CDMA (Code-Division Multiple Access): a protokoll definíciója és szerepe a mobilkommunikációban

A modern mobilkommunikáció alapját számos komplex technológia és protokoll képezi, melyek lehetővé teszik, hogy a felhasználók ezrei, sőt milliói osztozzanak ugyanazon a korlátozott rádióspektrumon. Ezen technológiák közül az egyik legforradalmibb és legbefolyásosabb a Code-Division Multiple Access, azaz a CDMA. Ez a multiplexelési eljárás alapjaiban változtatta meg a vezeték nélküli kommunikációról alkotott elképzeléseket, és kulcsszerepet játszott a 2G és 3G mobilhálózatok fejlődésében, valamint számos más vezeték nélküli alkalmazásban.

A rádióspektrum egy véges erőforrás, és a mobilkommunikáció egyik legnagyobb kihívása mindig is az volt, hogyan lehet minél több felhasználó számára hozzáférést biztosítani ehhez az erőforráshoz anélkül, hogy egymás jeleit zavarnák. Erre a problémára születtek meg a különböző multiplexelési technikák. Hagyományosan két fő megközelítés létezett: a frekvenciaosztásos multiplexelés (FDMA – Frequency-Division Multiple Access) és az időosztásos multiplexelés (TDMA – Time-Division Multiple Access). Az FDMA lényege, hogy minden felhasználó egyedi frekvenciasávot kap, míg a TDMA során a felhasználók ugyanazon a frekvencián osztoznak, de különböző időrésekben küldenek adatot. A CDMA azonban egy harmadik, radikálisan eltérő megközelítést vezetett be: a kódosztásos multiplexelést. Ez a technológia lehetővé teszi, hogy több felhasználó egyidejűleg, ugyanazon a frekvencián és ugyanabban az időben kommunikáljon, a jelek elkülönítése egyedi digitális kódok segítségével történik.

A CDMA technológia története a második világháborúig nyúlik vissza, ahol katonai alkalmazásokban, például titkosított kommunikációban és zavarásálló rendszerekben használták. A szélessávú spektrum (spread spectrum) elvein alapul, melynek célja a jel energiájának elosztása egy szélesebb frekvenciasávon, ami ellenállóbbá teszi a zajjal és az interferenciával szemben. A mobilkommunikáció területén a Qualcomm cég játszotta a legfontosabb szerepet a CDMA adaptálásában és szabványosításában az 1990-es évek elején. Az IS-95 szabvány, ismertebb nevén cdmaOne, volt az első kereskedelmi forgalomba hozott 2G CDMA rendszer, amely jelentős előrelépést hozott a kapacitás, a hangminőség és a biztonság terén a korábbi analóg rendszerekhez képest.

A CDMA Működési Elve: A Kódok Ereje

A CDMA alapvető működése a szélessávú spektrum (spread spectrum) technológián nyugszik. Ez azt jelenti, hogy a felhasználó adatjele, amely eredetileg egy viszonylag szűk frekvenciasávot foglalna el, egy sokkal szélesebb sávon terül el, mielőtt sugároznák. Ezt a terjesztést egy egyedi, zajszerű digitális kódszekvencia, az úgynevezett pszeudovéletlen zaj (Pseudo-Noise, PN) kód segítségével végzik.

Szélessávú Spektrum (Spread Spectrum) technológia

A szélessávú spektrum technológia két fő típusát különböztetjük meg: a frekvenciaugrásos szélessávú spektrumot (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS) és a közvetlen szekvenciás szélessávú spektrumot (DSSS – Direct Sequence Spread Spectrum). A mobilkommunikációban alkalmazott CDMA rendszerek túlnyomó többsége a DSSS elvén alapul.

• A DSSS működése: A DSSS lényege, hogy minden egyes adatbitet (vagy bitcsoportot) megszoroznak egy gyorsabb ütemű, egyedi PN kódszekvenciával. Ezt a kódot chip kódnak is nevezik, és az egyes biteket alkotó elemeket chipeknek. Például, ha egy adatbit „1”, akkor azt megszorozzák a PN kódszekvenciával (pl. 1011001), ha pedig „0”, akkor a PN kód invertáltjával (pl. 0100110). Ennek eredményeként az eredeti, lassabb adatfolyam egy sokkal gyorsabb, zajszerű jelszekvenciává alakul át, amely sokkal szélesebb frekvenciasávot foglal el, mint az eredeti adat. Ez a folyamat a jel terjesztése (spreading).
• A despreading (visszaterjesztés): A vevőoldalon a folyamat fordítottja történik. A vevőnek ismernie kell a feladó által használt pontos PN kódot. Amikor a vevő megkapja a szélessávú jelet, megszorozza azt ugyanazzal a PN kóddal. Mivel csak a megfelelő kódú jel „tömörödik vissza” az eredeti, keskeny sávú adatjellé, minden más, eltérő kóddal terjesztett jel (más felhasználók jelei, zaj, interferencia) továbbra is szélessávú és zajszerű marad, így könnyedén kiszűrhető. Ez a képesség teszi a CDMA-t rendkívül ellenállóvá az interferenciával szemben, és lehetővé teszi több felhasználó egyidejű kommunikációját.

Kódolás és Dekódolás: Az Ortogonális Kódok Jelentősége

A CDMA rendszer kulcsfontosságú eleme az, hogy a különböző felhasználókhoz rendelt PN kódoknak ortogonálisnak kell lenniük egymáshoz képest. Két kód akkor ortogonális, ha a skaláris szorzatuk nulla. A gyakorlatban ez azt jelenti, hogy ha egy kódolt jelet megszorozunk egy másik, ortogonális kóddal, az eredmény nulla (vagy rendkívül közel van a nullához), míg ha a jelszorzást a saját kódjával végezzük, akkor az eredeti adat visszanyerhető. A leggyakrabban használt ortogonális kódok a Walsh kódok, amelyeket a bázisállomás a lefelé irányuló (downlink) kommunikációban használ az egyes felhasználók azonosítására.

Az ortogonális kódok biztosítják, hogy a bázisállomásról érkező jelek a felhasználók készülékei számára könnyen elkülöníthetők legyenek, mivel minden felhasználó csak a saját kódjával „hallja” a neki szánt üzenetet. Azonban a felfelé irányuló (uplink) kommunikációban, ahol a különböző mobiltelefonok jelei érkeznek a bázisállomáshoz, a jelek nem mindig tökéletesen ortogonálisak, mivel az egyes telefonok eltérő távolságra vannak, és a jelek különböző útvonalakon érkeznek (többutas terjedés). Ezért az uplinkben más típusú pszeudovéletlen kódokat, például Gold kódokat használnak, amelyek jó keresztkorrelációs tulajdonságokkal rendelkeznek, azaz a különböző kódok közötti korreláció minimális. Ez segít a bázisállomásnak az interferencia csökkentésében és a jelek szétválasztásában.

Adatátvitel és Teljesítményszabályozás

A CDMA rendszerekben a moduláció gyakran QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) vagy BPSK (Binary Phase Shift Keying) alapú, amely a digitális adatot rádióhullámokká alakítja. Azonban a legkritikusabb aspektus a CDMA működésében a precíz teljesítményszabályozás.

A CDMA technológia alapvető működésének sarokköve a rendkívül precíz és dinamikus teljesítményszabályozás, mivel ez az egyetlen módja annak, hogy a „Near-Far” probléma kiküszöbölhető legyen, és minden felhasználó jele azonos jelszinttel érkezzen meg a bázisállomásra, biztosítva ezzel a rendszer kapacitásának maximalizálását és az interferencia minimalizálását.

A „Near-Far” probléma a CDMA rendszerekre jellemző jelenség: ha egy közeli mobiltelefon ugyanolyan teljesítménnyel sugároz, mint egy távoli, akkor a közeli telefon jele sokkal erősebb lesz a bázisállomáson, és „elnyomja” a távoli telefon gyengébb jelét, ami súlyos interferenciát okoz. Ennek elkerülése érdekében a CDMA rendszerek folyamatosan monitorozzák a bázisállomásra érkező jelerősséget, és visszajelzést küldenek a mobiltelefonoknak, utasítva őket a sugárzási teljesítmény növelésére vagy csökkentésére. Ez a zárt hurkú teljesítményszabályozás rendkívül gyors (akár 800-1500 alkalommal másodpercenként) és dinamikus, biztosítva, hogy minden felhasználó jele közel azonos jelszinttel érkezzen a bázisállomásra, függetlenül a távolságtól. Ez a folyamatos finomhangolás elengedhetetlen a CDMA rendszer hatékony működéséhez és a maximális kapacitás eléréséhez.

Soft Handoff (Puha Átadás)

A CDMA egyik egyedi és jelentős előnye a soft handoff (puha átadás) képessége. Míg az FDMA és TDMA alapú rendszerekben (mint a GSM) a hívás átadása egyik cellából a másikba úgynevezett „hard handoff”-fal történik, ahol a kapcsolatot rövid időre megszakítják az egyik cellával, majd újra felépítik a másikkal (ami néha észrevehető késleltetést vagy akár hívásmegszakadást is okozhat), addig a CDMA-ban a telefon egyszerre több bázisállomással is kommunikálhat a cellahatáron. Ez azt jelenti, hogy a telefon egyszerre több jelet is fogadhat és kombinálhat, majd fokozatosan adja át a kapcsolatot a jobb jelminőséget biztosító bázisállomásnak. Ez a „break-before-make” helyett „make-before-break” megközelítés folyamatosabb, megbízhatóbb kapcsolatot és kevesebb hívásmegszakadást eredményez, különösen mozgás közben.

A CDMA Előnyei és Hátrányai

Mint minden technológiának, a CDMA-nak is megvannak a maga erősségei és gyengeségei, amelyek befolyásolták elterjedését és szerepét a globális mobilkommunikációban.

Előnyök

1. Nagyobb kapacitás és spektrális hatékonyság: A CDMA képes jelentősen több felhasználót kiszolgálni ugyanazon a frekvenciasávon, mint az FDMA vagy TDMA rendszerek. Ennek oka, hogy a felhasználók nem osztoznak a frekvencián és az időben, hanem a kódban. A szélessávú spektrum technológia és az interferencia-elnyomás képessége lehetővé teszi a „frequency reuse factor” (frekvencia újrahasznosítási tényező) 1-hez közeli értékét, ami azt jelenti, hogy minden cella használhatja ugyanazt a teljes frekvenciasávot. Ez a spektrális hatékonyság a CDMA egyik legnagyobb vonzereje volt.
2. Fokozott biztonság és magánélet: Mivel minden adatot egyedi, pszeudovéletlen kóddal terjesztenek, sokkal nehezebb lehallgatni vagy zavarni a kommunikációt. Egy illetéktelen hallgató számára a CDMA jel csupán zajnak tűnik, hacsak nem ismeri a pontos kódszekvenciát. Ez a tulajdonság katonai alkalmazásokból ered, és a polgári mobilkommunikációban is előnyt jelentett.
3. Jobb hangminőség: A szélessávú spektrum technológia és a beépített interferencia-elnyomás miatt a CDMA rendszerek általában jobb és konzisztensebb hangminőséget biztosítanak, kevesebb torzítással és zajjal, mint a régebbi technológiák.
4. Puha átadás (Soft Handoff): Ahogy korábban említettük, a soft handoff a hívásmegszakítások számának drasztikus csökkentését eredményezi cellaváltáskor, ami javítja a felhasználói élményt és a hálózat megbízhatóságát, különösen nagy sebességgel mozgó járművek esetén.
5. Rugalmas sávszélesség-felhasználás: A CDMA rendszerekben a sávszélesség dinamikusan osztható meg a felhasználók között a pillanatnyi igények alapján, ami hatékonyabb erőforrás-kihasználást tesz lehetővé mind hang-, mind adatkommunikáció esetén.
6. Alacsonyabb teljesítményfelvétel a mobiltelefonoknál: A hatékony teljesítményszabályozásnak köszönhetően a mobiltelefonoknak nem kell feleslegesen nagy teljesítménnyel sugározniuk, ami meghosszabbítja az akkumulátor élettartamát.
7. Természetes interferencia elnyomás: A DSSS technológia inherent módon ellenálló a keskeny sávú interferenciával szemben, mivel az interferáló jel energiája eloszlik a szélesebb spektrumon a despreading folyamat során.
8. Egyszerűbb frekvenciatervezés: Mivel minden cella használhatja ugyanazt a frekvenciasávot, a hálózattervezés egyszerűbbé válik, nem szükséges komplex frekvencia kiosztási sémákat alkalmazni a cellák között.

Hátrányok

1. Komplex teljesítményszabályozás és a „Near-Far” probléma: Bár az előnyök között szerepel, a precíz teljesítményszabályozás egyben a CDMA legnagyobb kihívása is. Ha a teljesítményszabályozás nem tökéletes, a „Near-Far” probléma súlyos interferenciát okozhat, és drasztikusan csökkentheti a hálózat kapacitását. Ez a rendszer sebezhetőbbé teszi a pontatlan beállításokkal szemben.
2. Kódok szinkronizálása: Ahhoz, hogy a vevő sikeresen dekódolja a jelet, tökéletes szinkronban kell lennie a feladó által használt PN kóddekvenciával. Ennek a szinkronizációnak a fenntartása különösen nagy sebességgel mozgó felhasználók esetén technikai kihívást jelent.
3. „Cell breathing” (cella lélegzés): A CDMA hálózatokban a cellák lefedettségi területe (mérete) dinamikusan változhat a felhasználók számától és az általuk generált interferenciától függően. Minél több felhasználó van egy cellában, annál nagyobb az interferencia, és annál kisebb lesz a cella hatókörének effektív sugara. Ez a „cella lélegzés” jelenség nehezítheti a hálózattervezést és a kapacitásmenedzsmentet.
4. Magasabb komplexitás a bázisállomásokon: A CDMA rendszerek feldolgozási igénye magasabb a bázisállomásokon, mivel egyszerre több kódolt jelet kell dekódolni és szétválasztani, ami drágább és bonyolultabb berendezéseket igényel.
5. Kezdeti beruházási költségek: Bár hosszú távon hatékonyabb lehet, a CDMA hálózatok kiépítésének kezdeti költségei magasabbak lehettek a komplexebb technológia miatt.
6. Globális elterjedtség vs. GSM: A GSM (Global System for Mobile Communications), amely TDMA alapú, sokkal szélesebb körben elterjedt globálisan, különösen Európában és Ázsiában. Ez korlátozta a CDMA telefonok roaming képességét és a globális interoperabilitást, bár a 3G-s szabványok igyekeztek ezt áthidalni.

A CDMA Generációi és Szabványai a Mobilkommunikációban

A CDMA technológia kulcsszerepet játszott a mobilkommunikáció második és harmadik generációjának fejlődésében, számos szabványon és implementáción keresztül.

2G CDMA: cdmaOne (IS-95)

Az első kereskedelmileg sikeres CDMA alapú mobiltelefon-szabvány az IS-95 volt, amelyet a TIA/EIA (Telecommunications Industry Association/Electronic Industries Alliance) fejlesztett ki az 1990-es évek elején. Ezt a szabványt szélesebb körben cdmaOne néven ismerték. Az IS-95 az Egyesült Államokban, Dél-Koreában, Kínában és számos más országban terjedt el, mint a 2G mobilhálózatok domináns technológiája.

Főbb jellemzői és előnyei a 2G-ben:

• Kapacitásnövekedés: Az IS-95 jelentősen nagyobb híváskapacitást kínált, mint a korábbi analóg rendszerek (AMPS) és a TDMA alapú rendszerek, mint például a D-AMPS.
• Jobb hangminőség: A szélessávú spektrum és az interferencia-elnyomás javította a hangminőséget.
• Soft Handoff: A zökkenőmentes cellaváltás csökkentette a hívásmegszakításokat.
• Beépített biztonság: A kódolás miatt a lehallgatás nehezebbé vált.
• Adatátviteli képesség: Bár elsősorban hangkommunikációra tervezték, az IS-95 már támogatta az alacsony sebességű adatátvitelt is (pl. SMS, egyszerű adatkapcsolatok), jellemzően 14,4 kbps sebességgel.

Összehasonlítás a GSM-mel:
Az 1990-es években a 2G mobilpiacot két domináns technológia uralta: a GSM (amely TDMA alapú) és a cdmaOne.

A GSM SIM kártyája (Subscriber Identity Module) lehetővé tette a felhasználók számára, hogy készüléket cseréljenek anélkül, hogy elveszítenék telefonszámukat és szolgáltatásaikat, ami a cdmaOne rendszerekben kezdetben nem volt ilyen egyszerű, mivel a felhasználói azonosító a készülékhez volt kötve. Ez a rugalmasság a GSM egyik kulcsfontosságú előnye volt a globális terjeszkedés során.

3G CDMA: CDMA2000 és WCDMA

A 2000-es évek elején a mobilkommunikáció belépett a harmadik generációba (3G), amely sokkal nagyobb adatátviteli sebességeket ígért, lehetővé téve az internetezést, a videóhívásokat és más multimédiás szolgáltatásokat. A 3G-ben a CDMA technológia két fő ágon fejlődött tovább:

CDMA2000 (IS-2000)

A CDMA2000 az IS-95 (cdmaOne) közvetlen továbbfejlesztése volt, amelyet a 3GPP2 (3rd Generation Partnership Project 2) konzorcium szabványosított. Főleg azokon a piacokon terjedt el, ahol már korábban is cdmaOne hálózatok működtek (pl. Észak-Amerika, Dél-Korea, Japán). A CDMA2000 több fázison ment keresztül, növelve az adatátviteli sebességet és a szolgáltatások skáláját:

• 1xRTT (1x Radio Transmission Technology): Ez volt a CDMA2000 első fázisa. Bár 1x-nek hívták (ami egyetlen rádióhordozót jelent, szemben a WCDMA 5 MHz-es sávszélességével), mégis jelentős előrelépést jelentett az IS-95-höz képest. Elméleti maximális adatsebessége letöltésnél 153,6 kbps volt, ami már alapvető internet-hozzáférést tett lehetővé.
• 1xEV-DO (Evolution-Data Optimized): Ez a változat kifejezetten a nagy sebességű adatátvitelre optimalizálták, és jelentősen megnövelte az elérhető sebességeket.
  • EV-DO Rev. 0: Elméleti letöltési sebesség akár 2,4 Mbps.
  • EV-DO Rev. A: Továbbfejlesztett változat, letöltési sebesség akár 3,1 Mbps, feltöltési sebesség akár 1,8 Mbps. Támogatta a VoIP-t (Voice over IP) is.
  • EV-DO Rev. B: Több frekvenciahordozó aggregálásával még nagyobb sebességeket ígért, elméletileg akár 9,3 Mbps letöltési sebességet is elérve.

WCDMA (Wideband CDMA)

A WCDMA (Wideband Code-Division Multiple Access) a 3GPP (3rd Generation Partnership Project) konzorcium által szabványosított 3G technológia volt, és az UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) alapja. Ez a technológia vált a 3G globális szabványává, különösen Európában, Kínában és számos más régióban, ahol a GSM volt a domináns 2G technológia. A WCDMA szélesebb, 5 MHz-es frekvenciasávot használ, ami nagyobb kapacitást és adatsebességet tesz lehetővé.

Főbb jellemzői és fejlődése:

• Szélesebb sávszélesség: Az 5 MHz-es csatornaszélesség a nevében is benne van (Wideband), és sokkal nagyobb adatátviteli kapacitást biztosított, mint a keskenyebb sávú 2G CDMA rendszerek.
• HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access): A WCDMA továbbfejlesztése, amely jelentősen megnövelte a letöltési sebességet, elméletileg akár 14,4 Mbps-ig. Ezt gyakran „3.5G”-nek is nevezték.
• HSUPA (High-Speed Uplink Packet Access): A HSDPA kiegészítése, amely a feltöltési sebességet növelte, elméletileg akár 5,76 Mbps-ig. Ezt a „3.75G” kategóriába sorolták.
• HSPA+ (Evolved HSPA): További fejlesztések, mint a MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) antennatechnológia és a magasabb rendű modulációk bevezetése, amelyek elméletileg akár több tíz Mbps sebességet is elérhetővé tettek.

A „CDMA család” – miért mind CDMA, de mégis különbözőek?
Fontos megérteni, hogy bár a CDMA2000 és a WCDMA is CDMA alapú technológiák, nem kompatibilisek egymással a fizikai rétegen. Különböző sávszélességeket, chipsebességeket és kódstruktúrákat használnak. A CDMA2000 az IS-95 evolúciója, míg a WCDMA egy teljesen új tervezés volt, amelyet a GSM közösség fejlesztett ki a 3G-re való áttérésre. Ez a kettős szabványosítás bizonyos mértékig fragmentálta a 3G piacot, bár a WCDMA/UMTS végül globálisan dominánssá vált.

A CDMA Szerepe a Modern Mobilhálózatokban és Túl azon

Bár a CDMA technológia kulcsszerepet játszott a mobilkommunikáció fejlődésében a 2G és 3G korszakban, a negyedik (4G LTE) és ötödik (5G) generációs hálózatok megjelenésével a domináns multiplexelési technológia eltolódott az OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access) felé. Ennek ellenére a CDMA alapelvei és öröksége továbbra is relevánsak, és más területeken is alkalmazzák.

Átmenet LTE-re és 5G-re: Az OFDMA szerepe

Az LTE (Long Term Evolution) és az 5G hálózatok az OFDMA technológiát használják a multiplexelésre. Az OFDMA egy olyan frekvenciaosztásos technika, amely a rendelkezésre álló sávszélességet sok kis, ortogonális alvivőre osztja fel. Ez lehetővé teszi a frekvencia kiválasztó fading (jelgyengülés) hatékony kezelését, a rugalmas sávszélesség-allokációt, és rendkívül magas adatsebességeket kínál, különösen széles sávszélességű csatornák esetén.

Miért nem a CDMA a domináns technológia az LTE/5G-ben?

• Adatforgalom növekedése: Az LTE és 5G fő célja a hatalmas adatátviteli sebesség és kapacitás biztosítása. Bár a CDMA hatékony a hangkommunikációban és bizonyos adatátviteli forgatókönyvekben, az OFDMA jobban skálázható a széles sávszélességű, nagy sebességű adatátvitelhez, különösen a többutas terjedésű környezetben.
• Komplex teljesítményszabályozás: A CDMA kritikus teljesítményszabályozása bonyolulttá tette a hálózatok optimalizálását és a „cell breathing” problémája sem volt ideális a nagy és stabil kapacitású hálózatokhoz. Az OFDMA kevésbé érzékeny erre.
• Többutas terjedés kezelése: Bár a CDMA rake vevőkkel képes kezelni a többutas terjedést, az OFDMA a ciklikus prefix (CP) hozzáadásával és az ortogonális alvivőkkel hatékonyabban képes megbirkózni ezzel a jelenséggel, különösen nagy sebességű mobilitás esetén.
• Egyszerűbb vevőoldali feldolgozás: Az OFDMA vevők egyszerűbbek lehetnek, mint a CDMA rake vevők, mivel a frekvencia tartományban történik a feldolgozás.

A CDMA alapelveinek öröksége:
Annak ellenére, hogy az LTE és 5G OFDMA alapú, a CDMA által bevezetett innovációk és alapelvek továbbra is befolyásolják a modern vezeték nélküli kommunikációt. A kódolás, az interferencia-kezelés, a teljesítményszabályozás és a dinamikus erőforrás-allokáció alapvető koncepciói továbbra is relevánsak, és beépültek az újabb technológiákba, bár más formában. Például a 5G URLLC (Ultra-Reliable Low-Latency Communications) komponensei továbbra is használnak kódolási elveket, amelyek a CDMA-ból származnak.

A CDMA hálózatok leállítása (sunset):
Számos országban, különösen az Egyesült Államokban, ahol a CDMA2000 hálózatok domináltak, a szolgáltatók fokozatosan leállítják ezeket a régebbi hálózatokat, hogy felszabadítsák a frekvenciasávokat az LTE és 5G hálózatok számára. Ez a „sunset” folyamat azt jelenti, hogy a régi CDMA telefonok és eszközök fokozatosan elveszítik a hálózati hozzáférést.

Egyéb alkalmazások

A CDMA technológia nem korlátozódik kizárólag a mobiltelefon-hálózatokra. Számos más területen is alkalmazzák a szélessávú spektrum és a kódosztásos multiplexelés előnyeit:

• GPS (Global Positioning System): A GPS műholdak DSSS technológiát használnak a jelek sugárzására, ami lehetővé teszi a vevők számára, hogy a gyenge műholdjeleket is pontosan dekódolják, még zajos környezetben is. A különböző műholdak azonosítására is kódokat használnak.
• Wi-Fi (vezeték nélküli helyi hálózatok): Bizonyos korábbi Wi-Fi szabványok, mint a 802.11b, szintén DSSS-t használtak a fizikai rétegben az adatok továbbítására. Bár a modern Wi-Fi (802.11a/g/n/ac/ax) már OFDMA és OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) alapú, a DSSS alapelvei hozzájárultak a vezeték nélküli hálózatok fejlődéséhez.
• Műholdas kommunikáció: A CDMA-t széles körben alkalmazzák műholdas kommunikációs rendszerekben, például a műholdas telefonokban, adatterminálokban és VSAT (Very Small Aperture Terminal) rendszerekben, mivel ellenálló a zajjal és az interferenciával szemben, és lehetővé teszi a több felhasználós hozzáférést.
• Vezeték nélküli helyi hálózatok (WLAN): Egyes speciális WLAN rendszerek vagy ipari vezeték nélküli alkalmazások továbbra is használnak CDMA-t a robusztusság és a biztonság miatt.
• Bluetooth: Bár a Bluetooth főként FHSS-t használ, a szélessávú spektrum alapelvei a zavarásállóságot és a koegzisztenciát segítik.

Technikai Mélységek és Matematikai Alapok

A CDMA működésének mélyebb megértéséhez érdemes röviden belemerülni néhány technikai és matematikai alapba, amelyek a protokoll hatékonyságát biztosítják.

Ortogonális Kódok Jelentősége

Ahogy említettük, a Walsh kódok kulcsfontosságúak a CDMA downlinkben. Ezek a kódok egy Walsh-Hadamard mátrixból származnak, ahol minden sor egy ortogonális kódot képvisel. Két Walsh kód ortogonális, ha a pontszorzatuk nulla. Ez azt jelenti, hogy ha egy jelet az egyik Walsh kóddal terjesztünk, és egy másik Walsh kóddal próbáljuk visszaterjeszteni, az eredmény nulla lesz. Csak a megfelelő kóddal történő visszaterjesztés eredményezi az eredeti adatot. Ez teszi lehetővé a bázisállomás számára, hogy egyetlen szélessávú jelsávon belül több felhasználónak is adatot küldjön anélkül, hogy azok zavarnák egymást.

Matematikailag, ha $C_i$ és $C_j$ két Walsh kód (vektor), akkor $C_i \cdot C_j = 0$, ha $i \neq j$. Ha $i = j$, akkor $C_i \cdot C_i$ egy nem nulla konstans, ami az eredeti adatot hordozza. Ez az ortogonalitás biztosítja az interferencia minimalizálását a lefelé irányuló kommunikációban.

Jel-Zaj Arány (SNR) és Kapacitás

A CDMA rendszerek kapacitása közvetlenül összefügg a jel-zaj aránnyal (SNR). Minél jobb az SNR, annál több felhasználó fér el a rendszerben. A CDMA-ban azonban a „zaj” fogalma kibővül: nemcsak a környezeti zajt, hanem a más felhasználók által generált interferenciát is magában foglalja. Ezt nevezik több hozzáférésű interferenciának (MAI – Multiple Access Interference). Bár a kódok ortogonálisak, a valós környezetben (többutas terjedés, szinkronizációs hibák) soha nem tökéletes az ortogonalitás, így mindig lesz valamennyi MAI.

A CDMA kapacitása az úgynevezett processing gain (feldolgozási nyereség) fogalmához is kapcsolódik. Ez a terjesztő kód hossza és az eredeti adatbit sebességének aránya. Minél nagyobb a processing gain, annál szélesebbre terül el a jel, annál nagyobb az ellenállása a zajjal és az interferenciával szemben, és annál több felhasználó fér el a rendszerben. Ez az alapja annak, hogy a CDMA miért kínál nagyobb kapacitást a keskeny sávú rendszerekhez képest.

Multiuser Detection (MUD)

A hagyományos CDMA vevők (rake vevők) az interferenciát zajként kezelik. Azonban a továbbfejlesztett technikák, mint a Multiuser Detection (MUD), megpróbálják aktívan dekódolni és kiszűrni a többi felhasználó jelét, nem csupán zajként kezelni. A MUD algoritmusok célja, hogy a MAI-t csökkentve növeljék a rendszer kapacitását és teljesítményét. Bár a MUD rendkívül komplex, és a 3G rendszerekben nem terjedt el széles körben a gyakorlatban, a kutatások és fejlesztések tovább zajlanak ezen a területen, és az 5G bizonyos fejlett vevőtechnikái is profitálnak ezekből az alapelvekből.

Rake Vevő

A CDMA rendszerekben a többutas terjedés (amikor a jel különböző utakon, különböző késleltetéssel érkezik a vevőhöz) kezelésére az úgynevezett rake vevőket alkalmazzák. A rake vevő több „ujjból” áll, amelyek mindegyike egy-egy késleltetett jeltovábbításra van hangolva. Ez lehetővé teszi, hogy a vevő ne csak a legerősebb jelet, hanem a késleltetett, de mégis hasznos jelkomponenseket is összegyűjtse és koherensen kombinálja, ezzel javítva a jel-zaj arányt és a vételi minőséget. A rake vevő a CDMA egyik kulcsfontosságú eleme, amely hozzájárul a rendszer robusztusságához a valós rádiós környezetben.

A Jövő és a CDMA Öröksége

A CDMA technológia kétségkívül forradalmi volt a maga idejében, és alapjaiban változtatta meg a mobilkommunikációról alkotott elképzeléseket. A 2G és 3G hálózatok fejlődésének motorja volt, és jelentős mértékben hozzájárult a mobiltelefonok globális elterjedéséhez és az adatkommunikáció felgyorsulásához.

Bár a 4G LTE és 5G hálózatok az OFDMA-t választották elsődleges multiplexelési technológiaként a szélessávú adatátviteli igények kielégítésére, a CDMA által bevezetett alapelvek és innovációk továbbra is formálják a vezeték nélküli kommunikáció jövőjét. A szélessávú spektrum, a kódolás, a precíz teljesítményszabályozás és az interferencia-kezelés koncepciói mind olyan alappillérek, amelyekre a későbbi generációk is építkeztek. Az 5G, a maga rendkívül komplex és rugalmas architektúrájával, számos olyan technikát alkalmaz, amelyek gyökerei a CDMA kutatásokban találhatók, különösen az ultra-megbízható és alacsony késleltetésű kommunikáció (URLLC) terén.

A CDMA öröksége nem csupán a technikai megoldásokban rejlik, hanem abban a gondolkodásmódban is, amely a spektrumhatékonyság és az interferencia-kezelés maximalizálására törekszik. Ez a kihívás örökös a vezeték nélküli kommunikációban, és a CDMA protokoll ezen a téren mutatott be úttörő megoldásokat, amelyek évtizedekre előre meghatározták a fejlesztések irányát. A CDMA tehát nem csupán egy múltbeli technológia, hanem egy alapvető építőköve a mai és jövőbeli vezeték nélküli világunk működésének.