Nowy Sposób Współdzielenia: Analogia "Przyjęcia Koktajlowego"

Aby zrozumieć CDMA, wyobraź sobie duży pokój pełen par rozmawiających ludzi. Jak mogą oni wszyscy komunikować się bez wzajemnego zakłócania?

• Podział Częstotliwości (FDM): Każda para mogłaby rozmawiać w innym rogu pokoju (używając innej częstotliwości).
• Podział Czasu (TDM): Każda para mogłaby rozmawiać na zmianę, przez krótki okres (używając innej szczeliny czasowej).
• Podział Kodowy (CDMA): Wszyscy mogliby rozmawiać w tym samym czasie i w tej samej przestrzeni, ale każda para mówiłaby w unikalnym języku. Możesz "nastroić się" na język swojego partnera i traktować wszystkie inne rozmowy jako szum tła.

To jest sedno idei CDMA. Pozwala ona wielu użytkownikom na jednoczesną transmisję w tym samym paśmie częstotliwości. Sygnał każdego użytkownika jest rozróżniany za pomocą unikalnego, przypisanego mu kodu, niczym specjalnego języka.

Podstawowa Zasada: Rozpraszanie Widma

CDMA jest formą technologii rozpraszania widma (ang. Spread Spectrum). Zamiast próbować używać jak najmniej pasma, celowo wykorzystuje się go znacznie więcej.

Proces rozpoczyna się od sygnału danych użytkownika, który jest wąskopasmowy. Sygnał ten jest następnie łączony z znacznie szybszym, szerokopasmowym kodem zwanym ciągiem pseudolosowym (PN). To połączenie "rozsmarowuje" energię oryginalnych danych na bardzo szeroki zakres częstotliwości. Dla zewnętrznego obserwatora lub innego użytkownika, wynikowy sygnał wygląda jak losowy szum tła.

Jak to Działa: Proces Rozpraszania i Skupiania

Magia CDMA dzieje się w dwóch krokach: rozpraszaniu sygnału w nadajniku i jego skupianiu (odpraszaniu) w odbiorniku.

W Nadajniku: Rozpraszanie

1. Pobierany jest wolny strumień danych użytkownika (złożony z bitów).
2. Każdy bit jest mnożony (operacją XOR) przez każdy element bardzo szybkiego, unikalnego kodu PN. Elementy tego kodu nazywane są chipami.
3. Stosunek szybkości chipowej do szybkości bitowej nazywany jest zyskiem przetwarzania ($G = T_b / T_c$). Typowe wartości wynoszą od 100 do 10 000.
4. 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 posłuchać konkretnego nadawcy, wykonuje proces odwrotny:

1. Przychodzący, zmieszany sygnał jest mnożony przez dokładnie ten sam i idealnie zsynchronizowany kod PN, który został użyty przez pożądanego nadawcę.
2. Dzięki matematycznym właściwościom kodów, ta operacja "zwija" (skupia) pożądany sygnał z powrotem do jego oryginalnego, wąskiego pasma, koncentrując całą jego energię.
3. Jednocześnie sygnały od wszystkich innych użytkowników (którzy użyli innych kodów) są rozpraszane jeszcze bardziej, pozostając jako szerokopasmowy szum.
4. Prosty filtr może następnie wyizolować potężny, skupiony sygnał i odrzucić szum, idealnie odzyskując oryginalny bit danych.

Interaktywne CDMA (Rozpraszanie Widma)

Rodzaje Technik Rozpraszania Widma

CDMA opiera się głównie na jednym typie rozpraszania widma, ale istnieją trzy główne metody:

• Rozpraszanie Widma z Bezpośrednią Sekwencją (DSSS): To metoda opisana powyżej, gdzie dane są bezpośrednio mnożone przez szybki kod PN. Stanowi podstawę wielu systemów CDMA, w tym sieci komórkowych 3G (WCDMA) oraz GPS.
• Rozpraszanie Widma ze Skokami Częstotliwości (FHSS): W tej metodzie częstotliwość nośna sygnału gwałtownie "skacze" pomiędzy wieloma różnymi częstotliwościami w szerokim paśmie, zgodnie ze wzorcem pseudolosowym określonym przez kod. Tylko odbiornik znający ten wzorzec może śledzić skoki i zdemodulować sygnał. Technologia ta jest używana m.in. w Bluetooth.
• Rozpraszanie Widma ze Skokami w Czasie (THSS): Sygnał jest nadawany w krótkich impulsach ("burstach"). Szczelina czasowa, w której wysyłany jest impuls, zmienia się pseudolosowo zgodnie z kodem. Jest to stosowane w systemach komunikacji ultraszerokopasmowej (UWB).

Zalety i Zastosowania CDMA

• Efektywne Wykorzystanie Częstotliwości: Umożliwia współczynnik ponownego użycia częstotliwości równy 1, co oznacza, że ta sama częstotliwość może być używana w każdej sąsiedniej komórce sieci, co znacznie upraszcza planowanie sieci.
• Pojemność "Miękka": Nie ma twardego limitu liczby użytkowników. Gdy dołącza więcej użytkowników, ogólny poziom szumu rośnie, płynnie degradując wydajność dla wszystkich, zamiast nagle blokować nowych użytkowników.
• Odporność na Zakłócenia: Jest wysoce odporna na zakłócenia wąskopasmowe, ponieważ proces odpraszania "rozsmarowuje" energię zakłóceń na szerokie pasmo, czyniąc je nieistotnymi.
• Miękkie Przełączanie (Soft Handoff): Urządzenie mobilne może być połączone z dwiema lub więcej stacjami bazowymi jednocześnie. To sprawia, że przełączanie między komórkami jest płynniejsze i mniej narażone na zrywanie połączeń.
• Wbudowane Bezpieczeństwo: Szumopodobna natura sygnału utrudnia jego przechwycenie i zdekodowanie bez znajomości specyficznego kodu PN.

Kluczowe zastosowania obejmują standardy telefonii komórkowej 3G, takie jak UMTS/WCDMA i CDMA2000, a także Globalny System Pozycjonowania (GPS), który opiera się na precyzyjnych właściwościach czasowych i korelacyjnych techniki DSSS.