ＣＤＭＡ技术标准和系统规划

   码分多址（ＣＤＭＡ）是实现蜂窝移动通信和个人通信的理想技术，它能满足近年来运营者对高容量、廉价、高效的移动通信的需要。中国目前正处于ＣＤＭＡ投入商用的前夕，国外已有很多公司声称已经开始正式运行。在２０００年左右，世界上会出现时分多址（ＴＤＭＡ）和ＣＤＭＡ两种数字系统并存的局面，但是由于ＣＤＭＡ特有的技术优点，它很可能是下一代系统中最有希望的候选者。

１ ＣＤＭＡ技术

    蜂窝系统的一个最重要的“多址”概念是指系统可以同时支持很多用户，很多用户共享一些公共无线信道，并且任何用户可以接入任何信道（每个用户并不总被分配相同的信道）。多址方式被定义为怎样将无线频谱分成不同的信道和信道怎样分配给系统中的不同用户。

    尽管ＣＤＭＡ在蜂窝电话中的应用比较新（从９０年代开始），但它并不是一种新技术。ＣＤＭＡ过去已经被用在许多军事领域，比如抗干扰（因为是扩频信号，很难用一个ＣＤＭＡ信号去干扰）和保密通信（扩频信号很难探测）。

ＣＤＭＡ技术实际就是一种扩展频谱的技术，它意味着将信息扩展到比原始信号宽得多的带宽上。ＣＤＭＡ呼叫的标准数据速率是９．６ｋｂｉｔ／ｓ。这个原始数据速率被扩展为大约１．２３Ｍｂｉｔ／ｓ的传输速率。在接收端，通过相关接收，仅剩下初始传输信息。

    对于一个ＣＤＭＡ系统，３个主要的系统特性——覆盖、质量和容量必须得到均衡以达到所需要的系统性能。这３个特性之间的联系非常紧密，高容量可以通过在覆盖和质量方面一定程度的降低来得到。因为这３个参数之间是相互转化的，运营者不可能什么都得到最好的：３倍大的覆盖、１０倍的容量和６４ｋｂｉｔ／ｓ脉冲编码调制（ＰＣＭ）音质的话音。比如，１３ｋｂｉｔ／ｓ的声码器提供了更好的话音质量，但与８ｋｂｉｔ／ｓ声码器相比降低了系统容量，而较小的覆盖可以得到更大的容量。城市中心的基站可能要牺牲覆盖以增加容量。相反，在系统的边缘区域，又可以牺牲容量以换取更大的覆盖。

    系统运营者可以使用系统模拟工具和实际测试来实现ＣＤＭＡ系统均衡。运营者可以对一特定区域平衡这些参数以达到最好的服务。

２ ＣＤＭＡ系统的优点

    在实现一个蜂窝电话系统时，ＣＤＭＡ技术对蜂窝的运营者和它们的用户提供了很多优点。下面是对ＣＤＭＡ优点的概述。

２．１ 容量大

    容量比模拟高级移动电话系统（ＡＭＰＳ）增加了６～１０倍，比全球移动通信系统（ＧＳＭ）增加了３～５倍。

    中国目前引进ＣＤＭＡ系统的一个最主要的原因就是其大容量特性。决定ＣＤＭＡ数字蜂窝系统容量的基本参数有：处理增益、能噪比（Ｅｂ／Ｎｏ）、通话占空比、频率复用效率和小区扇区数。具体如下：

（１）处理增益

     处理增益对于ＣＤＭＡ来说是固定的，为２１ｄＢ，远远高于其它系统。一般来说，处理增益越大，系统抗干扰性越好。

（２）Ｅｂ／Ｎｏ

    ＣＤＭＡ系统所要求的Ｅｂ／Ｎｏ为６ｄＢ，而模拟系统所需的载波／干扰比（Ｃ／Ｉ）为１８ｄＢ。

（３）通话占空比

    通话占空比是一个统计数字，约为５０％，但由于ＣＤＭＡ系统采用话音激活技术，而其它系统没有，仅此就比其它系统增加约１倍的容量。

（４）频率复用效率

    在ＣＤＭＡ中，由于它的宽带信道在每个小区中都能复用，所以频率复用效率几乎为１，而窄带调制一般为１／７。

（５）小区扇区数

    在ＣＤＭＡ系统中，不同的扇区可以使用相同频率，所以小区容量将随着扇区数的增大而增大，一般对于一个３扇区小区来说，容量比全向小区增大２．５倍左右。但对其它系统来说，由于不同扇区不能使用同一频率，所以即使分成３扇区也只是频率复用的要求，并没有增加小区容量。

    根据理论计算和现场试验表明，ＣＤＭＡ的每小区信道容量是模拟ＡＭＰＳ制式的６～１０倍，爱尔兰容量更大。如果扇形分区数超过３个，还能再提高容量。

２．２ 呼叫质量高

    ＣＤＭＡ系统与模拟系统相比得到了更好也更稳定的话音质量。

    目前ＣＤＭＡ系统普遍采用８ｋｂｉｔ／ｓ的可变速率声码器，声码器使用码激励线性预测（ＣＥＬＰ）和ＣＤＭＡ特有的算法（称为ＱＣＥＬＰ）。ＱＣＥＬＰ算法被认为是到目前为止效率最高的算法。现在，１３ｋｂｉｔ／ｓ 的ＱＣＥＬＰ语音编码也正在试用。

    可变速率声码器的一个重要特点是使用适当的门限值来决定所需速率。门限值随背景噪声电平的变化而变化。这样就抑制了背景噪声，即使在喧闹的环境下，也能得到良好的话音质量。

    ＣＤＭＡ可变速率声码器８ｋｂｉｔ／ｓ编码所提供的话音质量至少与ＧＳＭ的１３ｋｂｉｔ／ｓ编码相当，而现在提出来的１３ｋｂｉｔ／ｓ编码所能提供的语音质量已经非常接近有线电话，甚至有些方面如背景噪声等已经超过有线质量。由于ＣＤＭＡ系统可自动跟踪多径信号，大大降低了对衰落的敏感性。而ＣＤＭＡ的软切换技术更大大降低了切换掉话的可能性，实现了“无缝”切换，这都将有利于改进目前的通信质量。

２．３ 系统规划简单

    由于每一个小区的每一个扇区都使用相同的频率，因此简化了系统规划。

    在ＣＤＭＡ系统中，每个小区可以重复使用同一频带。在一个小区内对某一移动台的总干扰是同区内其它移动台干扰加上所有邻区内移动台干扰之和。换句话说，每个移动台的信号必须与所有其它移动台信号所产生的干扰相对抗。当移动台在各小区间差不多均匀分布时，与该移动台处于同一小区的移动台和所有相邻小区的移动台造成的干扰分别为６０％和４０％。第１层的每个小区产生约６％的干扰，共约３６％，第２层及以外各层小区产生的干扰之和小于４％。因此，ＣＤＭＡ的频率复用系数大约为２／３。

２．４ 保密功能强

    ＣＤＭＡ信号的扰频方式提供了高度的保密性，使这种数字蜂窝系统在防止串话、盗用等方面具有其它系统不可比拟的优点。ＣＤＭＡ的数字语音信道还可将数据加密技术直接引入。

２．５ 覆盖半径大

    ＣＤＭＡ系统的覆盖较模拟系统大３～５倍。根据天津试验的结果，单基站覆盖半径可达２５ｋｍ以上，允许用较少基站构成系统。

２．６ 发射功率低

    ＣＤＭＡ系统的功率控制除了直接提高容量之外，同时也降低了为克服噪声和干扰所需的发射功率。这就意味着，同样功率的ＣＤ-ＭＡ移动台与模拟或ＴＤＭＡ移动台相比，可在更大范围内工作。

    ＣＤＭＡ在一般情况下由于传输状况良好，因此发射功率较低，但在遇到衰落时，会通过功率控制自动提高发射功率，以抵抗衰落。窄带系统的情况则完全不同，由于它没有功率控制，而又必须克服偶然遇到的衰落，所以它必须一直发射足够大的功率来满足在最恶劣情况下的信噪比。这样，对于模拟系统来说，在传输状况良好的大部分时间里，移动台一直是在浪费功率。

２．７ 软容量

    对于ＣＤＭＡ系统，用户数和服务级别之间有着非常灵活的关系。例如，系统经营者可在话务量高峰时将误帧率稍微提高，从而增加可用信道数。而且，由于ＣＤ-ＭＡ是一个自干扰系统，当其相邻小区负荷较轻时，本小区所受的干扰相应减少，容量就可适量增加。

    体现软容量的另一种形式是小区呼吸功能。小区呼吸功能是指各个小区的覆盖大小是动态的。当相邻两小区负荷一轻一重时，负荷重的小区通过减小导频发射功率，使本小区的边缘用户由于导频强度不足，切换到邻小区，使负荷分担，即相当于增加了容量。

    另外，ＣＤＭＡ系统还可提供多级别服务，例如现在已有的两种语音编码——１３ｋｂｉｔ／ｓ和８ｋｂｉｔ／ｓ。如果用户支付较高费用，则可获得高级别服务。

２．８ 过渡方便（与模拟兼容）

    使用ＣＤＭＡ双模式手机，可以到全国任何有蜂窝系统覆盖的地方使用该手机，手机会自动判别是进ＣＤＭＡ网还是进模拟网。

３ ＣＤＭＡ系统接口标准

    ＣＤＭＡ是最近开始商用的一种先进的数字移动通信技术，到目前为止，标准开发的有的已成为国际标准，有的还有待完善。下面对ＣＤＭＡ系统接口信令情况作一介绍。

     ＣＤＭＡ移动系统的内部主要包括３个开放接口，移动台到基站收发信机之间的接口（Ｕｍ接口），基站控制器到交换机之间的接口（Ａ接口）、以及以移动交换中心（ＭＳＣ）为中心的移动通信系统间操作接口协议（ＭＡＰ）。下面分别加以描述。

３．１ Ｕｍ接口

    １９９２年３月，ＴＩＡ建立ＴＲ－４５．５委员会，负责制定扩频数字蜂窝标准。１９９３年７月，ＴＩＡ推出了ＣＤＭＡ ＩＳ－９５标准，又称ＣＤ-ＭＡ Ｕｍ接口。

    Ｕｍ接口主要分为３层:第１层是数字无线信道的物理层，包括与传输相关的功能，如基带调制、编码、组帧和射频调制等。第１层和第２层之间是一个复用子层，允许用户数据和信令共享数字无线信道。对于用户数据，上述复用子层的协议分层是与业务选择有关的。

    复用子层上面是第２层，该层信令协议的目标是在基站与移动台之间可靠传输第３层信令协议，例如消息重发、各种信道统计和复制检测。第３层是关于呼叫处理、无线信道控制和移动台控制的信令协议，例如呼叫建立、切换、功率控制和移动台锁定等。

    ＩＳ－９５Ｂ将在１９９８年２月份发布，主要是增加一些传输高速数据的能力，在一些业务和功能上也有所补充。

３．２ Ａ接口

    Ａ接口是基站子系统（ＢＳＳ）和ＭＳＣ间的接口。Ａ接口支持向ＣＤＭＡ用户提供的所有业务。

    Ａ接口是分层定义的，主要分为３层。第１层是物理层，传输速率是２Ｍｂｉｔ／ｓ ＰＣＭ；第２层是基于Ｎｏ．７信令系统的消息传递部分（ＭＴＰ）的一个子集；第３层是基站应用部分（ＢＳＳＡＰ），ＢＳＳＡＰ又分为两个部分：基站管理应用部分（ＢＳＭＡＰ）和直接传输应用部分（ＤＴＡＰ）。ＤＴＡＰ用来传输发往或来自移动台的有关呼叫控制和移动性管理消息（除移动台初始消息外），即大部分无线接口消息（除有关无线资源协议的消息）都是由ＤＴＡＰ在Ａ接口上传输的。由ＢＳＳ翻译处理的有关呼叫和资源管理的消息为ＢＳＭＡＰ消息。Ａ接口的第３层技术规范包括：

（１）呼叫处理：呼叫建立、呼叫释放、补充业务；

（２）无线资源管理：无线信道监控、无线信道管理、切换（包括软切换和硬切换）；

（３）移动性管理：寻呼、登记（网络发起登记、移动台发起登记、关机登记）、鉴权和加密共享加密数据更新、终端鉴权（登记、始呼、初叫、独特查询响应程序）、信令语音加密）；

（４）地面电路管理：地面电路分配、阻塞／解闭、复位、全局复位（全局故障）、代码转换器控制、过载控制等。

３．３ 移动应用部分

    移动应用部分（ＭＡＰ）是移动通信系统间的操作接口协议。它包括以ＭＳＣ为中心，与其它系统模块的信令联系。例如，与另一移动交换中心、来访位置登记器（ＶＬＲ）、原籍位置登记器（ＨＬＲ）、短消息实体（ＳＭＥ）、鉴权中心（ＡＣ）以及各系统模块间的连接。

     在ＣＤＭＡ中，ＭＡＰ采用北美ＥＩＡ／ＴＩＡ ＩＳ－４１标准，ＩＳ－４１标准经历了其０版本、Ａ版本、Ｂ版本和Ｃ版本，还将形成将来的Ｄ版本。美国ＡＭＰＳ联网和中国ＴＡＣＳ联网采用了ＩＳ－４１Ｂ版本。实现ＣＤＭＡ网间互联需采用ＩＳ－４１Ｃ或ＩＳ－４１Ｂ加上两个ＴＳＢ（暂时标准）文件（ＴＳＢ６４，ＴＳＢ５１），以实现ＣＤＭＡ的漫游、鉴权与模拟的互通等。

ＩＳ－４１Ｃ支持ＡＭＰＳ、数字蜂窝系统（ＤＡＭＰＳ）、窄带数字蜂窝系统（ＮＡＭＰＳ）和ＣＤＭＡ系统间的操作。其中，主要内容是系统间切换信息流程和自动漫游信息流程。

    系统间切换信息流程，主要介绍了ＭＳＣ间切换和系统间切换的消息和流程，包括ＣＤＭＡ与ＣＤ-ＭＡ系统的ＭＳＣ间切换，以及ＣＤ-ＭＡ系统至ＡＭＰＳ系统、ＮＡＭＰＳ系统的ＭＳＣ间切换，ＤＡＭＰＳ系统与ＡＭＰＳ系统的ＭＳＣ间切换等系统间切换。并且介绍了基本切换、返回切换和到第３方切换以及带汇接局的第３方切换等，后两者还运用了最佳路径选择，防止“系鞋带”现象发生，即防止了路径迂回的出现。例如，当移动台从ＭＳＣ＿Ａ切换至ＭＳＣ＿Ｂ后，又继续切换到ＭＳＣ＿Ｃ，有了最佳路径选择后，路由应为ＭＳＣ＿Ａ直接连接至ＭＳＣ＿Ｃ，而若无最佳路径选择，路径就会是从ＭＳＣ＿Ａ至ＭＳＣ＿Ｂ再至ＭＳＣ＿Ｃ，导致资源浪费。

    自动漫游信息流程，主要介绍了漫游用户进行登记、始呼、被叫、补充业务以及处于未激活状态时的操作；对边界小区情况的支持；相应场合的鉴权；消息信令和话音的加密。在鉴权操作中包括共享加密数据（ＳＳＤ）、共享时的各种鉴权流程和ＳＳＤ非共享的鉴权流程，以及系统间对漫游信息的各种消息流程，例如在ＶＬＲ的登记、去登记、移动台未激活、路由请求、移动台资格的请求和指示、性能请求（补充业务操作）、点对点短消息（ＳＭＳ）的支持等等。ＩＳ－４１Ｃ还规定了上述流程中涉及的各参数名称。

４ 网络同步

    同步分传输同步和无线同步。在传输同步方面，现在一般的通信网都采用主从同步方式，ＣＤＭＡ系统在网络间也是如此。

    在无线同步方面，ＣＤＭＡ系统在无线接口的时间同步必须采用全球定位系统（ＧＰＳ）同步。ＣＤＭＡ系统中所有基站均以公共ＣＤＭＡ系统时标为基准，该时标使用ＧＰＳ时标，它跟踪世界协调时（ＵＴＣ）并与之同步。ＣＤＭＡ系统时间的起始点是１９８０年１月６日００：００：００ ＵＴＣ时间，它与ＧＰＳ时间的初始点一致。偏置为０的长码和短码在系统起始时间同时处于初始化状态。偏置为０的长码初始化状态即长码发生器的第一位输出为１，后续４１个连０。偏置为０的短码初始化状态即导频伪随机数（ＰＮ）序列发生器第一位输出为１，后续１５个连０。长码和短码的初始状态在３７个世纪以后才会再次同时出现。

    在ＣＤＭＡ系统中，系统时间均以“帧”来表示，即系统时间用整数值ｔ表达为：

ｔ＝ｓ／０．０２

    其中ｓ表示以秒为单位的系统时间，ｔ为以帧为单位的系统时间。

５ ＣＤＭＡ系统规划

    所谓ＣＤＭＡ小区规划，就是根据一个地区的地形地物和业务量分布来确定站址和各小区大小及各种类型的软切换区域。对于模拟移动通信的小区规划，主要依赖于无线覆盖预测，只需根据一些典型传播模型并结合实际经验加入修正因子来计算不同环境下的场强，并且大多采用手工计算甚至工程师凭经验估计，然后根据场强分布就可决定覆盖。这对于ＦＤＭＡ和ＴＤＭＡ系统是可行的。但对于所有小区进行同频工作的ＣＤＭＡ系统，在某些方面，其复杂程度远远超过模拟系统设计，必须使用一定的系统规划工具，才能更好地发挥ＣＤＭＡ系统的性能。

    ＣＤＭＡ系统是一个自干扰系统，这不同于以往任何一个系统，干扰来自两个方面：一方面是使用同一ＣＤＭＡ无线频带的移动台和基站造成的干扰，被称为自干扰；另一方面是ＣＤＭＡ相邻频带或模拟系统单元所造成的干扰。其中，工作在同一ＣＤＭＡ频带的单元所造成的干扰影响最大。为了便于系统规划，必须先弄清楚前向以及反向各种干扰的情况，然后计算小区大小（它是由前向链路小区和反向链路小区大小综合确定的），均衡系统前反向链路。实际的小区大小是由该地区的传播模型和ＣＤＭＡ前、反向链路可忍受的路径损耗共同决定的。

如果前向链路功率很大，就会对其它小区的移动台产生干扰；另一方面，如果反向功率很大，将会牺牲容量（在反向链路上，可以减小小区半径，增加更多用户）。那么，要设计的系统最好就是前、反向链路半径相同。

    在反向链路，小区大小是由小区实际负载和移动台最大发射功率决定的，小区里的实际负载越轻（用户数越少），反向小区半径就越大，但ＣＤＭＡ系统并不建议通过过度增大移动台的发射功率来增加小区的覆盖。在前向链路，小区大小主要是由分配给导引信道的功率百分比决定的，导引信道功率占总功率的比值越大，前向小区半径就越大。均衡ＣＤＭＡ系统前反向链路可控制干扰，使系统稳定，并避免切换发生问题。

    还必须考虑怎样有效地利用频谱，怎样与其它系统进行合作，并考虑热噪声和干扰的影响。必须尽量安排让有用的信号功率在绝大部分地区超过噪声和干扰的功率。

    和其它一些通信系统一样，ＣＤＭＡ系统也有自己的统计分布参数。我们必须选择一套最佳的参数值。然而在ＣＤＭＡ系统空中接口中，有许多关键参数的设置只有建议值，而具体的数值则要视当地传播环境、噪声电平等条件而定，这些参数值设置不好，会严重影响ＣＤＭＡ系统容量、覆盖和服务质量等性能。这些参数包括前向各种信道功率电平、切换门限、前向和反向Ｅｂ／Ｎｏ以及误帧率（ＦＥＲ）设置、搜索窗口宽度、保护频带和保护区域、导引信道ＰＮ偏置规划、切换百分比、登记形式的选用以及前向功率控制报告门限等等。下面就导引信道ＰＮ偏置规划、搜索窗口宽度等参数具体加以说明。

（１）导引信道ＰＮ偏置规划

    在ＣＤＭＡ系统中，每个小区的每个扇区都被分配一个导引信道ＰＮ偏置，这样，移动台就可以识别不同扇区的导引信道信号，以决定什么时间可以进行切换。根据ＣＤＭＡ空中接口标准，整个ＣＤ-ＭＡ系统可以有３２６７８（２１５）个ＰＮ偏置值。

     为了预防不同扇区的导引信道信号由于多径影响而被混淆，每个可使用的ＰＮ偏移值最少要分开６４个ＰＮ比特，一般的建议值是２５６个ＰＮ比特，这样，整个ＣＤＭＡ系统只有１２８个可用的偏移值。假设每个基站都分成３个扇区，１２８个偏移值只够４２个基站使用，对于第４３个基站，就必须重复使用这１２８个偏移值。这有点类似模拟系统的频率规划，而且ＰＮ偏置规划还必须考虑相邻小区的互相协调。

（２）搜索窗口宽度

    搜索窗口宽度可以决定移动台寻找导引信道信号所需要的时间。基站针对每一种导引信道集，分别规定了一个搜索窗口（ＰＮ码相位偏移范围），在各个窗口里移动台搜索对应导引信道，集中所有导引信道的多径分量（可用于解调的多径）。移动台把有每个导引信道的搜索窗口中心设在接收到的第一个导引信道多径附近。如果搜索范围是２８个ＰＮ比特，就意味着在搜索窗口中心两侧１４个ＰＮ比特范围内。该参数对于不同的环境，设置值是不一样的，对于地形地貌非常复杂的环境，为了捕获经过多重反射的多径信号，必须加大该窗口宽度。而对于开阔地带，由于多径分量只经过很少次的反射，所以应该缩小该窗口的宽度，以提高搜索效率。

    还有许多其它参数，比如：导引信道强度的设置参数，决定基站前向链路的大小；前向和反向Ｅｂ／Ｎｏ的设置参数可以协调系统的容量和质量；切换百分比参数也可以协调系统的容量和质量等等。

    由于ＣＤＭＡ系统中各种参数弹性较大，不确定性也随之增大。比如，对于其它系统来说，覆盖范围不会随负载的变化而变化。但在ＣＤＭＡ系统中，反向覆盖范围却随着负载的增大而减少，切换区也同时随之变化。而且，ＣＤＭＡ本身如果前、反向链路覆盖不平衡，也必然会给系统本身造成很大干扰。因此，要使ＣＤＭＡ系统最优化，就必须先进行实际测量，找出当地大致传播规律，然后根据设计目标建立一个系统模型，通过实际测量不断修正它，直到它符合预先设计的目标。□

（收稿日期：１９９７－１０－２８）

[摘要] 本文论述了ＣＤＭＡ技术及其优越性，并详细介绍了ＣＤＭＡ系统接口标准、网络同步形式、ＣＤＭＡ系统规划等。

[关键词] 码分多址 接口 网络同步 系统规划

[Abstract] Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ａｄｄｒｅｓｓｅｓ ｔｈｅ ＣＤ-ＭＡ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｉｔｓ ｓｕｐｅｒｉｏｒｉ-ｔｙ，ａｎｄ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｙ ｉｎｔｒｏ-ｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ａｃｃｅｓｓ ｓｔａｎｄａｒｄｓ，ｎｅｔ-ｗｏｒｋ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｓｔｙｌｅｓ ａｎｄ ｓｙｓｔｅｍ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｏｆ ＣＤＭＡ．

[Keywords] ＣＤＭＡ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｎｅｔｗｏｒｋ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ｐｌａｎ-ｎｉｎｇ