Множественный доступ с кодовым разделением каналов ( CDMA ) — метод доступа к каналу , используемый различными технологиями радиосвязи . CDMA — пример множественного доступа , при котором несколько передатчиков могут одновременно передавать информацию по одному каналу связи. Это позволяет нескольким пользователям совместно использовать полосу частот (см. полосу пропускания ). Чтобы обеспечить это без чрезмерных помех между пользователями, CDMA использует технологию расширенного спектра и специальную схему кодирования (где каждому передатчику назначается код). [1] [2]
CDMA оптимизирует использование доступной полосы пропускания, поскольку передача осуществляется во всем диапазоне частот и не ограничивает диапазон частот пользователя.
Он используется как метод доступа во многих стандартах мобильных телефонов . IS-95 , также называемый «cdmaOne», и его 3G- эволюция CDMA2000 , часто называют просто «CDMA», но UMTS , стандарт 3G, используемый операторами GSM , также использует «широкополосный CDMA» или W-CDMA, а также TD-CDMA и TD-SCDMA в качестве своих радиотехнологий. Многие операторы (такие как AT&T , UScellular и Verizon ) отключат сети на базе 3G CDMA в 2022 и 2024 годах, сделав телефоны, поддерживающие только эти протоколы, непригодными для звонков, даже на номер 911. [3] [4]
Его также можно использовать в качестве технологии доступа к каналу или среде, например, ALOHA , или в качестве постоянного пилотного/сигнального канала, позволяющего пользователям синхронизировать свои локальные генераторы с общей системной частотой, тем самым также постоянно оценивая параметры канала.
В этих схемах сообщение модулируется на более длинной расширяющейся последовательности, состоящей из нескольких чипов (0 и 1). Благодаря своим очень выгодным характеристикам авто- и кросскорреляции, эти расширяющиеся последовательности также использовались для радиолокационных приложений в течение многих десятилетий, где они называются кодами Баркера (с очень короткой длиной последовательности, обычно от 8 до 32).
Для космических коммуникационных приложений CDMA использовался в течение многих десятилетий из-за больших потерь на трассе и доплеровского сдвига, вызванных движением спутника. CDMA часто используется с двоичной фазовой манипуляцией (BPSK) в ее простейшей форме, но может сочетаться с любой схемой модуляции, такой как (в сложных случаях) квадратурная амплитудная модуляция (QAM) или ортогональное частотное разделение мультиплексирование (OFDM), что обычно делает его очень надежным и эффективным (и оснащает их возможностями точного определения дальности, что затруднительно без CDMA). Другие схемы используют поднесущие на основе двоичной модуляции смещения несущей (модуляция BOC), которая вдохновлена манчестерскими кодами и обеспечивает больший зазор между виртуальной центральной частотой и поднесущими, что не относится к поднесущим OFDM.
Технология множественного доступа с кодовым разделением каналов известна давно.
В США одно из самых ранних описаний CDMA можно найти в сводном отчете проекта Хартвелл «Безопасность зарубежных перевозок», который был летним исследовательским проектом, проводившимся в Массачусетском технологическом институте с июня по август 1950 года. [5] Дальнейшие исследования в контексте глушения и противодействия глушениям проводились в 1952 году в лаборатории Линкольна . [6]
В Советском Союзе (СССР) первая работа, посвященная этой теме, была опубликована в 1935 году Дмитрием Агеевым . [7] Было показано, что с помощью линейных методов существует три вида разделения сигналов: частотное, временное и компенсационное. [ необходимо уточнение ] Технология CDMA была использована в 1957 году, когда молодой военный радиоинженер Леонид Куприянович в Москве изготовил экспериментальный образец носимого автоматического мобильного телефона, названного им ЛК-1, с базовой станцией. [8] ЛК-1 имел вес 3 кг, дальность действия 20–30 км и время работы от аккумулятора 20–30 часов. [9] [10] Базовая станция, как описывает автор, могла обслуживать нескольких клиентов. В 1958 году Куприянович изготовил новую экспериментальную «карманную» модель мобильного телефона. Этот телефон весил 0,5 кг. Чтобы обслуживать больше клиентов, Куприянович предложил устройство, которое он назвал «коррелятором». [11] [12] В 1958 году в СССР также началась разработка национальной гражданской службы мобильной телефонной связи « Алтай » для автомобилей на основе советского стандарта МРТ-1327. Телефонная система весила 11 кг (24 фунта). Она размещалась в багажнике автомобилей высокопоставленных чиновников и использовала стандартную трубку в салоне. Основными разработчиками системы «Алтай» были ВНИИС (Воронежский научно-исследовательский институт связи) и ГСПИ (Государственный специализированный проектный институт). В 1963 году эта служба начала работу в Москве, а в 1970 году служба «Алтай» использовалась в 30 городах СССР. [13]
CDMA — это метод множественного доступа с расширенным спектром. Метод расширенного спектра равномерно распределяет полосу пропускания данных для той же передаваемой мощности. Расширяющий код — это псевдослучайный код во временной области, который имеет узкую функцию неоднозначности в частотной области, в отличие от других узких импульсных кодов. В CDMA локально сгенерированный код работает с гораздо более высокой скоростью, чем передаваемые данные. Данные для передачи объединяются побитовым XOR (исключающее ИЛИ) с более быстрым кодом. На рисунке показано, как генерируется сигнал с расширенным спектром. Сигнал данных с длительностью импульса (период символа) подвергается операции XOR с кодовым сигналом с длительностью импульса (период чипа). (Примечание: полоса пропускания пропорциональна , где = время бита.) Следовательно, полоса пропускания сигнала данных равна , а полоса пропускания сигнала с расширенным спектром равна . Поскольку намного меньше , полоса пропускания сигнала с расширенным спектром намного больше полосы пропускания исходного сигнала. Это отношение называется коэффициентом распространения или коэффициентом усиления обработки и в определенной степени определяет верхний предел общего числа пользователей, одновременно поддерживаемых базовой станцией. [1] [2]
Каждый пользователь в системе CDMA использует свой код для модуляции своего сигнала. Выбор кодов, используемых для модуляции сигнала, очень важен для производительности систем CDMA. Наилучшая производительность достигается при хорошем разделении сигнала нужного пользователя и сигналов других пользователей. Разделение сигналов осуществляется путем корреляции полученного сигнала с локально сгенерированным кодом нужного пользователя. Если сигнал соответствует коду нужного пользователя, то корреляционная функция будет высокой, и система сможет извлечь этот сигнал. Если код нужного пользователя не имеет ничего общего с сигналом, корреляция должна быть как можно ближе к нулю (таким образом устраняя сигнал); это называется кросс-корреляцией . Если код коррелирует с сигналом при любом смещении по времени, отличном от нуля, корреляция должна быть как можно ближе к нулю. Это называется автокорреляцией и используется для устранения многолучевых помех. [18] [19]
Аналогом проблемы множественного доступа является комната (канал), в которой люди хотят говорить друг с другом одновременно. Чтобы избежать путаницы, люди могут говорить по очереди (временное разделение), говорить на разных тонах (частотное разделение) или говорить на разных языках (кодовое разделение). CDMA аналогичен последнему примеру, где люди, говорящие на одном языке, могут понимать друг друга, но другие языки воспринимаются как шум и отвергаются. Аналогично, в радио CDMA каждой группе пользователей дается общий код. Многие коды занимают один и тот же канал, но общаться могут только пользователи, связанные с определенным кодом.
В целом CDMA относится к двум основным категориям: синхронный (ортогональные коды) и асинхронный (псевдослучайные коды).
Метод цифровой модуляции аналогичен тем, которые используются в простых радиопередатчиках. В аналоговом случае низкочастотный сигнал данных умножается по времени на высокочастотную чистую синусоидальную несущую и передается. Это фактически частотная свертка ( теорема Винера–Хинчина ) двух сигналов, в результате чего получается несущая с узкими боковыми полосами. В цифровом случае синусоидальная несущая заменяется функциями Уолша . Это двоичные квадратные волны, которые образуют полный ортонормальный набор. Сигнал данных также является двоичным, а умножение по времени достигается с помощью простой функции XOR. Обычно это смеситель на ячейке Гилберта в схеме.
Синхронный CDMA использует математические свойства ортогональности между векторами, представляющими строки данных. Например, двоичная строка 1011 представлена вектором (1, 0, 1, 1). Векторы можно умножать, взяв их скалярное произведение , суммируя произведения их соответствующих компонентов (например, если u = ( a , b ) и v = ( c , d ), то их скалярное произведение u · v = ac + bd ). Если скалярное произведение равно нулю, говорят, что два вектора ортогональны друг другу. Некоторые свойства скалярного произведения помогают понять, как работает W-CDMA . Если векторы a и b ортогональны, то и:
Каждый пользователь в синхронном CDMA использует код, ортогональный кодам других, для модуляции своего сигнала. Пример 4 взаимно ортогональных цифровых сигналов показан на рисунке ниже. Ортогональные коды имеют взаимную корреляцию, равную нулю; другими словами, они не мешают друг другу. В случае IS-95 для кодирования сигнала с целью разделения разных пользователей используются 64-битные коды Уолша . Поскольку каждый из 64 кодов Уолша ортогонален всем остальным, сигналы канализируются в 64 ортогональных сигнала. Следующий пример демонстрирует, как сигнал каждого пользователя может быть закодирован и декодирован.
Начните с набора векторов, которые взаимно ортогональны . (Хотя взаимная ортогональность является единственным условием, эти векторы обычно строятся для простоты декодирования, например, столбцы или строки из матриц Уолша .) Пример ортогональных функций показан на соседнем рисунке. Эти векторы будут назначены отдельным пользователям и называются кодом , чип- кодом или чип-кодом . Для краткости в остальной части этого примера используются коды v только с двумя битами.
Каждый пользователь связан с другим кодом, скажем v . Бит 1 представлен передачей положительного кода v , а бит 0 представлен отрицательным кодом −v . Например, если v = ( v 0 , v 1 ) = (1, −1) и данные, которые пользователь хочет передать, это (1, 0, 1, 1), то переданные символы будут
В данной статье мы называем этот построенный вектор переданным вектором .
У каждого отправителя есть свой уникальный вектор v, выбранный из этого набора, но метод построения передаваемого вектора идентичен.
Теперь, из-за физических свойств интерференции, если два сигнала в точке находятся в фазе, они складываются, давая удвоенную амплитуду каждого сигнала, но если они не в фазе, они вычитаются и дают сигнал, который является разностью амплитуд. В цифровом виде это поведение можно смоделировать путем сложения векторов передачи, компонент за компонентом.
Если у sender0 есть код (1, −1) и данные (1, 0, 1, 1), а у sender1 есть код (1, 1) и данные (0, 0, 1, 1), и оба отправителя передают данные одновременно, то эта таблица описывает шаги кодирования:
Поскольку сигнал0 и сигнал1 передаются в эфир одновременно, они суммируются, образуя необработанный сигнал.
Этот сырой сигнал называется интерференционной картиной. Затем приемник извлекает понятный сигнал для любого известного отправителя, комбинируя код отправителя с интерференционной картиной. Следующая таблица объясняет, как это работает, и показывает, что сигналы не мешают друг другу:
Далее, после декодирования все значения больше 0 интерпретируются как 1, а все значения меньше нуля интерпретируются как 0. Например, после декодирования data0 равен (2, −2, 2, 2), но получатель интерпретирует это как (1, 0, 1, 1). Значения, равные ровно 0, означают, что отправитель не передал никаких данных, как в следующем примере:
Предположим, что signal0 = (1, −1, −1, 1, 1, −1, 1, −1) передается отдельно. Следующая таблица показывает декодирование на приемнике:
Когда получатель пытается декодировать сигнал, используя код отправителя1, все данные представляют собой нули; поэтому взаимная корреляция равна нулю, и ясно, что отправитель1 не передал никаких данных.
Когда каналы связи «мобильный-базовый» не могут быть точно скоординированы, особенно из-за мобильности телефонов, требуется другой подход. Поскольку математически невозможно создать последовательности сигнатур, которые одновременно являются ортогональными для произвольно случайных начальных точек и которые полностью используют кодовое пространство, в асинхронных системах CDMA используются уникальные «псевдослучайные» или «псевдошумовые» последовательности, называемые последовательностями распространения. Последовательность распространения — это двоичная последовательность, которая кажется случайной, но может быть воспроизведена детерминированным образом предполагаемыми приемниками. Эти последовательности распространения используются для кодирования и декодирования сигнала пользователя в асинхронном CDMA таким же образом, как ортогональные коды в синхронном CDMA (показано в примере выше). Эти последовательности распространения статистически не коррелируют, и сумма большого количества последовательностей распространения приводит к помехам множественного доступа (MAI), которые аппроксимируются гауссовым шумовым процессом (следуя центральной предельной теореме в статистике). Золотые коды являются примером последовательности распространения, подходящей для этой цели, поскольку между кодами существует низкая корреляция. Если все пользователи принимаются с одинаковым уровнем мощности, то дисперсия (например, мощность шума) MAI увеличивается прямо пропорционально количеству пользователей. Другими словами, в отличие от синхронного CDMA, сигналы других пользователей будут выглядеть как шум для интересующего сигнала и немного мешать полезному сигналу пропорционально количеству пользователей.
Все формы CDMA используют фактор расширения спектра , чтобы позволить приемникам частично дискриминировать нежелательные сигналы. Сигналы, закодированные с указанными последовательностями расширения, принимаются, в то время как сигналы с другими последовательностями (или теми же последовательностями, но с разными временными смещениями) отображаются как широкополосный шум, уменьшенный фактором расширения.
Поскольку каждый пользователь генерирует MAI, управление мощностью сигнала является важной проблемой для передатчиков CDMA. Приемник CDM (синхронный CDMA), TDMA или FDMA теоретически может полностью отклонять произвольно сильные сигналы, используя разные коды, временные интервалы или частотные каналы из-за ортогональности этих систем. Это не относится к асинхронному CDMA; отклонение нежелательных сигналов является лишь частичным. Если какой-либо или все нежелательные сигналы намного сильнее желаемого сигнала, они подавят его. Это приводит к общему требованию в любой асинхронной системе CDMA приблизительно соответствовать различным уровням мощности сигнала, которые видны на приемнике. В сотовой связи CDMA базовая станция использует быструю схему управления мощностью с обратной связью для жесткого управления мощностью передачи каждого мобильного устройства.
В 2019 году были разработаны схемы для точной оценки необходимой длины кодов в зависимости от характеристик Доплера и задержки. [20] Вскоре после этого были опубликованы также методы машинного обучения, которые генерируют последовательности желаемой длины и свойств распространения. Они весьма конкурентоспособны по сравнению с классическими последовательностями Голда и Уэлча. Они не генерируются линейными регистрами сдвига с обратной связью, а должны храниться в таблицах поиска.
Теоретически CDMA, TDMA и FDMA имеют одинаковую спектральную эффективность, но на практике у каждого из них есть свои проблемы: управление мощностью в случае CDMA, синхронизация в случае TDMA и генерация/фильтрация частоты в случае FDMA.
Системы TDMA должны тщательно синхронизировать время передачи всех пользователей, чтобы гарантировать, что они принимаются в правильном временном интервале и не вызывают помех. Поскольку это невозможно полностью контролировать в мобильной среде, каждый временной интервал должен иметь защитное время, что снижает вероятность того, что пользователи будут мешать, но снижает спектральную эффективность.
Аналогично, системы FDMA должны использовать защитную полосу между соседними каналами из-за непредсказуемого доплеровского сдвига спектра сигнала из-за мобильности пользователя. Защитные полосы уменьшат вероятность того, что соседние каналы будут мешать, но уменьшат использование спектра.
Асинхронный CDMA предлагает ключевое преимущество в гибком распределении ресурсов, т. е. распределении последовательностей распространения для активных пользователей. В случае CDM (синхронный CDMA), TDMA и FDMA количество одновременных ортогональных кодов, временных интервалов и частотных интервалов соответственно фиксировано, поэтому емкость с точки зрения количества одновременных пользователей ограничена. Существует фиксированное количество ортогональных кодов, временных интервалов или частотных диапазонов, которые могут быть выделены для систем CDM, TDMA и FDMA, которые остаются недоиспользованными из-за пульсирующего характера телефонии и пакетных передач данных. Не существует строгого ограничения на количество пользователей, которых можно поддерживать в асинхронной системе CDMA, есть только практический предел, определяемый желаемой вероятностью битовой ошибки, поскольку SIR (отношение сигнал/помеха) изменяется обратно пропорционально количеству пользователей. В условиях неравномерного трафика, например, в мобильной телефонии, преимущество асинхронного CDMA заключается в том, что производительность (коэффициент битовых ошибок) может колебаться случайным образом, а среднее значение определяется числом пользователей, умноженным на процент использования. Предположим, что есть 2 N пользователей, которые говорят только половину времени, тогда 2 N пользователей могут быть размещены с той же средней вероятностью битовых ошибок, что и N пользователей, которые говорят все время. Ключевое отличие здесь в том, что вероятность битовых ошибок для N пользователей, говорящих все время, постоянна, тогда как для 2 N пользователей, говорящих половину времени, это случайная величина (с тем же средним значением) .
Другими словами, асинхронный CDMA идеально подходит для мобильной сети, где большое количество передатчиков генерирует относительно небольшой объем трафика с нерегулярными интервалами. Системы CDM (синхронный CDMA), TDMA и FDMA не могут восстановить недоиспользованные ресурсы, присущие пульсирующему трафику из-за фиксированного количества ортогональных кодов, временных интервалов или частотных каналов, которые могут быть назначены отдельным передатчикам. Например, если в системе TDMA есть N временных интервалов и 2 N пользователей, которые говорят половину времени, то половину времени будет больше, чем N пользователей, которым нужно будет использовать больше, чем N временных интервалов. Кроме того, потребовались бы значительные накладные расходы для постоянного выделения и освобождения ресурсов ортогонального кода, временного интервала или частотного канала. Для сравнения, асинхронные передатчики CDMA просто отправляют, когда им есть что сказать, и выключаются, когда им нечего сказать, сохраняя ту же последовательность сигнатур, пока они подключены к системе.
Большинство схем модуляции пытаются минимизировать полосу пропускания этого сигнала, поскольку полоса пропускания является ограниченным ресурсом. Однако методы расширения спектра используют полосу пропускания передачи, которая на несколько порядков больше минимально необходимой полосы пропускания сигнала. Одной из первоначальных причин для этого были военные приложения, включая системы наведения и связи. Эти системы были разработаны с использованием расширенного спектра из-за его безопасности и устойчивости к глушению. Асинхронный CDMA имеет некоторый уровень встроенной конфиденциальности, поскольку сигнал распространяется с использованием псевдослучайного кода; этот код заставляет сигналы с расширенным спектром казаться случайными или иметь шумоподобные свойства. Приемник не может демодулировать эту передачу без знания псевдослучайной последовательности, используемой для кодирования данных. CDMA также устойчив к глушению. Глушащий сигнал имеет только конечное количество мощности, доступной для глушения сигнала. Глушитель может либо распределить свою энергию по всей полосе пропускания сигнала, либо глушить только часть всего сигнала. [18] [19]
CDMA также может эффективно подавлять узкополосные помехи. Поскольку узкополосные помехи влияют только на небольшую часть сигнала с расширенным спектром, их можно легко устранить с помощью режекторной фильтрации без большой потери информации. Сверточное кодирование и чередование могут использоваться для восстановления этих потерянных данных. Сигналы CDMA также устойчивы к многолучевому замиранию. Поскольку сигнал с расширенным спектром занимает большую полосу пропускания, только небольшая его часть будет подвергаться замиранию из-за многолучевого распространения в любой момент времени. Как и узкополосные помехи, это приведет лишь к небольшой потере данных и может быть преодолено.
Другая причина, по которой CDMA устойчив к многолучевым помехам, заключается в том, что задержанные версии переданных псевдослучайных кодов будут иметь плохую корреляцию с исходным псевдослучайным кодом и, таким образом, будут выглядеть как другой пользователь, который игнорируется на приемнике. Другими словами, пока многолучевой канал вызывает по крайней мере одну задержку, многолучевые сигналы будут приходить на приемник таким образом, что они будут смещены во времени по крайней мере на одну задержку от предполагаемого сигнала. Корреляционные свойства псевдослучайных кодов таковы, что эта небольшая задержка заставляет многолучевой сигнал казаться некоррелированным с предполагаемым сигналом, и, таким образом, он игнорируется.
Некоторые устройства CDMA используют приемник Rake , который использует компоненты многолучевой задержки для улучшения производительности системы. Приемник Rake объединяет информацию из нескольких корреляторов, каждый из которых настроен на различную задержку пути, создавая более сильную версию сигнала, чем простой приемник с одной корреляцией, настроенной на задержку пути самого сильного сигнала. [1] [2]
Повторное использование частот — это возможность повторно использовать одну и ту же частоту радиоканала на других сотовых сайтах в сотовой системе. В системах FDMA и TDMA планирование частот является важным фактором. Частоты, используемые в разных сотах, должны быть тщательно спланированы, чтобы гарантировать, что сигналы из разных сот не будут мешать друг другу. В системе CDMA одна и та же частота может использоваться в каждой соте, поскольку деление каналов выполняется с использованием псевдослучайных кодов. Повторное использование одной и той же частоты в каждой соте устраняет необходимость в планировании частот в системе CDMA; однако планирование различных псевдослучайных последовательностей должно быть выполнено, чтобы гарантировать, что полученный сигнал из одной соты не будет коррелировать с сигналом из соседней соты. [1]
Поскольку соседние соты используют одни и те же частоты, системы CDMA имеют возможность выполнять мягкие передачи. Мягкие передачи позволяют мобильному телефону одновременно связываться с двумя или более сотами. Наилучшее качество сигнала выбирается до тех пор, пока передача не будет завершена. Это отличается от жестких передач, используемых в других сотовых системах. В ситуации жесткой передачи, когда мобильный телефон приближается к точке передачи, уровень сигнала может резко меняться. Напротив, системы CDMA используют мягкую передачу, которая не обнаруживается и обеспечивает более надежный и качественный сигнал. [2]
Новая схема совместной многопользовательской передачи и обнаружения, называемая совместной CDMA [21], была исследована для восходящей линии связи, которая использует различия между сигнатурами затухающих каналов пользователей для увеличения пропускной способности пользователя далеко за пределы длины распространения в среде с ограничением MAI. Авторы показывают, что можно достичь этого увеличения при низкой сложности и высокой производительности битовых ошибок в каналах с плоским затуханием, что является серьезной исследовательской проблемой для перегруженных систем CDMA. В этом подходе вместо использования одной последовательности на пользователя, как в обычном CDMA, авторы группируют небольшое количество пользователей для совместного использования одной и той же последовательности распространения и включения операций группового распространения и дераспространения. Новый совместный многопользовательский приемник состоит из двух этапов: этап группового многопользовательского обнаружения (MUD) для подавления MAI между группами и этап обнаружения с максимальным правдоподобием низкой сложности для совместного восстановления данных пользователей совместного распространения с использованием минимальной меры евклидова расстояния и коэффициентов усиления канала пользователей. Расширенная версия CDMA, известная как множественный доступ с разделением каналов (IDMA), использует ортогональное чередование как единственное средство разделения пользователей вместо последовательности сигнатур, используемой в системе CDMA.
{{cite conference}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )