Einführung in CDMA Spread Spectrum

Code Division Multiple Access (CDMA) ist eine ausgeklügelte Spread-Spektrum-Technik, die die drahtlose Kommunikation revolutioniert hat, indem sie mehreren Benutzern ermöglicht, das gleiche Frequenzband gleichzeitig zu teilen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Frequenz- oder Zeitteilungsmethoden weist CDMA jedem Benutzer einen einzigartigen Spreizcode zu, der es ermöglicht, dass ihre Signale ohne gegenseitige Interferenzen koexistieren. Dieser Ansatz erhöht die Netzwerkkapazität und Spektraleffizienz dramatisch, macht es zum Rückgrat von 3G- und 4G-LTE-Netzwerken und beeinflusst moderne 5G-Designs. In diesem tiefen Tauchgang erkunden wir die zugrunde liegenden Prinzipien, Schlüsseltechniken, Vorteile und reale Anwendungen des CDMA Spread-Spektrums und bieten ein umfassendes Verständnis für Ingenieure, Studenten und Technologieenthusiasten.

Grundlagen für Spread Spectrum

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung eines Signals über eine viel größere Bandbreite als das für die Daten erforderliche Minimum. Diese absichtliche Spreizung wird dadurch erreicht, daß die ursprünglichen Daten mit einer Pseudozufallscodefolge moduliert werden, die nur dem Sender und dem vorgesehenen Empfänger bekannt ist. Das Ergebnis ist ein Signal, das als Rauschen mit geringer Leistung für jeden unberechtigten Zuhörer erscheint, was inhärente Sicherheit und Widerstand gegen verschiedene Formen von Störungen bietet. Der Kerngedanke besteht darin, daß die Signalenergie über einen breiten Frequenzbereich verteilt wird, wodurch ihre spektrale Dichte verringert wird.

CDMA nutzt diese Eigenschaft des verteilten Spektrums, um mehrere Benutzer gleichzeitig senden zu können. Die Daten jedes Benutzers werden mit einem eindeutigen Spreizcode multipliziert, und alle Benutzer werden im Kanal summiert. Der Empfänger kann, da er den vorgesehenen Benutzercode kennt, das empfangene zusammengesetzte Signal korrelieren, um die Daten dieses Benutzers zu extrahieren. Die Kreuzkorrelation zwischen verschiedenen Codes ist so ausgelegt, dass sie gering ist, so dass die Beiträge anderer Benutzer als geräuschähnliche Interferenzen erscheinen. Dieses Prinzip ist der Schlüssel zu CDMAs hoher Kapazität und Robustheit.

Schlüsseltechniken im CDMA Spread Spectrum

CDMA selbst ist zwar ein Mehrfachzugriffsschema, stützt sich jedoch auf spezifische Spread-Spektrum-Modulationen. Die beiden Haupttechniken sind Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) und Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS), beide bieten einzigartige Vorteile und Kompromisse, und ihre Auswahl hängt von der Anwendungsumgebung ab.

Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS)

DSSS ist das am häufigsten in CDMA-Systemen verwendete Spread-Spektrum-Verfahren. Bei DSSS wird das Datensignal mit einer hochfrequenten Pseudozufallscodefolge multipliziert, die typischerweise Tausende oder Millionen von Chips pro Sekunde enthält, wobei jeder Chip ein kurzer Puls ist. Diese Multiplikation verteilt die schmalbandigen Daten über eine breite Bandbreite. Beispielsweise beträgt die Chiprate bei IS-95 (2G CDMA) 1,2288 Mcps (Millionen Chips pro Sekunde), wodurch ein 9,6 kbps Sprachkanal auf etwa 1,25 MHz Bandbreite verteilt wird. Der Empfänger muss den exakt gleichen Code haben, der zeitlich synchronisiert ist, um das Signal zu despreaden. Dieser Prozess ergibt einen Verarbeitungsgewinn, der dem Verhältnis von Chiprate zu Datenrate entspricht, was direkt die Fähigkeit des Systems zur Ablehnung von Störungen bestimmt. Ein höherer Verarbeitungsgewinn ermöglicht mehr gleichzeitige Benutzer oder eine größere Toleranz gegenüber Rauschen.

DSSS bietet eine ausgezeichnete Mehrwegresistenz, da verzögerte Kopien des Signals (Echos) nach dem Entspreizen als unkorreliertes Rauschen erscheinen, sofern die Verzögerung die Chipdauer überschreitet. CDMA-Systeme haben daher oft einen einzigen RAKE-Empfänger, der mehrere Mehrwegkomponenten konstruktiv kombinieren kann. DSSS ist jedoch anfällig für Nah-Fern-Effekte: Ein starkes Signal eines nahen Benutzers kann ein schwaches Signal eines entfernten Benutzers überwältigen.

Frequenzsprung-Spread-Spektrum (FHSS)

FHSS verfolgt einen anderen Ansatz, indem es die Trägerfrequenz entsprechend einer pseudozufälligen Sequenz, die sowohl Sender als auch Empfänger bekannt ist, schnell ändert. Die Daten werden normalerweise auf einem schmalbandigen Träger moduliert, aber der Träger springt über einen Satz von Frequenzen in einer vorgegebenen Reihenfolge. Die Verweilzeit auf jeder Frequenz ist kurz - typischerweise zehn bis hundert Millisekunden. Das Sprungmuster bietet Sicherheit und Widerstand gegen Stören, da ein Lauscher die Sequenz kennen muss, um dem Signal zu folgen. FHSS wird in langsames Hopfen und schnelles Hopfen kategorisiert. Beim langsamen Hopfen werden mehrere Datenbits pro Hopfen übertragen; beim schnellen Hopfen treten mehrere Hopfen pro Bit auf, was eine größere Immunität gegen schmalbandige Störungen bietet.

FHSS ist weniger von Nah-Fern-Problemen betroffen, da das Signal im Laufe der Zeit unterschiedliche Frequenzen einnimmt, was die Wahrscheinlichkeit einer kontinuierlichen Interferenz durch ein starkes Signal verringert. Es ist auch einfacher in einigen Szenarien zu implementieren. FHSS kann jedoch einen geringeren Verarbeitungsgewinn erzielen als DSSS für die gleiche Gesamtbandbreite und kann Kollisionen erleiden, wenn mehrere Benutzer gleichzeitig auf die gleiche Frequenz springen - ein Problem, das durch sorgfältiges Codedesign und koordinierte Sprungsequenzen behoben wird. FHSS wird häufig in Bluetooth und militärischer Kommunikation verwendet, während CDMA-Mobilfunksysteme überwiegend DSSS verwenden.

Vorteile von CDMA Spread Spectrum

CDMA-Spread-Spektrum-Techniken bieten mehrere überzeugende Vorteile gegenüber alternativen Mehrfachzugriffsmethoden wie FDMA (Frequency Division Multiple Access) und TDMA (Time Division Multiple Access), die ihre weit verbreitete Verbreitung in der mobilen Kommunikation vorangetrieben haben.

  • Hochleistung und Spektraleffizienz: CDMA ermöglicht es allen Benutzern, die gesamte verfügbare Bandbreite gleichzeitig zu teilen. Da jeder Benutzer nur minimale Störungen zu anderen beiträgt, wird die Systemkapazität durch Störungen und nicht durch feste Frequenz- oder Zeitschlitze begrenzt. Diese weiche Kapazität kann durch die Verringerung des erforderlichen Signal-zu-Störungsverhältnisses erhöht werden, wodurch mehr Benutzer als in FDMA oder TDMA unter der gleichen Bandbreite möglich sind. In CDMA ist die Anzahl der Benutzer umgekehrt mit dem erforderlichen Eb / No (Energie pro Bit zu Rauschdichte) verbunden. Mit fortschrittlicher Codierung und Leistungssteuerung können CDMA-Systeme drei- bis fünfmal die Sprachkapazität von TDMA erreichen.
  • Verbesserte Sicherheit und Privatsphäre: Die Daten jedes Benutzers werden mit einem einzigartigen Pseudozufallscode verbreitet. Ohne Kenntnis dieses Codes kann ein Lauscher das Signal nicht richtig ausspähen - es erscheint als Low-Level-Rauschen. Dies bietet eine inhärente Verschlüsselung auf der physischen Ebene, wodurch CDMA sicherer wird als FDMA oder TDMA, wo Signale leicht abgefangen werden können. In militärischen Anwendungen wird das Spread-Spektrum verwendet, um die Existenz einer Übertragung zu verbergen (niedrige Wahrscheinlichkeit der Erkennung und geringe Wahrscheinlichkeit des Abhörens).
  • Die Daten werden in einem einzigen Schritt in einem ersten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in einem zweiten Schritt in
  • Verbesserte Leistung in Multipath-Umgebungen: Multipath-Fading ist ein häufiges Problem in drahtlosen Kanälen, wo Signale mehrere Pfade zum Empfänger führen. Bei CDMA mit DSSS erscheinen verzögerte Multipath-Komponenten als unkorrelierte Interferenz, aber sie können konstruktiv kombiniert werden, indem RAKE-Empfänger verwendet werden, die unterschiedliche Pfadverzögerungen unterschiedlichen Fingern zuweisen. Dies macht einen Nachteil zu einem Vorteil - CDMA profitiert tatsächlich von Multipath-Diversität, verbessert Signalqualität und Reichweite. Im Gegensatz dazu leiden Schmalbandsysteme unter tiefen Fades, die das Signal vollständig fallen lassen können.
  • Graceful Degradation: Im Gegensatz zu FDMA oder TDMA, wo das Hinzufügen eines weiteren Benutzers einen kompletten Systemausfall aufgrund von abgesetzten Anrufen verursachen kann, verschlechtern sich CDMA-Systeme anmutig. Mit mehr Benutzern steigt der Rauschpegel an, wodurch das Signal-zu-Störungsverhältnis für alle Benutzer reduziert wird. Die Anrufqualität nimmt allmählich ab, aber das System bleibt betriebsbereit. Diese weiche Kapazität ermöglicht es Betreibern, Überlastungen flexibel zu verwalten.
  • Lower Transmit Power: Da CDMA eine größere Bandbreite verwendet und auf Korrelation angewiesen ist, kann der Sender eine geringere Leistungsdichte verwenden. Dies reduziert die Interferenz anderer Benutzer und spart die Akkulaufzeit in mobilen Geräten. Fortgeschrittene Power-Control-Algorithmen stellen sicher, dass jedes Mobilgerät gerade genug Leistung sendet, um ein Ziel Eb / No aufrechtzuerhalten, was die Gesamtinterferenz weiter reduziert.

CDMA vs. Andere Multiple Access Techniken

To appreciate CDMA's advantages, it's useful to compare it with the two other classic methods: FDMA and TDMA. FDMA divides the available spectrum into non-overlapping frequency channels, each assigned to a single user. This is simple but inefficient because guard bands between channels waste spectrum, and idle channels cannot be reallocated. TDMA divides time into slots, and each user transmits in a predetermined time slot. This improves capacity but requires strict synchronization and still suffersIneffizienzen, wenn Benutzer im Leerlauf sind.

CDMA überwindet viele dieser Einschränkungen, indem es in jeder Zelle eine vollständige Frequenzwiederverwendung (universelle Frequenzwiederverwendung) ermöglicht, was in FDMA/TDMA-Systemen ohne Koordination nicht möglich ist. CDMA führt jedoch das Nah-Fern-Problem ein und erfordert eine präzise Stromsteuerung. Moderne 4G-LTE-Netze verwenden OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) auf dem Downlink, CDMA-Prinzipien leben jedoch in der Verwendung von Spreizcodes für Referenzsignale weiter. 5G enthält auch Spread-Spektrum-Konzepte in bestimmten Szenarien.

Moderne Anwendungen und Evolution

Die CDMA-Technologie für das Streuspektrum ist bei weitem nicht veraltet. Während 4G LTE hauptsächlich OFDMA verwendet, bleibt CDMA integraler Bestandteil von 3G-Netzwerken (cdmaOne, CDMA2000) und liefert weiterhin Sprach- und Latenzdaten in vielen Regionen. Satellitenkommunikation, wie Globalstar und Iridium, verwendet CDMA-ähnliches Streuspektrum für sicheren und effizienten Mehrfachzugriff. Militär- und Regierungssysteme verlassen sich auf das Streuspektrum für seine Anti-Jam- und Low-Probability-of-Intercept-Fähigkeiten. Darüber hinaus stützen die Prinzipien des Spreizspektrums fortschrittliche Techniken wie Ultra-Wideband (UWB) und Cognitive Radio. UWB verwendet extrem kurze Impulse, die über eine sehr breite Bandbreite (mehrere GHz) verteilt sind, um hohe Datenraten mit geringer Leistung zu erreichen. Es wird in der Ortungsverfolgung und Radar verwendet. Kognitives Radio passt sein Spreizmuster dynamisch an, um Interferenzen zu vermeiden und die Spektrumauslastung zu maximieren.

Im Kontext von 5G und darüber hinaus sind Konzepte wie Code-Domänen-Multiplexing (CDM) in der physikalischen Schicht für Steuerkanäle und Referenzsignale direkt von CDMA abgeleitet. Zusätzlich wird CDMA in WCDMA (Wideband CDMA) für den UMTS 3G-Standard verwendet. Während sich die mobile Industrie durch orthogonalen Mehrfachzugriff zu einer spektralen Effizienz hin bewegt, bleiben die grundlegenden Ideen des Spreizspektrums - Störunterdrückung, Sicherheit und Mehrfachzugriff über Codes - relevant und inspirieren weiterhin neue Technologien. Zum Beispiel verwenden nicht-orthogonale Multiple-Access-Schemata, die für 5G-Advanced vorgeschlagen werden, Power-Domänentrennung mit Interferenzunterdrückung, die konzeptionell mit der Codedomänentrennung von CDMA in Zusammenhang steht.

Herausforderungen und Minderung in CDMA-Systemen

Trotz seiner vielen Vorteile ist CDMA nicht ohne Herausforderungen. Das kritischste Problem ist der Nah-Fern-Effekt: Ein Mobilgerät in der Nähe der Basisstation kann das Signal eines entfernten Mobilgeräts überwältigen, wenn beide mit der gleichen Leistung senden. Um dies zu bekämpfen, verwendet CDMA eine schnelle und genaue Leistungsregelung, typischerweise Closed-Loop, wobei die Basisstation jedes Mobilgerät anweist, seine Leistung in 1 dB-Schritten alle 1,25 ms (in IS-95) anzupassen, wodurch die empfangenen Signalleistungen ungefähr gleich bleiben und die Kapazität maximiert wird.

Eine weitere Herausforderung ist die Notwendigkeit der Codesynchronisation. Der Empfänger muss seine lokale Codephase genau mit dem ankommenden Signal synchronisieren. Erfassungs- und Nachverfolgungsschaltungen sind unerlässlich und können komplex sein. Darüber hinaus ist die Kapazität von CDMA störungsbegrenzt. Mit zunehmender Anzahl von Benutzern steigt die Interferenz, was den Gesamtsystemdurchsatz reduziert. Fortgeschrittene Empfänger wie Interferenzunterdrücker und Mehrbenutzerdetektoren können dies mildern, aber die Rechenkomplexität erhöhen.

Schließlich kann die Breitband-Beschaffenheit von CDMA Interferenzen bei anderen Schmalbandsystemen verursachen, die in benachbarten Frequenzen arbeiten. Sorgfältige Filterung und Schutzbänder sind erforderlich. Trotz dieser Herausforderungen hat das richtige Systemdesign CDMA sehr erfolgreich und widerstandsfähig gemacht.

Schlussfolgerung

CDMA-Spread-Spektrum-Techniken stellen einen grundlegenden Fortschritt in der drahtlosen Kommunikation dar und bieten überlegene Kapazitäten, Sicherheit und Robustheit gegen Interferenzen. Durch das Verständnis der Prinzipien von DSSS und FHSS, der damit verbundenen Kompromisse und der einzigartigen Vorteile der Code-Abteilung können Ingenieure bessere Netzwerke entwerfen und weiterhin innovativ sein. Während neuere Mehrfachzugriffsschemata entwickelt wurden, bleiben die Kernkonzepte des Spread-Spektrums für eine Vielzahl von Anwendungen von wesentlicher Bedeutung - von der Mobilfunktelefonie bis zur militärischen Kommunikation und darüber hinaus. Mit dem Übergang zu 6G wird das Erbe von CDMA zweifellos zukünftige physikalische Schichtdesigns beeinflussen, die Widerstandsfähigkeit, Effizienz und Sicherheit erfordern zunehmend überfüllte elektromagnetische Umgebungen.

Für weitere Informationen siehe die folgenden maßgeblichen Ressourcen: ISO-Standards für Spread-Spektrum, IEEE-Papiere zur CDMA-Kapazitätsanalyse und Wikipedias CDMA-Übersicht.