浅谈CDMA技术中几个问题

摘要：文中主要阐述了CDMA技术的起源，什么是CDMA技术，CDMA的软容量，CDMA短码和长码，CDMA系统中功率控制的重要性，CDMA软切换，CDMA的"更软切换"，CDMA需要对整个网络同步，CDMA为什么要加密和鉴权以及CDMA系统如何保护A_key安全性。

关键词：CDMA技术；频分多址；时分多址；码分多址；通信网络

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2012）30-7179-03

1 CDMA技术的起源

扩频技术的起源可以说是在第二次世界大战时期，此种思维模式主要是用来防御我方通信被敌方干扰。众所周知，窄带通信所采用的带宽非常小，其数值只有几十kHz，因此，敌方只要使用一个大功率的发射机，采用频率相同或相近的信号就可以非常容易对我方通信进行干扰。由于当时采用的都是调幅技术或调频技术，这种技术很难从敌方的大功率同频率信号中分离出自己所需要的有用信息。当时也无法从这种恶劣环境的信噪比中得到自己原有的原始信号。

CDMA就是在这种环境下激发人们要采用一种新的技术而产生的。CDMA它的主导思想就是把通信原始信号经过特别的码型处理，再把经过特别处理的信号能量扩散到非常宽广的频带上，使其信号湮没在恶劣的信噪比环境中，在信号接收端通过相同的码型处理就可以重新恢复出源始信号，其过程类似于对某信号进行加密，再进行解密，也就是通常所说的直接序列扩频。由于通信信号与噪声在一起，对方就很难侦查到我方通信信号。因此，这种技术在军事领域中有着广泛应用。

2 什么是CDMA技术

CDMA（Code Division Multiple Access） 又称码分多址，它是在数字通信技术的分支扩频技术的原理上发展而产生的。什么是扩频，扩频就是把频谱扩展开来。

码分多址技术是当今移动通信领域中所应用的多址方式一种。在移动通信领域系统中，由于大量的移动终端要同时通过一个地面通信基站与其他移动终端进行通信，因而不得不对不同的移动终端和地面通信基站所发出的通信信号给予不同的特征，以便于通信基站能够从大量的移动终端辨别出是谁的移动终端发出的信息，与此同时移动终端也能够从通信基站发出众多的的信号中识别出什么信号是属于自己所需要的信号，解决此类问题的方式就叫做多址方式。通信信号特征上的差异是多址方式基础。由于通信信号特征上的差异存在，才能使接收机进行识别，才能使接收机进行选择。通常情况下，通信信号的特征差异主要表现在通信信号的工作频率、通信信号的收发时间、通信信号所具有的特征波形等参数上。故而就形成了三种多址方式：FDMA（频分多址）-不同的移动终端所分配的工作频率不同，但是时隙相同也就是说在同一个时间进行通信工作的信道上；TDMA（时分多址）-不同的移动终端所分配的工作频率相同，但是工作时隙不同进行通信工作的信道上；CDMA（码分多址）-不同的移动终端所分配的工作频率和时隙均相同的信道上，但是工作的PN码不同，以伪随机正交码的序列来区别不同的移动终端。

就移动通信网络来说，由于大量的移动终端增加和通信业务量的不断的发展，频率资源成为一个非常突出的问题，频率资源的使用越来越匮乏。在有限的频率资源中如何提高移动通信容量是迫在眉睫的问题。移动通信的容量直接受到多址方式的影响，因此使用什么样的多址方式，才能更好的使移动通信容量得到提高，这是设备制造商、运营商和研发单位所要重视的问题，同时也是人们研究和开发的重要方向。通过多次的应用实践和对其理论研究，其频分多址（FDMA）为移动终端用户容量最小的多址方式，时分多址（TDMA）为移动终端用户容量较小方式，码分多址（CDMA）为移动终端用户容量最大的多址方式。

码分多址（CDMA）对每个移动终端用户信号都进行了频带带宽的扩展。在军事通信系统里是最早使用CDMA技术的，而在上个世纪八十年代末人们才开始重视在移动通信中应用。通过研究发现码分多址系统的扩频信号技术抗干扰能力强，利用这一特性可提高CDMA通信系统的容量。同时发现提高CDMA通信系统的容量的还有话音激活、纠错编码、功率控制、无线分区等方式，CDMA通信系统的容量比频分多址（FDMA）方式大20倍，比时分多址（TDMA）方式大4倍，从而为CDMA技术在社会民用通信领域中打开了广阔的应用前景的大门。美国QUALCOMM公司制定了世界上第一个CDMA蜂窝通信系统标准（IS-95），在1993年7月16日美国电信工业协会正式批准通过了该项提议。随后，又陆续指定了IS-95B，随着3GPP2的成立，推出了CDMA2000 1X，以及EV DO/DV等标准。3G的另外两种制式WCDMA/TD-SCDMA的空口主要方式也采取了CDMA的原理。

3 CDMA的软容量是指什么

根据对CDMA系统的类比，单载波的容量，手机的发射功率，手机与基站的距离都会影响CDMA的软容量。我们可以通过下面的例子来说明这个问题。一个会客室总会有客人进入，客人的总数总是有一定的限度，这是因为它与会客室大小、客人间的距离、还有客人的音量都有密不可分的关系。如果我们把会客室的大小比做CDMA系统中的单载波的容量；而客人之间交谈的音量就相当于CDMA系统手机的发射功率；CDMA的功率控制（CDMA的功率控制是一个十分重要的技术）就相当于客人音量控制，CDMA的功率控制在CDMA系统中起着举足轻重的作用，它直接影响到码分多址（CDMA）系统的容量；手机与基站的距离就好比客人间的距离。通过此例说明码分多址（CDMA）是一个具有自干扰系统的特点；频分多址（FDMA）和时分多址（TDMA）的容量是固定的而码分多址（CDMA）系统单载频的容量是受其他因素影响而变化的，这就是通常所说的"软容量"。

4 CDMA短码和长码

码分多址（CDMA）系统常用短码和长码，它们都是伪随机机码序列。短码：215-1长度是短码的周期序列。在CDMA系统中从地面基站指向移动终端方向为前向信道，对前向信道进行调制是由短码来完成的，其作用就是使前向信道做上本基站的标记，每个基站都使用不同相位的短码，致使把每个基站都进行区分开来。在CDMA系统中从移动终端指向地面基站的反向信道，短码调制于反向业务信道，其作用和短码在前向信道中作用相同。长码：242-1长度是长码的周期序列。在CDMA系统从地面基站指向移动终端方向的前向信道中，长码主要起类似于加密一样的对业务信道进行扰码。在CDMA系统中从移动终端指向地面基站的反向信道，长码主要用来直接进行扩频，用来区分不同的接入手机。

沃尔什（WALSH）码，CDMA系统中还使用64位长沃尔什码（Walsh Code）。沃尔什码在数学上具有很好的正交性。所谓正交性，就是讲不同语言且不懂对方语言的人，相互之间无法用语言进行交流。用沃尔什码可以区分开不同的前向信道。

5 为什么功率控制在CDMA系统中非常重要

前面提到，CDMA系统的功率控制是一个十分重要的技术，CDMA系统中关键核心技术是功率控制。要了解功率控制在CDMA系统中的重要地位，就得首先搞清"远近效应"这个概念。假设某个小区的移动终端所有客户都用同样的功率进行发送信号，那么离基站近的客户的移动终端到达基站的功率就大一些，也就是说它的信号就强一些，离基站远的客户的移动终端到达基站的功率就小一些，也就是说它的信号就弱一些，因此就会引起功率大信号强的掩盖功率小信号弱的现象，这就是CDMA系统中“远近效应”现象。由于小区的移动终端所有客户都用同样的载波即同一频率，就会更加突出“远近效应”现象这个问题。要控制好“远近效应”这个问题，就必须做好CDMA系统的功率控制，在不占用同一信道的其它客户产生不应有的干扰的同时还可以保持CDMA系统高质量通信。

6 什么是CDMA软切换？它与硬切换有什么分别

移动通讯是建立在移动之中的。有了频率的复用，必然带来移动中的频率切换问题，一个网络质量的好坏在无线方面主要表现在掉话、频率丢失等指标上，切换方式将对这些指标产生影响。通过下面软切换和硬切换方法的比较，孰优孰劣，我们能得出结论。

硬切换：在FDMA和TDMA系统中，所有的切换都是硬切换。当切换一旦产生时，移动终端优先释放原来基站的信道，然后才能获得新基站分配的信道，是一个"释放-建立"的过程，切换这一过程的发生是在基站的两个扇区之间或者是在两个基站过渡区域，基站与基站、扇区与扇区之间均存在着一定的竞争关系。若在同一个区域内的多个基站其信号发射功率发生巨大变化，移动终端就会在这几个基站之间进行往复切换，形成一种"乒乓效应"。与此同时就会加大交换系统负荷量，使掉话的可能性增加。

软切换：在CDMA系统中，切换的情况有所不同。当一部手机处于切换状态下，处于此部手机的相关基站都会对这部手机进行监测，CDMA系统中基站控制器就会将各个基站送来的这不手机的信号质量报告进行逐帧比较，选出这几个基站中最好的一帧。由此得知CDMA的切换就是一个"建立-比较-释放"的过程，这种切换就叫软切换，这种软切换用来区别在FDMA和TDMA系统中的硬切换。软切换可以是同一基站控制器下的不同基站或不同基站控制器下不同基站之间发生的切换。

7 什么是CDMA的"更软切换"

在CDMA系统中还有一种切换称为"更软切换"。它指发生在同一基站具有相同频率的不同扇区间的切换。另外，CDMA系统中还可以提供导频引导（PilotBeacon）的不同载波间的切换，以及软件控制的一些切换。所有这些切换措施都为CDMA系统带来了更可靠的无线通路。

现有的蜂窝系统分级接收，与CDMA的分级接收有什么分别？在CDMA系统中，由于采用了Rake接收机，克服了多径效应，使得不利变为了有利，这是CDMA中独有的路径分级技术。

路径分级接收的远离是这样的：在基站处，每一个反向信道都有四个数字解调器，而每个数字解调器又包含有搜索单元和解调单元，搜索单元负责搜索不同的多径信号，并交由各解调单元解调。这样每个基站都可以同时解调四路多径信号，并进行矢量合并，通过这样恢复出的信号比任何一路的信号都要好。在手机里，有三个数字解调单元、一个搜索单元，这样手机也能同时解调三路多径信号并进行矢量合并。由于采用了多径接受机，使得基站、手机均能有稳定的接受信号。

8 CDMA为什么要加密和鉴权

加密主要是通过手机和网络配合，采用约定的加、解密算法对无线链路上的的通信内容进行处理，包括语音、数据、用户信令和系统信令，从而确保通信的保密性。由于目前 GSM/CDMA/WCDMA都属于数字通讯，要做到这点是比较容易的；

而鉴权就是通过在手机和网络（主要是HLR）中分别设定一些秘密数据，通过这些秘密数据由网络侧识别哪些是合法用户，哪些是非法用户。

9 CDMA系统如何保护A_key安全性

CDMA鉴权用的基本数据，包括 IMSI/ ESN（UIMID）/A_KEY。A_KEY是非常重要的参数，运营商、设备制造商做了严密的防护措施，A_KEY 的产生、加载、保存、维护都受严格监控的。具体可以从 以下 SIM 卡生效流程便可反应出来：

1）A_KEY 的生成和手机侧的加载：运营商指定的制卡中心在严格保密流程下，采用专用程序随机产生 A_KEY ，并连同 IMSI 、UIMID、CAVE 算法等其它重要信息一次性写入到 SIM 卡中；同时，将制作完毕的 SIM 卡以及对应记录 IMSI/ESN（UIMID）/ A_KEY 的资源文件提交给运营商；

2）A_KEY 资源文件的加密：运营商为了防止明文的资源文件在传递过程中被他人盗用，可以通过加密密钥 K4 以及加/解密算法 DES 对 A_KEY 进行加密。为了简化处理和便于管理，一个省级资源文件的 K4 密钥一般采用几个就可以了；

3）A_KEY 资源在HLR/AC 的加载：运营商将加密后的资源文件提交给维护 HLR/AC 的各分公司，由分公司的指定人员（A_KEY 管理员）甚至省公司的专职人员 将对应资源文件进行解密，形成明文资源文件，然后利用设备制造商提供的资源文件加载接口批量加载到 HLR/AC 主机中。

在联通 CDMA 运维方式中，文件的加载操作都是按照以上步骤操作的。

在资源文件加载方面， GSM 和 CDMA略有不同。在 GSM 中，向 HLR/AC 加载 A_KEY 的时候，允许直接加载被加密后的 KI（A_KEY） ，当然，加载内容除了 IMSI/ESN/ 加密后KI （相当于CDMA 中的 A_KEY ）外，还有对KI （A_KEY） 加密的密钥 K4。这样， 只有在 HLR/AC实际鉴权的时候才能获悉真正的密钥 KI （A_KEY） 。

通过分析比较，在 GSM 运维方式下，除了制卡中心人员外，连 HLR/AC 密钥加载人员也不能直接得到用户的解密 KI（A_KEY），要比 CDMA 中先解密 A_KEY 再加载的方式的保密性更好一些。

4）A_KEY 的维护：在华为 CDMA HLR/AC 内，为了更大程度确保鉴权数据的保密性，所有的 A_KEY 都是经过 内部 加密后再存到数据库中；并且在维护上，华为 HLR/AC 提供了严格的权限管理功能，只有 A_KEY 权限管理员才能做 A_KEY 的维护工作，其它未授权人员是不能接触到这些敏感数据的。

10 为什么CDMA需要对整个网络同步

在传输过程中如果码序列产生了传输时延，那么接收端就不能将原始的信号数据进行解调恢复，只有通过在接收端进行人为传输时延补偿或者对通信数字信号处理所形成的时延进行人为时延补偿。要实现这种时延补偿必须对整个网络建立同步系统，使得接收端与发送端的信号码序列进行同步。这就是CDMA系统需要对整个网络同步问题。在CDMA系统中传输的信号码速率非常高，故此必须有一整套的精度非常高的时钟源作为同步时钟来统一协调整个网络所有基站的同步工作。

目前，高精度时钟源最佳选择是GPS即全球卫星定位系统。全球卫星定位系统GPS是由24颗卫星组成的天线导航系统，其优点是覆盖面广，时钟源性能稳定精度高，电磁暴及低频干扰源对其影响小。LORAN-C远距离导航系统一般作为备份时钟源，远距离导航系统使用了地波传播技术，因此它具有很多优点如时钟的相位及幅度稳定、衰减小、时钟源精度高、不受电离层变化影响等特点。

11 结束语

通过对CDMA技术的起源的阐述，说明了CDMA技术产生的背景。对CDMA技术的解释，使人们对CDMA技术有所了解。同时对CDMA技术中的CDMA的软容量、短码和长码、功率控制、软切换、硬切换、更软切换、A_key安全性以及CDMA对整个网络同步等问题进行了解释和说明。随着通信技术的不断发展，CDMA技术得到广泛的应用，在通信技术不断涌现的当今，学习、了解和掌握CDMA技术非常重要。

参考文献：

[1] 黄雅琳.第三代数字移动通信系统物理层关键技术[J].无线电通信技术，2001，27（5）.

[2] 张丽娟，孙锦歆，刘金媛，张妍紫.新一代移动通信系统—CDMA[J].河北职工大学学报，2001，3（1）.