Code-division multiple access

Code-Division Multiple Access (CDMA) ist ein Kanalzugriffsmethode verwendet von verschiedenen Radio Kommunikations Technologien. CDMA ist ein Beispiel für mehrfacher Zugang, wo mehrere Sender Informationen gleichzeitig über einen einzelnen Kommunikationskanal senden können. Auf diese Weise können mehrere Benutzer eine Gruppe von Frequenzen teilen (siehe Bandbreite). Um dies ohne unangemessene Einmischung zwischen den Benutzern zu erlauben, beschäftigt CDMA breites Spektrum Technologie und ein spezielles Codierungsschema (bei dem jedem Sender ein Code zugewiesen wird).^[1][2]

CDMA optimiert die Verwendung der verfügbaren Bandbreite, da sie den gesamten Frequenzbereich überträgt und den Frequenzbereich des Benutzers nicht einschränkt.

Es wird in vielen als Zugangsmethode verwendet Handystandards. IS-95, auch "CDMAone" genannt und der 3g Evolution CDMA2000werden oft einfach als "CDMA" bezeichnet, aber UMTS, der 3G -Standard von verwendet von GSM Carriers verwendet auch "Breitband-CDMA" oder W-CDMA sowie TD-CDMA und TD-SCDMA als Radio-Technologien.

Es kann auch als Kanal- oder Mittelzugangstechnologie verwendet werden Aloha Zum Beispiel oder als permanenter Pilot-/Signalkanal, mit dem Benutzer ihre lokalen Oszillatoren mit einer gemeinsamen Systemfrequenz synchronisieren können und damit auch die Kanalparameter dauerhaft geschätzt werden.

In diesen Schemata wird die Nachricht auf einer längeren Ausbreitungssequenz moduliert, die aus mehreren Chips (0es und 1es) besteht. Aufgrund ihrer sehr vorteilhaften automatischen und Kreuzkorrelationseigenschaften werden diese Ausbreitungssequenzen auch seit vielen Jahrzehnten für Radaranwendungen verwendet, wo sie aufgerufen werden Barker -Codes (mit einer sehr kurzen Sequenzlänge von typischerweise 8 bis 32).

Für raumbasierte Kommunikationsanwendungen wird CDMA seit vielen Jahrzehnten aufgrund des großen Pfadverlusts und der Doppler-Verschiebung verwendet, die durch Satellitenbewegung verursacht wurde. CDMA wird oft mit verwendet Binäres Phasenverschiebungsschlüsselung (BPSK) in seiner einfachsten Form, kann aber mit jedem Modulationsschema wie (in fortgeschrittenen Fällen) kombiniert werden. Quadraturamplitudenmodulation (Qam) oder orthogonales Frequenz-Division-Multiplexing (OFDM), was es typischerweise sehr robust und effizient macht (und sie mit genauen Lauffunktionen ausstatten, was ohne CDMA schwierig ist). Andere Programme verwenden Unterträger basierend auf Binärversetzungsträgermodulation (BOC -Modulation), das von inspiriert ist von Manchester -Codes und ermöglichen eine größere Lücke zwischen der virtuellen Mittelfrequenz und den Unterträgern, was bei OFDM -Unterträgern nicht der Fall ist. Viele Träger (wie z. AT&T und Verizon) wird 3G CDMA -Netzwerke im Jahr 2022 geschlossen.^[3]

Geschichte

Die Technologie von Code-Division-Mehrfachzugriffskanälen ist seit langem bekannt.

Vereinigte Staaten von Amerika

In den USA befindet sich eine der frühesten Beschreibungen von CDMA im Zusammenfassungsbericht von Project Hartwell über "The Security of Overseas Transport", das ein Sommerforschungsprojekt war Massachusetts Institute of Technology von Juni bis August 1950.^[4] Weitere Forschung im Kontext von Jamming und Anti-Jamming wurde 1952 bei durchgeführt Lincoln Lab.^[5]

UdSSR

In dem Sovietunion (UdSSR) wurde das erste Werk, das diesem Thema gewidmet war, 1935 von veröffentlicht von Dmitry Ageev.^[6] Es wurde gezeigt, dass durch die Verwendung linearer Methoden drei Arten von Signaltrennung vorhanden sind: Frequenz, Zeit und Kompensator.^{[Klarstellung erforderlich]} Die Technologie von CDMA wurde 1957 eingesetzt, als der junge Militärfunkingenieur Leonid Kupriyanovich In Moskau machte ein experimentelles Modell eines tragbaren automatischen Mobiltelefons mit dem Namen LK-1 von ihm mit einer Basisstation.^[7] LK-1 hat ein Gewicht von 3 kg, eine Betriebsabstand von 20 bis 30 km und 20 bis 30 Stunden Akkulaufzeit.^[8][9] Die vom Autor beschriebene Basisstation könnte mehrere Kunden bedienen. 1958 machte Kupriyanovich das neue experimentelle "Pocket" -Modell des Mobiltelefons. Dieses Telefon wog 0,5 kg. Um mehr Kunden zu bedienen, schlug Kupriyanovich das Gerät vor, das er "Korrelator" nannte.^[10][11] 1958 begann die UdSSR auch mit der Entwicklung des ""Altai"Nationales Zivilmobil-Service für Autos, basierend auf dem sowjetischen MRT-1327-Standard. Das Telefonsystem wog 11 kg Passagierfach. Die Hauptentwickler des Altai -Systems waren VNIIS (Voronezh Science Research Institute of Communications) und GSPI (State Specialized Project Institute). 1963 begann dieser Dienst in Moskau und 1970 wurde der Altai -Service in 30 USSR -Städten verwendet.^[12]

Verwendet

Ein CDMA2000 Handy

• Synchronous CDM (Code-Division 'Multiplexing', eine frühe Generation von CDMA) wurde in der implementiert Global Positioning System (GEOGRAPHISCHES POSITIONIERUNGS SYSTEM). Dies geht vor und unterscheidet sich von seiner Verwendung in Mobiltelefone.
• Das Qualcomm Standard IS-95, vermarktet als CDMAONE.
• Der Qualcomm Standard Is-2000, bekannt als CDMA2000, wird von mehreren Mobilfunkunternehmen verwendet, einschließlich der Globalstar Netzwerk.^{[NB 1]}
• Das UMTS 3G Mobiltelefonstandard, der verwendet W-CDMA.^{[NB 2]}
• CDMA wurde in der verwendet Omnitracs Satellitensystem für den Transport Logistik.

Schritte in der CDMA -Modulation

CDMA ist eine Spread-Spektrum-Mehrfachzugriffstechnik. Eine Spread-Spektrum-Technik verbreitet die Bandbreite der Daten gleichmäßig für die gleiche übertragene Leistung. Ein Verbreitungscode ist ein Pseudo-Random-Code mit einem engen Mehrdeutigkeitsfunktionim Gegensatz zu anderen schmalen Impulscodes. In CDMA wird ein lokal generierter Code mit einer viel höheren Rate ausgeführt als die zu übertragenen Daten. Daten zur Übertragung werden bitweise kombiniert Xor (exklusiv oder) mit dem schnelleren Code. Die Abbildung zeigt, wie ein Spread-Spektrum-Signal erzeugt wird. Das Datensignal mit Impulsdauer von ${\ displayStyle t_ {b}}$ (Symbolperiode) wird mit dem Codesignal mit der Impulsdauer von XADE ${\ displayStyle t_ {c}}$ (Chipperiode). (Notiz: Bandbreite ist proportional zu ${\ displayStyle 1/t}$, wo ${\ displayStyle t}$ = Bitzeit.) Daher ist die Bandbreite des Datensignals ${\ displayStyle 1/t_ {b}}$ und die Bandbreite des Spread -Spektrum -Signals ist ${\ displayStyle 1/t_ {c}}$. Seit ${\ displayStyle t_ {c}}$ ist viel kleiner als ${\ displayStyle t_ {b}}$Die Bandbreite des Spread-Spektrum-Signals ist viel größer als die Bandbreite des ursprünglichen Signals. Das Verhältnis ${\ displayStyle t_ {b}/t_ {c}}$ wird als Verbreitungsfaktor oder Verarbeitungsgewinn bezeichnet und bestimmt bis zu einem gewissen Grad die Obergrenze der Gesamtzahl der Benutzer, die gleichzeitig von einer Basisstation unterstützt werden.^[1][2]

Erzeugung eines CDMA -Signals

Jeder Benutzer in einem CDMA -System verwendet einen anderen Code, um sein Signal zu modulieren. Die Auswahl der Codes, die zur Modulation des Signals verwendet werden, ist bei der Leistung von CDMA -Systemen sehr wichtig. Die beste Leistung tritt auf, wenn eine gute Trennung zwischen dem Signal eines gewünschten Benutzers und den Signalen anderer Benutzer besteht. Die Trennung der Signale erfolgt durch korrelieren Das empfangene Signal mit dem lokal generierten Code des gewünschten Benutzers. Wenn das Signal mit dem Code des gewünschten Benutzers übereinstimmt, ist die Korrelationsfunktion hoch und das System kann dieses Signal extrahieren. Wenn der Code des gewünschten Benutzers nichts mit dem Signal gemeinsam hat, sollte die Korrelation so nahe wie möglich Null sein (so das Signal beseitigen). Dies wird als bezeichnet als Kreuzkorrelation. Wenn der Code zu einem anderen Zeitversatz als Null mit dem Signal korreliert ist, sollte die Korrelation so nahe wie möglich von Null sein. Dies wird als automatische Korrelation bezeichnet und wird verwendet, um Mehrwegstörungen abzulehnen.^[17][18]

Eine Analogie zum Problem des Multipler Zugangs ist ein Raum (Kanal), in dem Menschen gleichzeitig miteinander sprechen möchten. Um Verwirrung zu vermeiden, könnten Menschen abwechselnd sprechen (Zeitabteilung), auf verschiedenen Tonhöhen (Frequenzabteilung) oder in verschiedenen Sprachen sprechen (Code -Abteilung). CDMA ist analog zum letzten Beispiel, in dem Menschen, die dieselbe Sprache sprechen Lärm und abgelehnt. In ähnlicher Weise erhält jede Benutzergruppe in Radio CDMA einen gemeinsam genutzten Code. Viele Codes belegen denselben Kanal, aber nur Benutzer, die einem bestimmten Code zugeordnet sind, können kommunizieren.

Im Allgemeinen gehört CDMA zu zwei grundlegenden Kategorien: synchron (orthogonale Codes) und asynchron (Pseudorandomcodes).

Code-Division-Multiplexing (synchrones CDMA)

Die digitale Modulationsmethode ist analog zu denen, die in einfachen Funktransceivern verwendet werden. Im analogen Fall wird ein Niederfrequenzdatensignal mit einem hochfrequenten Sinus-Wellenträger zeitlich multipliplimiert und übertragen. Dies ist effektiv eine Frequenzfaltung (Wiener -Khinchin -Theorem) der beiden Signale, was zu einem Träger mit schmalen Seitenbändern führt. Im digitalen Fall wird der sinusförmige Träger durch ersetzt durch Walsh funktioniert. Dies sind binäre Quadratwellen, die einen vollständigen orthonormalen Satz bilden. Das Datensignal ist auch binär und die Zeitmultiplikation wird mit einer einfachen XOR -Funktion erreicht. Dies ist normalerweise a Gilbert -Zelle Mischer in der Schaltung.

Synchrones CDMA nutzt mathematische Eigenschaften von Orthogonalität zwischen Vektoren Darstellung der Datenzeichenfolgen. Zum Beispiel die binäre Zeichenfolge 1011 wird durch den Vektor (1, 0, 1, 1) dargestellt. Vektoren können multipliziert werden, indem sie ihre nehmen Skalarproduktdurch Summieren der Produkte ihrer jeweiligen Komponenten (z. B. wenn u = (a, b) und v = (c, d), dann ihr Punktprodukt u·v = AC + Bd). Wenn das Punktprodukt Null ist, sollen die beiden Vektoren sein senkrecht zueinander. Einige Eigenschaften des DOT -Produkts helfen zu verstehen, wie W-CDMA Arbeiten. Wenn Vektoren a und b sind dann orthogonal ${\ displaystyle \ mathbf {a} \ cdot \ mathbf {b} = 0}$ und:

${\ displayStyle \ mathbf {a} \ cdot (\ mathbf {a} +\ mathbf {b}) = \ | \ mathbf {a} \ |^{2}, \ {\ text {seit}} \ \ mathbf {{{{{{{{{ a} \ cdot \ mathbf {a} +\ mathbf {a} \ cdot \ mathbf {b} = \ | \ mathbf {a} \ |^{2} +0,},},},}$

${\ displaystyle \ mathbf {a} \ cdot (-\ mathbf {a} +\ mathbf {b}) =-\ | \ mathbf {a} \ |^{2}, \ {\ text {seit}} \ {{{{{2}, {\ text {seit}} \ {{{{{2}, \ {\ text {seit}} \ {{{{{2}, \ {\ text {seit}} \ {{{{B. -\ mathbf {a}} \ cdot \ mathbf {a} +\ mathbf {a} \ cdot \ mathbf {b} =-\ | \ mathbf {a} \ |^{2} +0,},},},},}$

${\ displayStyle \ mathbf {b} \ cdot (\ mathbf {a} +\ mathbf {b}) = \ | \ mathbf {b} \ |^{2}, \ {\ text {seit}} \ \ mathbf {{{{{{{{{{ B} \ cdot \ mathbf {a} +\ mathbf {b} \ cdot \ mathbf {b} = 0 +\ | \ mathbf {b} \ |^{2},},},},},}$

$oder {b} \ cdot \ mathbf {a} -\ mathbf {b} \ cdot \ mathbf {b} = 0- \ | \ mathbf {b} \ |^{2}.}.$

Jeder Benutzer in synchronem CDMA verwendet einen Code orthogonal zu den Codes der anderen, um sein Signal zu modulieren. Ein Beispiel für 4 gegenseitig orthogonale digitale Signale ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Orthogonale Codes haben eine Kreuzkorrelation, die Null entspricht; Mit anderen Worten, sie stören sich nicht gegenseitig. Im Fall von IS-95, 64-Bit Walsh Codes werden verwendet, um das Signal zu codieren, um verschiedene Benutzer zu trennen. Da jedes der 64 Walsh -Codes für alle anderen orthogonal ist, werden die Signale in 64 orthogonale Signale geleitet. Das folgende Beispiel zeigt, wie das Signal jedes Benutzers codiert und dekodiert werden kann.

Beispiel

Ein Beispiel für 4 gegenseitig orthogonale digitale Signale

Beginnen Sie mit einer Reihe von Vektoren, die gegenseitig sind senkrecht. (Obwohl die gegenseitige Orthogonalität die einzige Erkrankung ist, werden diese Vektoren normalerweise zur einfachen Dekodierung konstruiert, beispielsweise Spalten oder Zeilen von Walsh Matrices.) Ein Beispiel für orthogonale Funktionen ist im angrenzenden Bild gezeigt. Diese Vektoren werden einzelnen Benutzern zugeordnet und werden als die genannt Code, Chip Code, oder Chipping -Code. Im Interesse der Kürze verwendet der Rest dieses Beispiels Codes v mit nur zwei Teilen.

Jeder Benutzer ist einem anderen Code zugeordnet, z. B. v. Ein 1 -Bit wird durch die Übertragung eines positiven Code dargestellt vund ein 0 -Bit wird durch einen negativen Code dargestellt −v. Zum Beispiel wenn v = (v₀, v₁) = (1, –1) und die Daten, die der Benutzer übertragen möchte, ist (1, 0, 1, 1), dann wären die übertragenen Symbole

(v, −v, v, v) = ((v₀, v₁, -v₀, -v₁, v₀, v₁, v₀, v₁) = (1, –1, –1, 1, 1, –1, 1, –1).

Für die Zwecke dieses Artikels nennen wir diesen konstruierten Vektor die übertragener Vektor.

Jeder Absender hat einen anderen einzigartigen Vektor v Aus diesem Satz ausgewählt, aber die Konstruktionsmethode des übertragenen Vektors ist identisch.

Aufgrund physikalischer Störungseigenschaften fügt sie nun hinzu, dass sie die doppelte Amplitude jedes Signals doppelt so Amplituden. Digital kann dieses Verhalten durch Zugabe der Übertragungsvektoren, Komponente durch Komponente, modelliert werden.

Wenn Sender0 Code (1, –1) und Daten (1, 0, 1, 1) und Sender1 Code (1, 1) und Daten (0, 0, 1, 1) enthält, und beide Absender gleichzeitig übertragen, dann übertragen sie dann gleichzeitig Diese Tabelle beschreibt die Codierungsschritte:

Da Signal0 und Signal1 gleichzeitig in die Luft übertragen werden, fügen sie hinzu, um das Rohsignal zu erzeugen

(1, –1, –1, 1, 1, –1, 1, –1) + (–1, –1, –1, –1, 1, 1, 1, 1) = (0, –2, –2, 0, 2, 0, 2, 0).

Dieses Rohsignal wird als Interferenzmuster bezeichnet. Der Empfänger extrahiert dann ein verständliches Signal für jeden bekannten Absender, indem er den Code des Absenders mit dem Interferenzmuster kombiniert. In der folgenden Tabelle wird erläutert, wie dies funktioniert und zeigt, dass sich die Signale nicht gegenseitig beeinträchtigen:

Nach dem Dekodieren werden alle Werte größer als 0 als 1 interpretiert, während alle Werte weniger als Null als 0 interpretiert werden. Nach dem Dekodieren ist Daten0 (2, –2, 2, 2), aber der Empfänger interpretiert diese as (1, 0, 1, 1). Werte von genau 0 bedeuten, dass der Absender keine Daten übertragen hat, wie im folgenden Beispiel:

Angenommen, Signal0 = (1, –1, –1, 1, 1, –1, 1, –1) wird allein übertragen. Die folgende Tabelle zeigt den Decodieren am Empfänger:

Wenn der Empfänger versucht, das Signal mit dem Code von Sender1 zu dekodieren, sind die Daten alle Nullen. Daher ist die Kreuzkorrelation gleich Null und es ist klar, dass Sender1 keine Daten übertragen hat.

Asynchrone CDMA

Wenn Mobilfunkverbindungen nicht genau koordiniert werden können, insbesondere aufgrund der Mobilität der Handys, ist ein anderer Ansatz erforderlich. Da es nicht mathematisch möglich ist, Signatursequenzen zu erstellen, die beide für willkürlich zufällige Ausgangspunkte orthogonal sind und den Coderaum vollständig nutzen, werden eindeutige "Pseudo-Random" oder "Pseudo-Noise" -Sequenzen, die als Spreading-Sequenzen bezeichnet werden, verwendet in asynchron CDMA -Systeme. Eine Ausbreitungssequenz ist eine binäre Sequenz, die zufällig erscheint, aber von beabsichtigten Empfängern deterministisch reproduziert werden kann. Diese Verbreitungssequenzen werden verwendet, um das Signal eines Benutzers in asynchronem CDMA auf die gleiche Weise wie die orthogonalen Codes in synchronem CDMA zu codieren und zu dekodieren (im obigen Beispiel gezeigt). Diese Ausbreitungssequenzen sind statistisch unkorreliert, und die Summe einer großen Anzahl von Verbreitungssequenzen führt dazu Mehrfachzugriffsinterferenz (MAI), das durch einen Gaußschen Rauschprozess angenähert wird (folgt dem der Zentralgrenze Theorem in Statistiken). Goldcodes sind ein Beispiel für eine für diesen Zweck geeignete Ausbreitungssequenz, da zwischen den Codes eine geringe Korrelation besteht. Wenn alle Benutzer mit demselben Leistungsniveau empfangen werden, nimmt die Varianz (z. B. die Rauschleistung) des MAI in direktem Verhältnis zur Anzahl der Benutzer zu. Mit anderen Worten, im Gegensatz zu synchronem CDMA werden die Signale anderer Benutzer als Rauschen für das interessierende Signal angezeigt und stören im Verhältnis zur Anzahl der Benutzer geringfügig mit dem gewünschten Signal.

Alle Formen von CDMA verwenden die breites Spektrum Verbreitungsfaktor Empfänger erlauben, unerwünschte Signale teilweise zu diskriminieren. Signale, die mit den angegebenen Ausbreitungssequenzen codiert sind, werden empfangen, während Signale mit unterschiedlichen Sequenzen (oder denselben Sequenzen, aber unterschiedlichen Timing -Offsets) durch den Ausbreitungsfaktor als Breitbandrauschen reduziert werden.

Da jeder Benutzer MAI generiert, ist die Steuerung der Signalstärke ein wichtiges Problem bei CDMA -Sendern. Ein CDM (Synchronous CDMA), TDMA oder FDMA -Empfänger kann aufgrund der Orthogonalität dieser Systeme theoretisch theoretisch willkürlich starke Signale unter Verwendung verschiedener Codes, Zeitfenster oder Frequenzkanäle vollständig ablehnen. Dies gilt nicht für asynchrones CDMA; Die Ablehnung unerwünschter Signale ist nur teilweise. Wenn eines oder alle unerwünschten Signale viel stärker sind als das gewünschte Signal, überfordern sie es. Dies führt zu einer allgemeinen Anforderung in einem asynchronen CDMA -System, um den verschiedenen Signalleistungspegeln ungefähr zu entsprechen, wie sie am Empfänger zu sehen sind. In CDMA-Cellular verwendet die Basisstation ein schnelles Stromkontrollschema mit geschlossenem Schleifen, um die Übertragung der einzelnen Mobilgeräte fest zu steuern.

Im Jahr 2019 wurden Programme entwickelt, um die erforderliche Länge der Codes in Abhängigkeit von Doppler- und Verzögerungseigenschaften genau zu schätzen.^[19] Bald darauf wurden auch Techniken basierender Techniken, die Sequenzen mit gewünschter Länge und Ausbreitungseigenschaften erzeugen, ebenfalls veröffentlicht. Diese sind mit den klassischen Gold- und Welch -Sequenzen stark wettbewerbsfähig. Diese werden nicht durch lineare Feedback-Shift-Register erzeugt, sondern müssen in Suchtabellen gespeichert werden.

Vorteile von asynchronem CDMA gegenüber anderen Techniken

Effiziente praktische Nutzung des festen Frequenzspektrums

In der Theorie haben CDMA, TDMA und FDMA genau die gleiche spektrale Effizienz, aber in der Praxis hat jeweils ihre eigenen Herausforderungen - Stromkontrolle im Fall von CDMA, Timing im Fall von TDMA und Frequenzgenerierung/Filterung im Fall von FDMA .

TDMA -Systeme müssen die Übertragungszeiten aller Benutzer sorgfältig synchronisieren, um sicherzustellen, dass sie im richtigen Zeitfenster empfangen werden und keine Störungen verursachen. Da dies in einer mobilen Umgebung nicht perfekt kontrolliert werden kann, muss jeder Zeitfenster eine Wachzeit haben, wodurch die Wahrscheinlichkeit verringert wird, dass Benutzer einmischen, aber die spektrale Effizienz verringert.

In ähnlicher Weise müssen FDMA -Systeme aufgrund des unvorhersehbaren Wachbandes zwischen benachbarten Kanälen ein Wachband verwenden Doppler -Verschiebung des Signalspektrums aufgrund der Benutzermobilität. Die Schutzbänder verringern die Wahrscheinlichkeit, dass benachbarte Kanäle sich stören, aber die Nutzung des Spektrums verringert.

Flexible Allokation von Ressourcen

Asynchronous CDMA bietet einen wichtigen Vorteil für die flexible Zuordnung von Ressourcen, d. H. Zuweisung von Verbreitungssequenzen an aktive Benutzer. Im Fall von CDM (synchroner CDMA), TDMA und FDMA sind die Anzahl der gleichzeitigen orthogonalen Codes, Zeitfenster bzw. Frequenzschlitze festgelegt, weshalb die Kapazität in Bezug auf die Anzahl der gleichzeitigen Benutzer begrenzt ist. Es gibt eine feste Anzahl von orthogonalen Codes, Zeitfenster oder Frequenzbändern, die für CDM-, TDMA- und FDMA -Systeme zugewiesen werden können, die aufgrund der burstigen Natur der Telefonie und der paketisierten Datenübertragung nicht ausreichend ausgelastet bleiben. Die Anzahl der Benutzer, die in einem asynchronen CDMA-System unterstützt werden können, ist keine strenge Begrenzung, nur eine praktische Grenze, die von der gewünschten Bitfehlerwahrscheinlichkeit bestimmt wird, da der SIR (Signal-zu-Interferenz-Verhältnis) umgekehrt mit der Anzahl der Benutzer variiert. In einer bursty -Verkehrsumgebung wie Mobiltelefonie besteht der Vorteil der asynchronen CDMA darin, dass die Leistung (Bitfehlerrate) zufällig schwanken darf, wobei ein Durchschnittswert durch die Anzahl der Benutzer mit dem Prozentsatz der Nutzung ermittelt wird. Angenommen, es gibt 2N Benutzer, die nur die Hälfte der Zeit sprechen, dann 2N Benutzer können mit demselben untergebracht werden Durchschnitt Bit -Fehlerwahrscheinlichkeit als N Benutzer, die die ganze Zeit sprechen. Der Hauptunterschied hier ist, dass die Bit -Fehlerwahrscheinlichkeit für N Benutzer sprechen die ganze Zeit konstant, während es a ist zufällig Menge (mit dem gleichen Mittelwert) für 2N Benutzer sprechen die Hälfte der Zeit.

Mit anderen Worten, asynchrones CDMA ist ideal für ein mobiles Netzwerk geeignet, bei dem eine große Anzahl von Sendern in unregelmäßigen Intervallen jeweils eine relativ geringe Menge an Verkehr erzeugt. CDM (Synchronous CDMA), TDMA und FDMA -Systeme können die nicht genutzten Ressourcen nicht wiederherstellen senkrecht Codes, Zeitfenster oder Frequenzkanäle, die einzelne Sender zugeordnet werden können. Zum Beispiel, wenn es gibt N Zeitfenster in einem TDMA -System und 2N Benutzer, die die Hälfte der Zeit sprechen, dann wird mehr als die Hälfte der Zeit sein N Benutzer, die mehr als verwenden müssen N Zeitfenster. Darüber hinaus würde es einen erheblichen Aufwand erfordern, um kontinuierlich die orthogonalen Code-, Zeit-Slot- oder Frequenz-Kanal-Ressourcen zuzuweisen und zu bearbeiten. Im Vergleich dazu senden asynchrone CDMA -Sender einfach, wenn sie etwas zu sagen haben und aus der Luft gehen, wenn sie dies nicht tun, und behalten Sie die gleiche Signatursequenz, solange sie mit dem System verbunden sind.

Spread-Spektrum-Eigenschaften von CDMA

Die meisten Modulationsschemata versuchen, die Bandbreite dieses Signals zu minimieren, da die Bandbreite eine begrenzte Ressource ist. Spread-Spektrum-Techniken verwenden jedoch eine Transmissionsbandbreite, die mehrere Größenordnungen größer ist als die minimale erforderliche Signalbandbreite. Einer der ersten Gründe dafür waren militärische Anwendungen, einschließlich Anleitung und Kommunikationssysteme. Diese Systeme wurden unter Verwendung von Spread -Spektrum aufgrund ihres Sicherheits- und Widerstands gegen Jamming entwickelt. Asynchrone CDMA hat ein gewisses Maß an Privatsphäre integriert, da das Signal unter Verwendung eines Pseudo-Random-Codes verteilt wird. In diesem Code erscheinen die Spread-Spektrum-Signale zufällig oder weisen rauschähnliche Eigenschaften auf. Ein Empfänger kann diese Übertragung nicht ohne Kenntnis der Pseudo-Random-Sequenz zum Codieren der Daten demodulieren. CDMA ist auch gegen Jamming resistent. Ein Jamming -Signal verfügt nur über eine begrenzte Menge an Strom, um das Signal zu sterben. Der Störsender kann seine Energie entweder über die gesamte Bandbreite des Signals verteilen oder nur einen Teil des gesamten Signals jammen.^[17][18]

CDMA kann auch schmale Bandstörungen effektiv ablehnen. Da die Störung des schmalen Bandes nur einen kleinen Teil des Spread-Spektrum-Signals beeinflusst, kann sie leicht durch die Notch-Filterung ohne viel Informationsverlust entfernt werden. Faltungskodierung und Verschachtung Kann verwendet werden, um diese verlorenen Daten wiederherzustellen. CDMA -Signale sind auch gegen Multipath -Verblassen resistent. Da das Spread-Spektrum-Signal eine große Bandbreite einnimmt, wird zu einem bestimmten Zeitpunkt nur ein kleiner Teil davon wegen Multipaths verblasst. Wie bei der Störung des schmalen Bandes führt dies nur zu einem geringen Datenverlust und kann überwunden werden.

Ein weiterer Grund, warum CDMA gegen Multipath-Interferenz resistent ist, ist, dass die verzögerten Versionen der übertragenen Pseudo-Random-Codes eine schlechte Korrelation mit dem ursprünglichen Pseudo-Random-Code aufweisen und somit als ein anderer Benutzer angezeigt werden, der am Empfänger ignoriert wird. Mit anderen Worten, solange der Multipath -Kanal mindestens einen Verzögerungschip induziert, gelangen die Multipath -Signale zum Empfänger, so dass sie rechtzeitig um mindestens einen Chip aus dem beabsichtigten Signal verschoben werden. Die Korrelationseigenschaften der Pseudo-Random-Codes sind so, dass diese leichte Verzögerung dazu führt, dass der Multipath mit dem beabsichtigten Signal nicht korreliert wird und somit ignoriert wird.

Einige CDMA -Geräte verwenden a Rake Receiver, die Multipath -Verzögerungskomponenten ausnutzt, um die Leistung des Systems zu verbessern. Ein Rake -Empfänger kombiniert die Informationen mehrerer Korrelatoren, die jeweils auf eine andere Pfadverzögerung abgestimmt sind und eine stärkere Version des Signals erzeugen als ein einfacher Empfänger mit einer einzigen Korrelation, die auf die Pfadverzögerung des stärksten Signals abgestimmt ist.^[1][2]

Die Wiederverwendung von Frequenz ist die Fähigkeit, dieselbe Funkkanalfrequenz an anderen Zellstellen innerhalb eines zellulären Systems wiederzuverwenden. In den FDMA- und TDMA -Systemen ist die Frequenzplanung eine wichtige Überlegung. Die in verschiedenen Zellen verwendeten Frequenzen müssen sorgfältig geplant werden, um sicherzustellen, dass die Signale aus verschiedenen Zellen nicht ineinander stören. In einem CDMA-System kann die gleiche Frequenz in jeder Zelle verwendet werden, da die Kanalisierung unter Verwendung der Pseudo-Random-Codes erfolgt. Die Wiederverwendung der gleichen Frequenz in jeder Zelle eliminiert die Notwendigkeit einer Frequenzplanung in einem CDMA -System. Die Planung der verschiedenen Pseudo-Random-Sequenzen muss jedoch durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass das empfangene Signal aus einer Zelle nicht mit dem Signal aus einer nahe gelegenen Zelle korreliert.^[1]

Da benachbarte Zellen dieselben Frequenzen verwenden, können CDMA-Systeme weiche Handsofälle durchführen. Mit weichen Übergaben können das Mobiltelefon gleichzeitig mit zwei oder mehr Zellen kommunizieren. Die beste Signalqualität wird ausgewählt, bis die Übergabe abgeschlossen ist. Dies unterscheidet sich von harten Übergaben, die in anderen zellulären Systemen verwendet werden. In einer Notfallsituation kann die Signalstärke abrupt variieren, wenn sich das Mobiltelefon einer Übergabe nähert. Im Gegensatz dazu verwenden CDMA-Systeme die weiche Übergabe, die nicht nachweisbar ist und ein zuverlässigeres und höherwertigeres Signal bietet.^[2]

Kollaborative CDMA

Ein neuartiges kollaboratives Multi-Benutzer-Übertragungs- und Erkennungsschema namens Collaborative CDMA^[20] wurde für den Uplink untersucht, der die Unterschiede zwischen den Verblassungskanalsignaturen der Benutzer ausnutzt, um die Benutzerkapazität weit über die Ausbreitungslänge der MAI-begrenzten Umgebung hinaus zu erhöhen. Die Autoren zeigen, dass es möglich ist, diesen Anstieg bei geringer Komplexität und Hoch zu erreichen Bit Fehlerrate Leistung in Flat -Fading -Kanälen, eine wichtige Forschungsherausforderung für überlastete CDMA -Systeme. In diesem Ansatz gruppieren die Autoren anstatt eine Sequenz pro Benutzer wie in herkömmlicher CDMA zu verwenden, um eine kleine Anzahl von Benutzern zu teilen, um dieselbe Verbreitungssequenz zu teilen und Gruppenverbreitungs- und -abreadierungsvorgänge zu ermöglichen. Der neue Kollaborative-Multi-Benutzer-Empfänger besteht aus zwei Stufen: Gruppen-Multi-Benutzer-Erkennungsstufe (MUD), um die MAI zwischen den Gruppen und eine maximale Erkennungsphase der niedrigen Komplexität zu unterdrücken, um gemeinsam die Daten der Co-Spead-Benutzer mit minimaler Daten wiederherzustellen Euklidan-Distanzmaß und die Kanalgewinnkoeffizienten der Benutzer. Eine erweiterte CDMA-Version, die als IDMA (Interview-Division Multiple Access) bezeichnet wird, verwendet die orthogonale Verschachtelung als das einzige Mittel zur Benutzertrennung anstelle der im CDMA-System verwendeten Signatursequenz.

Siehe auch

Anmerkungen

Verweise

Weitere Lektüre

• Papathanassiou, A., Salkintzis, A. K. & Mathiopoulos, P. T. (2001). "Eine Vergleichsstudie zur Uplink-Leistung von W-CDMA und OFDM für mobile Multimedia-Kommunikation über Leo-Satelliten". IEEE persönliche Kommunikation, 8 (3), 35–43.

Externe Links

• Sprechen am Princeton Institute for Advanced Study über die Arbeit von Solomon Golomb über Pseudorandom -Sequenzen