浅谈第三代移动通信核心技术——CDMA

王星宇

【摘要】 本文首先简要介绍了移动通信的发展历程，然后从技术特点和概况方面介绍了第三代通信系统（3G）。之后重点探讨了第三代通信系统（3G）核心技术——CDMA的发展背景、技术内容以及应用。最后，对CDMA的发展与演变进行了相关介绍。

【关键词】 第三代移动通信（3G） 码分多址（CDMA） 技术简介 商业背景

一、引言

1897年是人类移动通信元年，M.G.马可尼在陆地与一只拖船间完成了一项无线通信实验，由此揭开世界移动通信历史的序幕。第一代移动通信系统（1G）的商业化起于20世纪80年代 。主要以模拟式蜂窝网为特点，采用频分多址（FDMA）方式实现对用户动态寻址。第二代移动通信系统（2G）的商业化起源于20世纪90年代初。第二代移动通信系统（2G）改变了第一代中采用模拟传输的方式，采用数字式蜂窝移动通信，增强了传输过程中保密性。值得一提的是，在第二代技术的发展过程中，在当时电信工业协会（TIA）认可了一项名为时分多址（TDMA）的数字技术的三个月之后，一家叫高通（Qualcomm）的美国公司将军用技术——码分多址（CDMA）的寻址方式的运用到民用通信，改变了无线通信的传统面貌。第三代移动通信系统（3G）则以移动多媒体业务为特征，实现了单一语音业务向多媒体业务的跨越。第四代移动通信（4G）则是在第三代移动通信（3G）的基础上，利用宽带高速数据传输方式，全面增強了对业务的动态性支持，大大提高了数据传输的速率。

二、第三代移动通信——“3G”

第三代的数字移动通信，支持高速数据传输的蜂窝移动通信技术。利用非对称的高速速率传输能力，实现用户终端多媒体业务的选择。在第三代的数字移动通信中，存在主要三种的标准模式：美国CDMA2000，欧洲与日本的WCDMA和中国TD-SCDMA。

“3G”移动通信技术针对之前2G时代尚未完全统一通信标准的缺点，利用相应措施将通信技术进行统一，并在全球范围内，实现用户业务的漫游。另外，完善了用户业务的动态性能，实现了可向用户提供从以往单一的语音业务通信到包括文字、图像等多媒体的业务扩展。“3G”从以往“2G”的理论传输速率峰值9.6kbit/s（千比特/每秒），提升到了理论峰值2Mbit/s。

第三代移动通信系统（3G）技术与其他四代移动通信技术性能进行比较，如表1 所示：

三、第三代移动通信核心技术——CDMA

3.1 发展现状与商业背景

在CDMA技术发展的过程中，有一项重要的技术支持——扩频通信技术。这个技术最初的作用是用于军事。[1]在战争结束以后，美国军方解密了这项技术。直到1985年，一家名叫“高通（Qualcomm）”的美国公司利用这项技术，开发了一项运用民用移动通信的码分多址（CDMA）技术。于是，在1991年，“2G”技术刚刚步入商业化阶段之时，这家公司的技术得到了电信工业协会（TIA-USA）的认可并被采纳为95号暂行标准（IS-95）。这一系统最终成为了获得广泛普及的第一个商业码分多址（CDMA）系统。

在第二代移动通信的商业竞争中，虽然美国高通（Qualcomm）公司的这种技术在第二代移动通信领域没有形成较大的市场规模，让采用以频分多址（TDMA）技术为主的欧洲GSM（Group Special Mobile）取得了“2G”时代的胜利，但在接下来的“3G”时代，CDMA技术却成功代表了无线通信技术的发展方向。

“2G”虽被称为第二代数字式移动通信系统，但在数据传输速率上仍不满足日益增长的用户需求。显然，下一代新的通信系统（也就是“3G”时代）需要在数据传输速率上进行改进。正当欧洲GSM系统支持者都为频分多址（TDMA）技术尚未能解决这项问题而苦恼之时，但在大洋彼岸的高通（Qualcomm）公司的CDMA这项技术却非常合适高速率传输。之后，IS-95标准的支持者成功开发出了运用第三代移动通信系统的CDMA2000标准，人类也正式进入了“3G”时代。

虽然CDMA技术并非高通（Qualcomm）公司的原创发明，但是这家公司成功解决了CDMA的组网问题。在当时，CDMA的民用前景被不为人重视，于是具有眼光的高通（Qualcomm）公司，几乎垄断了CDMA技术的专利。

3.2 技术介绍

CDMA全称：“Code Division Multiple Access”，其中文译名为码分多址。

在第二代移动通信系统中，IS-95是运用CDMA技术最为典型的系统。在IS-95系统中，其基本原理是首先发送端将用户所需要传输的信息进行量化编码，然后将用户的信息序列（已编码）与一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码（扩频序列）进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，最后经载波调制并发送出去。

所使用的这项技术被称为扩频通信技术。也正是巧妙地运用了扩频的原理，在接收机端，对不同用户的传输信息的识别就不再仅从传输信号的时域与频域上去区分（实际在时域和频域是混叠的），而是通过每个用户被分配的不同扩频码去识别的。这种方式也就是“码分”的基本概念。

DS-CDMA扩频原理：扩频的基本思想是将数据信息扩展到非常宽的带宽上进行传输。扩频技术主要有3种：直接序列码分多址技术（DS-CDMA），跳频多址技术（FHMA），混合码分多址技术。其中我们重点介绍直接序列码分多址（DS-CDMA）的技术原理。

直接序列码分多址（DS-CDMA）的原理框图如下图所示：

首先，发送端将输入信号进行量化编码和窄带调制，设调制后信息序列的码元间隔为Ta，则信号带宽B1=1/Ta。之后，将产生的信息序列与一个用扩频序列调制载波信号后生成的宽带信号相乘，我们设扩频序列为Mc个码片，且码片间隔为Tb=Ta/Mc，则宽带带宽B2=1/Tb。显然Tb<>B1。

在接收端，我们需要进行扩频操作的逆操作。再相关运算完成后，信号带宽又恢复到了1/Ta，最后，经过低通滤波等操作，就可以得到相应用户发送的信息。[3]

多址原理：CDMA技术基于直接序列扩频来获得多址能力。这项技术将不同的用户分配以不同的扩频码，该扩频码则直接决定了与不同用户信号相乘的宽带信号。

在接收机端，则利用正交参量，识别需要的用户信号。因此，在CDMA码分多址系统中，要满足多址信号之间互不干扰，则需要不同信号之间具有正交特性，而信号的相似性通常由相关性表示。所以，应选用相关性小的信号作为地址码。虽然噪声或随机序列具有正交特性，但至今无法实现对白噪声的放大、调制、检测、同步及控制等，因此只有采用具有准正交特点的伪随机序列（PN码）进行替代。例如：m序列、Gold序列以及Walsh函数等。在CDMA系统中，我们将地址码分为3类：用户地址码，信道地址码和基站地址码。就IS-95系统为例，用户地址码的选择是采用一个超长序列n=42的m序列伪码，它由42位移位寄存器产生，然后每个用户按照一定规律选取局部有限位作为用户地址码。而基站地址码则采用两个较短的伪随机序列（PN码），即短序列n=15的m序列，分别对下行的同相与正交调制分量进行扩频。最后，利用码长n=64的正交Walsh码作为信道地址码。

四、结束语

今天，第三代移动通信核心技术——CDMA的发展较为成熟，并且3G时代已经全面步入我们的日常生活。本文结合移动通信的发展历程以及历史背景，对CDMA的概念与特点做了简单地阐述，并对其关键技术部分进行了较为详细的叙述。随着人们需求的不断增长，第三代移动通信技术也必将会有所调整，部分协议和标准也有待于进一步改进。不过，第三代移动通信技术也会凭借它新颖的技术使未来的移动通信变得更加方便快捷！

参 考 文 献

[1] 郭宸宸.尘封档案：最美丽的女人与手机的故事.[EB/OL].http：//tech.sina.com.cn/mobile/n/2007-04-03/1609279438.shtml，2007-4-3.

[2] 杨志军.揭秘4G核心专利.[EB/OL]. http：//weibo.com/p/1001603816391915526200，2015-3-3.

[3] Andreas F. Molisch著.田斌等譯.无线通信[M].北京：电子工业出版社，2008.

[4] 曾兴雯，刘乃安，孙献璞.扩展频谱通信及其多址技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2011.