CDMA通訊原理

在行動通訊系統的演進中，隨著技術的演進，對於系統資源的使用效率越來越好。多工通訊的方式可參考如(圖一)，分別為第一代行動通訊中的分頻多工（Frequency Division Multiple Access；FDMA）、第二代大宗的分時多工（Time Division Multiple Access；TDMA）、第二代的另一種規格以及第三代所採用的分碼多工（Code Dividion Multiple Access；CDMA）。其中三軸各為頻率、時間及碼（code）。在現在頻譜資源極為珍貴的情況下，利用如圖一(c)CDMA的方法，可以在有限的頻寬下，利用各種進步的數位訊號處理技巧達成有效率的行動通訊需求。在目前的技術中，CDMA是相當主流的一種技術，著名的例子有2G的IS-95以及3G系統的W-CDMA、cdma2000。

《圖一　行動通訊中多工情形》

CDMA通訊是展頻通訊中直接序列展頻（Direct Sequence Spread Spectrum）的一種應用，如(圖二)所示。直接序列展頻通訊的原理是使用較原來信號大的頻寬傳送資料，在傳送資料前，先用一組跟資料無關的碼（Pseudo Number Sequence；PN Sequence）來展頻（Spreading），再將資料送出去，而在接收端接收資料時，只要用相同的碼，同步接收資料即可將資料解出（Despreading）；參考(圖三)。

《圖二　直接序列展頻通訊架構圖》

《圖三　展頻與解展頻》

CDMA通訊技術優點

這種技術有幾個好處，由於只要找到數個正交（Orthogonal）的碼，即可在同一頻帶同時傳送不同的資料，因此可以提供多工的功能，如(圖四)(a)、(b)。由於使用較大的頻寬，對於interference以及jamming也有抑制的效果，如(圖四)(c)、(d)。另外，由於必須使用相同的碼才能將資料正確的解出來，因此也可以提供安全的通訊。然而在CDMA系統中也有一個先決條件，就是要做功率控制（Power Controol），以免其他的訊號能量強過解調變完的信號，而解不出想收的資料。

《圖四　展頻和解展頻信號間的關係》

CDMA通訊標準

在ITU所制定的3G行動通訊系統標準中，如(圖五)(a)，CDMA技術為一主導技術（佔三個；IMT-DS、IMT-TC、IMT-MC）。其中又以W-CDMA（IMT-DS/IMT-TC，歐洲提出）及cdma2000（IMT-MC，美國提出）為目前3G中的兩大重要標準。這些標準均利用CDMA以及一些先進的數位訊號處理技術，希望完成高移動率、在不同需求下可提供不同的資料傳輸速率的服務，如(圖五)(b)。

《圖五　3G通訊標準及其特性》

有關這些標準間的參數差異，可參考(表一)的比較。其中TD-SCDMA為中國大陸自訂的3G，基本上相容於歐規的UTRA/TDD標準，只是其頻寬較窄。這些標準基本上都是以CDMA為基礎，再配合FDMA以便可在同一個基地台中提供更多容量。另外為了避免使用GPS在WCDMA（UTRA/FDD）標準內，允許各基地台間無需同步，藉由去尋找特別的碼（code）可以達到同步的要求，分辨出不同的基地台。為了要能提供不同環境需要的多重資料傳輸速率，各標準均使用了Orthogonal Variable Spreading Factor（OVSF） code來產生不同的data rate，利用multicode來達到高速率傳輸資料的要求。

B3G技術

雖然已經有了3G的標準，然而對於行動通訊品質的追求仍是沒有止境。若以資料傳輸速率為橫軸，移動性為縱軸，則可得出如(圖六)的結果。目前在低移動性的環境下，達到相當高速的傳輸已經可以達成，而在滿足高移動性，適度的資料傳輸速度（2Mbps）可以目前的3G來達成。因此後3G研發的主力將是圖中的右邊這兩塊（低移動性高速傳輸、高移動性高速傳輸）。在高移動性高速傳輸的解決方案，短期之內，會在原本的3G標準中做一些增益，例如用一些較高的調變方法（8PSK,QAM）或是利用Multiple Input Multiple Output（MIMO）技術來增加資料的傳輸率，此為Enhanced IMT-2000，可參考3GPP中的HSDPA或是3GPP2中的1xEV-DO及1xEV-DV。

另外在低移動性高速傳輸下，目前有許多人研究Ultra Wideband （UWB）技術，將資料以極低的功率展到更寬的頻帶上（可參考http://www.uwb.org/）。這些技術均是利用展頻通訊的原理，有些是直接序列（Direct Sequence）、有些是利用跳頻（Frequency Hopping）的方式來獲得processing gain。

《圖六　以移動性與傳輸資料速度的圖來說明後3G的要求及技術》

結語

CDMA通訊因為功能強大而成為目前主流通訊系統的選擇，其最基本的理論即是展頻通訊，如今被應用到各種通訊系統中，例如行動通訊（IS-95、WCDMA）或是無線網路（802.11b）。然而在使用時要特別注意一點，由於CDMA通訊是受限於干擾（interference limited）的，因此都需要做功率控制，而要能增加傳輸速率，除了可以使用較高階的調變外（8PSK, QAM），也可以使用如MIMO的技術，只要能夠減少系統中干擾（interference）的成分，即可達到提高效能的目的。

（作者闕志達為台大系統晶片中心研究教授，馬席彬為清華大學電機系助理教授）