淺談第三代移動通信核心技術——CDMA

王星宇

【摘要】 本文首先簡要介紹了移動通信的發展歷程，然后從技術特點和概況方面介紹了第三代通信系統（3G）。之后重點探討了第三代通信系統（3G）核心技術——CDMA的發展背景、技術內容以及應用。最后，對CDMA的發展與演變進行了相關介紹。

【關鍵詞】 第三代移動通信（3G） 碼分多址（CDMA） 技術簡介 商業背景

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無線通信實驗，由此揭開世界移動通信歷史的序幕。第一代移動通信系統（1G）的商業化起于20世紀80年代 。主要以模擬式蜂窩網為特點，采用頻分多址（FDMA）方式實現對用戶動態尋址。第二代移動通信系統（2G）的商業化起源于20世紀90年代初。第二代移動通信系統（2G）改變了第一代中采用模擬傳輸的方式，采用數字式蜂窩移動通信，增強了傳輸過程中保密性。值得一提的是，在第二代技術的發展過程中，在當時電信工業協會（TIA）認可了一項名為時分多址（TDMA）的數字技術的三個月之后，一家叫高通（Qualcomm）的美國公司將軍用技術——碼分多址（CDMA）的尋址方式的運用到民用通信，改變了無線通信的傳統面貌。第三代移動通信系統（3G）則以移動多媒體業務為特征，實現了單一語音業務向多媒體業務的跨越。第四代移動通信（4G）則是在第三代移動通信（3G）的基礎上，利用寬帶高速數據傳輸方式，全面增強了對業務的動態性支持，大大提高了數據傳輸的速率。

二、第三代移動通信——“3G”

第三代的數字移動通信，支持高速數據傳輸的蜂窩移動通信技術。利用非對稱的高速速率傳輸能力，實現用戶終端多媒體業務的選擇。在第三代的數字移動通信中，存在主要三種的標準模式：美國CDMA2000，歐洲與日本的WCDMA和中國TD-SCDMA。

“3G”移動通信技術針對之前2G時代尚未完全統一通信標準的缺點，利用相應措施將通信技術進行統一，并在全球范圍內，實現用戶業務的漫游。另外，完善了用戶業務的動態性能，實現了可向用戶提供從以往單一的語音業務通信到包括文字、圖像等多媒體的業務擴展。“3G”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（3G）技術與其他四代移動通信技術性能進行比較，如表1 所示：

三、第三代移動通信核心技術——CDMA

3.1 發展現狀與商業背景

在CDMA技術發展的過程中，有一項重要的技術支持——擴頻通信技術。這個技術最初的作用是用于軍事。[1]在戰爭結束以后，美國軍方解密了這項技術。直到1985年，一家名叫“高通（Qualcomm）”的美國公司利用這項技術，開發了一項運用民用移動通信的碼分多址（CDMA）技術。于是，在1991年，“2G”技術剛剛步入商業化階段之時，這家公司的技術得到了電信工業協會（TIA-USA）的認可并被采納為95號暫行標準（IS-95）。這一系統最終成為了獲得廣泛普及的第一個商業碼分多址（CDMA）系統。

在第二代移動通信的商業競爭中，雖然美國高通（Qualcomm）公司的這種技術在第二代移動通信領域沒有形成較大的市場規模，讓采用以頻分多址（TDMA）技術為主的歐洲GSM（Group Special Mobile）取得了“2G”時代的勝利，但在接下來的“3G”時代，CDMA技術卻成功代表了無線通信技術的發展方向。

“2G”雖被稱為第二代數字式移動通信系統，但在數據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（也就是“3G”時代）需要在數據傳輸速率上進行改進。正當歐洲GSM系統支持者都為頻分多址（TDMA）技術尚未能解決這項問題而苦惱之時，但在大洋彼岸的高通（Qualcomm）公司的CDMA這項技術卻非常合適高速率傳輸。之后，IS-95標準的支持者成功開發出了運用第三代移動通信系統的CDMA2000標準，人類也正式進入了“3G”時代。

雖然CDMA技術并非高通（Qualcomm）公司的原創發明，但是這家公司成功解決了CDMA的組網問題。在當時，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技術的專利。

3.2 技術介紹

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中，IS-95是運用CDMA技術最為典型的系統。在IS-95系統中，其基本原理是首先發送端將用戶所需要傳輸的信息進行量化編碼，然后將用戶的信息序列（已編碼）與一個帶寬遠大于信號帶寬的高速偽隨機碼（擴頻序列）進行調制，使原數據信號的帶寬被擴展，最后經載波調制并發送出去。

所使用的這項技術被稱為擴頻通信技術。也正是巧妙地運用了擴頻的原理，在接收機端，對不同用戶的傳輸信息的識別就不再僅從傳輸信號的時域與頻域上去區分（實際在時域和頻域是混疊的），而是通過每個用戶被分配的不同擴頻碼去識別的。這種方式也就是“碼分”的基本概念。

DS-CDMA擴頻原理：擴頻的基本思想是將數據信息擴展到非常寬的帶寬上進行傳輸。擴頻技術主要有3種：直接序列碼分多址技術（DS-CDMA），跳頻多址技術（FHMA），混合碼分多址技術。其中我們重點介紹直接序列碼分多址（DS-CDMA）的技術原理。

直接序列碼分多址（DS-CDMA）的原理框圖如下圖所示：

首先，發送端將輸入信號進行量化編碼和窄帶調制，設調制后信息序列的碼元間隔為Ta，則信號帶寬B1=1/Ta。之后，將產生的信息序列與一個用擴頻序列調制載波信號后生成的寬帶信號相乘，我們設擴頻序列為Mc個碼片，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，我們需要進行擴頻操作的逆操作。再相關運算完成后，信號帶寬又恢復到了1/Ta，最后，經過低通濾波等操作，就可以得到相應用戶發送的信息。[3]

多址原理：CDMA技術基于直接序列擴頻來獲得多址能力。這項技術將不同的用戶分配以不同的擴頻碼，該擴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性表示。所以，應選用相關性小的信號作為地址碼。雖然噪聲或隨機序列具有正交特性，但至今無法實現對白噪聲的放大、調制、檢測、同步及控制等，因此只有采用具有準正交特點的偽隨機序列（PN碼）進行替代。例如：m序列、Gold序列以及Walsh函數等。在CDMA系統中，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系統為例，用戶地址碼的選擇是采用一個超長序列n=42的m序列偽碼，它由42位移位寄存器產生，然后每個用戶按照一定規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較短的偽隨機序列（PN碼），即短序列n=15的m序列，分別對下行的同相與正交調制分量進行擴頻。最后，利用碼長n=64的正交Walsh碼作為信道地址碼。

四、結束語

今天，第三代移動通信核心技術——CDMA的發展較為成熟，并且3G時代已經全面步入我們的日常生活。本文結合移動通信的發展歷程以及歷史背景，對CDMA的概念與特點做了簡單地闡述，并對其關鍵技術部分進行了較為詳細的敘述。隨著人們需求的不斷增長，第三代移動通信技術也必將會有所調整，部分協議和標準也有待于進一步改進。不過，第三代移動通信技術也會憑借它新穎的技術使未來的移動通信變得更加方便快捷！

參 考 文 獻

[1] 郭宸宸.塵封檔案：最美麗的女人與手機的故事.[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：電子工業出版社，2008.

[4] 曾興雯，劉乃安，孫獻璞.擴展頻譜通信及其多址技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2011.