碼分多址（CDMA）蜂窩移動(dòng)通信

2019-11-03 09:45:01

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供稿：網(wǎng)友

碼分多址（CDMA）蜂窩移動(dòng)通信由于第三代移動(dòng)通信的空中接口的標(biāo)準(zhǔn)大多是基于cdma技術(shù)的，本文詳細(xì)的介紹了一下CDMA技術(shù)的發(fā)展歷程，它的主要特點(diǎn)以及當(dāng)前占主流地位的兩種寬帶cdma技術(shù)的主要異同。以及WCDMA與第二代技術(shù)相比所具有的優(yōu)點(diǎn)。一、CDMA技術(shù)的發(fā)展歷程 CDMA即碼分多址，起源于擴(kuò)頻技術(shù)。由于擴(kuò)頻技術(shù)具有抗干擾能力強(qiáng)、保密性能好的特點(diǎn)，80年代就在軍事通信領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。為了提高頻率利用率，在擴(kuò)頻的基礎(chǔ)上，人們又提出了碼分多址的概念，即在同一頻帶內(nèi)，利用不同的地址碼來區(qū)分無線信道。盡管人們已經(jīng)看到這種技術(shù)的諸多優(yōu)越性，但實(shí)現(xiàn)起來的難度較大。1990年。美國(guó)的Qualcomm公司在曼哈頓區(qū)進(jìn)行了小型實(shí)驗(yàn)，雖然只有三個(gè)基站和兩個(gè)原始的移動(dòng)臺(tái)，但已證明許多性能都是成功的，1990年7月將“CDMA數(shù)字空中接口標(biāo)準(zhǔn)窩雙模式移動(dòng)臺(tái)一基站兼容標(biāo)準(zhǔn)”第一草案提交給有關(guān)的廠家。1993年，美國(guó)通信工業(yè)協(xié)會(huì)（TIA）正式通過CDMA的空中接口標(biāo)準(zhǔn)——TA IS－95，Qualcomm公司已經(jīng)設(shè)計(jì)開發(fā)了用于CDMA系統(tǒng)的超大規(guī)模集成電路芯片作為系統(tǒng)用戶設(shè)備和基站的元件，并于1995年生產(chǎn)出CDMA的基礎(chǔ)設(shè)備和配套設(shè)備。目前，CDMA作為新興的蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)，已被眾多的通信設(shè)備制造商和移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商看好。可提供CDMA設(shè)備的廠商已有MOTOROLA LUCENT NORTFIQUALCOMM、三星電子等四十多家。同時(shí)，CDMA也在世界各地加快了商用化的進(jìn)程。例如，在香港世界上第一個(gè)CDMA商用網(wǎng)已于1995年9月向公眾提供服務(wù)。其后，韓國(guó)、美國(guó)、俄羅斯、巴西等國(guó)家也相繼開通了CDMA商用網(wǎng)。在中國(guó)也利用800MHZ頻段，組建了 CDMA移動(dòng)通信網(wǎng)——一中國(guó)電信長(zhǎng)城網(wǎng)”，在北京、廣州、上海、西安等地開通。1998年 3月，中國(guó)聯(lián)通公司的第一個(gè)CDMA試驗(yàn)網(wǎng)在天津首次開通，在上海和廣州的試驗(yàn)網(wǎng)也正在建設(shè)之中。這一階段的技術(shù)基本是基于IS－95的 CDMA的技術(shù)。目前，擴(kuò)頻CDMA的研究進(jìn)入了一個(gè)新的階段。Is－95建議的CDMA技術(shù)的擴(kuò)頻碼的速率為1.2288MChip／S擴(kuò)頻帶寬約為1.25MHZ，信息數(shù)據(jù)速率最高為 13kb/s；它屬于窄帶CDMA范疇。窄帶CDMA的缺點(diǎn)是傳輸能力有限，不能提供多媒體業(yè)務(wù)，擴(kuò)頻增益不高，不能充分的利用擴(kuò)頻通信的優(yōu)點(diǎn)。為此，ITU制定了第三代移動(dòng)通信的標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)稱為IMT－2000（開始的名稱是FPLMTS，歐洲叫UMTS）IMT－2000空中接口的設(shè)計(jì)目標(biāo)是：在覆蓋區(qū)域內(nèi)，移動(dòng)臺(tái)高速運(yùn)動(dòng)時(shí)。用戶的最高速率要達(dá)到144KbPS，更高可達(dá)到 384KbPS，在有限的覆蓋區(qū)域內(nèi)，移動(dòng)臺(tái)以一定的速率運(yùn)動(dòng)時(shí)，用戶的速率最高可達(dá)到2Mbps。從UMTS的總體結(jié)構(gòu)來看，它具有更高的頻譜利用率。可在任何地方以任何方式為任何人提供通用個(gè)人通信服務(wù)，包括提供Internet接入、電視會(huì)議和其他寬帶業(yè)務(wù)。作為一個(gè)新的無線寬帶系統(tǒng)將采用通用傳輸機(jī)制，提供實(shí)時(shí)（如話音）、非實(shí)時(shí)（如E－MAIL）兩種業(yè)務(wù)連接，為用戶提供話音、數(shù)據(jù)、圖形、多媒體和基于視頻的信息。許多地區(qū)性標(biāo)準(zhǔn)化組織根據(jù)IMT－2000的要求制定了自己的標(biāo)準(zhǔn)，其中，日本的無線電標(biāo)準(zhǔn)組織（ARIB）于1998年6月向ITU提交了類似歐洲的WCDMA的標(biāo)準(zhǔn)。1995年3月，美國(guó)電信工業(yè)協(xié)會(huì)（TIA）負(fù)責(zé)制定Is－95標(biāo)準(zhǔn)的TR45.5委員會(huì)推出了與Is－95兼容的cdma2000方案。韓國(guó)也提出了兩種寬帶CDMA技術(shù)，一種類似與WCDMA，另一種類似與cdma2000。二、CDMA的技術(shù)持點(diǎn) 1．CDMA是擴(kuò)頻通信的一種，他具有擴(kuò)頻通信的以下特點(diǎn)：（1）抗干擾能力強(qiáng)。這是擴(kuò)頻通信的基本特點(diǎn)，是所有通信方式無法比擬的。（2）寬帶傳輸，抗衰落能力強(qiáng)。（3）由于采用寬帶傳輸，在信道中傳輸?shù)挠杏眯盘?hào)的功率比干擾信號(hào)的功率低得多，因此信號(hào)好象隱蔽在噪聲中；即功率話密度比較低，有利于信號(hào)隱蔽。（4）利用擴(kuò)頻碼的相關(guān)性來獲取用戶的信息，抗截獲的能力強(qiáng)。 2．在擴(kuò)頻CDMA通信系統(tǒng)中，由于采用了新的關(guān)鍵技術(shù)而具有一些新的特點(diǎn)：（1）采用了多種分集方式。除了傳統(tǒng)的空間分集外。由于是寬帶傳輸起到了頻率分集的作用，同時(shí)在基站和移動(dòng)臺(tái)采用了RAKE接收機(jī)技術(shù)，相當(dāng)于時(shí)間分集的作用。（2）采用了話音激活技術(shù)和扇區(qū)化技術(shù)。因?yàn)镃DMA系統(tǒng)的容量直接與所受的干擾有關(guān)，采用話音激活和扇區(qū)化技術(shù)可以減少干擾，可以使整個(gè)系統(tǒng)的容量增大。（3）采用了移動(dòng)臺(tái)輔助的軟切換。通過它可以實(shí)現(xiàn)無縫切換，保證了通話的連續(xù)性，減少了掉話的可能性。處于切換區(qū)域的移動(dòng)臺(tái)通過分集接收多個(gè)基站的信號(hào)，可以減低自身的發(fā)射功率，從而減少了對(duì)周圍基站的干擾，這樣有利于提高反向聯(lián)路的容量和覆蓋范圍。（4）采用了功率控制技術(shù)，這樣降低了平準(zhǔn)發(fā)射功率。（5）具有軟容量特性。可以在話務(wù)量高峰期通過提高誤幀率來增加可以用的信道數(shù)。當(dāng)相鄰小區(qū)的負(fù)荷一輕一重時(shí)，負(fù)荷重的小區(qū)可以通過減少導(dǎo)頻的發(fā)射功率，使本小區(qū)的邊緣用戶由于導(dǎo)頻強(qiáng)度的不足而切換到相臨小區(qū)，使負(fù)擔(dān)分擔(dān)。（6）兼容性好。由于CDMA的帶寬很大，功率分布在廣闊的頻譜上，功率話密度低，對(duì)窄帶模擬系統(tǒng)的干擾小，因此兩者可以共存。即兼容性好。（7）COMA的頻率利用率高，不需頻率規(guī)劃，這也是CDMA的特點(diǎn)之一。（8）CDMA高效率的OCELP話音編碼。話音編碼技術(shù)是數(shù)字通信中的一個(gè)重要課題。OCELP是利用碼表矢量量化差值的信號(hào)，并根據(jù)語音激活的程度產(chǎn)生一個(gè)輸出速率可變的信號(hào)。這種編五馬方式被認(rèn)為是目前效率最高的編碼技術(shù)，在保證有較好話音質(zhì)量的前提下，大大提高了系統(tǒng)的容量。這種聲碼器具有8kbit／S和13kbit／S兩種速率的序列。8kbit／S序列從1.2kbit／s到9.6kbit／s可變，13kbit／S序列則從1.8kbt／s到14.4kbt／S可變。最近，又有一種8kbit／sEVRC型編碼器問世，也具有8kbit／s聲碼器容量大的特點(diǎn)，話音質(zhì)量也有了明顯的提高。三、WCDMA與cdma2000的主要分歧與共同點(diǎn) 1．WCDMA與cdma2000的主要分歧點(diǎn)是：（1）擴(kuò)頻碼片速率與射頻信道結(jié)構(gòu)：W－CDMA根據(jù)ITU關(guān)于5MHZ信道基本帶寬的劃分規(guī)則，將基本碼片速率定為4.096Mchip／S，在一個(gè)完整的信道內(nèi)，使用直接擴(kuò)頻調(diào)制；Cdma2000為了兼容Cdmaone，以原CdmaOne的基本碼片速率的三倍，即3.6864Mchip／s作為 Cdma2000的基本速率進(jìn)行直接擴(kuò)頻調(diào)制。同時(shí)，Cdma2000還定義了以原Cdmaone系統(tǒng)3個(gè)基本信道（帶寬1.25MHZ）作頻分復(fù)用的多載波擴(kuò)頻調(diào)制方式。（2）支持不同的核心網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)：W－CDMA要求實(shí)現(xiàn)與GSM網(wǎng)絡(luò)的全兼容，所以它把GSM的MAP協(xié)議作為上層核心網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；Cdma2000要求完全兼容cdmaone，因此，它支持ANSI－41作為自己的核心網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。（3）基站之間的同步問題：cdma2000沿襲了cdmaone各個(gè)基站依靠GPS測(cè)量實(shí)現(xiàn)前向信道同步的要求；而 W－CDMA沒有基站同步的要求。（4）cdma 2000方案提出采用可變速率語音編碼，采用幀長(zhǎng)為20ms的全速率、1／2、1／4、和1／8速率，而WCDMA采用自適應(yīng)多速率編碼（AMR），幀長(zhǎng)10ms 2．技術(shù)上他們是相容的，就總的無線信道的空中接口結(jié)構(gòu)而言，這兩類方案有如下的共同特點(diǎn)。（1）都是采用定時(shí)長(zhǎng)的幀結(jié)構(gòu)作為基本的傳送單位，在一個(gè)幀上實(shí)施速率匹配；卷積糾錯(cuò)，交織運(yùn)算等操作。（2）以短的可變長(zhǎng)度正交序列調(diào)制出獨(dú)立的物理通道（“通道化”），并遵循ITU建議M.1035，將這些獨(dú)立的通道映射為具有不同功能的邏輯通道。（3）在一個(gè)獨(dú)立通道內(nèi)，又可將導(dǎo)頻引導(dǎo)字、功率控制消息、數(shù)據(jù)速率信息進(jìn)行時(shí)分復(fù)用。（4）在完成了利用短碼調(diào)制的“通道化”之后，不同通道可以按不同的加權(quán)增益組合起來進(jìn)行在I／O信道的復(fù)用。（5）為了分隔不同小區(qū)和不同用戶；采用長(zhǎng)碼（如大M序列或GOLD序列）進(jìn)行最后的擴(kuò)頻調(diào)制，完成整個(gè)“復(fù)雜擴(kuò)頻電路”結(jié)構(gòu)。（6）關(guān)于W－CDMA和Cdma2000建議中對(duì)于導(dǎo)頻的設(shè)計(jì)和使用。導(dǎo)頻在CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)計(jì)中占有舉足輕重的地位。W－CDMA和Cdma2000都是依靠導(dǎo)頻信道來完成相干接收的。在上下行方向，W－CDMA都采用了直接指派到用戶的時(shí)分復(fù)用的導(dǎo)頻，以配合多速率以及分組突發(fā)業(yè)務(wù)的接收。Cdma2000則仍沿用了Is－95標(biāo)準(zhǔn)下的導(dǎo)頻設(shè)計(jì)方法：上行信道上碼分復(fù)用導(dǎo)頻，下行信道采用公共連續(xù)導(dǎo)頻。這里，由于W－CDMA和Cdma2000在下行信道上的導(dǎo)頻設(shè)計(jì)不同，直接導(dǎo)致W－CDMA成為“異步”的CDMA；即相鄰小區(qū)之間異步；而Cdma2000依靠下行公共導(dǎo)頻和GPS，實(shí)現(xiàn)相鄰小區(qū)間的同步。但由于W一CDMA擁有指派到用戶的時(shí)分導(dǎo)頻，在異步環(huán)境下的越區(qū)切換同樣沒有問題。（7）關(guān)于多速率業(yè)務(wù)的支持，W-CDMA和Cdma2000方案都采用可變擴(kuò)頻增益／多萬馬道并行調(diào)制，并且擴(kuò)頻指數(shù)都是4～256 （8）關(guān)于功率控制方法，兩個(gè)方案都采用了開環(huán)結(jié)合快速閉環(huán)的控制。綜上所述，就RTT主要技術(shù)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方法來看，W－CDMA和Cdma2000是相容的。W－CDMA和Cdma2000建議的爭(zhēng)論，與其說是技術(shù)角度的分歧，還不如說是商業(yè)利益上的斗爭(zhēng)。四、寬帶cdma系統(tǒng)與第二代通信系統(tǒng)相比所縣有的優(yōu)點(diǎn) W－CDMA因其寬帶和擴(kuò)頻碼分多址的特性，具有以下主要優(yōu)點(diǎn)：（1）容量更大、覆蓋范圍更廣。CDMA信道帶寬是寬帶的，而 W－CDMA信道帶寬（以典型的每載波5MHZ帶寬為例）更是窄帶CDMA（如IS－95）信道帶寬的4倍，較寬的帶寬將增加頻率分集的效果，從而降低衰落的影響，提高上行與下行鍵路快速功率控制的精度，以及上行信道采用相干解調(diào)可獲得2dB～3dB的解調(diào)增益等等，這大大提高了系統(tǒng)容量。有研究結(jié)果表明，5MHZW－CDMA系統(tǒng)的容量是窄帶CDMA系統(tǒng)的8倍。（2）頻譜利用率高。CDMA系統(tǒng)中用戶共享頻譜資源；功率控制、話音激活等技術(shù)的采用大大提高了頻譜利用率，而又不必象TDMA／FDMA（時(shí)分多址／頻分多址）系統(tǒng)那樣進(jìn)行復(fù)雜的頻率管理。（3）適合不對(duì)林業(yè)務(wù)、變速率業(yè)務(wù)以及高速業(yè)務(wù)。由于上行與下行信道可以采用獨(dú)立的無線資源，W－CDMA系統(tǒng)通過采用可變?cè)鲆娴恼粩U(kuò)頻碼（OVSF碼）和自動(dòng)調(diào)整發(fā)射功率，統(tǒng)計(jì)復(fù)接及多碼傳輸?shù)燃夹g(shù)，可方便地支持不對(duì)稱業(yè)務(wù)如Internet（因特網(wǎng)）接入、變速率業(yè)務(wù)和高速業(yè)務(wù)。（4）W－CDMA終端可同時(shí)支持多個(gè)業(yè)務(wù)。例如；通過統(tǒng)計(jì)復(fù)接，W-CDMA可使用戶在接入相應(yīng)無線局域網(wǎng)（LAN）的同時(shí)接收電話呼叫，提供多媒體服務(wù)。（5）同時(shí)支持電路交換業(yè)務(wù)與分組交換業(yè)務(wù)。對(duì)分組模式數(shù)據(jù)的支持為用戶提供了與Internet接入有關(guān)的業(yè)務(wù)。（6）移動(dòng)臺(tái)發(fā)射功率低。由于采用擴(kuò)頻技術(shù)和RAKE接收；移動(dòng)臺(tái)發(fā)射功率大大降低，從而減少了對(duì)其他用戶的干擾，延長(zhǎng)了移動(dòng)臺(tái)電池的連續(xù)通話和待機(jī)時(shí)間。（7）對(duì)FDD方式，各基站不需要嚴(yán)格的同步。從而可不必依賴昂貴的全球定位系統(tǒng)即（GPS）衛(wèi)星系統(tǒng)。（8）采用開放式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。便于引入可進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能的更先進(jìn)技術(shù)，如支持自適應(yīng)天線陣、多用戶檢測(cè)和分層小區(qū)結(jié)構(gòu)（HCS）等等。五、CDMA存在的問題（1）在小區(qū)的規(guī)劃問題上，雖然CDMA無需頻率規(guī)劃，但它的小區(qū)規(guī)劃卻并非十分容易。由于所有的基站都使用同一個(gè)頻率，相互之間是存在干擾的，如果小區(qū)規(guī)劃做得不好，將直接影響話音質(zhì)量和使系統(tǒng)容量打折扣，因而在進(jìn)行站距、天線高度等方面的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)小心謹(jǐn)慎。（2）其次，在標(biāo)準(zhǔn)的問題上，CDMA的標(biāo)準(zhǔn)并不十分完善。許多標(biāo)準(zhǔn)都仍在研究才四制定之中。如A接口，目前各廠家有的提供IS一634版本0，有的支持Is－634版本。還有的使用Is－634／TSB－80。因此對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商來說，選擇統(tǒng)一的A接口是比較困難的。（3）由于功率控制的誤差所導(dǎo)致的系統(tǒng)容量的減少。摘自《郵電商情》

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