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CDMA数字蜂窝通信技术具有系统容量大、抗干扰性能强、话音质量好、功耗 低的优点，目前被人们所关注。本文就覆盖范围、 系统容量、 话音质量等方面对CDMA和GSM做了比较。
关键词：CDMA GSM 覆盖范围 系统容量 话音清晰度 满意度
■美国批准了TDMA标准——IS-54后，1993年美国电信工业协会(TIA)又正式通过 CDMA空中接口标准——TIA IS-95。这样， 空中接口标准的选择就成为通信运营者 至关重要的问题。
■电信部门和私人运营者认为，影响决定采用何种空中接口的6 个关键因素是覆 盖(Coverage)、容量(Capacity)、价格(Cost)、话音清晰度(Clarity) 、 选择性 (Choise)和用户满意度(Customer Satisfaction)，简称为无线通信的6个C。 本文 对GSM和CDMA实现“无线通信6个C”的能力做了比较。
一、覆盖范围
■提供适当的覆盖区域是蜂窝通信系统、无线本地环路和PCS 系统的基本要求。 每个蜂窝小区的覆盖区域受链路预算的影响很大。根据确定的链路预算，人们可以 用来比较不同空中接口技术的小区半径的大小和需要基站的数目。这里给出在同样 环境的小区半径下CDMA与GSM初期覆盖范围的比较，见表1。
表1 CDMA和GSM蜂窝小区初期覆盖范围比较：
参数 密集城区 稀疏城区 郊区 乡村
CDMA小区面积(km2) 3.1～8.1 5.3～13.8 28.3～73.2 254.4～659.1
GSM小区面积(km2) 0.6～1.6 1.1～2.8 9.1～23.5 76.4～197.8
CDMA∶GSM面积比 5.2∶1 4.9∶1 3.1∶1 3.3∶1
如表1所示，CDMA比GSM所需的小区数少80%，实际使用情况表明CDMA 的覆盖区域更 广。
■另一个验证GSM小区覆盖范围的方法，是考虑GSM蜂窝小区支持相应模拟蜂窝小 区的用户数。 表2 不同情况下用户数与基站数之比
地点 人口密度 技术 小区数 用户数 用户数/小区
美国 低 AMPS 12，000+ 16， 000，000 ＞ 1，300
世界范围* 低 GSM 250，000 1， 800，000 7
德国D1* 中 GSM 2，500 480， 000 200
德国D2* 中 GSM 2，500 475， 000 190
德国E1 中 PCS-1900** 4，000 ＜ 100，000 25
伦敦水星1-2-1 高 PCS-1900** 500 100， 000 200
*数据来自爱立信，**作PCS应用，GSM也称为PCS-1900
从表2中可以看到，AMPS在低人口密度区的用户数是GSM在高人口密度区的8倍。尽管模拟技术已老化，但这种比较依然是明显的。通过链路预算分析和将CDMA蜂窝替换现有的的AMPS网络可以看到，CDMA提供的 覆盖范围比AMPS大得多，这些事实说明CDMA只需要一部分的AMPS小区数就可以覆盖 同样大小的区域。因此，CDMA通过分析和实践，可以证实它比AMPS和GSM 的覆盖大 得多。
表2所示，GSM/PCS1900小区数由初始覆盖需要决定，随着用户数的增加和话 务量爱尔兰数的增加，需要更多的小区数，这个特点早已在伦敦水星1-2-1 区表明，在不到1年的服务期和建立500个小区的情况下，据报道呼叫阻塞达1小时。
二、负荷网络中的覆盖范围
以上分析考虑了初始使用时的覆盖范围。下面分析CDMA与GSM 在负荷网络情况 下的覆盖范围。假设有20MHz频带(10MHz发送，10MHz接收)，覆盖1000平方公里， 而它的负荷 定义为典型乡村50km/Hr多径环境下的实际话务信道，GSM的爱尔兰容量由以下二方 面限制所决定：
·可用话务信道数
·一个基站最小可接受的C/I(按照GSM指标为C/I≥9dB)
·在相同环境下，CDMA的爱尔兰容量只受限于用户单元的最大发射功率。
GSM需要200个基站才可以覆盖1000km2，而CDMA只需45 个基站。 而且GSM使用每扇区42时隙(44时隙的95%)，这是不实际的，因为它至少需要8%的时隙用于控制。即使这样，CDMA也比GSM要少80%的基站，而且每个CDMA扇区只算最大容量的55%。GSM小区半径随实际话务信道的增加而缩小，对于每平方公里20个实际话务信道来说，CDMA只是最大负荷的50%，而且每个基站可以支持达20km2。另一方面，大于14话音时隙(受限于C/I≥14dB)的GSM基站不能提供可以接受的话音质量，这使服务提供者受限于6km2的范围内。
三、容量
■频谱有限，而且昂贵。一种能有效地利用频谱的空中接口可以在同样的带宽内
支持很多的用户，从增加用户数中提高潜在的收入，同时降低与频谱相关的费用。CDMA的频谱利用率＞10倍AMPS，高容量正是CDMA的特点。
■在高速移动状态下，CDMA可以提供25个通话/扇区/CDMA信道，这已包括35% 的软切换开销。每个CDMA信道各使用1.25MHz发送和接收频谱。 在无线本地环路或低速移动应用中，软切换较少，如果用高增益天线，则可以支持大于40个通话/ 扇区 /CDMA信道。
■CDMA、GSM、AMPS容量可以从占用10MHz和30MHz频谱的比较中得出。 若采用保守的保护带，10MHz频谱可分配给3个CDMA信道，30MHz可以分配给11个CDMA 信道；GSM或AMPS没有保护带，这对它们是最乐观的情况，如表3、表4所示。
表3 占有10MHz频谱(5MHz发送，5MHz接收)的情况
参数 CDMA GSM AMPS
信道带宽 1.25MHz 0.20MHz 0.03MHz
信道数 3 25* 167*
频率复用 1/1 3/9** 7/21
有效信道 3/1=3 25/3=8.3 167/7=23.8
话音呼叫/信道 25至40+ 7.25*** 1
话音呼叫/小区 75至120+ 7.25×8.3=60.2 23.8
扇区/小区 3 3 3
话音呼叫/扇区 75至120+ 60.2/3=20.0 23.8/3=7.9
Erlangs/扇区**** 64至107E 13.2E 3.6E
*最优情况，对GSM和AMPS无保护带, **Qualcomm认为，在实际使用时是不太可能的， 现在欧州意大利 GSM 网络中采用4/12, ***比8话音呼叫/信道少0.175，用于开销功能(例如：控制/导频), ****基于2%的阻塞。
表4 占用30MHz频谱(15MHz发送，15MHz接收)的情况
参数 CDMA GSM AMPS
信道带宽 1.25MHz 0.20MHz 0.03MHz
信道数 11 75* 500*
频率复用 1/1 3/9** 7/21
有效信道 11/1=1 75/3=25 500/7=71.4
话音呼叫/信道 25至40+ 7.25*** 1
话音呼叫/小区 275至440+ 7.25×25=181 71.4
扇区/小区 3 3 3
话音呼叫/扇区 275至440+ 181/3=60.4 71.4/3=23.8
Erlangs/扇区**** 261至426E 50E 16E
*最优情况，对GSM和AMPS无保护带, **Qualcomm认为，在实际使用时是不太可能的， 现在欧州意大利 GSM 网络中采用4/12, ***比8话音呼叫/信道少0.175，用于开销功能(例如：控制/导频), ****基于2%的阻塞。
即使CDMA扣除保护带，而GSM或AMPS不扣，CDMA容量依然很大。对于高速移动应用，在分配给的10MHz频谱内，CDMA的容量是每扇区64E，或4.8倍GSM的爱尔兰容量。对于分配给的30MHz频谱中，CDMA的容量是每扇区261E，或5.2倍的GSM 的爱尔兰容量。换句话说，一个占10MHz频谱的CDMA系统的爱尔兰容量相当于占 30MHz 频谱的 GSM系统的128%(根据实际的占30MHz频谱的GSM频率复用容量)。
四、价格
■决定无线系统实施费用时，必须考虑许多因素。初始费用包括基站和基站控制 器、固定资产投资和必须的修正费、网络规划和安装费、回程电路及维修等费用。 成功的事业应为其发展做好打算，这样随着扩展更多的用户，将带来超过投资费用 的收入。然而采用一个不合理的容量的技术，系统经营将会为扩大用户数而增加更 多的基站，而花费更大。
■费用有时也取决于“进入市场时间”。进入市场时间包含使系统进入运行的全 部因素。越是需要网络规划，所需建造的基站越多，进入市场的时间也越长。
■如前面对覆盖的描述，CDMA比GSM所需基站数少80%，这个特点直接地比GSM 减 少了设备投资、固定资产、场地建设、频谱、回程和维护费用。另外，因为GSM 宣 称其频率复用为3/9，任何基站小区或扇区在超过初始规划时， 网络需要做复杂和高昂的重构工作。由于CDMA其频率复用系数为1，增加小区或扇区快速方便， 且不 影响现有的网络规划，CDMA的这种便利性可使PTT 或运营者在网络规划方面“接近 完美正确无误”。
■仅用10MHz频谱的PCS与占用30MHz频谱的PCS比较可以节省相当多的费用，因为10MHz CDMA可比30MHz GSM多提供70%的通话量，服务提供者不仅节省初期购买 PCS 的费用，而且可以为更多的用户提供更好的服务。
■PCS运营必须清除它的频谱中现有的微波用户。由于CDMA 手机即使离开基站很远发射功率也很小，与GSM比较，它们对微波固定站的干扰甚小。而且，因为 CDMA 内在的扩频技术，运营者为了提供足够的容量只须清除极少的频谱。这些因素的结合使PCS运营者的费用明显减少。
■CDMA的手机为适应各种市场而设计。这些手机在世界范围内，在大量的无线本 地环路、PCS和蜂窝市场内达到经济的价格， 在这些市场中的电话共享关键的电路元件，因而使其更有效、更具竞争力。超过12个手机公司已授权可使用CDMA技术， 因此保证了强大的竞争市场.总之，CDMA网络建造运行费用低、基站设备费用低，因而用户的费用也较低。 五、话音清晰度 ■话音清晰度受空中接口技术的空间传播特性和声码器设计的影响。CDMA的固有 特点提供了优越的空中传播性能。
■所有的无线移动应用都存在瑞利衰落和阴影的多径效应。 CDMA通过扩谱处理(离多径接收机)、时间分集(符号交织及对所有传送比特的误码检测和纠错编码)、 以及多蜂窝/扇区分集(软和较软切换)来利用多径环境。
■GSM因采用TDMA系统，因此带宽受限。尤其GSM在前向纠错编码能力上比CDMA差。CDMA强有力的前向纠错导致通话清晰度地提高，特别是在传播条件复杂，或由 于系统负荷过大而引起大的同信道干扰情况下。
■在CDMA中，移动站接收机中使用三个多径接收机，在基站中每付天线使用四个多径接收机。每一个多径接收机独立地跟踪信号和多径，而它们信号强度的总和用 于信号的解调。因为衰落是独立的，其结果是，即使在最坏的条件下，通话清晰度极好。 ■软切换(蜂窝小区间)和较软切换(同一蜂窝小区的扇区之间) 提供了一个完全 透明的通话切换，CDMA使用“先通后断”的软切换， 其结果是， 即使在CDMA蜂窝 小区的边缘，语言和数据的切换质量也地得到改善，因此用户通话中断可能性 有效地得以消除，如图2所示。CDMA 利用前向和反向链路的功率控制达到较优的话 音清晰度。反向链路功率控制通过开环和闭环两种方式调整。这些功率控制对蜂窝 负荷、蜂窝噪声图谱、天线增益、功放输出、多径衰落、阴影以及移动台与基站接 收机距离的变化等等是很灵敏的。其结果是以极小的平均输出功率得到持续的高质 量的话音和数据服务。
■在大量的CDMA现场试验中，移动台平均输出功率的典型值为2mW，而GSM移动台 平均为 125mW 。
很低的平均发射功率直接体现为长的通话时间和备用时间。 Qualcomm电子公司(Qualcomm/Sony合资)将为用户提供长达300分钟通话时间、3 天 备用时间、8盎司(225克)的CDMA蜂窝手机和PCS手机。新的CDMA声码器算法，即使在压缩条件下，也可以提供清晰的话音。GSM 的声 码器按13kbit/s固定速率设计，开发于1988年，这种算法提供的话音常被认为仅仅 是“可以接受”。
■先进的CDMA声码器算法，提高了CDMA的空间性能。峰值8kbit/s 的可变速率声 码器设计用于蜂窝应用，峰值13kbit/s的可变速率声码器设计用于PCS。然而， 应 当知道，平时声码器的速率小于其峰值速率。不像有些TDMA声码器使用数字语音内插法，CDMA声码器通常至少以 1200bit/s 小语音速率发送。对用户来说，这使话音质量听上去更为自然.另一个使CDMA语言清晰的重要因素是使用了确定声码器速率的自适应阈值，自 适应阈值根据背景声学噪音电平的变化改变声码器的数据速率，这些阈值的使用压 制了背景声学噪声，因而在噪声环境下也能提供清晰的话音。
六、选择性
选择性为无线运营公司提供了为今日及将来用户服务的适应性。CDMA将为运营 者提供四种不同最高速率的声码器(13，8，6.5，4kbit/s)。有了这种灵活性， 用 户可以按需要选择不同环境下的话音服务(汽车、商业和高级语音服务)。或者在高 密度城市环境中，运营者根据所需的容量通过对峰值数据速率处理模块的选择，提 供即时的“指令带宽”。CDMA也提供如下可供选择的服务：高质量的话音、分组数据、异步数据、G3传 真和短消息。CDMA可以在提供话音的同时提供数据服务，因此，用户在通话时也可 以接收寻呼消息.除了由1.25MHz CDMA扩频信号提供的初始数据速率外，新的增强型CDMA空中接 口已被提议作为高速数据应用的标准。增强型CDMA将使用2.5MHz CDMA 扩频信号， 并为运营者提供高达76.8kbit/s的数据服务。这种高速服务可以提供全移动可视电 话、传送数字照片、巨型文件的转移以及高容量的电子邮件(Email)， 而且运营 者在从1.25MHz CDMA发展为增强型CDMA的过程中可以共享大量的基站设备。
七、用户满意度
有效的无线业务最终依赖于用户的满意度。在CDMA与其他空中接口同时进行的话音试验中，绝大多数用户觉得CDMA的话音质量好。使用近似有线电话话音质量的 CDMA电话，把使用无线电话变成一种乐趣。这一点特别重要，因为高电话利用率用户的主要通信手段是无线通信。随着数据服务项目(传真、电子邮件)增加，用户将越来越对误码感到不可容忍。为防止误码的发生，CDMA采用强有力的误码纠错、 软切换和 分离多径分集接收机，这意味着CDMA可提供GSM不能比拟的、极高的数据质量.由于CDMA覆盖范围大、容量高，它使运营者能以经济的价格提供无线服务，从 而以高质、高效的服务提高用户的满意度.低平均功率、高效的超大规模集成电路设计和先进的锂电池的结合显示了CDMA 在便携式电话应用中的突破。重量仅8盎司(225克)的CDMA手持机将提供大于3 天的 备用时间和大于4小时的谈话时间。因为它的长寿， 用户可以长时间地使用他的手 机接收更多电话，用户也可以在不挂机的情况下接收短消息。
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发表于 2005-8-11 13:18:00