Кіріспе

Түрлі радиокоммуникациялық технологияларда қолданылатын арнаға қол жеткізу әдісі – арнаға қол жеткізу әдісі. Кодты бөлу көптік қол жеткізу (CDMA) – әртүрлі радиокоммуникациялық технологияларда қолданылатын арнаға қол жеткізу әдісі. CDMA – бірнеше таратушы бір уақытта бір байланыс арнасы арқылы ақпарат жібере алатын көптік қатынас үлгісі. Бұл бірнеше пайдаланушыға жиілік жолағын бөлісуге мүмкіндік береді (жолақтың енін қараңыз). Пайдаланушылар арасында артық кедергі тудырмау үшін CDMA кең спектр технологиясын және арнайы кодтау схемасын қолданады (әрбір таратушыға код тағайындалады). CDMA қолданыстағы жолақты пайдалануды оңтайландырады, себебі ол барлық жиілік диапазонында таратылады және пайдаланушының жиілік диапазонын шектемейді. Ол көптеген ұялы телефон стандарттарында қолжетімділік әдісі ретінде қолданылады. IS 95, сондай-ақ "cdmaOne" деп аталады, және оның 3G эволюциясы CDMA2000, көбінесе "CDMA" деп аталады, бірақ UMTS, GSM операторлары қолданатын 3G стандарты, сонымен қатар "кең жолақты CDMA" немесе W CDMA, сондай-ақ TD CDMA және TD SCDMA радио технологияларын қолданады. Көптеген операторлар (мысалы, AT&T және Verizon) 2022 жылы 3G CDMA негізіндегі желілерді тоқтатты, бұл тек сол протоколдарды қолдайтын құрылғыларды, тіпті 911 нөміріне қоңырау шалу үшін де қолдануға жарамсыз етті. Ол сондай-ақ ALOHA сияқты арна немесе ортаға қол жеткізу технологиясы ретінде немесе пайдаланушыларға жергілікті осцилляторларды ортақ жүйелік жиілікке синхрондауға мүмкіндік беретін тұрақты пилоттық/сигналдық арна ретінде пайдаланылуы мүмкін, осылайша арна параметрлерін тұрақты түрде бағалауға болады. Бұл схемалардағы хабар бірнеше чиптерден (0 және 1) тұратын ұзақ таралу тізбегі бойынша модуляцияланады. Олардың өте тиімді авто және кросскорреляциялық қасиеттеріне байланысты, бұл таралу тізбегі көптеген онжылдықтар бойы радарлық қолданбаларда пайдаланылды, онда оларды Баркер кодтары деп атайды (әдетте 8-32 өте қысқа тізбек ұзындығымен). Ғарышқа негізделген байланыс қолданбалары үшін CDMA спутник қозғалысынан туындаған үлкен жол шығыны мен Допплер эффектісіне байланысты көптеген онжылдықтар бойы қолданылып келеді. CDMA көбінесе екілік фазалық модуляциямен (BPSK) ең қарапайым түрінде қолданылады, бірақ кез келген модуляция схемасымен (жетілдірілген жағдайларда) квадратуралық амплитудалық модуляция (QAM) немесе ортогональді жиілік бөлу мультиплексі (OFDM) сияқты біріктірілуі мүмкін, бұл оны әдетте өте сенімді және тиімді етеді (және оларды CDMA-сыз қиын болатын дәл қашықтық өлшеу мүмкіндіктерімен жарақтандыру). Басқа схемалар Манчестер кодтарынан шабыттанған және виртуалды орталық жиілігі мен субтасымалдаушылар арасындағы үлкен алшақтықты қамтамасыз ететін, OFDM субтасымалдаушылары үшін емес, екілік офсеттік тасымалдаушы модуляциясына (BOC модуляциясы) негізделген субтасымалдаушыларды қолданады.

Тарих

Кодты бөлу көптеген кіру арналарының технологиясы бұрыннан мәлім.

АҚШ

АҚШ-та CDMA-ның ең алғашқы сипаттамаларының бірін 1950 жылдың маусымынан тамызына дейін Массачусетс технология институтында жүргізілген жазғы зерттеу жобасы – "Шет елдегі көліктердің қауіпсіздігі" тақырыбындағы Хартвелл жобасының қорытынды есебінен табуға болады. Кедергі жасау және кедергіге қарсы іс-қимыл аясындағы қосымша зерттеулер 1952 жылы Линкольн зертханасында жүргізілді.

КСРО

Совет Одағында (КСРО) бұл тақырыпқа арналған алғашқы еңбек 1935 жылы Дмитрий Агеев жариялады. Сызықтық әдістерді қолдану арқылы сигналдарды бөлудің үш түрі бар екендігі көрсетілді: жиілік, уақыт және компенсациялық. CDMA технологиясы 1957 жылы қолданылды, ол кезде жас әскери радиоинженер Леонид Куприянович Мәскеуде базалық станциясы бар, LK 1 деп аталатын, киілетін автоматты ұялы телефонның эксперименталды үлгісін жасады. LK 1 салмағы 3 кг, жұмыс арақашықтығы 20–30 км, батареяның жұмыс уақыты 20–30 сағат. Базалық станция, автордың айтуынша, бірнеше абоненттерге қызмет ете алады. 1958 жылы Куприянович жаңа эксперименталды "қалталық" ұялы телефон үлгісін жасады. Бұл телефонның салмағы 0,5 кг. Көптеген абоненттерге қызмет көрсету үшін Куприянович "коррелятор" деп атаған құрылғыны ұсынды. 1958 жылы КСРО сонымен қатар "Алтай" автомобильдер үшін ұлттық азаматтық ұялы телефон қызметін дамытуды бастады, ол кеңестік МРТ 1327 стандартына негізделген. Телефон жүйесі жоғары лауазымды адамдардың көліктерінің багажына орналастырылып, жолаушылар салонында стандартты түрде қолданылатын телефон аппаратын пайдаланды. "Алтай" жүйесінің негізгі әзірлеушілері ВНИИС (Воронеж ғылыми-зерттеу байланыс институты) және ГСПИ (Мемлекеттік мамандандырылған жобалау институты) болды. 1963 жылы бұл қызмет Мәскеуде басталды, ал 1970 жылы "Алтай" қызметі КСРО-ның 30 қаласында қолданылды.

Қолданылуы

Синхронды CDM (кодты бөлу "мультиплекстеу", CDMA-ның алғашқы ұрпағы) Жаһандық позициялық жүйеде (GPS) іске асырылды. Бұл ұялы телефондарда қолданылуынан бұрын пайда болған және одан ерекшеленеді. Qualcomm стандарты IS 95, cdmaOne деп сатылды. Qualcomm стандарты IS 2000, CDMA2000 деп белгілі, оны Globalstar желісі және басқа да бірнеше ұялы телефон компаниялары қолданады. W CDMA қолданатын UMTS 3G ұялы телефон стандарты. CDMA көлік логистикасы үшін OmniTRACS спутниктік жүйесінде пайдаланылды.

CDMA модуляциясының қадамдары

CDMA – кең спектрлі көптеген қолжетімділік техникасы. Кен спектрлі техникасы бірдей беріліс қуаты үшін деректердің жолағын біркелкі таратуға мүмкіндік береді. Тарату коды – уақыт доменіндегі псевдо кездейсоқ код, ол жиілік доменінде тар екіұстамалық функциясына ие, басқа тар импульстік кодтардан өзгеше. CDMA-да жергілікті түрде жасалған код берілуге тиіс деректерге қарағанда әлдеқайда жоғары жылдамдықпен жұмыс істейді. Берілуге дайындалған деректер жылдам кодпен біттей XOR (Exclusive OR) операциясы арқылы біріктіріледі. Сурет кең спектрлі сигналдың қалай жасалатынын көрсетеді. Импульстік ұзақтығы (символдық кезең) бар деректер сигналы, импульстік ұзақтығы (чиптік кезең) бар код сигналымен XOR арқылы қосылады. (Ескерту: жолақтың ені , мұндағы = бит уақыты) пропорционалды. Сондықтан, деректер сигналының жолақтығы ал, кең спектрлі сигналдың жолақтығы болып табылады. қатынасы тарату коэффициенті немесе өңдеудің күшейтуі деп аталады және базалық станцияның бір мезгілде қолдай алатын пайдаланушылардың максималды санын белгілі бір деңгейде анықтайды. Көптеген қолжетімділік мәселесіне аналогия – бір-бірімен бір уақытта сөйлескім келетін адамдар бар бөлме (арна). Араласуды болдырмау үшін адамдар кезекпен сөйлей алады (уақытты бөлу), әртүрлі тембрде сөйлей алады (жиілікті бөлу) немесе әртүрлі тілдерде сөйлей алады (кодты бөлу). CDMA соңғы мысалға ұқсас, бір тілде сөйлейтін адамдар бір-бірін түсіне алады, ал басқа тілдер бұзылыс ретінде қарастырылады және қабылданбайды. Сол сияқты, радио CDMA-да әр пайдаланушы тобына ортақ код беріледі. Көптеген кодтар бір арнаны пайдаланады, бірақ тек белгілі бір кодпен байланысты пайдаланушылар ғана байланыс жасай алады. Жалпы алғанда, CDMA екі негізгі санатқа бөлінеді: синхронды (ортогональды кодтар) және асинхронды (псевдо кездейсоқ кодтар).

Кодты бөлу арқылы мультиплекс (синхронды CDMA)

Цифрлық модуляция әдісі қарапайым радио қабылдағыштарында қолданылатын әдістерге ұқсас. Аналогтық жағдайда төмен жиілікті дерек сигналы жоғары жиілікті таза синустық толқын тасымалдағышымен уақыт бойынша көбейтіліп, жіберіледі. Бұл екі сигналдың жиілік конволюциясы (Винер-Хинчин теоремасы) болып табылады, нәтижесінде тасымалдағышта тар жолақты жағымды жиіліктер пайда болады. Цифрлық жағдайда синусоидты тасымалдағыш Уолш функцияларымен алмастырылады. Бұл толық ортонормалды жиын құрайтын екілік төртбұрышты толқындар. Дерек сигналы да екілік болып табылады және уақыт көбейтуі қарапайым XOR функциясы арқылы жүзеге асырылады. Бұл схемада әдетте Гилберт жасушасы араластырғышы қолданылады. Синхронды CDMA дерек тізбектерін көрсететін векторлардың ортогоналдығының математикалық қасиеттерін пайдаланады. Мысалы, 1011 екілік тізбегі (1, 0, 1, 1) векторымен көрсетіледі. Векторларды олардың скалярлық көбейтіндісін есептеу арқылы, тиісті компоненттерінің көбейтінділерін қосу арқылы көбейтуге болады (мысалы, егер u = (a, b) және v = (c, d) болса, онда олардың скалярлық көбейтіндісі u·v = ac + bd). Егер скалярлық көбейтінді нөлге тең болса, екі вектор бір-біріне ортогональ деп айтылады. Скалярлық көбейтіндінің кейбір қасиеттері W CDMA-ның қалай жұмыс істейтінін түсінуге көмектеседі. Егер a және b векторлары ортогональ болса, онда және: Синхронды CDMA-дағы әрбір пайдаланушы өз сигналын модуляциялау үшін басқалардың кодтарына ортогональ кодты қолданады. Төмендегі суретте 4 өзара ортогональды цифрлық сигналдың мысалы көрсетілген. Ортогональды кодтардың кросс-корреляциясы нөлге тең; яғни, олар бір-біріне кедергі келтірмейді. IS 95 жағдайында 64 биттік Уолш кодтары әртүрлі пайдаланушыларды бөлу үшін сигналды кодтау үшін қолданылады. 64 Уолш кодының әрқайсысы басқаларына ортогональ болғандықтан, сигналдар 64 ортогональды каналға бөлінеді. Келесі мысал әрбір пайдаланушының сигналын қалай кодтау және декодтауға болатынын көрсетеді.

Асинхронды CDMA

Мобильді-базалық байланыс дәл үйлестірілмейтін жағдайда, әсіресе ұялы құрылғылардың жылдамдығына байланысты, басқа тәсіл қажет. Код кеңістігін толық пайдаланатын, кез келген кездейсоқ бастапқы нүктелер үшін ортогональды сигнал тізбектерін құру математикалық тұрғыдан мүмкін болмағандықтан, асинхронды CDMA жүйелерінде "псевдокездейсоқ" немесе "псевдошу" тізбектері деп аталатын бірегей тарату тізбектері қолданылады. Тарату тізбегі – кездейсоқ көрінетін, бірақ мақсатты қабылдағыштар анықтамалық түрде қайта жасай алатын екілік тізбек. Бұл тарату тізбектері асинхронды CDMA-да пайдаланушы сигналын кодтау және декодтау үшін синхронды CDMA-дағы ортогональды кодтар сияқты (жоғарыда көрсетілген мысалда) қолданылады. Бұл тарату тізбектері статистикалық тұрғыдан байланыссыз, ал көптеген тарату тізбектерінің қосындысы көптеген кірулердің араласуын (MAI) тудырады, ол статистикадағы орталық шек теоремасына сәйкес Гаусс шу процесімен жуықталады. Алтын кодтар – кодтар арасында төмен корреляция болғандықтан, осы мақсатқа сәйкес келетін тарату тізбегінің мысалы. Егер барлық пайдаланушылар бірдей қуат деңгейінде қабылданса, онда MAI-дың дисперсиясы (мысалы, шу қуаты) пайдаланушылар санына пропорционалды түрде артады. Басқаша айтқанда, синхронды CDMA-дан айырмашылығы, басқа пайдаланушылардың сигналдары қызығушылық тудыратын сигналға шу ретінде көрінеді және пайдаланушылар санына пропорционалды түрде қажетті сигналға сәл кедергі келтіреді. CDMA-ның барлық түрлері қабылдағыштарға жағымсыз сигналдарды ішінара ажыратуға мүмкіндік беру үшін кең спектрдің таралу коэффициентін пайдаланады. Белгіленген тарату тізбегімен кодталған сигналдар қабылданады, ал әртүрлі тізбектермен (немесе бірдей тізбектермен, бірақ әртүрлі уақыт ығысуларымен) кодталған сигналдар тарату коэффициентімен азайтылған кеңжолақты шу ретінде көрінеді. Әрбір пайдаланушы MAI тудыратындықтан, CDMA хабарлаушыларында сигнал күшін бақылау маңызды мәселе болып табылады. CDM (синхронды CDMA), TDMA немесе FDMA қабылдағышы теориялық тұрғыдан осы жүйелердің ортогоналдығына байланысты, әртүрлі кодтарды, уақыт слотын немесе жиілік каналдарын пайдаланып, кез келген күшті сигналдарды толығымен қабылдамайды. Бұл асинхронды CDMA үшін дұрыс емес; жағымсыз сигналдарды қабылдамау тек ішінара. Егер кез келген немесе барлық жағымсыз сигналдар қажетті сигналдан әлдеқайда күшті болса, олар оны басып тастайды. Бұл кез келген асинхронды CDMA жүйесінде қабылдағышта көрінетін әртүрлі сигналдардың қуат деңгейлерін шамамен теңестіруді қажет етеді. CDMA ұялы байланыс жүйесінде базалық станция әр ұялы құрылғының тарату қуатын тығыз бақылау үшін жылдам жабық циклді қуатты басқару схемасын қолданады. 2019 жылы Допплер және кешігу сипаттамаларына байланысты кодтардың қажетті ұзындығын дәл бағалау схемалары әзірленді. Көп ұзамай, қажетті ұзындығы мен тарату қасиеттері бар тізбектерді жасайтын машиналық оқыту әдістері де жарияланды. Бұл классикалық Алтын және Уэлш тізбектерімен өте бәсекеге қабілетті. Бұлар сызықтық кері байланыс тізбектерімен жасалмайды, бірақ іздеу кестелерінде сақталуы керек.

Белгілі жиілік спектрін тиімді пайдалану

Теориялық тұрғыдан CDMA, TDMA және FDMA спектрлік тиімділігі бірдей, бірақ практикада әрқайсысының өзіндік қиындықтары бар – CDMA үшін қуатты басқару, TDMA үшін уақытты синхрондау, ал FDMA үшін жиілікті жасау/сүзгілеу. TDMA жүйелері барлық пайдаланушылардың хабар тарату уақытын мұқият келістіруі керек, осылайша олар дұрыс уақыт тілімінде қабылданып, араласу тудырмайды. Бұл мобильдік ортада толыққанды бақылана алмайтындықтан, әр уақыт тілімінде күзет уақыты болуы қажет, ол пайдаланушылардың араласу мүмкіндігін азайтады, бірақ спектрлік тиімділікті төмендетеді. Сол сияқты, FDMA жүйелері сигнал спектрінің пайдаланушы қозғалысынан туындайтын болжамсыз Доплер эффектісіне байланысты, жанындағы арналар арасында күзет жолағын қолдануы керек. Күзет жолақтары жанындағы арналардың араласу мүмкіндігін азайтады, бірақ спектрді пайдалану деңгейін төмендетеді.

Ресурстарды икемді бөлу

Асинхронды CDMA ресурстарды икемді бөлуде маңызды артықшылық ұсынады, яғни белсенді пайдаланушыларға таралу тізбектерін бөлуде. CDM (синхронды CDMA), TDMA және FDMA жүйелерінде бір мезгілде қолданылатын ортогональды кодтардың, уақыт слотының және жиілік слотының саны белгілі, демек бір уақытта қолданылатын пайдаланушылар саны бойынша сыйымдылығы шектеулі. CDM, TDMA және FDMA жүйелеріне тағайындалатын ортогональды кодтардың, уақыт слотының немесе жиілік жолақтарының саны шектеулі, олар телефонияның эпизодтық сипаты және пакеттелген деректерді берудің салдарынан толыққанды пайдаланылмайды. Асинхронды CDMA жүйесінде қолдау көрсетілетін пайдаланушылар санына қатаң шектеу жоқ, тек қана қажетті биттік қателік ықтималдығымен анықталатын практикалық шектеу бар, себебі SIR (сигнал мен кедергі арақатынасы) пайдаланушылар санына кері пропорционал. Мобильді телефония сияқты эпизодтық трафик ортасында асинхронды CDMA ұсынатын артықшылық – өнімділіктің (биттік қателік деңгейінің) кездейсоқ түрде ауытқуына мүмкіндік беру, оның орташа мәні пайдаланушылар саны мен пайдалану пайызына байланысты анықталады. Егер 2N пайдаланушы болса және олар уақыттың жартысын ғана сөйлесе, онда 2N пайдаланушыны N пайдаланушының барлық уақыт сөйлегенімен салыстырылатын орташа биттік қателік ықтималдығымен орналастыруға болады. Мұндағы басты айырмашылық – N пайдаланушы үшін биттік қателік ықтималдығы тұрақты, ал 2N пайдаланушы үшін уақыттың жартысын сөйлейтін кезде ол кездейсоқ шама (бірдей орташа мәнмен). Басқаша айтқанда, асинхронды CDMA мобильді желіге өте қолайлы, онда көптеген хабар таратушылар әрқайсысы белгілі емес интервалдарда салыстырмалы түрде аз көлемде трафик жасайды. CDM (синхронды CDMA), TDMA және FDMA жүйелері жеке хабар таратушыларға тағайындалатын ортогональды кодтардың, уақыт слотының немесе жиілік каналдарының шектеулі санына байланысты эпизодтық трафиктің ішкі пайдаланылмаған ресурстарын қалпына келтіре алмайды. Мысалы, егер TDMA жүйесінде N уақыт слоты болса және 2N пайдаланушы уақыттың жартысын сөйлесе, онда уақыттың жартысында N уақыт слотынан көп қажет болады. Бұған қоса, ортогональды кодты, уақыт слотын немесе жиілік каналын үнемі бөлу және босату үшін елеулі қосымша шығындар қажет болар еді. Асинхронды CDMA хабар таратушыларына қарағанда, олар айтары болғанда ғана хабар жібереді және айтары болмағанда байланысты үзеді, жүйеге қосылған кезде бірдей қолтаңба тізбегін сақтайды.

CDMA-ның кең спектрлік сипаттамалары

Модуляция схемаларының көпшілігі осы сигналдың жолақтығын азайтуға тырысады, себебі жолақтық – шектеулі ресурс. Дегенмен, кең спектрлі техникалар сигналдың ең төменгі қажетті жолақтығынан бірнеше есе артық тарату жолақтығын пайдаланады. Мұның бастапқы себептерінің бірі – әскери қолданыстар, оның ішінде басқару және байланыс жүйелері. Бұл жүйелер қауіпсіздігі мен кедергіге төзімділігі үшін кең спектрлі техниканы пайдаланып жасалған. Асинхронды CDMA сигналды псевдо-келтірістік кодты қолдана отырып таратуға байланысты, белгілі бір деңгейде құпиялылықты қамтамасыз етеді; бұл код кең спектрлі сигналдарды кездейсоқ немесе шу сияқты қасиеттерге ие етіп көрсетеді. Қабылдағыш деректерді кодтау үшін қолданылған псевдо-келтірістік тізбекті білмей, осы берілісті демодуляциялай алмайды. CDMA кедергіге де төзімді. Кедергі сигналдың сигналды кедергілеу үшін шектеулі қуаты бар. Кедергі беруші өзінің энергиясын сигналдың барлық жолағына таратуға немесе сигналдың тек бір бөлігін ғана кедергілеуге болады. MAI шектеулі ортада пайдаланушы сыйымдылығын таралу ұзындығынан асыру үшін, пайдаланушылардың жоғалу арнасының сипаттамалары арасындағы айырмашылықтарды пайдаланатын жоғары байланыс зерттелді. Авторлар бұл артуға төмен күрделілікпен және жазық жоғалу арналарында жоғары биттік қателік деңгейімен қол жеткізуге болатынын көрсетеді, бұл жүктемелі CDMA жүйелері үшін маңызды зерттеу мәселесі болып табылады. Бұл тәсілде, дәстүрлі CDMA-да әрбір пайдаланушыға бір тізбек қолданудың орнына, авторлар бірнеше пайдаланушыларды бірдей тарату тізбегін бөлісу үшін топтастырып, топтық тарату және тарату операцияларын жүзеге асырады. Жаңа бірлескен көп пайдаланушылық қабылдағышы екі кезеңнен тұрады: топтар арасындағы MAI-ді басу үшін топтық көп пайдаланушылықты анықтау (MUD) кезеңі және минималды Эвклидтік арақашықтығын өлшеу және пайдаланушылардың арналық күшейту коэффициенттерін пайдалану арқылы бірлесіп таратылған пайдаланушылардың деректерін қалпына келтіру үшін төмен күрделілікті максималды ықтималдықты анықтау кезеңі. CDMA жүйесінде қолданылатын қолтаңба тізбегінің орнына пайдаланушыларды бөлудің жалғыз құралы ретінде ортогональды араласуды пайдаланатын, араласуды бөлуге арналған (IDMA) деп аталатын CDMA-ның жетілдірілген нұсқасы бар.