Wanneer mobiel-naar-basisverbindingen niet nauwkeurig kunnen worden gecoördineerd, met name als gevolg van de mobiliteit van de handsets, is een andere aanpak vereist. Aangezien het wiskundig niet mogelijk is handtekeningsequenties te creëren die zowel orthogonaal zijn voor willekeurig willekeurige beginpunten als die de coderuimte volledig benutten, worden in asynchrone CDMA-systemen unieke “pseudo-willekeurige” of “pseudo-ruis”-sequenties gebruikt die spreidingssequenties worden genoemd. Een spreidingssequentie is een binaire sequentie die willekeurig lijkt maar door de beoogde ontvangers op deterministische wijze kan worden gereproduceerd. Deze spreidingsreeksen worden gebruikt om het signaal van een gebruiker in asynchrone CDMA op dezelfde wijze te coderen en te decoderen als de orthogonale codes in synchrone CDMA (zie het voorbeeld hierboven). Deze strooisequenties zijn statistisch ongecorreleerd en de som van een groot aantal strooisequenties resulteert in meervoudige toegangsinterferentie (MAI) die wordt benaderd door een Gaussisch ruisproces (volgens de centrale limiettheorie in de statistiek). Gouden codes zijn een voorbeeld van een spreidingssequentie die geschikt is voor dit doel, aangezien er een geringe correlatie tussen de codes is. Indien alle gebruikers met hetzelfde vermogen worden ontvangen, neemt de variantie (b.v. het ruisvermogen) van de MAI recht evenredig toe met het aantal gebruikers. Met andere woorden, in tegenstelling tot synchrone CDMA zullen de signalen van andere gebruikers als ruis bij het gewenste signaal verschijnen en het gewenste signaal enigszins verstoren in verhouding tot het aantal gebruikers.
Alle vormen van CDMA maken gebruik van de spreidingsfactor van het spreidingsspectrum om ontvangers in staat te stellen ongewenste signalen gedeeltelijk te discrimineren. Signalen die zijn gecodeerd met de gespecificeerde spreidingsreeksen worden ontvangen, terwijl signalen met andere reeksen (of dezelfde reeksen maar met andere timing-offsets) worden weergegeven als breedbandruis die door de spreidingsfactor is gereduceerd.
Omdat elke gebruiker MAI genereert, is het beheersen van de signaalsterkte een belangrijk punt bij CDMA-zenders. Een CDM- (synchrone CDMA), TDMA- of FDMA-ontvanger kan in theorie willekeurig sterke signalen die gebruik maken van verschillende codes, tijdslots of frequentiekanalen volledig verwerpen als gevolg van de orthogonaliteit van deze systemen. Dit geldt niet voor asynchrone CDMA; ongewenste signalen worden slechts gedeeltelijk afgewezen. Als één of alle ongewenste signalen veel sterker zijn dan het gewenste signaal, zullen zij het overweldigen. Dit leidt tot een algemene eis in elk asynchroon CDMA-systeem om de verschillende signaalvermogensniveaus zoals die bij de ontvanger worden waargenomen, ongeveer op elkaar af te stemmen. In CDMA cellulair, het basisstation maakt gebruik van een snelle closed-loop power-control regeling om strak te controleren zendvermogen van elke mobiele telefoon.
Voordelen van asynchrone CDMA ten opzichte van andere techniekenEdit
Efficiënt gebruik in de praktijk van het vaste frequentiespectrumEdit
In theorie hebben CDMA, TDMA en FDMA precies dezelfde spectrale efficiëntie, maar in de praktijk heeft elk zijn eigen uitdagingen – vermogensregeling in het geval van CDMA, timing in het geval van TDMA, en frequentiegeneratie/-filtering in het geval van FDMA.
TDMA-systemen moeten de transmissietijden van alle gebruikers zorgvuldig synchroniseren om ervoor te zorgen dat zij in het juiste tijdslot worden ontvangen en geen interferentie veroorzaken. Aangezien dit in een mobiele omgeving niet perfect kan worden gecontroleerd, moet elk tijdslot een wachttijd hebben, waardoor de kans dat gebruikers elkaar storen wordt verkleind, maar de spectrale efficiëntie afneemt.
Op soortgelijke wijze moeten FDMA-systemen een wachtband gebruiken tussen aangrenzende kanalen, vanwege de onvoorspelbare dopplerverschuiving van het signaalspectrum als gevolg van de mobiliteit van de gebruiker. De guard bands verkleinen de kans dat aangrenzende kanalen elkaar storen, maar verminderen de benutting van het spectrum.
Flexibele toewijzing van middelenEdit
Asynchrone CDMA biedt een belangrijk voordeel bij de flexibele toewijzing van middelen, d.w.z. de toewijzing van strooivolumes aan actieve gebruikers. Bij CDM (synchrone CDMA), TDMA en FDMA is het aantal gelijktijdige orthogonale codes, tijdslots en frequentieslots respectievelijk vast, zodat de capaciteit in termen van het aantal gelijktijdige gebruikers beperkt is. Er is een vast aantal orthogonale codes, tijdsloten of frequentiebanden die kunnen worden toegewezen aan CDM-, TDMA- en FDMA-systemen, die onderbenut blijven als gevolg van het bursty karakter van telefonie en pakketgeschakelde datatransmissies. Er is geen strikte limiet aan het aantal gebruikers dat in een asynchroon CDMA-systeem kan worden ondersteund, alleen een praktische limiet die wordt bepaald door de gewenste bitfoutkans, aangezien de SIR (signaal-storingsverhouding) omgekeerd evenredig varieert met het aantal gebruikers. In een omgeving met veel verkeer, zoals mobiele telefonie, is het voordeel van asynchrone CDMA dat de prestaties (bitfoutenkans) willekeurig kunnen fluctueren, met een gemiddelde waarde die wordt bepaald door het aantal gebruikers maal het bezettingspercentage. Stel dat er 2N gebruikers zijn die slechts de helft van de tijd praten, dan kunnen 2N gebruikers worden ondergebracht met dezelfde gemiddelde bitfoutkans als N gebruikers die de hele tijd praten. Het belangrijkste verschil hier is dat de bitfoutkans voor N gebruikers die de hele tijd praten constant is, terwijl het een willekeurige grootheid is (met hetzelfde gemiddelde) voor 2N gebruikers die de helft van de tijd praten.
Met andere woorden, asynchrone CDMA is bij uitstek geschikt voor een mobiel netwerk waar grote aantallen zenders elk een relatief kleine hoeveelheid verkeer genereren met onregelmatige tussenpozen. CDM (synchrone CDMA), TDMA, en FDMA-systemen kunnen de onderbenutte middelen die inherent zijn aan bursty verkeer niet terugwinnen als gevolg van het vaste aantal orthogonale codes, tijdsloten of frequentiekanalen die aan individuele zenders kunnen worden toegewezen. Als er bijvoorbeeld N tijdslots zijn in een TDMA-systeem en 2N gebruikers die de helft van de tijd praten, dan zullen er de helft van de tijd meer dan N gebruikers zijn die meer dan N tijdslots moeten gebruiken. Bovendien zou het een aanzienlijke overhead vergen om de middelen voor orthogonale code, tijdslots of frequentiekanalen voortdurend toe te wijzen en te dealloceren. Ter vergelijking: asynchrone CDMA-zenders zenden alleen wanneer zij iets te zeggen hebben en gaan uit de lucht wanneer zij dat niet hebben, waarbij zij dezelfde signatuursequentie behouden zolang zij met het systeem verbonden zijn.
Spread-spectrum kenmerken van CDMAEdit
De meeste modulatieschema’s proberen de bandbreedte van dit signaal te minimaliseren omdat bandbreedte een beperkte hulpbron is. Bij spread-spectrum technieken wordt echter een transmissiebandbreedte gebruikt die verscheidene orden van grootte groter is dan de minimaal vereiste signaalbandbreedte. Een van de oorspronkelijke redenen om dit te doen was militaire toepassingen, waaronder geleidings- en communicatiesystemen. Deze systemen werden ontworpen met gebruikmaking van spread spectrum vanwege de veiligheid en de weerstand tegen jamming. Asynchrone CDMA heeft een zekere mate van privacy ingebouwd omdat het signaal wordt gespreid met behulp van een pseudo-willekeurige code; deze code doet de gespreid-spectrumsignalen willekeurig lijken of ruisachtige eigenschappen hebben. Een ontvanger kan deze transmissie niet demoduleren zonder kennis van de pseudo-willekeurige sequentie die wordt gebruikt om de gegevens te coderen. CDMA is ook bestand tegen storingen. Een stoorsignaal heeft slechts een eindige hoeveelheid energie beschikbaar om het signaal te storen. De stoorzender kan zijn energie ofwel over de gehele bandbreedte van het signaal verspreiden ofwel slechts een deel van het gehele signaal storen.
CDMA kan ook effectief smalbandinterferentie weigeren. Aangezien smalbandinterferentie slechts een klein deel van het spread-spectrumsignaal beïnvloedt, kan zij gemakkelijk worden verwijderd door notch filtering zonder veel informatieverlies. Convolutie-codering en interleaving kunnen worden gebruikt om deze verloren gegevens te herstellen. CDMA-signalen zijn ook bestand tegen multipad fading. Aangezien het spread-spectrum signaal een grote bandbreedte in beslag neemt, zal slechts een klein gedeelte daarvan op een gegeven moment door multipad fading ondergaan. Evenals de smalbandinterferentie leidt dit slechts tot een gering verlies van gegevens en kan het worden overwonnen.
Een andere reden waarom CDMA bestand is tegen meerweginterferentie is dat de vertraagde versies van de uitgezonden pseudowillekeurige codes een slechte correlatie hebben met de oorspronkelijke pseudowillekeurige code, en dus als een andere gebruiker verschijnen, die bij de ontvanger wordt genegeerd. Met andere woorden, zolang het multipath-kanaal ten minste één chip vertraging induceert, zullen de multipath-signalen zodanig bij de ontvanger aankomen dat zij ten opzichte van het bedoelde signaal ten minste één chip in tijd zijn verschoven. De correlatie-eigenschappen van de pseudo-willekeurige codes zijn zodanig dat deze geringe vertraging ervoor zorgt dat de multipath niet gecorreleerd lijkt met het bedoelde signaal, en dus wordt genegeerd.
Sommige CDMA-apparaten maken gebruik van een rake-ontvanger, die gebruik maakt van multipath-vertragingscomponenten om de prestaties van het systeem te verbeteren. Een rake-ontvanger combineert de informatie van verschillende correlatoren, elk afgestemd op een andere padvertraging, waardoor een sterkere versie van het signaal wordt geproduceerd dan een eenvoudige ontvanger met een enkele correlatie, afgestemd op de padvertraging van het sterkste signaal.
Frequentiehergebruik is de mogelijkheid om dezelfde radiokanaalfrequentie op andere cellocaties binnen een cellulair systeem opnieuw te gebruiken. In de FDMA- en TDMA-systemen is frequentieplanning een belangrijke overweging. De frequenties die in verschillende cellen worden gebruikt, moeten zorgvuldig worden gepland om ervoor te zorgen dat signalen van verschillende cellen niet met elkaar interfereren. In een CDMA-systeem kan in elke cel dezelfde frequentie worden gebruikt, omdat de kanalisatie geschiedt met behulp van de pseudo-willekeurige codes. Het hergebruik van dezelfde frequentie in elke cel maakt frequentieplanning in een CDMA-systeem overbodig; de verschillende pseudo-willekeurige sequenties moeten echter wel worden gepland om ervoor te zorgen dat het ontvangen signaal van de ene cel niet correleert met het signaal van een naburige cel.
Omdat aangrenzende cellen dezelfde frequenties gebruiken, hebben CDMA-systemen de mogelijkheid om soft hand-offs uit te voeren. Soft hand-offs maken het mogelijk dat de mobiele telefoon gelijktijdig met twee of meer cellen communiceert. De beste signaalkwaliteit wordt geselecteerd totdat de hand-off is voltooid. Dit verschilt van de harde hand-offs die in andere cellulaire systemen worden gebruikt. In een hard-hand-off situatie kan de signaalsterkte abrupt variëren wanneer de mobiele telefoon een hand-off nadert. CDMA-systemen maken daarentegen gebruik van de zachte hand-off, die niet detecteerbaar is en een betrouwbaarder signaal van hogere kwaliteit oplevert.