Koodjaotusega hulgipöördus

Ajalugu

CDMA ajalugu ulatub tagasi 1940. aastatesse, mil sellist metoodikat esimest korda saatjates rakendati. CDMA oli algselt militaartehnoloogia, mida esimesena kasutas II maailmasõjas Inglismaa, et nurjata Saksamaa katsed segada nende raadiosignaale. Inglismaa otsustas signaali edastamiseks kasutada ühe sageduse asemel mitut, nii et vastasel oleks raske kogu signaali kätte saada. Elektroonika arenedes asuti selle meetodiga varjama militaarset infoedastust, kuna seda tüüpi edastus paistab eetris pealtkuulajale mürana. Lisaks oli sellist edastust ka keeruline lahti kodeerida, ilma vastavat koodi teadmata ja üsna keeruline ka edastust segada.
Koos mobiilsete sidesüsteemide tekkega 1980. aastatel alustas väike firma nimega Qualcomm katsetama hajaspektril baseeruvaid infoedastussüsteeme eesmärgiga kasutada neid mobiilsete sidesüsteemide tarbeks. Kontseptsioon õigustas ennast ning Qualcomm asus koos USA võrguoperaatoritega (Nynex ja Ameritech) välja töötama esimest eksperimentaalset CDMA süsteemi. Hiljem ühinesid nendega ka Motorola ja AT&T, et kiirendada arendusprotsessi.
Standardit hakati koostama 1990. aastatel. Esimene CDMA süsteemi standard kandis nime IS-95 ning see avaldati 1995. aastal ametliku standardina IS-95-A. Esimene CDMA süsteem käivitati 1995. aasta septembris firma Hutchison Telephone Co. Ltd. poolt Hongkongis. Sellele eeskujule järgnesid varsti firma SK Telecom Koreas ning paljud võrguoperaatorid USA-s. Pärast seda on CDMA saanud üheks kiiremini arenevamaks raadiosidevõrgu tehnoloogiaks. 1999. aastal valis Rahvusvaheline Telekommunikatsiooni Liit (International Telecommunications Union – ITU) CDMA 3G-võrgusüsteemi ametlikuks standardiks. Tänapäeval on juhtivad mobiilsideoperaatorid välja arendamas just 3G-võrke, et võimaldada suurem võimekus kõnede edastamisel ja tagada kiirem andmeside.
Hiljem loodi standard CDMA2000 ja GSM-operaatorite jaoks standard W-CDMA.

Multipleksimine

Üks põhilisi andmesidekontseptsioone on võimaldada mitmel saatjal kasutada samal ajal andmeedastuseks sama kanalit. Nii saavad paljud kasutada sama sagedusriba. Vastavat kontseptsiooni kutsutakse multipleksimiseks. CDMA kasutab spektrihajutamistehnoloogiat koos spetsiaalse kodeerimisskeemiga, mis omistab igale saatjale kindla koodi, võimaldamaks mitmel kasutajal samal füüsilisel kanalil multipleksida. Multipleksimise viisid on ka TDMA (time division multiple access), mis jagab kasutajatele juurdepääsu kanalile ajas, ja FDMA (frequency-division multiple access), mis jagab edastuse kanalis sageduste järgi.
Analoogia multipleksimisele võib olla ruum (kanal), kus mitu isikut (saatjad) soovivad omavahel rääkida. Segaduse ärahoidmiseks võivad inimesed rääkida erineval ajal (aegjaotus – TDMA), erineval helikõrgusel (sagedusjaotus – FDMA) või erinevat keelt kasutades (koodjaotus – CDMA). Viimases näites saavad inimesed, kes räägivad sama keelt,üksteisest aru, aga teistest mitte, mis ongi CDMA põhikontseptsioon – paljud saatjad saavad kasutada sama kanalit, aga omavahel saavad suhelda vaid kasutajad, kes on seotud sama koodiga.

Sünkroonne ja asünkroonne CDMA

CDMA metoodika jaguneb laias laastus kaheks, sünkroonne CDMA, mis kasutab ortogonaalseid hajutavaid koode, ning asünkroonne CDMA, mis kasutab pseudojuhuslikke hajutavaid koode.

Sünkroonne CDMA

Siinjuures kasutatakse matemaatikast tuntud ortogonaalsuse mõistet. Iga kasutaja sünkroonses CDMA süsteemis kasutab hajutavat koodi, mis on teiste sama süsteemi koodidega ortogonaalne. Ortogonaalsed koodid annavad ristkorrelatsiooni tulemusena väljundisse nulli, seega need koodid ei tekita omavahel interferentsi (ei sega teineteist). Näiteks IS-95 standardis kasutatakse erinevate kasutajate eraldamiseks 64-bitiseid Walshi koode, mis on omavahel ortogonaalsed. Seega antud süsteem võimaldab teenindada samas sagedusribas 64 eri kasutajat, ilma teineteist mõjutamata.

Asünkroonne CDMA

Kuna mobiilsidesüsteemides ei ole võimalik tagada, et terminalide ja baasjaamade asukohad oleksid täpselt määratud, siis ei ole võimalik tagada ka koodide ortogonaalsust, kuna koodi algushetke ei saa täpselt määrata (ei ole võimalik koode sünkroonida). Seetõttu kasutatakse asünkroonsetes CDMA süsteemides pseudojuhuslikke koode. See on kahendkoodjada, mis paistab välja juhuslik, kuid mida on võimalik vastuvõtupoolel sobivalt taas tekitada. Neid pseudojuhuslikke jadasid kasutatakse täpselt samamoodi kasuliku info kodeerimiseks ja dekodeerimiseks, nagu ülaltoodud näites.
Pseudojuhuslikud jadad on statistiliselt mittekorreleeritud e. sõltumatud ning suure hulga jadade summerimisel saame Gaussi normaaljaotusega mürale lähedase protsessi. Näiteks võib tuua "kuldkoodi", mis tagab madala korrelatsiooni erinevate koodide vahel. Kui kõik kasutajad süsteemis on ligilähedaselt sama võimsusega, siis erinevalt sünkroonsest CDMA süsteemist, kus teiste kasutajate suhtes interferents puudub, paistavad teiste kasutajate signaalid uuritava signaali suhtes mürana ning nende signaalide tekitatud interferents on proportsioonis kasutajate arvuga süsteemis.

Asünkroonse CDMA eelised

Üldjuhul peaksid olema CDMA, TDMA ja FDMA spektraalse efektiivsuse mõistes võrdsed, praktikas aga on kõigil neil oma valupunktid. CDMA vajab täpset võimsuse reguleerimist (kasutajate signaalid peavad olema võrdsed), TDMA vajab väga täpset sünkroonimist ning FDMA kitsaskohaks on stabiilne ja täpne sageduste genereerimine ja filtreerimine.
Asünkroonne CDMA võimaldab suhteliselt vaba ressursijagamist kasutajate vahel. Erinevalt sünkroonsest CDMA-st, kus ortogonaalsete koodide arv on väga piiratud, on pseudojuhuslike koodide arv praktiliselt piiramatu. Asünkroonse CDMA korral ei ole kindlat piirangut kasutajate arvu suhtes, mida antud süsteem võimaldab, piirangud tulenevad hoopis lubatavast bitivea tõenäosusest, kuna signaali-müra suhe sõltub otseselt kasutajate arvust. Kuna kõik kasutajad süsteemis pidevalt informatsiooni ei saada, siis keskmine bitivea tõenäosus väljendub kasutajate arvu ja süsteemi tegeliku koormatuse korrutisena. Näiteks kui 2N kasutajat saadavad informatsiooni ainult poole kogu ajast, siis need 2N kasutajat saab mahutada CDMA süsteemi, mis on bitivea tõenäosuse järgi arvestatud keskmiselt N kasutaja jaoks. Kokkuvõttes on asünkroonne CDMA äärmiselt sobiv süsteemide jaoks, kus on suur kasutajate arv kuid nende kasutajate poolt tekitatud koormus (liiklus sidevõrgus ) on väike.
Kuna raadiosagedused on äärmiselt piiratud ja enamasti litsentsitud ressurss, siis enamik modulatsiooniskeeme püüab hakkama saada nii väikese raadiosagedusliku ribaga kui vähegi võimalik. Hajaspektri (CDMA) tehnoloogia vastupidi, võtab kasutusse oluliselt laiema sagedusriba, kui konkreetse infosignaali edastuseks on vajalik. Esimesed rakendused olid militaarkasutuses, kus hajaspektri tehnoloogiat kasutati turvalisuse ja häirekindluse tõttu. Turvalisus on CDMA süsteemi juba algselt sisse ehitatud, kuna kasutatakse pseudojuhuslikke koode. Vastuvõtupoolel ei ole võimalik signaali ilma vastavat koodi teadmata demoduleerida.