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CDMA (Code Division Multiple Access)码分多址技术,是以扩频通信为基础的多址连接技术。扩频技术以前只用于军事通信,随着CDMA技术的不断完善和某些关键技术的解决,20世纪80年代末逐渐应用于民用通信,现已在公共移动通信网中使用。CDMA以其频谱效率高、组网简单、扩充灵活、软切换、软容量以及宏分集等特性,在移动通信的发展中受到了普遍关注。
1 CDMA移动通信技术的原理
在移动通信系统中,许多移动台要同时通过某一基站与其他移动台进行通信,而基站要通过多址技术区分不同的移动台。在采用CDMA技术的通信系统中,不同移动台传输信息的信号,不是靠频率的不同或时隙的不同来区分,而是用各自不同的编码序列来区分。每一移动台被分配一固定的编码序列,不同的编码代表不同的移动台。在移动台发送信号时,先用本机的编码序列对数字语音信号进行调制后,再发送出去。如果从频域或时域来观察,多个移动台的CDMA信号是相互重叠的,其中只有一个接收机通过相关器,可以在多个CDMA信号中选出自身固定编码序列的信号并解调,而使用其他不同编码序列信号的接收机,则不解调该编码信号。
经过编码序列调制的信息传输速率远大于要传送信息的速率,发送调制信号的频谱宽度远大于传送信息的频谱宽度,因此CDMA技术又称为扩频码分多址技术。
在CDMA移动通信系统中,既不分频道也不分时隙,类似的信道属于逻辑信道。这些信道包括寻呼信道、接入信道和业务信道等,都是通过码型的不同来区分的。逻辑信道从频域或时域来看都是重叠的。对于某一移动台而言,同一信道内,不同的其他移动台的编码信息都属于噪声或干扰。这些干扰会对系统的容量起到制约作用,因此CDMA移动通信技术中,还采用了功率控制技术,使噪声和干扰降到最低。
功率控制是CDMA移动通信技术中最关键的技术。CDMA功率控制的目的是既能维持高质量的通信,又对占用同一信道的其他移动台不产生干扰。功率控制分为前向功率控制和反向功率控制。前向功率控制是CDMA基站覆盖范围内的每一个移动台,都不断地计算从基站到移动台的路径衰耗,当收到从基站来的信号很强时,表明要么离基站很近,要么有一个特别好的路径,这时移动台即可降低它的发送功率,其功率不仅可使基站依然能正常接收,还可以减少对其他移动台信号的干扰;相反则增加发送功率以抵消衰耗。反向功率控制即在信息连通过程中,移动台则根据基站的控制指令要求,不断地调整功率。前向功率控制和反向功率控制总的功率调整范围为±60 dB。
2 CDMA 移动通信技术特点
1)抗干扰能力强:为了克服移动通信中信号的多路径干扰,CDMA移动通信技术使用了多种信号分集方法。分集技术是指系统能同时接收两个或多个路径的输入信号,系统分别解调这些信号然后将它们相加,这样可以接收到更多的有用信号克服衰落。信号以频谱扩展形式传输,信号能量分布于整个工作频带。由地面移动信道多路径反射造成的频率选择性衰落,只能影响信号的某一部分而不至对信号的整体造成损害。根据衰落的频率选择性,当两个频率间隔大于信道带宽时,接收到的这两种频率的衰落信号不相关,所以码分多址的带宽传输本身就是频率分集。减弱慢衰落采用空间分集,即在基站使用了两副接收天线,以保证各信号之间的衰落独立。由于多径信号传输过程中的地理环境不同,因而各信号的衰落各不相同。采用选择性合成技术,选择两个接收天线较强的一路信号输出,降低了地形因素对信号的影响。移动台可以同时解调三个路径信号进行矢量合并。这样,虽然每条路径都有衰落,但各自独立,因此基于各信号之和的解调就更可靠。空间分集的另一个方法,是移动台和基站中都采用Rake (多径)接收机进行分集接收。对于一个信道带宽为1.23 MHz的码分多址系统,当来自两个不同路径信号的延时为1 μs,也就是这两条路径相差大约0.3 km时,接收机就可以将它们分别提取出来而不相混淆。时间分集是通过交织编码和纠错编码实现的。CDMA移动通信系统同时采用了空间分集和时间分集技术,因此抗多径衰落的效果也更好,在高速移动的物体上进行通信的这种特点更为明显。
2)用户容量大:根据理论计算和试验证明,采用CDMA技术,每小区信道容量是模拟制式的8~10倍,是时分多址(TDMA)的4倍。CDMA属于自干扰系统,每个通信的用户对其他用户都是一个干扰源。CDMA移动通信技术,采用话音激活和可变速率语音编码,在正常通时,以9.6 kb/s的速率传送话音数据;在无话音时,速率降低到1.2 kb/s,对网内的其他用户来说,则降低了干扰,使容量加大。另一方面,由于宽带信道在每个小区都能复用,所以CDMA技术的系统频率复用效率几乎为1。
3)软切换:据以往对模拟系统的测试统计,无线信道上的90%掉话大都是在切换过程中发生的。如果在铁路无线通信这样一个链状系统中,设基站覆盖半径6 km,列车运行速度300 km/h,则列车上的移动台,大约每隔2 min就要切换一次信道,这样列车上正在通信的用户就可能发生通信中断。而CDMA移动通信技术在越区时采用软切换,即在越区切换时,移动台先与原基站和新基站同时保持联系,以保证通信的畅通,当移动台与新基站建立稳定联系后,再切断与原基站的通信。这种同时与2个基站通信的技术是频分和时分技术很难实现的。软切换不仅可以改善越区切换性能,而且可以大大提高系统场强覆盖率,真正实现无中断切换,特别是在高速铁路无线列车控制和数据传输的情况下,软切换有其重要的意义。
4)软容量:对于固定信道的通信系统,在N个信道的无线覆盖区中,若有第N+ 1个用户呼叫,他将会听到忙音;在进行越区切换时必然发生通信中断。如不设控制信道,紧急呼叫也不能完成。然而采用CD MA技术,系统可在话务量高峰期间将话音质量稍微降低,从而容纳更多的用户即增加了信道数量。它对特殊用户,可在任何时刻发起紧急呼叫并不改变通话质量。CDMA移动通信技术除以上特点外,还具有保密性强,电磁辐射低等特点,是非常有发展前景的。
5)覆盖范围大:提供适当的覆盖区域是蜂窝通信系统、无线本地环路和PCS系统的基本要求。每个蜂窝小区的覆盖区域受链路预算的影响很大。根据确定的链路预算,人们可以用来比较不同空中接口技术的小区半径的大小和需要基站的数目。这里给出在同样环境的小区半径下CDMA与GSM初期覆盖范围的比较。如表1所示。
3 在我国的应用前景
CDMA系统在我国具有广阔的应用前景:
1)旺盛的市场需求:欧洲的WCDMA\北美的CD MA2000和中国的TD-SCDMA是3个第三代移动通信系统主要标准,据权威人士预测,第三代移动通信系统的大规模商用要到2010年以后,所以在我国采用第三代系统之前的这几年,移动通信的市场空间非常大。靠目前的GSM系统已远不能满足要求。因此采用目前技术成熟GSM性能优越的窄带CDMA系统是解决这一矛盾的最好方法。
2)易于向第三代系统过渡:第三代CDMA2000的开发策略是对以IS-95标准为蓝本的窄带CDMA系统的平滑升级,其第一阶段CDMA2000在商用化进程方面处于领先阶段,CDMA2000技术使得运营商可以灵活地引入多种先进数据服务来满足逐渐增长的市场需求,而且运营商可以在当前的1.25 MHz频带内就享用3G的能力。
3)促进国内相关产业发展:(1)中国企业在GSM市场只占很少的份额!而在CDMA,设备的开发上已取得很大进展,很多国内厂商具备了提供CDMA设备的能力,在我国发展CDMA系统,必将会进一步带动国内相关产业的发展,并为第三代移动通信技术的研发积累经验,增强中国移动通信技术整体实力。(2)2009年1月,中国的3G牌照正式发放,中国移动获得TD-SCDMA牌照,中国电信获得CDMA2000牌照,中国联通获得W-CDMA牌照。在这之前,2008年4月1日中国移动通信集团公司在北京、上海、天津、沈阳、广州、深圳、厦门和秦皇岛8个城市,启动第三代移动通信(3G)“中国标准”TD-CDMA社会化业务测试和试商用,其号段为157。标志着我国第三代移动通信(3G)标准TD的商业化应用正式起航。(3)近10余年来,移动通信在全球范围内得到迅猛发展并呈方兴未艾之势,社会信息化进程越来越快,仅仅通话已不能满足人们对信息交流的需要,除话音外,数据、图形、图像等各种信息都希望能随时获取和彼此相通,多媒体信息业务和服务就越来越有必要,互联网络的兴起和运用,给信息的生成、传递、交换和应用带来了极大便利和广泛普及,它将给通信的发展和进步带来不可估量的变革。
移动通信正向两个方面发展:(1)移动网与因特网的结合,(2)宽带化,提供移动多媒体业务。电信业、信息技术业及娱乐业出现技术融合、市场融合是现代通信网络发展的大势。