无线VPN组网技术全面解析(4)
2007-07-28   天极Yesky　

四、CDMAIX&ATM原理及其应用

CDMA系统作为联通无线VPN的接入技术，充分运用了CDMA的码分多址技术及软切换技术为客户供物理层安全。

CDMA即Code Division Multiple Access(码分多址)是一种采用先进无线扩频技术的数字通信多址接入方式。顾名思义，码分多址就是给每个用户分配一个唯一的扩频码(或称地址码)，通过该扩频码的不同来识别用户。CDMA2000标准的发展经历了从IS-95A， IS-95B到cdma2000 lx及cdma2000 1xEV的发展过程。码分多址(CDMA)系统的特点之一是用于传输信息的信号带宽远大于信息带宽；特点之二是在扩频的实现上，基本都是用一组优选的扩频码进行控制，CDMA是在信号的扩展维一编码维上对无线信号空间进行划分。码分多址中对于扩频码的选择要求比较苛刻，实际中通常是准正交性，即自相关性很强，而互相关性很弱。出于系统容量的考虑，对于特定长度的扩频码集要求能够提供足够多的扩频码。在统计特性上要求扩频码类似白噪声以增强隐蔽性，这在军事通信中尤为重要。为了提高处理增益应选择周期足够长的扩频码，而为了便于实现应选择产生与捕获容易并且同步建立时间较短的扩频码。通常扩频码的选择就是各种伪随机(PN)码。

虽然码分多址都是利用了地址码的正交性来实现多址接入，但通常可根据扩频的不同实现手法，将码分多址分类。

4. 1直接序列码分多址(DS一CDMA )

这是用得比较多的一种扩频多址方式。众所周知，DS -CDMA在现在的第二代移动通信中己经得到了成功应用，而且它还是第三代移动通信的核心技术，在工MT-2000的众多标准中，大部分都采用了DS -CDMA。此外，在军事通信和卫星通信中，DS-CDMA也受到了青睐。从原理上来说，DS-CDMA是通过将携带信息的窄带信号与高速地址码信号相乘而获得的宽带扩频信号。收端需要用与发端同步的相同地址码信号去控制输入变频器的载频相位以实现解扩。根据Shannon定理，在信号平均功率受限的白噪声信道中，系统的极限信息传输速率C (b/s)与信道带宽B (Hz)、信噪比S/N之间满足如下的约束关系：C=Blog (1+S/N)，实际上，该式也体现了上述各变量之间的一种互换关系。也就是说，在所需最高信息传输速率C不变的条件下，通过应用地址码展宽信号带宽B，就可以在信噪比S/N很低的条件下实现可靠通信，DS-CDMA正是这一思想的应用。通过DS扩频，将信号功率谱在一个很宽的频段上进行了“平均”，或者说在背景噪声不变的情况下，单位带宽信噪比S/N变得很低，好像是将信号在噪声中“隐藏”了起来。因此DS -CDMA系统具有抗窄带干扰、抗多径衰落和保密性好的优点。此外，DS-CDMA的优点还有很多：许多用户可以共享频带资源，无须复杂的频带分配和管理；具有“软容量”特性，即在一定限度内的用户数增加，只会使得信噪比下降，而不会终止通信，也就是说DS - CDMA没有绝对的容量限制：具有“小区呼吸功能”，即小区负荷量可以动态控制，相邻小区可通过覆盖范围的互动来重新分担负荷；可以通过“软切换”实现移动台的越区管理，保证越区时通信的连续性等。当然，DS-CDMA也存在一些问题，如多址干扰问题，这是由于不同地址码之间的非完全正交性而造成的，通信过程中不同用户的发射信号会相互干扰。多址干扰是DS -CDMA系统中相当严重的一个问题，还需要人们通过对地址码选择的进一步研究来解决。此外，在DS-CDMA系统中还存在“远近效应”，就是说离基站近的强信号用户会对远离基站的弱信号用户的通信形成干扰，本质上说这还是由于地址码的非完全正交性所致，但现阶段人们已通过在移动通信系统中引入“自动功率控制”技术削弱了远近效应的影响。

CDMA的技术持点

1) CDMA是扩频通信的一种，具有扩频通信的以下特点：

.抗干扰能力强。这是扩频通信的基本特点，是所有通信方式无法比拟的。

.宽带传输，抗衰落能力强。

.由于采用宽带传输，在信道中传输的有用信号的功率比干扰信号的功率低得多，因此信号好象隐蔽在噪声中，即功率谱密度比较低，有利于信号隐蔽。

.利用扩频码的相关性来获取用户的信息，抗截获的能力强。

2)在扩频CDMA通信系统中，由于采用了新的关键技术而具有新的特点：

采用了多种分集方式。除了传统的空间分集外，由于采用宽带传输起到了频率分集的作用，同时在基站和移动台采用了RAKE接收机技术，相当于时间分集的作用。 采用了话音激活技术和扇区化技术。因为CDMA系统的容量直接与所受的干扰有关，采用话音激活和扇区化技术可以减少干扰，可以使整个系统的容量增大。 采用了移动台辅助的软切换。通过它可以实现无缝切换，保证了通话的连续性，减少了掉话的可能性。处于切换区域的移动台通过分集接收多个基站的信号，可以减低自身的发射功率，从而减少了对周围基站的干扰，这样有利于提高反向联路的容量和覆盖范围。 采用了功率控制技术，这样降低了发射功率。 具有软容量特性。可以在话务量高峰期通过提高误帧率来增加可以用的信道数。当相邻小区的负荷一轻一重时，负荷重的小区可以通过减少导频的发射功率，使本小区的边缘用户由于导频强度的不足而切换到相临小区，分担负担。 兼容性好。由于CDMA的带宽很大，功率分布在广阔的频谱上，功率谱密度低，对窄带模拟系统的干扰小，因此两者可以共存，即兼容性好。 CDMA的频率利用率高，不需频率规划，这也是CDMA的特点之一。 CDMA高效率的OCELP话音编码。话音编码技术是数字通信中的一个重要课题，OCELP是利用码表矢量量化差值的信号，并根据语音激活的程度产生一个输出速率可变的信号。这种编码方式被认为是目前效率最高的编码技术，在保证有较好话音质量的前提下，大大提高了系统的容量。这种声码器具有8kbit/S和13kbit/S两种速率的序列。8kbit/S序列从1. 2 kbit/s到 9. 6kbit/s可变，13kbit/S序列则从1. 8kbt/s到14. 4kbt/S可变。最近，又有一种8kbit/s EVRC型编码器问世，具有8kbit / s声码器容量大的特点，话音质量有了明显的提高。 WCDMA与cdma2000的主要分歧与共同点

1) WCDMA与cdma2000的主要分歧点是：

扩频码片速率与射频信道结构：W-CDMA根据ITU关于5MHZ信道基本带宽的划分规则，将基本码片速率定为4.096Mchip / S，在一个完整的信道内，使用直接扩频调制；Cdma2000为了兼容Cdmaone，以原CdmaOne的基本码片速率的三倍，即3. 6864Mchip / s作为Cdma2000的基本速率进行直接扩频调制。同时，Cdma2000还定义了以原Cdmaone系统3个基本信道(带宽1. 25 MHZ)作频分复用的多载波扩频调制方式。 支持不同的核心网络标准：W-CDMA要求实现与GSM网络的全兼容，所以它把GSM的MAP协议作为上层核心网络协议；Cdma2000要求完全兼容cdmaone，因此，它支持ANSI-41作为自己的核心网络协议。 基站之间的同步问题：cdma2000沿袭了cdmaone各个基站依靠GPS测量实现前向信道同步的要求；而W-CDMA没有基站同步的要求。 cdma 2000方案提出采用可变速率语音编码，采用帧长为20ms的全速率、1/2，1/4、和1/8速率，而WCDMA采用自适应多速率编码(AMR)，帧长l0ms 2.技术上它们是相容的，就总的无线信道的空中接口结构而言，这两类方案有如下的共同特点： 都是采用定时长的帧结构作为基本的传送单位，在一个帧上实施速率匹配，卷积纠错，交织运算等操作； 以短的可变长度正交序列调制出独立的物理通道(“通道化”)，并遵循ITU建议M. 1035，将这些独立的通道映射为具有不同功能的逻辑通道。 在一个独立通道内，又可将导频引导字、功率控制消息、数据速率信息进行时分复用。 在完成了利用短码调制的“通道化”之后，不同通道可以按不同的加权增益组合起来进行在I/0信道的复用。 为了分隔不同小区和不同用户，采用长码(如大M序列或GOLD序列)进行最后的扩频调制，完成整个“复杂扩频电路”结构。 关于W-CDMA和Cdma2000建议中对于导频的设计和使用。导频在CDMA移动通信系统计中占有举足轻重的地位，W-CDMA和Cdma2000都是依靠导频信道来完成相干接收的。在上下行方向，W-CDMA都采用了直接指派到用户的时分复用的导频，以配合多速率以及分组突发业务的接收。Cdma2000则仍沿用了工s-95标准下的导频设计方法：上行信道上码分复用导频，下行信道采用公共连续导频。这里，由于W-CDMA和Cdma2000在下行信道上的导频设计不同，直接导致W-CDMA成为“异步”的CDMA，即相邻小区之间异步；而Cdma2000依靠下行公共导频和GPS，实现相邻小区间的同步。但由于W一CDMA拥有指派到用户的时分导频，在异步环境下的越区切换同样没有问题。 关于多速率业务的支持，W-CDMA和Cdma2000方案都采用可变扩频增益/多万马道并行调制，并且扩频指数都是4}-2560 关于功率控制方法，两个方案都采用了开环结合快速闭环的控制。 2)综上所述，就RTT主要技术项目的设计方法来看，W-CDMA和Cdma2000是相容的。W-CDMA和Cdma2000建议的争论，与其说是技术角度的分歧，还不如说是商业利益上的斗争。

宽带cdma系统与第二代通信系统相比所县有的优点

W-CDMA因其宽带和扩频码分多址的特性，具有以下主要优点：

1)容量更大、覆盖范围更广。CDMA信道带宽是宽带的，而W-CDMA信道带宽(以典型的每载波SMHZ带宽为例)更是窄带CDMA(如IS-95 )信道带宽的4倍，较宽的带宽将增加频率分集的效果，从而降低衰落的影响，提高上行与下行链路快速功率控制的精度，以及上行信道采用相干解调可获得2dB-V 3dB的解调增益等等，这大大提高了系统容量。有研究结果表明，SMHZW一CDMA系统的容量是窄带CDMA系统的8倍。

2)频谱利用率高。CDMA系统中用户共享频谱资源；功率控制、话音激活等技术的采用大大提高了频谱利用率，而又不必象TDMA / FDMA(时分多址/频分多址)系统那样进行复杂的频率管理。

3)适合不对称业务、变速率业务以及高速业务。由于上行与下行信道可以采用独立的无线资源，W-CDMA系统通过采用可变增益的正交扩频码(OVSF码)和自动调整发射功率，统计复用及多码传输等技术，可方便地支持不对称业务如Internet(因特网)接入、变速率业务和高速业务。

4)W-CDMA终端可同时支持多个业务。例如；通过统计复用，W-CDMA可使用户在接入相应无线局域网(LAN)的同时接收电话呼叫，提供多媒体服务。

5)同时支持电路交换业务与分组交换业务。对分组模式数据的支持为用户提供了与Internet接入有关的业务。

6)移动台发射功率低。由于采用扩频技术和RAKE接收；移动台发射功率大大降低，从而减少了对其他用户的干扰，延长了移动台电池的连续通话和待机时间。

7)对FDD方式，各基站不需要严格的同步。从而可不必依赖昂贵的全球定位系统即(GPS)卫星系统。

8)采用开放式系统设计。便于引入可进一步提高系统性能的更先进技术，如支持自适应天线阵、多用户检测和分层小区结构(HCS)等等。

CDMA存在的问题

1)在小区的规划问题上，虽然CDMA无需频率规划，但它的小区规划却并非十分容易。由于所有的基站都使用同一个频率，相互之间是存在干扰的，如果小区规划做得不好，将直接影响话音质量和使系统容量打折扣，因而在进行站距、天线高度等方面的设计时应当小心谨慎。

2)其次，在标准的问题上，CDMA的标准并不十分完善。许多标准都仍在研究及制定之中。如A接口，目前各厂家有的提供IS-634版本0，有的支持Is-634版本。还有的使用Is-634 / TSB-80。因此对于系统运营商来说，选择统一的A接口是比较困难的。

3)由于功率控制的误差所导致的系统容量的减少。

4. 2 ATM在CDMA 1X系统中的应用

反向复用工MA的目的是将所有E1传输线上的业务进行统计平均，使所有业务平均分配在每条E1上。BSS内部业务采用AAL2，信令/维护/数据业务采用AAL5a

为实现工POA下的ARP协议，每个连接ATM网络的主机均视为ATM终端。ARP服务器和路由器也同样如此。为实现IPOA，所有的IP数据包均要转化为ATM信元的净荷，相应的每个主机的IP地址也要转化为ATM地址，这样主机之间才能建立起ATM虚连接，进而进行IP的交互。因此在通信前必须建立IP地址和ATM地址间的映射关系。

目前的工POA方式中，有两种方法可以建立IP地址和ATM地址(或ATM虚连接)的对应关系：SVC方式和PVC方式。在PVC方式下不需要ARP服务器，在公司的CDMA 1X产品中采用的是PVC方式。

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ATM在CDMA中的运用图

4.3 CDMA1x VPN无线信道安全分析

无线信道部分采用CDMA(码分多址技术)，CDMA是给每个用户分配一个唯一的扩频码(或称地址码)，通过该扩频码的不同来识别用户。对于扩频码的选择要求比较苛刻，但实际中通常是准正交性，即自相关性很强，而互相关性很弱；出于系统容量的考虑，对于特定长度的地址码集还要求其能够提供足够多的地址码；在统计特性上要求地址码类似白噪声以增强隐蔽性；为了提高处理增益应选择周期足够长的地址码：而为了便于实现则应选择产生与捕获容易和同步建立时间较短的地址码，通常选择就是各种伪随机(PN)码。这些伪随机(PN)码长度达到128位，具有很强的抗攻击性，能很好起到对用户数据的保密作用。