分码多重进接

分码多重进接(英语:Code Division Multiple Access,即:CDMA)或码分多址分码复存,是一种多址接入的无线通讯技术。CDMA最早用于军用通讯,但时至今日,已广泛应用到全球不同的民用通讯中。在CDMA行动通讯中,将语音讯号转换为数位讯号,给每组数据语音封包增加一个地址,进行扰码处理,然后将它发射到空中。CDMA最大的优点就是相同的频寛下可以容纳更多的呼叫,而且它还可以随语音传送数据资讯。

CDMA技术背后的理念集中体现了由克劳德·夏农描述的通讯「宽且弱」的哲学。在对资讯理论的研究中,夏农发现了两个利用传输媒介的基本方法:一种是通过非常窄的频道发送强讯号,另一种是通过很宽的频道发送弱讯号。强讯号不允许其他讯号占用太多的空间(频道频率),弱讯号则相反。于是在理论上,宽且弱的CDMA技术远远优于使用多个相同的媒介单独进行通讯[1]

一般资讯

一般来说(作为复用方法),CDMA是被美国军方通讯采用的一种展谱方案。理论上,数据化的资讯使用CDMA技术进行编码和解码,可以大大提高对无线频道的利用率,增强抗干扰能力。高通公司解决了CDMA中至关重要的功率控制问题,并取得相关的专利。CDMA制式中,区分各个通道主要不再依靠频率和时槽等方法,因此同一地区不同用户同时使用相同的频率是正常的。除此之外被广泛使用的多路访问技术还有分时多重进接(TDMA)和分频多重进接(FDMA)。在这三种方案中,接收方从各种讯号中分别通过不同的码字、时槽和频率通道分离出有用资讯。

CDMA经常被广泛和不严格地用来称呼使用CDMA技术实现的无线网路及其制式,比较常见的是由Qualcomm主要支持和最先投入商用的数位蜂窝电话制式,包括IS-95CDG为其申请注册商标为cdmaOne)和它的演进版本IS-2000CDMA2000),其他很少这样使用。由于WCDMATD-SCDMA也使用了CDMA技术,这样的称呼可能会造出一些混乱。

这里需要注意:

  • CDMA(分码复存技术)理论被应用于WCDMA无线接口。
  • WCDMA无线接口被应用于国际3G标准UMTS和日本3G标准——FOMA(由日本电信和沃达丰共同开发)。
  • CDG、TIA和3GPP2等制订的俗称为CDMA的系列标准族(包括cdmaOneCDMA2000)和3GPP的WCDMA标准族无论无线讯号和核心网都不兼容。

部分CDMA网路和手机支持个人定位功能,简易的方法是通过BTS位置数据或者计算手机与相关BTS讯号传输的时延给出粗糙的数据,但是更加精确的定位一般依赖全球定位系统GPS的支持。

类型

CDMA有两种类型,分别为正交型伪随机码型

1.正交型(Orthogonal Type)
CDMA最常使用的正交转换为沃尔什转换(Walsh Transform),主要原因为:
(1) Walsh Transform的运算量很少,因为不需要乘法而只需要加法的运算。
(2) Walsh Transform的基底(Basis)有正交的特性。
(3) Walsh Transform也有快速演算法。
例子:假设现在要使用8点Walsh Transform来传送两组资料A = [1, 0, 1]和B = [1, 1, 0],步骤如下
调变(modulation)
(1)先将资料的0转成 -1
A = [1,-1,1], B = [1,1,-1]
  • 好处是在解调时,更能够区别0和1,而使解调错误率下降。
(2-1) A使用Walsh Transform的第一个channel [1,1,1,1,1,1,1,1](即其第一个basis,矩阵的第一个row)来做调变
A_m = [1,1,1,1,1,1,1,1,|-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,|1,1,1,1,1,1,1,1,]。
(2-2) B使用Walsh Transform的第二个channel [1,1,1,1,-1,-1,-1,-1](矩阵的第二个row)来做调变
B_m = [1,1,1,1,-1,-1,-1,-1,|1,1,1,1,-1,-1,-1,-1,|-1,-1,-1,-1,1,1,1,1,]。
(3)将调变的结果相加M = A_m + B_m
M = A_m + B_m = [2,2,2,2,0,0,0,0,0,0,0,0,-2,-2,-2,-2,0,0,0,0,2,2,2,2]
(4)最后传送出去的讯号为M,共有24个bit。
解调(demodulation)
(1)将接收到的资料分别和channel做内积
(1-1) M和 第一个channel [1,1,1,1,1,1,1,1]做内积得到
前八码内积:[2,2,2,2,0,0,0,0] [1,1,1,1,1,1,1,1] = 8
中间八码内积:[0,0,0,0,-2,-2,-2,-2] [1,1,1,1,1,1,1,1] = -8
后八码内积:[0,0,0,0,2,2,2,2] [1,1,1,1,1,1,1,1] = 8
(1-2) M和 第二个channel [1,1,1,1,-1,-1,-1,-1]做内积得到
前八码内积:[2,2,2,2,0,0,0,0] [1,1,1,1,-1,-1,-1,-1] = 8
中间八码内积:[0,0,0,0,-2,-2,-2,-2] [1,1,1,1,-1,-1,-1,-1] = 8
后八码内积:[0,0,0,0,2,2,2,2] [1,1,1,1,-1,-1,-1,-1] = -8
(2)内积结果出来若为8,则解调为1;若为 -8,则解调为 -1
(2-1)第一个channel解调出讯号为[8, -8, 8] [1, -1, 1]
(2-2)第二个channel解调出讯号为[8, 8, -8] [1, 1, -1]
(3)最后,将 -1还原回0
(3-1)因此,第一个channel成功还原讯号为[1, 0, 1]
(3-2)因此,第二个channel成功还原讯号为[1, 1, 0]
注意事项:
(1)使用N点Walsh Transform时,总共可以有N个channels,但是N必须是2的次方倍。
(2)除了Walsh Transform以外,其他的Orthogonal Transform也可以使用。
(3)使用Orthogonal Transform共通的问题是需要同步Synchronization
2.伪随机码型 (Pseudorandom Sequence Type)
优点:不需要同步 (asynchronous)
缺点:Capacity较小

优点

虽然已有正交分频多工(OFDM) 的技术,但仍发展CDMA的原因主要为调变/解调并不需要太精确的频谱分析。而OFDM使用DFT需做复数运算,较CDMA使用Walsh Transform复杂。 CDMA的优点条列如下:

⑴运算量相对于分频多工减少很多
⑵可以减少杂讯及干涉的影响
⑶可以应用在保密和安全传输上
⑷就算只接收部分的讯号,也有可能把原来的讯号还原回来
⑸相邻的区域的干扰问题可以减少

技术细节

在所有的CDMA体制中,接收者都可以使用展频处理来增益部分衰减非期望的讯号。具有期望的展谱码的讯号能被接受,如果讯号对应不同的展谱码(或者相同展谱码但是不同的时间偏移)将在解展谱过程中被当作随机杂讯而衰减掉。

这项操作的方法是给每一个站点分配一个展频码或者码片序列。这些码片序列被表示成由+1和-1组成的序列。每个码片序列和本身点积得到+1,(和补码点积得到-1),一个码片序列点积不同的码片序列将得到0。

例如 如果C1 = (-1,-1,-1,-1),C2 = (+1,-1,+1,-1)那么

C1 .  C1 = (-1,-1,-1,-1) . (-1,-1,-1,-1) /4= +1
C1 . -C1 = (-1,-1,-1,-1) . (+1,+1,+1,+1) /4= -1
C1 .  C2 = (-1,-1,-1,-1) . (+1,-1,+1,-1) /4=  0
C1 . -C2 = (-1,-1,-1,-1) . (-1,+1,-1,+1) /4=  0

这种特性叫做正交性。这些序列叫做Walsh码,可以从一个二进位Walsh矩阵导出。

一个站点要发送数位1时就发送其码片序列本身,要发送数位0时就发送其码片序列的反码。(或者是 +1和 -1; 0时不发送)。

当多个终端发送多个讯号时,讯号就会在空中叠加。例如码片序列是(-1,-1,-1,-1)和(+1,-1,+1,-1),叠加后变成(0,-2,0,-2)。接收方如果希望接收某个站点的资讯,则只需要计算该站点对应的码片序列和空中讯号的点积。例如(-1,-1,-1,-1) . (0,-2,0,-2)/4 = +1。如果发送的数位是-1,则空中的讯号将是 (+2,0,+2,0),而点积将是 (-1,-1,-1,-1) . (+2,0,+2,0)/4 = -1.

TDMA和FDMA终端理论上可以过滤其他时槽或者频率通道的任意强讯号。这在CDMA无法实现,它只能部分过滤干扰讯号。如果任一或者全部杂讯讯号强于有用讯号,则有用讯号将被淹没。这样在CDMA系统中就要求每个终端有一个近似合适的讯号功率。在CDMA蜂巢式网路中,基站使用一个快速闭环功率控制方案来紧密控制每一个移动终端的发送功率。功率控制需求能够巧妙的根据上面的计算推断出来。

前向错误更正(FEC)编码在任何一种CDMA方案中都是必须的,它用于减小讯号杂讯比的需求,从而使得频道最大限度的可靠。

与TDMA和FDMA相比较,CDMA的另外一个优势是能够简单的利用话音激活特性。在每一个随机的通话中,用户讲话的时间往往不足整个通话时间的一半,CDMA技术可以简单在用户讲话时发送讯号,不讲话时保持静默,于是当同时通话的用户较多时,总体上可以体现出统计特性,最终能将用户间干扰减少大约一半,从而提高容量。在CDMA技术中,这种话音激活特性的利用是相对简单的,如果希望在TDMA或者FDMA体制中利用话音激活特性,就需要频繁的建立和拆除有限的时槽或者频率通道。

参考资料

  1. ^ 马东堂. 通信原理_中国大学MOOC(慕课). www.icourse163.org. Netease. 2018-03-19 [2018-05-16]. (原始内容存档于2020-05-08) (中文). 

参看

参考文献

外部连结

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