División del código acceso múltiple

La división del código acceso múltiple (CDMA) es un método de acceso del canal usado por varias tecnologías de radiocomunicación. No se debería confundir con cdmaOne llamado de los estándares de teléfono móvil, CDMA2000 (el 3G la evolución de cdmaOne) y WCDMA (el 3G estándar usado por transportistas del GSM), que a menudo se mandan a como simplemente CDMA y usan CDMA como un método de acceso del canal subyacente.

Uno de los conceptos en la comunicación de datos es la idea de permitir que varios transmisores envíen la información simultáneamente sobre un canal de comunicación solo. Esto permite que varios usuarios compartan un grupo de frecuencias (ver la amplitud de banda). Este concepto se llama acceso múltiple. CDMA emplea la tecnología del espectro de la extensión y un esquema de codificación especial (donde cada transmisor se asigna un código) permitir que usuarios múltiples sean multiplexed sobre el mismo canal físico. Por el contraste, la división del tiempo acceso múltiple (TDMA) divide el acceso antes del tiempo, mientras la división de la frecuencia acceso múltiple (FDMA) lo divide en la frecuencia. CDMA es una forma de la señalización del espectro de la extensión, ya que la señal cifrada modulada tiene una amplitud de banda de datos mucho más alta que los datos comunicados.

Una analogía con el problema de acceso múltiple es un cuarto (canal) en el cual la gente desea dirigirse el uno al otro simultáneamente. Para evitar la confusión, la gente se podría turnar hablando (división del tiempo), hablar en lanzamientos diferentes (división de frecuencia) o hablar en lenguas diferentes (división del código). CDMA es análogo al último ejemplo donde la gente que dice la misma lengua puede entender el uno al otro, pero otras lenguas se perciben como el ruido y se rechazan. Del mismo modo, en la radio CDMA, dan cada grupo de usuarios un código compartido. Muchos códigos ocupan el mismo canal, pero sólo los usuarios asociados con un código particular se pueden comunicar.

La tecnología de la división del código canales de acceso múltiples se ha mucho tiempo conocido. En la URSS, el primer trabajo dedicado a este sujeto fue publicado en 1935 por el profesor. Se mostró que a través del uso de métodos lineales, hay tres tipos de la separación de la señal: frecuencia, tiempo y compensador. La tecnología de CDMA se usó en 1957, cuando el ingeniero de la radio militar joven Leonid Kupriyanovich en Moscú, hizo un modelo experimental de un teléfono móvil automático llevable, llamado LK-1 por él, con una central. LK-1 tiene un peso de 3 kilogramos, 20-30 kilómetros distancia de operaciones, y 20–30 horas de la duración de la pila. La central, como descrito por el autor, podría servir a varios clientes. En 1958, Kupriyanovich hizo el nuevo modelo "de bolsillo" experimental del teléfono móvil. Este teléfono pesó 0.5 kg. Para servir a más clientes, Kupriyanovich propuso el dispositivo, llamado por él como correllator. En 1958, la URSS también comenzó el desarrollo del servicio de telefonía móvil civil nacional "Altai" para coches, basados en el estándar MRT-1327 soviético. El sistema telefónico pesó 11 kilogramos y era aproximadamente 3 metros cúbicos en la talla. Se colocó en el tronco de los vehículos de funcionarios de alto rango y usó un microteléfono estándar en el compartimento de pasajeros. Los reveladores principales del sistema de Altai eran VNIIS (el Instituto de investigación de la Ciencia de Voronezh de Comunicaciones) y GSPI (Instituto de Proyecto Especializado estatal). En 1963 este servicio comenzó en Moscú y en 1970 el servicio de Altai se usó en 30 ciudades de la URSS.

Usos

Pasos en modulación de CDMA

CDMA es un espectro de extensión técnica de acceso múltiple. Una técnica del espectro de extensión extiende la amplitud de banda de los datos uniformemente para el mismo poder transmitido. Un código que se extiende es un código pseudoarbitrario que tiene una función de Ambigüedad estrecha, a diferencia de otros códigos del pulso estrechos. En CDMA un código en la localidad generado corre a un precio mucho más alto que los datos para transmitirse. Los datos para la transmisión se combinan vía bitwise XOR (exclusivo O) con el código más rápido. La cifra muestra cómo una señal del espectro de extensión se genera. La señal de datos con la duración del pulso de es XOR’ed con la señal del código con la duración del pulso de. (Note: la amplitud de banda es proporcional a donde = tiempo de bit) Por lo tanto, la amplitud de banda de la señal de datos es y la amplitud de banda de la señal del espectro de extensión es. Desde es mucho más pequeño que, la amplitud de banda de la señal del espectro de extensión es mucho más grande que la amplitud de banda de la señal original. La proporción se llama el factor que se extiende o tratando la ganancia y determina hasta cierto punto el límite superior del número total de usuarios apoyados simultáneamente por una central.

Cada usuario en un sistema CDMA usa un código diferente para modular su señal. La elección de los códigos usados para modular la señal es muy importante en el rendimiento de sistemas CDMA. El mejor rendimiento ocurrirá cuando haya separación buena entre la señal de un usuario deseado y las señales de otros usuarios. La separación de las señales se hace correlacionando la señal recibida con el código en la localidad generado del usuario deseado. Si la señal corresponde al código del usuario deseado entonces la función de correlación será alta y el sistema puede extraer esa señal. Si el código del usuario deseado no tiene nada en común con la señal la correlación debería estar el más cerca del cero posible (así eliminando la señal); esto se menciona como la correlación enfadada. Si el código se correlaciona con la señal en cualquier momento compensada además del cero, la correlación debería estar el más cerca del cero posible. Esto se menciona como la autocorrelación y es usado para rechazar la interferencia del multicamino.

En general, CDMA pertenece a dos categorías básicas: sincrónico (códigos ortogonales) y asincrónico (códigos pseudoarbitrarios).

Multiplexión de la división del código (CDMA Sincrónico)

CDMA sincrónico explota propiedades matemáticas de orthogonality entre vectores que representan las cuerdas de datos. Por ejemplo, binario ensartan 1011 es representado por el vector (1, 0, 1, 1). Los vectores se pueden multiplicar tomando su producto de punto, sumando los productos de sus componentes respectivos (por ejemplo, si u = (a, b) y v = (c, d), entonces su producto de punto u · v = ac + bd). Si el producto de punto es el cero, se dice que los dos vectores son ortogonales el uno al otro. Algunas propiedades del entendimiento de ayuda del producto de punto de cómo W-CDMA trabaja. Si los vectores a y b son ortogonales, entonces y:

:

\mathbf {un }\\cdot (\mathbf un + \mathbf {b}) &= ||\mathbf {un} ||^2 &\\quad\mathrm {ya que }\\cuatrillizo \mathbf {un }\\cdot\mathbf un + \mathbf {un }\\cdot\mathbf {b} &= || un ||^2+0 \\

\mathbf {un }\\cdot (-\mathbf un + \mathbf {b}) &= - ||\mathbf {un} ||^2 &\\quad\mathrm {ya que }\\cuatrillizo-\mathbf {un }\\cdot\mathbf un + \mathbf {un }\\cdot\mathbf {b} &= - || un ||^2+0 \\

\mathbf {b }\\cdot (\mathbf un + \mathbf {b}) &= ||\mathbf {b} ||^2 &\\quad\mathrm {ya que }\\cuatrillizo \mathbf {b }\\cdot\mathbf un + \mathbf {b }\\cdot\mathbf {b} &= 0 + || b ||^2 \\

\mathbf {b }\\cdot (\mathbf {un}-\mathbf {b}) &= - ||\mathbf {b} ||^2 &\\quad\mathrm {ya que }\\cuatrillizo \mathbf {b }\\cdot\mathbf {un}-\mathbf {b }\\cdot\mathbf {b} &= 0-|| b ||^2

Los \end {alinean} </matemáticas>

Cada usuario en CDMA sincrónico usa un código ortogonal para los demás códigos para modular su señal. Un ejemplo de cuatro señales digitales mutuamente ortogonales se muestra en la cifra. Los códigos ortogonales tienen una correlación enfadada igual al cero; en otras palabras, no interfieren el uno con el otro. En caso de ES 95 64 trozos los códigos de Walsh son usados para codificar la señal de separar a usuarios diferentes. Desde cada uno de los 64 códigos de Walsh son ortogonales el uno al otro, las señales son channelized en 64 señales ortogonales. El ejemplo siguiente demuestra cómo la señal de cada usuario se puede codificar y descifrarse.

Ejemplo

Comience con un juego de vectores que son mutuamente ortogonales. (Aunque mutuo el orthogonality es la única condición, estos vectores por lo general se construyen para la facilidad del descifre, por ejemplo columnas o filas de Walsh matrices.) Un ejemplo de funciones ortogonales se muestra en el cuadro a la izquierda. Estos vectores se asignarán a usuarios individuales y se llaman el código, código de la viruta, o desconchando el código. En el interés de la brevedad, el resto de este ejemplo usa códigos, v, con sólo 2 trozos.

Cada usuario tiene que ver con un código diferente, diga v. 1 trozo se representa transmitiendo un código positivo, v, y 0 trozos son representados por un código negativo,-v. Por ejemplo, si v = (1,-1) y los datos que el usuario desea transmitir es (1, 0, 1, 1), entonces los símbolos transmitidos serían (v,-v, v, v) = (v, v,-v,-v, v, v, v, v) = (1,-1,-1, 1, 1,-1, 1,-1). Con los objetivos de este artículo, llamamos este vector construido el vector transmitido.

Cada remitente tiene un vector diferente, único v elegido de ese juego, pero el método de construcción del vector transmitido es idéntico.

Ahora, debido a propiedades físicas de la interferencia, si dos señales a un punto están en la fase, añaden para dar dos veces la amplitud de cada señal, pero si son desfasados, restan y dan una señal que es la diferencia de las amplitudes. Digitalmente, este comportamiento puede ser modelado por la adición de los vectores de transmisión, componente por el componente.

Si sender0 tiene el código (1,-1) y datos (1, 0, 1, 1), y sender1 tiene el código (1, 1) y datos (0, 0, 1, 1), y ambos remitentes transmiten simultáneamente, entonces esta mesa describe los pasos de codificación:

Como signal0 y signal1 se transmiten al mismo tiempo en el aire, añaden para producir la señal cruda:

: (1,-1,-1, 1, 1,-1, 1,-1) + (-1,-1,-1,-1, 1, 1, 1, 1) = (0,-2,-2, 0, 2, 0, 2, 0)

Esta señal cruda se llama un modelo de interferencia. El receptor entonces extrae una señal inteligible para cualquier remitente conocido combinando el código del remitente con el modelo de interferencia, el receptor lo combina con los códigos de los remitentes. La mesa siguiente explica cómo esto trabaja y muestra que las señales no interfieren el uno con el otro:

Adelante, después del descifre, todos los valores mayores que 0 se interpretan como 1 mientras todos los valores menos que el cero se interpretan como 0. Por ejemplo, después del descifre, el data0 es (2,-2, 2, 2), pero el receptor interpreta esto como (1, 0, 1, 1). Los valores de exactamente 0 medios que el remitente no transmitió ningunos datos, como en el ejemplo siguiente:

Suponga que signal0 = (1,-1,-1, 1, 1,-1, 1,-1) se transmita solo. La mesa siguiente muestra descifrar en el receptor:

Cuando el receptor intenta descifrar la señal usando sender1's el código, los datos son todos los ceros, por lo tanto la correlación enfadada es igual al cero y está claro que sender1 no transmitió ningunos datos.

CDMA asincrónico

Cuando las relaciones móviles a la base no se pueden exactamente coordinar, particularmente debido a la movilidad de los microteléfonos, se requiere un enfoque diferente. Ya que no es matemáticamente posible crear secuencias de la firma que son tanto ortogonales para puntos de partida arbitrariamente arbitrarios como que hacen el uso lleno del código espacial, único "pseudoarbitrario" o "pseudoruido" (PN) las secuencias se usan en sistemas CDMA asincrónicos. Un código de PN es una secuencia binaria que parece arbitraria, pero puede ser reproducida en una manera determinista por receptores intencionados. Estos códigos de PN son usados para codificar y descifrar la señal de un usuario en CDMA Asincrónico en la misma manera que los códigos ortogonales en CDMA sincrónico (mostrado en el ejemplo encima). Estas secuencias PN según las estadísticas se no correlacionan, y la suma de un gran número de secuencias PN causa la interferencia de acceso múltiple (MAI) que es acercada por un proceso del ruido de Gaussian (después de teorema de límite central en la estadística). Los códigos de oro son un ejemplo de un conveniente PN para este fin, como hay correlación baja entre los códigos. Si todos los usuarios se reciben con el mismo nivel de poder, entonces el desacuerdo (p.ej, el poder del ruido) de los aumentos de MAI de la proporción directa con el número de usuarios. En otras palabras, a diferencia de CDMA sincrónico, las señales de otros usuarios aparecerán como el ruido a la señal de interés e interferirán ligeramente con la señal deseada en la proporción con el número de usuarios.

Todas las formas de CDMA usan la ganancia de proceso del espectro de extensión para permitir que receptores discriminen parcialmente a señales no deseadas. Las señales codificadas con la secuencia PN especificada (código) se reciben, mientras las señales con códigos diferentes (o el mismo código pero una compensación de cronometraje diferente) aparecen como el ruido de banda ancha reducido por la ganancia de proceso.

Ya que cada usuario genera MAI, controlar la fuerza de la señal es una cuestión importante con transmisores CDMA. Un CDM (CDMA sincrónico), TDMA o receptor FDMA puede en la teoría completamente rechazar señales arbitrariamente fuertes usando códigos diferentes, ranuras de tiempo o canales de frecuencia debido al orthogonality de estos sistemas. Esto no es verdad para CDMA Asincrónico; el rechazo de señales no deseadas sólo es parcial. Si algunas o todas de las señales no deseadas son mucho más fuertes que la señal deseada, la abrumarán. Esto lleva a un requisito general en cualquier sistema CDMA asincrónico para corresponder aproximadamente a varios niveles de poder de la señal como visto en el receptor. En el CDMA celular, los usos de la central un esquema de control de poder del circuito cerrado rápido de controlar fuertemente cada móvil transmiten el poder.

Ventajas de CDMA asincrónico sobre otras técnicas

Utilización Práctica eficiente de Espectro de Frecuencia Fijo

En la teoría, CDMA, TDMA y FDMA tienen exactamente la misma eficacia espectral pero prácticamente, cada uno tiene sus propios desafíos – control de poder en caso de CDMA, que calcula en caso de TDMA y generación/penetración de frecuencia el caso de FDMA.

Los sistemas de TDMA deben sincronizar con cuidado los tiempos de transmisión de todos los usuarios para asegurar que se reciban en la ranura de tiempo correcta y no causen la interferencia. Ya que esto no se puede perfectamente controlar en un ambiente móvil, cada ranura de tiempo debe tener un tiempo de la guardia, que reduce la probabilidad que los usuarios interferirán, pero disminuyen la eficacia espectral. Del mismo modo, los sistemas de FDMA deben usar un grupo de la guardia entre canales contiguos, debido al cambio doppler imprevisible del espectro de la señal debido a la movilidad del usuario. Los grupos de la guardia reducirán la probabilidad que los canales contiguos interferirán, pero disminuirán la utilización del espectro.

Asignación flexible de recursos

CDMA asincrónico ofrece una ventaja clave en la asignación flexible de recursos es decir la asignación de un PN cifra a usuarios activos. En caso de CDM (CDMA sincrónico), TDMA y FDMA el número de códigos ortogonales simultáneos, ranuras de tiempo y ranuras de frecuencia respectivamente se fija de ahí la capacidad en términos de número de usuarios simultáneos se limita. Hay un número fijo de códigos ortogonales, ranuras de tiempo o bandas de frecuencia que se pueden asignar para CDM, TDMA y sistemas FDMA, que permanecen underutilized debido a la naturaleza bursty de telefonía y transmisiones de información packetized. No hay ningún límite estricto del número de usuarios que se pueden apoyar en un sistema CDMA asincrónico, sólo un límite práctico gobernado por la probabilidad de bit error deseada, ya que el SEÑOR (Señal a la Proporción de Interferencia) varía inversamente con el número de usuarios. En un ambiente de tráfico bursty como la telefonía móvil, la ventaja permitida por CDMA asincrónico consiste en que el rendimiento (índice de errores binarios) se permite fluctuar al azar, con un valor medio determinado por el número de tiempos de usuarios el porcentaje de la utilización. Suponga que hay 2N usuarios que sólo hablan la mitad del tiempo, entonces 2N los usuarios se pueden alojar con la misma probabilidad de bit error media que N usuarios que hablan todo el tiempo. La diferencia clave aquí es que la probabilidad de bit error para usuarios N que hablan todo el tiempo es constante, mientras que es una cantidad arbitraria (con lo mismo medio) para 2N usuarios que hablan la mitad del tiempo.

En otras palabras, CDMA asincrónico conviene idealmente a una red móvil donde los grandes números de los transmisores cada uno genera una relativamente pequeña cantidad de tráfico en intervalos irregulares. CDM (CDMA sincrónico), TDMA y sistemas FDMA no puede recuperar los recursos underutilized inherentes al tráfico bursty debido al número fijo de códigos ortogonales, ranuras de tiempo o canales de frecuencia que se pueden asignar a transmisores individuales. Por ejemplo, si hay ranuras de tiempo N en un sistema TDMA y 2N usuarios que hablan la mitad del tiempo, luego la mitad del tiempo habrá más que usuarios N que tienen que usar más que ranuras de tiempo N. Además, requeriría significativo arriba asignar continuamente y desasignar el código ortogonal, ranura de tiempo o recursos del canal de frecuencia. En la comparación, los transmisores CDMA asincrónicos simplemente envían cuando tienen algo para decir y marcharse el aire cuando no hacen, guardando la misma secuencia de la firma PN mientras se relacionan con el sistema.

Características del espectro de la extensión de CDMA

La mayor parte de esquemas de modulación tratan de minimizar la amplitud de banda de esta señal ya que la amplitud de banda es un recurso limitado. Sin embargo, las técnicas del espectro de extensión usan una amplitud de banda de transmisión que es varios ordenes de magnitud mayores que la amplitud de banda de la señal requerida mínima. Una de las razones iniciales de hacer esto era aplicaciones militares incluso dirección y sistemas de comunicación. Estos sistemas se diseñaron usando el espectro de extensión debido a su seguridad y resistencia al sobrelleno. CDMA asincrónico tiene algún nivel de la intimidad incorporada porque la señal se extiende usando un código pseudoarbitrario; este código hace las señales del espectro de extensión parecer arbitrarias o tener propiedades parecidas a un ruido. Un receptor no puede demodular esta transmisión sin el conocimiento de la secuencia pseudoarbitraria usada para codificar los datos. CDMA también es resistente al sobrelleno. Una señal que se atranca sólo tiene una cantidad finita del poder disponible para atestar la señal. El jammer puede extender o su energía sobre la amplitud de banda entera de la señal o mermelada sólo la parte de la señal entera.

CDMA también puede rechazar con eficacia la interferencia de la banda estrecha. Ya que la interferencia de la banda estrecha afecta sólo una pequeña parte de la señal del espectro de extensión, se puede fácilmente quitar a través de la filtración de la muesca sin mucha pérdida de la información. La codificación de la circunvolución e intercalar pueden ser usados para asistir en la recuperación de estos datos perdidos. Las señales de CDMA también son resistentes a la descoloración del multicamino. Ya que la señal del espectro de extensión ocupa una amplitud de banda grande sólo una pequeña parte de esto se someterá a la descoloración debido al multicamino en cualquier momento dado. Como la interferencia de la banda estrecha esto causará sólo una pequeña pérdida de datos y se puede vencer.

Otra razón CDMA es resistente a la interferencia del multicamino consiste en porque las versiones retrasadas de los códigos pseudoarbitrarios transmitidos tendrán la correlación pobre con el código pseudoarbitrario original y aparecerán así como otro usuario, que se ignora en el receptor. En otras palabras, mientras el canal del multicamino induce al menos una viruta de la tardanza, las señales del multicamino llegarán al receptor tal que son cambiados a tiempo por al menos una viruta de la señal intencionada. Las propiedades de correlación de los códigos pseudoarbitrarios son tales que esta tardanza leve hace que el multicamino parezca no correlacionado con la señal intencionada, y así se ignora.

Algunos dispositivos CDMA usan un receptor del rastrillo, que explota componentes de la tardanza del multicamino para mejorar el rendimiento del sistema.

Un receptor del rastrillo combina la información de varios correlators, cada uno sintonizado una tardanza del camino diferente, produciendo una versión más fuerte de la señal que un receptor simple con una correlación sola sintonizada la tardanza del camino de la señal más fuerte.

La reutilización de frecuencia es la capacidad de reutilizar la misma frecuencia del canal de la radio en otros sitios de la célula dentro de un sistema celular. En el FDMA y frecuencia de sistemas TDMA la planificación es una consideración importante. Las frecuencias usadas en células diferentes se deben planear con cuidado para asegurar que las señales de células diferentes no interfieran el uno con el otro. En un sistema CDMA, la misma frecuencia se puede usar en cada célula, porque channelization se hace usando los códigos pseudoarbitrarios. La reutilización de la misma frecuencia en cada célula elimina la necesidad de la planificación de frecuencia en un sistema CDMA; sin embargo, la planificación de las secuencias pseudoarbitrarias diferentes se debe hacer para asegurar que la señal recibida de una célula no guarde correlación con la señal de una célula cercana.

Ya que las células contiguas usan las mismas frecuencias, los sistemas de CDMA tienen la capacidad de realizar reencaminamientos suaves. Los reencaminamientos suaves permiten que el teléfono móvil se comunique simultáneamente con dos o más células. La mejor calidad de la señal se selecciona hasta que el reencaminamiento sea completo. Esto es diferente de reencaminamientos difíciles utilizado en otros sistemas celulares. En un reencaminamiento difícil de situación, ya que el teléfono móvil se acerca a un reencaminamiento, la fuerza de la señal puede variar repentinamente. En contraste, los sistemas de CDMA usan el reencaminamiento suave, que es no detectable y proporciona una señal de calidad más confiable y más alta.

CDMA de colaboración

En un estudio reciente, una transmisión multiusuaria de colaboración nueva y esquema de descubrimiento llamado CDMA de Colaboración se ha investigado para el uplink que explota las diferencias entre las firmas del canal de descoloración de los usuarios para aumentar la capacidad del usuario bien más allá de la longitud que se extiende en la interferencia de acceso múltiple (MAI) limitó el ambiente. Los autores muestran que es posible conseguir este aumento en una complejidad baja y rendimiento del índice de errores binarios alto en at canales que se descoloran, que es un desafío de investigación principal para sistemas CDMA sobrecargados. En este enfoque, en vez de usar una secuencia por usuario como en CDMA convencional, los autores agrupan un pequeño número de usuarios para compartir la misma secuencia de extensión y permitir extensión del grupo y operaciones despreading. El nuevo receptor multiusuario de colaboración consiste en dos etapas: la etapa de descubrimiento multiusuario (MUD) del grupo para suprimir el MAI entre los grupos y una etapa de descubrimiento de probabilidad máxima de la complejidad baja para recuperar conjuntamente los datos de los usuarios de co-extensión usando la medida de la distancia Euclidiana mínima y el canal de los usuarios gana coefficients. En CDM la seguridad de la señal es alta.

Véase también

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