四、CDMAIX&ATM原理及其應用

CDMA系統作為聯通無線VPN的接入技術，充分運用了CDMA的碼分多址技術及軟切換技術為客戶供物理層安全。

CDMA即Code Division Multiple Access(碼分多址)是一種采用先進無線擴頻技術的數字通信多址接入方式。顧名思義，碼分多址就是給每個用戶分配一個唯一的擴頻碼(或稱地址碼)，通過該擴頻碼的不同來識別用戶。CDMA2000標準的發展經歷了從IS-95A， IS-95B到cdma2000 lx及cdma2000 1xEV的發展過程。碼分多址(CDMA)系統的特點之一是用于傳輸信息的信號帶寬遠大于信息帶寬；特點之二是在擴頻的實現上，基本都是用一組優選的擴頻碼進行控制，CDMA是在信號的擴展維一編碼維上對無線信號空間進行劃分。碼分多址中對于擴頻碼的選擇要求比較苛刻，實際中通常是準正交性，即自相關性很強，而互相關性很弱。出于系統容量的考慮，對于特定長度的擴頻碼集要求能夠提供足夠多的擴頻碼。在統計特性上要求擴頻碼類似白噪聲以增強隱蔽性，這在軍事通信中尤為重要。為了提高處理增益應選擇周期足夠長的擴頻碼，而為了便于實現應選擇產生與捕獲容易并且同步建立時間較短的擴頻碼。通常擴頻碼的選擇就是各種偽隨機(PN)碼。

雖然碼分多址都是利用了地址碼的正交性來實現多址接入，但通常可根據擴頻的不同實現手法，將碼分多址分類。

4. 1直接序列碼分多址(DS一CDMA )

這是用得比較多的一種擴頻多址方式。眾所周知，DS -CDMA在現在的第二代移動通信中己經得到了成功應用，而且它還是第三代移動通信的核心技術，在工MT-2000的眾多標準中，大部分都采用了DS -CDMA。此外，在軍事通信和衛星通信中，DS-CDMA也受到了青睞。從原理上來說，DS-CDMA是通過將攜帶信息的窄帶信號與高速地址碼信號相乘而獲得的寬帶擴頻信號。收端需要用與發端同步的相同地址碼信號去控制輸入變頻器的載頻相位以實現解擴。根據Shannon定理，在信號平均功率受限的白噪聲信道中，系統的極限信息傳輸速率C (b/s)與信道帶寬B (Hz)、信噪比S/N之間滿足如下的約束關系：C=Blog (1+S/N)，實際上，該式也體現了上述各變量之間的一種互換關系。也就是說，在所需最高信息傳輸速率C不變的條件下，通過應用地址碼展寬信號帶寬B，就可以在信噪比S/N很低的條件下實現可靠通信，DS-CDMA正是這一思想的應用。通過DS擴頻，將信號功率譜在一個很寬的頻段上進行了“平均”，或者說在背景噪聲不變的情況下，單位帶寬信噪比S/N變得很低，好像是將信號在噪聲中“隱藏”了起來。因此DS -CDMA系統具有抗窄帶干擾、抗多徑衰落和保密性好的優點。此外，DS-CDMA的優點還有很多：許多用戶可以共享頻帶資源，無須復雜的頻帶分配和管理；具有“軟容量”特性，即在一定限度內的用戶數增加，只會使得信噪比下降，而不會終止通信，也就是說DS - CDMA沒有絕對的容量限制：具有“小區呼吸功能”，即小區負荷量可以動態控制，相鄰小區可通過覆蓋范圍的互動來重新分擔負荷；可以通過“軟切換”實現移動臺的越區管理，保證越區時通信的連續性等。當然，DS-CDMA也存在一些問題，如多址干擾問題，這是由于不同地址碼之間的非完全正交性而造成的，通信過程中不同用戶的發射信號會相互干擾。多址干擾是DS -CDMA系統中相當嚴重的一個問題，還需要人們通過對地址碼選擇的進一步研究來解決。此外，在DS-CDMA系統中還存在“遠近效應”，就是說離基站近的強信號用戶會對遠離基站的弱信號用戶的通信形成干擾，本質上說這還是由于地址碼的非完全正交性所致，但現階段人們已通過在移動通信系統中引入“自動功率控制”技術削弱了遠近效應的影響。

CDMA的技術持點

1) CDMA是擴頻通信的一種，具有擴頻通信的以下特點：

.抗干擾能力強。這是擴頻通信的基本特點，是所有通信方式無法比擬的。

.寬帶傳輸，抗衰落能力強。

.由于采用寬帶傳輸，在信道中傳輸的有用信號的功率比干擾信號的功率低得多，因此信號好象隱蔽在噪聲中，即功率譜密度比較低，有利于信號隱蔽。

.利用擴頻碼的相關性來獲取用戶的信息，抗截獲的能力強。

2)在擴頻CDMA通信系統中，由于采用了新的關鍵技術而具有新的特點：

采用了多種分集方式。除了傳統的空間分集外，由于采用寬帶傳輸起到了頻率分集的作用，同時在基站和移動臺采用了RAKE接收機技術，相當于時間分集的作用。 采用了話音激活技術和扇區化技術。因為CDMA系統的容量直接與所受的干擾有關，采用話音激活和扇區化技術可以減少干擾，可以使整個系統的容量增大。 采用了移動臺輔助的軟切換。通過它可以實現無縫切換，保證了通話的連續性，減少了掉話的可能性。處于切換區域的移動臺通過分集接收多個基站的信號，可以減低自身的發射功率，從而減少了對周圍基站的干擾，這樣有利于提高反向聯路的容量和覆蓋范圍。 采用了功率控制技術，這樣降低了發射功率。 具有軟容量特性?？梢栽谠拕樟扛叻迤谕ㄟ^提高誤幀率來增加可以用的信道數。當相鄰小區的負荷一輕一重時，負荷重的小區可以通過減少導頻的發射功率，使本小區的邊緣用戶由于導頻強度的不足而切換到相臨小區，分擔負擔。 兼容性好。由于CDMA的帶寬很大，功率分布在廣闊的頻譜上，功率譜密度低，對窄帶模擬系統的干擾小，因此兩者可以共存，即兼容性好。 CDMA的頻率利用率高，不需頻率規劃，這也是CDMA的特點之一。 CDMA高效率的OCELP話音編碼。話音編碼技術是數字通信中的一個重要課題，OCELP是利用碼表矢量量化差值的信號，并根據語音激活的程度產生一個輸出速率可變的信號。這種編碼方式被認為是目前效率最高的編碼技術，在保證有較好話音質量的前提下，大大提高了系統的容量。這種聲碼器具有8kbit/S和13kbit/S兩種速率的序列。8kbit/S序列從1. 2 kbit/s到 9. 6kbit/s可變，13kbit/S序列則從1. 8kbt/s到14. 4kbt/S可變。最近，又有一種8kbit/s EVRC型編碼器問世，具有8kbit / s聲碼器容量大的特點，話音質量有了明顯的提高。 WCDMA與cdma2000的主要分歧與共同點

1) WCDMA與cdma2000的主要分歧點是：

擴頻碼片速率與射頻信道結構：W-CDMA根據ITU關于5MHZ信道基本帶寬的劃分規則，將基本碼片速率定為4.096Mchip / S，在一個完整的信道內，使用直接擴頻調制；Cdma2000為了兼容Cdmaone，以原CdmaOne的基本碼片速率的三倍，即3. 6864Mchip / s作為Cdma2000的基本速率進行直接擴頻調制。同時，Cdma2000還定義了以原Cdmaone系統3個基本信道(帶寬1. 25 MHZ)作頻分復用的多載波擴頻調制方式。 支持不同的核心網絡標準：W-CDMA要求實現與GSM網絡的全兼容，所以它把GSM的MAP協議作為上層核心網絡協議；Cdma2000要求完全兼容cdmaone，因此，它支持ANSI-41作為自己的核心網絡協議。 基站之間的同步問題：cdma2000沿襲了cdmaone各個基站依靠GPS測量實現前向信道同步的要求；而W-CDMA沒有基站同步的要求。 cdma 2000方案提出采用可變速率語音編碼，采用幀長為20ms的全速率、1/2，1/4、和1/8速率，而WCDMA采用自適應多速率編碼(AMR)，幀長l0ms 2.技術上它們是相容的，就總的無線信道的空中接口結構而言，這兩類方案有如下的共同特點： 都是采用定時長的幀結構作為基本的傳送單位，在一個幀上實施速率匹配，卷積糾錯，交織運算等操作； 以短的可變長度正交序列調制出獨立的物理通道(“通道化”)，并遵循ITU建議M. 1035，將這些獨立的通道映射為具有不同功能的邏輯通道。 在一個獨立通道內，又可將導頻引導字、功率控制消息、數據速率信息進行時分復用。 在完成了利用短碼調制的“通道化”之后，不同通道可以按不同的加權增益組合起來進行在I/0信道的復用。 為了分隔不同小區和不同用戶，采用長碼(如大M序列或GOLD序列)進行最后的擴頻調制，完成整個“復雜擴頻電路”結構。 關于W-CDMA和Cdma2000建議中對于導頻的設計和使用。導頻在CDMA移動通信系統計中占有舉足輕重的地位，W-CDMA和Cdma2000都是依靠導頻信道來完成相干接收的。在上下行方向，W-CDMA都采用了直接指派到用戶的時分復用的導頻，以配合多速率以及分組突發業務的接收。Cdma2000則仍沿用了工s-95標準下的導頻設計方法：上行信道上碼分復用導頻，下行信道采用公共連續導頻。這里，由于W-CDMA和Cdma2000在下行信道上的導頻設計不同，直接導致W-CDMA成為“異步”的CDMA，即相鄰小區之間異步；而Cdma2000依靠下行公共導頻和GPS，實現相鄰小區間的同步。但由于W一CDMA擁有指派到用戶的時分導頻，在異步環境下的越區切換同樣沒有問題。 關于多速率業務的支持，W-CDMA和Cdma2000方案都采用可變擴頻增益/多萬馬道并行調制，并且擴頻指數都是4}-2560 關于功率控制方法，兩個方案都采用了開環結合快速閉環的控制。 2)綜上所述，就RTT主要技術項目的設計方法來看，W-CDMA和Cdma2000是相容的。W-CDMA和Cdma2000建議的爭論，與其說是技術角度的分歧，還不如說是商業利益上的斗爭。

寬帶cdma系統與第二代通信系統相比所縣有的優點

W-CDMA因其寬帶和擴頻碼分多址的特性，具有以下主要優點：

1)容量更大、覆蓋范圍更廣。CDMA信道帶寬是寬帶的，而W-CDMA信道帶寬(以典型的每載波SMHZ帶寬為例)更是窄帶CDMA(如IS-95 )信道帶寬的4倍，較寬的帶寬將增加頻率分集的效果，從而降低衰落的影響，提高上行與下行鏈路快速功率控制的精度，以及上行信道采用相干解調可獲得2dB-V 3dB的解調增益等等，這大大提高了系統容量。有研究結果表明，SMHZW一CDMA系統的容量是窄帶CDMA系統的8倍。

2)頻譜利用率高。CDMA系統中用戶共享頻譜資源；功率控制、話音激活等技術的采用大大提高了頻譜利用率，而又不必象TDMA / FDMA(時分多址/頻分多址)系統那樣進行復雜的頻率管理。

3)適合不對稱業務、變速率業務以及高速業務。由于上行與下行信道可以采用獨立的無線資源，W-CDMA系統通過采用可變增益的正交擴頻碼(OVSF碼)和自動調整發射功率，統計復用及多碼傳輸等技術，可方便地支持不對稱業務如Internet(因特網)接入、變速率業務和高速業務。

4)W-CDMA終端可同時支持多個業務。例如；通過統計復用，W-CDMA可使用戶在接入相應無線局域網(LAN)的同時接收電話呼叫，提供多媒體服務。

5)同時支持電路交換業務與分組交換業務。對分組模式數據的支持為用戶提供了與Internet接入有關的業務。

6)移動臺發射功率低。由于采用擴頻技術和RAKE接收；移動臺發射功率大大降低，從而減少了對其他用戶的干擾，延長了移動臺電池的連續通話和待機時間。

7)對FDD方式，各基站不需要嚴格的同步。從而可不必依賴昂貴的全球定位系統即(GPS)衛星系統。

8)采用開放式系統設計。便于引入可進一步提高系統性能的更先進技術，如支持自適應天線陣、多用戶檢測和分層小區結構(HCS)等等。

CDMA存在的問題

1)在小區的規劃問題上，雖然CDMA無需頻率規劃，但它的小區規劃卻并非十分容易。由于所有的基站都使用同一個頻率，相互之間是存在干擾的，如果小區規劃做得不好，將直接影響話音質量和使系統容量打折扣，因而在進行站距、天線高度等方面的設計時應當小心謹慎。

2)其次，在標準的問題上，CDMA的標準并不十分完善。許多標準都仍在研究及制定之中。如A接口，目前各廠家有的提供IS-634版本0，有的支持Is-634版本。還有的使用Is-634 / TSB-80。因此對于系統運營商來說，選擇統一的A接口是比較困難的。

3)由于功率控制的誤差所導致的系統容量的減少。

4. 2 ATM在CDMA 1X系統中的應用

反向復用工MA的目的是將所有E1傳輸線上的業務進行統計平均，使所有業務平均分配在每條E1上。BSS內部業務采用AAL2，信令/維護/數據業務采用AAL5a

為實現工POA下的ARP協議，每個連接ATM網絡的主機均視為ATM終端。ARP服務器和路由器也同樣如此。為實現IPOA，所有的IP數據包均要轉化為ATM信元的凈荷，相應的每個主機的IP地址也要轉化為ATM地址，這樣主機之間才能建立起ATM虛連接，進而進行IP的交互。因此在通信前必須建立IP地址和ATM地址間的映射關系。

目前的工POA方式中，有兩種方法可以建立IP地址和ATM地址(或ATM虛連接)的對應關系：SVC方式和PVC方式。在PVC方式下不需要ARP服務器，在公司的CDMA 1X產品中采用的是PVC方式。

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ATM在CDMA中的運用圖

4.3 CDMA1x VPN無線信道安全分析

無線信道部分采用CDMA(碼分多址技術)，CDMA是給每個用戶分配一個唯一的擴頻碼(或稱地址碼)，通過該擴頻碼的不同來識別用戶。對于擴頻碼的選擇要求比較苛刻，但實際中通常是準正交性，即自相關性很強，而互相關性很弱；出于系統容量的考慮，對于特定長度的地址碼集還要求其能夠提供足夠多的地址碼；在統計特性上要求地址碼類似白噪聲以增強隱蔽性；為了提高處理增益應選擇周期足夠長的地址碼：而為了便于實現則應選擇產生與捕獲容易和同步建立時間較短的地址碼，通常選擇就是各種偽隨機(PN)碼。這些偽隨機(PN)碼長度達到128位，具有很強的抗攻擊性，能很好起到對用戶數據的保密作用。