Quando i collegamenti mobile-base non possono essere coordinati con precisione, in particolare a causa della mobilità dei portatili, è necessario un approccio diverso. Poiché non è matematicamente possibile creare sequenze di firma che siano al tempo stesso ortogonali per punti di partenza arbitrariamente casuali e che facciano pieno uso dello spazio di codice, nei sistemi CDMA asincroni si usano sequenze uniche “pseudo-casuali” o “pseudo-rumore” chiamate sequenze di diffusione. Una sequenza di diffusione è una sequenza binaria che sembra casuale ma può essere riprodotta in modo deterministico dai ricevitori previsti. Queste sequenze di diffusione sono usate per codificare e decodificare il segnale di un utente nel CDMA asincrono allo stesso modo dei codici ortogonali nel CDMA sincrono (mostrato nell’esempio precedente). Queste sequenze di diffusione sono statisticamente non correlate, e la somma di un gran numero di sequenze di diffusione provoca un’interferenza di accesso multiplo (MAI) che è approssimata da un processo di rumore gaussiano (seguendo il teorema del limite centrale in statistica). I codici aurei sono un esempio di una sequenza di diffusione adatta a questo scopo, poiché c’è una bassa correlazione tra i codici. Se tutti gli utenti sono ricevuti con lo stesso livello di potenza, allora la varianza (ad esempio, la potenza del rumore) del MAI aumenta in modo direttamente proporzionale al numero di utenti. In altre parole, a differenza del CDMA sincrono, i segnali degli altri utenti appariranno come rumore al segnale di interesse e interferiranno leggermente con il segnale desiderato in proporzione al numero di utenti.
Tutte le forme di CDMA usano il fattore di diffusione dello spettro per permettere ai ricevitori di discriminare parzialmente i segnali indesiderati. I segnali codificati con le sequenze di diffusione specificate vengono ricevuti, mentre i segnali con sequenze diverse (o le stesse sequenze ma diversi offset temporali) appaiono come rumore a banda larga ridotto dal fattore di diffusione.
Siccome ogni utente genera MAI, il controllo dell’intensità del segnale è un problema importante con i trasmettitori CDMA. Un ricevitore CDM (CDMA sincrono), TDMA, o FDMA può in teoria respingere completamente i segnali arbitrariamente forti che usano diversi codici, slot temporali o canali di frequenza a causa dell’ortogonalità di questi sistemi. Questo non è vero per il CDMA asincrono; il rifiuto dei segnali indesiderati è solo parziale. Se uno o tutti i segnali indesiderati sono molto più forti del segnale desiderato, lo sovrasteranno. Questo porta a un requisito generale in qualsiasi sistema CDMA asincrono per far corrispondere approssimativamente i vari livelli di potenza del segnale come si vede al ricevitore. Nel CDMA cellulare, la stazione base usa un veloce schema di controllo della potenza ad anello chiuso per controllare strettamente la potenza di trasmissione di ogni cellulare.
Vantaggi del CDMA asincrono rispetto ad altre tecnicheModifica
Utilizzo pratico efficiente dello spettro a frequenza fissaModifica
In teoria CDMA, TDMA e FDMA hanno esattamente la stessa efficienza spettrale, ma, in pratica, ognuno ha le sue sfide – controllo della potenza nel caso del CDMA, tempistica nel caso del TDMA, e generazione/filtraggio della frequenza nel caso del FDMA.
I sistemi TDMA devono sincronizzare attentamente i tempi di trasmissione di tutti gli utenti per assicurarsi che siano ricevuti nel corretto slot temporale e non causino interferenze. Poiché questo non può essere perfettamente controllato in un ambiente mobile, ogni slot temporale deve avere un tempo di guardia, che riduce la probabilità che gli utenti interferiscano, ma diminuisce l’efficienza spettrale.
Similmente, i sistemi FDMA devono usare una banda di guardia tra canali adiacenti, a causa dello spostamento Doppler imprevedibile dello spettro del segnale a causa della mobilità degli utenti. Le bande di guardia riducono la probabilità che i canali adiacenti interferiscano, ma diminuiscono l’utilizzo dello spettro.
Allocazione flessibile delle risorseModifica
Il CDMA asincrono offre un vantaggio chiave nell’allocazione flessibile delle risorse, cioè l’allocazione delle sequenze di diffusione agli utenti attivi. Nel caso del CDM (CDMA sincrono), TDMA e FDMA il numero di codici ortogonali simultanei, gli slot di tempo e di frequenza sono rispettivamente fissi, quindi la capacità in termini di numero di utenti simultanei è limitata. C’è un numero fisso di codici ortogonali, slot temporali o bande di frequenza che possono essere assegnati per i sistemi CDM, TDMA e FDMA, che rimangono sottoutilizzati a causa della natura burst della telefonia e delle trasmissioni di dati a pacchetti. Non c’è un limite rigoroso al numero di utenti che possono essere supportati in un sistema CDMA asincrono, solo un limite pratico governato dalla probabilità di errore di bit desiderata poiché il SIR (rapporto segnale-interferenza) varia inversamente al numero di utenti. In un ambiente di traffico burst come la telefonia mobile, il vantaggio offerto dal CDMA asincrono è che le prestazioni (bit error rate) possono fluttuare in modo casuale, con un valore medio determinato dal numero di utenti per la percentuale di utilizzo. Supponiamo che ci siano 2N utenti che parlano solo per metà del tempo, allora 2N utenti possono essere ospitati con la stessa probabilità media di errore di bit di N utenti che parlano tutto il tempo. La differenza chiave qui è che la probabilità di errore di bit per N utenti che parlano tutto il tempo è costante, mentre è una quantità casuale (con la stessa media) per 2N utenti che parlano per metà del tempo.
In altre parole, il CDMA asincrono è ideale per una rete mobile dove un gran numero di trasmettitori genera ciascuno una quantità relativamente piccola di traffico a intervalli irregolari. I sistemi CDM (CDMA sincrono), TDMA e FDMA non possono recuperare le risorse sottoutilizzate inerenti al traffico burst a causa del numero fisso di codici ortogonali, slot temporali o canali di frequenza che possono essere assegnati ai singoli trasmettitori. Per esempio, se ci sono N slot temporali in un sistema TDMA e 2N utenti che parlano per metà del tempo, allora per metà del tempo ci saranno più di N utenti che dovranno usare più di N slot temporali. Inoltre, richiederebbe un significativo overhead per allocare e deallocare continuamente le risorse di codice ortogonale, slot di tempo o canale di frequenza. In confronto, i trasmettitori CDMA asincroni inviano semplicemente quando hanno qualcosa da dire e vanno fuori onda quando non ce l’hanno, mantenendo la stessa sequenza di firma finché sono collegati al sistema.
Caratteristiche dello spettro di diffusione del CDMAEdit
La maggior parte degli schemi di modulazione cerca di ridurre al minimo la larghezza di banda di questo segnale poiché la larghezza di banda è una risorsa limitata. Tuttavia, le tecniche di spread-spectrum utilizzano una larghezza di banda di trasmissione che è diversi ordini di grandezza superiore alla larghezza di banda minima richiesta del segnale. Una delle ragioni iniziali per fare questo erano le applicazioni militari, compresi i sistemi di guida e comunicazione. Questi sistemi sono stati progettati utilizzando lo spread spectrum a causa della sua sicurezza e resistenza al jamming. Il CDMA asincrono ha un certo livello di privacy perché il segnale è diffuso usando un codice pseudo-casuale; questo codice fa apparire i segnali a spettro diffuso come casuali o con proprietà simili al rumore. Un ricevitore non può demodulare questa trasmissione senza conoscere la sequenza pseudo-casuale usata per codificare i dati. Il CDMA è anche resistente al jamming. Un segnale di disturbo ha solo una quantità finita di potenza disponibile per disturbare il segnale. Il disturbatore può diffondere la sua energia su tutta la larghezza di banda del segnale o disturbare solo una parte dell’intero segnale.
CDMA può anche respingere efficacemente le interferenze a banda stretta. Poiché l’interferenza a banda stretta colpisce solo una piccola porzione del segnale a spettro diffuso, può essere facilmente rimossa attraverso il filtraggio notch senza molta perdita di informazioni. La codifica di convoluzione e l’interleaving possono essere usati per aiutare a recuperare questi dati persi. I segnali CDMA sono anche resistenti al multipath fading. Poiché il segnale a spettro diffuso occupa una grande larghezza di banda, solo una piccola porzione di questa subirà il fading dovuto al multipath in qualsiasi momento. Come l’interferenza a banda stretta, questo comporterà solo una piccola perdita di dati e può essere superato.
Un’altra ragione per cui il CDMA è resistente all’interferenza multipath è perché le versioni ritardate dei codici pseudocasuali trasmessi avranno una scarsa correlazione con il codice pseudocasuale originale, e quindi appariranno come un altro utente, che viene ignorato al ricevitore. In altre parole, finché il canale multipath induce almeno un chip di ritardo, i segnali multipath arriveranno al ricevitore tali da essere spostati nel tempo di almeno un chip dal segnale previsto. Le proprietà di correlazione dei codici pseudo-casuali sono tali che questo leggero ritardo fa sì che il multipath appaia non correlato al segnale previsto, e quindi viene ignorato.
Alcuni dispositivi CDMA usano un ricevitore rake, che sfrutta le componenti di ritardo multipath per migliorare le prestazioni del sistema. Un ricevitore rake combina le informazioni di diversi correlatori, ognuno sintonizzato su un diverso ritardo del percorso, producendo una versione più forte del segnale rispetto a un semplice ricevitore con una singola correlazione sintonizzata sul ritardo del percorso del segnale più forte.
Il riutilizzo della frequenza è la capacità di riutilizzare la stessa frequenza del canale radio in altri siti cellulari all’interno di un sistema cellulare. Nei sistemi FDMA e TDMA, la pianificazione delle frequenze è una considerazione importante. Le frequenze usate nelle diverse celle devono essere pianificate attentamente per garantire che i segnali delle diverse celle non interferiscano tra loro. In un sistema CDMA, la stessa frequenza può essere usata in ogni cella, perché la canalizzazione è fatta usando i codici pseudo-casuali. Riutilizzare la stessa frequenza in ogni cella elimina la necessità di pianificare la frequenza in un sistema CDMA; tuttavia, la pianificazione delle diverse sequenze pseudo-casuali deve essere fatta per garantire che il segnale ricevuto da una cella non sia correlato al segnale di una cella vicina.
Poiché le celle adiacenti usano le stesse frequenze, i sistemi CDMA hanno la capacità di eseguire soft hand-offs. I soft hand-off permettono al telefono cellulare di comunicare simultaneamente con due o più celle. La migliore qualità del segnale viene selezionata fino a quando l’hand-off è completo. Questo è diverso dagli hard hand-off utilizzati in altri sistemi cellulari. In una situazione di hard-hand-off, quando il telefono cellulare si avvicina a un hand-off, la forza del segnale può variare bruscamente. Al contrario, i sistemi CDMA usano il soft hand-off, che non è rilevabile e fornisce un segnale più affidabile e di qualità superiore.