Le reti wireless sono alla base della comunicazione moderna, ma affrontano un avversario persistente: interferenze elettromagnetiche (EMI). Poiché il numero di dispositivi connessi aumenta, la gestione dell'IME è diventata fondamentale per mantenere la chiarezza del segnale e l'affidabilità della rete. Code Division Multiple Access (CDMA) è emersa come una tecnologia trasformativa che affronta direttamente questa sfida.

Comprendere l'interferenza elettromagnetica nelle reti wireless

Nelle reti wireless, EMI si manifesta come segnali indesiderati che si sovrappongono con trasmissioni intese, causando la corruzione dei dati, le connessioni cadute e la ridotta produttività. Le fonti di EMI sono abbondanti: dispositivi elettronici vicini, linee di alimentazione, motori, trasmettitori radio, e anche fenomeni naturali come il fulmine o i flares solari.

EMI entra in genere in un sistema wireless attraverso due vie: interferenze condotte (trasmesse tramite cavi di alimentazione o segnale) e interferenze irradiate (propagate attraverso l'aria come onde elettromagnetiche).Per le comunicazioni radiofrequenza, le interferenze irradiate sono la preoccupazione primaria. Può essere a banda larga (spanning a una vasta gamma di frequenze) o banda stretta (concentrata su frequenze specifiche).

Mentre i sistemi analogici come AMPS (Advanced Mobile Phone System) si basavano sulla divisione di frequenza multiaccesso (FDMA) con incarichi fissi di canale, hanno sofferto di interferenze adiacenti e di efficienza spettrale limitata. Il passaggio alla modulazione digitale e sistemi di accesso multipli hanno aperto la porta a strategie di mitigazione EMI più sofisticate, con CDMA che conduce la carica.

L'evoluzione delle tecniche di accesso multipli

Da FDMA e TDMA a CDMA

Mentre le reti cellulari prime hanno affrontato significative sfide EMI: i canali adiacenti potrebbero trapelare l'energia l'uno nell'altro, e il riutilizzo della frequenza ha richiesto una pianificazione accurata per evitare interferenze co-canale.

CDMA rappresentava un cambiamento di paradigma. Invece di isolare gli utenti per frequenza o tempo, CDMA permette a tutti gli utenti di trasmettere simultaneamente su tutta la larghezza di banda assegnata. Ogni segnale dell'utente è diffuso in una vasta gamma di frequenze utilizzando un codice di diffusione unico, e il ricevitore utilizza lo stesso codice per disperdere solo il segnale previsto. Questo principio, noto come spettro di diffusione, sopprime intrinsecamente le interferenze perché qualsiasi segnale non desiderato che non corrisponde al codice rimane diffusore, apparendo il rumore di livello di livello di basso.

Come CDMA riduce l'interferenza elettromagnetica

Diffusione di elementi di spettro

Due forme principali di spettro di diffusione sono impiegate in CDMA: sequenza diretta (DS-CDMA) e frequenza di accoppiamento (FH-CDMA). DS-CDMA, usato in IS-95 e CDMA2000, moltiplica ogni bit di dati da un codice pseudo-a lungo (PN), diffondendo la larghezza di banda del segnale da un fattore noto come il guadagno di elaborazione.

Il CDMA, utilizzato nei sistemi militari precedenti e successivamente adattato per Bluetooth e alcuni telefoni senza cordone, passa rapidamente la frequenza di vettore secondo una sequenza pseudo-random. Questa tecnica rende il segnale difficile da incedere o intercettare, e fornisce anche la mitigazione naturale dell'IME: se esiste interferenza su una frequenza, il piano di sollevamento rapido sposta il segnale via.

Codifica e Ortogonalità dell'utente unico

In DS-CDMA, ogni utente viene assegnato un'unica sequenza di diffusione, in genere codici Walsh per il collegamento in avanti (stazione base a mobile) e codici brevi PN per il collegamento inverso. Queste sequenze sono progettate per essere ortogonali: la correlazione tra i diversi codici è zero o molto bassa. Quando il ricevitore moltiplica il segnale composito in entrata dal suo codice, solo il segnale abbinato crolla a una forma d'onda stretta; i segnali di altri utenti appaiono

L'equazione di guadagno di elaborazione chiarisce il vantaggio EMI: il guadagno di disperdente equivale al rapporto della larghezza di banda di diffusione alla larghezza di banda di dati originale. Un aumento di elaborazione superiore significa una maggiore soppressione di interferenze sia banda stretta che banda larga. Nei sistemi CDMA pratici, questo guadagno spesso supera 20 dB, il che significa che un segnale interferire di uguale resistenza al segnale desiderato è ridotto a meno del 1% del suo potere originale dopo la dispegnizione.

Controllo di potenza come strumento di gestione delle interferenze

In una cella CDMA, tutti i cellulari trasmettono sulla stessa frequenza. Senza controllo di potenza, un mobile vicino alla stazione di base potrebbe sopraffare un lontano dispositivo mobile, causando il problema "vicino-far" delle emissioni. I sistemi CDMA impiegano il controllo di potenza non necessario a ciclo chiuso che regola la potenza di trasmissione di ogni mobile 800 volte al secondo (in IS-95) per garantire che i segnali incrociati da diversi dispositivi mobili.

Vantaggi di CDMA per la riduzione dell'IME

  • Cerca di segnale avanzata:[ Il processo di dispersione dello spettro di diffusione amplifica il segnale desiderato dal guadagno di elaborazione, attenuando tutti gli altri segnali, sia da altri utenti CDMA, interferenziatori a banda stretta, sia da rumore ambientale.
  • Capacità migliorata:[ Poiché CDMA non si affida a frequenze fisse o a fasce orarie, la capacità del sistema è limitata dal livello di interferenza aggregata, una capacità "soft" che degrada con grazia piuttosto che mancare bruscamente. Ogni nuovo utente aggiunge una piccola quantità di interferenza, ma il rilevamento del sistema può ospitare molti più utenti di TDMA o FDMA con la stessa larghezza di banda applicata, in particolare, in modo variabile.
  • Requisiti di potenza inferiore:[] I terminali mobili nelle reti CDMA possono operare a livelli di potenza di trasmissione inferiori perché il guadagno di diffusione aumenta l'efficacia della potenza del segnale al ricevitore.
  • Migliore frequenza di riutilizzo:[] I sistemi FDMA richiedono un'attenta pianificazione della frequenza per evitare interferenze co-canale, tipicamente utilizzando un fattore di riutilizzo di 7 o superiore. CDMA può operare con un fattore di riutilizzo di 1 (la stessa frequenza utilizzata in ogni cella) perché la codifica e la diffusione forniscono un sufficiente isolamento tra i segnali delle diverse celle.
  • Graziosa degradazione:[] In CDMA, come aumenta il numero di utenti, il pavimento del rumore aumenta gradualmente, e la qualità delle chiamate si degrada lentamente piuttosto che far cadere chiamate verso l'esterno. Questa caratteristica è intrinsecamente più robusta alle punte di interferenza perché il sistema può continuare a funzionare in modo momentaneo EMI alta, anche se con prestazioni ridotte.

Impatto sulle prestazioni della rete wireless

L'adozione della tecnologia CDMA alla fine degli anni '90 e all'inizio degli anni 2000 ha migliorato fondamentalmente le prestazioni delle reti wireless, soprattutto in ambienti ad alta interferenza. Le aree urbane con strutture edili dense e l'uso di dispositivi pesanti hanno visto notevoli miglioramenti nei tassi di completamento delle chiamate e nella qualità audio.

I servizi dati hanno anche beneficiato di: gli standard IS-95B e CDMA2000 1xEV-DO supportavano i tassi di dati fino a 3.1 Mbps, con la natura di diffusione-spetro che fornisce robustezza contro le interferenze da dispositivi Wi-Fi e altri utenti di spettro non autorizzati. Nelle aree rurali o suburbane, il più grande radii cellulare di CDMA (dovuto a un migliore collegamento del guadagno di elaborazione) ha ridotto il numero di stazioni di base necessarie, riducendo i costi di prestazioni, riducendo i costi di copertura delle prestazioni accettabili.

Una chiave metrica nelle prestazioni della rete è la velocità di errore del frame (FER). I sistemi CDMA hanno ottenuto sempre più bassi FER sotto carico rispetto ai sistemi TDMA, grazie alla proprietà di interferenza dello spettro di diffusione. Piuttosto che un interruttore a banda stretta che pulisce un intero tempo di slot, CDMA diffonde l'interferenza attraverso l'intera banda, rendendo meno probabile che corrompesse completamente un frame di dati.

CDMA Oltre 3G: Legacy e modern Relevance

I principi pionieri del CDMA non sono stati lasciati indietro. Mentre le reti di quarta generazione (LTE) e di quinta generazione (5G) utilizzano principalmente l'accesso multiplo di frequenza ortogonale (OFDMA) sul downlink, ereditano le idee principali di CDMA di diffusione, codificazione e gestione delle interferenze.

Nel dominio Internet of Things (IoT) le tecniche di spettro di diffusione simile a CDMA hanno trovato nuova vita. Ad esempio, LoRaWAN utilizza una forma di spettro di diffusione del chirp per raggiungere la comunicazione a lungo raggio, a bassa potenza con un'eccellente immunità EMI. Allo stesso modo, molti sistemi di comunicazione satellitare e militare continuano a contare sulla divisione di diffusione della sequenza diretta per la sua probabilità di intercettazione e bassa di proprietà.

Per ulteriori informazioni sulle sottomissioni tecniche di spettro di diffusione e gestione delle interferenze, vedere l'articolo di Wikipedia su Code-Division Multiple Access], la panoramica di ]spread spettro]] tecniche di ingegneria e la discussione di interferenza elettromagnetica in contesti più profondi

Conclusione: L'impatto finale di CDMA su Wireless Design

Il contributo di CDMA alla riduzione delle interferenze elettromagnetiche nelle reti wireless si estende ben oltre il proprio ciclo di vita di distribuzione. Dimostrando che condividere la stessa larghezza di banda di frequenza con le interferenze comuni minime non è stato solo possibile ma altamente efficiente, CDMA ha rimodellato come gli ingegneri si avvicinano a più accessi e gestione EMI. Le tecniche di spettro di diffusione, algoritmi di controllo di potenza e caratteristiche di capacità morbida centrale a CDMA sono diventati elementi fondamentali nelle norme successive e continueranno a influenzare il design del sistema wireless per anni.

Dalle chiamate vocali più chiare negli anni '90 ai collegamenti IoT resilienti oggi, l'eredità di CDMA è un testamento della potenza di codificare e diffondere nel superare una delle sfide più fondamentali della comunicazione wireless: il rumore e l'interferenza che minacciano ogni trasmissione.