谈CDMA的重要特点

谈CDMA的重要特点摘要：CDMA是CodeDivisionMultipleAccess的英文缩写，中文翻译为码分多址。CDMA是用于数字蜂窝移动通信的一种先进的无线扩频通信技术，它能满足近年来运营者对大容量、廉价、高质量的移动通信系统的需求。其主要优点有：大容量，软容量，软切换，采用多种分集技术，保密性强，低发射功率，大覆盖范围等优点。其中大容量的前提条件是进行功率控制，所以进行功率控制是最大化系统容量的主要方法，同时也是CDMA移动通信系统能够正常工作的先决条件之一，本文将在后面重点介绍此技术，并在文章中介绍CDMA的重要特点和发展前景，在文章的末尾也会提到CDMA的局限性。1.对CDMA的简单理解与认识1.1对CDMA概念的形象理解CDMA系统是一个自扰系统，所有移动用户都占用相同带宽和频率。这种系统给每一用户分配一个唯一的码序列（扩频码），并用它对承载信息的信号进行编码。知道该码序列用户的接收机对收到的信号进行解码，并恢复出原始数据，这是因为该用户码序列与其它用户码序列的互相关是很小的。我们打个比方，我们将带宽想象成一个大房子。所有的人将进入唯一的大房子。如果他们使用完全不同的语言,他们就可以清楚地听到同伴的声音而只受到一些来自别人谈话的干扰。在这里，屋里的空气可以被想象成宽带的载波,而不同的语言即被当作编码,我们可以不断地增加用户直到整个背景噪音限制住了我们.如果能控制住用户的信号强度,在保持高质量通话的同时,我们就可以容纳更多的用户。1.2CDMA的发展历程1CDMA技术初衷是防止敌方对己方通信的干扰，第二次世界大战期间因战争的需要而研究发出CDMA的技术在战争期间广泛应用于军事抗干扰保密通信，后来由美国高通公司发展成为商用蜂窝电信技术。21989年，高通向太平洋电话公司提供了CDMA数字蜂窝移动通信系统并进行了小规模试验。31995年，香港和记电讯开通了全球第一个CDMA商用系统，CDMA技术理论上的诸多优势在实践中得到了检验，从而在北美、南美和亚洲等地得到了迅速推广和应用。4全球许多国家和地区，包括中国香港、韩国、日本、美国都已建有CDMA商用网络。在美国，10个移动通信运营公司中有7家选用CDMA。韩国有60%的人口是CDMA移动用户。51995年中国总参与邮电部决定采用军队专用的800兆频率，建立CDMA实验网，并选定北京、上海、西安、广州四个城市建网。2001联通开始建设CDMA800M网络建设。2.CDMA的特点2.1软切换移动台利用Rake接收机的多个接收支路，开始与一个新的基站联系时，并不立即中断与原基站之间的通信，即先建立与新基站的通信，然后直到接收到原基站信号低于一个门限值时再切断与原基站的通信，这种切换方式称为软切换。软切换仅仅能运用于具有相同频率的CDMA信道之间，包含不同基站之间的切换和不同BSC之间的切换，利用IMR（InterMSCRouter）的MSC之间的切换。软切换专指同一基站不同扇区之间的切换。它的优点包括三方面：1、无缝切换保持通话的连续性。2、减小了掉话可能性。3、处于切换区域的移动台发送功率降低，减少发送功率是通过分集接收来实现的，降低发送功率有利于增加反向容量。在FDMA和TDMA系统中，一个小区中的信道数是固定的，然而在CDMA系统中用户数和服务级别之间有着更灵活的关系。例如系统经营者可在话务量高峰期将误帧率稍微提高，从而增加可用信道数。同时，软切换还提供分集，在软切换中，由于各个小区采用同一频带，因而移动台可同时与小区A和邻近小区B同时进行通信。在反向信道，两基站分别接收来自移动台的有用信号，以帧为单位译码分别传给移动交换中心，移动交换中心内的声码器/选择器（Vocoder/Selector）也以帧为单位，通过对每一帧数据后面的CRC校验码来分别校验这两帧的好坏，如果只有一帧为好帧，则声码器就选择这一好帧进行声码变换；如果两帧都为好帧，则声码器就任选一帧进行声码变换；如果两帧都为坏帧，则声码器放弃当前帧，取出前面的一个好帧进行声码变换。这样就保证了基站最佳的接收结果。在前向信道，两个小区的基站同时向移动台发射有用信号，移动台把其中一个基站来的有用信号实际作为多径信号进行分集接收。这样在软切换中，由于采用了空间分集技术，大大提高了移动台在小区边缘的通信质量，增加了系统的容量。从反向链路来说，移动台根据传播状况好的基站情况来调整发射功率，减少了反向链路的干扰，从而增加了反向链路的容量。2.2软容量在FDMA、TDMA系统中，当小区服务的用户数达到最大信道数，已满载的系统再无法增添一个信号，此时若有新的呼叫，该用户只能听到忙音。而在CDMA系统中，用户数目和服务质量之间可以相互折中，灵活确定。例如系统运营者可以在话务量高峰期将某些参数进行调整，例如可以将目标误帧率稍稍提高，从而增加可用信道数。同时，在相邻小区的负荷较轻时，本小区受到的干扰较小，容量就可以适当增加。体现软容量的另外一种形式是小区呼吸功能。所谓小区呼吸功能就是指各个小区的覆盖大小是动态的。当相邻两个小区负荷一轻一重时，负荷重的小区通过减小导频发射功率，使本小区的边缘用户由于导频强度不够，切换到相邻的小区，使负荷分担，即相当于增加了容量。这项功能可以避免在切换过程中由于信道短缺造成的掉话。在模拟系统和数字TDMA系统中，如果没有可用信道，呼叫必须重新被分配到另一条候选信道，或者在切换时中断。但是在CDMA中，建议可以适当提高用户的可接受的误比特率直到另外一个呼叫结束。按上面对CDMA系统的类比，房间里可能不断有新的交谈者进入。当然交谈者总数有一定限度，这与房间大小、人的音量、交谈者之间的距离都有密切的关系。这里我们又引入了几处新类比：房间的大小对于CDMA系统来说就是单载波的容量；而交谈者之间的音量则相当于CDMA系统中手机的发射功率；音量控制即对应着CDMA中一个非常重要的技术---功率控制；交谈者的距离即对应手机与基站的距离。通过这个例子，我们可以总结出CDMA系统的一些特点：CDMA系统是一个自干扰系统；CDMA系统单载频的容量不像FDMA、TDMA那样是固定的，这也就是我们常提到的软容量；因此功率控制在CDMA系统中起着重要作用，它直接影响着系统容量。2.2覆盖范围广在CDMA的链路预算中包含以下的一些因素：软切换增益、分集增益等，这些都是CDMA技术本身带来的，是GSM中所没有的。虽然CDMA在链路预算中还要考虑自干扰对覆盖范围的影响（加入了干扰余量因子）以及CDMA手机最大发射功率低于GSM手机的最大发射功率，但是从总体来说，CDMA的链路预算所得出的允许的最大路径损耗要比GSM大（一般是5-10dB）。这意味着，在相同的发射功率和相同的天线高度条件下，CDMA有更大的覆盖半径，因此需要的基站也更少（对于覆盖受限的区域这一点意义重大）；另外的好处是，对于相同的覆盖半径，CDMA所需要的发射功率更低。2.3保密性强CDMA信号的扰频方式提供了高度的保密性，使这种数字蜂窝系统在防止串话、盗用等方面具有其他系统不可比拟的优点。CDMA的超强保密性能是以扩频技术为基础的。CDMA手机在通信过程中，用户所使用的地址码（伪随机码）各不相同，在接收端只有与之完全相同的用户才能接收到相应的数据，对非相关用户来说是一种背景噪声。目前CDMA所使用的伪随机码是长码（242－1），任何人无法窃取系统随机分配给用户的伪随机码，且此码在每次通话后更换。CDMA确实创造了一个奇迹，使用者再也不必担心手机变成别人窥探自己秘密的工具了。无论是军队官兵，还是党政领导，或者是商业巨头，还有普通用户，在拥有一部CDMA手机之后，都可以放心大胆地使用。CDMA不仅仅引导了手机时尚，更改变了无线通讯的历史，为千千万万的使用者创造了一个无比美好的生活！2.4低发射功率由于CDMA系统有一套精确的功率控制方法。CDMA(IS-95)系统中采用快速的反向功率控制、软切换、语音激活等技术。CDMA系统中的功率控制分为前向功率控制和反向功率控制。反向功率控制又分为仅有手机参与的开环控制和手机、基站同时参与的闭环功率控制。反向开环功率控制由手机独立完成，手机根据它本身在小区中所接收功率的变化，迅速调节手机发射功率。正是由于这些精确的功率控制，才使CDMA手机能保持适当的发射功率。从手机发射功率限制的角度来比较：目前普遍使用的GSM手机900MHz频段最大发射功率为2W（33dBm），1800MHz频段最大发射功率为1W（30dBm），同时规范要求，对于GSM900和1800频段，通信过程中手机最小发射功率分别不能低于5dBm和0dBm。CDMAIS-95A规范对手机最大发射功率要求为0.2W–1W（23dBm–30dBm），实际上目前网络上允许手机的最大发射功率为23dBm(0.2W)，规范对CDMA手机最小发射功率没有要求。在实际通信过程中，在某个时刻某个地点，手机的实际发射功率取决于环境，系统对通信质量的要求,语音激活等诸多因素,实际上就是取决于系统的链路预算。在通常的网络设计和规划中,对于基本相同的误帧率要求,GSM系统要求到达基站的手机信号的载干比通常为9dB左右，由于CDMA系统采用扩频技术,扩频增益对全速率编码的增益为21dB,(对其他低速率编码的增益更大),所以对解扩前信号的等效载干比的要求为-14dB!(CDMA系统通常要解扩后信号的0/NEb值为7dB左右)。从手机发射功率的初始值的取定及功率控制机制的角度来进行比较：手机与系统的通信可分为两个阶段，一是接入阶段，二是通话阶段。对于GSM系统，手机在随机接入阶段没有进入专用模式以前，是没有功率控制的，为保证接入成功，手机以系统能允许的最大功率发射(通常是手机的最大发射功率)。在分配专用信道（SDCCH或TCH）后，手机会根据基站的指令调整手机的发射功率，调整的步长通常为2dB。调整的频率为60ms一次。对于CDMA系统，在随机接入状态下，手机会根据接收到的基站信号电平估计一个较小的值作为手机的初始发射功率,发送第一个接入试探，如果在规定的时间内没有得到基站的应答信息，手机会加大发射功率，发送第二个接入试探，如果在规定时间内还没有得到基站的应答信息，手机会再加大发射功率。这个过程重复下去，直到收到基站的应答或者到达设定的最多尝试次数为止。在通话状态下，每1.25ms基站会向手机发送一个功率控制命令信息，命令手机增大或减少发射功率,步长通常为1dB。由上面的比较可以看出，总体而言,考虑到CDMA系统其他独有的技术,如软切换,RAKE接收机对多径的分集作用，强有力的前向纠错算法对对上行链路预算的改善,CDMA系统对手机的发射功率的要求比GSM系统对手机发射功的要求要小得多.而且GSM手机在接入过程中以最大的功率发射，在通话过程中功率控制速度较慢，所以手机以大功率发射的机率较大；而CDMA手机独特的随机接入机制和快速的反向功率控制，可以使手机平均发射功率维持在一个较低的水平。3.CDMA的局限性首先是WCDMA和cdma2000频谱效率很低。这主要是由于这两种CDMA系统在多小区网络系统中所使用的扩频地址码，在多用户、多途径传播环境中，它们的特性极不理想，会在系统内产生干扰，因此上述系统又称为自干扰系统，这些干扰分别是：●小区内干扰——符号间干扰（ISI）和多址干扰（MAI）：这些干扰在单小区内限制了用户数量；●相邻小区间干扰（ACI）：它不但进一步限制了系统的容量，也限制了基站的覆盖范围。这些干扰使频谱利用率降低，最终导致系统容量低，无线传输速率只有：144kbps（车载移动）、384kbps（步行）和2Mbps（固定）。随着无线互联网络的崛起，用户要求无线传输速率达到：1M～2Mbps（车载移动）、3.6Mbps（步行）和15Mbps（固定）。WCDMA和cdma2000的系统容量显然满足不了未来无线互联网络的需求。其次是WCDMA和cdma2000系统不能有效地在同一载波内实现话音和数据同传，导致网络覆盖效率低。全球电信网络正以不可阻挡之势朝着在同一网络系统内实现话音、