CDMA蜂窝移动通信技术介绍

CDMA蜂窝移动通信技术介绍

自20世纪70年代末第一代模拟移动通信系统面世以来，移动通信

产业一直以惊人的速度迅猛发展，已经成为带动全球经济发展的主要高科

技产业之一，并对人类生活及社会发展产生了重大影响。其中，CDMA码

分多址移动通信技术以其容量大、频谱利用率高、保密性强、绿色环保等

诸多优点，显示出强大的生命力，引起人们的广泛关注，成为第三代移动

通信的核心技术。

一、CDMA通信技术

CDMA（Code Division Multiple Access，码分多址）作为一种多

址技术早已出现，起初仅在抗干扰和保密性能等方面受到人们的注意，被

用在军用抗干扰系统中。1989年，美国高通（Qualcomm）公司最先推

出CDMA蜂窝移动通信系统的设想。

码分多址蜂窝移动通信技术实际上包含两个基本技术，即码分多址技

术和扩频通信技术。所谓扩频，简单地讲就是用某种技术将信号的频谱进

行扩展，工程中常用直接序列对信号进行扩频，即用一个高速码序列码去

调制低速原始数据信息。码分多址(CDMA)与频分多址(FDMA)、时分多

址(TDMA)一样，是多址技术的一种。

CDMA系统中的每一个信号被分配一个正交序列或PN（Pudo

Noi，伪随机噪声）序列用作扩频序列对其进行扩频，不同信号的能量

被分配到不同的正交序列或PN序列里。在接收机，通过使用相关器只接

受选定的正交序列或PN序列并压缩其频谱，凡不符合该用户正交序列的

信号就不被压缩带宽，结果只有指定的信号才能被提取出来。

我们将CDMA与FDMA、TDMA三种多址方式进行比较。FDMA采

用调频的多址技术，在不同频段的业务信道被分配给不同的用户；TDMA

是采用时分的多址技术，业务信道在不同的时间被分配给不同的用户；

CDMA采用扩频的码分多址技术，所有用户在同一时间、同一频段上，但

根据不同的编码获得业务信道。在技术实现上，就是利用码型的不同来调

制解调不同的用户。

CDMA移动通信系统具有如下优点：

1.系统容量大。在CDMA系统中所有用户共用一个无线信道，当有

的用户不讲话时，该信道内的所有其它用户会由于干扰减小而得益。

CDMA数字移动通信系统的容量理论上比模拟网大20倍，实际上比模拟

网大10倍，比GSM大4至5倍。

2.通信质量好。CDMA系统采用确定声码器速率的自适应阈值技术、

高性能纠错编码、软切换技术和抗多径衰落的分集接收技术，可提供

TDMA系统不能比拟的、极高的通信质量。

3.频带利用率高。CDMA是一种扩频通信技术，尽管扩频通信系统抗

干扰性能的提高是以占用频带带宽为代价的，但是CDMA允许单一频带

在整个系统区域内可重复使用，使许多用户共用这一频带同时通话，大大

提高了频带利用率。这种扩频CDMA方式虽然要占用较宽的频带，但按

每个用户占用的平均频带来计算，其频带利用率是很高的。

4.适用于多媒体通信系统。CDMA系统能方便地使用多码道方式和多

帧方式，传送不同速率要求的多媒体业务信息，处理方式和合成方式都比

TDMA方式和FDMA方式灵活、简单，利于多媒体通信系统的应用。

5.手机发射功率低。CDMA系统通过功率控制，使得CDMA手机尽

量降低发射功率，以减少干扰和提高网络容量。

6.频率规划灵活。用户按不同的码序列区分，扇区按不同的导频码区

分，相同的CDMA载波可以在相邻的小区内使用，因此CDMA网络的频

率规划灵活，扩展方便。

CDMA系统采用了一些关键技术：

1.功率控制技术

功率控制技术是CDMA系统的核心技术。CDMA系统是一个自干扰

系统，所有移动用户都占用相同带宽和频率，因此需要某种机制使得各个

移动台信号到达基站的功率基本处于同一水平上，否则离基站近的移动台

发射的信号很容易盖过其它离基站较远的移动台的信号，造成所谓的“远

近效应”。CDMA功率控制的目的就是克服“远近效应”，使系统既能维护

高质量通信，又减轻对其他用户产生的干扰。功率控制分为前向功率控制

和反向功率控制，反向功率控制又可分为仅由移动台参与的开环功率控制

和移动台、基站同时参与的闭环功率控制。

(l)反向开环功率控制。移动台根据在小区中接收功率的变化，调节移

动台发射功率以达到所有移动台发出的信号在基站时都有相同的功率。它

主要是为了补偿阴影、拐弯等效应。

(2)反向闭环功率控制。闭环功率控制的设计目标是使基站对移动台

的开环功率估计迅速做出纠正，以使移动台保持最理想的发射功率。

(3)前向功率控制。在前向功率控制中，基站根据移动台提供的测量

结果，调整对每个移动台的发射功率，其目的是对路径衰落小的移动台分

配较小的前向链路功率，而对那些远离基站和误码率高的移动台分配较大

的前向链路功率。

码技术

PN码的选择直接影响到CDMA系统的容量、抗干扰能力、接入和切

换速度等性能。CDMA信道的区分是靠PN码来进行的，因而要求PN码

自相关性好，互相关性弱，实现和编码方案简单等。目前的CDMA系统

就是采用一种基本的PN序列——m序列作为地址码。基站识别码采用周

期为215-1的m序列（称为短码），用户识别码采用周期为242-1m序

列（称为长码）。

接收技术

移动通信信道是一种多径衰落信道，RAKE接收技术就是分别接收

每一路的信号进行解调，然后叠加输出达到增强接收效果的目的，这里多

径信号不仅不是一个不利因素，而且在CDMA系统变成一个可供利用的

有利因素。一般地，RAKE接收机有搜索器（Searcher）、解调器（Finger）

和合并器（Combiner）三个模块组成。通常CDMA基站一个RAKE接

收机有4个解调器，移动台有3个解调器。

4.软切换技术

移动台从A基站覆盖区域向B基站覆盖区域行进，在A、B两基站的

边缘，移动台先与B基站建立连接后，再将与A基站原来的连接断开，

这种技术称之为软切换。CDMA系统工作在相同的频率和带宽上，因而软

切换技术实现起来比TDMA系统要方便容易得多。

5.话音编码技术

CDMA系统使用了确定声码器速率的自适应阈值，从而可以根据背景

噪声电平的变化改变声码器的数据速率。这些阈值的使用压制了背景噪

声，因而在噪声环境下也能提供清晰的话音。CDMA2000系统采用的话

音编码技术有CELP（Code Excited Linear Prediction，代码激励线性

预测）、QCEP8K/13K（Qualcomm CELP）、EVRC（Enhanced Variable

Rate Coder，增强型可变速率编码器）等。

二、CDMA 2000标准的演进历程

作为第三代移动通信技术的一个主要代表，CDMA2000是美国向

ITU-T提交的第三代移动通信空中接口标准的建议，它由CDMA IS-95

标准发展演进而来。

CDMAOne是基于IS-95标准的各种CDMA制造厂商的产品和不同

运营商的网络的总称，也是国际CDMA发展组织（CDG）的一个品牌。

IS-95标准于1993年7月发布，是CDMAOne系列标准中最先发布的

一个标准，但真正在全球得到应用的第一个CDMA标准是美国TIA(电信

工业协会)于1995年5月正式颁布的窄带CDMA标准IS-95A。IS-95A

是CDMAOne第二个标准，工作频段为800MHz，兼容模拟和CDMA通

信系统。在IS-95A的基础上，又分别出版了支持13K话音编码的TSB-74

文件、支持1900MHz的CDMA PCS系统的STD-008标准和支持

64Kbps数据业务的IS-95B标准。

然而CDMAOne系统也仅能提供最高为64Kbps的数据业务，不能

满足人们对多媒体通信的需求。为了能进一步提升数据传输速率和系统容

量，3GPP2标准化组织制定并发布了IS-2000，即CDMA2000标准。

在CDMA2000技术体制研究的前期，提出了1x和3x的发展策略。如

果系统分别独立使用带宽为1.25MHz的载频，则被叫做1x系统；如果

系统将3个载频捆绑使用，则叫做3x系统。但随后的研究表明，1x和

1x增强型技术代表了未来发展方向。同是1x，在CDMA2000向前发展

的过程中，技术又出现了两个分支：1xEV-DO和1xEV-DV，且这两种

技术均能满足ITU对第三代移动通信系统的要求（如最高数据传输速率达

到2Mbps）。

CDMA2000 1xEV-DO标准最早起源于Qualcomm公司于1997

年向CDG提出的高速率（HDR）技术。此后，经过不断完善，Qualcomm

公司于2000年3月以CDMA2000 1xEV-DO的名称向3GPP2提交了

正式的技术建议方案。“EV”是Evolution的缩写，“DO”则是“Data Only”

或是“Data Optimized”的缩写, EV-DO表示该技术是对CDMA 2000

1x在提供数据业务方面的一种演进和增强。2000年10月，3GPP2通

过了1xEV-DO的空中接口标准《CDMA2000 High Rage Packet Data

Air Interface Specification》（简称HRPD）。到目前为止，3GPP2

已经完成了1xEV-DO（或称HRPD）的空中接口标准的Rev 0和Rev A

两个版本。由于1xEV-DO采用独立的载频来承载数据业务，因此终端只

能通过双模互操作来实现语音业务和数据业务。

目前CDMA2000 1x已经发展出CDMA2000 Relea 0、

CDMA2000 Relea A、CDMA2000 Relea B、CDMA2000

Relea C和CDMA2000 Relea D等5个版本，商用较多的是

Relea 0版本。部分运营商引入了Relea A的一些功能特性，Relea

B作为中间版本被跨越；1x EV-DV对应于CDMA2000 Relea C和

CDMA2000 Relea D。

事实上，1x EV-DV距离真正商业还有很长一段距离。业界普遍认为，

1x EV-DO能够对无线高速数据及其应用提供良好的支持，而且在1x

EV-DO的Relea A版本上能够保证高效的QoS，在此基础上提供诸如

VOIP之类的实时业务。相比之下，1x EV-DV并不具备明显的技术优势。

同时，由于1x EV-DV的标准比1x EV-DO复杂，在技术实现和开发进

度上明显滞后于1x EV-DO。出于对以上两方面原因的考虑，国际上越来

越多的主流CDMA2000运营商对1x EV-DV的需求明显降低，而纷纷选

择1x EV-DO。所以，1x EV-DO就成为CDMA2000比较现实的演进技

术。

三、CDMA2000 网络结构

CDMA2000移动网络由移动终端（UE）、无线接入网(AN)和核心

网（CN）三个部分构成。

1.移动终端

移动终端是用户接入移动网络的设备。

2.无线接入网

无线接入网实现移动终端接入到移动网络，主要逻辑实体包括1x基

站（1xBTS）、1x基站控制器（1xBSC）、HRPD基站（HRPD BTS）、

HRPD基站控制器（HRPD BSC）和接入网鉴权、授权、计费服务器

（AN-AAA）和分组控制功能（PCF）。

（1）1x基站：采用CDMA 2000 1x空中接口技术，提供无线收发

信息功能。

（2）1x基站控制器：管理多个1x 基站，提供语音、数据业务的资

源管理、会话管理、路由转发、移动性管理等功能。

（3）HRPD基站：采用HRPD的空中接口技术，提供无线收发信息

功能。

（4）HRPD基站控制器：管理多个HRPD 基站，提供语音、数据业

务的资源管理、会话管理、路由转发、移动性管理等功能。

（5）接入网鉴权、授权、计费服务器：提供接入网级的接入认证功

能。

（6）分组控制功能：与1x基站控制器或HRPD 基站控制器配合，

提供与分组数据有关的无线信道控制功能。

3.核心网

核心网负责移动性管理、会话管理、认证鉴权、基本的电路和分组业

务的提供、管理和维护等功能，包括核心网电路域和核心网分组域两个部

分。

（1）核心网电路域

核心网电路域分为两种，即TDM电路域和软交换电路域。在实际组

网中，核心网可以采用这两种电路域中的一种，但软交换电路域是网络演

进的方向。如果需要对原来是TDM电路域的核心网采用软交换电路域进

行升级换代时，初期可以新建软交换电路域，并使两种电路域同时工作。

TDM电路域采用ANSI41标准，主要逻辑实体包括移动交换中心

（MSC）、拜访位置寄存器（VLR）、归属位置寄存器（HLR）和鉴权中

心（AC）等。

1)移动交换中心：提供对所管辖区域的移动终端进行呼叫控制、移动

性管理、电路交换等功能。

2)拜访位置寄存器：存储与呼叫处理有关数据的数据库，用于完成呼

叫接续。

3)归属位置寄存器：管理移动用户信息的数据库，包括用户识别信息、

签约业务信息以及用户的当前位置信息。

4)鉴权中心：产生鉴权参数并对用户进行认证鉴权。

软交换电路域采用了控制与承载相分离的网络架构，控制平面负责呼

叫控制和相应业务处理信息的传送，承载平面负责各种媒体资源的转换，

主要网元包括移动软交换（MSCe）和媒体网关（MGW）。

1)移动软交换：提供呼叫控制和移动性管理功能。

2)媒体网关：提供媒体控制功能。

（2）核心网分组域

核心网分组域主要逻辑实体包括分组数据服务节点（PDSN）、认证

授权和计费服务器（AAA）、归属代理（HA）、外埠代理（FA）、域名

服务器（DNS）和L2TP网络服务器（LNS）。

1)分组数据服务节点：为用户提供分组数据业务，具体功能包括管理

用户通信状态和转发用户数据。

2)鉴权、授权、计费服务器：提供管理用户的权限、开通的业务、认

证信息、计费信息等功能。

3)归属代理：提供移动IP地址分配、路由选择和数据加密等功能。

4)外埠代理：提供移动IP注册、反向隧道协商以及数据分组转发等

功能。

5)域名服务器：提供CDMA移动网络分组域设备的域名解析功能。

6)L2TP网络服务器：提供国际漫游用户的L2TP承载建立、用户IP

地址分配及计费信息转接等功能。

四、CDMA2000 1xEV-DO技术

由于空中接口采用了前向快速功控、反向相干导频、Turbo码、动态

信道分配、发射分集等新技术，CDMA2000 1x系统容量和数据速率得

到进一步提高。以系统目前实现的技术版本Rev 0和Rev A为例，前者

向用户提供的最高前向速率为153.6Kbps，最高反向速率为76.8Kbps；

后者前向速率达到307.2Kbps，反向速率达到153.6Kbps。对高速分组

数据业务的支持是CDMA2000 1x技术的最大亮点。为此，系统在物理

层引入补充信道，并在网络侧增加了两个重要的设备：分组控制功能

（PCF）和分组数据服务节点（PDSN），前者主要是在基站和PDSN之

间提供PPP帧的传输，是无线链路协议（RLP）连接的终止点，后者则是

点对点协议（PPP）连接的终止点，为IP数据包提供路由功能。

随着Internet与信息技术的高速发展，市场对无线数据业务的需求

日益增长，而且数据业务向着多样性、大容量和非对称方向发展。虽然

CDMA2000 1x的数据速率高于IS-95，但仍然不能满足数据业务的需

求。CDMA2000 1xEV-DO技术的出现，进一步提高了系统的数据速率。

1. CDMA2000 1xEV-DO技术的设计思想

数据和语音业务具有不同的特性。数据业务对实时性要低于语音业

务，而对误比特率的要求却高于语音业务。一般地，前向数据业务的速率

需求比反向高出数倍，而语音业务则是前反向对称的业务。因此，像在

CDMA2000 1x系统中那样，将数据业务和语音业务通过扩频码复用在

一起，并通过快速功控来共享基站的发射功率和频率资源，对于高速数据

业务来说系统效率较低。

把数据和语音业务分别放在两个独立的载波上承载，是CDMA2000

1xEV-DO的基本思想，即CDMA2000 1xEV-DO系统用单独的载频来

提供高速分组数据业务，传统的语音业务与中低速数据业务则用

CDMA2000 1x系统承载。不同于CDMA2000 1x系统采用闭环功控技

术以抵消信道衰落影响的传统方法，1xEV-DO借助于新的帧结构、更短

的时隙，采用前向调度算法，始终以最大功率为当前传输速率最高（也即

信道条件最好）的终端服务，从而变对抗信道衰落为充分利用信道衰落，

实现了系统整体数据吞吐量的提高。

CDMA2000 1xEV-DO系统的设计最初是针对非实时、不对称的高

速分组数据业务的。作为Internet的无线接入手段，1xEV-DO主要提

供网页浏览、文件下载等前向数据量大、对时延要求不高的传统互联网业

务，并未考虑满足实时业务的需求。因此，设计1xEV-DO系统时重点改

善了前向链路，对反向链路的优化相对较少。1xEV-DO前向链路采样了

时分复用（而不是码分复用）、自适应调整编码（AMC）、混合自动请求

重发（HARQ）、多用户调度、功率分配和虚拟软切换等关键技术；在反

向链路上，最初Rev 0版本只是为配合前向增加了速率控制机制，基本

沿袭了CDMA2000 1x的技术，仅采用了连续导频，改善了解调性能。

从网络应用的结果来看，系统设计达到了预期目的。以传输速率为例，Rev

0版本在单扇区系统满载的情况下，可以提供平均为600Kbps的上网速

率，达到与有线网络（如ADSL）基本相同的水平。

2. CDMA2000 1xEV-DO技术的发展

目前，3GPP2已就1x EV-DO技术推出两个版本，即Rev 0和Rev

A。

（1）CDMA2000 1xEV-DO Rev 0

1xEV-DO的核心思想是通过动态控制数据速率而非功率，使每个用

户以可能得到的最高速率通信，基站总以最高功率发送信号，使处于有利

位置的终端可以获得较高的传输速率。前向链路使用可变时隙的方式进行

时分复用，并采用了自适应调制编码（AMC）、动态信道评估以及混合自

动重复请求（HARQ）等机制，将前向峰值速率由CDMA2000 1x的

153.6Kbps提高到2.4Mbps，频谱效率提高到了1.92b/s/Hz。

1xEV-DO前向采用虚拟软切换机制，移动台在任一时刻只接受来自

一个基站的数据。根据实时的动态数据控制（DRC）信息，基站可快速地

相互切换。同时，基站测量载干比（C/I）并在DRC信道向移动台指示最

佳基站；移动台则不断测量导频强度，并不断要求一个与当前信道条件相

符的数据速率。基站按当时移动台所能支持的最大速率进行编码，当用户

需求改变及信道条件改变时，动态地确定优化的数据速率。在反向，

1xEV-DO仍然采用与IS-95、CDMA2000相同的软切换技术。

1xEV-DO空中接口协议设计简洁、灵活。协议栈模型按功能分为7

层，对应完成不同的功能。各层之间没有严格的上下层承载关系，相互独

立，便于维护。各层协议都可根据终端与网络的配置以及承载业务类型的

不同，由终端与网络共同协商、配置。在1xEV-DO空中接口1xEV-DO

Rev A 7层协议之上运行TCP/IP协议，为各种数据业务应用提供了统一

的技术平台。

但是，1xEV-DO Rev 0是面向非对称的无线数据业务，在满足用户

各种新业务方面存在一些不足：

1)前反向业务能力不平衡。1xEV-DO Rev 0前向链路的峰值速率达

到了2.4Mbps，而反向链路的峰值速率只有153.6Kbps。这种前反向链

路的不对称限制了对称型数据业务的开展；

2)对QoS的支持不能满足业务多样性要求。1xEV-DO Rev 0系统

对服务质量基本上采用尽力而为（Best Effort）的机制，因此，对以可视

电话为代表的实时类数据业务，无法提供足够的QoS技术保证机制；

3)数据与语音业务的并发问题。1xEV-DO Rev 0是以数据方式接入

Internet为设计目标，且与电路域没有任何联系，也使1xEV-DO系统

难以接收到电路域中关于语音的呼叫信息。目前的解决方案为双模终端，

在使用1xEV-DO网络的同时，周期性地监听1x网络的寻呼信息，增加

了终端电池消耗，也影响1xEV-DO数据业务的使用；

4)不支持共享的广播信道。1xEV-DO Rev 0空中接口没有定义高速

的广播哟业务信道，只能由多个单播信道完成，造成无线资源的浪费。

（2）CDMA2000 1xEV-DO Rev A

1xEV-DO Rev A是1xEV-DO Rev 0的增强型技术，它通过一系列

技术手段，特别是在反向链路的物理层采用了HARQ技术，大大改善了

数据业务传送的时延；前向链路支持的峰值速率也提高到3.1Mbps，反

向链路支持的峰值达到1.8Mbps。

针对1xEV-DO Rev 0的不足，3GPP2在1xEV-DO Rev A中提出

了以下几点相应的改进方案。

1)提高了系统反向链路的数据吞吐率。反向链路峰值速率达到

1.8Mbps；

2)改进了系统的前向链路。前向链路增加了对更高数据传输速率

（3.1Mbps）和更低的速率（4.8Kbps）的支持，从而大大提高了空中接

口的数据打包效率，提高了在用户信道条件好时的瞬时吞吐率；

3)增强了对QoS的支持。系统在物理层、MAC层以及更高层都进行

了改进。前向链路增加了对更小数据包的支持，利用对时延敏感的小包传

送，而且可以多用户同时发送，减少等待时间；反向链路采用了子分组发

送，降低平均发送时延，MAC层采用T2P（Traffic-to-Pilot）技术，有

效减小对时延敏感业务的时延和抖动。新增了反向DSC信道，提升切换

速度；

4)完善了CDMA2000 1x与1xEV-DO系统间的双模操作。为了得

到电路域的信息，便于在1xEV-DO系统与CDMA2000 1x的电路域之

间建立联系，1xEV-DO Rev A对网络侧进行了改动，使得1xEV-DO AN

（接入网）能够支持CDMA2000 1x系统互操作的A1接口，以接收来

自1x MSC的寻呼消息、短消息等电路域信息。为此，Rev A空中接口

应用层新增了CSSNP（Circuit-Switched Service Notification

Protocol）协议，将电路域消息封装为特定的数据包，通过1xEV-DO空

中接口定义的隧道协议传送给双模终端。

（3）1xEV-DO技术特点

与IS-95/CDMA2000 1x技术相比，1xEV-DO除了上述在空中接

口上的特点外，在射频参数、技术实现和组网等方面具有如下特点。

1)射频参数方面。1xEV-DO与IS-95/CDMA2000 1x具有相同的

RF特性、码片速率、功率要求、覆盖区域，从而最大限度地保护了运营

商的现有投资，使得网络进行1xEV-DO升级时，能够直接使用现有

IS-95/CDMA2000 1x的射频部分。事实上， 目前大部分厂家均支持通

过1x设备升级的方式来实现HRPD BTS和HRPD BSC的功能。

2)技术实现方面。1xEV-DO与IS-95/CDMA2000 1x具有相同的

功率控制、软切换、接入过程、编码等技术，可以使设备商利用

IS-95/CDMA2000 1x方面的成熟经验，较方便地研制1xEV-DO产品。

3)组网方面。1xEV-DO在组网方面灵活。对于只需要分组数据业务

的用户，可以单独组网；对于同时需要语音、数据业务的用户，则可以与

IS-95/CDMA2000 1x联合组网，同时提供语音和高速分组数据业务。

另外，对于同时支持CDMA2000 1x和1xEV-DO的双模终端，1xEV-DO

技术还提供了在两个系统间进行切换的机制。