Le origini dell'accesso multiplo digitale

Code Division Multiple Access (CDMA) è una tecnologia digitale cellulare che permette a più utenti di condividere la stessa banda di frequenza contemporaneamente. Ha svolto un ruolo significativo nello sviluppo delle moderne telecomunicazioni, offrendo un uso efficiente dello spettro e una migliore qualità delle chiamate. A differenza dei precedenti sistemi analogici che hanno assegnato ogni chiamata una frequenza dedicata o una slot tempo, CDMA consente a tutti gli utenti di trasmettere contemporaneamente sulla stessa vasta gamma di frequenze.

Che cosa è la tecnologia CDMA?

A differenza della divisione di frequenza tradizionale accesso multiplo (FDMA) o divisione temporale accesso multiplo (TDMA), CDMA assegna codici unici a ogni utente, consentendo conversazioni multiple a verificarsi sulla stessa larghezza di banda senza interferenze. In un sistema FDMA, ogni utente ottiene una fetta dedicata di spettro di frequenza. In TDMA, gli utenti prendono a turno la trasmissione in distinti intervalli di tempo.

La fondazione teorica di CDMA risale agli anni '40 e il lavoro di attrice e inventore Hedy Lamarr e compositore George Antheil, che brevettarono una tecnica di spettro di frequenza per guidare i siluri.

Come funziona CDMA?

Nei sistemi CDMA, ogni utente ha un codice unico chiamato codice di diffusione. Questo codice diffonde il segnale user’s attraverso l'intera larghezza di banda. Al ricevitore’s fine, lo stesso codice viene utilizzato per estrarre il segnale specifico, filtrando efficacemente altri segnali che condividono la stessa frequenza. Questo processo è noto come tecnologia di spettro di diffusione. Il codice di diffusione è una sequenza di bit (chips) molto più alta che funziona a dati di frequenza.

Diffusione di elementi di spettro

Direct-sequence spread spectrum (DSSS) is the variant of spread spectrum most commonly associated with CDMA. In DSSS, the narrowband user signal is multiplied by a pseudo-random noise (PN) code that has a chip rate far exceeding the data rate. This multiplication broadens the signal bandwidth by a factor equal to the processing gain. The processing gain is the ratio of the chip rate to the data rate—for example, if the chip rate is 1.2288 Mcps (megachips per second) and the data rate is 9.6 kbps, the processing gain is approximately 128 (or 21 dB). This gain is what allows CDMA receivers to recover weak signals even when multiple strong interferers occupy the same frequency band.

Codici Walsh e Sequenze di rumore Pseudo-Random

I sistemi CDMA usano tipicamente due strati di codifica. Il primo strato utilizza funzioni Walsh (chiamate anche codici Hadamard) per garantire l'ortogonalità tra gli utenti all'interno della stessa cella. I codici Walsh sono matematicamente progettati in modo che la correlazione tra due codici distinti sia zero, il che significa che un ricevitore può separare perfettamente le trasmissioni simultanee da diversi utenti nella stessa cella fino a quando i codici rimangono sincronizzati.

Correlazione e recupero segnale

Poiché la sequenza di codice è ortogonale (o quasi così) a tutti gli altri codici in uso, la moltiplicazione crolla l'utente desiderato & n. 8217; il segnale di ritorno in un flusso di dati a banda stretta mentre lasciando i segnali da altri utenti si diffondono come rumore a banda larga. Un semplice filtro passabanda poi recupera i bit di lavoro originali.

Caratteristiche principali di CDMA

CDMA offre diversi vantaggi rispetto alle precedenti tecniche di accesso multiplo, motivo per cui è stata scelta come interfaccia aerea per alcuni degli standard 3G più diffusi al mondo.

Efficienza e capacità dello spettro

Poiché tutti gli utenti condividono la stessa banda di frequenza contemporaneamente, CDMA può supportare più utenti per unità di banda rispetto a FDMA o TDMA in condizioni di caricamento tipiche. La capacità morbida di CDMA significa che aggiungere un utente in più solo leggermente aumenta il piano di rumore per tutti gli altri, piuttosto che consumare una slot o frequenza dedicata, permettendo agli operatori di servire un numero maggiore di abbonati con lo stesso spettro di allocazione.

Sicurezza e privacy

Un ascoltatore passivo che non conosce il codice di diffusione vede solo un segnale acustico a bassa potenza. Senza la corretta sequenza e la tempistica PN, è computazionalmente in grado di recuperare i dati originali. Questa sicurezza intrinseca è un motivo per cui CDMA è stato utilizzato nelle comunicazioni militari per decenni.

Controllo di potenza e di erogazione morbida

CDMA introduce il concetto di soft handoff (chiamato anche soft handover), dove un dispositivo mobile comunica con due o più stazioni di base simultaneamente durante una transizione tra le celle. Il dispositivo mobile combina i segnali da più stazioni di base utilizzando il rapporto maximal che combina, migliorando la qualità del segnale e eliminando le gocce di chiamata brusco che si verificano nei sistemi di handoff rigidi.

CDMA vs. altre tecnologie di accesso multipli

Comprendere come CDMA confronta con altri metodi di accesso ai canali chiarisce perché è stato adottato per 3G e come i suoi limiti hanno guidato la transizione verso le nuove tecnologie.

CDMA vs. FDMA

La divisione di frequenza di accesso multiplo divide lo spettro disponibile in canali stretti, ognuno dedicato a un singolo utente. FDMA è semplice e viene utilizzato in sistemi cellulari analogici come AMPS e TACS. Tuttavia, soffre di scarsa efficienza spettrale perché le bande di guardia tra i canali di spettro di rifiuti, e un canale non può essere riutilizzato da altri utenti anche quando è inattivo. CDMA elimina completamente le bande di guardia e permette di scoppio efficiente capacità di utilizzare i dati da altri utenti di traffico.

CDMA vs. TDMA

GSM, il dominante 2G standard, usato TDMA. TDMA migliora l'efficienza spettrale su FDMA ma richiede ancora tempi di guardia tra slot ed è sensibile agli errori di tempo, soprattutto ad alta velocità. CDMA’ la trasmissione continua evita la testa di limiti di slot e tempi di guardia. Tuttavia, i sistemi TMA di complessità sono semplici

CDMA vs. OFDMA

L'accesso multi-velocità di frequenza di Orthogonal divide la larghezza di banda in un gran numero di sottocarrier molto distanziati. OFDMA è la fondazione di 4G LTE e 5G NR. OFDMA offre un'efficienza spettrale ancora più elevata rispetto al CDMA ed è più robusto per il multipath che fading dei dati di tipo inferiore a 82.

Applicazioni nelle Telecomunicazioni Moderne

La tecnologia CDMA è stata ampiamente adottata in vari sistemi di comunicazione, soprattutto nelle reti mobili, e ha costituito la base per le reti 3G in molti paesi e continua ad influenzare le nuove tecnologie attraverso i suoi concetti fondamentali di spettro di diffusione e divisione di codice.

3G Networks e CDMA2000

I principali fornitori di telecomunicazioni hanno utilizzato CDMA per le loro reti 3G, come gli standard CDMA2000 e EV-DO. Queste reti hanno fornito velocità di dati più veloci e una migliore qualità della voce rispetto ai precedenti sistemi 2G. CDMA2000 1X ha introdotto tassi di dati fino a 153 kbps, mentre EV-DO (Evolution-Data Optimized) ha spinto i tassi di picco a 2.4 Mbps e poi a 3.1 milioni di MBprint con EV-DO Rev A e a 4,7

Comunicazioni via satellite

La sua robustezza contro le interferenze lo rende adatto per tali applicazioni. I collegamenti satellitari affrontano sfide tra cui ritardi di propagazione lunghi, spostamenti Doppler e budget di potenza limitata. CDMA’ la funzione di diffusione-spetro fornisce una resistenza intrinseca a jamming e interferenze da altri satelliti o fonti terrestri.

Sistema di posizionamento globale (GPS)

Il Global Positioning System, gestito dalla United States Space Force, si basa sui principi di CDMA per consentire a tutti i satelliti GPS di trasmettere sulle stesse due frequenze: L1 (1575.42 MHz) e L2 (1227.60 MHz). Ogni satellite trasmette un unico codice pseudo-raggio (PRN) che è ortogonale ai codici utilizzati da tutte le altre misurazioni satelliti.

Comunicazioni militari e sicure

Il sistema di distribuzione delle informazioni tattiche (JTIDS) e il più recente sistema di distribuzione delle informazioni multifunzionali (MIDS) utilizzano tecniche di spettro-spezione basate su CDMA per fornire i collegamenti dati di alta capacità per aerei, navi e forze di terra.

Wireless Local Loop e Fisso Wireless

Nelle regioni in cui l'infrastruttura telefonica cablata era scarsa o costosa da distribuire, i sistemi di loop locale wireless basati su CDMA (WLL) hanno fornito un'alternativa economica per servizi di voce e dati. Gli operatori hanno utilizzato stazioni di base CDMA con antenne direzionali per servire abbonati wireless fissi o nomadi su distanze di diversi chilometri.

Limitazioni e decline di CDMA

Nonostante i suoi numerosi punti di forza, CDMA ha portato diversi limiti inerenti alla sua graduale sostituzione da parte di sistemi basati su OFDMA in 4G e 5G. Il problema vicino-far richiede un controllo di potenza molto stretto, aggiungendo complessità sia alla stazione di base che al dispositivo mobile.

L'eredità e il futuro della tecnologia CDMA

Anche se le nuove tecnologie come LTE e 5G stanno sostituendo CDMA in molte aree, la comprensione del CDMA rimane essenziale per afferrare l'evoluzione della comunicazione wireless. Alcuni sistemi legacy ancora funzionano utilizzando CDMA, e i suoi principi influenzano i progetti di rete moderni.

In 5G NR, il uplink utilizza una variante di codice chiamata DFT-s-OFDM (Discrete Fourier Transform spread OFDM), che è una forma di singolo-carriera di divisione di frequenza accesso multiplo (SC-FDMA) che condivide CDMA’ la proprietà desiderabile del basso rapporto di potenza di picco-media.

In vista di ciò, le tecniche di ispirazione CDMA vengono esplorate per reti non territoriali (NTN) e costellazioni di Internet via satellite, dove la capacità di condividere spettro su molti utenti con densità di potenza bassa è altamente vantaggiosa. I ricercatori stanno anche indagando su multiplex code-domain per comunicazioni di tipo macchina massiccia (mMTC) in 5G e oltre, dove migliaia di dispositivi IoT a bassa potenza per cella hanno bisogno di trasmettere contemporaneamente piccoli scenari di dati.

Conclusioni

La tecnologia CDMA ha rivoluzionato le comunicazioni mobili consentendo a più utenti di condividere con efficienza lo stesso spettro. Le sue applicazioni in reti 3G, comunicazioni satellitari e GPS evidenziano la sua versatilità e importanza nella storia delle telecomunicazioni. Come avanza la tecnologia, i concetti fondamentali di CDMA continuano a informare lo sviluppo di nuovi standard wireless. I principi di spettro di diffusione, codifica ortogonale, e soft tecniche di handoff che hanno reso CDMA efficace sono profondamente incorporati nel tessuto.

Per ulteriori informazioni su CDMA e sul suo impatto sulle comunicazioni wireless, le seguenti risorse forniscono una certa profondità tecnica: Qualcomm CDMA] Panoramica della tecnologia, Ieeee procedure di conferenza su sistemi di spettro di diffusione, il libro “] CDMA: Principi di riferimento Spread Spectrum Communication82F[