Introducción al esparcido de CDMA

División de Códigos Multiple Access (CDMA) es una técnica de espectro de difusión sofisticada que ha revolucionado las comunicaciones inalámbricas permitiendo a múltiples usuarios compartir simultáneamente la misma banda de frecuencias. A diferencia de los métodos tradicionales de división de frecuencias o división de tiempo, CDMA asigna a cada usuario un código de difusión único, permitiendo que sus señales coexistan sin interferencia mutua.Este enfoque aumenta dramáticamente la capacidad de red y la eficiencia espectral, lo que hace la columna vertebral de redes 3G LTE y 4G.

Entendimiento Fundamentos de espectro

Las técnicas de espectro de difusión implican transmitir una señal sobre un ancho de banda mucho más amplio que el mínimo requerido para los datos. Esta difusión intencional se logra modulando los datos originales con una secuencia de código de pseudoarrecho conocida sólo al transmisor y receptor previsto. El resultado es una señal que parece un ruido de baja potencia a cualquier oyente no autorizado, proporcionando seguridad inherente y resistencia a diversas formas de interferencia.

CDMA aprovecha esta propiedad de espectro de difusión para permitir que varios usuarios transmitan simultáneamente. Los datos de cada usuario se multiplican por un código de difusión único, y todas las señales de difusión de los usuarios se resumen en el canal. El receptor, sabiendo el código de usuario previsto, puede correlacionar la señal compuesta recibida para extraer los datos de ese usuario.La coordinación entre diferentes códigos está diseñada para ser baja, asegurando que las contribuciones de otros usuarios sean de principio de interferencia robusta.

Técnicas clave en el especimen de esparcimiento CDMA

Aunque CDMA es un esquema de acceso múltiple, se basa en modulaciones específicas del espectro de propagación. Las dos técnicas primarias son el espectro de filtración directa de secuencias (DSSS) y el espectro de filtración de frecuencias (FHSS). Ambos ofrecen ventajas únicas y compensaciones, y su selección depende del entorno de aplicación.

Espectro de esparcimiento directo de secuencia (DSSS)

DSSS es el método de espectro de difusión más común utilizado en los sistemas CDMA. En DSSS, la señal de datos se multiplica por una secuencia de código de alta velocidad de pseudoranda, por lo general miles o millones de chips por segundo, donde cada chip es un pulso corto. Esta multiplicación difunde los datos de banda estrecha sobre un ancho de banda. Por ejemplo, en IS-95 (2G CDMA), la tasa de interferencia es 1.2288 canal de difusión

DSSS ofrece una excelente resistencia multipática porque copias retardadas de la señal (echoes) aparecen como ruido no relacionado después de la eliminación, siempre que el retraso supere la duración del chip. Por eso los sistemas CDMA a menudo tienen un receptor RAKE único que puede combinar múltiples componentes multipáticos de manera constructiva. Sin embargo, DSSS es vulnerable a un efecto cercano: una señal fuerte de un usuario cercano puede abrumar una señal débil de un usuario distante.

Frecuencia de espiga de espiga espiga (FHSS)

FHSS toma un enfoque diferente cambiando rápidamente la frecuencia de la compañía según una secuencia de pseudorandom conocida tanto por transmisor como receptor. Los datos se modulan normalmente en un portador de banda estrecha, pero el portador pasa por un conjunto de frecuencias en un orden predefinido. El tiempo de permanencia en cada frecuencia es corto -typically decenas a cientos de milisegundos. El patrón de acaparamiento proporciona seguridad y resistencia a la interferencia, como una secuencia de a la transmisión de a la a la aceleración

FHSS se ve menos afectada por problemas cercanos porque la señal ocupa diferentes frecuencias con el tiempo, reduciendo la posibilidad de interferencia continua de una señal fuerte. También es más simple implementar en algunos escenarios. Sin embargo, FHSS puede lograr un menor beneficio de procesamiento en comparación con DSSS para el mismo ancho de banda total, y puede sufrir de colisión si múltiples usuarios se acuesta a la misma frecuencia al mismo tiempo, un problema coordinado por secuencia cuidadosa.

Ventajas del especimen de esparcir CDMA

Las técnicas de espectro de difusión de CDMA ofrecen varias ventajas convincentes sobre métodos de acceso múltiple alternativos como FDMA (División de frecuencias Acceso múltiple) y TDMA (Acceso múltiple de la División de Tiempo). Estos beneficios han impulsado su adopción generalizada en las comunicaciones móviles.

  • High Capacity and Spectral Efficiency: CDMA permite a todos los usuarios compartir el ancho de banda disponible simultáneamente. Debido a que cada usuario aporta sólo interferencia mínima a otros, la capacidad del sistema se limita por interferencia en lugar de por cronogramas de frecuencia fija o tiempo. Esta capacidad suave puede aumentar reduciendo la relación de señal a interferencia requerida, permitiendo a más usuarios que en FDMA o TDMA.
  • Mejora de la seguridad y la privacidad: Los datos de cada usuario se distribuyen usando un código de pseudoarrebabilidad único. Sin conocimiento de ese código, un eavesdropper no puede despread adecuadamente la señal, parece como ruido de bajo nivel. Esto proporciona una encriptación inherente en la capa física, haciendo CDMA más seguro que FDMA o TDMA donde las señales se transmiten fácilmente.
  • Resistencia a la Interferencia y el Jamming: Las señales de espectro de propagación son naturalmente robustas contra la interferencia de banda estrecha. Un martillo de banda estrecha puede afectar sólo una pequeña fracción del ancho de banda extendido, y después de despreading, el poder del martillo se extiende a través del ancho de banda completo, reduciendo significativamente su impacto.
  • Mejorado rendimiento en entornos multipatáticos: El descoloramiento multipatático es un problema común en canales inalámbricos donde las señales toman múltiples caminos al receptor. En CDMA usando DSSS, los componentes multipats retardados aparecen como interferencia no relacionada, pero pueden combinarse constructivamente usando receptores RAKE que asignan dedos separados a diferentes retrasos de trayectoria.
  • Degradación graciosa:] A diferencia de FDMA o TDMA, donde añadir un usuario más puede causar un fallo completo del sistema debido a llamadas caídas, los sistemas CDMA degradan con gracia. Como más usuarios se unen, el suelo de ruido aumenta, reduciendo la relación de señal a interferencia para todos los usuarios. La calidad de llamada disminuye gradualmente, pero el sistema sigue funcionando.
  • Potencia de transmisión de menor tamaño: Debido a que CDMA utiliza un ancho de banda más amplio y se basa en la correlación, el transmisor puede utilizar una densidad de potencia menor. Esto reduce la interferencia a otros usuarios y preserva la vida de la batería en dispositivos móviles. algoritmos avanzados de control de energía aseguran que cada móvil transmita suficiente energía para mantener un Eb/No objetivo, reduciendo aún más la interferencia general.

CDMA vs. Otras técnicas de acceso múltiple

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 suffersde ineficiencias cuando los usuarios están ociosos.

CDMA supera muchas de estas limitaciones permitiendo la reutilización de frecuencia completa en cada célula (reutilización de frecuencia universal), que no es posible en sistemas FDMA/TDMA sin coordinación. Sin embargo, CDMA introduce el problema de cerca y requiere control de potencia preciso. Las redes modernas 4G LTE utilizan OFDMA (División de frecuencias ortogonales Multiple Access) en el enlace descendente, pero los principios CDMA viven en el uso de ciertos conceptos de señales de referencias.

Aplicaciones modernas y evolución

La tecnología de espectro de radio de alta calidad está lejos de ser obsoleta. Mientras que 4G LTE utiliza principalmente OFDMA, CDMA sigue siendo integral a redes 3G (cdmaOne, CDMA2000) y sigue proporcionando datos de voz y baja frecuencia en muchas regiones. Las comunicaciones por satélite, como Globalstar e Iridium, utilizan espectro de transmisión similar a CDMA para un acceso múltiple seguro y eficiente.

En el contexto de 5G y más allá, conceptos como Code Domainxing (CDM) en la capa física para canales de control y señales de referencia llevan línea directa desde CDMA. Además, CDMA se utiliza en WCDMA (Wideband CDMA) para la norma UMTS 3G. Mientras que la industria móvil cambia hacia una mayor eficiencia espectral mediante múltiples accesos ortogonales, las ideas fundamentales de cancelación de espectro de seguridad múltiple

Desafíos y Mitigaciones en los sistemas de CDMA

A pesar de sus muchas ventajas, CDMA no está sin desafíos. El problema más crítico es el efecto cercano: un móvil cerca de la estación base puede abrumar la señal de un móvil distante si ambos transmiten a la misma potencia. Para combatir esto, CDMA emplea control de potencia rápido y preciso, normalmente cerrado-abajo, donde la estación base instruye a cada móvil para ajustar su poder en 1 dB pasos cada 1.25 ms (en potencias aproximadas).

Otro reto es la necesidad de sincronización de códigos. El receptor debe sincronizar con precisión su fase de código local con la señal entrante. Los circuitos de adquisición y seguimiento son esenciales y pueden ser complejos. Además, la capacidad de CDMA está limitada por interferencias; a medida que el número de usuarios crece, aumenta la interferencia, reduciendo la entrada del sistema global.

Finalmente, la naturaleza de banda ancha de CDMA puede causar interferencia en otros sistemas de banda angosta que operan en frecuencias adyacentes. Se requieren bandas de filtrado y guardia cuidadosos. A pesar de estos desafíos, el diseño adecuado del sistema ha hecho CDMA altamente exitoso y resistente.

Conclusión

Las técnicas de espectro de difusión de CDMA representan un avance fundamental en las comunicaciones inalámbricas, ofreciendo una capacidad superior, seguridad y robustez contra la interferencia. Al comprender los principios de DSSS y FHSS, los intercambios involucrados, y las ventajas únicas de la división de códigos, los ingenieros pueden diseñar mejores redes y seguir innovando. Mientras que los nuevos sistemas de acceso múltiples se han desarrollado, los conceptos básicos del espectro de difusión siguen siendo esenciales para una amplia gama de aplicaciones, desde las comunicaciones móviles cada vez más avanzadas.

Para más lectura, consulte los siguientes recursos autorizados: Normas de la ISO para el espectro de difusión , ] Documentos de la IIE sobre el análisis de la capacidad de la CDMA, y ]Wikipedia's CDMA overview].