Wenn Mobilfunkverbindungen nicht genau koordiniert werden können, insbesondere aufgrund der Mobilität der Handgeräte, ist ein anderer Ansatz erforderlich. Da es mathematisch nicht möglich ist, Signatursequenzen zu erzeugen, die sowohl orthogonal für beliebig zufällige Startpunkte sind als auch den Code-Raum vollständig ausnutzen, werden in asynchronen CDMA-Systemen eindeutige „Pseudo-Zufalls-“ oder „Pseudo-Rausch“-Sequenzen, sogenannte Spreizsequenzen, verwendet. Eine Spreizsequenz ist eine binäre Sequenz, die zufällig erscheint, aber von den vorgesehenen Empfängern auf deterministische Weise reproduziert werden kann. Diese Spreizsequenzen werden zur Kodierung und Dekodierung des Nutzersignals in asynchronen CDMA-Systemen auf die gleiche Weise verwendet wie die orthogonalen Codes in synchronen CDMA-Systemen (wie im obigen Beispiel gezeigt). Diese Spreizsequenzen sind statistisch unkorreliert, und die Summe einer großen Anzahl von Spreizsequenzen führt zu einer Mehrfachzugriffsinterferenz (MAI), die durch einen Gaußschen Rauschprozess angenähert wird (gemäß dem zentralen Grenzwertsatz der Statistik). Goldcodes sind ein Beispiel für eine geeignete Spreizsequenz, da die Korrelation zwischen den Codes gering ist. Wenn alle Nutzer mit der gleichen Leistung empfangen werden, steigt die Varianz (z. B. die Rauschleistung) des MAI direkt proportional zur Anzahl der Nutzer. Mit anderen Worten, anders als bei synchronem CDMA erscheinen die Signale anderer Nutzer als Rauschen neben dem interessierenden Signal und stören das gewünschte Signal im Verhältnis zur Anzahl der Nutzer geringfügig.
Alle Formen von CDMA verwenden den Spreizfaktor des Spektrums, um den Empfängern eine teilweise Unterscheidung von unerwünschten Signalen zu ermöglichen. Signale, die mit den angegebenen Spreizsequenzen kodiert sind, werden empfangen, während Signale mit anderen Sequenzen (oder denselben Sequenzen, aber unterschiedlichen Zeitabständen) als Breitbandrauschen erscheinen, das durch den Spreizfaktor reduziert wird.
Da jeder Benutzer MAI erzeugt, ist die Kontrolle der Signalstärke ein wichtiges Thema bei CDMA-Sendern. Ein CDM- (synchrones CDMA), TDMA- oder FDMA-Empfänger kann theoretisch beliebig starke Signale mit unterschiedlichen Codes, Zeitschlitzen oder Frequenzkanälen aufgrund der Orthogonalität dieser Systeme vollständig zurückweisen. Bei asynchronem CDMA ist dies nicht der Fall; die Unterdrückung unerwünschter Signale erfolgt nur teilweise. Wenn einige oder alle unerwünschten Signale viel stärker sind als das gewünschte Signal, werden sie dieses überwältigen. Daraus ergibt sich die allgemeine Anforderung, dass in jedem asynchronen CDMA-System die verschiedenen Signalleistungspegel am Empfänger annähernd gleich sein müssen. Im zellularen CDMA-System verwendet die Basisstation ein schnelles Leistungsregelungssystem, um die Sendeleistung jedes Mobiltelefons genau zu steuern.
Vorteile von asynchronem CDMA gegenüber anderen TechnikenBearbeiten
Effiziente praktische Nutzung des FestfrequenzspektrumsBearbeiten
Theoretisch haben CDMA, TDMA und FDMA genau die gleiche spektrale Effizienz, aber in der Praxis hat jedes Verfahren seine eigenen Herausforderungen – Leistungssteuerung im Falle von CDMA, Zeitsteuerung im Falle von TDMA und Frequenzerzeugung/Filterung im Falle von FDMA.
TDMA-Systeme müssen die Sendezeiten aller Benutzer sorgfältig synchronisieren, um sicherzustellen, dass sie im richtigen Zeitschlitz empfangen werden und keine Störungen verursachen. Da dies in einer mobilen Umgebung nicht perfekt kontrolliert werden kann, muss jeder Zeitschlitz eine Schutzzeit haben, was die Wahrscheinlichkeit verringert, dass sich die Benutzer gegenseitig stören, aber die spektrale Effizienz verringert.
Auch FDMA-Systeme müssen wegen der unvorhersehbaren Dopplerverschiebung des Signalspektrums aufgrund der Mobilität der Benutzer ein Schutzband zwischen benachbarten Kanälen verwenden. Die Schutzbänder verringern die Wahrscheinlichkeit, dass benachbarte Kanäle interferieren, verringern aber die Nutzung des Spektrums.
Flexible Zuweisung von RessourcenEdit
Asynchrones CDMA bietet einen entscheidenden Vorteil in der flexiblen Zuweisung von Ressourcen, d.h. der Zuweisung von Spreizsequenzen an aktive Benutzer. Bei CDM (synchrones CDMA), TDMA und FDMA sind die Anzahl der gleichzeitigen orthogonalen Codes, Zeitschlitze bzw. Frequenzschlitze festgelegt, so dass die Kapazität in Bezug auf die Anzahl der gleichzeitigen Benutzer begrenzt ist. Es gibt eine feste Anzahl von orthogonalen Codes, Zeitschlitzen oder Frequenzbändern, die für CDM-, TDMA- und FDMA-Systeme zugewiesen werden können, die jedoch aufgrund der Häufigkeit von Telefongesprächen und paketierter Datenübertragungen nicht voll ausgeschöpft werden. Es gibt keine strenge Grenze für die Anzahl der Benutzer, die in einem asynchronen CDMA-System unterstützt werden können, sondern nur eine praktische Grenze, die durch die gewünschte Bitfehlerwahrscheinlichkeit bestimmt wird, da das SIR (Signal-zu-Interferenz-Verhältnis) umgekehrt mit der Anzahl der Benutzer variiert. In einer Umgebung mit stoßweisem Verkehr wie der Mobiltelefonie besteht der Vorteil des asynchronen CDMA darin, dass die Leistung (Bitfehlerrate) zufällig schwanken kann, wobei der Durchschnittswert durch die Anzahl der Benutzer mal den Prozentsatz der Auslastung bestimmt wird. Angenommen, es gibt 2N Benutzer, die nur die Hälfte der Zeit sprechen, dann können 2N Benutzer mit der gleichen durchschnittlichen Bitfehlerwahrscheinlichkeit untergebracht werden wie N Benutzer, die die ganze Zeit sprechen. Der entscheidende Unterschied besteht darin, dass die Bitfehlerwahrscheinlichkeit für N Benutzer, die die ganze Zeit sprechen, konstant ist, während sie für 2N Benutzer, die die Hälfte der Zeit sprechen, eine zufällige Größe (mit demselben Mittelwert) ist.
Mit anderen Worten, asynchrones CDMA ist ideal für ein Mobilfunknetz geeignet, in dem eine große Anzahl von Sendern in unregelmäßigen Abständen jeweils eine relativ geringe Menge an Datenverkehr erzeugt. CDM- (synchrones CDMA), TDMA- und FDMA-Systeme können die unzureichend genutzten Ressourcen, die bei Burst-Verkehr entstehen, nicht zurückgewinnen, da die Anzahl der orthogonalen Codes, Zeitschlitze oder Frequenzkanäle, die den einzelnen Sendern zugewiesen werden können, begrenzt ist. Wenn es beispielsweise N Zeitschlitze in einem TDMA-System gibt und 2N Nutzer, die die Hälfte der Zeit miteinander sprechen, dann gibt es in der Hälfte der Zeit mehr als N Nutzer, die mehr als N Zeitschlitze nutzen müssen. Darüber hinaus würde die ständige Zuweisung und Freigabe von Orthogonalcode-, Zeitschlitz- oder Frequenzkanalressourcen einen erheblichen Overhead erfordern. Im Vergleich dazu senden asynchrone CDMA-Sender einfach, wenn sie etwas zu sagen haben, und gehen aus der Sendung, wenn sie es nicht tun, wobei sie dieselbe Signatursequenz beibehalten, solange sie mit dem System verbunden sind.
Spreizspektrum-Eigenschaften von CDMAEdit
Die meisten Modulationsverfahren versuchen, die Bandbreite dieses Signals zu minimieren, da Bandbreite eine begrenzte Ressource ist. Spreizspektrumtechniken verwenden jedoch eine Übertragungsbandbreite, die um mehrere Größenordnungen größer ist als die minimal erforderliche Signalbandbreite. Einer der anfänglichen Gründe dafür waren militärische Anwendungen, darunter Leit- und Kommunikationssysteme. Diese Systeme wurden wegen ihrer Sicherheit und Störungsresistenz mit Spreizspektrum konzipiert. Asynchrones CDMA bietet ein gewisses Maß an Privatsphäre, da das Signal mit einem Pseudo-Zufallscode gespreizt wird; dieser Code lässt die Spreizspektrumsignale zufällig erscheinen oder hat rauschähnliche Eigenschaften. Ein Empfänger kann diese Übertragung nicht demodulieren, ohne die Pseudo-Zufallssequenz zu kennen, die zur Kodierung der Daten verwendet wurde. CDMA ist auch resistent gegen Störeinflüsse. Ein Störsignal hat nur eine begrenzte Energiemenge zur Verfügung, um das Signal zu stören. Der Störsender kann seine Energie entweder über die gesamte Bandbreite des Signals verteilen oder nur einen Teil des gesamten Signals stören.
CDMA kann auch Schmalbandstörungen wirksam abwehren. Da die Schmalbandinterferenz nur einen kleinen Teil des Spreizspektrumsignals betrifft, kann sie durch Kerbfilterung ohne großen Informationsverlust entfernt werden. Faltungscodierung und Interleaving können zur Wiederherstellung dieser verlorenen Daten verwendet werden. CDMA-Signale sind auch resistent gegen Mehrwegeinbrüche. Da das Spreizspektrumsignal eine große Bandbreite belegt, wird nur ein kleiner Teil davon zu einem bestimmten Zeitpunkt durch Mehrwegeinflüsse beeinträchtigt. Wie bei der schmalbandigen Interferenz führt dies nur zu einem geringen Datenverlust und kann überwunden werden.
Ein weiterer Grund, warum CDMA gegen Mehrweg-Interferenzen resistent ist, besteht darin, dass die verzögerten Versionen der übertragenen Pseudo-Zufallscodes eine schlechte Korrelation mit dem ursprünglichen Pseudo-Zufallscode aufweisen und daher als ein anderer Benutzer erscheinen, der beim Empfänger ignoriert wird. Mit anderen Worten: Solange der Mehrwegkanal mindestens einen Chip Verzögerung verursacht, kommen die Mehrwegsignale beim Empfänger so an, dass sie gegenüber dem beabsichtigten Signal um mindestens einen Chip zeitlich verschoben sind. Die Korrelationseigenschaften der Pseudo-Zufallscodes sind so beschaffen, dass diese leichte Verzögerung dazu führt, dass der Mehrweg unkorreliert mit dem beabsichtigten Signal erscheint und daher ignoriert wird.
Einige CDMA-Geräte verwenden einen Rake-Empfänger, der die Mehrweg-Verzögerungskomponenten ausnutzt, um die Leistung des Systems zu verbessern. Ein Rake-Empfänger kombiniert die Informationen von mehreren Korrelatoren, von denen jeder auf eine andere Pfadverzögerung abgestimmt ist, und erzeugt so eine stärkere Version des Signals als ein einfacher Empfänger mit einer einzigen Korrelation, die auf die Pfadverzögerung des stärksten Signals abgestimmt ist.
Frequenzwiederverwendung ist die Fähigkeit, dieselbe Funkkanalfrequenz an anderen Zellenstandorten innerhalb eines Zellularsystems wiederzuverwenden. In FDMA- und TDMA-Systemen ist die Frequenzplanung ein wichtiger Aspekt. Die in den verschiedenen Zellen verwendeten Frequenzen müssen sorgfältig geplant werden, um sicherzustellen, dass sich die Signale der verschiedenen Zellen nicht gegenseitig stören. In einem CDMA-System kann in jeder Zelle dieselbe Frequenz verwendet werden, da die Kanalisierung über Pseudo-Zufallscodes erfolgt. Die Wiederverwendung derselben Frequenz in jeder Zelle macht die Frequenzplanung in einem CDMA-System überflüssig; allerdings muss die Planung der verschiedenen Pseudo-Zufallssequenzen erfolgen, um sicherzustellen, dass das empfangene Signal einer Zelle nicht mit dem Signal einer benachbarten Zelle korreliert.
Da benachbarte Zellen dieselben Frequenzen verwenden, können CDMA-Systeme Soft-Hand-Offs durchführen. Soft Hand-Offs ermöglichen es dem Mobiltelefon, gleichzeitig mit zwei oder mehr Zellen zu kommunizieren. Die beste Signalqualität wird ausgewählt, bis die Übergabe abgeschlossen ist. Dies unterscheidet sich von Hard Hand-Offs, die in anderen zellularen Systemen verwendet werden. Bei einer harten Übergabe kann die Signalstärke abrupt schwanken, wenn sich das Mobiltelefon einer Übergabe nähert. Im Gegensatz dazu verwenden CDMA-Systeme die weiche Übergabe, die nicht wahrnehmbar ist und ein zuverlässigeres und qualitativ hochwertigeres Signal liefert.