Introduzione alla Divisione Codice Accesso Multiple

I moderni sistemi di comunicazione wireless si basano su efficienti tecniche di accesso multiple per consentire a molti utenti di condividere lo stesso spettro simultaneamente. Code Division Multiple Access (CDMA) si distingue dai metodi di divisione della frequenza e di divisione temporale perché permette a tutti gli utenti di occupare l'intera larghezza di banda in ogni momento.

In un sistema CDMA, il segnale di dati di ogni utente viene moltiplicato per una sequenza di codice unica che ha una larghezza di banda larga rispetto alla velocità dei dati. Questo processo diffonde il segnale attraverso la banda di frequenza. Al ricevitore, lo stesso codice viene applicato per disperdere il segnale desiderato mentre altri segnali degli utenti (spread by different Code) appaiono come rumore.

Comprendere i codici ortogonali nella profondità

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Questa proprietà è la base su cui CDMA costruisce la sua capacità di accesso multiplo. Le famiglie più conosciute di codici ortogonali utilizzati negli standard wireless sono sequenze Walsh-Hadamard, Fattore di spargimento variabile ortogonale (OVSF) e sequenze specializzate zero-correlazione-zona utilizzate in disegni quasi-ortogonali.

L'ortogonalità può essere mantenuta solo in condizioni ideali: un perfetto allineamento temporale tra tutti gli utenti e un canale di frequenza-flat, non-dispersivo. Nelle reti reali, queste condizioni sono raramente pienamente soddisfatte, e il sistema deve essere progettato per tollerare una certa perdita di ortogonalità.

La matematica dei codici Walsh-Hadamard

I codici Walsh sono generati da matrici Hadamard, che sono matrici quadrate di ordine N] (dove N[] è una potenza di 2) le cui voci sono ±1 e le cui file sono reciprocamente ortogonali. La costruzione standard utilizza la definizione ricorrente:

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Ogni riga della matrice corrisponde ad un codice Walsh di lunghezza N. Nei sistemi IS-95 CDMA, il collegamento in avanti (base station to mobile) utilizza codici Walsh di lunghezza 64 per distinguere fino a 64 canali (pilota, sincronizzazione, paging e traffico).

La riorganizzazione dei codici Walsh è solo quando i codici sono perfettamente allineati nel tempo. Un passaggio da un chip perfino distrugge l'ortogonalità, motivo per cui la sincronizzazione dei tempi è fondamentale nei collegamenti in avanti CDMA. La lunghezza del codice impone anche un limite rigoroso al numero di canali ortogonali: per la lunghezza N, al massimo [FFF][F3]

Fattore di diffusione variabile ortogonale (OVSF) Codici

Mentre i codici Walsh offrono un fattore di diffusione fisso, i sistemi 3G WCDMA (UMTS) richiedono il supporto per più velocità di dati simultaneamente. I codici OVSF sono stati introdotti per fornire codici ortogonali variabili, mantenendo l'ortogonalità tra gli utenti con diversi fattori di diffusione. I codici OVSF sono organizzati in un albero di codice dove ogni nodo ha due codici di bambino derivati concatenando il codice genitore con se stesso (per un ramo) e con la sua negazione (per un altro ramo).

Questa struttura gerarchica garantisce che i due codici dello stesso albero siano ortogonali se non sono né antenato dell'altro. Questo permette alla rete di assegnare codici più brevi (tassi dati più elevati) agli utenti che necessitano di una maggiore larghezza di banda mentre i codici più lunghi servono agli utenti con tassi di dati più bassi. Tuttavia, la struttura dell'albero impone un vincolo duro: se un codice viene assegnato a un utente, tutti i suoi discendenti e antenati di qualità sono gestione della capacità di qualità.

I codici OVSF sono un motivo chiave per cui i sistemi CDMA 3G potrebbero offrire tassi flessibili di dati da pochi kbps fino a 2 Mbps. La loro proprietà ortogonale garantisce che all'interno di una cella, l'interferenza del collegamento in avanti rimane bassa anche quando i tassi di dati variano.

Ruolo dei codici ortogonali in CDMA Performance del sistema

Le prestazioni di un sistema CDMA sono tipicamente misurate in termini di capacità (numero di utenti simultanei), produttività dei dati e qualità delle chiamate (misurata con la velocità di errore bit o la velocità di cancellazione del frame).

Miglioramento della capacità attraverso la diffusione ortogonale

In un collegamento in avanti perfettamente sincrono con i codici ortogonali, l'interferenza di altri utenti all'interno della stessa cella è teoricamente zero. Ciò significa che l'unica interferenza che un utente vede è dalle celle adiacenti (interferenza intercellula) e dal rumore termico. La capacità di una cella CDMA è quindi determinata dal rapporto segnale-interferenza-plus-noise (SINR) del più debole utente.

Tuttavia, quando gli utenti si muovono e multipath distrugge l'ortogonalità, il fattore ortogonalità (un valore tra 0 e 1) degrada. In un ambiente tipico macro-cell, il fattore ortogonalità potrebbe essere 0.4 a 0.6, il che significa solo 40–60% della potenza trasmessa da altri utenti appare come interferenza.

Interferenza Riduzione e Chiarezza Segnale

I codici ortogonali migliorano anche la chiarezza del segnale riducendo il problema vicino a quello; in CDMA, un utente vicino alla stazione di base può sopraffare un utente lontano se tutti gli utenti trasmettono a pari potenza. Utilizzando i codici ortogonali sul collegamento in avanti, la stazione di base può trasmettere il segnale di ogni utente a un livello di potenza appropriato alla perdita del percorso dell'utente senza creare interferenze agli altri, perché i codici li separano.

Sul collegamento inverso, dove l'ortogonalità è più difficile da mantenere, il controllo di potenza diventa lo strumento principale per mitigare le interferenze. Tuttavia, alcuni sistemi CDMA avanzati utilizzano codici quasi-ortogonali o tecniche di cancellazione di interferenze che sfruttano la struttura nota dei codici ortogonali per migliorare le prestazioni.

Supporto per la produttività e la velocità flessibile

Con i codici OVSF, i sistemi CDMA possono supportare una vasta gamma di tassi di dati assegnando codici con diversi fattori di diffusione. Un utente che richiede un alto rendimento ottiene un codice breve (piccolo fattore di diffusione), che aumenta la velocità dei dati ma riduce anche il guadagno di elaborazione. Il guadagno di elaborazione ridotto rende l'utente più vulnerabile alle interferenze, quindi il sistema deve assegnare maggiore potenza di trasmissione o fare affidamento su migliori condizioni di canale.

Modulazione adattiva e codifica (AMC) combinata con l'assegnazione di codice ortogonale consente ai moderni sistemi basati su CDMA (come HSPA) di raggiungere i tassi di picco superiori a 10 Mbps in buone condizioni di canale. L'ortogonalità dei codici è preservata in diversi fattori di diffusione, che rende possibile questa allocazione flessibile dei tassi senza ridisegnare l'intero codice impostato.

Tipi di codici ortogonali utilizzati in CDMA

Mentre i codici Walsh e OVSF dominano gli standard commerciali, altre famiglie di codici ortogonali sono state sviluppate per scopi specifici.

Codici Walsh-Hadamard in IS-95 e cdma2000

Come accennato, IS-95 utilizza codici Walsh di lunghezza 64 sul collegamento in avanti. Il canale CDMA in avanti è costituito da un canale pilota (codice Walsh all-zeros 0), fino a 7 canali di paging, un canale di sincronizzazione e più canali di traffico, ciascuno assegnato un codice Walsh unico. Poiché la stazione di base sincronizza tutti i canali, l'ortogonalità è perfetta all'interno della cella.

I codici Walsh sono utilizzati anche nel collegamento inverso di cdma2000 per il canale pilota (R-PICH) e il canale di controllo dedicato, ma qui la copertura ortogonale è limitata perché i cellulari non sono sincronizzati tra loro. Invece, i codici Walsh sul collegamento inverso aiutano la stazione di base a distinguere tra diversi canali dallo stesso mobile (ad esempio, pilota, controllo, dati).

Codici OVSF in WCDMA/HSPA

Il 3GPP WCDMA standard utilizza i codici OVSF con un fattore di diffusione massimo di 512 sul collegamento in avanti e 256 sul collegamento inverso. L'albero OVSF è definito con il codice radice della lunghezza 1, e ogni ramo si divide in due codici di doppia lunghezza. L'algoritmo di allocazione deve garantire che nessun due utenti nella stessa cella siano assegnati codici che sono antenato/descendante dell'altro.

HSPA (High-Speed Packet Access) ha introdotto canali condivisi di downlink ad alta velocità (HS-DSCH) che utilizzano codici OVSF condivisi tra gli utenti in modo multiplo. Il programmatore Node-B può assegnare più codici OVSF a un singolo utente per dati ad alta velocità o distribuirli tra gli utenti. L'ortogonalità dei codici è fondamentale perché il canale HS-DSCH viene trasmesso ad alta potenza e può causare gravi cause

Sequenze quasi ortogonali e PN

Poiché il numero di codici intergonali per una data lunghezza è limitato, i sistemi CDMA spesso integrano con le sequenze quasi-ortogonali o pseudo-noise (PN) che hanno basso, ma non-zero, cross-correlazione.

I set di codici quasi-ortogonali sono progettati per avere valori di correzione incrociata legati da √ N (dove N è la lunghezza del codice), che è molto inferiore al picco per sequenze casuali.

Sfide e considerazioni pratiche

Nonostante la loro eleganza teorica, i codici ortogonali presentano diverse sfide pratiche che gli ingegneri devono affrontare quando si progettano reti CDMA.

Sincronizzazione e sincronizzazione

Ortogonalità richiede che tutti i segnali degli utenti arrivino al ricevitore con allineamento a livello chip. Sul collegamento in avanti, la stazione di base trasmette tutti i segnali utilizzando lo stesso orologio, quindi l'allineamento è inerente. Tuttavia, il ritardo di propagazione attraverso la cella provoca segnali da diversi dispositivi mobili per arrivare a tempi diversi. Per mitigare questo, la stazione di base applica gli offset di tempo (avanze o ritardi) al segnale di ogni utente in modo che al generatore di sincronizzazione del codice

Il tempo di jitter di sincronizzazione (fluttuazioni di routine nel tempo di arrivo a causa del rumore di fase o dei turni Doppler) può causare l'uscita del correlatore per perdere parte dell'ortogonalità. Ciò si traduce in intercodizione che aggiunge al pavimento del rumore termico.

Perdita di propaganda multipatica e ortogonalità

In ambienti mobili, i segnali riflettono fuori edifici, terreni e veicoli, creando copie ritardate (multipath) dello stesso segnale. Quando il segnale dell'utente arriva attraverso più percorsi, la differenza di tempo tra il percorso diretto e un percorso riflesso può superare una durata del chip. In questo caso, la copia riflessa del codice destinato diventa disallineamento con il codice di un altro utente, distruggendo l'ortogonalità.

Lo strumento principale per combattere le interferenze multipath-indotto è il ricevitore Rake. Un ricevitore Rake utilizza più dita, ognuna correlata con un percorso di ritardo diverso. Combinando coerentemente le energie del percorso, riduce l'effetto dell'interferenza interpassaggio interpadale. Tuttavia, se il multipath delay spread è grande (ad esempio, in terreno rurale o montagnoso), il fattore ortogonalità può scendere sotto 0.3, riducendo significativamente la capacità.

Gestione del codice e localizzazione dinamica

In una grande rete CDMA con migliaia di celle, la gestione dell'allocazione dei codici ortogonali diventa una sfida operativa significativa. Ogni cella ha un set limitato di codici ortogonali (ad esempio, 64 codici Walsh in IS-95). Questi codici devono essere riutilizzati attraverso le celle in modo pianificato per evitare interferenze.

Gli algoritmi di allocazione del codice dinamico vengono eseguiti nel controller della rete radio (RNC) o Node-B, assegnando i codici a nuove chiamate in base ai requisiti di qualità e alle risorse disponibili dell'albero di codice. Se un utente ad alto tasso richiede un codice breve, ma tutti i codici brevi vengono presi, il sistema potrebbe dover effettuare la realizzazione di codici tra gli utenti esistenti, un processo chiamato "distribuzione del codice".

Interferenza intercallaria e pianificazione delle frequenze

Poiché tutte le celle in un sistema CDMA riutilizzano la stessa frequenza (fattore di riutilizzo di 1), gli utenti al bordo cellulare soffrono di interferenze da cellule vicine. Questa interferenza non è ortogonale ai codici della cella di servizio perché i codici di controllo sono diversi. L'effetto netto è che l'ortogonalità vantaggio cellulare principalmente per gli utenti vicino alla stazione di base.

Tecniche come il riutilizzo di frequenza frazionale (FFR) e il riutilizzo morbido aiutano a gestire le interferenze intercellulali. In un passaggio morbido, un cellulare comunica contemporaneamente con più stazioni di base, e il sistema combina segnali da più celle. Ciò riduce le interferenze perché i segnali da celle non-servanti vengono soppressi. Inoltre, il coordinamento inter-cellula inter-collo inter-cellula (IC) in LTE e 5G NR (che sono basati su OFDMA-based, ma includono i concetti di frequenza di partizione di CDMA-based).

Tecniche e direzioni future avanzate del codice ortogonale

La ricerca continua a spingere i confini delle prestazioni CDMA sviluppando nuove famiglie di codici e architetture riceventi che superano i limiti dei codici tradizionali ortogonali.

Codici ortogonali generalizzati (GOC)

I codici ortogonali generalizzati estendono il concetto di sequenze ortogonali a spazi complessi e di dimensioni superiori. Ad esempio, i codici complessi di quadratura (ad esempio, quelli utilizzati nella valutazione secondaria del WCDMA) possono essere progettati per avere una correzione trasversale periodica zero su una gamma di turni Doppler.

I ricercatori hanno anche esplorato i codici "super-ortogonali" che mantengono l'ortogonalità anche sotto errori di tempistica del chip fino a mezzo chip. Questi codici usano ridondanza per consentire la despreading tardivo senza penalità.

Accesso multiplo non ortogonale (NOMA) e CDMA

I sistemi moderni 5G e oltre 5G stanno passando da un accesso multiplo puramente ortogonale a Accesso Multiplo Non Ortogonale (NOMA), dove gli utenti condividono lo stesso codice nel dominio di potenza. In NOMA, la stazione di base sovrappone i segnali di diversi utenti con diversi livelli di potenza, e i ricevitori usano la cancellazione di interferenze multiple (SIC) per decodificarli.

Ad esempio, uno schema ibrido chiamato "Code-Domain NOMA" (CD-NOMA) assegna codici di diffusione radi che non sono completamente ortogonali ma hanno una bassa correlazione tra i due tipi di cross-correlation. Il ricevitore utilizza l'algoritmo di passaggio dei messaggi (MPA) per rilevare gli utenti. Questo approccio può supportare più utenti che codici ortogonali da soli, a costo di maggiore complessità dei ricevitori.

Intelligenza artificiale per Assegnazione e Rilevazione di Codice

Le tecniche di apprendimento automatico, in particolare le reti neurali profonde, sono applicate per ottimizzare l'assegnazione del codice in tempo reale. Un agente di apprendimento del rinforzo può imparare l'assegnazione ottimale dei codici OVSF dati i modelli di traffico, la qualità dei canali e le probabilità di erogazione.

I ricevitori basati su reti neurali possono anche imparare a mitigare le interferenze senza una stima esplicita dei canali. Ad esempio, una rete neurale convoluzionale (CNN) può elaborare il segnale della banda base ricevuta e produrre direttamente i simboli per ogni utente, compensando implicitamente gli errori multipath e temporali che distruggono l'ortogonalità. Tali approcci sono computazionalmente intensivi ma possono diventare fattibili con hardware dedicato nelle stazioni di base future.

Integrazione con OFDM e FBMC

La divisione di frequenza ortogonale Multiplexing (OFDM) utilizza i subcarrieri ortogonali per evitare interferenze intersimbolo. In LTE e 5G NR, OFDM ha sostituito il CDMA per l'interfaccia aerea. Tuttavia, il concetto di codici di diffusione ortogonali è stato riprodotto sotto forma di "precoding" per l'utente multi-utente MIMO.

Filtro multicarriera banca (FBMC) è un'altra forma d'onda che utilizza filtri ortogonali con un migliore contenimento spettrale rispetto a OFDM. In FBMC, il ruolo dei codici ortogonali è sostituito da filtri polifasi ortogonali che separano gli utenti sia nel tempo che nella frequenza. I sistemi futuri possono combinare FBMC con multiplexing code-domain per scenari IoT massi, dove migliaia di dispositivi trasmettono pacchetti brevi sporadically.

Conclusioni

I codici ortogonali rimangono una tecnologia fondamentale per i sistemi CDMA, consentendo a più utenti di condividere la stessa banda di frequenza con minime interferenze intra-cellula. Dai primi giorni dei codici Walsh in IS-95 ai codici flessibili OVSF in WCDMA, queste sequenze hanno dimostrato essenziale per raggiungere alte capacità, robusta gestione delle interferenze e velocità dei dati variabili.

Poiché le reti wireless si evolvono verso 6G, i principi del design del codice ortogonale saranno probabilmente adattati a nuovi domini, come il codificatore spazio-tempo, il MIMO multiutente e l'accesso multi-utente. Capire il ruolo dei codici ortogonali in CDMA non è quindi solo una lezione nelle tecnologie wireless passate, ma anche una base per l'innovazione futura in connettività massiccia e condivisione di spettro ad alta efficienza.

Riferimenti esterni[]

  • 3GPP TS 25.213: "Spreading e modulazione (FDD)" – descrive i codici OVSF e il massambling in WCDMA.
  • Viterbi, A. J. (1995). CDMA: Principi della comunicazione Spread Spectrum[[]]. Addison-Wesley. – Testo classico sulla diffusione ortogonale.
  • Holma, H., & Toskala, A. (2011). LTE per UMTS: OFDMA e SC-FDMA Based Radio Access. – Contrasti CDMA con OFDMA.
  • Zappone, A., & Sanguinetti, L. (2022). "Apprendimento della macchina per le comunicazioni wireless: Un sondaggio completo." Indagini sulle comunicazioni e tutorial delle comunicazioni e dei tutorial [] – discute l'IA nell'assegnazione dei codici.
  • Dai, L., et al. (2015). "Accesso Multiplo Non Ortogonale per 5G: Soluzioni, sfide, opportunità e tendenze di ricerca future." IEEE Communications Magazine[] – copre il codice-dominio NOMA.