提供在没有打开一个连接时接入终端和接入网络的过程。主要是使接入网络保持对接入终端大概位置的跟踪以支持有效的寻呼(使用路由更新协议)。

　　(4)连接状态协议(Connected State Protocol)：提供在打开了一个连接时接入终端和接入网络的过程。主要管理接入终端和接入网络之间的无线链路以及关闭连接的过程。

　　(5)路由更新协议(Route Update Protocol)：提供在接入终端和接入网络之间路由维护的方法。这个协议对导频进行监控完成切换的过程。

　　(6)开销消息协议(Overhead Messages Protocol)：提供包含主要由连接层协议使用的信息的广播消息。该协议通过控制信道广播基本参数，这些参数由连接层和其它层的协议共享。

　　(7)分组整合协议(Packet Consolidation Protocol)：为连接层提供优先发送和分组数据封装。

　　5.安全层(Security Layer)

　　安全层提供鉴权和加密业务。包含的协议有：

　　(1)密钥交换协议(Key Exchange Protocol)：提供接入终端和接入网络为鉴权和加密过程交换密钥的过程。

　　(2)鉴权协议(Authentication Protocol)：提供接入终端和接入网络应支持的鉴权过程。

　　(3)加密协议(Encryption Protocol)：提供接入终端和接入网络应支持的加密过程。

　　(4)安全协议(Security Protocol)：提供鉴权协议和加密协议所用cryptosync的产生过程。

　　6.媒质接入层(MAC层)

　　MAC层定义了在物理层上的接收和发送过程，包括对控制信道、接入信道、前向业务信道和反向业务信道的管理操作规则。MAC层包含的协议有：

　　(1)控制信道MAC协议(Control Channel MAC Protocol)：提供接入网络发送和接入终端接收控制信道的过程。

　　(2)接入信道MAC协议(Access Channel MAC Protocol)：提供接入终端发送和接入网络接收接入信道的过程。

　　(3)前向业务信道MAC协议(Forward Traffic Channel MAC Protocol)：提供接入网络发送和接入终端接收前向业务信道的过程。

　　(4)反向业务信道MAC协议(Reverse Traffic Channel MAC Protocol)：提供接入终端发送和接入网络接收反向业务信道的过程。

　　7.物理层(Physical Layer)

　　物理层完成空中接口前，反向物理信道的信道结构、使用的频率、发射功率、调制和编码。

　　(1)前向信道由导频信道、媒质接入控制信道、业务信道和控制信道组成，其中媒质接入控制信道又分为RAB子信道、DRCLock(数据速率控制锁定)和反向功率控制信道。Pilot信道主要用于系统捕获及小区信号强度的测量；RAB子信道用于指示接入终端(AT)是否增加或降低传输速率；DRCLock信道用于指示接入网络是否能够接收接入终端发送的DRC请求；RPC信道用于对反向链路进行功率控制；CC信道用于向AT发送一些控制消息，其功能类似于cdma20001X中的Paging Channel。这些信道使用不同长度的Walsh码进行时分复用。

　　(2)反向信道由反向接入信道和反向业务信道组成，其中接入信道发送反向导频信道和接入消息。反向业务信道包括反向导频信道、MAC信道、ACK信道和数据信道。其中，MAC信道包括反向速率指示信道和数据速率控制信道(DRC)。反向速率指示信道用于指示反向业务信道的数据速率；DRC信道用于指示请求的前向业务信道数据速率；ACK信道用于接入终端通知接入网是否正确收到前向业务信道发出的物理层数据包；数据信道用于发送反向业务数据。

　　五、HRPD典型呼叫流程

　　以下介绍几种典型的呼叫流程。

　　1.会话建立(分配UATI)

　　如图2所示，会话建立的步骤如下：

　　a AT中会话层的地址管理协议向AN发送UATIRequest消息，请求AN为其分配UATI(AT标识)。

　　b AT中连接层的路由更新协议向AN发送RouteUpdate消息，通知AN目前的位置，并提供它对周围无线链路状况的估计，以支持移 动性管理。并且UATIRequest消息和RouteUpdate消息包含在同一接入信道MAC层分组中传送。

　　c AN中MAC层中的接入信道MAC协议向AT发送ACAck消息，确认已在接入信道上接收到含有UATIRequest和RouteUpdate消息的接入信道MAC层分组。

　　d AN中会话层的地址管理协议向AT发送UATIAssignment消息，为AT分配UATI。

　　e AT中会话层的地址管理协议向AN发送UATIComplete消息，通知AN已接收到UATIAssignment消息。

　　f AT中连接层的路由更新协议向AN发送RouteUpdate消息。

　　g AN中MAC层中的接入信道MAC协议向AT发送ACAck消息，确认已在接入信道上接收到含有UATIComplete和RouteUpdate消息的接入信道MAC层分组。

　　2.连接建立(会话已建立)

　　如图3所示，连接建立的步骤如下：

　　a AT中连接层的空闲状态协议向AN发送ConnectionRequest消息，请求建立与AN间的空中链路连接。

　　b随后，AT中连接层的路由更新协议向AN发送RouteUpdate消息，通知AN目前的位置，并提供它对周围无线链路状况的估计，以支持移 动性管理。并且ConnectionRequest消息和RouteUpdate消息包含在同一接入信道MAC层分组中传送。

　　c AN中MAC层中的接入信道MAC协议向AT发送ACAck消息，确认已在接入信道上接收到含有ConnectionRequest和RouteUpdate消息的接入信道MAC层分组。

　　d AN中连接层的路由更新协议基于接收到的RouteUpdate消息中的信息向AT发送TrafficChannelAssignment消息。

　　e AT根据TrafficChannelAssignment消息中的信息更新其激活集。此时，AT开始在反向业务信道中的导频信道和DRC信道上传输，并遵循反向功率控制信道，但AT不在反向业务信道中的业务信道上传输任何数据。

　　f AN尝试捕获反向业务信道。若AN捕获到反向业务信道，则它中MAC层中的反向业务信道MAC协议向接入终端发送RTCAck消息。

　　g AT接收到RTCAck消息后开始在反向业务数据信道上传输数据。AT中连接层的路由更新协议发送TafficChannelComplete，以确认接收到TrafficChannelAssignment消息。

　　六、标准进展

　　1xEV-DO是在CDMA基础上发展起来的一种空中接口技术。1997年由高通公司提出(当时称作High Data Rate，高速数据)，主要针对日益发展的数据业务需求而设计。2000年3月，在3GPP2的TSG-C组成立了ad-hoc工作组，专门负责对该技术进行标准化工作，并于2000年10月完成并正式发布。该标准在3GPP2的名称为《3GPP2 C.S0024 cdma2000 High Rate Packet Data Air Interface Specification》，简称HRPD，内容包括网络结构、无线链路协议、信令和物理层。

　　期间，经过不断对该标准进行修改和完善，3GPP2于2002年10月发布HRPD标准第4版，标准编号为3GPP2 C.S0024-0 v4.0。

　　除了空中接口之外，为了支持HRPD BSC与分组网的正常操作，3GPP2于2001年7月发布了3GPP2 A.S0007-0 v1.0《1xEV-DO Inter-Operability Specification(IOS)for cdma2000 Access Network Interfaces》，并于2002年9月发布了A.S0007-A v1.0《Interoperability Specification(IOS)for High Rate Packet Data(HRPD)Access Network Interfaces-Rev A》。

　　七、HRPD发展前景

　　cdma20001x向前发展的同时，在技术上出现了两个分支：一个是cdma2000标准定义的3X，即将3个CDMA载频捆绑以提供高速数据。1x的另一个演进方向就是1x EV(包括1x EV-DO和1x EV-DV，EV-DV是混合高速数据和话音的技术)。这两个分支均能满足ITU对第三代移 动通信系统的要求(如分组数据速率为2Mbit/s)。

　　从目前的应用情况来看，已有多个HRPD网络投入商用或准备商用，韩国的HRPD商用网络发展迅速，其中SKT在短短半年时间内已经发展了十多万用户。无论是从性能、技术的成熟性还是商用的进展情况来看，HRPD已经成了从IS-95(2G CDMA)向前演进的事实上的方向。