码分多址(CDMA)蜂窝移动通信
由于第三代移动通信的空中接口的标准大多是基于cdma技术的,本文详细的介绍了一下
CDMA技术的发展历程,它的主要特点以及当前占主流地位的两种宽带cdma技术的主要异同。
以及WCDMA与第二代技术相比所具有的优点。
一、CDMA技术的发展历程
CDMA即码分多址,起源于扩频技术。由于扩频技术具有抗干扰能力强、保密性能好的特
点,80年代就在军事通信领域获得了广泛的应用。为了提高频率利用率,在扩频的基础上,
人们又提出了码分多址的概念,即在同一频带内,利用不同的地址码来区分无线信道。尽管
人们已经看到这种技术的诸多优越性,但实现起来的难度较大。1990年。美国的Qualcomm公
司在曼哈顿区进行了小型实验,虽然只有三个基站和两个原始的移动台,但已证明许多性能
都是成功的,1990年7月将“CDMA数字空中接口标准窝双模式移动台一基站兼容标准”第一草
案提交给有关的厂家。1993年,美国通信工业协会(TIA)正式通过CDMA的空中接口标准——
TA IS-95,Qualcomm公司已经设计开发了用于CDMA系统的超大规模集成电路芯片作为系统用
户设备和基站的元件,并于1995年生产出CDMA的基础设备和配套设备。目前,CDMA作为新兴
的蜂窝移动通信技术,已被众多的通信设备制造商和移动通信运营商看好。可提供CDMA设备
的厂商已有MOTOROLA LUCENT NORTFIQUALCOMM、三星电子等四十多家。同时,CDMA也在世界
各地加快了商用化的进程。例如,在香港世界上第一个CDMA商用网已于1995年9月向公众提供
服务。其后,韩国、美国、俄罗斯、巴西等国家也相继开通了CDMA商用网。在中国也利用800
MHZ频段,组建了 CDMA移动通信网——一中国电信长城网”,在北京、广州、上海、西安等
地开通。1998年 3月,中国联通公司的第一个CDMA试验网在天津首次开通,在上海和广州的
试验网也正在建设之中。这一阶段的技术基本是基于IS-95的 CDMA的技术。
目前,扩频CDMA的研究进入了一个新的阶段。Is-95建议的CDMA技术的扩频码的速率为
1.2288MChiP/S扩频带宽约为1.25MHZ,信息数据速率最高为 13kb/s;它属于窄带CDMA范畴。
窄带CDMA的缺点是传输能力有限,不能提供多媒体业务,扩频增益不高,不能充分的利用扩
频通信的优点。为此,ITU制定了第三代移动通信的标准,统称为IMT-2000(开始的名称是
FPLMTS,欧洲叫UMTS)IMT-2000空中接口的设计目标是:在覆盖区域内,移动台高速运动时。
用户的最高速率要达到144KbPS,更高可达到 384KbPS,在有限的覆盖区域内,移动台以一定
的速率运动时,用户的速率最高可达到2Mbps。从UMTS的总体结构来看,它具有更高的频谱利
用率。可在任何地方以任何方式为任何人提供通用个人通信服务,包括提供Internet接入、
电视会议和其他宽带业务。作为一个新的无线宽带系统将采用通用传输机制,提供实时(如
话音)、非实时(如E-MAIL)两种业务连接,为用户提供话音、数据、图形、多媒体和基于
视频的信息。
许多地区性标准化组织根据IMT-2000的要求制定了自己的标准,其中,日本的无线电标
准组织(ARIB)于1998年6月向ITU提交了类似欧洲的WCDMA的标准。1995年3月,美国电信工业
协会(TIA)负责制定Is-95标准的TR45.5委员会推出了与Is-95兼容的cdma2000方案。韩国
也提出了两种宽带CDMA技术,一种类似与WCDMA,另一种类似与cdma2000。
二、CDMA的技术持点
1.CDMA是扩频通信的一种,他具有扩频通信的以下特点:
(1)抗干扰能力强。这是扩频通信的基本特点,是所有通信方式无法比拟的。
(2)宽带传输,抗衰落能力强。
(3)由于采用宽带传输,在信道中传输的有用信号的功率比干扰信号的功率低得多,因
此信号好象隐蔽在噪声中;即功率话密度比较低,有利于信号隐蔽。
(4)利用扩频码的相关性来获取用户的信息,抗截获的能力强。
2.在扩频CDMA通信系统中,由于采用了新的关键技术而具有一些新的特点:
(1)采用了多种分集方式。除了传统的空间分集外。由于是宽带传输起到了频率分集的
作用,同时在基站和移动台采用了RAKE接收机技术,相当于时间分集的作用。
(2)采用了话音激活技术和扇区化技术。因为CDMA系统的容量直接与所受的干扰有关,
采用话音激活和扇区化技术可以减少干扰,可以使整个系统的容量增大。
(3)采用了移动台辅助的软切换。通过它可以实现无缝切换,保证了通话的连续性,减
少了掉话的可能性。处于切换区域的移动台通过分集接收多个基站的信号,可以减低自身的
发射功率,从而减少了对周围基站的干扰,这样有利于提高反向联路的容量和覆盖范围。
(4)采用了功率控制技术,这样降低了平准发射功率。
(5)具有软容量特性。可以在话务量高峰期通过提高误帧率来增加可以用的信道数。当
相邻小区的负荷一轻一重时,负荷重的小区可以通过减少导频的发射功率,使本小区的边缘
用户由于导频强度的不足而切换到相临小区,使负担分担。
(6)兼容性好。由于CDMA的带宽很大,功率分布在广阔的频谱上,功率话密度低,对窄
带模拟系统的干扰小,因此两者可以共存。即兼容性好。
(7)COMA的频率利用率高,不需频率规划,这也是CDMA的特点之一。
(8)CDMA高效率的OCELP话音编码。话音编码技术是数字通信中的一个重要课题。OCELP
是利用码表矢量量化差值的信号,并根据语音激活的程度产生一个输出速率可变的信号。这种
编五马方式被认为是目前效率最高的编码技术,在保证有较好话音质量的前提下,大大提高了
系统的容量。这种声码器具有8kbit/S和13kbit/S两种速率的序列。8kbit/S序列从1.2
kbit/s到9.6kbit/s可变,13kbit/S序列则从1.8kbt/s到14.4kbt/S可变。最近,又有一
种8kbit/sEVRC型编码器问世,也具有8kbit/s声码器容量大的特点,话音质量也有了明显的
提高。
三、WCDMA与cdma2000的主要分歧与共同点
1.WCDMA与cdma2000的主要分歧点是:
(1)扩频码片速率与射频信道结构:W-CDMA根据ITU关于5MHZ信道基本带宽的划分规则,
将基本码片速率定为4.096Mchip/S,在一个完整的信道内,使用直接扩频调制;Cdma2000为
了兼容Cdmaone,以原CdmaOne的基本码片速率的三倍,即3.6864Mchip/s作为 Cdma2000的基
本速率进行直接扩频调制。同时,Cdma2000还定义了以原Cdmaone系统3个基本信道(带宽1.25
MHZ)作频分复用的多载波扩频调制方式。
(2)支持不同的核心网络标准:W-CDMA要求实现与GSM网络的全兼容,所以它把GSM的
MAP协议作为上层核心网络协议;Cdma2000要求完全兼容cdmaone,因此,它支持ANSI-41作为
自己的核心网络协议。
(3)基站之间的同步问题:cdma2000沿袭了cdmaone各个基站依靠GPS测量实现前向信道
同步的要求;而 W-CDMA没有基站同步的要求。
(4)cdma 2000方案提出采用可变速率语音编码,采用帧长为20ms的全速率、1/2、1/4、
和1/8速率,而WCDMA采用自适应多速率编码(AMR),帧长10ms
2.技术上他们是相容的,就总的无线信道的空中接口结构而言,这两类方案有如下的共
同特点。
(1)都是采用定时长的帧结构作为基本的传送单位,在一个帧上实施速率匹配;卷积纠
错,交织运算等操作。
(2)以短的可变长度正交序列调制出独立的物理通道(“通道化”),并遵循ITU建议
M.1035,将这些独立的通道映射为具有不同功能的逻辑通道。
(3)在一个独立通道内,又可将导频引导字、功率控制消息、数据速率信息进行时分复用。
(4)在完成了利用短码调制的“通道化”之后,不同通道可以按不同的加权增益组合起
来进行在I/O信道的复用。
(5)为了分隔不同小区和不同用户;采用长码(如大M序列或GOLD序列)进行最后的扩频
调制,完成整个“复杂扩频电路”结构。
(6)关于W-CDMA和Cdma2000建议中对于导频的设计和使用。导频在CDMA移动通信系统计
中占有举足轻重的地位。W-CDMA和Cdma2000都是依靠导频信道来完成相干接收的。在上下行
方向,W-CDMA都采用了直接指派到用户的时分复用的导频,以配合多速率以及分组突发业务的
接收。Cdma2000则仍沿用了Is-95标准下的导频设计方法:上行信道上码分复用导频,下行信
道采用公共连续导频。这里,由于W-CDMA和Cdma2000在下行信道上的导频设计不同,直接导致
W-CDMA成为“异步”的CDMA;即相邻小区之间异步;而Cdma2000依靠下行公共导频和GPS,实现
相邻小区间的同步。但由于W一CDMA拥有指派到用户的时分导频,在异步环境下的越区切换同样
没有问题。
(7)关于多速率业务的支持,W-CDMA和Cdma2000方案都采用可变扩频增益/多万马道并行
调制,并且扩频指数都是4~256
(8)关于功率控制方法,两个方案都采用了开环结合快速闭环的控制。
综上所述,就RTT主要技术项目的设计方法来看,W-CDMA和Cdma2000是相容的。W-CDMA和
Cdma2000建议的争论,与其说是技术角度的分歧,还不如说是商业利益上的斗争。
四、宽带cdma系统与第二代通信系统相比所县有的优点
W-CDMA因其宽带和扩频码分多址的特性,具有以下主要优点:
(1)容量更大、覆盖范围更广。CDMA信道带宽是宽带的,而 W-CDMA信道带宽(以典型的
每载波5MHZ带宽为例)更是窄带CDMA(如IS-95)信道带宽的4倍,较宽的带宽将增加频率分集
的效果,从而降低衰落的影响,提高上行与下行键路快速功率控制的精度,以及上行信道采用
相干解调可获得2dB~3dB的解调增益等等,这大大提高了系统容量。有研究结果表明,5MHZW-
CDMA系统的容量是窄带CDMA系统的8倍。
(2)频谱利用率高。CDMA系统中用户共享频谱资源;功率控制、话音激活等技术的采用大
大提高了频谱利用率,而又不必象TDMA/FDMA(时分多址/频分多址)系统那样进行复杂的频率
管理。
(3)适合不对林业务、变速率业务以及高速业务。由于上行与下行信道可以采用独立的无
线资源,W-CDMA系统通过采用可变增益的正交扩频码(OVSF码)和自动调整发射功率,统计复
接及多码传输等技术,可方便地支持不对称业务如Internet(因特网)接入、变速率业务和高速
业务。
(4)W-CDMA终端可同时支持多个业务。例如;通过统计复接,W-CDMA可使用户在接入相应
无线局域网(LAN)的同时接收电话呼叫,提供多媒体服务。
(5)同时支持电路交换业务与分组交换业务。对分组模式数据的支持为用户提供了与Inte
rnet接入有关的业务。
(6)移动台发射功率低。由于采用扩频技术和RAKE接收;移动台发射功率大大降低,从而
减少了对其他用户的干扰,延长了移动台电池的连续通话和待机时间。
(7)对FDD方式,各基站不需要严格的同步。从而可不必依赖昂贵的全球定位系统即(GPS)
卫星系统。
(8)采用开放式系统设计。便于引入可进一步提高系统性能的更先进技术,如支持自适应
天线阵、多用户检测和分层小区结构(HCS)等等。
五、CDMA存在的问题
(1)在小区的规划问题上,虽然CDMA无需频率规划,但它的小区规划却并非十分容易。由
于所有的基站都使用同一个频率,相互之间是存在干扰的,如果小区规划做得不好,将直接影响
话音质量和使系统容量打折扣,因而在进行站距、天线高度等方面的设计时应当小心谨慎。
(2)其次,在标准的问题上,CDMA的标准并不十分完善。许多标准都仍在研究才四制定之
中。
如A接口,目前各厂家有的提供IS一634版本0,有的支持Is-634版本。还有的使用Is-634/TSB
-80。因此对于系统运营商来说,选择统一的A接口是比较困难的。
(3)由于功率控制的误差所导致的系统容量的减少。
摘自《邮电商情》
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