CDMA技术发展综述

2019-11-03 09:24:36

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供稿：网友

万屹

　　导读　本文较全面系统的介绍了CDMA技术的发展情况，对CDMA演进各个进程(从cdmaOne——cdma2000 1X——1X/EV-DO——1x/EV—DV)的性能及技术特点进行了较详细的分析。分析认为cdma2000优于其它3G技术。期待中国联通充分发挥自己的优势，更好地服务于用户和我国经济发展。

　　l994年上半年，高通公司和当时的邮电部联合在天津组织，一次CDMA技术实验，首次将CDMA技术引入中国。屈指算来，已经过了整整十个年头。

　　在这十年里，CDMA在中国的发展可谓一波三折。终于，在中国联通的手里开始腾飞。与此同时，CDMA技术本身也在不停地发展和改进，并在业界始终保持领先的地位。

　　一、CDMA演进过程

　　经过十多年时间的发展和改进，CDMA技术已经经过了多个发展阶段(见图1)。

图1　CDMA发展历程

　　一般认为，这两个移动通信标准属于第二代移动通信技术标准。IS-95A是1995年美国TIA正式颁布的窄带CDMA(N-CDMA)标准。IS-95B是IS-95A的进一步发展，于1998年制定的标准。主要目的是能满足更高的比特速率业务的需求，IS-95B可提供的理论最大比特速率为115kbit/s，实际只能实现64kbit/s。IS-95A和IS-95B均是系列标准，其总称为IS-95。

　　cdmaOne是基于IS-95标准的各种CDMA产品的总称，即所有基于cdmaOne技术的产品，其核心技术均以IS-95作为标准。

　　2.cdma2000

　　cdma2000是美国向ITU提出的第三代移动通信空中接口标准的建议，是IS-95标准向第三代演进的技术体制方案，这是一种宽带CDMA技术。

　　cdma2000 1X原意是指采用单载波形式的cdma2000系统，也可以理解为cdma2000的第一阶段，可支持308kbit/s的数据传输，网络部份引入了分组交换，可支持移动ip业务。

　　有人称cdma2000 3X为cdma2000第二阶段，实际上并不准确。它与cdma2000 1x的主要区别是前向CDMA信道采用3载波方式，而cdma2000 1X用单载波方式。因此它的优势在于能提供更高的速率数据，但占用频谱资源也较宽。从目前的情况来看，在较长时间内运营商未必会考虑cdma2000 3X，而会考虑cdma2000 1X/EV。

　　IS-2000则是采用cdma2000技术的正式标准总称。

　　3.cdma2000-1X/EV

　　cdma2000-1X/EV是在cdma2000-lx基础上进一步提高速率的增强体制。这个技术也分为两个部分，一个被称为1X/EV-DO技术，主要对数据业务进行了增强，另一个叫做1X/EV-DV技术，同时对数据业务和语音业务进行了增强。

　　二、cdma2000 1X技术的特点

　　第三代移动通信系统主要追求目标是更高的比特率和更好的频谱效率。cdma2000最终正式标准是2000年3月通过的，cdma2000有下列技术特点：

　　*多种信道带宽。前向链路上支持多载波(MC)和直扩(DS)两种方式；反向链路仅支持直扩方式。当采用多载波方式时，能支持多种射频带宽，即射频带宽可为N×l.25MHz，其中N=1、3、5、9或12。目前技术仅支持前两种，即1.25MHz(cdma2000-1X)和3.75MHz(cdma2000-3X)。

　　*可以更加有效地使用无线资源。

　　*可实现cdma one向cdma2000系统平滑过渡。

　　*核心网协议可使用IS-41、GSM-MAP以及IP骨干网标准。

　　*前向发送分集。

　　*快速前向功率控制。

　　*使用Turbo码。

　　*辅助导频信道。

　　*灵活帧长。

　　*反向链路相干解调。

　　*可选择较长的交织器。

　　cdma2000 lX采用扩频速率为SR1，即指前向信道和反向信道均用码片速率1.2288Mbit/s的单载波直接序列扩频方式。因此它可以方便地与IS-95(A/B)后向兼容，实现平滑过渡。运营商可在某些需求高速数据业务而导致容量不够的蜂窝(cdmaOne)上，用相同载波部署cdma2000-1X系统，从而减少了用户和运营商的投资。

　　由于cdma2000 1X采用了反向相干解调、快速前向功控、发送分集、Turbo编码等新技术，其容量比IS-95大为提高。在相同条件下，对普通话音业务而言，容量大致为IS-95系统的两倍。

　　三、1X/EV-DO

　　尽管cdma2000lx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(正式的名称为HRPD-High Rate Packet Data)的标准。1x EV-DO是一种1x增强型技术，DO即DataOnly，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，lxEV-DO技术可以提供前向数据速率高达24Mbit/s。

　　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率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/lx一样的反向功率控制。

　　图2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)；ANAAA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。

图2 HRPD网络结构示意图

　　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ANAAA传递鉴权信息；A13接口，用于连接两个HRPD BSC以支持HRPDBSC间的切换。

　　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)。下图为详细的协议结构图。

　　HRPD的空中接口协议的功能如下：

图3　HRPD空中接口协议结构示意图

　　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 Net-work 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，stream 2和Stream3。流层包含的协议有：流协议(stream Protoco1)，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 Protoco1)：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 Protoco1)：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)会活配置协议(Session Configuration Protoco1)：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 Protoco1)：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 Protoco1)：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 Protoco1)：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 Protoco1)：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 Protoco1)：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 Protoco1)：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 Con-solidationProtoco1)：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 Protoco1)：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 Protoco1)：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 Protoco1)：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 Protoco1)：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 Protoco1)：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 Protoco1)：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 Protoco1)：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 Protoco1)：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。

　　四、1X/EV-DV

　　在完成了lx/EV-DO的研究工作以后，业界对其性能并不满意，特别是对其仅仅提高数据业务的性能不满意。于是，3GPP2开始了1X/EV-DV的研究工作。

　　1X/EV-DV克服了1X/EV-DO的两个主要缺点，能够同时提高语音和数据业务的性能，同时，能够与1X系统在一个载波中共存。

　　1X/EV-DV空中接口标准分两个版本：Rel.C和Rel.D。Rel.C2002年5月份在3GPP2上正式发布，支持EV-DV，前向速率达到3.lMbps，反向速率与lx相同。Rel.D版本在2003年10月会议上形成了Baseline，并开始V&V。已在2004年2月的3GPP2闭幕全会上发布，形成规范：C.S0001-D-C.S0005-D的v1.O版本。D版本前向最高速率3.1Mbps，反向最高速率达到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结合诸多新的技术如自适应调频和编码(AMC)、混合自动重发请求(HARQ)、使用TDM/CDM混合使用的新的高速分组数据信道(F-PDCH)，使前向数据传输速度可高达3.lMbps；

　　*可支持多种业务组合：在DVel.C中，通过多个业务信道的组合，可支持多种不同QoS要求的业务，如下表所示：

业务信道组合	一般应用
F-PDCH+F/R-FCH+F/R-DCCH	语音和数据混合业务
F-PDCH+F/R-FCH+R-DCCH	语音和数据混合业务
F-PDCH+F/R-DCCH	语音和数据混合业务
F-PDCH+F/R-FCH	语音和数据混合业务
F-PDCH+F-CPCCH+R-DCCH	只支持数据业务
F-PDCH+F-CPCCH+R-FCH	只支持数据业务

　　*后向兼容CDMA2000：

　　*制定lx EV—DV标准的其中一个目标是必须继续支持语音及其它已有的服务；

　　*网络方面，运营商可以由lx系统平滑演进到lx EV-DV；

　　*终端方面，由于1x EV-DV的后向后兼容性，用户也可保证能以同一手机在整个网络中得到服务。

　　*更有效地支持数据业务：

　　“1xEV-DV同时使用了时分多路复用(TDM)和码分多路复用(CDM)，可根据所支持的业务性质而使用不同的资源分配方法。

　　*TDM和CDM的结合，通过选取最佳的调频和编码率，可更公平合理地分配系统资源，从而进一步提升系统容量。

　　Release C主要改进和增强了cdma2000 1x的前向链路，使前向最高峰值速率达到3.lMbps，但反向链路基本没有变化，反向峰值速率为230.4Kbps，前反向链路数据速率不对称，并且反向补充信道R-SCH是通过层3信令调度，在RLP层重传，调度速度慢，时延大，难以支持可视电话等前反向速率对称和对实时性要求高的业务。针对以上问题，Release D对反向链路进行了改进和增强，使反向最高峰值速率达到1.8Mbps(反向必须支持l.2Mbps，可选支持1.8Mbps，通过占用多个码字实现)，分组数据可以通过调度和速率控制的方式，根据QoS要求和信道条件变化，有效的减小了数据传输时延，改善了QoS。

　　Release D反向链路主要特点：

　　1.完全保持了现有的cdma2000信道的信令结构。

　　2.反向链路控制方式灵活。反向链路每10ms可以通过Grant进行快速调度控制，也可以通过速率控制(Rate Contro1)实现一定范围的速率变化，调整速度和效率高。

　　3.反向调度和速率控制的速度加快。在Release D以前的版本，移动台通过层3信令消息向基站请求，从申请到发送的时延大于1OOms。Release D中增加了新的MAC层向基站传输MS的相关信息和请求：

　　*增加了新的lOms反向请求信道R-REQCH，传输移动台可以支持的发射功率、buffer的数据量和数据的业务参考ID，

　　*在反向分组控制信道

　　R-PDCCH中发送移动台状态指示比特MSIB，指示移动台在反向链路希望以下一个更高速发送，这样，反向链路从中请到发送的调整时延可以减小到40ms。

　　4.物理层分组帧长固定为10ms，1O种固定分组大小(192，408，792，1560，3096，4632，6168，9240，12312和15384比特)。

　　5.采用同步4信道HARQ技术，提高链路效率。

　　6.采用自适应调制和编码技术，采用高阶调制(BPSK，QPSK和8PSK)。

　　7.移动台可以基于QoS要求在时延和吞吐量之间选择。

　　8.QoS改善，不同业务区分接入优先级，基于buffer和功率申请资源。

　　五、结束语

　　经过不断的努力，CDMA技术在这十年里经过了长足的发展，各个方面的性能有了极大的提高。作为3G的主要技术之一，cdma2000技术已经突破l亿用户大关，远远超过了其他3G技术。

　　我们期待中国联通公司能够充分发挥自己的特长，充分发挥cdma2000技术的特长，更好地服务于用户，服务于我国的经济发展。

　　
摘自　泰尔网

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