王曉卉

摘要：2009年，我國第三代移動通信的“3G運(yùn)營元年”已經(jīng)被載入我國的通信史冊，基于CDMA2000標(biāo)準(zhǔn)體系的3G通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營牌照正式頒發(fā)給中國電信集團(tuán)公司，這標(biāo)志CDMA產(chǎn)業(yè)發(fā)展篇章在中國掀開了新的一頁。該文針對CDMA的有關(guān)技術(shù)方面進(jìn)行比較基本的應(yīng)用研究，希望更多的人對CDMA網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展有所認(rèn)識，從而對CDMA移動網(wǎng)絡(luò)的信息化應(yīng)用有所引領(lǐng)與推動。

關(guān)鍵詞：CDMA；功率控制；軟切換

中圖分類號：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044(2012)23-5583-03

回眸2009年，我國第三代移動通信的“3G運(yùn)營元年”已經(jīng)被載入我國的通信史冊，基于CDMA2000標(biāo)準(zhǔn)體系的3G通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營牌照正式頒發(fā)給中國電信集團(tuán)公司，這標(biāo)志CDMA產(chǎn)業(yè)發(fā)展篇章在中國掀開了新的一頁。

1 CDMA2000 1X技術(shù)概述

1993年7月16日美國電信工業(yè)協(xié)會正式通過了美國QUALCOMM公司提議，制定了世界上第一個(gè)CDMA蜂窩通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)（IS- 95）。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。自IS-95A/B發(fā)展而來的CDMA2000 1X技術(shù)在采用了如功率控制、軟切換、話音激活等關(guān)鍵技術(shù)的同時(shí)又有了進(jìn)一步的改進(jìn)，在系統(tǒng)性能和所能提供的業(yè)務(wù)上均有了很大的提高和擴(kuò)展。與IS-95A相比，CDMA2000 1X有其突出的優(yōu)勢。目前，CDMA2000 1X系統(tǒng)已進(jìn)入成熟商用階段。

CDMA2000 1X是在IS-95A/B基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上看CDMA2000 1X網(wǎng)絡(luò)在原有語音核心網(wǎng)基礎(chǔ)上增加了一個(gè)數(shù)據(jù)核心網(wǎng)，形成雙重核心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時(shí)提供語音和高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。由于CDMA2000 1X中采用了一系列先進(jìn)的技術(shù)，如：反向相干解調(diào)、發(fā)射分集、改進(jìn)的卷積編碼、Turbo編碼、輔助導(dǎo)頻、增強(qiáng)的切換和前反向快速功率控制等技術(shù)，使語音質(zhì)量進(jìn)一步提高，容納的語音用戶數(shù)也得到飛躍，實(shí)際容量約為IS-95A系統(tǒng)的1.5～1.7倍。

自從電話技術(shù)和無線電技術(shù)問世以來，人們就在試圖通過單條電路傳送盡可能多的業(yè)務(wù)。而cdma多址技術(shù)能夠滿足每對用戶各自通過傳輸介質(zhì)使用一專用電路通信而彼此并不知道其他用戶的存在。它的好處還在于增加系統(tǒng)的容量，為更多的用戶提供服務(wù)；因?yàn)樗鑲鬏斆浇闇p少，降低了系統(tǒng)成本；降低單用戶的費(fèi)用；更易于管理。物理傳輸介質(zhì)是一種可以根據(jù)所采用的不同技術(shù)進(jìn)一步劃分為單個(gè)信道的資源：FDMA（頻分多址）——每個(gè)用戶使用不同的頻率，一個(gè)信道對應(yīng)一個(gè)頻率；TDMA（時(shí)分多址）——每個(gè)用戶使用不同的時(shí)隙，一個(gè)信道就是特定頻率的特定時(shí)隙；CDMA（碼分多址）——一個(gè)信道對應(yīng)一種獨(dú)特的碼序列，每個(gè)用戶使用相同的頻率，但采用不同的碼序列。

自1993年美國高通公司提出基于CDMA技術(shù)的IS-95標(biāo)準(zhǔn)以來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，CDMA標(biāo)準(zhǔn)也逐漸從IS-95A、IS-95B發(fā)展到CDMA2000 1X，繼而向CDMA2000 1XEV-DO(DataOnly)、EV-DV(Data and Voice)演進(jìn)；同時(shí)，在標(biāo)準(zhǔn)演變的過程中，系統(tǒng)所能提供的數(shù)據(jù)速率也從9.6kbps到76.8kbps,發(fā)展至今已能達(dá)到153.6kbps，并向著超過2Mbps的速率邁進(jìn)。

2 CDMA技術(shù)的優(yōu)勢分析

CDMA技術(shù)采用碼分多址的技術(shù)及擴(kuò)頻通信的原理，使得可以在系統(tǒng)中使用多種先進(jìn)的信號處理技術(shù)，為系統(tǒng)帶來許多優(yōu)點(diǎn)。

1）大容量

根據(jù)理論計(jì)算及現(xiàn)場試驗(yàn)表明，CDMA系統(tǒng)的信道容量是模擬系統(tǒng)的10～20倍，是TDMA系統(tǒng)的4倍。CDMA系統(tǒng)的高容量很大一部分因素是因?yàn)樗念l率復(fù)用系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其它制式的蜂窩系統(tǒng)，同時(shí)CDMA使用了話音激活和扇區(qū)化，快速功率控制等。

2）軟容量

在CDMA系統(tǒng)中，用戶數(shù)目和服務(wù)質(zhì)量之間可以相互折中，靈活確定。例如系統(tǒng)運(yùn)營者可以在話務(wù)量高峰期將某些參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，例如可以將目標(biāo)誤幀率稍稍提高，從而增加可用信道數(shù)。同時(shí)，在相鄰小區(qū)的負(fù)荷較輕時(shí)，本小區(qū)受到的干擾較小，容量就可以適當(dāng)增加。

3）軟切換

軟切換可以有效地提高切換的可靠性，大大減少切換造成的掉話，因?yàn)閾?jù)統(tǒng)計(jì)，模擬系統(tǒng)、TDMA系統(tǒng)無線信道上的掉話90%發(fā)生在切換中。同時(shí)，軟切換還提供分集，在軟切換中，由于各個(gè)小區(qū)采用同一頻帶，因而移動臺可同時(shí)與小區(qū)A和鄰近小區(qū)B同時(shí)進(jìn)行通信。

4）采用多種分集技術(shù)

分集接收是克服多徑衰落的一個(gè)有效方法，采用這種方法，接收機(jī)可對多個(gè)攜有相同信息且衰落特性相互獨(dú)立的接收信號在合并處理之后進(jìn)行判決。

5）話音激活

CDMA系統(tǒng)因?yàn)槭褂昧丝勺兯俾事暣a器，在不講話時(shí)傳輸速率低，減輕了對其它用戶的干擾，這即是CDMA系統(tǒng)的話音激活技術(shù)。

6）保密

CDMA系統(tǒng)的信號擾碼方式提供了高度的保密性，使這種數(shù)字蜂窩系統(tǒng)在防止串話、盜用等方面具有其它系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。

7）低發(fā)射功率

眾所周知，由于CDMA (IS-95)系統(tǒng)中采用快速的反向功率控制、軟切換、語音激活等技術(shù)，以及IS-95規(guī)范對手機(jī)最大發(fā)射功率的限制，使CDMA手機(jī)在通信過程中輻射功率很小而享有“綠色手機(jī)”的美譽(yù)，這是與GSM相比，CDMA的重要優(yōu)點(diǎn)之一。

8）大覆蓋范圍

在相同的發(fā)射功率和相同的天線高度條件下，CDMA有更大的覆蓋半徑，因此需要的基站也更少；另外的好處是對于相同的覆蓋半徑，CDMA所需要的發(fā)射功率更低。

3功率控制與頻率切換

CDMA是一種基于用戶數(shù)量的干擾受限系統(tǒng)，與AMPS/TDMA系統(tǒng)不同，CDMA系統(tǒng)是軟容量限制系統(tǒng)。每個(gè)用戶都是共享信道中的噪聲源，用戶的噪聲是累積而成的，這就對系統(tǒng)能夠容納多少用戶，造成了實(shí)際的限制。移動臺精確的功率控制是至關(guān)重要的，如果我們想要獲得最大系統(tǒng)容量，延長移動臺電池壽命，功率控制的目標(biāo)就是，使每個(gè)移動臺保持在絕對最小功率級，并確?？山邮艿姆?wù)質(zhì)量。理想情況是在基站從每個(gè)移動臺接收到的信號功率應(yīng)該是相同并且干擾最小的，移動臺發(fā)射過多的功率會增加對其它移動臺的干擾。

頻率切換就是當(dāng)移動臺從一個(gè)基站的覆蓋范圍進(jìn)入另外一個(gè)基站的覆蓋范圍時(shí)移動臺保持與移動電話交換局(MTSO)通信的過程。在很多情況下頻率切換也可保持呼叫，比如用戶穿過小區(qū)的邊界；用戶遭遇噪聲或超過特定門限的干擾；呼叫期間基站的組成部件出現(xiàn)故障退出服務(wù)等。頻率切換包括三個(gè)階段：

1）切換起始

AMPS切換觸發(fā)是由基站開始的，TDMA切換觸發(fā)也是由基站發(fā)起的，但移動臺在處理過程中起輔助作用，CDMA軟切換和更換切換由移動臺發(fā)起。

2）目標(biāo)選擇

AMPS采用一種機(jī)制而TDMA采用兩種機(jī)制：一是相鄰基站的定位接收機(jī)(LCR)，二是完成移動臺對相鄰控制信道的測量(MA HO)。CDMA典型只采用一種機(jī)制(MDHO)，即移動臺測量相鄰導(dǎo)頻信道并發(fā)送導(dǎo)頻強(qiáng)度測量消息(PSMM)。

3）切換完成

TDMA/AMPS話音通路總是要切換掉，CDMA話音通路只有在硬切換時(shí)要先斷掉。

頻率切換分為軟切換、更換切換和硬切換三種。軟切換指移動臺開始與目標(biāo)基站通信但不中斷與當(dāng)前提供服務(wù)的基站的通信。軟切換可以同時(shí)包括三個(gè)基站并使用三個(gè)基站的信號，移動臺合并從每個(gè)基站發(fā)送來的信號幀。更換切換指相同小區(qū)的不同扇區(qū)之間的切換，當(dāng)跨越兩扇區(qū)時(shí)始終保持與兩個(gè)扇區(qū)的同時(shí)通信直到移動臺切換完全完成，更換切換可能頻繁發(fā)生，MTX知道但并不參與，所有行為由基站管理，從兩個(gè)扇區(qū)接收到的信號可以被合并以改善信號質(zhì)量。硬切換是指切換的兩個(gè)基站工作在不同的頻率，切換的兩個(gè)基站可以工作在相同的頻率，但從屬于不同的MTSO。

4 CDMA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)識別哪些是合法用戶，哪些是非法用戶。

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、UI? MID、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K（IA_KEY），當(dāng)然，加載內(nèi)容除了IMSI/ESN/加密后K（I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)。

4）A_KEY的維護(hù)：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。

在我國CDMA移動通信網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展的形勢下，我們應(yīng)該了解CDMA的有關(guān)技術(shù)，掌握CDMA網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識，對于我國CDMA網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展有所認(rèn)識，對CDMA移動網(wǎng)絡(luò)的信息化應(yīng)用有所引領(lǐng)與推動。

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