淺談CDMA技術(shù)中幾個(gè)問題

馮華松

摘要：文中主要闡述了CDMA技術(shù)的起源，什么是CDMA技術(shù)，CDMA的軟容量，CDMA短碼和長碼，CDMA系統(tǒng)中功率控制的重要性，CDMA軟切換，CDMA的"更軟切換"，CDMA需要對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)同步，CDMA為什么要加密和鑒權(quán)以及CDMA系統(tǒng)如何保護(hù)A_key安全性。

關(guān)鍵詞：CDMA技術(shù)；頻分多址；時(shí)分多址；碼分多址；通信網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044（2012）30-7179-03

1 CDMA技術(shù)的起源

擴(kuò)頻技術(shù)的起源可以說是在第二次世界大戰(zhàn)時(shí)期，此種思維模式主要是用來防御我方通信被敵方干擾。眾所周知，窄帶通信所采用的帶寬非常小，其數(shù)值只有幾十kHz，因此，敵方只要使用一個(gè)大功率的發(fā)射機(jī)，采用頻率相同或相近的信號(hào)就可以非常容易對我方通信進(jìn)行干擾。由于當(dāng)時(shí)采用的都是調(diào)幅技術(shù)或調(diào)頻技術(shù)，這種技術(shù)很難從敵方的大功率同頻率信號(hào)中分離出自己所需要的有用信息。當(dāng)時(shí)也無法從這種惡劣環(huán)境的信噪比中得到自己原有的原始信號(hào)。

CDMA就是在這種環(huán)境下激發(fā)人們要采用一種新的技術(shù)而產(chǎn)生的。CDMA它的主導(dǎo)思想就是把通信原始信號(hào)經(jīng)過特別的碼型處理，再把經(jīng)過特別處理的信號(hào)能量擴(kuò)散到非常寬廣的頻帶上，使其信號(hào)湮沒在惡劣的信噪比環(huán)境中，在信號(hào)接收端通過相同的碼型處理就可以重新恢復(fù)出源始信號(hào)，其過程類似于對某信號(hào)進(jìn)行加密，再進(jìn)行解密，也就是通常所說的直接序列擴(kuò)頻。由于通信信號(hào)與噪聲在一起，對方就很難偵查到我方通信信號(hào)。因此，這種技術(shù)在軍事領(lǐng)域中有著廣泛應(yīng)用。

2 什么是CDMA技術(shù)

CDMA（Code Division Multiple Access） 又稱碼分多址，它是在數(shù)字通信技術(shù)的分支擴(kuò)頻技術(shù)的原理上發(fā)展而產(chǎn)生的。什么是擴(kuò)頻，擴(kuò)頻就是把頻譜擴(kuò)展開來。

碼分多址技術(shù)是當(dāng)今移動(dòng)通信領(lǐng)域中所應(yīng)用的多址方式一種。在移動(dòng)通信領(lǐng)域系統(tǒng)中，由于大量的移動(dòng)終端要同時(shí)通過一個(gè)地面通信基站與其他移動(dòng)終端進(jìn)行通信，因而不得不對不同的移動(dòng)終端和地面通信基站所發(fā)出的通信信號(hào)給予不同的特征，以便于通信基站能夠從大量的移動(dòng)終端辨別出是誰的移動(dòng)終端發(fā)出的信息，與此同時(shí)移動(dòng)終端也能夠從通信基站發(fā)出眾多的的信號(hào)中識(shí)別出什么信號(hào)是屬于自己所需要的信號(hào)，解決此類問題的方式就叫做多址方式。通信信號(hào)特征上的差異是多址方式基礎(chǔ)。由于通信信號(hào)特征上的差異存在，才能使接收機(jī)進(jìn)行識(shí)別，才能使接收機(jī)進(jìn)行選擇。通常情況下，通信信號(hào)的特征差異主要表現(xiàn)在通信信號(hào)的工作頻率、通信信號(hào)的收發(fā)時(shí)間、通信信號(hào)所具有的特征波形等參數(shù)上。故而就形成了三種多址方式：FDMA（頻分多址）-不同的移動(dòng)終端所分配的工作頻率不同，但是時(shí)隙相同也就是說在同一個(gè)時(shí)間進(jìn)行通信工作的信道上；TDMA（時(shí)分多址）-不同的移動(dòng)終端所分配的工作頻率相同，但是工作時(shí)隙不同進(jìn)行通信工作的信道上；CDMA（碼分多址）-不同的移動(dòng)終端所分配的工作頻率和時(shí)隙均相同的信道上，但是工作的PN碼不同，以偽隨機(jī)正交碼的序列來區(qū)別不同的移動(dòng)終端。

就移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)來說，由于大量的移動(dòng)終端增加和通信業(yè)務(wù)量的不斷的發(fā)展，頻率資源成為一個(gè)非常突出的問題，頻率資源的使用越來越匱乏。在有限的頻率資源中如何提高移動(dòng)通信容量是迫在眉睫的問題。移動(dòng)通信的容量直接受到多址方式的影響，因此使用什么樣的多址方式，才能更好的使移動(dòng)通信容量得到提高，這是設(shè)備制造商、運(yùn)營商和研發(fā)單位所要重視的問題，同時(shí)也是人們研究和開發(fā)的重要方向。通過多次的應(yīng)用實(shí)踐和對其理論研究，其頻分多址（FDMA）為移動(dòng)終端用戶容量最小的多址方式，時(shí)分多址（TDMA）為移動(dòng)終端用戶容量較小方式，碼分多址（CDMA）為移動(dòng)終端用戶容量最大的多址方式。

碼分多址（CDMA）對每個(gè)移動(dòng)終端用戶信號(hào)都進(jìn)行了頻帶帶寬的擴(kuò)展。在軍事通信系統(tǒng)里是最早使用CDMA技術(shù)的，而在上個(gè)世紀(jì)八十年代末人們才開始重視在移動(dòng)通信中應(yīng)用。通過研究發(fā)現(xiàn)碼分多址系統(tǒng)的擴(kuò)頻信號(hào)技術(shù)抗干擾能力強(qiáng)，利用這一特性可提高CDMA通信系統(tǒng)的容量。同時(shí)發(fā)現(xiàn)提高CDMA通信系統(tǒng)的容量的還有話音激活、糾錯(cuò)編碼、功率控制、無線分區(qū)等方式，CDMA通信系統(tǒng)的容量比頻分多址（FDMA）方式大20倍，比時(shí)分多址（TDMA）方式大4倍，從而為CDMA技術(shù)在社會(huì)民用通信領(lǐng)域中打開了廣闊的應(yīng)用前景的大門。美國QUALCOMM公司制定了世界上第一個(gè)CDMA蜂窩通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)（IS-95），在1993年7月16日美國電信工業(yè)協(xié)會(huì)正式批準(zhǔn)通過了該項(xiàng)提議。隨后，又陸續(xù)指定了IS-95B，隨著3GPP2的成立，推出了CDMA2000 1X，以及EV DO/DV等標(biāo)準(zhǔn)。3G的另外兩種制式WCDMA/TD-SCDMA的空口主要方式也采取了CDMA的原理。

3 CDMA的軟容量是指什么

根據(jù)對CDMA系統(tǒng)的類比，單載波的容量，手機(jī)的發(fā)射功率，手機(jī)與基站的距離都會(huì)影響CDMA的軟容量。我們可以通過下面的例子來說明這個(gè)問題。一個(gè)會(huì)客室總會(huì)有客人進(jìn)入，客人的總數(shù)總是有一定的限度，這是因?yàn)樗c會(huì)客室大小、客人間的距離、還有客人的音量都有密不可分的關(guān)系。如果我們把會(huì)客室的大小比做CDMA系統(tǒng)中的單載波的容量；而客人之間交談的音量就相當(dāng)于CDMA系統(tǒng)手機(jī)的發(fā)射功率；CDMA的功率控制（CDMA的功率控制是一個(gè)十分重要的技術(shù)）就相當(dāng)于客人音量控制，CDMA的功率控制在CDMA系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用，它直接影響到碼分多址（CDMA）系統(tǒng)的容量；手機(jī)與基站的距離就好比客人間的距離。通過此例說明碼分多址（CDMA）是一個(gè)具有自干擾系統(tǒng)的特點(diǎn)；頻分多址（FDMA）和時(shí)分多址（TDMA）的容量是固定的而碼分多址（CDMA）系統(tǒng)單載頻的容量是受其他因素影響而變化的，這就是通常所說的"軟容量"。

4 CDMA短碼和長碼

碼分多址（CDMA）系統(tǒng)常用短碼和長碼，它們都是偽隨機(jī)機(jī)碼序列。短碼：215-1長度是短碼的周期序列。在CDMA系統(tǒng)中從地面基站指向移動(dòng)終端方向?yàn)榍跋蛐诺?，對前向信道進(jìn)行調(diào)制是由短碼來完成的，其作用就是使前向信道做上本基站的標(biāo)記，每個(gè)基站都使用不同相位的短碼，致使把每個(gè)基站都進(jìn)行區(qū)分開來。在CDMA系統(tǒng)中從移動(dòng)終端指向地面基站的反向信道，短碼調(diào)制于反向業(yè)務(wù)信道，其作用和短碼在前向信道中作用相同。長碼：242-1長度是長碼的周期序列。在CDMA系統(tǒng)從地面基站指向移動(dòng)終端方向的前向信道中，長碼主要起類似于加密一樣的對業(yè)務(wù)信道進(jìn)行擾碼。在CDMA系統(tǒng)中從移動(dòng)終端指向地面基站的反向信道，長碼主要用來直接進(jìn)行擴(kuò)頻，用來區(qū)分不同的接入手機(jī)。

沃爾什（WALSH）碼，CDMA系統(tǒng)中還使用64位長沃爾什碼（Walsh Code）。沃爾什碼在數(shù)學(xué)上具有很好的正交性。所謂正交性，就是講不同語言且不懂對方語言的人，相互之間無法用語言進(jìn)行交流。用沃爾什碼可以區(qū)分開不同的前向信道。

5 為什么功率控制在CDMA系統(tǒng)中非常重要

前面提到，CDMA系統(tǒng)的功率控制是一個(gè)十分重要的技術(shù)，CDMA系統(tǒng)中關(guān)鍵核心技術(shù)是功率控制。要了解功率控制在CDMA系統(tǒng)中的重要地位，就得首先搞清"遠(yuǎn)近效應(yīng)"這個(gè)概念。假設(shè)某個(gè)小區(qū)的移動(dòng)終端所有客戶都用同樣的功率進(jìn)行發(fā)送信號(hào)，那么離基站近的客戶的移動(dòng)終端到達(dá)基站的功率就大一些，也就是說它的信號(hào)就強(qiáng)一些，離基站遠(yuǎn)的客戶的移動(dòng)終端到達(dá)基站的功率就小一些，也就是說它的信號(hào)就弱一些，因此就會(huì)引起功率大信號(hào)強(qiáng)的掩蓋功率小信號(hào)弱的現(xiàn)象，這就是CDMA系統(tǒng)中“遠(yuǎn)近效應(yīng)”現(xiàn)象。由于小區(qū)的移動(dòng)終端所有客戶都用同樣的載波即同一頻率，就會(huì)更加突出“遠(yuǎn)近效應(yīng)”現(xiàn)象這個(gè)問題。要控制好“遠(yuǎn)近效應(yīng)”這個(gè)問題，就必須做好CDMA系統(tǒng)的功率控制，在不占用同一信道的其它客戶產(chǎn)生不應(yīng)有的干擾的同時(shí)還可以保持CDMA系統(tǒng)高質(zhì)量通信。

6 什么是CDMA軟切換？它與硬切換有什么分別

移動(dòng)通訊是建立在移動(dòng)之中的。有了頻率的復(fù)用，必然帶來移動(dòng)中的頻率切換問題，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的好壞在無線方面主要表現(xiàn)在掉話、頻率丟失等指標(biāo)上，切換方式將對這些指標(biāo)產(chǎn)生影響。通過下面軟切換和硬切換方法的比較，孰優(yōu)孰劣，我們能得出結(jié)論。

硬切換：在FDMA和TDMA系統(tǒng)中，所有的切換都是硬切換。當(dāng)切換一旦產(chǎn)生時(shí)，移動(dòng)終端優(yōu)先釋放原來基站的信道，然后才能獲得新基站分配的信道，是一個(gè)"釋放-建立"的過程，切換這一過程的發(fā)生是在基站的兩個(gè)扇區(qū)之間或者是在兩個(gè)基站過渡區(qū)域，基站與基站、扇區(qū)與扇區(qū)之間均存在著一定的競爭關(guān)系。若在同一個(gè)區(qū)域內(nèi)的多個(gè)基站其信號(hào)發(fā)射功率發(fā)生巨大變化，移動(dòng)終端就會(huì)在這幾個(gè)基站之間進(jìn)行往復(fù)切換，形成一種"乒乓效應(yīng)"。與此同時(shí)就會(huì)加大交換系統(tǒng)負(fù)荷量，使掉話的可能性增加。

軟切換：在CDMA系統(tǒng)中，切換的情況有所不同。當(dāng)一部手機(jī)處于切換狀態(tài)下，處于此部手機(jī)的相關(guān)基站都會(huì)對這部手機(jī)進(jìn)行監(jiān)測，CDMA系統(tǒng)中基站控制器就會(huì)將各個(gè)基站送來的這不手機(jī)的信號(hào)質(zhì)量報(bào)告進(jìn)行逐幀比較，選出這幾個(gè)基站中最好的一幀。由此得知CDMA的切換就是一個(gè)"建立-比較-釋放"的過程，這種切換就叫軟切換，這種軟切換用來區(qū)別在FDMA和TDMA系統(tǒng)中的硬切換。軟切換可以是同一基站控制器下的不同基站或不同基站控制器下不同基站之間發(fā)生的切換。

7 什么是CDMA的"更軟切換"

在CDMA系統(tǒng)中還有一種切換稱為"更軟切換"。它指發(fā)生在同一基站具有相同頻率的不同扇區(qū)間的切換。另外，CDMA系統(tǒng)中還可以提供導(dǎo)頻引導(dǎo)（PilotBeacon）的不同載波間的切換，以及軟件控制的一些切換。所有這些切換措施都為CDMA系統(tǒng)帶來了更可靠的無線通路。

現(xiàn)有的蜂窩系統(tǒng)分級(jí)接收，與CDMA的分級(jí)接收有什么分別？在CDMA系統(tǒng)中，由于采用了Rake接收機(jī)，克服了多徑效應(yīng)，使得不利變?yōu)榱擞欣@是CDMA中獨(dú)有的路徑分級(jí)技術(shù)。

路徑分級(jí)接收的遠(yuǎn)離是這樣的：在基站處，每一個(gè)反向信道都有四個(gè)數(shù)字解調(diào)器，而每個(gè)數(shù)字解調(diào)器又包含有搜索單元和解調(diào)單元，搜索單元負(fù)責(zé)搜索不同的多徑信號(hào)，并交由各解調(diào)單元解調(diào)。這樣每個(gè)基站都可以同時(shí)解調(diào)四路多徑信號(hào)，并進(jìn)行矢量合并，通過這樣恢復(fù)出的信號(hào)比任何一路的信號(hào)都要好。在手機(jī)里，有三個(gè)數(shù)字解調(diào)單元、一個(gè)搜索單元，這樣手機(jī)也能同時(shí)解調(diào)三路多徑信號(hào)并進(jìn)行矢量合并。由于采用了多徑接受機(jī)，使得基站、手機(jī)均能有穩(wěn)定的接受信號(hào)。

8 CDMA為什么要加密和鑒權(quán)

加密主要是通過手機(jī)和網(wǎng)絡(luò)配合，采用約定的加、解密算法對無線鏈路上的的通信內(nèi)容進(jìn)行處理，包括語音、數(shù)據(jù)、用戶信令和系統(tǒng)信令，從而確保通信的保密性。由于目前 GSM/CDMA/WCDMA都屬于數(shù)字通訊，要做到這點(diǎn)是比較容易的；

而鑒權(quán)就是通過在手機(jī)和網(wǎng)絡(luò)（主要是HLR）中分別設(shè)定一些秘密數(shù)據(jù)，通過這些秘密數(shù)據(jù)由網(wǎng)絡(luò)側(cè)識(shí)別哪些是合法用戶，哪些是非法用戶。

9 CDMA系統(tǒng)如何保護(hù)A_key安全性

CDMA鑒權(quán)用的基本數(shù)據(jù)，包括 IMSI/ ESN（UIMID）/A_KEY。A_KEY是非常重要的參數(shù)，運(yùn)營商、設(shè)備制造商做了嚴(yán)密的防護(hù)措施，A_KEY 的產(chǎn)生、加載、保存、維護(hù)都受嚴(yán)格監(jiān)控的。具體可以從 以下 SIM 卡生效流程便可反應(yīng)出來：

1）A_KEY 的生成和手機(jī)側(cè)的加載：運(yùn)營商指定的制卡中心在嚴(yán)格保密流程下，采用專用程序隨機(jī)產(chǎn)生 A_KEY ，并連同 IMSI 、UIMID、CAVE 算法等其它重要信息一次性寫入到 SIM 卡中；同時(shí)，將制作完畢的 SIM 卡以及對應(yīng)記錄 IMSI/ESN（UIMID）/ A_KEY 的資源文件提交給運(yùn)營商；

2）A_KEY 資源文件的加密：運(yùn)營商為了防止明文的資源文件在傳遞過程中被他人盜用，可以通過加密密鑰 K4 以及加/解密算法 DES 對 A_KEY 進(jìn)行加密。為了簡化處理和便于管理，一個(gè)省級(jí)資源文件的 K4 密鑰一般采用幾個(gè)就可以了；

3）A_KEY 資源在HLR/AC 的加載：運(yùn)營商將加密后的資源文件提交給維護(hù) HLR/AC 的各分公司，由分公司的指定人員（A_KEY 管理員）甚至省公司的專職人員 將對應(yīng)資源文件進(jìn)行解密，形成明文資源文件，然后利用設(shè)備制造商提供的資源文件加載接口批量加載到 HLR/AC 主機(jī)中。

在聯(lián)通 CDMA 運(yùn)維方式中，文件的加載操作都是按照以上步驟操作的。

在資源文件加載方面，GSM 和 CDMA略有不同。在 GSM 中，向 HLR/AC 加載 A_KEY 的時(shí)候，允許直接加載被加密后的 KI（A_KEY） ，當(dāng)然，加載內(nèi)容除了 IMSI/ESN/ 加密后KI （相當(dāng)于CDMA 中的 A_KEY ）外，還有對KI （A_KEY）加密的密鑰 K4。這樣， 只有在HLR/AC實(shí)際鑒權(quán)的時(shí)候才能獲悉真正的密鑰 KI （A_KEY） 。

通過分析比較，在 GSM 運(yùn)維方式下，除了制卡中心人員外，連 HLR/AC 密鑰加載人員也不能直接得到用戶的解密 KI（A_KEY），要比 CDMA 中先解密 A_KEY 再加載的方式的保密性更好一些。

4）A_KEY 的維護(hù)：在華為 CDMA HLR/AC 內(nèi)，為了更大程度確保鑒權(quán)數(shù)據(jù)的保密性，所有的 A_KEY 都是經(jīng)過 內(nèi)部 加密后再存到數(shù)據(jù)庫中；并且在維護(hù)上，華為 HLR/AC 提供了嚴(yán)格的權(quán)限管理功能，只有 A_KEY 權(quán)限管理員才能做 A_KEY 的維護(hù)工作，其它未授權(quán)人員是不能接觸到這些敏感數(shù)據(jù)的。

10 為什么CDMA需要對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)同步

在傳輸過程中如果碼序列產(chǎn)生了傳輸時(shí)延，那么接收端就不能將原始的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)恢復(fù)，只有通過在接收端進(jìn)行人為傳輸時(shí)延補(bǔ)償或者對通信數(shù)字信號(hào)處理所形成的時(shí)延進(jìn)行人為時(shí)延補(bǔ)償。要實(shí)現(xiàn)這種時(shí)延補(bǔ)償必須對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)建立同步系統(tǒng)，使得接收端與發(fā)送端的信號(hào)碼序列進(jìn)行同步。這就是CDMA系統(tǒng)需要對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)同步問題。在CDMA系統(tǒng)中傳輸?shù)男盘?hào)碼速率非常高，故此必須有一整套的精度非常高的時(shí)鐘源作為同步時(shí)鐘來統(tǒng)一協(xié)調(diào)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)所有基站的同步工作。

目前，高精度時(shí)鐘源最佳選擇是GPS即全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS是由24顆衛(wèi)星組成的天線導(dǎo)航系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是覆蓋面廣，時(shí)鐘源性能穩(wěn)定精度高，電磁暴及低頻干擾源對其影響小。LORAN-C遠(yuǎn)距離導(dǎo)航系統(tǒng)一般作為備份時(shí)鐘源，遠(yuǎn)距離導(dǎo)航系統(tǒng)使用了地波傳播技術(shù)，因此它具有很多優(yōu)點(diǎn)如時(shí)鐘的相位及幅度穩(wěn)定、衰減小、時(shí)鐘源精度高、不受電離層變化影響等特點(diǎn)。

11 結(jié)束語

通過對CDMA技術(shù)的起源的闡述，說明了CDMA技術(shù)產(chǎn)生的背景。對CDMA技術(shù)的解釋，使人們對CDMA技術(shù)有所了解。同時(shí)對CDMA技術(shù)中的CDMA的軟容量、短碼和長碼、功率控制、軟切換、硬切換、更軟切換、A_key安全性以及CDMA對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)同步等問題進(jìn)行了解釋和說明。隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，CDMA技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用，在通信技術(shù)不斷涌現(xiàn)的當(dāng)今，學(xué)習(xí)、了解和掌握CDMA技術(shù)非常重要。

參考文獻(xiàn)：

[1] 黃雅琳.第三代數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)物理層關(guān)鍵技術(shù)[J].無線電通信技術(shù)，2001，27（5）.

[2] 張麗娟，孫錦歆，劉金媛，張妍紫.新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)—CDMA[J].河北職工大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，3（1）.