Kun matkapuhelinten ja tukiasemien välisiä yhteyksiä ei voida koordinoida tarkasti, erityisesti matkapuhelinten liikkuvuuden vuoksi, tarvitaan toisenlaista lähestymistapaa. Koska ei ole matemaattisesti mahdollista luoda allekirjoitussekvenssejä, jotka ovat sekä ortogonaalisia mielivaltaisesti satunnaisten lähtökohtien osalta että hyödyntävät koodiavaruuden täysimääräisesti, asynkronisissa CDMA-järjestelmissä käytetään ainutlaatuisia ”pseudosattumanvaraisia” tai ”pseudokohinanvaraisia” sekvenssejä, joita kutsutaan levityssekvensseiksi. Levityssekvenssi on binäärisekvenssi, joka vaikuttaa satunnaiselta, mutta jonka aiotut vastaanottimet voivat toistaa deterministisesti. Näitä hajontasekvenssejä käytetään käyttäjän signaalin koodaamiseen ja purkamiseen asynkronisessa CDMA-järjestelmässä samalla tavalla kuin ortogonaalisia koodeja synkronisessa CDMA-järjestelmässä (kuten edellä olevassa esimerkissä). Levityssekvenssit ovat tilastollisesti korreloimattomia, ja suuren määrän levityssekvenssien summa johtaa monilähetyshäiriöön (MAI), jota approksimoidaan Gaussin kohinaprosessilla (tilastotieteen keskeisen raja-arvoteorian mukaisesti). Kultakoodit ovat esimerkki tähän tarkoitukseen sopivasta levityssekvenssistä, koska koodien välinen korrelaatio on alhainen. Jos kaikkia käyttäjiä vastaanotetaan samalla tehotasolla, MAI:n varianssi (esim. kohinan teho) kasvaa suorassa suhteessa käyttäjien lukumäärään. Toisin sanoen, toisin kuin synkronisessa CDMA:ssa, muiden käyttäjien signaalit näkyvät kohinana kiinnostavan signaalin rinnalla ja häiritsevät hieman haluttua signaalia suhteessa käyttäjien lukumäärään.
Kaikki CDMA:n muodot käyttävät hajautusspektrin leviämiskerrointa, jotta vastaanottimet voivat osittain erottaa ei-toivotut signaalit. Määritellyillä hajontasekvensseillä koodatut signaalit vastaanotetaan, kun taas eri sekvensseillä (tai samoilla sekvensseillä, mutta erilaisilla ajoitusvirheillä) varustetut signaalit näkyvät leveäkaistaisena kohinana, jota hajontakerroin pienentää.
Koska jokainen käyttäjä synnyttää MAI:n, signaalin voimakkuuden kontrollointi on CDMA-lähettimissä tärkeä asia. CDM- (synkroninen CDMA), TDMA- tai FDMA-vastaanotin voi teoriassa hylätä täysin mielivaltaisen voimakkaat signaalit, jotka käyttävät eri koodeja, aikavälejä tai taajuuskanavia näiden järjestelmien ortogonaalisuuden vuoksi. Tämä ei päde asynkronisessa CDMA:ssa; ei-toivottujen signaalien hylkääminen on vain osittaista. Jos jokin tai kaikki ei-toivotut signaalit ovat paljon voimakkaampia kuin haluttu signaali, ne hukuttavat sen. Tämä johtaa siihen, että kaikissa asynkronisissa CDMA-järjestelmissä yleinen vaatimus on, että eri signaalien tehotasot on suunnilleen sovitettava yhteen vastaanottimen näkemien signaalien kanssa. CDMA-solukkoverkossa tukiasema käyttää nopeaa suljetun silmukan tehonsäätöjärjestelmää kunkin matkapuhelimen lähetystehon tiukkaan säätöön.
Asynkronisen CDMA:n edut muihin tekniikoihin nähdenEdit
Kiinteän taajuusspektrin tehokas käytännön hyödyntäminenEdit
Teoriassa CDMA:lla, TDMA:lla ja FDMA:lla on täsmälleen sama spektrinen hyötysuhde, mutta käytännössä kullakin on omat haasteensa – CDMA:n tapauksessa tehonhallinta, TDMA:n tapauksessa ajoitus ja FDMA:n tapauksessa taajuuksien tuottaminen/suodatus.
TDMA-järjestelmissä on synkronoitava huolellisesti kaikkien käyttäjien lähetysajat, jotta varmistetaan, että ne vastaanotetaan oikeaan aikaväliin eivätkä aiheuta häiriöitä. Koska tätä ei voida täydellisesti valvoa liikkuvassa ympäristössä, jokaisella aikavälialueella on oltava suoja-aika, mikä vähentää todennäköisyyttä, että käyttäjät häiritsevät toisiaan, mutta heikentää spektritehokkuutta.
Toisella tavalla FDMA-järjestelmissä on käytettävä suojakaistaa vierekkäisten kanavien välissä, koska signaalin spektrin Doppler-siirtymä ei ole ennakoitavissa käyttäjien liikkuvuuden vuoksi. Suojakaistat vähentävät todennäköisyyttä, että vierekkäiset kanavat häiritsevät toisiaan, mutta heikentävät spektrin käyttöastetta.
Resurssien joustava jakaminen Muokkaa
Asynkroninen CDMA tarjoaa keskeisenä etuna resurssien joustavan jakamisen eli levitysjaksojen jakamisen aktiivisille käyttäjille. CDM:ssä (synkroninen CDMA), TDMA:ssa ja FDMA:ssa samanaikaisten ortogonaalisten koodien, aikavälien ja taajuusvälien määrä on kiinteä, joten kapasiteetti samanaikaisten käyttäjien lukumäärän suhteen on rajoitettu. CDM-, TDMA- ja FDMA-järjestelmille voidaan varata kiinteä määrä ortogonaalisia koodeja, aikavälejä tai taajuuskaistoja, jotka jäävät vajaakäyttöisiksi puhelinliikenteen ja paketoitujen tiedonsiirtojen purskeisen luonteen vuoksi. Asynkronisessa CDMA-järjestelmässä tuettavissa olevien käyttäjien lukumäärälle ei ole tiukkoja rajoja, vaan ainoastaan käytännöllinen raja, joka määräytyy halutun bittivirhetodennäköisyyden mukaan, koska signaalin ja häiriöiden suhde (SIR) vaihtelee käänteisesti käyttäjien lukumäärän mukaan. Asynkronisen CDMA:n etuna matkapuhelintoiminnan kaltaisessa nopean liikenteen ympäristössä on se, että suorituskyky (bittivirheprosentti) voi vaihdella satunnaisesti, ja sen keskiarvo määräytyy käyttäjien lukumäärän ja käyttöprosentin perusteella. Oletetaan, että on 2N käyttäjää, jotka puhuvat vain puolet ajasta, jolloin 2N käyttäjää voidaan ottaa vastaan samalla keskimääräisellä bittivirhetodennäköisyydellä kuin N käyttäjää, jotka puhuvat koko ajan. Keskeinen ero tässä on se, että bittivirhetodennäköisyys N käyttäjälle, jotka puhuvat koko ajan, on vakio, kun taas 2N käyttäjälle, jotka puhuvat puolet ajasta, se on satunnainen suure (jolla on sama keskiarvo).
Asynkroninen CDMA soveltuu siis erinomaisesti matkaviestinverkkoon, jossa suuri määrä lähettimiä tuottaa kukin suhteellisen pienen määrän liikennettä epäsäännöllisin väliajoin. CDM- (synkroninen CDMA), TDMA- ja FDMA-järjestelmät eivät pysty hyödyntämään burst-liikenteelle ominaisia vajaakäytössä olevia resursseja, koska yksittäisille lähettimille voidaan osoittaa kiinteä määrä ortogonaalisia koodeja, aikavälejä tai taajuuskanavia. Jos esimerkiksi TDMA-järjestelmässä on N aikaväliä ja 2N käyttäjää, jotka puhuvat puolet ajasta, puolet ajasta on enemmän kuin N käyttäjää, jotka tarvitsevat enemmän kuin N aikaväliä. Lisäksi ortogonaalisen koodin, aikaväli- tai taajuuskanavaresurssien jatkuva jakaminen ja poistaminen vaatisi huomattavia yleiskustannuksia. Sen sijaan asynkroniset CDMA-lähettimet vain lähettävät, kun niillä on jotain sanottavaa, ja katkaisevat lähetyksen, kun niillä ei ole sanottavaa, ja säilyttävät saman allekirjoitussekvenssin niin kauan kuin ne ovat yhteydessä järjestelmään.
CDMA:n hajaspektriominaisuudet Muokkaa
Useimmat modulaatiojärjestelmät pyrkivät minimoimaan signaalin kaistanleveyden, koska kaistanleveys on rajallinen resurssi. Hajaspektritekniikat käyttävät kuitenkin siirtokaistanleveyttä, joka on useita kertaluokkia suurempi kuin signaalin vaadittu minimikaistanleveys. Yksi alkuperäisistä syistä tähän olivat sotilaalliset sovellukset, kuten ohjaus- ja viestintäjärjestelmät. Nämä järjestelmät suunniteltiin käyttäen hajautettua spektriä sen turvallisuuden ja häirintäkestävyyden vuoksi. Asynkronisessa CDMA:ssa on sisäänrakennettu jonkinasteinen yksityisyyden suoja, koska signaali levitetään pseudosattumanvaraisen koodin avulla; tämä koodi saa hajaspektrisignaalit näyttämään satunnaisilta tai niillä on kohinan kaltaisia ominaisuuksia. Vastaanotin ei voi demoduloida tätä lähetystä tietämättä tiedon koodaamiseen käytettyä pseudosattumanvaraista sekvenssiä. CDMA kestää myös häirintää. Häirintäsignaalilla on vain rajallinen määrä tehoa käytettävissä signaalin häiritsemiseen. Häiritsijä voi joko jakaa energiansa koko signaalin kaistanleveydelle tai häiritä vain osaa koko signaalista.
CDMA voi myös tehokkaasti torjua kapeakaistaisia häiriöitä. Koska kapeakaistaiset häiriöt vaikuttavat vain pieneen osaan hajaspektrisestä signaalista, ne voidaan helposti poistaa lovisuodatuksella ilman suurta informaation menetystä. Konvoluutiokoodausta ja interleavingia voidaan käyttää apuna menetetyn tiedon palauttamisessa. CDMA-signaalit kestävät myös monitiehajontaa. Koska hajaspektrisignaali vie suuren kaistanleveyden, vain pieni osa siitä häipyy kulloinkin monitiekulun takia. Kuten kapeakaistainen häiriö, tämäkin johtaa vain pieneen datan menetykseen, ja siitä voidaan selvitä.
Toinen syy CDMA:n kestävyyteen monitieinterferenssiä vastaan on se, että lähetettyjen pseudosattumanvaraiskoodien viivästetyt versiot korreloivat huonosti alkuperäisen pseudosattumanvaraiskoodin kanssa ja näkyvät siten toisena käyttäjänä, joka jätetään vastaanottimessa huomiotta. Toisin sanoen niin kauan kuin monitiekanava aiheuttaa vähintään yhden sirun viiveen, monitiesignaalit saapuvat vastaanottimeen siten, että ne ovat siirtyneet ajassa vähintään yhden sirun verran aiotusta signaalista. Pseudosattumanvaraisten koodien korrelaatio-ominaisuudet ovat sellaiset, että tämä vähäinen viive aiheuttaa sen, että monitie vaikuttaa korreloimattomalta aiotun signaalin kanssa, joten se jätetään huomiotta.
Jotkut CDMA-laitteet käyttävät rake-vastaanotinta, joka hyödyntää monitieviiveen komponentteja järjestelmän suorituskyvyn parantamiseksi. Rake-vastaanotin yhdistää useiden korrelaattoreiden tiedot, joista jokainen on viritetty eri polkuviiveeseen, ja tuottaa siten vahvemman version signaalista kuin yksinkertainen vastaanotin, jossa on yksi korrelaattori, joka on viritetty vahvimman signaalin polkuviiveeseen.
Taajuuksien uudelleenkäyttö on kyky käyttää samaa radiokanavan taajuutta uudelleen muissa soluyksiköissä matkaviestinjärjestelmän sisällä. FDMA- ja TDMA-järjestelmissä taajuussuunnittelu on tärkeä näkökohta. Eri soluissa käytettävät taajuudet on suunniteltava huolellisesti, jotta eri solujen signaalit eivät häiritse toisiaan. CDMA-järjestelmässä samaa taajuutta voidaan käyttää jokaisessa solussa, koska kanavointi tehdään pseudosattumanvaraisilla koodeilla. Saman taajuuden käyttäminen jokaisessa solussa poistaa CDMA-järjestelmän taajuussuunnittelutarpeen; eri pseudosattumanvaraisia sekvenssejä on kuitenkin suunniteltava, jotta voidaan varmistaa, että yhdestä solusta vastaanotettu signaali ei korreloi läheisen solun signaalin kanssa.
Koska vierekkäiset solut käyttävät samoja taajuuksia, CDMA-järjestelmissä on mahdollisuus pehmeään luovuttamiseen. Soft hand-offien avulla matkapuhelin voi kommunikoida samanaikaisesti kahden tai useamman solun kanssa. Paras signaalin laatu valitaan, kunnes luovutus on valmis. Tämä eroaa muissa matkaviestinjärjestelmissä käytetyistä kovista luovutuksista. Kovassa luovutustilanteessa matkapuhelimen lähestyessä luovutusta signaalin voimakkuus voi vaihdella äkillisesti. Sitä vastoin CDMA-järjestelmissä käytetään pehmeää luovutusta, joka on huomaamaton ja tarjoaa luotettavamman ja laadukkaamman signaalin.