CDMA技術(shù)發(fā)展綜述

導讀　本文較全面系統(tǒng)的介紹了CDMA技術(shù)的發(fā)展情況，對CDMA演進各個進程(從cdmaOne——cdma2000 1X——1X/EV-DO——1x/EV—DV)的性能及技術(shù)特點進行了較詳細的分析。分析認為cdma2000優(yōu)于其它3G技術(shù)。期待中國聯(lián)通充分發(fā)揮自己的優(yōu)勢，更好地服務于用戶和我國經(jīng)濟發(fā)展。

　　l994年上半年，高通公司和當時的郵電部聯(lián)合在天津組織，一次CDMA技術(shù)實驗，首次將CDMA技術(shù)引入中國。屈指算來，已經(jīng)過了整整十個年頭。

　　在這十年里，CDMA在中國的發(fā)展可謂一波三折。終于，在中國聯(lián)通的手里開始騰飛。與此同時，CDMA技術(shù)本身也在不停地發(fā)展和改進，并在業(yè)界始終保持領先的地位。

　　一、CDMA演進過程

　　經(jīng)過十多年時間的發(fā)展和改進，CDMA技術(shù)已經(jīng)經(jīng)過了多個發(fā)展階段(見圖1)。

圖1　CDMA發(fā)展歷程

　　一般認為，這兩個移動通信標準屬于第二代移動通信技術(shù)標準。IS-95A是1995年美國TIA正式頒布的窄帶CDMA(N-CDMA)標準。IS-95B是IS-95A的進一步發(fā)展，于1998年制定的標準。主要目的是能滿足更高的比特速率業(yè)務的需求，IS-95B可提供的理論最大比特速率為115kbit/s，實際只能實現(xiàn)64kbit/s。IS-95A和IS-95B均是系列標準，其總稱為IS-95。

　　cdmaOne是基于IS-95標準的各種CDMA產(chǎn)品的總稱，即所有基于cdmaOne技術(shù)的產(chǎn)品，其核心技術(shù)均以IS-95作為標準。

　　2.cdma2000

　　cdma2000是美國向ITU提出的第三代移動通信空中接口標準的建議，是IS-95標準向第三代演進的技術(shù)體制方案，這是一種寬帶CDMA技術(shù)。

　　cdma2000 1X原意是指采用單載波形式的cdma2000系統(tǒng)，也可以理解為cdma2000的第一階段，可支持308kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)絡部份引入了分組交換，可支持移動IP業(yè)務。

　　有人稱cdma2000 3X為cdma2000第二階段，實際上并不準確。它與cdma2000 1x的主要區(qū)別是前向CDMA信道采用3載波方式，而cdma2000 1X用單載波方式。因此它的優(yōu)勢在于能提供更高的速率數(shù)據(jù)，但占用頻譜資源也較寬。從目前的情況來看，在較長時間內(nèi)運營商未必會考慮cdma2000 3X，而會考慮cdma2000 1X/EV。

　　IS-2000則是采用cdma2000技術(shù)的正式標準總稱。

　　3.cdma2000-1X/EV

　　cdma2000-1X/EV是在cdma2000-lx基礎上進一步提高速率的增強體制。這個技術(shù)也分為兩個部分，一個被稱為1X/EV-DO技術(shù)，主要對數(shù)據(jù)業(yè)務進行了增強，另一個叫做1X/EV-DV技術(shù)，同時對數(shù)據(jù)業(yè)務和語音業(yè)務進行了增強。

　　二、cdma2000 1X技術(shù)的特點

　　第三代移動通信系統(tǒng)主要追求目標是更高的比特率和更好的頻譜效率。cdma2000最終正式標準是2000年3月通過的，cdma2000有下列技術(shù)特點：

　　*多種信道帶寬。前向鏈路上支持多載波(MC)和直擴(DS)兩種方式；反向鏈路僅支持直擴方式。當采用多載波方式時，能支持多種射頻帶寬，即射頻帶寬可為N×l.25MHz，其中N=1、3、5、9或12。目前技術(shù)僅支持前兩種，即1.25MHz(cdma2000-1X)和3.75MHz(cdma2000-3X)。

　　*可以更加有效地使用無線資源。

　　*可實現(xiàn)cdma border="0" alt="CDMA技術(shù)發(fā)展綜述（圖二）" width="302" height="221" />
圖2 HRPD網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)示意圖

　　同時，為了支持高速分組數(shù)據(jù)業(yè)務還引入了AT—接入終端的概念，接入終端類似于原來2G網(wǎng)絡中的移動臺，用戶可以通過將計算機與接入終端(接入終端作為調(diào)制解調(diào)器)連接或直接使用支持分組數(shù)據(jù)業(yè)務的接入終端訪問分組數(shù)據(jù)網(wǎng)。

　　這些新引入的網(wǎng)絡實體之間與已有網(wǎng)絡實體之間的接口如下：HRPD BSC(PCF)與PDSN的接口仍然采用cdma2000 A接口中已定義的A10/A11接口。同時，新增加兩個接口(仍為A接口中的一部分)：A12接口，用于連接HRPD BSC與ANAAA傳遞鑒權(quán)信息；A13接口，用于連接兩個HRPD BSC以支持HRPDBSC間的切換。

　　HRPD的空中接口定義了7層協(xié)議，在每一層協(xié)議中又定義了若干協(xié)議子層。這7層協(xié)議由上到下包括應用層(Application Layer)、流層(stream Layer)、會話層(Session Layer)、連接層(Connection Layer)、安全層(Security Layer)、媒體接入控制層(MAC Layer)及物理層(Physical Layer)。下圖為詳細的協(xié)議結(jié)構(gòu)圖。

　　HRPD的空中接口協(xié)議的功能如下：

圖3　HRPD空中接口協(xié)議結(jié)構(gòu)示意圖

　　1.應用層(Application Layer)

　　應用層用以確保信令、分組數(shù)據(jù)的可靠性傳輸。在該層定義了默認信令應用和默認分組應用兩個部分。

　　(1)默認信令應用(Default Signaling Application)包括：

　　·信令網(wǎng)絡協(xié)議(Signaling Net-work Protocol)：信令網(wǎng)絡協(xié)議提供信令消息的消息傳輸業(yè)務。

　　·信令鏈路協(xié)議(Signaling Link Protocol)：信令鏈路協(xié)議(SLP)提供對信令消息的分段機制和可靠、高效的發(fā)送機制。用于承載信令網(wǎng)絡協(xié)議數(shù)據(jù)包。

　　(2)默認分組應用(Default Packet Application)包括：

　　·無線鏈路協(xié)議(Radio Link Protocol)：無線鏈路協(xié)議(RLP)為數(shù)據(jù)流提供差錯檢測和重傳。

　　·位置更新協(xié)議(Location Update Protocol)：位置更新協(xié)議定義了位置更新的過程和消息以支持默認分組應用的移動性管理。

　　·流控制協(xié)議(Flow Control Protocol)：流控制協(xié)議定義了禁止/使能默認分組數(shù)據(jù)應用的數(shù)據(jù)流控制過程。

　　2.流層(Stream Layer)

　　流層完成不同應用的流數(shù)據(jù)的復用。Stream0專門用于信令，默認對應于默認信令應用(Default Signaling Application)。其它Stream可以分配給不同QoS要求的應用。流協(xié)議最多可以復用4個流。在默認情況下不使用stream1，stream 2和Stream3。流層包含的協(xié)議有：流協(xié)議(stream Protoco1)，在發(fā)送方向的數(shù)據(jù)上增加流頭(stream header)；在接收數(shù)據(jù)時，去掉流頭并將數(shù)據(jù)包發(fā)給接收實體上對應的應用。

　　3.會話層(Session Layer)

　　會話層提供地址管理、協(xié)議協(xié)商、協(xié)議配置、狀態(tài)維護業(yè)務以及對終端的位置估算。在接入終端和接入網(wǎng)絡之間建立起來的一個會話，在正常情況下可以一直保持。會話層包含的協(xié)議有：

　　(1)會話管理協(xié)議(Session Management Protoco1)：提供控制地址管理協(xié)議和會話配置協(xié)議的激活與去活的方式。同時還提供會話保持激活機制。會話管理協(xié)議對本層其它兩個協(xié)議的控制按照首先激活地址管理協(xié)議，然后激活會話配置協(xié)議的順序進行。

　　(2)地址管理協(xié)議(Address Management Protoco1)：規(guī)定了管理接入終端標識(UATI)的分配并維護終端地址的過程。

　　(3)會活配置協(xié)議(Session Configuration Protoco1)：用于協(xié)商和配置在會話中使用的協(xié)議以及所使用的協(xié)議的配置參數(shù)。

　　4.連接協(xié)議(Connection Layer)

　　連接協(xié)議負責空中鏈路的連接建立和維護。包含的協(xié)議有：

　　(1)空中鏈路管理協(xié)議(Air Link Management Protoco1)：提供在一個連接期間接入終端和接入網(wǎng)絡所有狀態(tài)機的管理。這個協(xié)議可以處于三種狀態(tài)之一，對應于是否接入終端是否在捕獲網(wǎng)絡(初始化狀態(tài))、已捕獲了網(wǎng)絡但連接關閉(空閑狀態(tài))、與接入網(wǎng)絡有一個連接(連接狀態(tài))，根據(jù)所處的狀態(tài)，該協(xié)議可以對應激活初始化狀態(tài)協(xié)議、空閑狀態(tài)協(xié)議、連接狀態(tài)協(xié)議。

　　(2)初始狀態(tài)協(xié)議(Initialization State Protoco1)：提供接入終端(AT)捕獲網(wǎng)絡和接入網(wǎng)絡(AN)支持網(wǎng)絡捕獲的過程。

　　(3)空閑狀態(tài)協(xié)議(Idle State Protoco1)：提供在沒有打開一個連接時接入終端和接入網(wǎng)絡的過程。主要是使接入網(wǎng)絡保持對接入終端大概位置的跟蹤以支持有效的尋呼(使用路由更新協(xié)議)。

　　(4)連接狀態(tài)協(xié)議(Connected State Protoco1)：提供在打開了一個連接時接入終端和接入網(wǎng)絡的過程。主要管理接入終端和接入網(wǎng)絡之間的無線鏈路以及關閉連接的過程。

　　(5)路由更新協(xié)議(Route Update Protoco1)：提供在接入終端和接入網(wǎng)絡之間路由維護的方法。這個協(xié)議對導頻進行監(jiān)控完成切換的過程。

　　(6)開銷消息協(xié)議(Overhead Messages Protoco1)：提供包含主要由連接層協(xié)議使用的信息的廣播消息。該協(xié)議通過控制信道廣播基本參數(shù)，這些參數(shù)由連接層和其它層的協(xié)議共享。

　　(7)分組整合協(xié)議(Packet Con-solidationProtoco1)：為連接層提供優(yōu)先發(fā)送和分組數(shù)據(jù)封裝。

　　5.安全層(Security Layer)

　　安全層提供鑒權(quán)和加密業(yè)務。包含的協(xié)議有：

　　(1)密鑰交換協(xié)議(Key Exchange Protoco1)：提供接入終端和接入網(wǎng)絡為鑒權(quán)和加密過程交換密鑰的過程。

　　(2)鑒權(quán)協(xié)議(Authentication Protoco1)：提供接入終端和接入網(wǎng)絡應支持的鑒權(quán)過程。

　　(3)加密協(xié)議(Encryption Protoco1)：提供接入終端和接入網(wǎng)絡應支持的加密過程。

　　(4)安全協(xié)議(Security Protoco1)：提供鑒權(quán)協(xié)議和加密協(xié)議所用cryptosync的產(chǎn)生過程。

　　6.媒質(zhì)接入層(MAC層)

　　MAC層定義了在物理層上的接收和發(fā)送過程，包括對控制信道、接入信道、前向業(yè)務信道和反向業(yè)務信道的管理操作規(guī)則。MAC層包含的協(xié)議有：

　　(1)控制信道MAC協(xié)議(Control Channel MAC Protoco1)：提供接入網(wǎng)絡發(fā)送和接入終端接收控制信道的過程。

　　(2)接入信道MAC協(xié)議(Access Channel MAC Protoco1)：提供接入終端發(fā)送和接入網(wǎng)絡接收接入信道的過程。

　　(3)前向業(yè)務信道MAC協(xié)議(Forward Traffic Channel MAC Protoco1)：提供接入網(wǎng)絡發(fā)送和接入終端接收前向業(yè)務信道的過程。

　　(4)反向業(yè)務信道MAC協(xié)議(Reverse Traffic Channel MAC Protoco1)：提供接入終端發(fā)送和接入網(wǎng)絡接收反向業(yè)務信道的過程。

　　7.物理層(Physical Layer)

　　物理層完成空中接口前，反向物理信道的信道結(jié)構(gòu)、使用的頻率、發(fā)射功率、調(diào)制和編碼。

　　(1)前向信道由導頻信道、媒質(zhì)接入控制信道、業(yè)務信道和控制信道組成，其中媒質(zhì)接入控制信道又分為RAB子信道、DRCLock(數(shù)據(jù)速率控制鎖定)和反向功率控制信道。Pilot信道主要用于系統(tǒng)捕獲及小區(qū)信號強度的測量；RAB子信道用于指示接入終端(AT)是否增加或降低傳輸速率；DRCLock信道用于指示接入網(wǎng)絡是否能夠接收接入終端發(fā)送的DRC請求；RPC信道用于對反向鏈路進行功率控制；CC信道用于向AT發(fā)送一些控制消息，其功能類似于cdma20001x中的Paging Channel。這些信道使用不同長度的Walsh碼進行時分復用。

　　(2)反向信道由反向接入信道和反向業(yè)務信道組成，其中接入信道發(fā)送反向?qū)ьl信道和接入消息。反向業(yè)務信道包括反向?qū)ьl信道、MAC信道、ACK信道和數(shù)據(jù)信道。其中，MAC信道包括反向速率指示信道和數(shù)據(jù)速率控制信道(DRC)。反向速率指示信道用于指示反向業(yè)務信道的數(shù)據(jù)速率；DRC信道用于指示請求的前向業(yè)務信道數(shù)據(jù)速率；ACK信道用于接入終端通知接入網(wǎng)是否正確收到前向業(yè)務信道發(fā)出的物理層數(shù)據(jù)包；數(shù)據(jù)信道用于發(fā)送反向業(yè)務數(shù)據(jù)。

　　四、1X/EV-DV

　　在完成了lx/EV-DO的研究工作以后，業(yè)界對其性能并不滿意，特別是對其僅僅提高數(shù)據(jù)業(yè)務的性能不滿意。于是，3GPP2開始了1X/EV-DV的研究工作。

　　1X/EV-DV克服了1X/EV-DO的兩個主要缺點，能夠同時提高語音和數(shù)據(jù)業(yè)務的性能，同時，能夠與1X系統(tǒng)在一個載波中共存。

　　1X/EV-DV空中接口標準分兩個版本：Rel.C和Rel.D。Rel.C2002年5月份在3GPP2上正式發(fā)布，支持EV-DV，前向速率達到3.lMbps，反向速率與lx相同。Rel.D版本在2003年10月會議上形成了Baseline，并開始V&V。已在2004年2月的3GPP2閉幕全會上發(fā)布，形成規(guī)范：C.S0001-D-C.S0005-D的v1.O版本。D版本前向最高速率3.1Mbps，反向最高速率達到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結(jié)合諸多新的技術(shù)如自適應調(diào)頻和編碼(AMC)、混合自動重發(fā)請求(HARQ)、使用TDM/CDM混合使用的新的高速分組數(shù)據(jù)信道(F-PDCH)，使前向數(shù)據(jù)傳輸速度可高達3.lMbps；

　　*可支持多種業(yè)務組合：在DVel.C中，通過多個業(yè)務信道的組合，可支持多種不同QoS要求的業(yè)務，如下表所示：

業(yè)務信道組合	一般應用
F-PDCH+F/R-FCH+F/R-DCCH	語音和數(shù)據(jù)混合業(yè)務
F-PDCH+F/R-FCH+R-DCCH	語音和數(shù)據(jù)混合業(yè)務
F-PDCH+F/R-DCCH	語音和數(shù)據(jù)混合業(yè)務
F-PDCH+F/R-FCH	語音和數(shù)據(jù)混合業(yè)務
F-PDCH+F-CPCCH+R-DCCH	只支持數(shù)據(jù)業(yè)務
F-PDCH+F-CPCCH+R-FCH	只支持數(shù)據(jù)業(yè)務

　　*后向兼容CDMA2000：

　　*制定lx EV—DV標準的其中一個目標是必須繼續(xù)支持語音及其它已有的服務；

　　*網(wǎng)絡方面，運營商可以由lx系統(tǒng)平滑演進到lx EV-DV；

　　*終端方面，由于1x EV-DV的后向后兼容性，用戶也可保證能以同一手機在整個網(wǎng)絡中得到服務。

　　*更有效地支持數(shù)據(jù)業(yè)務：

　　“1xEV-DV同時使用了時分多路復用(TDM)和碼分多路復用(CDM)，可根據(jù)所支持的業(yè)務性質(zhì)而使用不同的資源分配方法。

　　*TDM和CDM的結(jié)合，通過選取最佳的調(diào)頻和編碼率，可更公平合理地分配系統(tǒng)資源，從而進一步提升系統(tǒng)容量。

　　Release C主要改進和增強了cdma2000 1x的前向鏈路，使前向最高峰值速率達到3.lMbps，但反向鏈路基本沒有變化，反向峰值速率為230.4Kbps，前反向鏈路數(shù)據(jù)速率不對稱，并且反向補充信道R-SCH是通過層3信令調(diào)度，在RLP層重傳，調(diào)度速度慢，時延大，難以支持可視電話等前反向速率對稱和對實時性要求高的業(yè)務。針對以上問題，Release D對反向鏈路進行了改進和增強，使反向最高峰值速率達到1.8Mbps(反向必須支持l.2Mbps，可選支持1.8Mbps，通過占用多個碼字實現(xiàn))，分組數(shù)據(jù)可以通過調(diào)度和速率控制的方式，根據(jù)QoS要求和信道條件變化，有效的減小了數(shù)據(jù)傳輸時延，改善了QoS。

　　Release D反向鏈路主要特點：

　　1.完全保持了現(xiàn)有的cdma2000信道的信令結(jié)構(gòu)。

　　2.反向鏈路控制方式靈活。反向鏈路每10ms可以通過Grant進行快速調(diào)度控制，也可以通過速率控制(Rate Contro1)實現(xiàn)一定范圍的速率變化，調(diào)整速度和效率高。

　　3.反向調(diào)度和速率控制的速度加快。在Release D以前的版本，移動臺通過層3信令消息向基站請求，從申請到發(fā)送的時延大于1OOms。Release D中增加了新的MAC層向基站傳輸MS的相關信息和請求：

　　*增加了新的lOms反向請求信道R-REQCH，傳輸移動臺可以支持的發(fā)射功率、buffer的數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)的業(yè)務參考ID，

　　*在反向分組控制信道

　　R-PDCCH中發(fā)送移動臺狀態(tài)指示比特MSIB，指示移動臺在反向鏈路希望以下一個更高速發(fā)送，這樣，反向鏈路從中請到發(fā)送的調(diào)整時延可以減小到40ms。

　　4.物理層分組幀長固定為10ms，1O種固定分組大小(192，408，792，1560，3096，4632，6168，9240，12312和15384比特)。

　　5.采用同步4信道HARQ技術(shù)，提高鏈路效率。

　　6.采用自適應調(diào)制和編碼技術(shù)，采用高階調(diào)制(BPSK，QPSK和8PSK)。

　　7.移動臺可以基于QoS要求在時延和吞吐量之間選擇。

　　8.QoS改善，不同業(yè)務區(qū)分接入優(yōu)先級，基于buffer和功率申請資源。

　　五、結(jié)束語

　　經(jīng)過不斷的努力，CDMA技術(shù)在這十年里經(jīng)過了長足的發(fā)展，各個方面的性能有了極大的提高。作為3G的主要技術(shù)之一，cdma2000技術(shù)已經(jīng)突破l億用戶大關，遠遠超過了其他3G技術(shù)。

　　我們期待中國聯(lián)通公司能夠充分發(fā)揮自己的特長，充分發(fā)揮cdma2000技術(shù)的特長，更好地服務于用戶，服務于我國的經(jīng)濟發(fā)展。