Wielodostęp z Podziałem Kodu (CDMA)

Wielodostęp z podziałem kodu

Wielodostęp z podziałem kodu (CDMA) pozwala wielu użytkownikom nadawać w tym samym przedziale czasu i w tym samym paśmie częstotliwości. Odbiornik wybiera sygnał użytkownika przez korelację odebranego przebiegu z przypisanym mu kodem rozpraszającym.

Podział częstotliwości (FDM): Użytkownicy otrzymują oddzielne pasma częstotliwości, więc ich transmisje zajmują różne części widma.
Podział czasu (TDM): Użytkownicy korzystają ze wspólnego pasma przez powtarzające się szczeliny czasowe przypisane poszczególnym transmisjom.
Podział kodowy (CDMA): Użytkownicy korzystają ze wspólnego pasma i czasu, a różne kody rozpraszające pozwalają zsynchronizowanemu odbiornikowi wybrać jeden sygnał przez korelację.

Kod zmienia przebieg sygnału w sposób zależny od użytkownika. Odbiornik używa odpowiadającej mu kopii kodu, aby odtworzyć dane, a wkłady pozostałych użytkowników tworzą zakłócenia wielodostępu zależne od korelacji wzajemnej i poziomów mocy.

Zasada rozpraszania widma

CDMA jest formą technologii (ang. Spread Spectrum). Zajmowane pasmo zależy głównie od szybkości chipowej, kształtowania impulsów i wybranego kodu rozpraszającego.

Proces rozpoczyna się od wąskopasmowego sygnału danych użytkownika. Sygnał ten jest następnie łączony ze znacznie szybszym, szerokopasmowym kodem zwanym . Mnożenie przez sekwencję chipów rozprasza energię danych w szerszym zakresie częstotliwości. Odbiornik bez synchronizacji kodu i czasu widzi przebieg szumopodobny, a poufność wymaga osobnego mechanizmu kryptograficznego.

Działanie: rozpraszanie i odpraszanie

Przetwarzanie CDMA obejmuje dwa etapy: rozpraszanie w nadajniku oraz odpraszanie oparte na korelacji w odbiorniku.

W nadajniku: rozpraszanie

Pobierany jest wolny strumień danych użytkownika (złożony z bitów).
Bit i każdy chip odwzorowuje się na wartości bipolarne, zwykle $+1$ i $-1$ , po czym wykonuje się mnożenie. W implementacji binarnej tę samą operację można zapisać jako XOR. Elementy kodu nazywane są chipami.
Stosunek szybkości chipowej do szybkości bitowej nazywany jest ( $G_p = T_b / T_c = R_c / R_b$ ). Wartość wynika z wybranych szybkości chipowej i bitowej. Przykładowy zysk liniowy od 100 do 10 000 odpowiada 20 do 40 dB. Inne systemy używają wartości wynikających z własnych szybkości.
Wynikowy sygnał jest teraz sygnałem szerokopasmowym o niskiej gęstości mocy, gotowym do transmisji.

W odbiorniku: skupianie (odpraszanie)

Odbiornik otrzymuje mieszaninę sygnałów od wszystkich użytkowników. Aby wykryć konkretnego nadawcę, koreluje mieszaninę z kopią kodu tego użytkownika:

Przychodząca mieszanina jest mnożona i całkowana z użyciem tej samej kopii kodu PN. Należy oszacować czas chipów, fazę nośnej i wyrównanie kodu z wymaganą dokładnością.
Dla wyrównanego kodu pożądanego iloczyny chipów sumują się koherentnie, więc wyjście korelatora zawiera symbol danych, a korelacja skupia jego energię w tym wyjściu.
Wkłady innych użytkowników zależą od ich korelacji wzajemnej z wybranym kodem. Rozpraszanie i filtracja mogą je ograniczać. Dla kodów nieortogonalnych lub przy przesunięciach czasowych pozostaje niezerowa korelacja wzajemna.
Korelator lub układ całkująco-uśredniający podejmuje następnie decyzję o bicie na podstawie wyjścia. O końcowym prawdopodobieństwie błędu decydują szum i zakłócenia wielodostępu.

Korelację można sprawdzić bezpośrednio dla bipolarnych wektorów kodu. Niech $c_1=(+1,+1,+1,+1)$ oraz $c_2=(+1,-1,+1,-1)$ . Ich znormalizowana korelacja wynosi $\rho_{12}=\frac{c_1\cdot c_2}{4}=0$ , więc wyrównany korelator dla $c_1$ odrzuca idealny wkład $c_2$ . Kody nieortogonalne lub przesunięcie czasu chipów powodują niezerową korelację wzajemną.

Rodzaje technik rozpraszania widma

Implementacje CDMA najczęściej korzystają z rozpraszania bezpośredniego. Systemy z widmem rozproszonym opisuje się także za pomocą trzech typowych metod:

Rozpraszanie widma z bezpośrednią sekwencją (DSSS): Dane są mnożone przez szybszą sekwencję chipów, zgodnie z opisem powyżej. DSSS stosuje się w systemach CDMA, takich jak sieci komórkowe 3G (WCDMA) i GPS.
Rozpraszanie widma ze skokami częstotliwości (FHSS): Częstotliwość nośna zmienia się między zestawem kanałów zgodnie z sekwencją skoków. Zsynchronizowany odbiornik śledzi tę sekwencję, aby zdemodulować sygnał. Przykładem użycia FHSS jest Bluetooth Classic.
Rozpraszanie widma ze skokami w czasie (THSS): Sygnał jest nadawany w krótkich impulsach, a pozycja impulsu zmienia się zgodnie z kodem skoków czasowych. Skoki czasowe stosuje się w wybranych systemach komunikacji ultraszerokopasmowej (UWB).

Zalety i zastosowania CDMA

Ponowne wykorzystanie częstotliwości: W planowaniu komórkowych systemów CDMA można użyć współczynnika ponownego wykorzystania równego 1, więc sąsiednie komórki korzystają z tego samego pasma przy kontroli mocy i planowaniu kodów.
Pojemność miękka: CDMA nie ma stałej liczby użytkowników niezależnej od wymagań jakościowych. Wraz z liczbą transmisji rośnie poziom zakłóceń, a maleją dopuszczalne szybkości danych lub margines zasięgu.
Tłumienie zakłóceń wąskopasmowych: Po odpraszaniu energia zakłócenia wąskopasmowego rozkłada się w paśmie detektora. Tłumienie zależy od zysku przetwarzania, mocy zakłócenia i filtracji odbiornika.
Miękkie przełączanie (soft handoff): W systemach komórkowych, które je obsługują, urządzenie może podczas przejścia komunikować się z dwiema lub większą liczbą stacji bazowych. Ogranicza to ryzyko przerwy przy zmianie komórki obsługującej.
Poufność wymaga kryptografii: Widmo szumopodobne i nieznany kod PN mogą utrudniać przypadkowy odbiór. Poufność wymaga osobnego mechanizmu kryptograficznego.

Kluczowe zastosowania obejmują standardy telefonii komórkowej 3G, takie jak UMTS/WCDMA i CDMA2000, a także Globalny System Pozycjonowania (GPS), którego sygnały DSSS korzystają ze zdefiniowanych sekwencji kodowych, synchronizacji czasu i korelacji.