Kódosztásos többszörös hozzáférés

A Wikipédiából, a szabad lexikonból.

Ezt a szócikket át kellene olvasni, ellenőrizni a szövegét, tartalmát. További részleteket a cikk vitalapján találhatsz.

Kódosztásos többszörös hozzáférés (angolul Code division multiple access, ismert rövidítéssel (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. CDMA használatos még a digitális cellás telefon rendszerekben, mint többszörös csatorna hozzáfárási rendszer, amelynek az úttörője a Qualcomm volt, és az eljárás W-CDMA néven ismert.

CDMA a Második világháborúban az angolok által kifejleszetett 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.

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, amelyk szükségesek voltak ahhoz, hogy a CDMA a gyakorlatban is egy praktikus, hatékony technológia legyen a földi cellás kommunikáció területén.

[szerkesztés] A CDMA története

Lásd: direct-sequence spread spectrum (DSSS).

[szerkesztés] Használata a mobil telefóniában

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 imerik, 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 álatl 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 sávszélesseg mellett, ami megenged magasabb adatlöketet egy egyenéni 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 megkövetelet nagyobb adatcsomag átviteli rátát, és jobban megfelelet a vezetéknélküli hálózati elvárásoknak.

A Qualcomm CDMA rendszere nagyon pontos időzítéseket igényel (általában egy GPS vevőt alkalmazank 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.

[szerkesztés] Technikai megvalósítása

[szerkesztés] Matematikai alapok

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, pl. a. Használjuk a következőkben a vektorok között a jól ismert "pont műveletet", ami a skalár eredményt adó vektor "szorzása" vektorral művelet, amely végül a komponenesek szorzatainak összegét adja eredményül. Például, vegyük az (1, 0, 1, 1) és (1, -1, -1, 0) vektorok "pont műveletét", 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 modjuk, 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:

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

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

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

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

[szerkesztés] Megvalósítása

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, chip kód. Rendeljük a 0 számjegyhez a -v vektort, és az 1 számjegyhez a v vektort. Pldául, 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 modelezhetjük, hogy az átvitt vektorokat komponensenként összeadjuk. Így, esetünkben van két küldő, akik egyidőben 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 ismertett 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 eredmány 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 az küldők (adók) közül az egyik magasabb szinten ad, mint a másik. Ekkor a kritikus ortogonalitási tulajdonság megsemmisül, a rendszer hibázik. Ezért a teljesítmény erősség ellőrzés az egyik legfontosabb probléma a CDMA átvitelnél. A TDMA vagy FDMA vevő esetében - elméletileg teljesen közömbös a bejövő jel erősége, - technikai értelemben természetesen nem - de visszautasíthatnak a vártnál erősebb jeleket egy időszeleten belül vagy egy frekvencia cstornán. 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 kapcsaolatos általános követelményhez, hogy illeszeni 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 mobile 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 teljesne rendben vannak, ami azt jelenti, hogy az adó pontosan akkor adja a chip kód hosszának töbszörének megfelelő adatokat, amikor kell. Természetesen, a valóságban ez nem érhető el, ezért a CDMA minden megvalósítása szórt spektrumú erősítési eljárást használ, hogy megengedje a vevőknek a nem várt jelek viszautasításának lehetőségét. A várt chip kódnak és időzítésnek megfelelő jeleket a vevő veszi, míg az eltrő chip kódú jeleket (vagy a megfelelő kódokkal, de eltérő időzítéssel érkező jeleket) szélessávú zajnak tekinti, és az erősítési eljárás alkalmazásával próbálja csökkenteni.

A CDMA legnagyobb előnye a TDMA és a FDMA eljárásokkal szemben az, hogy 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, "eltünnek a levegőből", ha nincs mondanivalójuk.

[szerkesztés] A lágy átadás

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 időeltoltást jelent, ami a jólismert pszeudo-véletlen zajkét 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 szomszdos 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 megszkítja a forgalmazását az őt eddig kiszolgáló cellával. Hasonlóképen, ha cella jele túl gyenge, akkor a mobil a "visszalép" az előző cellához. Ezzel a megoldással a mobil állomás celláról cellára haladhat, annélkül, hogy a kapcsolatot egyszer is meg kellene szakítania.

Amikor eltérő szolgáltató, vagy alhálózat váltás miatt szükséges az adás/vételi frekvencia megváltoztatása, akkor a CDAM mobil állomás a TDMA illetve az alanlóg 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.

[szerkesztés] CDMA jellemzői

Keskenysávú üzenetküldés többszörözve egy szórt, szélessávú 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 teljesímény szabályzás szükséges

[szerkesztés] Lásd még

közel-távol probléma
CDMA2000
GSM
Frekvenciaosztásos multiplexálás
Időosztásos többszörös hozzáférés

[szerkesztés] Külső kapcsolatok

PN szekvenciák

[szerkesztés] Angol nyelven lásd

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

A lap eredeti címe "http://hu.wikipedia.org../../../k/%C3%B3/d/K%C3%B3doszt%C3%A1sos_t%C3%B6bbsz%C3%B6r%C3%B6s_hozz%C3%A1f%C3%A9r%C3%A9s.html"

Kategóriák: Lektorálandó lapok | Lektorálandó lapok 2006 májusából | Telefónia | Elektronika