淺談第三代移動(dòng)通信核心技術(shù)——CDMA

王星宇

【摘要】 本文首先簡(jiǎn)要介紹了移動(dòng)通信的發(fā)展歷程，然后從技術(shù)特點(diǎn)和概況方面介紹了第三代通信系統(tǒng)（3G）。之后重點(diǎn)探討了第三代通信系統(tǒng)（3G）核心技術(shù)——CDMA的發(fā)展背景、技術(shù)內(nèi)容以及應(yīng)用。最后，對(duì)CDMA的發(fā)展與演變進(jìn)行了相關(guān)介紹。

【關(guān)鍵詞】 第三代移動(dòng)通信（3G） 碼分多址（CDMA） 技術(shù)簡(jiǎn)介 商業(yè)背景

一、引言

1897年是人類移動(dòng)通信元年，M.G.馬可尼在陸地與一只拖船間完成了一項(xiàng)無(wú)線通信實(shí)驗(yàn)，由此揭開(kāi)世界移動(dòng)通信歷史的序幕。第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)（1G）的商業(yè)化起于20世紀(jì)80年代 。主要以模擬式蜂窩網(wǎng)為特點(diǎn)，采用頻分多址（FDMA）方式實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶動(dòng)態(tài)尋址。第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)（2G）的商業(yè)化起源于20世紀(jì)90年代初。第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)（2G）改變了第一代中采用模擬傳輸?shù)姆绞?，采用?shù)字式蜂窩移動(dòng)通信，增強(qiáng)了傳輸過(guò)程中保密性。值得一提的是，在第二代技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，在當(dāng)時(shí)電信工業(yè)協(xié)會(huì)（TIA）認(rèn)可了一項(xiàng)名為時(shí)分多址（TDMA）的數(shù)字技術(shù)的三個(gè)月之后，一家叫高通（Qualcomm）的美國(guó)公司將軍用技術(shù)——碼分多址（CDMA）的尋址方式的運(yùn)用到民用通信，改變了無(wú)線通信的傳統(tǒng)面貌。第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)（3G）則以移動(dòng)多媒體業(yè)務(wù)為特征，實(shí)現(xiàn)了單一語(yǔ)音業(yè)務(wù)向多媒體業(yè)務(wù)的跨越。第四代移動(dòng)通信（4G）則是在第三代移動(dòng)通信（3G）的基礎(chǔ)上，利用寬帶高速數(shù)據(jù)傳輸方式，全面增強(qiáng)了對(duì)業(yè)務(wù)的動(dòng)態(tài)性支持，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾省?/p>

二、第三代移動(dòng)通信——“3G”

第三代的數(shù)字移動(dòng)通信，支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動(dòng)通信技術(shù)。利用非對(duì)稱的高速速率傳輸能力，實(shí)現(xiàn)用戶終端多媒體業(yè)務(wù)的選擇。在第三代的數(shù)字移動(dòng)通信中，存在主要三種的標(biāo)準(zhǔn)模式：美國(guó)CDMA2000，歐洲與日本的WCDMA和中國(guó)TD-SCDMA。

“3G”移動(dòng)通信技術(shù)針對(duì)之前2G時(shí)代尚未完全統(tǒng)一通信標(biāo)準(zhǔn)的缺點(diǎn)，利用相應(yīng)措施將通信技術(shù)進(jìn)行統(tǒng)一，并在全球范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)用戶業(yè)務(wù)的漫游。另外，完善了用戶業(yè)務(wù)的動(dòng)態(tài)性能，實(shí)現(xiàn)了可向用戶提供從以往單一的語(yǔ)音業(yè)務(wù)通信到包括文字、圖像等多媒體的業(yè)務(wù)擴(kuò)展。“3G”從以往“2G”的理論傳輸速率峰值9.6kbit/s（千比特/每秒），提升到了理論峰值2Mbit/s。

第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)（3G）技術(shù)與其他四代移動(dòng)通信技術(shù)性能進(jìn)行比較，如表1 所示：

三、第三代移動(dòng)通信核心技術(shù)——CDMA

3.1 發(fā)展現(xiàn)狀與商業(yè)背景

在CDMA技術(shù)發(fā)展的過(guò)程中，有一項(xiàng)重要的技術(shù)支持——擴(kuò)頻通信技術(shù)。這個(gè)技術(shù)最初的作用是用于軍事。[1]在戰(zhàn)爭(zhēng)結(jié)束以后，美國(guó)軍方解密了這項(xiàng)技術(shù)。直到1985年，一家名叫“高通（Qualcomm）”的美國(guó)公司利用這項(xiàng)技術(shù)，開(kāi)發(fā)了一項(xiàng)運(yùn)用民用移動(dòng)通信的碼分多址（CDMA）技術(shù)。于是，在1991年，“2G”技術(shù)剛剛步入商業(yè)化階段之時(shí)，這家公司的技術(shù)得到了電信工業(yè)協(xié)會(huì)（TIA-USA）的認(rèn)可并被采納為95號(hào)暫行標(biāo)準(zhǔn)（IS-95）。這一系統(tǒng)最終成為了獲得廣泛普及的第一個(gè)商業(yè)碼分多址（CDMA）系統(tǒng)。

在第二代移動(dòng)通信的商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中，雖然美國(guó)高通（Qualcomm）公司的這種技術(shù)在第二代移動(dòng)通信領(lǐng)域沒(méi)有形成較大的市場(chǎng)規(guī)模，讓采用以頻分多址（TDMA）技術(shù)為主的歐洲GSM（Group Special Mobile）取得了“2G”時(shí)代的勝利，但在接下來(lái)的“3G”時(shí)代，CDMA技術(shù)卻成功代表了無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展方向。

“2G”雖被稱為第二代數(shù)字式移動(dòng)通信系統(tǒng)，但在數(shù)據(jù)傳輸速率上仍不滿足日益增長(zhǎng)的用戶需求。顯然，下一代新的通信系統(tǒng)（也就是“3G”時(shí)代）需要在數(shù)據(jù)傳輸速率上進(jìn)行改進(jìn)。正當(dāng)歐洲GSM系統(tǒng)支持者都為頻分多址（TDMA）技術(shù)尚未能解決這項(xiàng)問(wèn)題而苦惱之時(shí)，但在大洋彼岸的高通（Qualcomm）公司的CDMA這項(xiàng)技術(shù)卻非常合適高速率傳輸。之后，IS-95標(biāo)準(zhǔn)的支持者成功開(kāi)發(fā)出了運(yùn)用第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的CDMA2000標(biāo)準(zhǔn)，人類也正式進(jìn)入了“3G”時(shí)代。

雖然CDMA技術(shù)并非高通（Qualcomm）公司的原創(chuàng)發(fā)明，但是這家公司成功解決了CDMA的組網(wǎng)問(wèn)題。在當(dāng)時(shí)，CDMA的民用前景被不為人重視，于是具有眼光的高通（Qualcomm）公司，幾乎壟斷了CDMA技術(shù)的專利。

3.2 技術(shù)介紹

CDMA全稱：“Code Division Multiple Access”，其中文譯名為碼分多址。

在第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)中，IS-95是運(yùn)用CDMA技術(shù)最為典型的系統(tǒng)。在IS-95系統(tǒng)中，其基本原理是首先發(fā)送端將用戶所需要傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行量化編碼，然后將用戶的信息序列（已編碼）與一個(gè)帶寬遠(yuǎn)大于信號(hào)帶寬的高速偽隨機(jī)碼（擴(kuò)頻序列）進(jìn)行調(diào)制，使原數(shù)據(jù)信號(hào)的帶寬被擴(kuò)展，最后經(jīng)載波調(diào)制并發(fā)送出去。

所使用的這項(xiàng)技術(shù)被稱為擴(kuò)頻通信技術(shù)。也正是巧妙地運(yùn)用了擴(kuò)頻的原理，在接收機(jī)端，對(duì)不同用戶的傳輸信息的識(shí)別就不再僅從傳輸信號(hào)的時(shí)域與頻域上去區(qū)分（實(shí)際在時(shí)域和頻域是混疊的），而是通過(guò)每個(gè)用戶被分配的不同擴(kuò)頻碼去識(shí)別的。這種方式也就是“碼分”的基本概念。

DS-CDMA擴(kuò)頻原理：擴(kuò)頻的基本思想是將數(shù)據(jù)信息擴(kuò)展到非常寬的帶寬上進(jìn)行傳輸。擴(kuò)頻技術(shù)主要有3種：直接序列碼分多址技術(shù)（DS-CDMA），跳頻多址技術(shù)（FHMA），混合碼分多址技術(shù)。其中我們重點(diǎn)介紹直接序列碼分多址（DS-CDMA）的技術(shù)原理。

直接序列碼分多址（DS-CDMA）的原理框圖如下圖所示：

首先，發(fā)送端將輸入信號(hào)進(jìn)行量化編碼和窄帶調(diào)制，設(shè)調(diào)制后信息序列的碼元間隔為T(mén)a，則信號(hào)帶寬B1=1/Ta。之后，將產(chǎn)生的信息序列與一個(gè)用擴(kuò)頻序列調(diào)制載波信號(hào)后生成的寬帶信號(hào)相乘，我們?cè)O(shè)擴(kuò)頻序列為Mc個(gè)碼片，且碼片間隔為T(mén)b=Ta/Mc，則寬帶帶寬B2=1/Tb。顯然Tb<>B1。

在接收端，我們需要進(jìn)行擴(kuò)頻操作的逆操作。再相關(guān)運(yùn)算完成后，信號(hào)帶寬又恢復(fù)到了1/Ta，最后，經(jīng)過(guò)低通濾波等操作，就可以得到相應(yīng)用戶發(fā)送的信息。[3]

多址原理：CDMA技術(shù)基于直接序列擴(kuò)頻來(lái)獲得多址能力。這項(xiàng)技術(shù)將不同的用戶分配以不同的擴(kuò)頻碼，該擴(kuò)頻碼則直接決定了與不同用戶信號(hào)相乘的寬帶信號(hào)。

在接收機(jī)端，則利用正交參量，識(shí)別需要的用戶信號(hào)。因此，在CDMA碼分多址系統(tǒng)中，要滿足多址信號(hào)之間互不干擾，則需要不同信號(hào)之間具有正交特性，而信號(hào)的相似性通常由相關(guān)性表示。所以，應(yīng)選用相關(guān)性小的信號(hào)作為地址碼。雖然噪聲或隨機(jī)序列具有正交特性，但至今無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)白噪聲的放大、調(diào)制、檢測(cè)、同步及控制等，因此只有采用具有準(zhǔn)正交特點(diǎn)的偽隨機(jī)序列（PN碼）進(jìn)行替代。例如：m序列、Gold序列以及Walsh函數(shù)等。在CDMA系統(tǒng)中，我們將地址碼分為3類：用戶地址碼，信道地址碼和基站地址碼。就IS-95系統(tǒng)為例，用戶地址碼的選擇是采用一個(gè)超長(zhǎng)序列n=42的m序列偽碼，它由42位移位寄存器產(chǎn)生，然后每個(gè)用戶按照一定規(guī)律選取局部有限位作為用戶地址碼。而基站地址碼則采用兩個(gè)較短的偽隨機(jī)序列（PN碼），即短序列n=15的m序列，分別對(duì)下行的同相與正交調(diào)制分量進(jìn)行擴(kuò)頻。最后，利用碼長(zhǎng)n=64的正交Walsh碼作為信道地址碼。

四、結(jié)束語(yǔ)

今天，第三代移動(dòng)通信核心技術(shù)——CDMA的發(fā)展較為成熟，并且3G時(shí)代已經(jīng)全面步入我們的日常生活。本文結(jié)合移動(dòng)通信的發(fā)展歷程以及歷史背景，對(duì)CDMA的概念與特點(diǎn)做了簡(jiǎn)單地闡述，并對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)部分進(jìn)行了較為詳細(xì)的敘述。隨著人們需求的不斷增長(zhǎng)，第三代移動(dòng)通信技術(shù)也必將會(huì)有所調(diào)整，部分協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)也有待于進(jìn)一步改進(jìn)。不過(guò)，第三代移動(dòng)通信技術(shù)也會(huì)憑借它新穎的技術(shù)使未來(lái)的移動(dòng)通信變得更加方便快捷！

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 郭宸宸.塵封檔案：最美麗的女人與手機(jī)的故事.[EB/OL].http：//tech.sina.com.cn/mobile/n/2007-04-03/1609279438.shtml，2007-4-3.

[2] 楊志軍.揭秘4G核心專利.[EB/OL]. http：//weibo.com/p/1001603816391915526200，2015-3-3.

[3] Andreas F. Molisch著.田斌等譯.無(wú)線通信[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[4] 曾興雯，劉乃安，孫獻(xiàn)璞.擴(kuò)展頻譜通信及其多址技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2011.