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CDMA基本原理和协议介绍
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更新于2023-03-03
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CDMA技术早已在军用抗干扰通信研究中得到广泛应用,1989年.11月, Qualcomm在美国的现场试验证明CDMA用于蜂窝移动通信的容量大,并经理论推导其为AMPS容量 的20倍。这一振奋人心的结果很快使CDMA成为全球的热门课题。95年香港和美国的CDMA公用网开始投入商用。96年韩国用自己的CDMA系统开展大规模商用,头12个月发展了150万用户。1998年全球CDMA用户已达500多万,CDMA的研究和商业进入高潮,有 人说1997年是CDMA年。美国已拍卖的2958个PCS经营许可证中, 选择CDMA占51% , D-AMPS占20%, GSM占28%。1999年CDMA在日本和美国形成增长的高峰期,全球的增长率高达250%,用户已达2000万。
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1.1.CDMA 的发展背景
CDMA 技术早已在军用抗干扰通信研究中得到广泛应用, 1989 年.11 月, Qualcomm 在美
国的现场试验证明 CDMA 用于蜂窝移动通信的容量大,并经理论推导其为 AMPS 容量 的
20 倍。这一振奋人心的结果很快使 CDMA 成为全球的热门课题。95 年香港和美国的
CDMA 公用网开始投入商用。96 年韩国用自己的 CDMA 系统开展大规模商用,头 12 个月
发展了 150 万用户。1998 年全球 CDMA 用户已达 500 多万,CDMA 的研究和商业进入高
潮,有
人说 1997 年是 CDMA 年。美国已拍卖的 2958 个 PCS 经营许可证中, 选择 CDMA 占 51% ,
D-AMPS 占 20%, GSM 占 28%。1999 年 CDMA 在日本和美国形成增长的高峰期,全球的增
长率高达 250%,用户已达 2000 万。
中国 CDMA 的发展并不迟,也有长期军用研究的技术积累,93 年国家 863 计划已开展
CDMA 蜂窝技术研究。94 年 Qualcomm 首先在天津建技术试验网。1998 年具有 14 万容量
的长城 CDMA 商用试验网在北京、广州、上海、西安建成,并开始小部份商用。联通也计
划在广东、北京、天津、上海等地建 CDMA 商用试验网。
韩国 CDMA 数字蜂窝移动通信在政府的强有力的组织下,得到了迅猛的发展。CDMA
网络运营仅一年多便发展到 400 万用户,其用户密度远高于我国用户密度最大的珠江三角
洲地区。韩国 CDMA 网络运行正常,笔者曾在韩国多次用 CDMA 的蜂窝和 PCS 手机、
WLL 电话打回国内,呼通率高,语音清晰,末发生过掉话断线(包括高速公路上)。韩国
CDMA 的运营情况,充分证明了 CDMA 技术是成熟的,其系统容量和话音质量较目前其
它蜂窝系统(GSM、TDMA、PDC、TACS、AMPS)是最优的。
据预测,未来的几年 CDMA 将以超过 100%的增长速度发展,远快于 GSM 40%的发展
速度。韩国 CDMA 运营仅一年,即超过模拟网 AMPS 的 200 万用户;日本 CDMA 将会在
2000 年超过 PDC;美国 CDMA 将会在 2002 年达到 4200 万,超过 AMPS 的 3600 万、D-
AMPS 的 2200 万和 GSM 的 1100 万,成为全美的最大蜂窝系统。到 2002 年全世界的
CDMA 将由目前仅占蜂窝系统 2%的比例提高到 18%,成为第二大蜂窝系统;占第一位的
是 GSM,其份额将由目前的 32%升至 45%,而模拟系统将由目前的 48%下降至 15%。
无线通信在未来的通信中起越来越重要的作用,CDMA 将成为下一世纪主要的无线接入
技术。W-CDMA 较 W-TDMA 有更多优越性,W-CDMA 将成为目前各种第二代移动通信系
统(GSM、IS-95、PDC 等)的交汇点,发展成第三代系统,但未来的统一将要经过一个艰
苦的过程。目前欧美都在进行 GSM 与 CDMA 的兼容试验,用 GSM 的网络以 CDMA 的空
中接口,其网络试验在英国进行,Qualcomm 已研制出 GSM/CDMA 双模手机样机。未来的
第 三 代 多 模 式 蜂 窝 移 动 通 信 系 统 将 以 ATM 为 平 台 , 它 不 仅 兼 容 第 三 代 的 W-
CDMA、UMTS 和 cdmaOne,而且还兼容目前第二代的 GSM 和 IS-95。
韩国 SKT 和日本 NTT DoCoMo 正紧密合作发展采用 W-CDMA 的 IMT-2000,并计划
于 2000 年在韩国和日本开展试验网,其目标在 2002 年日韩世界杯提供智能化的、宽带的
多媒体移动通信服务。
1.2.IS-95 CDMA 技术的发展趋势
IS-95 还在不断完善和发展的过程中,Qualcomm 将致力继续发展 IS-95,以便使 IS-95
保持竞争优势,并过渡到第三代系统。将推出以下新标准。
1) IS-99
IS-99 为 IS-95 提供无线数据链接协议。将把 PPP、IP、TCP、AT 等协议写入 IS-99,速
率 14.4kbps,为 IS-95 提供数据业务标准。IS-99 于 1998 年第三季度完成。
2)IS-657
IS-657 专门为 IS-95 提供直接接入 Internet 标准协议。支持所有的 TCP/IP/PPP 协议。IS-
657 于 1999 年第一季度完成。
3)IS-95B
IS-95B 是为 IS-95 成为宽带系统而写。允许 8 个业务信道组合在一起,其数传速率将取
决于使用的信道数。支持高级的数据接入协议,如 TCP 和 ADSL 等,为 Internet 的接入提
供高速、灵活、方便的服务。IS-95B 的硬件网络将是全透明的。
4)IS-95C
IS-95C 将于 1999 年开展制订,完全兼容 IS-95A、B。IS-95C 主要改进声码器、扇区设计、
寻呼信道和省电时隙,以便于进一步提高容量、增加正向传输速率和降低反向信道的
EMI,使传输速率达到+64kbps。另外,在 IS-95C 的基础上发展 IS-95HDR(High Data
Rate)高数据速率系统。
5)cdmaOne
CdmaOne 就是指基于 IS-95 标准的数字蜂窝网络。目前的标准是 IS-95A,下一步将推出
允许更高数据传输速率的 IS-95B。数据速率最高可达到 116Kbps。
基于 IS-95 的 cdmaOne 技术自 1995 年 10 月商用实践以来,迅速覆盖韩国、日本、美国、
欧洲和南美洲的一些主要市场,取得了巨大的商业成功,并成为业界公认的过渡到未来 3G
的技术平台。目前各国上报给国际电联审批的所有 3G 提案中,绝大多数方案都是基于与
IS-95CDMA 相近的 CDMA 技术。
Qualcomm 计划 CDMA 手机技术的发展进程如下:
1998 年 - SMS 和寻呼业务,有限的数据接入;手机:<120g, <120cc, 2-4 小时通话,40-100
小时守候。
1999 年 - 大屏幕,全 SMS、寻呼、Email、Internet 和分组数据业务。
2000 年 - 全综合数据业务,Email、Internet 和 Intranet 功能;手机:<100g, <100cc, 2-4 小时
通话,
100 小时守候。
2002 年 - 智能手机:话音识别,多模式、多频段、多网络,卫星通信,内含 GPS。
2005 年 - 数据业务,视频、音频和数据文件接入,网络计算机功能;手机的大小只取决于
应用对象, 4-8
小时通话,大于 100 小时守候。
1.3.CDMA 国际标准的发展历程
目前,国际通用的 CDMA 标准主要是由美国国家标准委员会 ANSI TIA 开发颁布的。
ANSI(American National Standard Institute)作为美国国家标准制订单位,负责授权其它美
国标准制订实体,其中包括电信工业解决方案联盟 ATIS、电子工业委员会 EIA 以及电信工
业委员会 TIA。TIA 主要开发 IS(Interim Standards,暂定标准)系列标准,如 CDMA 系列
标准 IS95、IS634、IS41 等。IS 系列标准之所以被列为暂定标准是因为它的时限性,最初
定义的标准有效期限是 5 年,现在是 3 年。除了 IS 系列标准之外,TIA 还颁布其它类型的
规范,如电信系统公告 TSB(Telecommunications Service Bulletin)文件。TSB 不是标准,
但可以提供与现存标准相关的信息或对工业界非常重要的其它事宜。 TIA 开发出的标准在
经 ANSI 所有成员同意之后即可成为 ANSI 的正式标准。TIA 目前由 9 个 TR 委员会组成,
即 TR8、TR14、TR29、TR30、TR32、TR34、TR41、TR45、TR46,其中与 CDMA 标准
关系最为密切的是 TR45(移动和个人通信公用标准),它的下面包括 7 个子委员会,分别
负责不同接口标准的制订,如 TR45.2 负责网络部分,TR45.4 负责 A 接口部分,TR45.5 负
责空中接口等。
除了 ANSI TIA 之外,其他一些标准化组织和生产厂商对 CDMA 标准的制订也起到
积极作用。如 CDG(CDMA 发展小组)和 3GPP2(负责第三代 CDMA 移动通信标准的制
订),先后推出了有关 A 接口的 IOS 系列标准,涉及的内容包括从窄带的 CDMA 到第三代
移 动 通 信 ― ― 宽 带 CDMA 。 一 批 知 名 的 通 信 公 司 如
MOTOROLA、LUCENT、NORTEL、QUALCOMM 等首先提出了有关 CDMA 标准的方案
和建议,经过多次协商讨论,最终修改成为目前被普遍接受的通用标准。
1.3.1 Um 接口标准的发展
CDMA 在蜂窝系统中的应用几乎是和 GSM 同时被提出来的,但一直没有得到重视,其中
的主要原因在于
CDMA 的蜂窝系统必须具有高速、精确的功率控制要求,否则整个系统难以理想地工作甚
至出现系统崩溃。
功率控制技术在当时的条件下还难以攻破,直到 QUALCOMM 公司解决了这一难题后这一
状况才有所变化。该解决方案主要是通过测量移动台和基站的接收功率,利用开环和闭环
相结合的功率控制方式,命令移动台调整发射功率,使移动台输出的功率电平在维持适当
性能的情况下达到最小。一方面减轻了对其他用户的干扰,同时有助于克服衰落,使得
CDMA 码分多址技术应用于蜂窝移动通信成为可能,并由此拉开了 CDMA 数字蜂窝移动
通信系统蓬勃发展的序幕。
QUALCOMM 公司于 1990 年 7 月公布了最早的 CDMA 标准,经过许多移动通信运营
商和制造厂家的协商讨论,于 1990 年 9 月发布了建议标准的修订版本,并于 1990 年 10 月
公布了暂行规定,成为此后一段时间内被广泛认可的主要规范。1993 年 7 月,美国 ANSI
TIA 再次征集各方面的建议,经会议讨论后正式将其确认为 IS95 标准,即“双模式宽带扩频
蜂窝系统的移动台-基站兼容标准”。IS95 标准由此成为 CDMA 移动通信的核心标准,世
界上许多国家以此为蓝本生产和建设码分多址数字移动通信系统。
经过多年的开发修订,以 IS95 为代表的窄带 CDMA 系列标准已经日趋完善。IS95 系
列标准的发展先后经历了 IS95、IS95A、TSB74、IS95B(ANSI95)、 IS2000、IS2000A
等多种标准。需要补充说明的是 TSB74 是与 IS95A 有关的 TSB 文件,是在 IS95A 的基础上
增加了 14.4kb/s 速率组、指配或切换到 PCS 频段、MIN/IMSI 共存等内容。作为第三代移动
通信标准之一的 IS2000 及 IS2000A 完全兼容 IS95 标准,也就是说现有的 IS95 系统可以平
滑过渡到第三代移动通信。
1.3.2 A 接口标准的发展
作为基站子系统和网络子系统之间的接口,A 接口标准的规范性和透明度至关重要,
它决定着 CDMA 设备制造厂家能否独立地开发基站设备或网络设备。对于 CDMA 系统的
运营商来说,他们同样要求开放的系统结构,开放的 A 接口为 CDMA 系统提供了竞争环境。
CDMA A 接口标准的形成过程与其它标准最大的不同点在于,它是在各厂家已经开发出
商用产品之后,通过谈判协商而形成的,经历了一个相当复杂的过程。各标准制订组织和
生产厂家为 A 接口标准的制订做了大量细致的工作。
现在支持开放的 CDMA A 接口的标准有两个,即 IS634 系列和 IOS 系列。
1991 年,Motorola 公司提出了一个 A+接口,并提交给美国国家标准委员会 ANSI 审
议,该接口为支持 CDMA 和其它空中接口起到很大的促进作用。但由于当时的 A+接口只
是 GSM 系统 A 接口的一个简单翻版,错误甚多,几乎没有什么可操作性。而且由于当时
没有其它公司愿意开放该接口,因此 A+接口一直被放置在美国国家标准委员会中。直至
1995 年 7 月,由于一批大的运营商强烈要求开放 A 接口,美国标准委员会通过了基于
Motorola A+建议的 IS634 RevO。虽然该标准的可操作性不强,但毕竟是在许多厂家共同
协商后才达成的,从此当时的几个主要的 CDMA 设备生产厂家走向共同开发 A 接口的道路。
由于 IS-634 Rev.0 存在许多逻辑错误和缺陷,1995 年 12 月对其修正后成为 TSB-80。该接
口支持基站中的多种语音编码器并以电路中继模式和 SS7 消息传送 MSC 和 BSS 间的语音
和信令。IS634A 版本于 1998 年 6 月完成并出版,1998 年 10 月 ANSI 投票并最终于 1999 年
3 月以 ANSI/EIA-634B 的名义出版。IS634A 具有 A、B 两种结构,其中 A 结构中引入了 A3
和 A7 接口,用于支持不同 BSC 之间的软切换。
IS634A 版本所涉及的范围相当广泛,它不仅支持 CDMA,而且支持 AMPS、NAMPS
和 TDMA。因此该标准不可避免的包含了许多不适合 CDMA 运作的多种选项、消息和参数。
事实上只有 CDMA 运营者才关心并有计划地实施 IS634A。但另一方面,就 CDMA 应用而
言,IS634A 有点过于“松散”而难以实施。为了定义一个仅为 CDMA 应用,更实际并更具有
可 操 作 性 的 A 接 口 规 范 , 1997 年 由 美 国 Sprint PCS 牵 头 , 联 合 CDMA 工 业 界 的
LUCENT、Motorola、NORTEL 及 QUALCOMM 等公司,在吸收 TSB80 的基础上,制订了
Sprint PCS IOS V2.0a。
这一 IOS 互操作规范属于内部文件,Sprint PCS 于 1998 年 10 月将其提交给 CDMA 发展组
CDG 作为公开的行业规范。
IOS 系列标准得到了众多厂家的认可,也使得该系列标准得到迅速发展,趋于完善,目
前 已 经 发 展 到 IOS2.X 、 IOS3.X 、 IOS4.O 、 IOS5.O 等 多 个 版 本 。 CDG IOS2.X 包 括
V2.O、V2.1、V2.2,均基于 Sprint PCS IOS V2.0a,并支持如下功能:8kb/s EVRC 声码器;
在呼叫建立过程中支持完整的业务选择谈判;电路型数据(9.6/14.4kb/s)和传真;短消息
业务;话音加密;BSC 间硬切换(同一厂家的 BSC 间的软切换可用其内部协议支持)。
CDG IOS V3.X 的最新版本 V3.1 于 1999 年 4 月出版。V3.X 均基于 IS634A,与
V2.2 相比增加了如下主要功能:引入了采用分组模式的 A3、A7 接口;支持不同厂家 BSC
间的软切换;更多的 OMC 功能。
3GPP2 负责制订支持第三代 CDMA 移动通信 CDMA-2000 的 IOS 标准。3G-IOS V4.0
已于 1999 年 10 月完成,它支持 CDMA-2000 的 1X RTT 。3G-IOS V4.0 在 CDG IOS
V3.1 的基础上增加了支持高速分组数据业务和支持 Mobile IP 业务等功能。3G-IOS
V5.0 由 3GPP2 于 1999 年 12 月完成并支持 CDMA2000 3X RTT。
1.3.3 网络接口标准的发展
网络接口是网络子系统各功能实体之间以及与其他通信网络之间的接口的总称。相对于
A 接口来说,网络接口标准的制订过程比较简单。目前通用和网络接口标准主要为 IS-41 系
列,这套标准是由 ANSI TIA 授权 LUCENT 公司贝尔实验室制订的。IS-41 系列标准在其
发展过程中,主要产生了 IS-41A、IS-41B、IS41C、ANSI-41、IS-41D 等几个版本。与
IS41B 有关的 TSB 文件有 TSB41、TSB51、TSB56、TSB64、TSB65 等,其中除 TSB56 之
外,均已经在 1996 年修订并加入到 IS-41C 版本,使 IS-41C 成为一个相对完善的版本。不
久之后,美国国家标准委员会接收其为正式的网络接口标准,成为 ANSI-41 标准。
IS-41C 由六部分组成:功能概述;切换消息流程;自动漫游消息流程;操作、管理和维护
消息流程;信令实现程序。
除了上述的协议标准之外,还有一些标准主要用于完善 CDMA 移动通信网络的业务功能,
如数据业务、计费、无线智能网 WIN 等方面的标准,共同构成了庞大的网络接口标准体系。
数据业务类包括:IS-99,有关传真和异步数据业务的标准;IS-657,用于描述分组数据业
务;
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王继辉
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