الوصول المتعدد بتقسيم الشفرة

📅 آخر تحديث: ١ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ١ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 15 صور
الموسوعة الحرة

تقنية الوصول المتعدد بتقسيم الشفرة ( CDMA ) هي طريقة للوصول إلى القناة تُستخدم في العديد من تقنيات الاتصالات اللاسلكية . تُعدّ CDMA مثالًا على الوصول المتعدد ، حيث يمكن لعدة أجهزة إرسال إرسال المعلومات في وقت واحد عبر قناة اتصال واحدة. يسمح هذا لعدة مستخدمين بمشاركة نطاق ترددي واحد (انظر عرض النطاق الترددي ). وللسماح بذلك دون حدوث تداخل كبير بين المستخدمين، تستخدم CDMA تقنية الطيف المنتشر ونظام ترميز خاص (حيث يُخصص لكل جهاز إرسال رمز). [ 1 ] [ 2 ]

تعمل تقنية CDMA على تحسين استخدام النطاق الترددي المتاح لأنها تنقل عبر نطاق التردد بأكمله ولا تحد من نطاق تردد المستخدم.

تُستخدم هذه التقنية كطريقة وصول في العديد من معايير الهواتف المحمولة . يُشار غالبًا إلى معيار IS-95 ، المعروف أيضًا باسم "cdmaOne"، وتطوره من الجيل الثالث CDMA2000 ، باسم "CDMA" فقط، ولكن معيار UMTS ، وهو معيار الجيل الثالث الذي تستخدمه شركات GSM ، يستخدم أيضًا "CDMA واسع النطاق" أو W-CDMA، بالإضافة إلى TD-CDMA وTD-SCDMA، كتقنيات راديوية. قامت العديد من شركات الاتصالات (مثل AT&T و UScellular و Verizon ) بإيقاف تشغيل شبكات الجيل الثالث القائمة على CDMA في عامي 2022 و2024، مما جعل الهواتف التي تدعم هذه البروتوكولات فقط غير قابلة للاستخدام لإجراء المكالمات، حتى مع رقم الطوارئ 911. [ 3 ] [ 4 ]

ويمكن استخدامه أيضًا كقناة أو تقنية للوصول إلى الوسائط، مثل ALOHA على سبيل المثال، أو كقناة تجريبية/إشارة دائمة للسماح للمستخدمين بمزامنة المذبذبات المحلية الخاصة بهم مع تردد نظام مشترك، وبالتالي تقدير معلمات القناة بشكل دائم.

في هذه الأنظمة، يتم تعديل الرسالة على تسلسل انتشار أطول، يتكون من عدة رقائق (أصفار وواحدات). ونظرًا لخصائصها المميزة للغاية في الارتباط الذاتي والترابط المتبادل، فقد استُخدمت تسلسلات الانتشار هذه أيضًا في تطبيقات الرادار لعقود عديدة، حيث تُسمى رموز باركر (بطول تسلسل قصير جدًا يتراوح عادةً بين 8 و32).

في تطبيقات الاتصالات الفضائية، يُستخدم نظام CDMA منذ عقود طويلة نظرًا لفقد الإشارة الكبير وانزياح دوبلر الناتج عن حركة الأقمار الصناعية. غالبًا ما يُستخدم CDMA مع تعديل إزاحة الطور الثنائي (BPSK) في أبسط صوره، ولكن يمكن دمجه مع أي نظام تعديل، مثل (في الحالات المتقدمة) تعديل سعة التربيع (QAM) أو تعدد الإرسال بتقسيم التردد المتعامد (OFDM)، مما يجعله عادةً قويًا وفعالًا للغاية (ويُزوّدها بقدرات تحديد المدى الدقيقة، وهو أمر صعب بدون CDMA). تستخدم أنظمة أخرى موجات حاملة فرعية تعتمد على تعديل الموجة الحاملة بإزاحة ثنائية (BOC)، وهو مستوحى من رموز مانشستر ، ويتيح فجوة أكبر بين التردد المركزي الافتراضي والموجات الحاملة الفرعية، وهو ما لا يتوفر في الموجات الحاملة الفرعية لنظام OFDM.

تاريخ

تقنية قنوات الوصول المتعدد بتقسيم الشفرة معروفة منذ زمن طويل.

الولايات المتحدة

في الولايات المتحدة، يمكن العثور على أحد أقدم الأوصاف لتقنية CDMA في التقرير الموجز لمشروع هارتويل حول "أمن النقل عبر البحار"، وهو مشروع بحثي صيفي تم تنفيذه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا من يونيو إلى أغسطس 1950. [ 5 ] تم إجراء المزيد من الأبحاث في سياق التشويش ومكافحة التشويش في عام 1952 في مختبر لينكولن . [ 6 ]

الاتحاد السوفياتي

في الاتحاد السوفيتي ، نُشر أول عمل مُخصّص لهذا الموضوع عام 1935 بقلم ديمتري أجييف . [ 7 ] وقد بيّن أنه باستخدام الطرق الخطية، توجد ثلاثة أنواع من فصل الإشارات: التردد، والزمن، والتعويض. استُخدمت تقنية CDMA عام 1957، عندما صنع مهندس الراديو العسكري الشاب ليونيد كوبريانوفيتش في موسكو نموذجًا تجريبيًا لهاتف محمول أوتوماتيكي قابل للارتداء، أطلق عليه اسم LK-1، مزودًا بمحطة أساسية. [ 8 ] يزن LK-1 ثلاثة  كيلوغرامات، ويبلغ  مداه التشغيلي 20-30 كيلومترًا، وعمر بطاريته 20-30 ساعة. [ 9 ] [ 10 ] كانت المحطة الأساسية، كما وصفها المؤلف، قادرة على خدمة عدة مستخدمين. في عام 1958، صنع كوبريانوفيتش نموذجًا تجريبيًا جديدًا "جيبًا" للهاتف المحمول. كان وزن هذا الهاتف 0.5  كيلوغرام. ولخدمة عدد أكبر من المستخدمين، اقترح كوبريانوفيتش جهازًا أطلق عليه اسم "المُرابط". [ 11 ] [ 12 ] في عام 1958، بدأ الاتحاد السوفيتي أيضًا بتطوير خدمة الهاتف المحمول المدنية الوطنية " ألتاي " للسيارات، استنادًا إلى معيار MRT-1327 السوفيتي. كان وزن نظام الهاتف 11 كيلوغرامًا (24 رطلاً) . وُضع في صندوق سيارات كبار المسؤولين، واستُخدمت سماعة هاتف قياسية في مقصورة الركاب. كان المطوران الرئيسيان لنظام ألتاي هما معهد فورونيج لأبحاث الاتصالات (VNIIS) ومعهد المشاريع المتخصصة الحكومي (GSPI). في عام 1963، بدأت هذه الخدمة في موسكو، وفي عام 1970، استُخدمت خدمة ألتاي في 30 مدينة سوفيتية. [ 13 ]  

الاستخدامات

هاتف محمول بتقنية CDMA2000

خطوات تعديل CDMA

تقنية CDMA هي تقنية وصول متعدد تعتمد على طيف الانتشار. تعمل تقنية طيف الانتشار على توزيع عرض نطاق البيانات بشكل موحد مع الحفاظ على نفس القدرة المرسلة. يُعدّ رمز الانتشار رمزًا شبه عشوائي في المجال الزمني، يتميز بدالة غموض ضيقة في المجال الترددي، على عكس رموز النبضات الضيقة الأخرى. في تقنية CDMA، يعمل الرمز المُولّد محليًا بسرعة أعلى بكثير من سرعة البيانات المراد إرسالها. تُدمج البيانات المراد إرسالها مع الرمز الأسرع باستخدام عملية XOR (أو الحصرية) على مستوى البت. يوضح الشكل كيفية توليد إشارة طيف الانتشار. إشارة البيانات ذات مدة النبضة هيتيب{\displaystyle T_{b}}يتم إجراء عملية XOR بين (فترة الرمز) وإشارة الكود ذات مدة النبضة .تيج{\displaystyle T_{c}}(فترة الشريحة). (ملاحظة: عرض النطاق الترددي يتناسب مع1/تي{\displaystyle 1/T}، أينتي{\displaystyle T}(أي زمن البت). لذلك، فإن عرض نطاق إشارة البيانات هو1/تيب{\displaystyle 1/T_{b}}وعرض نطاق إشارة الطيف المنتشر هو1/تيج{\displaystyle 1/T_{c}}. منذتيج{\displaystyle T_{c}}أصغر بكثير منتيب{\displaystyle T_{b}}يكون عرض نطاق إشارة الطيف المنتشر أكبر بكثير من عرض نطاق الإشارة الأصلية. النسبةتيب/تيج{\displaystyle T_{b}/T_{c}}يُطلق عليه عامل الانتشار أو كسب المعالجة، وهو يحدد إلى حد ما الحد الأقصى لعدد المستخدمين الإجمالي الذين تدعمهم محطة القاعدة في وقت واحد. [ 1 ] [ 2 ]

توليد إشارة CDMA

يستخدم كل مستخدم في نظام CDMA رمزًا مختلفًا لتعديل إشارته. يُعد اختيار الرموز المستخدمة لتعديل الإشارة بالغ الأهمية لأداء أنظمة CDMA. ويتحقق أفضل أداء عند وجود فصل جيد بين إشارة المستخدم المطلوب وإشارات المستخدمين الآخرين. ويتم فصل الإشارات عن طريق حساب معامل الارتباط بين الإشارة المستقبلة والرمز المُولّد محليًا للمستخدم المطلوب. إذا تطابقت الإشارة مع رمز المستخدم المطلوب، فإن دالة الارتباط ستكون عالية، ويمكن للنظام استخلاص تلك الإشارة. أما إذا لم يكن لرمز المستخدم المطلوب أي قاسم مشترك مع الإشارة، فيجب أن يكون معامل الارتباط أقرب ما يمكن إلى الصفر (وبالتالي إزالة الإشارة)؛ ويُشار إلى ذلك بالارتباط المتبادل . وإذا كان الرمز مرتبطًا بالإشارة عند أي إزاحة زمنية غير الصفر، فيجب أن يكون معامل الارتباط أقرب ما يمكن إلى الصفر. ويُشار إلى ذلك بالارتباط الذاتي، ويُستخدم لرفض تداخل المسارات المتعددة. [ 18 ] [ 19 ]

يمكن تشبيه مشكلة الوصول المتعدد بغرفة (قناة) يرغب فيها أشخاص بالتحدث مع بعضهم البعض في وقت واحد. لتجنب التشويش، يمكن للأشخاص التحدث بالتناوب (تقسيم الوقت)، أو التحدث بنبرات صوتية مختلفة (تقسيم التردد)، أو التحدث بلغات مختلفة (تقسيم الشفرة). يُشابه نظام CDMA المثال السابق حيث يمكن للأشخاص الذين يتحدثون اللغة نفسها فهم بعضهم البعض، بينما تُعتبر اللغات الأخرى تشويشًا ويتم رفضها. وبالمثل، في نظام CDMA اللاسلكي، تُمنح كل مجموعة من المستخدمين شفرة مشتركة. تشغل العديد من الشفرات القناة نفسها، ولكن لا يمكن التواصل إلا للمستخدمين المرتبطين بشفرة معينة.

بشكل عام، ينتمي نظام CDMA إلى فئتين أساسيتين: متزامن (رموز متعامدة) وغير متزامن (رموز شبه عشوائية).

تعدد الإرسال بتقسيم الشفرة (CDMA المتزامن)

تُشابه طريقة التضمين الرقمي تلك المستخدمة في أجهزة الإرسال والاستقبال اللاسلكية البسيطة. في الحالة التناظرية، تُضرب إشارة بيانات منخفضة التردد زمنيًا بموجة حاملة جيبية نقية عالية التردد، ثم تُرسل. وهذا في الواقع عبارة عن عملية التفاف ترددي (وفقًا لنظرية وينر-خينشين ) للإشارتين، مما ينتج عنه موجة حاملة ذات نطاقات جانبية ضيقة. أما في الحالة الرقمية، فتُستبدل الموجة الحاملة الجيبية بدوال والش . وهي عبارة عن موجات مربعة ثنائية تُشكل مجموعة متعامدة كاملة. وتكون إشارة البيانات ثنائية أيضًا، ويتم تحقيق الضرب الزمني باستخدام دالة XOR بسيطة. وعادةً ما تكون هذه الدالة عبارة عن خلاط خلية جيلبرت في الدائرة.

تستغل تقنية CDMA المتزامنة الخصائص الرياضية للتعامد بين المتجهات التي تمثل سلاسل البيانات. على سبيل المثال، تُمثل السلسلة الثنائية 1011 بالمتجه (1، 0، 1، 1). يمكن ضرب المتجهات بأخذ حاصل الضرب النقطي ، وذلك بجمع حاصل ضرب مركباتها (على سبيل المثال، إذا كان u = ( a , b ) و v = ( c , d )، فإن حاصل ضربهما النقطي u · v = ac + bd ). إذا كان حاصل الضرب النقطي يساوي صفرًا، يُقال إن المتجهين متعامدان . تساعد بعض خصائص حاصل الضرب النقطي في فهم كيفية عمل تقنية W-CDMA . إذا كان المتجهان a و b متعامدين، فإنأ⋅ب=0{\displaystyle \mathbf {a} \cdot \mathbf {b} =0}و:

أ⋅(أ+ب)=‖أ‖2، منذ أ⋅أ+أ⋅ب=‖أ‖2+0،{\displaystyle \mathbf {a} \cdot (\mathbf {a} +\mathbf {b} )=\|\mathbf {a} \|^{2},\ {\text{since}}\ \mathbf {a} \cdot \mathbf {a} +\mathbf {a} \cdot \mathbf {b} =\|\mathbf {a} \|^{2}+0,}
أ⋅(-أ+ب)=-‖أ‖2، منذ -أ⋅أ+أ⋅ب=-‖أ‖2+0،{\displaystyle \mathbf {a} \cdot (-\mathbf {a} +\mathbf {b} )=-\|\mathbf {a} \|^{2},\ {\text{since}}\ {-\mathbf {a} }\cdot \mathbf {a} +\mathbf {a} \cdot \mathbf {b} =-\|\mathbf {a} \|^{2}+0,}
ب⋅(أ+ب)=‖ب‖2، منذ ب⋅أ+ب⋅ب=0+‖ب‖2،\displaystyle \mathbf {b} \cdot (\mathbf {a} +\mathbf {b} )=\|\mathbf {b} \|^{2},\ {\text{لأن}}\ \mathbf {b} \cdot \mathbf {a} +\mathbf {b} \cdot \mathbf {b} =0+\|\mathbf {b} \|^{2},}
ب⋅(أ-ب)=-‖ب‖2، منذ ب⋅أ-ب⋅ب=0-‖ب‖2.\displaystyle \mathbf {b} \cdot (\mathbf {a} -\mathbf {b} )=-\|\mathbf {b} \|^{2},\ {\text{لأن}}\ \mathbf {b} \cdot \mathbf {a} -\mathbf {b} \cdot \mathbf {b} =0-\|\mathbf {b} \|^{2}.}

يستخدم كل مستخدم في نظام CDMA المتزامن رمزًا متعامدًا مع رموز المستخدمين الآخرين لتعديل إشارته. يوضح الشكل أدناه مثالًا على أربع إشارات رقمية متعامدة. تتميز الرموز المتعامدة بمعامل ارتباط متبادل يساوي صفرًا؛ أي أنها لا تتداخل مع بعضها البعض. في حالة IS-95، تُستخدم رموز والش ذات 64 بت لترميز الإشارة وفصل المستخدمين المختلفين. ولأن كل رمز من رموز والش الـ 64 متعامد مع جميع الرموز الأخرى، تُقسّم الإشارات إلى 64 إشارة متعامدة. يوضح المثال التالي كيفية ترميز إشارة كل مستخدم وفك ترميزها.

مثال

مثال على 4 إشارات رقمية متعامدة فيما بينها

ابدأ بمجموعة من المتجهات المتعامدة فيما بينها . (مع أن التعامد المتبادل هو الشرط الوحيد، إلا أن هذه المتجهات تُنشأ عادةً لتسهيل فك التشفير، مثلاً الأعمدة أو الصفوف من مصفوفات والش ). يوضح الشكل المجاور مثالاً على الدوال المتعامدة. تُخصص هذه المتجهات لمستخدمين محددين وتُسمى الشفرة ، أو شفرة الشريحة ، أو شفرة التشفير . وللاختصار، يستخدم هذا المثال في بقيةه شفرة v مكونة من بتتين فقط.

يرتبط كل مستخدم برمز مختلف، ولنقل v . يُمثَّل البت 1 بإرسال رمز موجب v ، ويُمثَّل البت 0 بإرسال رمز سالب −v . على سبيل المثال، إذا كان v = ( v0 , v1 ) = ( 1 , −1 ) وكانت البيانات التي يرغب المستخدم في إرسالها هي (1, 0, 1, 1)، فإن الرموز المرسلة ستكون

( v , −v , v , v ) = ( v 0 , v 1 , − v 0 , − v 1 , v 0 , v 1 , v 0 , v 1 ) = (1, −1, −1, 1, 1, −1, 1, −1).

لأغراض هذه المقالة، نسمي هذا المتجه المُنشأ بالمتجه المُرسَل .

لكل مرسل متجه فريد ومختلف v يتم اختياره من تلك المجموعة، ولكن طريقة إنشاء المتجه المرسل متطابقة.

بسبب الخصائص الفيزيائية للتداخل، إذا كانت إشارتان عند نقطة ما متوافقتين في الطور، فإنهما تتجمعان لتُعطيا ضعف سعة كل إشارة، أما إذا كانتا غير متوافقتين في الطور، فإنهما تطرحان لتُعطيا إشارةً تُمثل الفرق بين السعتين. رقميًا، يُمكن نمذجة هذا السلوك عن طريق جمع متجهات الإرسال، عنصرًا تلو الآخر.

إذا كان لدى المرسل 0 رمز (1، -1) وبيانات (1، 0، 1، 1)، وكان لدى المرسل 1 رمز (1، 1) وبيانات (0، 0، 1، 1)، وقام كلا المرسلين بالإرسال في وقت واحد، فإن هذا الجدول يصف خطوات الترميز:

خطوةتشفير المرسل 0تشفير المرسل 1
0code0 = (1, −1), data0 = (1, 0, 1, 1)code1 = (1, 1), data1 = (0, 0, 1, 1)
1encode0 = 2(1, 0, 1, 1) − (1, 1, 1, 1) = (1, −1, 1, 1)encode1 = 2(0, 0, 1, 1) − (1, 1, 1, 1) = (−1, −1, 1, 1)
2signal0 = encode0 ⊗ code0 = (1, −1, 1, 1) ⊗ (1, −1) = (1, −1, −1, 1, 1, −1, 1, −1)signal1 = encode1 ⊗ code1 = (−1, −1, 1, 1) ⊗ (1, 1) = (−1, −1, −1, −1, 1, 1, 1, 1)

لأن الإشارتين signal0 و signal1 تُرسلان في نفس الوقت عبر الهواء، فإنهما تتجمعان لإنتاج الإشارة الخام

(1, −1, −1, 1, 1, −1, 1, −1) + (−1, −1, −1, −1, 1, 1, 1, 1) = (0, −2, −2, 0, 2, 0, 2, 0).

تُسمى هذه الإشارة الخام بنمط التداخل. يقوم جهاز الاستقبال بعد ذلك باستخلاص إشارة مفهومة لأي مُرسِل معروف عن طريق دمج رمز المُرسِل مع نمط التداخل. يوضح الجدول التالي آلية عمل ذلك، ويُبين أن الإشارات لا تتداخل مع بعضها البعض.

خطوةفك تشفير المرسل 0فك تشفير المرسل 1
0code0 = (1, −1), signal = (0, −2, −2, 0, 2, 0, 2, 0)code1 = (1, 1), signal = (0, −2, −2, 0, 2, 0, 2, 0)
1decode0 = pattern.vector0decode1 = pattern.vector1
2فك التشفير0 = ((0, −2), (−2, 0), (2, 0), (2, 0)) · (1, −1)decode1 = ((0, −2), (−2, 0), (2, 0), (2, 0)) · (1, 1)
3فك التشفير0 = ((0 + 2)، (−2 + 0)، (2 + 0)، (2 + 0))decode1 = ((0 − 2), (−2 + 0), (2 + 0), (2 + 0))
4data0=(2, −2, 2, 2), أي (1, 0, 1, 1)data1=(−2, −2, 2, 2), أي (0, 0, 1, 1)

علاوة على ذلك، بعد فك التشفير، تُفسَّر جميع القيم الأكبر من صفر على أنها 1، بينما تُفسَّر جميع القيم الأصغر من صفر على أنها 0. على سبيل المثال، بعد فك التشفير، تكون قيمة البيانات 0 هي (2، -2، 2، 2)، لكن المُستقبِل يُفسِّرها على أنها (1، 0، 1، 1). أما القيم التي تساوي صفرًا تمامًا فتعني أن المُرسِل لم يُرسِل أي بيانات، كما في المثال التالي:

لنفترض أن الإشارة signal0 = (1, −1, −1, 1, 1, −1, 1, −1) تُرسل منفردة. يوضح الجدول التالي عملية فك التشفير عند جهاز الاستقبال:

خطوةفك تشفير المرسل 0فك تشفير المرسل 1
0code0 = (1, −1), signal = (1, −1, −1, 1, 1, −1, 1, −1)code1 = (1, 1), signal = (1, −1, −1, 1, 1, −1, 1, −1)
1decode0 = pattern.vector0decode1 = pattern.vector1
2فك التشفير0 = ((1, −1), (−1, 1), (1, −1), (1, −1)) · (1, −1)decode1 = ((1, −1), (−1, 1), (1, −1), (1, −1)) · (1, 1)
3فك التشفير0 = ((1 + 1)، (−1 − 1)، (1 + 1)، (1 + 1))decode1 = ((1 − 1), (−1 + 1), (1 − 1), (1 − 1))
4data0 = (2, −2, 2, 2), أي (1, 0, 1, 1)data1 = (0, 0, 0, 0)، أي لا توجد بيانات

عندما يحاول جهاز الاستقبال فك تشفير الإشارة باستخدام رمز المرسل 1، تكون البيانات كلها أصفارًا؛ لذلك فإن الارتباط المتبادل يساوي صفرًا، ومن الواضح أن المرسل 1 لم يرسل أي بيانات.

CDMA غير متزامن

عندما يتعذر تنسيق روابط الهاتف المحمول بالمحطة الأساسية بدقة، خاصةً بسبب تنقل الهواتف، يلزم اتباع نهج مختلف. ولأنه من غير الممكن رياضيًا إنشاء تسلسلات توقيع متعامدة لنقاط بداية عشوائية تمامًا، وفي الوقت نفسه تستغل مساحة الترميز استغلالًا كاملًا، تُستخدم في أنظمة CDMA غير المتزامنة تسلسلات فريدة "شبه عشوائية" أو "شبه ضوضاء" تُسمى تسلسلات الانتشار . تسلسل الانتشار هو تسلسل ثنائي يبدو عشوائيًا، لكن يمكن للمستقبلات المقصودة إعادة إنتاجه بطريقة حتمية. تُستخدم هذه التسلسلات لترميز وفك ترميز إشارة المستخدم في أنظمة CDMA غير المتزامنة بنفس طريقة الترميزات المتعامدة في أنظمة CDMA المتزامنة (كما هو موضح في المثال أعلاه). هذه التسلسلات غير مترابطة إحصائيًا، ويؤدي مجموع عدد كبير منها إلى تداخل الوصول المتعدد (MAI) الذي يُقارب بعملية ضوضاء غاوسية (وفقًا لنظرية النهاية المركزية في الإحصاء). تُعدّ رموز الذهب مثالاً على تسلسل انتشار مناسب لهذا الغرض، نظرًا لانخفاض الارتباط بين الرموز. إذا استقبل جميع المستخدمين نفس مستوى الطاقة، فإن تباين إشارة MAI (مثل طاقة الضوضاء) يزداد طرديًا مع عدد المستخدمين. بعبارة أخرى، على عكس تقنية CDMA المتزامنة، ستظهر إشارات المستخدمين الآخرين كضوضاء بالنسبة للإشارة المستهدفة، وتتداخل معها بشكل طفيف بما يتناسب مع عدد المستخدمين.

تستخدم جميع أنواع تقنية CDMA عامل انتشار الطيف المنتشر لتمكين أجهزة الاستقبال من التمييز جزئيًا ضد الإشارات غير المرغوب فيها. يتم استقبال الإشارات المشفرة بتسلسلات الانتشار المحددة، بينما تظهر الإشارات ذات التسلسلات المختلفة (أو التسلسلات نفسها ولكن باختلافات في التوقيت) كضوضاء واسعة النطاق يتم تقليلها بواسطة عامل الانتشار.

بما أن كل مستخدم يُولّد إشارة متعددة المستخدمين (MAI)، فإن التحكم في قوة الإشارة يُعدّ مسألةً بالغة الأهمية في أجهزة إرسال CDMA. من الناحية النظرية، يمكن لجهاز استقبال CDM (CDMA المتزامن) أو TDMA أو FDMA رفض الإشارات القوية تمامًا باستخدام رموز أو فترات زمنية أو قنوات تردد مختلفة، وذلك بفضل تعامد هذه الأنظمة. لا ينطبق هذا على CDMA غير المتزامن؛ حيث يكون رفض الإشارات غير المرغوب فيها جزئيًا فقط. فإذا كانت أيٌّ من الإشارات غير المرغوب فيها، أو جميعها، أقوى بكثير من الإشارة المطلوبة، فإنها ستطغى عليها. وهذا ما يُحتّم على أي نظام CDMA غير متزامن مطابقة مستويات طاقة الإشارة المختلفة تقريبًا كما يراها جهاز الاستقبال. في شبكات CDMA الخلوية، تستخدم المحطة الأساسية نظامًا سريعًا للتحكم في الطاقة ذي حلقة مغلقة للتحكم بدقة في طاقة إرسال كل جهاز محمول.

في عام ٢٠١٩، طُوِّرت مخططات لتقدير الطول المطلوب للرموز بدقة، اعتمادًا على خصائص دوبلر والتأخير. [ ٢٠ ] بعد ذلك بوقت قصير، نُشرت أيضًا تقنيات تعتمد على التعلّم الآلي لتوليد متواليات ذات طول وخصائص انتشار مُحدَّدة. تُنافس هذه التقنيات بقوة متواليات غولد وويلش الكلاسيكية. لا تُولَّد هذه المتواليات بواسطة مسجلات الإزاحة ذات التغذية الراجعة الخطية، بل يجب تخزينها في جداول بحث.

مزايا تقنية CDMA غير المتزامنة مقارنة بالتقنيات الأخرى

الاستخدام العملي الفعال للطيف الترددي الثابت

من الناحية النظرية، تتمتع تقنيات CDMA وTDMA وFDMA بنفس الكفاءة الطيفية تمامًا، ولكن من الناحية العملية، لكل منها تحدياتها الخاصة - التحكم في الطاقة في حالة CDMA، والتوقيت في حالة TDMA، وتوليد التردد/الترشيح في حالة FDMA.

يجب على أنظمة TDMA مزامنة أوقات إرسال جميع المستخدمين بدقة لضمان استقبالها في الفترة الزمنية الصحيحة وتجنب التداخل. ولأن التحكم الكامل في ذلك غير ممكن في بيئة الاتصالات المتنقلة، يجب أن تتضمن كل فترة زمنية فترة حماية، مما يقلل من احتمالية تداخل المستخدمين، ولكنه يقلل من كفاءة استخدام الطيف الترددي.

وبالمثل، يجب أن تستخدم أنظمة FDMA نطاق حماية بين القنوات المتجاورة، نظرًا لانزياح دوبلر غير المتوقع لطيف الإشارة بسبب حركة المستخدم. يقلل نطاق الحماية من احتمالية تداخل القنوات المتجاورة، ولكنه يقلل من استغلال الطيف الترددي.

تخصيص الموارد بمرونة

توفر تقنية CDMA غير المتزامنة ميزةً رئيسيةً تتمثل في مرونة تخصيص الموارد، أي تخصيص تسلسلات الانتشار للمستخدمين النشطين. في حالة CDM (CDMA المتزامنة)، وTDMA، وFDMA، يكون عدد الرموز المتعامدة المتزامنة، والفترات الزمنية، والفترات الترددية على التوالي ثابتًا، وبالتالي تكون السعة من حيث عدد المستخدمين المتزامنين محدودة. يوجد عدد ثابت من الرموز المتعامدة، والفترات الزمنية، أو نطاقات التردد التي يمكن تخصيصها لأنظمة CDM، وTDMA، وFDMA، والتي تبقى غير مستغلة بالكامل نظرًا لطبيعة الاتصالات الهاتفية المتقطعة ونقل البيانات المُجزأة. لا يوجد حدٌّ صارم لعدد المستخدمين الذين يمكن دعمهم في نظام CDMA غير المتزامن، وإنما حدٌّ عمليٌّ فقط تحكمه احتمالية خطأ البت المطلوبة، حيث تتناسب نسبة الإشارة إلى التداخل (SIR) عكسيًا مع عدد المستخدمين. في بيئة ذات حركة مرور متقطعة كالهواتف المحمولة، تكمن ميزة تقنية CDMA غير المتزامنة في السماح للأداء (معدل خطأ البت) بالتذبذب عشوائيًا، بقيمة متوسطة تُحدد بضرب عدد المستخدمين في نسبة الاستخدام. لنفترض وجود 2N مستخدمًا يتحدثون نصف الوقت فقط، عندها يمكن استيعاب 2N مستخدمًا بنفس متوسط ​​احتمال خطأ البت كما هو الحال مع N مستخدمًا يتحدثون طوال الوقت. الفرق الرئيسي هنا هو أن احتمال خطأ البت ثابت لـ N مستخدمًا يتحدثون طوال الوقت، بينما هو قيمة عشوائية (بنفس المتوسط) لـ 2N مستخدمًا يتحدثون نصف الوقت.

بمعنى آخر، يُعدّ نظام CDMA غير المتزامن مثاليًا لشبكات الهاتف المحمول التي تُولّد فيها أعداد كبيرة من أجهزة الإرسال كمية صغيرة نسبيًا من البيانات على فترات غير منتظمة. لا تستطيع أنظمة CDM (CDMA المتزامن) وTDMA وFDMA استعادة الموارد غير المُستغلة بشكل كامل نتيجةً لحركة البيانات المتقطعة، وذلك بسبب العدد الثابت من الرموز المتعامدة أو الفترات الزمنية أو قنوات التردد التي يُمكن تخصيصها لأجهزة الإرسال الفردية. على سبيل المثال، إذا كان هناك N فترة زمنية في نظام TDMA و2 N مستخدمًا يتحدثون نصف الوقت، فسيكون هناك في نصف الوقت أكثر من N مستخدمًا يحتاجون إلى استخدام أكثر من N فترة زمنية. علاوة على ذلك، سيتطلب الأمر تكلفة إضافية كبيرة لتخصيص موارد الرموز المتعامدة أو الفترات الزمنية أو قنوات التردد وإلغاء تخصيصها باستمرار. في المقابل، تُرسل أجهزة إرسال CDMA غير المتزامن البيانات عندما يكون لديها ما تقوله، وتتوقف عن الإرسال عندما لا يكون لديها ما تقوله، مع الحفاظ على نفس تسلسل التوقيع طالما أنها متصلة بالشبكة.

خصائص الطيف المنتشر لتقنية CDMA

تسعى معظم أنظمة التضمين إلى تقليل عرض نطاق الإشارة نظرًا لمحدودية هذا المورد. مع ذلك، تستخدم تقنيات الطيف المنتشر عرض نطاق إرسال أكبر بعدة مراتب من الحد الأدنى المطلوب لعرض نطاق الإشارة. كان أحد الأسباب الرئيسية لذلك التطبيقات العسكرية، بما في ذلك أنظمة التوجيه والاتصالات. صُممت هذه الأنظمة باستخدام الطيف المنتشر لما يتميز به من أمان ومقاومة للتشويش. يوفر نظام CDMA غير المتزامن مستوىً من الخصوصية، إذ تُنشر الإشارة باستخدام رمز شبه عشوائي؛ يجعل هذا الرمز إشارات الطيف المنتشر تبدو عشوائية أو ذات خصائص شبيهة بالضوضاء. لا يستطيع جهاز الاستقبال فك تشفير هذا الإرسال دون معرفة التسلسل شبه العشوائي المستخدم لترميز البيانات. يتميز نظام CDMA أيضًا بمقاومته للتشويش، إذ لا تملك إشارة التشويش سوى قدر محدود من الطاقة المتاحة لتشويش الإشارة. يمكن للمُشوش إما توزيع طاقته على كامل عرض نطاق الإشارة أو تشويش جزء منها فقط. [ 18 ] [ 19 ]

تتميز تقنية CDMA بقدرتها على رفض التداخل ضيق النطاق بكفاءة عالية. ولأن هذا التداخل لا يؤثر إلا على جزء صغير من إشارة الطيف المنتشر، يمكن إزالته بسهولة باستخدام ترشيح النطاق دون فقدان كبير للبيانات. ويمكن استخدام التشفير التلافيفي والتشابك للمساعدة في استعادة البيانات المفقودة. كما تتميز إشارات CDMA بمقاومتها لتلاشي المسارات المتعددة. ولأن إشارة الطيف المنتشر تشغل نطاقًا تردديًا واسعًا، فإن جزءًا صغيرًا فقط منها سيتعرض للتلاشي بسبب تعدد المسارات في أي وقت. ومثل التداخل ضيق النطاق، ينتج عن ذلك فقدان طفيف للبيانات، ويمكن التغلب عليه.

من الأسباب الأخرى لمقاومة تقنية CDMA للتداخل متعدد المسارات هو أن النسخ المتأخرة من رموز شبه العشوائية المرسلة ستكون ذات ارتباط ضعيف مع رمز شبه العشوائية الأصلي، وبالتالي ستظهر كمستخدم آخر، وهو ما يتم تجاهله عند جهاز الاستقبال. بعبارة أخرى، طالما أن قناة تعدد المسارات تُحدث تأخيرًا بمقدار شريحة واحدة على الأقل، فإن إشارات تعدد المسارات ستصل إلى جهاز الاستقبال متأخرة زمنيًا بمقدار شريحة واحدة على الأقل عن الإشارة المقصودة. خصائص الارتباط لرموز شبه العشوائية تجعل هذا التأخير الطفيف يجعل تعدد المسارات يبدو غير مرتبط بالإشارة المقصودة، وبالتالي يتم تجاهله.

تستخدم بعض أجهزة CDMA مستقبلًا مُحسِّنًا ، يستغل مكونات تأخير المسارات المتعددة لتحسين أداء النظام. يجمع هذا المستقبل المعلومات من عدة مُرتبطات، كل منها مُضبوط على تأخير مسار مختلف، مما ينتج عنه نسخة أقوى من الإشارة مقارنةً بمستقبل بسيط ذي مُرتبط واحد مُضبوط على تأخير مسار أقوى إشارة. [ 1 ] [ 2 ]

إعادة استخدام التردد هي القدرة على إعادة استخدام تردد قناة الراديو نفسه في مواقع خلايا أخرى ضمن نظام خلوي. في أنظمة FDMA وTDMA، يُعد تخطيط الترددات أمرًا بالغ الأهمية. يجب تخطيط الترددات المستخدمة في الخلايا المختلفة بعناية لضمان عدم تداخل الإشارات الواردة من الخلايا المختلفة. في نظام CDMA، يمكن استخدام التردد نفسه في كل خلية، لأن تقسيم القنوات يتم باستخدام رموز شبه عشوائية. إعادة استخدام التردد نفسه في كل خلية يُغني عن الحاجة إلى تخطيط الترددات في نظام CDMA؛ ومع ذلك، يجب تخطيط التسلسلات شبه العشوائية المختلفة لضمان عدم ترابط الإشارة المستقبلة من خلية ما مع الإشارة الواردة من خلية مجاورة. [ 1 ]

بما أن الخلايا المتجاورة تستخدم الترددات نفسها، فإن أنظمة CDMA قادرة على إجراء عمليات تسليم سلسة. تسمح هذه العمليات للهاتف المحمول بالتواصل في وقت واحد مع خليتين أو أكثر، حيث يتم اختيار أفضل جودة إشارة حتى اكتمال عملية التسليم. يختلف هذا عن عمليات التسليم القسرية المستخدمة في أنظمة الاتصالات الخلوية الأخرى، ففي حالة التسليم القسري، قد تتغير قوة الإشارة فجأة مع اقتراب الهاتف المحمول من عملية التسليم. في المقابل، تستخدم أنظمة CDMA عملية التسليم السلسة، وهي غير قابلة للكشف وتوفر إشارة أكثر موثوقية وجودة. [ 2 ]

تقنية CDMA التعاونية

تمّت دراسة نظام إرسال وكشف تعاوني جديد متعدد المستخدمين يُسمى CDMA التعاوني [ 21 ] للوصلة الصاعدة، والذي يستغلّ الاختلافات بين بصمات قنوات التلاشي للمستخدمين لزيادة سعة المستخدم بشكل يتجاوز طول الانتشار في بيئة محدودة بتداخل الوصول المتعدد (MAI). أظهر الباحثون إمكانية تحقيق هذه الزيادة بتعقيد منخفض وأداء عالٍ لمعدل خطأ البت في قنوات التلاشي المسطحة، وهو ما يُمثّل تحديًا بحثيًا رئيسيًا لأنظمة CDMA المُثقلة. في هذا النهج، وبدلًا من استخدام تسلسل واحد لكل مستخدم كما في CDMA التقليدي، قام الباحثون بتجميع عدد قليل من المستخدمين لمشاركة نفس تسلسل الانتشار، مما يُتيح عمليات الانتشار وفك الانتشار الجماعي. يتكون جهاز الاستقبال التعاوني الجديد متعدد المستخدمين من مرحلتين: مرحلة الكشف الجماعي متعدد المستخدمين (MUD) لكبح تداخل الوصول المتعدد بين المجموعات، ومرحلة الكشف ذات الاحتمالية القصوى منخفضة التعقيد لاستعادة بيانات المستخدمين المُنتشرين بشكل مشترك باستخدام مقياس المسافة الإقليدية الدنيا ومعاملات كسب القناة للمستخدمين. يستخدم إصدار CDMA المحسن المعروف باسم الوصول المتعدد بتقسيم التداخل (IDMA) التداخل المتعامد كوسيلة وحيدة لفصل المستخدمين بدلاً من تسلسل التوقيع المستخدم في نظام CDMA.

انظر أيضاً

ملحوظات

  1. ↑ تستخدم شركة غلوبال ستار عناصر من تقنيات CDMA و TDMA و FDMA بالإضافة إلى هوائيات متعددة الحزم للأقمار الصناعية. [ 14 ]
  2. ↑ تُعرف شبكات UMTS وغيرها من الأنظمة القائمة على تقنية CDMA أيضًا بأنها نوع من الأنظمة المحدودة بالتداخل . [ 15 ] [ 16 ] ويرتبط هذا بخصائص تقنية CDMA: حيث يعمل جميع المستخدمين في نفس نطاق التردد، مما يؤثر على نسبة الإشارة إلى الضوضاء والتداخل (SINR )، وبالتالي يقلل من التغطية والسعة. [ 17 ]

مراجع

  1. 1 2 3 4 توريري، دون (2018). مبادئ أنظمة الاتصالات ذات الطيف المنتشر، الطبعة الرابعة .
  2. 1 2 3 4 ستوبر، جوردون ل. (2017). مبادئ الاتصالات المتنقلة، الطبعة الرابعة .
  3. ↑ كيلي، سامانثا مورفي (22 فبراير 2022). "شركة AT&T تُغلق شبكة الجيل الثالث. إليك كيف يمكن أن يؤثر ذلك عليك" . سي إن إن .
  4. ↑ جونسون، أليسون (30 مارس 2021). "ستغلق شركة فيريزون شبكة الجيل الثالث CDMA بحلول نهاية عام 2022" . ذا فيرج . تم الاطلاع عليه بتاريخ 9 أكتوبر 2021 .
  5. ↑ روبرت أ. شولتز (مايو 1982). "أصول اتصالات الطيف المنتشر". معاملات IEEE في الاتصالات . 30 (5): 822-854 . doi : 10.1109/TCOM.1982.1095547 .
  6. ↑ روبرت برايس (28 يوليو 1982). "التاريخ الشفوي: كلود إي. شانون" . موسوعة تاريخ الهندسة والتكنولوجيا . تم الاطلاع عليه في 30 يناير 2022 .
  7. ↑ أجيف، د. ف. (1935). "أسس نظرية الاختيار الخطي. فك تشفير الشفرات". وقائع معهد لينينغراد التجريبي للاتصالات : 3-35 .
  8. ^ الاتحاد السوفييتي 115494 ، Купpriянович (ليونيد كوبريانوفيتش)، “Устройства вызова и коммутации каналов radioтелеfonной связи (أجهزة للاتصال وتبديل قنوات الاتصال اللاسلكي)”، نُشرت في 04/11/1957 
  9. ^ ناوكا في جيزن 8، 1957، ص. 49.
  10. ^ يوني تكنيك 7، 1957، ص. 43-44.
  11. ^ ناوكا في جيزن 10، 1958، ص. 66.
  12. ^ تكنيكا مولودجي 2، 1959، ص. 18-19.
  13. ↑ "أول هاتف محمول روسي" . 18 سبتمبر 2006.
  14. ↑ M. Mazzella, M. Cohen, D. Rouffet, M. Louie and KS Gilhousen, “تقنيات الوصول المتعدد واستخدام الطيف لنظام الأقمار الصناعية المتنقلة GLOBALSTAR,” المؤتمر الرابع لـ IEE حول الاتصالات 1993، مانشستر، المملكة المتحدة، 1993، ص 306-311.
  15. ↑ هولما، هـ.؛ توسكالا، أ.، محرران. (2007). WCDMA لشبكات UMTS: تطور HSPA و LTE . جون وايلي وأولاده . ISBN 9781119991908.
  16. ↑ لايهو، ج.؛ واكر، أ.؛ نوفوساد، ت.، محرران. (2002). تخطيط وتحسين شبكات الراديو لتقنية UMTS (المجلد 2) . نيويورك: جون وايلي وأولاده . ص 303. ISBN  9780470031391.
  17. ^ ووك ، بيرنهارد هـ . سايدنبرغ، بيتر. ألتوف، مارك بيتر (مارس 2003) [2001]. UMTS: الأساسيات . ترجمة فون شموجر، هيدويغ جوردان ( الطبعة الإنجليزية الأولى). شركة جون وايلي وأولاده المحدودة ص 18 – 19. ISBN   0-470-84557-0.(ملاحظة: يستند هذا النص إلى النسخة الألمانية الصادرة عام 2001.)
  18. 1 2 سكلار، برنارد؛ راي، بابيترا ك. (2014). الاتصالات الرقمية: الأساسيات والتطبيقات، الطبعة الثانية .
  19. 1 2 موليش، أندرياس (2010). الاتصالات اللاسلكية، الطبعة الثانية .
  20. ↑ إينكينغ، أنتريش، أبيل، ألميدا (2019). "إشارات الطيار النقية: ما هو أقصر طول يمكننا اختياره لرموز نشر نظام الملاحة العالمي عبر الأقمار الصناعية؟" . وقائع الاجتماع الفني الدولي لعام 2019 لمعهد الملاحة . الصفحات 925-935 . doi : 10.33012/2019.16737 . ISBN  978-0-936406-21-3. S2CID 86666944 . {{cite conference}}: صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين ( رابط )
  21. ↑ شاكيا، إندو ل. (2011). "الاتصالات التعاونية عالية السعة للمستخدمين بتقنية CDMA". اتصالات IET.

للمزيد من القراءة