Kódosztásos többszörös hozzáférés

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából

A kódosztásos többszörös hozzáférés (angolul Code Division Multiple Access, röviden CDMA) a multiplexálás egy formája (és nem egy modulációs séma) és a többszörös hozzáférés egy lehetséges megvalósítása, amely nem osztja a csatornát idő alapján, mint a TDMA, vagy frekvencia alapján, mint a FDMA, hanem az adatokhoz csatornánként speciális kódokat rendel, és kihasználja a konstruktív interferencia tulajdonságot a multiplexáláshoz.[1] CDMA használatos még a digitális cellás telefon rendszerekben, mint többszörös csatorna hozzáférési rendszer, amelynek az úttörője a Qualcomm volt, és az eljárás W-CDMA néven ismert.

A CDMA a második világháborúban az angolok által kifejlesztett katonai technológián alapul, amit a szövetségesek rádióadásaik német zavarása illetve lehallgatása ellen terveztek. A szövetségesek úgy döntöttek, hogy használják ezt a megoldást, és nem csak egy, hanem több frekvencián is küldték az üzeneteket, megnehezítve ezzel a németek számára a zavarást és az összes jelzés lehallgatását.

A CDMA eljárást több kommunikációs rendszer használja, ideértve a globális helymeghatározó rendszert, a Global Positioning System (GPS)t és az OmniTRACS műholdas távközlési rendszert, amelyet a logisztikában használnak. A későbbi fejlesztések, amelyeket szintén a Qualcomm mérnökei végeztek, kifejlesztették a lágy átadás (lásd később) technológiáját és a gyors teljesítmény szabályzást, amelyek szükségesek voltak ahhoz, hogy a CDMA a gyakorlatban is egy praktikus, hatékony technológia legyen a földi cellás kommunikáció területén.

A CDMA története[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Lásd: direct-sequence spread spectrum (DSSS).

Használata a mobil telefóniában[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Számos, a CDMA megvalósításával kapcsolatos kifejezés használatos mind a mai napig. Az eredeti, a Qualcomm által kidolgozott újdonság IS-95 néven volt ismert, ahol IS az Interim Standard (belső szabvány) rövidítése, amelyet a Telecommunications Industry Association (TIA) adott ki. Az IS-95-re gyakran hivatkoznak, mint 2G vagy második generációs cellás szabvány. A szabványt még a kidolgozó cég neve után Qualcomm szabványként is ismerik, és 2G CDMA szabványnak is nevezik.

Néhány módosítás és kiegészítés után, az IS-95 alapján megjelent a IS-2000 szabvány. Ezt a szabványt úgy jelentették be, hogy bizonyos részeiben már megfelel az IMT-2000 által megadott 3G, harmadik generációs cellás átviteli szabványnak. A szabvány egy része, a 1xRTT amely egyszerűen csak a "1 times Radio Transmission Technology" (1-szeres rádió átviteli technológia) vált ismertté, és azt mutatta, hogy az új technológia (IS-2000) ugyanazt a 1,25 MHz-es megosztott csatornát használja, mint amit az IS-95 is használt. A korszerűbb, 3xRTT-nek nevezett technológia három, 1,25-MHz-es vivőt használ 3,75 MHz-es sávszélesség mellett, ami megenged magasabb adatlöketet egy egyéni felhasználónak, de ez a 3xRTT technológia a kereskedelemben nem terjedt el. Végül, a Qualcomm kidolgozott egy új, CDMA alapú technológiát, amit "Evolution-Data Optimized-1xEV-DO"-nak neveztek, vagy IS-856-nak, ami biztosította az IMT-2000 által megkövetelt nagyobb adatcsomag átviteli rátát, és jobban megfelelt a vezeték nélküli hálózati elvárásoknak.

A Qualcomm CDMA rendszere nagyon pontos időzítéseket igényel (általában egy GPS vevőt alkalmaznak egy cella bázisállomásán referencia óraként), ezért a CDMA alapú cellás telefonok órái a legkihasználtabb rádió órák a számítógépes hálózatokban. A cellán belüli referencia óra fő előnye, hogy nem kell a helyes épületen belüli működéshez egy külső GPS antennát telepíteni az épületekre.

Gyakran összekeverik a CDMA-t a W-CDMA-val. Bár a CDMA technikát mint alapelvet használja a W-CDMA rádió interfésze, és ezt az interfészt használják a globális 3G szabványok UMTS és a NTT DoCoMo által kidolgozott japán 3G szabvány, a FOMA, és a Vodafone; ennek ellenére, a CDMA szabvány család (beleértve az cdmaOne-t és a CDMA2000-t) nem kompatibilis a W-CDMA szabvány családdal.

Technikai megvalósítása[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Matematikai alapok[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A CDMA alapvetően az ortogonalitáson, mint matematikai tulajdonságon alapul.

Tegyük fel, hogy egy adat jelet mint vektort ábrázoljuk. Például, a bináris "1011" jelsorozatot a (1, 0, 1, 1) vektor ábrázolja. A vektornak adhatunk nevet, amire a vastagított betűket fogunk használni, például a. Használjuk a következőkben a vektorok között a jól ismert "pont műveletet", ami a skalár eredményt adó vektor "szorzása" vektorral művelet, amely végül a komponensek szorzatainak összegét adja eredményül. Például, vegyük az (1, 0, 1, 1) és (1, -1, -1, 0) vektorok skaláris szorzatát (dot product), aminek az eredménye (1)(1)+(0)(-1)+(1)(-1)+(1)(0)=1+-1=0 lesz. Ha az a és a b vektorokat a "pont művelettel" összeszorozzuk, és ennek az eredménye 0, akkor azt mondjuk, a két vektor ortogonális (magyarul: merőleges egymásra).

A "pont szorzásnak" számos tulajdonsága van, de a CDMA működésének megértéséhez csak a következő tulajdonság a lényeges: az a, b, c vektorokra:

\mathbf{a}\cdot(\mathbf{b}+\mathbf{c})=\mathbf{a}\cdot\mathbf{b}+\mathbf{a}\cdot\mathbf{c},\quad\mathrm{ } és
\mathbf{a}\cdot k\mathbf{b}=k(\mathbf{a}\cdot\mathbf{b}).

Nagyon fontos, hogy az a.a négyzetgyöke egy valós szám. Ezt a következő formában írhatjuk le:

||\mathbf{a}||=\sqrt{\mathbf{a}\cdot\mathbf{a}}.

Tegyük fel, hogy az a és a b vektorok ortogonálisak. Ekkor:

\mathbf{a}\cdot(\mathbf{a}+\mathbf{b})=||\mathbf{a}||^2\quad\mathrm{mivel}\quad\mathbf{a}\cdot\mathbf{a}+\mathbf{a}\cdot\mathbf{b}= ||a||^2+0,
\mathbf{a}\cdot(-\mathbf{a}+\mathbf{b})=-||\mathbf{a}||^2\quad\mathrm{mivel}\quad-\mathbf{a}\cdot\mathbf{a}+\mathbf{a}\cdot\mathbf{b}= -||a||^2+0,
\mathbf{b}\cdot(\mathbf{a}+\mathbf{b})=||\mathbf{b}||^2\quad\mathrm{mivel}\quad\mathbf{b}\cdot\mathbf{a}+\mathbf{b}\cdot\mathbf{b}= 0+||b||^2,
\mathbf{b}\cdot(\mathbf{a}-\mathbf{b})=-||\mathbf{b}||^2\quad\mathrm{mivel}\quad\mathbf{b}\cdot\mathbf{a}-\mathbf{b}\cdot\mathbf{b}=0 -||b||^2.

Megvalósítása[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Példa 4 ortogonális digitális jelre.

Tegyük fel, hogy adott a vektorok egy olyan halmaza, amelyben a vektorok kölcsönösen ortogonálisak. Általában ezek a vektorok – az egyszerű dekódolás miatt – speciálisan megkonstruáltak, Walsh mátrixok sorai vagy oszlopai, és úgynevezett Walsh függvények segítségével konstruálhatók – de a legfontosabb matematikai megkötés, hogy a vektoroknak ortogonálisoknak kell lenniük. A jobb oldalon lévő ábra 4 egymással ortogonális digitális jelre mutat példát. Tételezzük most fel, hogy a halmazból kiválasztunk egy vektort, legyen ez v, és legyen ez az úgynevezett "küldő vektor", vagy ahogyan a CDMA eljárásban nevezik, töredék kód (chip sequence). Rendeljük a 0 számjegyhez a -v vektort, és az 1 számjegyhez a v vektort. Például, ha v=(1,-1), és a bináris vektor (1, 0, 1, 1) akkor eredményül a (1,-1,-1,1,1,-1,1,-1) vektort kapjuk. Az eljárással létrehoztuk az átvitt vektort.

Minden küldőnek van egy egyedi, a halmazból származó vektora, az átvitt vektor létrehozása viszont ugyanúgy (a fentieknek megfelelően) történik.

Most kap szerepet a fizikai interferencia: amikor két jel azonos fázisban van, akkor a két jel "összeadódik", és az eredmény jel amplitúdója a két jel amplitúdójának összege lesz, míg ha a jelek ellenkező fázisban vannak, akkor az eredendő amplitúdó az eredeti amplitúdók különbsége, a jelek "kivonódnak" egymásból. Digitális jelek esetében ezt úgy modellezhetjük, hogy az átvitt vektorokat komponensenként összeadjuk. Így, esetünkben van két küldő, akik egy időben küldenek, az egyik az (1, -1) chip kóddal az (1, 0, 1, 1) adatvektort, a másik az (1, 1) chip kóddal küldi a (0,0,1,1) adatvektort, az eredő vektor pedig a két átvitt vektor összege lesz, azaz az eredendő átviteli vektor (1,-1,-1,1,1,-1,1,-1)+(-1,-1,-1,-1,1,1,1,1)=(0,-2,-2,0,2,0,2,0).

Tegyük fel, a vevő megkapta a fenti jelet, és szeretné dekódolni, hogy mit küldött az adó a (1,-1) chip kóddal. A vevő az előzőekben ismertetett matematikai műveletet, a "pont szorzást" alkalmazza a vett jel részeire. Először veszi a vett jel első két jegyét, ami esetünkben (0, -2). Végrehajtja a műveletet: (0, -2).(1, -1) = (0)(1)+(-2)(-1) = 2. Az eredmény pozitív, tehát a küldött számjegy (bit) az 1 volt. Veszi a következő két vett számjegyet (-2, 0), (-2, 0).(1,-1)=(-2)(1)+(0)(-1)=-2. Az eredmény negatív, ezért a küldött számjegy a 0 volt. Az eljárást folyamatosan ismételve megkapja a vevő oldal, hogy a (1,-1) chip kóddal a küldött adat vektor az (1, 0, 1, 1) volt.

Ugyanígy, a fenti eljárást alkalmazhatjuk az (1, 1) chip kóddal: (1, 1).(0,-2) = -2 adja a 0 számjegyet, (1, 1).(-2,0)=(1)(-2)+(1)(0)=-2 adja a 0 számjegyet, és így tovább, végül megkapjuk, hogy a (1, 1) chip kóddal küldött adat vektor a (0, 0, 1, 1) volt.

Van viszont egy probléma, amit az egész, matematikailag jól felépített eljárást használhatatlanná teszi. Tételezzük fel, hogy a küldők (adók) közül az egyik magasabb szinten ad, mint a másik. Ekkor a kritikus ortogonalitási tulajdonság megsemmisül, a rendszer hibázik. Ezért a teljesítmény erősség ellenőrzés az egyik legfontosabb probléma a CDMA átvitelnél. A TDMA vagy FDMA vevő esetében – elméletileg teljesen közömbös a bejövő jel erőssége, – technikai értelemben természetesen nem – de visszautasíthatnak a vártnál erősebb jeleket egy időszeleten belül vagy egy frekvencia csatornán. Ez a CDMA-ra nem igaz; részlegesen utasíthat csak vissza nem várt jelet. Ha valamelyik vagy az összes nem várt jel sokkal erősebb, mint a megkívánt jelerősség, akkor azok figyelmen kívül hagyhatók. Ez a helyzet vezetett egy akármilyen CDMA rendszerekkel kapcsolatos általános követelményhez, hogy illeszteni kell a jelek változó teljesítmény szintjeit a vevő által detektált szinthez. Egy CDMA cellában a bázisállomás egy gyors zárt hurkú teljesítményszabályzó rendszert használ, pontos szabályozással külön minden mobil állomás által sugárzott jel teljesítményére.

Tételezzük fel, hogy az átviteli csatorna zaja miatt egy nulla bit más értéket kap. Ez ismét oda vezet, hogy az ortogonalitási tulajdonság sérül, ezért szükséges egy előremutató hibajavítás (forward error correction – FEC) kódolás extra szintje, amit a gyakorlatban alkalmaznak is.

Végül, tételezzük fel, hogy a CDMA időzítései teljesen rendben vannak, ami azt jelenti, hogy az adó pontosan akkor adja a chip kód hosszának többszörösének megfelelő adatokat, amikor kell. A valóságban a legpontosabb órának is van pontatlansága, ezért ez nem érhető el. A CDMA minden megvalósítása szórt spektrumú erősítési eljárást használ, hogy megengedje a vevőknek a nem várt jelek visszautasításának lehetőségét. A várt chip kódnak és időzítésnek megfelelő jeleket a vevő veszi, míg az eltérő chip kódú jeleket (vagy a megfelelő kódokkal, de eltérő időzítéssel érkező jeleket) széles sávú zajnak tekinti, és az erősítési eljárás alkalmazásával próbálja csökkenteni.

A CDMA legnagyobb előnye a TDMA és a FDMA eljárásokkal szemben az, hogy a lehetséges CDMA kódok száma gyakorlatilag végtelen. Ez azt jelenti, hogy a CDMA eljárás ideális nagyon nagy számú résztvevő által, rendszertelen idő-intervallumokban generált, viszonylag kis forgalom esetében, és elkerülhető vele a folyamatos overhead, amit a korlátozott számú ortogonális időszelet vagy frekvencia csatorna kiosztása és felszabadítása jelent az egyes állomások között. A CDMA adók egyszerűen csak elküldik a mondanivalójukat, "eltűnnek a levegőből", ha nincs mondanivalójuk.

A lágy átadás[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A lágy átadás, (angolul soft handoff vagy soft handover) egy kicsit furcsán hangzó kifejezés, pedig ezt a fejlesztést alapvetően a CDMA technológia használata tette lehetővé, és nélküle a mobil telefónia sokkal kevéssé lenne hatékony. Ez a furcsa kifejezés arra a technológiára vonatkozik, ami lehetővé teszi egy mobil állomás két bázis állomás közötti zavarmentes átadását, ha a mobil állomás a két (vagy több) cella határán van. A megoldás biztosítja a jelek folyamatos minőségét és az átadási eljárás egyszerűségét a CDMA módszert használó rendszer esetén.

A TDMA rendszerben, vagy egy analóg rendszerben minden cella a saját frekvenciáját használja, amelynek – nyilvánvalóan – el kell térnie a szomszédos cella által használt frekvenciától. Ha a mobil egység eléri annak a cellának a határát, ami eddig kiszolgálta, akkor

meg kell szakítania a kapcsolatot az eddigi kiszolgáló cellával,
meg kell találnia a szomszédos cella által használt frekvenciát,
gyorsan rá kell hangolnia a rádió részét erre a frekvenciára, és fel kell vennie a kapcsolatot a cella bázisállomásával.

Ha nem találja a meg a mobil állomás a szomszédos cella által használt frekvenciát, és nem tud kellően gyorsan ráhangolni, akkor az aktuális kapcsolat megszakad.

A CDMA alkalmazása esetén a szomszédos cellák ugyanazt a frekvenciát használják átvitelre, a cellák (vagy bázisállomások) megkülönböztetésére egy "PN offset"-nek (PN eltolás) nevezett szám szolgál, ami egy időeltolást jelent, ami a jól ismert pszeudo-véletlen zajként jelentkezik a bázisállomás által kisugárzott szélessávú jelben. Mivel minden cella (bázisállomás) azonos frekvencián dolgozik, a rádiófrekvenciás jel figyelése, és abból a PN offset felismerése egy digitális jelfeldolgozási folyamat, nem szükséges külön áthangolás egy másik frekvenciára, és ott egy adás/vételi folyamat.

Amikor egy CDMA-t használó mobil mozog a hálózatban, felismeri a szomszédos cella különböző PN eltolását, és méri a jel erősségét. A jel erősségét jelenti az őt kiszolgáló cellának (általában ez az erősebb jelű cella). Ha a szomszédos cella jele elegendően erőssé válik, a mobil "tesz egy lépést", és a másik cella (esetleg cellák) felé kezd el forgalmazni, amelyek képesek kezelni a forgalmat, és megszakítja a forgalmazását az őt eddig kiszolgáló cellával. Hasonlóképen, ha cella jele túl gyenge, akkor a mobil "visszalép" az előző cellához. Ezzel a megoldással a mobil állomás celláról cellára haladhat, anélkül, hogy a kapcsolatot egyszer is meg kellene szakítania.

Amikor eltérő szolgáltató, vagy alhálózat váltás miatt szükséges az adás/vételi frekvencia megváltoztatása, akkor a CDMA mobil állomás a TDMA illetve az anallóg technológiákban megszokott kemény átadási (hard handoff) eljárást hajt végre, ami megszakítja a folyó kapcsolatot, és megpróbálja a kapcsolatfelvételt az új bázisállomással, és az eddig használt frekvencia szabaddá válik, és a mobil egy másik frekvenciatartományra tér át.

CDMA jellemzői[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  • Keskeny sávú üzenetküldés többszörözve egy szórt, széles sávú jellel vagy pszeudozaj kóddal
  • Minden felhasználónak van egy saját pszeudózaj (pseudonoise – PN) kódja
  • Lágy kapacitás korlát: a felhasználószám növekedése minden felhasználó számára együttesen romló teljesítményt okoz
  • Cella frekvencia használat: nincs szükség frekvencia-kiosztásra a mobil állomások között
  • Lágy átadás növeli a kapacitást
  • Közel-távol probléma
  • Interfész korlátozás: kisugárzott teljesítmény szabályzás szükséges

Kapcsolódó szócikkek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Források[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  1. [1] Techtarget katalógusa.

Külső kapcsolatok[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Angol nyelven lásd[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  • Andrew J. Viterbi. (1995) CDMA : Principles of Spread Spectrum Communication (1st edition) Prentice Hall PTR ISBN 0201633744