CDMA nedir?

CDMA (Code Division Multiple Access), bu kurgulamadaki gibi kablosuz ortamda aynı frekans ve zamanda herkesin yalnızca birbirini anlayacağı bir çoklu erişim tekniğidir. Son 5 yılda  CDMA’den daha çok söz edilmesinin nedeni üçüncü nesil kablosuz iletişim kavramının doğuşu ve CDMA’nin bu iletişimin çekirdek teknolojisi oluşudur. Bugün gsm standardı ve TDMA teknolojisi hayatımızın ne denli içerisinde ise belki bir 10 yıl sonra CDMA  teknolojisininde hayatımızda çok daha büyük bir etkinliğinin olacağını iddia etmek yanlış olmaz.

Çoklu erişim teknikleri temelde üçe  ayrılır. Bunlar;

FDMA, TDMA, CDMA

Bu kısaltmaların açılımları sırasıyla frekans, zaman ve kod bölünmeli çoklu erişimdir. Çoklu erişim kübü adı verilebilecek bir çizimle adı geçen teknikler açık bir şekilde karşılaştırılabilir.

FDMA her kanala bir frekans ayırmaktadır. Bu yüzden de, tam düzeltme kullanılamayan kanalların kaynakları, başka kanallara aktarılmaktadır. TDMA’ da ise her kanala belirli bir zaman dilimi ayrılması tercih edilmiştir. Bu FDMA’ya göre daha verimli bir çözümdür ve zaten pratik olarak FDMA’yı içerebilir. Yani TDMA, belirli bir kanal grubuna ayrılmış bir frekansta da gerçeklenebilir. Daha sonra görüleceği gibi, CDMA da TDMA ve FDMA ‘yı içerebilir. Öyleyse, FDMA’dan CDMA’ya (kronolojik olmasada) evrimsel bir süreç olduğu söylenebilir. CDMA’nın öteki tekniklerin gözardı ettiği genlik ekseninden de yararlanıyor olmasıdır, onu kaynakları en verimli biçimde kullanan çoklu erişim teknolojisi olarak ortaya çıkarmaktadır.

CDMA' nın avantajları

AMPS(Advanced Mobile Phone Service) analog sistemlere göre 8-10 kat kat fazla iletim kapasitesine sahip

GSM (Global System for Mobile communications) sistemlere göre 4-5 kat fazla iletim kapasitesine sahip

AMPS sistemlere göre ses kalitesi fazla

Kullanılan aynı frekanstan dolayı kolay sistem planlamaya sahip.

Kodlar bilinmedikçe modülasyonu çok zor, gelişmiş güvenlik

CDMA’ de taşınabilir haberleşme cihazlarının konuşma süresi fazla.

Geliştirilmiş kapsama karakterteristiği ile mümkün olduğunca az sayıda hücre sitelerine müsade eder.

Daha çok bant genişliğine izin verir.

CDMA' nın yayılı spektrumu

CDMA’nın genlik ekseninden yararlanma biçimi ve CDMA’nın  çekirdek modülasyon yöntemi, yayılı spektrum (spread spectrum) tekniğidir. Yayılı spektrum tekniği, veri işaretini ondan daha geniş bir spektruma yaymak olarak özetlenebilir. Böylece TDMA ya da FDMA sistemlerinin gerekseneceğinden çok daha geniş bir frekans bandı işgal etmektedir. Ancak CDMA, band genişliğine ödediği bedeli ileride görüleceği gibi  yüksek sığa olarak geri kazanacaktır. CDMA ‘ın standart data iletim oranı 9.6Mbps tir

FDMA ‘da, yer istasyonları bir uydu kanalı ya da sistemi dahilindeki belli bir bant genişliği ile sınırlıdır, ancak ne zaman iletim yapabilecekleri ile ilgili herhangi bir kısıtlama yoktur. TDMA’da yer istasyonunun iletimleri, belirli bir zaman bölmesi ile sınırlıdır, ancak belli bir uydu sistemi  ya da kanalı dahilinde iletimlerinin hangi frekansı ya da bant genişliğini kullanabileceği ile ilgili herhangi bir kısıtlama yoktur. Her yer istasyonu vericisi istediği herhangi bir anda iletim yapabilir ve belli bir uydu sistemini ya da kanala tahsis edilen bant genişliğinin herhangi bir bölümünün ya da tümünü kullanabilir. Bant genişliği ile ilgili herhangi bir sınırlama olmadığı için, CDMA ‘ya bazen spektruma yayılmış çoklu erişim denmektedir; iletimler, tahsis edilen bütün bant genişliğine yayılabilir. İletimler, zarf  şifreleme / şifre çözme teknikleriyle ayrılır. Yani, her yer istasyonun iletimleri yonga kodu adı verilen benzersiz bir ikili sözcükle kodlanır. Her istasyonun iletimini almak için, alma istasyonu o istasyonun  yonga kodunu bilmek zorundadır.

CDMA vericisi

Kodlayıcıda, giriş verileri benzersiz bir yonga kodu ile çarpılır. Çarpım kodu bir IF taşıyıcıyı  PSK modülasyonuna (ikili işaretler için faz kaydırmalı anahtarlamada {phase shift keying}, bir taşıyıcının fazı sayısal işaretin iki seviyesine bağlı olarak iki değer arasında değiştirilir. İşaretimiz ”0”seviyesinde ve “1” seviyesinde farklı faza sahip olur.) tabi tutar; modülasyonlu taşıyıcı, iletim için RF’ye (yükseğe) dönüştürülür. Alıcıda RF, IF’ye (alçağa) dönüştürülür. IF’den koherant bir PSK taşıyıcı tekrar elde edilir. Ayrıca yonga kodu elde edilir ve alma istasyonunun kod üretecini senkronize etmekte kullanılır. Alan istasyon yonga kodunu bilmektedir, ancak alma koduyla eşzamanlıolan bir yonga kodu üretmesi gerekir. Tekrar elde edilen senkron yonga kodu, tekrar elde edilmiş PSK taşıyıcıyı çarpar ve PSK taşıyıcı ile yonga kodunu içeren PSK modülasyonlu bir sinyal üretir. Yonga kodunu, PSK taşıyıcıyı ve veri bilgisini içeren alınan IF sinyali bağlaştırıcıda alınan IF sinyali ile karşılaştırılır. Bağlaştırıcının işlevi, iki sinyali karşılaştırmada ve başlangıçtaki veriyi tekrar elde etmektedir. Temel olarak bağlaştırıcı tekrar edilmiş PSK+taşıyıcı+yonga kodunu, alınan PSK taşıyıcı+yonga kodu vericiden çıkarır. Sonuç veridir.

DS-CDMA (direct sequence CDMA ) protokolü, yayılı spektrum iletişimi  şöyle gerçekleşir :

DS-CDMA sistemi, sayısal veriyi daha yüksek frekanslı sayısal bir kodla çarparak (mod 2 toplama ), veri işaretinin spektrumunu yaymakta ve aynı kodu kullanarak veriyi  alıcı  kısmında yeniden kurmaktadır. Bu sistem,  doğallıkla alıcı  ve verici  aynı kodu kullanıyorsa anlamlıdır çünkü alıcı kısmında veri işareti ayağa kaldırılırken, kullanılan kodla ilintisi olmayan işaretler gürültü olarak algılanmaktadır.

CDMA kodlayıcı

Alıcı ve vericide kullanılan ortak kodun bir iletişim kanalını temsil ettiği düşünülürse, CDMA çoklu erişimin özü anlaşılmış olur. CDMA (Kod bölmeli çoklu erişim ), her veri kanalını farklı bir kodla çarpıp, kanalların birbirine gürültü olarak görülmesini sağlamaktadır. Kodları bilen alıcı ise, işaretleri bu gürültü yığını içerisinden çekebilmektedir.

CDMA kod çözücü

Herhangi bir kod kümesi, doğallıkla çoklu erişimi başarıyla sağlayamaz. Kodların birbiriyle çapraz ilintilerinin (correlation) en az ya da sıfır olması gerekmektedir. Geometrideki ortagonallik ya da dikkenlik kavramı kodların özelliğini iyi tanımlamaktadır. Kodların ortagonal olmaları, a koduyla çarpılmış bir işaretin gücünün, B koduyla ayağa kaldırılmaması anlamına gelmektedir. n bitlik dizilerden xn ve yn, eğer (xn yn) dizisi ve ayrı ayrı xn yn dizilerindeki  1 ve 0 sayıları eşitse, ortagonal olarak tanımlanırlar. Matematiksel gösterilebilirki, n bitlik bir diziden en çok (n-1) elemanlı bir ortagonal küme seçilebilir.

Sözgelimi n=4 için {1010,1100,1001} ortagonal bir kümedir. Bir CDMA sisteminde hangi kod kümelerinin kullanılacağı uygulanan standarda göre değişmektedir. Farklı ortagonal kümelerin yanında PN (pseudo noise) dizileri de  bir kanalı tanımlamak için kullanılmaktadır. Baz istasyonunda mobil radyo işaretinin kodlanması sırasında işarete özel olarak eklenir, bu sayede işaret belli sürede kendini tekrar eder.

PN yada sözde rastlantısal diziler, kayan yazmaçların (shift registers) özel düzenlemeleriyle oluşturulurlar. Aşağıda kayan yazmaçlarla elde edilecek olan PN dizisi ya da PN döngüsü:

{0001,1100,0110,0011,1101,1010,0101,1110,0111,1111,1011,1001,1000,0100,0010,0001}

biçimindedir. N yazmaçlık  bir sistem (2n-1) PN kodu üretebilmektedir.PN döngüleri daha ayrıntılı incelendiğinde, kodların sayısal iletişimde arzulanacak bazı özellikleri taşıdığı görülebilir.

CDMA  açısından PN kodlarının ilginç özelliği, bir PN döngüsündeki komşu kodların birbirleriyle ilintilerinin (cross correlation) çok daha düşük oluşudur. Örnek olarak, 15 yazmaçlı oluşturulan 32767 kodluk döngüde, 512 elemanlı bir pencere içinde çapraz ilinti %1.3’ün altındadır. PN kodların bu özelliğine dayanarak, CDMA sistemlerde, PN döngüsünde kaydırmalar yapılarak farklı kanallar kodlanabilmektedir.

CDMA protokolleri

CDMA yayılı spektrum tekniği ile çoklu erişimi değişik yöntemlerle sağlayabilir. Şekil 16 ve 17’de alıcı ve verici çizimleri gösterilmiş olan DS-CDMA (direct sequence CDMA) Doğrudan çarpım CDMA olarak adlandırılabilir ve günümüzdeki en yaygın CDMA protokolüdür. Kod bilgisini zaman ekseninde taşımaktansa verinin iletim frekansını koda uygun olarak uygun olarak da  gidilebilir kod bilgisini frekans ekseninde taşıyan bu protokole FH-CDMA (frequency hopping CDMA ) Frekans atlamalı CDMA adı verilmektedir:

Frekans atlaması, sayısal bir kodun,taşıyıcının frekansını sürekli olarak değiştirmede kullanıldığı bir CDMA çeşididir. Frekans atlamasında, toplam kullanılabilir bant genişliği  daha küçük frekans bantlarına; toplamiletim süresi ise daha küçük zaman bölmelerine bölünmüştür. Burada  fikir, sınırlı bir frekans bandında yalnızca kısa bir süre iletmek, sonra bir başka frekans bandına geçmek ve süreci bu şekilde sürdürmektir. Frekans atlaması paterni, ikili bir kod tarafından belirlenir. Her istasyon farklı bir kod sırası kullanır. Tipik bir frekans atlaması paterni şekilde  gösterilmiştir.

Frekans atlaması paterni

Frekans atlamasında, bir CDMA agi içindeki her yer istasyonuna farklı bir frekans atlaması paterni tahsis edilir. Her verici, kendine tahsis edilmiş paterne göre bir frekans bandından bir sonraki banda geçer. Frekans atlamasında, her istasyon bütün RF tayfını kullanır, ancak belli bir anda hiçbir zaman bu tayfın küçük bir kısımdan fazlasını kullanmaz. Frekans atlamasında en yaygın olarak kullanılan modülasyon tekniği FSK’dır. İletme sırası belli bir istasyonda olduğunda, bu istasyon iletmekte olduğu bant için iki frekanstan (işaret yada aralık frekansı) birini gönderir. Bir frekans atlaması sistemindeki istasyonların sayısı, üretilebilecek olan benzersiz atlama paternleri ile sınırlıdır.

TH-CDMA ya da hibrit sistemler gibi diğer CDMA protokolleri de çeşitli yöntemlerin kendilerine özgü kolaylıklarından yararlanmayı amaçlar. Ancak endüstrideki özel çözümler bir yana bugün kullanılmakta olan IS-95 standardında ve gelecekte kullanılacak olan UMTS standardı UTRA’da DS-CDMA protokolü, gerçeklenme kolaylığı bakımından diğer protokollere yeğlenmiştir.

CDMA hücresel sisteminde kapasite

Herhangi bir hücresel sisteminin kapasitesini belirleyen pek çok değişken vardır. Çoklu ortam teknolojilerinin sığa büyüklüğüne göre karşılaştırılmasıda oldukça zordur; çünkü belirleyici olan kıllanılan teknolojiden çok uygulanan standart ve üretilen çözümlerdir. Yine de, FDMA ve TDMA ‘nın kullanmadığı genlik boyutunuda  kullanan CDMA’da, bir kapasite artışı beklenmektedir ve dünyadaki uygulamalar bu beklentinin boşa olmadığını göstermiştir. Hongkong’da gerçeklenmiş  farklı teknolojilerdeki sistemler şu tabloyu ortaya koymuştur:

Baz istasyonları başına abone sayısı/MHz

AMPS(FDMA)                               11

GSM(TDMA)                                 85

IS-95(CDMA)                               283

Bu rakamlar her koşulda anlamlı olmasa da,  CDMA’nın göreli yüksek kapasitesine işaret etmektedir. Qualcomm firmasının dünya çapındaki CDMA denemeleri, GSM’in 3, analog sistemlerin 10 katı bir kapasite ortaya koymuştur. Bu farklılık da, CDMA hücresel sistemindeki frekans kullanımının da payı vardır. Bilindiği gibi, GSM gibi TDMA bir sistemde hizmet alanı hücrelere bölünerek, Komşu hücrelerde farklı frekanslar kullanılmaktadır. Bu planlama, aboneler arası karışmayı önlemek açısından zorunludur. Oysa CDMA sisteminde, farklı baz istasyonları kendi işaretlerini baz istasyonuna özgü ortagonal kodlarla çarptıklarından, farklı hücrelerdeki aboneler arası karışma çözülmektedir.

CDMA hücresel sisteminde birbirlerine komşu hücreler  aynı frekansı kullanabilmekte ve böylece sistem planlama açısından da önemli bir işgücü kazancı sağlamaktadır.       Gezgin uç birimlerin rf güçleri, bir CDMA sisteminde sığayı ciddi bir şekilde etkileyecek bir sorundur. CDMA, genlik ekseninde kanalları üst üste yığdığından, baz istasyonunda her gezgin uç birimin işareti hemen hemen aynı güç düzeyinde algılanmalıdır. Oysa baz istasyonuna yakın gezginlerin  RF güçleri uzaktaki gezginlerin zayıf işaretlerini engelleyebilir. Bu sorunu çözmek için CDMA standartları güç denetimi algoritmaları içermektedirler. Güç denetimi algoritmalarıyla, baz istasyonu gezgin uç birimlere hangi güçte iletim yapacaklarını sürekli bildirmekte, böylece baz istasyonunda tüm aboneler için eşit bir güç düzeyi sağlanmaktadır. Bu uyarlanır (adaptive) güç düzenlemesi, gezgin uç birimlerin güç harcamasını da optimize etmekte ve uçbirimlerin pil ömrünü uzatmaktadır.

CDMA güç kontrolü

CDMA sistemlerinin öncelikli dizayn üstünlüğü bütün kullanıcılar baz istasyonlarındaki güçten eşit miktarda yararlanırlar ve güç seviyesi yüksek kaliteli bir konuşma sırasında mümkün olduğunca düşük tutulur. Gereğinden fazla  güç CDMA kanalında gereksiz ses düzeylerine sebep olur. Bu yüzden güç kontrolü arttıkça kanal kapasitesi artar. TDMA   ve analog sistemlerdede güç kontrolü önemlidir ancak CDMA ‘deki gibi bir hassasiyet yoktur. CDMA de baz istasyonları, mobil istasyonlarla haberleşir ve gücün az mı  çok mu olduğuna dair mobil istasyonunu bilgilendirir. Mobil istasyonları sadece yeterli güç seviyelerinde yayın yaparlar, bu yüzden harcadıkları ortalama güç analog sistemlerden çok daha azdır.

Birçok dar-bantlı sistemler daha yavaş ve daha az güç kontrol özelliğine sahiptir. Bu abone ünitelerinin zayıflamayı azaltıcak gücü yeterince çabuk ayarlayamadığı anlamına geliyor.

Sonuç olarak haberleşme herzaman optimum seviyeden birkaç dB yüksek olmalı ki zayıflama için avantaj sağlasın.

CDMA sistemlerinde hücre siteleri mobilden alınan sinyalleri sürekli alırlar ve güç istenilen güç seviyesi ile karşılaştırılır daha sonra mobil istasyonunun yayın gücünün her 1.25 milisaniyesinde güç artırılıp azaltılmasına karar verilir.

CDMA, mobil güç seviyesinin her 1dB ‘de 84 basamakta artırılıp azaltılmasının ayarını yapar. Bu metot hücre sitesi mobil istasyona ne kadar uzak ya da yakın olsa da alınan her işaretin aynı güç seviyesinde olmasını garanti altına alır.

CDMA’da anten düzenlemesi

CDMA sistemlerde kullanılan antenler M tane birbirine benzer elemandan oluşur bunların çalışma ve zamanlamaları genellikle bir merkezi işlemci tarafından kontrol edilir. Antenin konumunun geometrisi genişçe değiştirilebilir, fakat en ortak konfigürasyonu antenin dairesel veya düz olarak bir doğru üzerinde dizilmesidir.

Anten düzenlemesi sıkça radar faaliyetlerinde ve askeri içerikli haberleşme sistemlerinde  yön bulma durumlarında ve düşman engellerini geçersiz kılmak için kullanılır. Bununla birlikte sivil hücresel sistemlerde anten alıcılarının kullanım amacı saf bir şekilde kabul edilebilir hata performansını sağlamak ve bundan ötürü sinyalin, parazite ve gürültü oranını (SINR) sistemdeki her kullanıcı için maksimize edilmesidir.

M tane eleman içeren anten, beyaz gürültü üzerinden M’in gerçek güç kazancını sağlar, fakat bu parazitlerin diğer hücresel kullanıcılardan arındırılması, alınan verilere ve kullanılan sinyal işlemcisinin dizaynına bağlıdır.

Eleman sayıları arttıkça veya boşluk miktarı arttıkça asıl dalga genişliği azalır. Güç kontrollü CDMA sistemlerde istenen sinyal çok sayıda küçük karşılıklı etkileşim parazitleriyle bozulur. Bu bozulma hücrelerde baştanbaşa uniform bir dağılım olacak şekilde gerçekleşir.

Baz istasyon alıcılarında antenler gelişmiş bir SINR seviyesi sağlar, kanal hata sayısını düşürür.(kanal hata sayısı BER (bit hata oranı) ile ölçülür).

Ses kalitesi

Kablosuz iletişimde, çok yollu (multipath) yansıma ve sönümleme her zaman önemli bir sorun olmuştur.İki nokta arası genellikle birden fazla RF yolu bulunmakta, verici ve alıcı birbirlerini görüyorsa bile, çevredeki nesnelerden, yerden ve başka  düzlemlerden yansımalar oluşmaktadır. Çok-yollu yansıma sonucu alıcıda, zaman ekseninde birbirlerine göre kaymış iaretler elde edilmektedir. Doğallıkla, zaman dilimleriyle çalışan TDMA için  RF çokyolluluk yıkıcı bir etki yaratabilmektedir. Oysa, CDMA sisteminde, işaretin zaman ekseninde kayması izlenebilmekte, dahası çok-yollu bileşenler asıl işareti güçlendirici bilgi olarak kullanılmaktadır. Bu işleyiş, tırmık alıcı (rake receiver) adı verilen özel bir donanım ve özel bir pilot kanalı yapısı ile olanaklıdır.

CDMA standartları içinde yeralan evrimsel kodlama(convolutional coding) ve değişken hızlı ses çözücüler (vocoder) de iletişimdeki hata yüzdesini küçültmekte ve ses kalitesini artırmaktadır. IS-95 standardındaki CDMA görüşmeleri, 3.8 MOS büyük- lüğüyle 2 kablolu iletişimin ses kalitesini taşımaktadır.

Güvenlik

Çağdaş bankacılık  işlemlerinin ve elektronik ticaretin yaygınlaşmasıyla, kablolu ve kablosuz iletişimde güvenliğin önemi büyük ölçüde artmıştır. CDMA işareti, GSM ve analog teknolojilere göre çok daha yüksek bir güvenlik düzeyi sağlamaktadır. CDMA bağlantıları alıcıda kodlarla çözüldüğünden, hangi kod kümesinin hangi üyelerinin kullanıldığını bilinmeden bir CDMA kanalını sistemin dışında dinlemek çok zor ve pahalıdır. CDMA standartlarının, güvenliği  %100’e dek çıkaran özel güvenlik kipleri de bulunmaktadır.

CDMA işaretinin bir başka özelliğide, dar bant frekans boğuculara (jammers) karşı dayanıklı oluşudur.Daha önce de açıklandığı gibi, yayılı spektrum işaretin de  frekans başına enerji göreli olarak çok az olduğundan, dar bant boğucular veri iletişimini yaşamsal ölçüde etkilemektedir. Oysa bir FDMA kanalını, aynı frekansta bir gürültü yaratarak işlemez duruma getirmek hiçde zor değildir.

Kesintisiz hücre değiştirme

CDMA gezgin uç birimlerinin kesintisiz hücre değiştirebildikleri ilk teknoloji olmuştur. Hücre değiştirme, gezginin komşu baz istasyonun alanına girdiğinde gerçekleştirdiği frekans değişikliğini tanımlamaktadır. Eğer gezgin uçbirim, iletişimini başka bir baz istasyonu  ile daha iyi gerçekleştirebilecek bir konumda ise, anahtarlama merkezince bağlı olduğu istasyondan öteki istasyona atanır. Konuşma sırasında GSM kullanıcıları bu olayı, konuşmanın bir an için kesilmesi olarak algılarlar.

Hücre Değiştirme

Daha önce belirtildiği gibi, CDMA hücresel sisteminde her hücrede aynı frekans kullanılabilmektedir. Bu yüzdende, bir  CDMA gezgin uçbirimi, hücreler arası geçişte aynı anda birden fazla bağlantı kurabilmektedir. Böylece kesintisiz hücre değiştirme sağlanmaktadır.

Yorumlar

Bu sayfa ait yorum bulunamadı. İlk yorum yapan siz olun.

Yorum ekle

Vazgeç