CDMA技術發展綜述

2019-11-03 09:24:36

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供稿：網友

萬屹

　　導讀　本文較全面系統的介紹了CDMA技術的發展情況，對CDMA演進各個進程(從cdmaOne——cdma2000 1X——1X/EV-DO——1x/EV—DV)的性能及技術特點進行了較詳細的分析。分析認為cdma2000優于其它3G技術。期待中國聯通充分發揮自己的優勢，更好地服務于用戶和我國經濟發展。

　　l994年上半年，高通公司和當時的郵電部聯合在天津組織，一次CDMA技術實驗，首次將CDMA技術引入中國。屈指算來，已經過了整整十個年頭。

　　在這十年里，CDMA在中國的發展可謂一波三折。終于，在中國聯通的手里開始騰飛。與此同時，CDMA技術本身也在不停地發展和改進，并在業界始終保持領先的地位。

　　一、CDMA演進過程

　　經過十多年時間的發展和改進，CDMA技術已經經過了多個發展階段(見圖1)。

圖1　CDMA發展歷程

　　一般認為，這兩個移動通信標準屬于第二代移動通信技術標準。IS-95A是1995年美國TIA正式頒布的窄帶CDMA(N-CDMA)標準。IS-95B是IS-95A的進一步發展，于1998年制定的標準。主要目的是能滿足更高的比特速率業務的需求，IS-95B可提供的理論最大比特速率為115kbit/s，實際只能實現64kbit/s。IS-95A和IS-95B均是系列標準，其總稱為IS-95。

　　cdmaOne是基于IS-95標準的各種CDMA產品的總稱，即所有基于cdmaOne技術的產品，其核心技術均以IS-95作為標準。

　　2.cdma2000

　　cdma2000是美國向ITU提出的第三代移動通信空中接口標準的建議，是IS-95標準向第三代演進的技術體制方案，這是一種寬帶CDMA技術。

　　cdma2000 1X原意是指采用單載波形式的cdma2000系統，也可以理解為cdma2000的第一階段，可支持308kbit/s的數據傳輸，網絡部份引入了分組交換，可支持移動ip業務。

　　有人稱cdma2000 3X為cdma2000第二階段，實際上并不準確。它與cdma2000 1x的主要區別是前向CDMA信道采用3載波方式，而cdma2000 1X用單載波方式。因此它的優勢在于能提供更高的速率數據，但占用頻譜資源也較寬。從目前的情況來看，在較長時間內運營商未必會考慮cdma2000 3X，而會考慮cdma2000 1X/EV。

　　IS-2000則是采用cdma2000技術的正式標準總稱。

　　3.cdma2000-1X/EV

　　cdma2000-1X/EV是在cdma2000-lx基礎上進一步提高速率的增強體制。這個技術也分為兩個部分，一個被稱為1X/EV-DO技術，主要對數據業務進行了增強，另一個叫做1X/EV-DV技術，同時對數據業務和語音業務進行了增強。

　　二、cdma2000 1X技術的特點

　　第三代移動通信系統主要追求目標是更高的比特率和更好的頻譜效率。cdma2000最終正式標準是2000年3月通過的，cdma2000有下列技術特點：

　　*多種信道帶寬。前向鏈路上支持多載波(MC)和直擴(DS)兩種方式；反向鏈路僅支持直擴方式。當采用多載波方式時，能支持多種射頻帶寬，即射頻帶寬可為N×l.25MHz，其中N=1、3、5、9或12。目前技術僅支持前兩種，即1.25MHz(cdma2000-1X)和3.75MHz(cdma2000-3X)。

　　*可以更加有效地使用無線資源。

　　*可實現cdma one向cdma2000系統平滑過渡。

　　*核心網協議可使用IS-41、GSM-MAP以及IP骨干網標準。

　　*前向發送分集。

　　*快速前向功率控制。

　　*使用Turbo碼。

　　*輔助導頻信道。

　　*靈活幀長。

　　*反向鏈路相干解調。

　　*可選擇較長的交織器。

　　cdma2000 lX采用擴頻速率為SR1，即指前向信道和反向信道均用碼片速率1.2288Mbit/s的單載波直接序列擴頻方式。因此它可以方便地與IS-95(A/B)后向兼容，實現平滑過渡。運營商可在某些需求高速數據業務而導致容量不夠的蜂窩(cdmaOne)上，用相同載波部署cdma2000-1X系統，從而減少了用戶和運營商的投資。

　　由于cdma2000 1X采用了反向相干解調、快速前向功控、發送分集、Turbo編碼等新技術，其容量比IS-95大為提高。在相同條件下，對普通話音業務而言，容量大致為IS-95系統的兩倍。

　　三、1X/EV-DO

　　盡管cdma2000lx數據承載能力已經有了很大的提高，但對于豐富多彩的多媒體業務還是存在空中接口上的瓶頸。為了解決空中接口上的瓶頸問題，3GPP2發布了1X/EV-DO(正式的名稱為HRPD-High Rate Packet Data)的標準。1x EV-DO是一種1x增強型技術，DO即DataOnly，表示該技術只支持數據而不支持話音業務，主要目標是提高無線接口的數據傳輸速率，相對于cdma20001x的153.6kbit/s，lxEV-DO技術可以提供前向數據速率高達24Mbit/s。

　　下面簡要概括HRPD的性能特點。

　　1.支持高速數據傳輸

　　HRPD在空中接口上采用了新的調制技術并增加了數據速率控制、調度優化以及時分復用等方法，使得空中接口上的數據傳輸速率有了很大的提高。它可以在一個CDMA載頻(1.25MHz)上采用專用的數據信道支持高速分組數據業務，前向最高數據速率可達2.4576Mbit/s，反向支持單個用戶峰值數據速率153.6kbit/s。

　　2.支持的業務

　　可以支持端到端IP協議，提供長時間在線的數據服務，但不能支持話音業務。因此，在進行網絡部署的時候需要獨立的載頻支持HRPD。

　　3.射頻參數

　　與IS-95A/cdma2000 1x具有相同的射頻特性，包括載頻寬度、發射功率要求、碼片速率、覆蓋特性等，不但在現有網絡上增加HRPD載頻的網絡規劃容易，而且射頻部分不需要改動。

　　4.功率控制

　　為了提高空中接口上的數據傳輸效率，HRPD在前向始終以最大功率發送，即保持最大的發射帶寬，因此在前向鏈路上沒有功率控制。反向鏈路仍然采用和IS-95A/lx一樣的反向功率控制。

　　圖2為HRPD的網絡結構示意圖。在圖中，深色部分為支持HRPD而增加的設備。其中：HRPD BTS和HRPD BSC為類似于cdma2000 BSC和BTS的AN部分(接入網絡)；ANAAA為接入網AAA服務器，這個服務器用于對接入HRPD無線網絡的用戶進行鑒權。

圖2 HRPD網絡結構示意圖

　　同時，為了支持高速分組數據業務還引入了AT—接入終端的概念，接入終端類似于原來2G網絡中的移動臺，用戶可以通過將計算機與接入終端(接入終端作為調制解調器)連接或直接使用支持分組數據業務的接入終端訪問分組數據網。

　　這些新引入的網絡實體之間與已有網絡實體之間的接口如下：HRPD BSC(PCF)與PDSN的接口仍然采用cdma2000 A接口中已定義的A10/A11接口。同時，新增加兩個接口(仍為A接口中的一部分)：A12接口，用于連接HRPD BSC與ANAAA傳遞鑒權信息；A13接口，用于連接兩個HRPD BSC以支持HRPDBSC間的切換。

　　HRPD的空中接口定義了7層協議，在每一層協議中又定義了若干協議子層。這7層協議由上到下包括應用層(application Layer)、流層(stream Layer)、會話層(session Layer)、連接層(Connection Layer)、安全層(Security Layer)、媒體接入控制層(MAC Layer)及物理層(Physical Layer)。下圖為詳細的協議結構圖。

　　HRPD的空中接口協議的功能如下：

圖3　HRPD空中接口協議結構示意圖

　　1.應用層(Application Layer)

　　應用層用以確保信令、分組數據的可靠性傳輸。在該層定義了默認信令應用和默認分組應用兩個部分。

　　(1)默認信令應用(Default Signaling Application)包括：

　　·信令網絡協議(Signaling Net-work PRotocol)：信令網絡協議提供信令消息的消息傳輸業務。

　　·信令鏈路協議(Signaling Link Protocol)：信令鏈路協議(SLP)提供對信令消息的分段機制和可靠、高效的發送機制。用于承載信令網絡協議數據包。

　　(2)默認分組應用(Default Packet Application)包括：

　　·無線鏈路協議(Radio Link Protocol)：無線鏈路協議(RLP)為數據流提供差錯檢測和重傳。

　　·位置更新協議(Location Update Protocol)：位置更新協議定義了位置更新的過程和消息以支持默認分組應用的移動性管理。

　　·流控制協議(Flow Control Protocol)：流控制協議定義了禁止/使能默認分組數據應用的數據流控制過程。

　　2.流層(Stream Layer)

　　流層完成不同應用的流數據的復用。Stream0專門用于信令，默認對應于默認信令應用(Default Signaling Application)。其它Stream可以分配給不同QoS要求的應用。流協議最多可以復用4個流。在默認情況下不使用stream1，stream 2和Stream3。流層包含的協議有：流協議(stream Protoco1)，在發送方向的數據上增加流頭(stream header)；在接收數據時，去掉流頭并將數據包發給接收實體上對應的應用。

　　3.會話層(Session Layer)

　　會話層提供地址管理、協議協商、協議配置、狀態維護業務以及對終端的位置估算。在接入終端和接入網絡之間建立起來的一個會話，在正常情況下可以一直保持。會話層包含的協議有：

　　(1)會話管理協議(Session Management Protoco1)：提供控制地址管理協議和會話配置協議的激活與去活的方式。同時還提供會話保持激活機制。會話管理協議對本層其它兩個協議的控制按照首先激活地址管理協議，然后激活會話配置協議的順序進行。

　　(2)地址管理協議(Address Management Protoco1)：規定了管理接入終端標識(UATI)的分配并維護終端地址的過程。

　　(3)會活配置協議(Session Configuration Protoco1)：用于協商和配置在會話中使用的協議以及所使用的協議的配置參數。

　　4.連接協議(Connection Layer)

　　連接協議負責空中鏈路的連接建立和維護。包含的協議有：

　　(1)空中鏈路管理協議(Air Link Management Protoco1)：提供在一個連接期間接入終端和接入網絡所有狀態機的管理。這個協議可以處于三種狀態之一，對應于是否接入終端是否在捕獲網絡(初始化狀態)、已捕獲了網絡但連接關閉(空閑狀態)、與接入網絡有一個連接(連接狀態)，根據所處的狀態，該協議可以對應激活初始化狀態協議、空閑狀態協議、連接狀態協議。

　　(2)初始狀態協議(Initialization State Protoco1)：提供接入終端(AT)捕獲網絡和接入網絡(AN)支持網絡捕獲的過程。

　　(3)空閑狀態協議(Idle State Protoco1)：提供在沒有打開一個連接時接入終端和接入網絡的過程。主要是使接入網絡保持對接入終端大概位置的跟蹤以支持有效的尋呼(使用路由更新協議)。

　　(4)連接狀態協議(Connected State Protoco1)：提供在打開了一個連接時接入終端和接入網絡的過程。主要管理接入終端和接入網絡之間的無線鏈路以及關閉連接的過程。

　　(5)路由更新協議(Route Update Protoco1)：提供在接入終端和接入網絡之間路由維護的方法。這個協議對導頻進行監控完成切換的過程。

　　(6)開銷消息協議(Overhead Messages Protoco1)：提供包含主要由連接層協議使用的信息的廣播消息。該協議通過控制信道廣播基本參數，這些參數由連接層和其它層的協議共享。

　　(7)分組整合協議(Packet Con-solidationProtoco1)：為連接層提供優先發送和分組數據封裝。

　　5.安全層(Security Layer)

　　安全層提供鑒權和加密業務。包含的協議有：

　　(1)密鑰交換協議(Key Exchange Protoco1)：提供接入終端和接入網絡為鑒權和加密過程交換密鑰的過程。

　　(2)鑒權協議(Authentication Protoco1)：提供接入終端和接入網絡應支持的鑒權過程。

　　(3)加密協議(Encryption Protoco1)：提供接入終端和接入網絡應支持的加密過程。

　　(4)安全協議(Security Protoco1)：提供鑒權協議和加密協議所用cryptosync的產生過程。

　　6.媒質接入層(MAC層)

　　MAC層定義了在物理層上的接收和發送過程，包括對控制信道、接入信道、前向業務信道和反向業務信道的管理操作規則。MAC層包含的協議有：

　　(1)控制信道MAC協議(Control Channel MAC Protoco1)：提供接入網絡發送和接入終端接收控制信道的過程。

　　(2)接入信道MAC協議(access Channel MAC Protoco1)：提供接入終端發送和接入網絡接收接入信道的過程。

　　(3)前向業務信道MAC協議(Forward Traffic Channel MAC Protoco1)：提供接入網絡發送和接入終端接收前向業務信道的過程。

　　(4)反向業務信道MAC協議(Reverse Traffic Channel MAC Protoco1)：提供接入終端發送和接入網絡接收反向業務信道的過程。

　　7.物理層(Physical Layer)

　　物理層完成空中接口前，反向物理信道的信道結構、使用的頻率、發射功率、調制和編碼。

　　(1)前向信道由導頻信道、媒質接入控制信道、業務信道和控制信道組成，其中媒質接入控制信道又分為RAB子信道、DRCLock(數據速率控制鎖定)和反向功率控制信道。Pilot信道主要用于系統捕獲及小區信號強度的測量；RAB子信道用于指示接入終端(AT)是否增加或降低傳輸速率；DRCLock信道用于指示接入網絡是否能夠接收接入終端發送的DRC請求；RPC信道用于對反向鏈路進行功率控制；CC信道用于向AT發送一些控制消息，其功能類似于cdma20001x中的Paging Channel。這些信道使用不同長度的Walsh碼進行時分復用。

　　(2)反向信道由反向接入信道和反向業務信道組成，其中接入信道發送反向導頻信道和接入消息。反向業務信道包括反向導頻信道、MAC信道、ACK信道和數據信道。其中，MAC信道包括反向速率指示信道和數據速率控制信道(DRC)。反向速率指示信道用于指示反向業務信道的數據速率；DRC信道用于指示請求的前向業務信道數據速率；ACK信道用于接入終端通知接入網是否正確收到前向業務信道發出的物理層數據包；數據信道用于發送反向業務數據。

　　四、1X/EV-DV

　　在完成了lx/EV-DO的研究工作以后，業界對其性能并不滿意，特別是對其僅僅提高數據業務的性能不滿意。于是，3GPP2開始了1X/EV-DV的研究工作。

　　1X/EV-DV克服了1X/EV-DO的兩個主要缺點，能夠同時提高語音和數據業務的性能，同時，能夠與1X系統在一個載波中共存。

　　1X/EV-DV空中接口標準分兩個版本：Rel.C和Rel.D。Rel.C2002年5月份在3GPP2上正式發布，支持EV-DV，前向速率達到3.lMbps，反向速率與lx相同。Rel.D版本在2003年10月會議上形成了Baseline，并開始V&V。已在2004年2月的3GPP2閉幕全會上發布，形成規范：C.S0001-D-C.S0005-D的v1.O版本。D版本前向最高速率3.1Mbps，反向最高速率達到1.8Mbps。

　　在cdma2000 1x EV-DV Rel.C中新增加了以下特性：

　　*更高的前向容量：1xEV-DVRel.C結合諸多新的技術如自適應調頻和編碼(AMC)、混合自動重發請求(HARQ)、使用TDM/CDM混合使用的新的高速分組數據信道(F-PDCH)，使前向數據傳輸速度可高達3.lMbps；

　　*可支持多種業務組合：在DVel.C中，通過多個業務信道的組合，可支持多種不同QoS要求的業務，如下表所示：

業務信道組合	一般應用
F-PDCH+F/R-FCH+F/R-DCCH	語音和數據混合業務
F-PDCH+F/R-FCH+R-DCCH	語音和數據混合業務
F-PDCH+F/R-DCCH	語音和數據混合業務
F-PDCH+F/R-FCH	語音和數據混合業務
F-PDCH+F-CPCCH+R-DCCH	只支持數據業務
F-PDCH+F-CPCCH+R-FCH	只支持數據業務

　　*后向兼容CDMA2000：

　　*制定lx EV—DV標準的其中一個目標是必須繼續支持語音及其它已有的服務；

　　*網絡方面，運營商可以由lx系統平滑演進到lx EV-DV；

　　*終端方面，由于1x EV-DV的后向后兼容性，用戶也可保證能以同一手機在整個網絡中得到服務。

　　*更有效地支持數據業務：

　　“1xEV-DV同時使用了時分多路復用(TDM)和碼分多路復用(CDM)，可根據所支持的業務性質而使用不同的資源分配方法。

　　*TDM和CDM的結合，通過選取最佳的調頻和編碼率，可更公平合理地分配系統資源，從而進一步提升系統容量。

　　Release C主要改進和增強了cdma2000 1x的前向鏈路，使前向最高峰值速率達到3.lMbps，但反向鏈路基本沒有變化，反向峰值速率為230.4Kbps，前反向鏈路數據速率不對稱，并且反向補充信道R-SCH是通過層3信令調度，在RLP層重傳，調度速度慢，時延大，難以支持可視電話等前反向速率對稱和對實時性要求高的業務。針對以上問題，Release D對反向鏈路進行了改進和增強，使反向最高峰值速率達到1.8Mbps(反向必須支持l.2Mbps，可選支持1.8Mbps，通過占用多個碼字實現)，分組數據可以通過調度和速率控制的方式，根據QoS要求和信道條件變化，有效的減小了數據傳輸時延，改善了QoS。

　　Release D反向鏈路主要特點：

　　1.完全保持了現有的cdma2000信道的信令結構。

　　2.反向鏈路控制方式靈活。反向鏈路每10ms可以通過Grant進行快速調度控制，也可以通過速率控制(Rate Contro1)實現一定范圍的速率變化，調整速度和效率高。

　　3.反向調度和速率控制的速度加快。在Release D以前的版本，移動臺通過層3信令消息向基站請求，從申請到發送的時延大于1OOms。Release D中增加了新的MAC層向基站傳輸MS的相關信息和請求：

　　*增加了新的lOms反向請求信道R-REQCH，傳輸移動臺可以支持的發射功率、buffer的數據量和數據的業務參考ID，

　　*在反向分組控制信道

　　R-PDCCH中發送移動臺狀態指示比特MSIB，指示移動臺在反向鏈路希望以下一個更高速發送，這樣，反向鏈路從中請到發送的調整時延可以減小到40ms。

　　4.物理層分組幀長固定為10ms，1O種固定分組大小(192，408，792，1560，3096，4632，6168，9240，12312和15384比特)。

　　5.采用同步4信道HARQ技術，提高鏈路效率。

　　6.采用自適應調制和編碼技術，采用高階調制(BPSK，QPSK和8PSK)。

　　7.移動臺可以基于QoS要求在時延和吞吐量之間選擇。

　　8.QoS改善，不同業務區分接入優先級，基于buffer和功率申請資源。

　　五、結束語

　　經過不斷的努力，CDMA技術在這十年里經過了長足的發展，各個方面的性能有了極大的提高。作為3G的主要技術之一，cdma2000技術已經突破l億用戶大關，遠遠超過了其他3G技術。

　　我們期待中國聯通公司能夠充分發揮自己的特長，充分發揮cdma2000技術的特長，更好地服務于用戶，服務于我國的經濟發展。

　　
摘自　泰爾網

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