Множественный доступ с кодовым разделением каналов ( CDMA ) — это метод доступа к каналу , используемый различными технологиями радиосвязи . CDMA является примером множественного доступа , когда несколько передатчиков могут отправлять информацию одновременно по одному каналу связи. Это позволяет нескольким пользователям совместно использовать полосу частот (см. Пропускная способность ). Чтобы обеспечить это без ненужных помех между пользователями, CDMA использует технологию расширения спектра и специальную схему кодирования (где каждому передатчику присваивается код). [1] [2]
CDMA оптимизирует использование доступной полосы пропускания, поскольку передает во всем диапазоне частот и не ограничивает диапазон частот пользователя.
Он используется в качестве метода доступа во многих стандартах мобильных телефонов . IS-95 , также называемый «cdmaOne», и его развитие 3G CDMA2000 часто называют просто «CDMA», но UMTS , стандарт 3G, используемый операторами GSM , также использует «широкополосный CDMA» или W-CDMA, как а также TD-CDMA и TD-SCDMA в качестве радиотехнологий. Многие операторы связи (такие как AT&T и Verizon ) отключат сети 3G CDMA в 2022 году, в результате чего телефоны, поддерживающие только эти протоколы, станут непригодными для звонков, даже в службу 911 . [3] [4]
Его также можно использовать в качестве технологии доступа к каналу или среде, как, например, ALOHA , или в качестве постоянного пилотного/сигнального канала, чтобы позволить пользователям синхронизировать свои гетеродины с общей частотой системы, тем самым также постоянно оценивая параметры канала.
В этих схемах сообщение модулируется более длинной расширяющей последовательностью, состоящей из нескольких чипов (0 и 1). Благодаря своим очень выгодным характеристикам авто- и взаимной корреляции эти расширяющие последовательности на протяжении многих десятилетий также использовались в радиолокационных приложениях, где они называются кодами Баркера (с очень короткой длиной последовательности, обычно от 8 до 32).
В приложениях космической связи CDMA использовался на протяжении многих десятилетий из-за больших потерь на трассе и доплеровского сдвига, вызванного движением спутника. CDMA часто используется с двоичной фазовой манипуляцией (BPSK) в ее простейшей форме, но может комбинироваться с любой схемой модуляции, такой как (в сложных случаях) квадратурная амплитудная модуляция (QAM) или мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM), которые обычно делает его очень надежным и эффективным (и оснащает его возможностями точного определения дальности, что затруднительно без CDMA). В других схемах используются поднесущие, основанные на модуляции двоичного смещения несущей (BOC-модуляция), которая основана на манчестерских кодах и обеспечивает больший разрыв между виртуальной центральной частотой и поднесущими, чего нельзя сказать о поднесущих OFDM.
Технология каналов 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 представлял собой летний исследовательский проект, проводившийся в Массачусетском технологическом институте с июня по август 1950 года. [5] Дальнейшие исследования в области помех и защиты от помех 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 за счет использования линейных методов существует три типа разделения сигналов: частотное, временное и компенсационное. [ нужны разъяснения ] Технология CDMA была использована в 1957 году, когда молодой военный радиоинженер Леонид Куприянович в Москве изготовил экспериментальную модель носимого автоматического мобильного телефона, названного им ЛК-1, с базовой станцией. [8] ЛК-1 имеет вес 3 кг, дальность действия 20–30 км и время автономной работы 20–30 часов. [9] [10] Базовая станция, по описанию автора, могла обслуживать несколько 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 началось развитие национальной гражданской мобильной связи для автомобилей « Алтай », основанной на советском стандарте МРТ-1327. Телефонная система весила 11 кг (24 фунта). Его размещали в багажнике автомобилей высокопоставленных чиновников и использовали стандартную трубку в салоне. Основными разработчиками системы «Алтай» выступили ВНИИС (Воронежский научно-исследовательский институт связи) и ГСПИ (Государственный специализированный проектный институт). В 1963 году эта услуга была запущена в Москве, а в 1970 году услуга Алтая использовалась в 30 городах СССР. [13]
CDMA – это метод множественного доступа с расширенным спектром. Метод расширения спектра равномерно распределяет полосу пропускания данных для одной и 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 выполняется с гораздо большей скоростью, чем передаваемые данные. Данные для передачи объединяются побитовым исключающим ИЛИ (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 элементарного сигнала). (Примечание: полоса пропускания пропорциональна , где = время передачи битов.) Следовательно, полоса пропускания сигнала данных равна , а полоса пропускания сигнала расширенного спектра равна . Поскольку намного меньше, чем , полоса пропускания сигнала с расширенным спектром намного больше, чем полоса пропускания исходного сигнала. Это соотношение называется коэффициентом расширения 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 другой код для модуляции своего сигнала. Выбор кодов, используемых для модуляции сигнала, очень важен для работы систем CDMA. Наилучшая производительность достигается при хорошем разделении сигнала желаемого пользователя и сигналов других пользователей. Разделение сигналов производится путем сопоставления принятого сигнала с локально сгенерированным кодом нужного пользователя. Если сигнал соответствует коду желаемого пользователя, то функция корреляции будет высокой, и система сможет извлечь этот сигнал. Если код искомого пользователя не имеет ничего общего с сигналом, корреляция должна быть как можно ближе к нулю (таким образом устраняя сигнал); это называется взаимной 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 подавления многолучевых помех. [18] [19]
Аналогией проблемы множественного доступа является комната (канал), в которой люди желают одновременно разговаривать друг с другом. Чтобы избежать путаницы, люди могли говорить по очереди (временное разделение), говорить на разной высоте (частотное разделение) или говорить на разных языках (кодовое разделение). CDMA аналогичен последнему примеру, когда люди, говорящие на одном языке, могут понимать друг друга, но другие языки воспринимаются как шум и отвергаются. Аналогично, в радио CDMA каждой группе пользователей предоставляется общий код. Многие коды занимают один и тот же канал, но общаться могут только пользователи, связанные с определенным кодом.
В целом CDMA принадлежит к двум основным категориям: синхронному (ортогональные коды) и асинхронному (псевдослучайные коды).
Метод цифровой модуляции аналогичен тем, которые используются в простых радиоприемопередатчиках. В аналоговом случае низкочастотный сигнал данных умножается во времени на высокочастотную чисто синусоидальную несущую и передается. По сути, это частотная свертка ( теорема Винера-Хинчина ) двух сигналов, в результате которой получается несущая с узкими боковыми полосами. В цифровом случае синусоидальная несущая заменяется функциями Уолша . Это бинарные прямоугольные волны, которые образуют полный ортонормированный набор. Сигнал данных также является двоичным, а умножение времени достигается с помощью простой функции XOR. Обычно в схеме это смеситель с ячейкой Гилберта .
Синхронный CDMA использует математические свойства ортогональности между векторами , представляющими строки данных. Например, двоичная строка 1011 представлена вектором (1, 0, 1, 1). Векторы можно умножить, 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 для разделения разных пользователей используются 64-битные коды Уолша . Поскольку каждый из 64 кодов Уолша ортогонален всем остальным, сигналы распределяются по каналам в 64 ортогональных сигнала. В следующем примере показано, как можно кодировать и декодировать сигнал каждого пользователя.
Начните с набора векторов, которые взаимно ортогональны . (Хотя взаимная ортогональность является единственным условием, эти векторы обычно строятся для удобства 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 примера используются коды v , состоящие всего из двух битов.
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 желает передать, равны (1, 0, 1, 1), то передаваемые символы будут иметь вид
Для целей этой статьи 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 помех, если два сигнала в одной точке находятся в фазе, они складываются, чтобы получить удвоенную амплитуду каждого сигнала, но если они не в фазе, они вычитают и дают сигнал, который представляет собой разность амплитуды. В цифровом виде это поведение можно смоделировать путем сложения векторов передачи, компонент за компонентом.
Если отправитель 0 имеет код (1, -1) и данные (1, 0, 1, 1), а отправитель 1 имеет код (1, 1) и данные (0, 0, 1, 1), и оба отправителя передают одновременно, то в этой таблице описаны этапы кодирования:
Поскольку сигнал 0 и сигнал 1 передаются в эфир одновременно, они складываются для получения необработанного сигнала.
Этот необработанный сигнал называется интерференционной картиной. Затем получатель извлекает понятный сигнал для любого известного отправителя, комбинируя код отправителя с интерференционной картиной. В следующей таблице объясняется, как это работает, и показано, 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 равно (2, −2, 2, 2), но получатель интерпретирует это как (1, 0, 1, 1). Значения ровно 0 означают, что отправитель не передал никаких данных, как в следующем примере:
Предположим, что сигнал 0 = (1, -1, -1, 1, 1, -1, 1, -1) передается один. В следующей таблице показано декодирование на приемнике:
Когда получатель пытается декодировать сигнал, используя код отправителя1, все данные представляют собой нули; следовательно, взаимная корреляция равна нулю и ясно, что отправитель1 не передавал никаких данных.
Когда связь между мобильными устройствами и базами не может быть точно скоординирована, особенно из-за мобильности мобильных телефонов, требуется другой подход. Поскольку математически невозможно создать сигнатурные последовательности, которые одновременно ортогональны для произвольно случайных начальных точек и полностью используют кодовое пространство, в асинхронном CDMA используются уникальные «псевдослучайные» или «псевдошумовые» последовательности, называемые расширяющими последовательностями. системы. Расширяющая последовательность — это двоичная последовательность, которая выглядит случайной, но может быть воспроизведена детерминированным образом предполагаемыми получателями. Эти расширяющие последовательности используются для кодирования и декодирования пользовательского сигнала в асинхронном CDMA таким же образом, как ортогональные коды в синхронном CDMA (показано в примере выше). Эти расширяющие последовательности статистически некоррелированы, и сумма большого количества расширяющих последовательностей приводит к помехам множественного доступа (MAI), которые аппроксимируются процессом гауссовского шума (в соответствии с центральной предельной теоремой в статистике). Коды Голда являются примером расширяющей последовательности, 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 по отношению к интересующему сигналу и слегка мешать желаемому сигналу пропорционально количеству пользователей.
Все формы CDMA используют коэффициент расширения спектра , чтобы позволить приемникам частично различать нежелательные сигналы. Принимаются сигналы, закодированные с помощью заданных последовательностей расширения, в то время как сигналы с разными последовательностями (или теми же последовательностями, но с разными временными сдвигами) отображаются как широкополосный шум, уменьшенный на коэффициент расширения.
Поскольку каждый пользователь генерирует MAI, контроль мощности сигнала является важной проблемой для передатчиков CDMA. Приемник CDM (синхронный CDMA), TDMA или FDMA теоретически может полностью подавлять сигналы произвольной силы, используя разные коды, временные интервалы или частотные каналы из-за ортогональности этих систем. Это неверно для асинхронного CDMA; подавление нежелательных сигналов является лишь частичным. Если какой-либо или все нежелательные сигналы намного сильнее желаемого, они его подавляют. Это приводит к общему требованию в любой асинхронной системе CDMA приблизительно соответствовать различным уровням мощности сигнала, видимым на приемнике. В сотовой связи CDMA базовая станция использует быструю схему управления мощностью с обратной связью для жесткого контроля мощности передачи каждого мобильного телефона.
В 2019 году были разработаны схемы точной оценки необходимой длины кодов в зависимости от доплеровских характеристик и характеристик задержки. [20] Вскоре после этого были опубликованы методы, основанные на машинном обучении, которые генерируют последовательности желаемой длины и свойств расширения. Они вполне конкурируют с классическими последовательностями Голда и Уэлча. Они не генерируются регистрами сдвига с линейной обратной связью, а должны храниться в справочных таблицах.
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 получены 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 помех со стороны пользователей, 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 уменьшают вероятность создания помех соседним каналам, но уменьшают использование спектра.
Асинхронный CDMA предлагает ключевое преимущество в гибком распределении ресурсов, т.е. распределении последовательностей расширения между активными пользователями. В случае CDM (синхронного CDMA), TDMA и FDMA количество одновременных ортогональных кодов, временных интервалов и частотных интервалов соответственно фиксировано, следовательно, пропускная способность 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 недостаточно используемыми из-за пакетного характера телефонной связи и передачи пакетированных данных. Не существует строгого ограничения на количество пользователей, которое может поддерживаться в асинхронной системе CDMA, есть только практический предел, определяемый желаемой вероятностью битовой ошибки, поскольку SIR (отношение сигнал/помеха) изменяется обратно пропорционально количеству пользователей. В среде с пульсирующим трафиком, такой как мобильная телефония, преимущество, обеспечиваемое асинхронным CDMA, заключается в том, что производительность (частота битовых ошибок) может колебаться случайным образом, при этом среднее значение определяется количеством пользователей, умноженным на процент использования. Предположим, что есть 2 N пользователей, которые разговаривают 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 состоит в том, что вероятность битовой ошибки для N пользователей, говорящих все время, является постоянной, тогда как для 2 N пользователей, говорящих половину времени, это случайная величина (с тем же средним значением) .
Другими словами, асинхронный CDMA идеально подходит для сетей мобильной связи, где большое количество передатчиков генерирует относительно небольшой объем трафика через нерегулярные интервалы времени. Системы CDM (синхронный CDMA), TDMA и FDMA не могут восстановить недостаточно используемые ресурсы, присущие пакетному трафику, из-за фиксированного количества ортогональных кодов, временных интервалов или частотных каналов, которые могут быть назначены отдельным передатчикам. Например, если в системе TDMA имеется N временных интервалов и 2 N пользователей, которые разговаривают половину времени, то в половине случаев более N пользователей будут нуждаться в использовании более N временных интервалов. Кроме того, потребовались бы значительные накладные расходы для постоянного выделения и освобождения ресурсов ортогонального кода, временных интервалов или частотных каналов. Для сравнения, асинхронные передатчики CDMA просто отправляют сообщения, когда им есть что сказать, и прекращают эфир, когда они этого не делают, 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, которая на несколько порядков превышает минимально необходимую полосу пропускания сигнала. Одной из первоначальных причин для этого было военное применение, включая системы наведения и связи. Эти системы были разработаны с использованием расширенного спектра из-за его безопасности и устойчивости к помехам. Асинхронный CDMA имеет встроенный некоторый уровень конфиденциальности, поскольку сигнал распространяется с использованием псевдослучайного кода; этот код заставляет сигналы с расширенным спектром выглядеть случайными или иметь шумоподобные свойства. Приемник не может демодулировать эту передачу, не зная псевдослучайной последовательности, используемой для кодирования данных. CDMA также устойчив к помехам. Сигнал помех имеет только ограниченное количество мощности, доступной для подавления сигнала. Глушитель может либо распространять 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. Кодирование и чередование свертки можно использовать для восстановления потерянных данных. Сигналы CDMA также устойчивы к замираниям из-за многолучевого распространения. Поскольку сигнал с расширенным спектром занимает большую полосу пропускания, только небольшая его часть будет подвергаться затуханию 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 устойчива к многолучевым помехам, заключается в том, что задержанные версии передаваемых псевдослучайных кодов будут иметь плохую корреляцию с исходным псевдослучайным кодом и, таким образом, будут выглядеть как еще один пользователь, который игнорируется в приемнике. Другими словами, пока многолучевой канал вызывает задержку хотя бы одного элементарного сигнала, сигналы многолучевого распространения будут поступать в приемник так, что они будут сдвинуты во времени по крайней мере на один элементарные сигналы от предполагаемого сигнала. Корреляционные свойства псевдослучайных кодов таковы, что эта небольшая задержка приводит к тому, что многолучевое распространение кажется некоррелированным с предполагаемым сигналом, и поэтому оно игнорируется.
Некоторые устройства CDMA используют рейк-приемник , который использует компоненты многолучевой задержки для улучшения производительности системы. Рейк-приемник объединяет информацию от нескольких корреляторов, каждый из которых настроен на разную задержку на пути, создавая более сильную версию сигнала, чем простой приемник с одной корреляцией, настроенной на задержку на пути самого сильного сигнала. [1] [2]
Повторное использование частоты — это возможность повторно использовать одну и ту же частоту радиоканала на других сотовых узлах сотовой системы. В системах FDMA и TDMA планирование частот является важным фактором. Частоты, используемые в разных ячейках, должны быть тщательно спланированы, чтобы гарантировать, что сигналы из разных ячеек не мешают друг другу. В системе CDMA одна и та же частота может использоваться в каждой ячейке, поскольку распределение каналов осуществляется с использованием псевдослучайных кодов. Повторное использование одной и той же частоты в каждой соте устраняет необходимость планирования частот в системе CDMA; однако планирование различных псевдослучайных последовательностей должно быть выполнено, чтобы гарантировать, что принятый сигнал из одной соты не коррелирует с сигналом из соседней соты. [1]
Поскольку соседние соты используют одни и те же частоты, системы CDMA имеют возможность выполнять мягкую передачу обслуживания. Мягкая передача обслуживания позволяет мобильному телефону обмениваться данными одновременно с двумя или более сотами. Наилучшее качество сигнала выбирается до завершения переключения. Это отличается от жесткой передачи управления, используемой в других сотовых системах. В ситуации жесткого переключения, когда мобильный телефон приближается к переключению, уровень сигнала может резко измениться. Напротив, в системах CDMA используется мягкая передача обслуживания, 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, значительно превышающей длину расширения в среде с ограничением MAI. Авторы показывают, что этого увеличения можно добиться при низкой сложности и высокой частоте ошибок по битам в каналах с плоским замиранием, что является серьезной исследовательской задачей для перегруженных систем CDMA. В этом подходе вместо использования одной последовательности для каждого пользователя, как в обычном CDMA, авторы группируют небольшое количество пользователей для совместного использования одной и той же последовательности расширения и позволяют выполнять групповые операции расширения и сжатия. Новый совместный многопользовательский приемник состоит из двух этапов: этап группового многопользовательского обнаружения (MUD) для подавления MAI между группами и этап обнаружения низкой сложности с максимальным правдоподобием для совместного восстановления данных совместного распространения пользователей с использованием минимального Евклидова мера расстояния и коэффициенты усиления канала пользователей. Расширенная версия CDMA, известная как множественный доступ с чередованием и разделением каналов (IDMA), использует ортогональное перемежение как единственное средство разделения пользователей вместо сигнатурной последовательности, используемой в системе CDMA.
{{cite conference}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )