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        淺談第三代移動通信核心技術(shù)——CDMA

        2015-05-30 10:48:04王星宇
        中國新通信 2015年11期
        關(guān)鍵詞:高通傳輸信號

        王星宇

        【摘要】 本文首先簡要介紹了移動通信的發(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】 第三代移動通信(3G) 碼分多址(CDMA) 技術(shù)簡介 商業(yè)背景

        一、引言

        1897年是人類移動通信元年,M.G.馬可尼在陸地與一只拖船間完成了一項(xiàng)無線通信實(shí)驗(yàn),由此揭開世界移動通信歷史的序幕。第一代移動通信系統(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)對用戶動態(tài)尋址。第二代移動通信系統(tǒng)(2G)的商業(yè)化起源于20世紀(jì)90年代初。第二代移動通信系統(tǒng)(2G)改變了第一代中采用模擬傳輸?shù)姆绞剑捎脭?shù)字式蜂窩移動通信,增強(qiáng)了傳輸過程中保密性。值得一提的是,在第二代技術(shù)的發(fā)展過程中,在當(dāng)時(shí)電信工業(yè)協(xié)會(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,改變了無線通信的傳統(tǒng)面貌。第三代移動通信系統(tǒng)(3G)則以移動多媒體業(yè)務(wù)為特征,實(shí)現(xiàn)了單一語音業(yè)務(wù)向多媒體業(yè)務(wù)的跨越。第四代移動通信(4G)則是在第三代移動通信(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)了對業(yè)務(wù)的動態(tài)性支持,大大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾省?/p>

        二、第三代移動通信——“3G”

        第三代的數(shù)字移動通信,支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動通信技術(shù)。利用非對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)字移動通信中,存在主要三種的標(biāo)準(zhǔn)模式:美國CDMA2000,歐洲與日本的WCDMA和中國TD-SCDMA。

        “3G”移動通信技術(shù)針對之前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)的動態(tài)性能,實(shí)現(xiàn)了可向用戶提供從以往單一的語音業(yè)務(wù)通信到包括文字、圖像等多媒體的業(yè)務(wù)擴(kuò)展?!?G”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。

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

        三、第三代移動通信核心技術(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)爭結(jié)束以后,美國軍方解密了這項(xiàng)技術(shù)。直到1985年,一家名叫“高通(Qualcomm)”的美國公司利用這項(xiàng)技術(shù),開發(fā)了一項(xiàng)運(yùn)用民用移動通信的碼分多址(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(TIA-USA)的認(rèn)可并被采納為95號暫行標(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)。

        在第二代移動通信的商業(yè)競爭中,雖然美國高通(Qualcomm)公司的這種技術(shù)在第二代移動通信領(lǐng)域沒有形成較大的市場規(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,但在接下來的“3G”時(shí)代,CDMA技術(shù)卻成功代表了無線通信技術(shù)的發(fā)展方向。

        “2G”雖被稱為第二代數(shù)字式移動通信系統(tǒng),但在數(shù)據(jù)傳輸速率上仍不滿足日益增長的用戶需求。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)的支持者成功開發(fā)出了運(yùn)用第三代移動通信系統(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,對不同用戶的傳輸信息的識別就不再僅從傳輸信號的時(shí)域與頻域上去區(qū)分(實(shí)際在時(shí)域和頻域是混疊的),而是通過每個(gè)用戶被分配的不同擴(kuò)頻碼去識別的。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Ta,則信號帶寬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)制載波信號后生成的寬帶信號相乘,我們設(shè)擴(kuò)頻序列為Mc個(gè)碼片,且碼片間隔為Tb=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,信號帶寬又恢復(fù)到了1/Ta,最后,經(jīng)過低通濾波等操作,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相乘的寬帶信號。

        在接收機(jī)端,則利用正交參量,識別需要的用戶信號。因此,在CDMA碼分多址系統(tǒng)中,要滿足多址信號之間互不干擾,則需要不同信號之間具有正交特性,而信號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,但至今無法實(shí)現(xiàn)對白噪聲的放大、調(diào)制、檢測、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n=64的正交Walsh碼作為信道地址碼。

        四、結(jié)束語

        今天,第三代移動通信核心技術(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)合移動通信的發(fā)展歷程以及歷史背景,對CDMA的概念與特點(diǎn)做了簡單地闡述,并對其關(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,第三代移動通信技術(shù)也必將會有所調(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,第三代移動通信技術(shù)也會憑借它新穎的技術(shù)使未來的移動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.

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