第1章cdma2000通信系统概述

1第1章CDMA2000通信系统概述1.1移动通信技术的发展概况1.2CDMA的发展历程1.3CDMA技术的特点及优势1.4CDMA的频率分配1.5CDMA的关键技术小结2学习提示CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)是在数字技术的分支—扩频通信技术的基础上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。第二次世界大战期间因战争的需要而研究开发出CDMA技术，后由美国高通公司发展成为商用蜂窝电信技术。1995年，第一个CDMA商用系统运行之后，CDMA技术理论上的诸多优势在实践中得到了检验，从而在全球许多国家和地区得到了迅速推广和应用。3学习目的和要求了解CDMA的发展历程。掌握CDMA技术的特点及优势。掌握CDMA的功率控制、软切换、Rake接收等关键技术。4移动通信发展的最终目标是实现任何人可以在任何时间、任何地点与其它任何人进行任何方式的通信(见图1-1)。移动通信特别是蜂窝小区的迅速发展，使用户彻底摆脱了终端设备的束缚，实现了完整的个人移动性、可靠的传输手段和接续方式。进入21世纪，移动通信逐渐演变成为社会发展和进步的必不可少的工具。1.1移动通信技术的发展概况5图1-1移动通信技术的发展61.第一代移动通信系统第一代移动通信系统(1G)是在20世纪80年代初提出的，完成于20世纪90年代初。它采用FDMA(FrequencyDivisionMultipleAccess/Address)通信体制，属于模拟蜂窝系统，如AMPS、TACS和NMT等，其特点是仅提供话音业务，而且用户的容量较小，覆盖范围有限，质量差，安全性差，没有加密，传输速度低。1G主要基于蜂窝结构组网，直接使用模拟语音调制技术，传输速率约2.4kb/s。不同国家采用不同的工作系统。72.第二代移动通信系统第二代移动通信系统(2G)起源于20世纪90年代初期，它采用TDMA或CDMA通信体制，属于数字式蜂窝系统，如GSM/DCS1800、IS-136、IS-95等。欧洲电信标准协会在1996年提出了GSMPhase2+，其目的在于扩展和改进GSMPhase1及Phase2中原定的业务和性能。它主要包括CMAEL(客户化应用移动网络增强逻辑)、S0(支持最佳路由)、立即计费、GSM900/1800双频段工作等内容，也包含了与全速率完全兼容的增强型话音编解码技术，使得话音质量得到了质的改进，半速率编解码器可使GSM系统的容量提高近一倍。8在GSMPhase2+ 阶段中，采用更密集的频率复用、多重复用结构技术，引入智能天线技术，双频段等技术，有效地克服了随着业务量剧增而引发的GSM系统容量不足的缺陷；自适应语音编码(AMR)技术的应用，极大地提高了系统通话质量；GPRS/EDGE技术的引入，使GSM与计算机通信/Internet有机相结合，数据传送速率可达384 kb/s，从而使GSM功能不断得到增强，初步具备了支持多媒体业务的能力。9尽管2G技术在发展中不断得到完善，其容量和功能都比第一代模拟系统有了很大提高，但仍主要局限于话音和低速率数据(低于9.6kb/s)的业务应用，且不能支持全球漫游通信。随着用户规模和网络规模的不断扩大，频率资源已接近枯竭，语音质量不能达到用户满意的标准，数据通信速率太低，无法在真正意义上满足移动多媒体业务的需求。第三代移动通信系统(3G)也称IMT2000，是正在全力开发的系统，其最基本的特征是采用智能信号处理技术，智能信号处理单元将成为基本功能模块，支持话音和多媒体数据通信，10它可以提供前两代产品不能提供的各种宽带信息业务，如高速数据、慢速图像与电视图像等。例如，WCDMA的传输速率在用户静止时最大为2 Mb/s，在用户高速移动时最大支持144 kb/s，所占频率带宽为5 MHz左右。113.第三代移动通信系统第三代移动通信系统的通信标准共有WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA三大分支，它们共同组成一个IMT2000家庭，但成员间存在相互兼容的问题，因此，已有的移动通信系统不是真正意义上的个人通信和全球通信；再者，3G的频谱利用率还比较低，不能充分地利用宝贵的频谱资源；3G支持的速率也不够高，如单载波只支持最大2Mb/s的业务；等等。这些不足，使之远远不能适应未来移动通信发展的需要，因此，寻求一种既能解决现有问题，又能适应未来移动通信需求的新技术(即新一代移动通信，nextgenerationmobilecommunication)是必要的。123G的长期演进技术(LTE和AIE)是以OFDM/FDMA为核心的技术，与其说是3G技术的“演进”(Evolution)，不如说是“革命”(Revolution)。这种技术和WiMAX等由于已经具有某些“4G”的特征，可以被看做“准4G”技术。134.第四代移动通信系统第四代移动通信系统(4G)可称为宽带接入和分布网络。其具有静态传输速率达到1Gb/s、高速移动状态下达到100Mb/s的非对称数据传输能力。它包括宽带无线固定接入、宽带无线局域网(WLAN)、移动宽带系统和互操作的广播网络。第四代移动通信可以在不同的固定的和无线平台及跨越不同频带的网络中提供无线服务，可以在任何地方宽带接入互联网，包括卫星通信和平流层通信，能够实现定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。144G技术不再局限于电信行业，而将广泛应用于汽车通信、民航、广播电视实现、国防工业、政府信息化系统、教育系统、医疗系统和金融系统等领域，传统的电信设备商、网络设备商、软件商、运输设备商、汽车商等都将介入。因此，4G将是多功能集成的宽带移动通信系统，也是宽带接入IP系统，即4G将是多种无线技术的综合系统。它融合了现有3G的增强技术，集3G网络技术和无线LAN系统为一体。15CDMA技术早已在军用抗干扰通信研究中得到了广泛应用。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，并经理论推导证明其为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。1.2CDMA的发展历程161.2.1CDMA的发展背景1995年香港和美国的CDMA公用网开始投入商用。1996年韩国用自己的CDMA系统开展大规模商用，最初12个月发展了150万用户。1998年全球CDMA用户已达500多万，CDMA的研究和商用进入高潮，因此，有人说1997年是CDMA年。美国已拍卖的2958个PCS经营许可证中，CDMA占51%，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。17中国CDMA的发展并不迟，也有长期军用研究的技术积累。1993年国家863计划已开展CDMA蜂窝技术研究。1994年Qualcomm首先在天津搭建技术试验网。1998年具有14万用户容量的长城CDMA商用试验网在北京、广州、上海及西安建成，并开始小部分商用。联通也计划在广东、北京、天津、上海等地搭建CDMA商用试验网。韩国CDMA数字蜂窝移动通信在政府强有力的组织下，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。181.2.2CDMA2000技术标准演进IS-95向CDMA2000的技术演进路线如图1-2所示，其中空中接口系列标准包括CDMA20001x、1xEV-DO和1xEV-DV，核心网与无线接入网独立向前发展。19图1-2IS-95向CDMA2000技术演进路线20CDMA20001x完全后向兼容IS-95。核心网部分增加了分组域以支持较高速率的分组数据业务；空中接口使用了前向快速功率控制、反向信道相干解调、快速寻呼、Turbo码等关键技术，目的是改善无线传送的质量，提高频谱效率及系统容量。CDMA20001x具有3G系统的部分功能，可以从IS-95进行平滑升级，两者商用时间之间的间隔不太长，业界有时也将CDMA20001x作为2.5G系统看待。由于CDMA20001x完全兼容IS-95系统功能，所以本节仅介绍CDMA20001x的演进，而不再赘述IS-95向CDMA2000的演进情况。21目前CDMA20001x已经发展出CDMA2000Release0、ReleaseA、ReleaseB、ReleaseC和ReleaseD等5个版本，商用较多的是Release0版本，部分运营网络引入了ReleaseA的一些功能特性，ReleaseB作为中间版本被跨越，1xEV-DV对应于CDMA2000ReleaseC和ReleaseD。其中，ReleaseC增加了前向高速分组传送功能，ReleaseD增加了反向高速分组传送功能。1xEV-DO是一种专为高速分组数据传送而优化设计的CDMA2000空中接口技术，已经发展出Release0和ReleaseA两个版本。其中，Release0版本可以支持非实时、非对称的高速分组数据业务；ReleaseA版本可以同时支持实时、对称的高速分组数据业务传送。221．从CDMA20001x向1xEV-DO演进1xEV-DO利用独立的载波提供高速分组数据业务，它可以单独组网，也可以与CDMA20001x混合组网，以弥补后者在高速分组数据业务提供能力上的不足。下面以1xEV-DORelease0为例，简单介绍其特点。从技术特点上看，1xEV-DO前向链路采用了多种优化措施以提高前向数据吞吐量和频谱利用率，前向链路峰值速率可以达到2.4Mb/s；反向链路设计与CDMA20001x有许多共同点，反向链路速率与CDMA20001x相同。23从网络结构上看，1xEV-DO与CDMA20001x的无线接入网在逻辑功能上是相互独立的，分组核心网可以共用，这样既实现了高速分组数据业务的重点覆盖，又不会对CDMA20001x网络和业务造成明显影响。从系统覆盖上看，CDMA20001x前反向链路是对称的，1xEV-DO虽然前反向速率不对称，但是，其前反向链路预算与CDMA20001x相差不多，CDMA20001x系统覆盖的许多特性可以作为1xEV-DO网络规划优化的参考。24从网络规划上看，1xEV-DO与CDMA20001x可以共站址、天线和天馈系统；在天馈设计、PN规划、邻区规划方面，1xEV-DO与CDMA20001x基本一致；1xEV-DO利用独立的载频提供高速分组数据业务，有助于降低与CDMA20001x网络之间的相互干扰。从业务互补性看，1xEV-DO可以作为高速分组数据业务的专用网，1x提供语音和中低速分组数据业务，同时利用CDMA20001x网络的广域覆盖特性以弥补1xEV-DO网络建设初期在覆盖上的不足。25由于存在技术特点、网络结构、网络规划、业务互补性等多方面的相容性，因此从CDMA20001x向1xEV-DO演进，有利于快速部署网络，降低设备投资和网络运行维护成本。262．从CDMA20001x向1xEV-DV演进1xEV-DV是对CDMA20001x技术标准的继承和发展，它继承了CDMA20001x的网络架构，使用与CDMA20001x相同的频段。其主导思想是在CDMA20001x载波基础上提升前向和反向分组传送的速率，提供业务QoS保证。1xEV-DV的物理层采用重传机制、时分与码分相结合及自适应调制编码等先进技术实现高效传输；其MAC层采用灵活的资源调度机制以提高系统资源的利用效率；此外，它还增加了用户分类和业务流分类机制，以保障业务的QoS。271xEV-DV把语音和分组数据业务放在同一个载波中传送，并且要求提供更高速率的数据业务服务，在技术实现和实际组网上都存在一定的困难。在2004年10月的ITU日内瓦国际通信展上，三星电子公司率先向世界展示了基于ReleaseC版本的1xEV-DV系统设备，同时推出了世界上第一款1xEV-DV与WCDMA的双模终