Koodjaotusega hulgipöördus

Koodjaotusega hulgipöördus (ingl Code-Division Multiple Access, lühend CDMA) on ühispöörduse tehnoloogia (sidekanali tihendusmeetod), mis põhineb koodijaotusega multipleksimisel. CDMA lubab spektri hajutamise tehnoloogiat kasutades mitmete signaalide edastamist samas edastuskanalis, optimeerides piiratud sagedusriba kasutamist. Seda võimaldab spetsiaalne kodeerimisskeem, kus igale saatjale antakse spetsiifiline kood. CDMA-d kasutatakse raadiosidetehnoloogiates, näiteks satelliitsidesüsteemides, Wi-Fi-s, Bluetoothis, GPS-is ja ultrakõrgsagedusega (UHF) mobiiltelefonide süsteemides. CDMA baasil on teostatud ka 3G-mobiilsidevõrgu raadiovõrgutehnoloogia. CDMA-d kasutavad süsteemid on veel näiteks cdmaOne, CDMA2000 (see on 3G edasiarendus cdmaOne standardist) ning W-CDMA (kehtiv 3G-standard Euroopas), mida tihti nimetatakse ka lihtsalt lühendiga "CDMA". Teised tihendusmeetodid on TDMA (Time Division Multiple Access) ja FDMA (Frequency Division Multiple Access). Kui TDMA ja FDMA korral kasutatakse sidekanali kasutajate eristamiseks vastavalt erinevaid ajavahemikke või sagedusribasid, siis CDMA korral on eri kasutajate eristamiseks kasutusel erinev kood. 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 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 arendusprotsessi kiirendada. 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. 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. CDMA tehnoloogiat viiakse ellu spektri hajutamisega, mida saab teha kahel viisil: otsene hajutamine (DS-SS CDMA) – edastatav sõnum korrutatakse läbi hajutava koodi või hajutava jadaga, mis hajutab edastatava sõnumi jada üle terve kasutatava kanali sagedusriba. Nii jaotatakse ka edastatava signaali energia üle kogu sagedusriba. Moduleeritud signaal saadetakse üle kanali ja kõik kasutajad saavad seda vastu võtta, kuid sõnumit dekodeerida saavad vaid need kasutajad, kes teavad õiget koodi; sagedushüplemine (FH-SS CDMA) – saatja "hüppab" kasutada olevate sageduste vahel, juhindudes spetsiaalsest pseudojuhuslikult algoritmist. Saatja töötab sünkroonis vastuvõtjaga, mis saab seetõttu andmeid vastu võtta. Võtmeelemendiks CDMA korral on otsejada hajaspektri kasutamine (DSSS – Direct Sequence Spread Spectrum). See signaal on kogu oma spektrilaiuses sarnane valge müraga. Kui aga kasutada õiget hajutavat koodi (spreading code), on võimalik sellest signaalist edukalt eraldada kasulik informatsioon. CDMA signaali moodustamisel korrutatakse kasulik infosignaal läbi hajutava koodiga, kasutades välistavat "või" loogikat (XOR). Selle tulemusena saadav koodijada on suurema bitikiirusega, kui algne infosignaal. Selles koodijada elementi nimetatakse inglise keeles chip ja see on kestuselt infobiti kestusest mitu korda lühem. Hajutav kood on pseudojuhuslik koodijada, millel on võimalikult kitsas määramatuse keha, (ambiguity function). Allpool olev joonis illustreerib CDMA koodijada moodustamist. Kasulik signaal impulsi kestusega T b {\displaystyle T_{b}} korrutatakse XOR abil hajutava koodiga, mille impulsi kestuseks on T c {\displaystyle T_{c}} . Siit tulenevalt on kasuliku signaali ribalaius 1 / T b {\displaystyle 1/T_{b}} ja hajutava koodi ribalaius 1 / T c {\displaystyle 1/T_{c}} . Kuna hajutava koodi ribalaius on palju suurem kasuliku signaali ribalaiusest, siis määrabki lõpliku CDMA koodijada ribalaiuse just hajutava signaali ribalaius 1 / T c {\displaystyle 1/T_{c}} . Suhet T b / T c {\displaystyle T_{b}/T_{c}} nimetatakse hajutuskordajaks (spreading factor) ning see väljendab maksimaalset kasutajate arvu, kes saavad samaaegselt samas sagedusribas infot edastada. Seega lõplik CDMA signaal on sama bitikiirusega, nagu hajutav koodijada. See signaal siis moduleeritakse juba kandevsagedusele ning suunatakse saatjasse. Väljundsignaal on oluliselt laiema spektriga, kui moduleeritud puhas infosignaal seda oleks. Vastuvõtupoolel signaal esmalt demoduleeritakse, ning selle tulemusena saadakse jällegi CDMA koodijada. Algse infosignaali taastamiseks korrutatakse saadud jada sama hajutava koodiga, mis oli kasutusel saatepoolel ning selle tulemusena taastatakse algne infosignaal. Kõikide teiste hajutavate koodidega genereeritud signaale ignoreeritakse. Täpsemaks illustreerimiseks, kuidas CDMA kodeerimis- ja dekodeerimisprotsess käib, võtame näiteks lühikese andmejada 1001, mis oleks vaja kodeerida kasutades CDMA metoodikat. Olgu hajutavaks koodiks 0010, siis kodeerimise käigus korrutatakse iga kasuliku infosignaali bitt selle hajutava koodiga läbi, kasutades XOR metoodikat. Seega saatepoolel: Vastuvõtupoolel: NB: 1 × 1 = 0 1 × 0 = 1 Siit on näha, et algsed andmed saab kätte ainult kasutades ühte ja sedasama hajutavat koodi. Kasutades mõnda muud koodi, oleks me saanud väljundis suvalise juhusliku bitijada. Seda saab tõlgendada süsteemis mürana. Hajutavate koodide valik on üks olulisemaid võtmeküsimusi, kuna see mõjutab otseselt CDMA süsteemide võimekust. Kõige parema tulemuse saab, kui valime koodi, mis tagab eri kasutajate signaalide parima eristuse. Signaalide eristuvus põhineb eri kasutajate signaalide ristkorrelatsioonil. Kui koodid klapivad, siis korrelatsioonifunktsiooni väljund on maksimaalne (tegemist on sel juhul autokorrelatsiooniga ning süsteem saab seda signaali eraldada. Kui koodid ei lange kokku, siis korrelatsioonifunktsiooni väljund peaks olema nii väike kui võimalik, et tagada võimalikult väike interferents CDMA süsteemi teiste kasutajate poolt. Lisaks, kui koodi korreleeritakse signaaliga mingi ajalise viitega, siis peaks korrelatsioon olema samuti võimalikult lähedal nullile, see tähendab, et autokorrelatsiooni kasutatakse mitmekiirelevist tingitud häirete elimineerimiseks. CDMA metoodika jaguneb laias laastus kaheks, sünkroonne CDMA, mis kasutab ortogonaalseid hajutavaid koode, ning asünkroonne CDMA, mis kasutab pseudojuhuslikke hajutavaid koode. 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. 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 ehk sõltumatud ning suure hulga jadade summeerimisel 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. 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 sobib asünkroonne CDMA eriti hästi selliste süsteemide jaoks, kus kasutajate arv on suur, kuid nende kasutajate tekitatud koormus (liiklus sidevõrgus) on väike. Kuna raadiosagedused on eriti piiratud ja enamasti litsentsitud ressurss, püüab enamik modulatsiooniskeeme 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. CDMA kasutamise eelised raadio- ja mobiilsides Suurendab mobiilside võrguliikluse võimekust Parandab kõne kvaliteeti ja elimineerib kuuldavad feedingumõjud Vähendab kõnede katkemist liikumisel ühest mobiilikärjest teise Tagab kvaliteetse andmeside Vähendab vajaminevate saatjate arvu, et tagada kindel võrguliikluse võimekus Vähendab võrgu rakendamise hinda, kuna on vaja vähem saatjaid Vähendab keskmist edastatava signaali energiat Vähendab mõju teistele elektroonikaseadmetele Dubendorf, Vern A. (2003). Wireless Data Technologies. John Wiley & Sons, Ltd. "CDMA spread spectrum basics". "CDMA Spectrum". Originaali arhiivikoopia seisuga 7. juuli 2011. Skylar, Bernard (2001). Digital Communications: Fundamentals and Applications (Second ed.). Prentice-Hall PTR. Andrew J. Viterbi, 1995. "CDMA: Principles of Spread Spectrum Communication" Prentice Hall PTR Technologies ITU Telecomspace