碼分多址

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碼分多址（Template:Langx，即：CDMA）或分碼多重進接、碼分複存，是一種多址接入的無線通訊技術。CDMA最早用於軍用通訊（英語：Military communications），但時至今日，已廣泛應用到全球不同的民用通訊中。在CDMA流動通訊中，將語音訊號轉換為數碼訊號，給每組數據語音封包增加一個地址，進行擾碼（英語：Scrambler）處理，然後將它發射到空中。CDMA最大的優點就是相同的頻寛下可以容納更多的呼叫，而且它還可以隨語音傳送數據資訊。

CDMA技術背後的理念集中體現了由克勞德·山農描述的通訊「寬且弱」的哲學。在對資訊理論的研究中，山農發現了兩個利用傳輸媒介的基本方法：一種是通過非常窄的信道發送強訊號，另一種是通過很寬的信道發送弱訊號。強訊號不允許其他訊號佔用太多的空間（信道頻率），弱訊號則相反。於是在理論上，寬且弱的CDMA技術遠遠優於使用多個相同的媒介單獨進行通訊[1]。

一般資訊[編輯]

一般來說（作為復用方法），CDMA是被美國軍方通訊採用的一種展譜方案。理論上，數據化的資訊使用CDMA技術進行編碼和解碼，可以大大提高對無線信道的利用率，增強抗干擾能力。高通公司解決了CDMA中至關重要的功率控制問題，並取得相關的專利。CDMA制式中，區分各個通道主要不再依靠頻率和時槽等方法，因此同一地區不同用戶同時使用相同的頻率是正常的。除此之外被廣泛使用的多路訪問技術還有時分多址（TDMA）和頻分多址（FDMA）。在這三種方案中，接收方從各種訊號中分別通過不同的碼字、時槽和頻率通道分離出有用資訊。

CDMA經常被廣泛和不嚴格地用來稱呼使用CDMA技術實現的無線網絡及其制式，比較常見的是由Qualcomm主要支持和最先投入商用的數碼蜂窩電話制式，包括IS-95（CDG為其申請註冊商標為cdmaOne）和它的演進版本IS-2000（CDMA2000），其他很少這樣使用。由於WCDMA和TD-SCDMA也使用了CDMA技術，這樣的稱呼可能會造出一些混亂。

這裏需要注意：

  • CDMA（碼分複存技術）理論被應用於WCDMA無線接口。
  • WCDMA無線接口被應用於國際3G標準UMTS和日本3G標準——FOMA（由日本電信和沃達豐共同開發）。
  • CDG、TIA和3GPP2等制訂的俗稱為CDMA的系列標準族（包括cdmaOne和CDMA2000）和3GPP的WCDMA標準族無論無線訊號和核心網都不兼容。

部分CDMA網絡和手機支持個人定位功能，簡易的方法是通過BTS位置數據或者計算手機與相關BTS訊號傳輸的時延給出粗糙的數據，但是更加精確的定位一般依賴全球定位系統GPS的支持。

類型[編輯]

CDMA有兩種類型，分別為正交型與偽隨機碼型。

1.正交型（Orthogonal Type）
CDMA最常使用的正交轉換為沃爾什轉換（Walsh Transform），主要原因為：
(1) Walsh Transform的運算量很少，因為不需要乘法而只需要加法的運算。
(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：假設現在要使用8點Walsh Transform來傳送兩組資料A = [1, 0, 1]和B = [1, 1, 0]，步驟如下
調制（modulation）
(1)先將資料的0轉成 -1
A = [1,-1,1], B = [1,1,-1]
  • 好處是在解調時，更能夠區別0和1，而使解調錯誤率下降。
(2-1) A使用Walsh Transform的第一個channel [1,1,1,1,1,1,1,1]（即其第一個basis,矩陣的第一個row）來做調制
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的第二個channel [1,1,1,1,-1,-1,-1,-1]（矩陣的第二個row）來做調制
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)將調制的結果相加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)最後傳送出去的訊號為M,共有24個bit。
解調（demodulation）
(1)將接收到的資料分別和channel做內積
(1-1) M和 第一個channel [1,1,1,1,1,1,1,1]做內積得到
前八碼內積：[2,2,2,2,0,0,0,0] <math>\cdot</math> [1,1,1,1,1,1,1,1] = 8
中間八碼內積：[0,0,0,0,-2,-2,-2,-2] <math>\cdot</math> [1,1,1,1,1,1,1,1] = -8
後八碼內積：[0,0,0,0,2,2,2,2] <math>\cdot</math> [1,1,1,1,1,1,1,1] = 8
(1-2) M和 第二個channel [1,1,1,1,-1,-1,-1,-1]做內積得到
前八碼內積：[2,2,2,2,0,0,0,0] <math>\cdot</math> [1,1,1,1,-1,-1,-1,-1] = 8
中間八碼內積：[0,0,0,0,-2,-2,-2,-2] <math>\cdot</math> [1,1,1,1,-1,-1,-1,-1] = 8
後八碼內積：[0,0,0,0,2,2,2,2] <math>\cdot</math> [1,1,1,1,-1,-1,-1,-1] = -8
(2)內積結果出來若為8，則解調為1;若為 -8，則解調為 -1
(2-1)第一個channel解調出訊號為[8, -8, 8] <math>\to</math> [1, -1, 1]
(2-2)第二個channel解調出訊號為[8, 8, -8] <math>\to</math> [1, 1, -1]
(3)最後，將 -1還原回0
(3-1)因此，第一個channel成功還原訊號為[1, 0, 1]
(3-2)因此，第二個channel成功還原訊號為[1, 1, 0]
注意事項：
(1)使用N點Walsh Transform時，總共可以有N個channels，但是N必須是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共通的問題是需要同步Synchronization
2.偽隨機碼型 （Pseudorandom Sequence Type）
優點：不需要同步 （asynchronous）
缺點：Capacity較小

優點[編輯]

雖然已有正交頻分複用（OFDM） 的技術，但仍發展CDMA的原因主要為調制/解調並不需要太精確的頻譜分析。而OFDM使用DFT需做複數運算，較CDMA使用Walsh Transform複雜。 CDMA的優點條列如下：

⑴運算量相對於頻分多工減少很多
⑵可以減少雜訊及干涉的影響
⑶可以應用在保密和安全傳輸上
⑷就算只接收部分的訊號，也有可能把原來的訊號還原回來
⑸相鄰的區域的干擾問題可以減少

技術細節[編輯]

在所有的CDMA體制中，接收者都可以使用展頻處理來增益部分衰減非期望的訊號。具有期望的展譜碼的訊號能被接受，如果訊號對應不同的展譜碼（或者相同展譜碼但是不同的時間偏移）將在解展譜過程中被當作隨機雜訊而衰減掉。

這項操作的方法是給每一個站點分配一個展頻碼或者碼片（英語：Chip (CDMA)）序列。這些碼片序列被表示成由＋1和－1組成的序列。每個碼片序列和本身點積得到＋1,（和補碼點積得到－1），一個碼片序列點積不同的碼片序列將得到0。

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

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

這種特性叫做正交性。這些序列叫做Walsh碼（英語：Walsh code），可以從一個二進制Walsh矩陣導出。

一個站點要發送數碼1時就發送其碼片序列本身，要發送數碼0時就發送其碼片序列的反碼。（或者是 +1和 -1; 0時不發送）。

當多個終端發送多個訊號時，訊號就會在空中疊加。例如碼片序列是（-1,-1,-1,-1）和（+1,-1,+1,-1），疊加後變成（0,-2,0,-2）。接收方如果希望接收某個站點的資訊，則只需要計算該站點對應的碼片序列和空中訊號的點積。例如(-1,-1,-1,-1) . (0,-2,0,-2)/4 = +1。如果發送的數碼是-1，則空中的訊號將是 （+2,0,+2,0），而點積將是 (-1,-1,-1,-1) . (+2,0,+2,0)/4 = -1.

TDMA和FDMA終端理論上可以過濾其他時槽或者頻率通道的任意強訊號。這在CDMA無法實現，它只能部分過濾干擾訊號。如果任一或者全部雜訊訊號強於有用訊號，則有用訊號將被淹沒。這樣在CDMA系統中就要求每個終端有一個近似合適的訊號功率。在CDMA蜂巢式網絡中，基站使用一個快速閉環功率控制方案來緊密控制每一個移動終端的發送功率。功率控制需求能夠巧妙的根據上面的計算推斷出來。

前向錯誤更正（FEC）編碼在任何一種CDMA方案中都是必須的，它用於減小訊號雜訊比的需求，從而使得信道最大限度的可靠。

與TDMA和FDMA相比較，CDMA的另外一個優勢是能夠簡單的利用語音活性檢測。在每一個隨機的通話中，用戶講話的時間往往不足整個通話時間的一半，CDMA技術可以簡單在用戶講話時發送訊號，不講話時保持靜默，於是當同時通話的用戶較多時，總體上可以體現出統計特性，最終能將用戶間干擾減少大約一半，從而提高容量。在CDMA技術中，這種話音激活特性的利用是相對簡單的，如果希望在TDMA或者FDMA體制中利用語音活性檢測，就需要頻繁的建立和拆除有限的時槽或者頻率通道。

實際案例與全球應用[編輯]

國家和地區的應用情況[編輯]

美國[編輯]

CDMA技術在美國由Verizon Wireless和Sprint廣泛採用。Verizon於1995年推出基於cdmaOne的2G網絡，並於2002年升級至CDMA2000 1xEV-DO，覆蓋美國超過90%的人口[2]。Sprint同樣於1995年採用cdmaOne，並於2005年升級至CDMA2000 1xEV-DO Rev.A[3]。隨着4G LTE技術的發展，兩者分別於2019年和2020年宣佈逐步關閉CDMA網絡。

中國[編輯]

中國電信是中國CDMA技術的主要推廣者。2008年，中國電信收購中國聯通的CDMA網絡，並推出CDMA2000 1xEV-DO Rev.A服務，至2012年用戶數達1.44億[4]。然而，隨着4G技術的普及，中國電信於2019年宣佈將於2020年底關閉CDMA網絡，轉向LTE和5G[5]。

日本[編輯]

日本的NTT DoCoMo於2001年推出基於WCDMA的FOMA服務，成為全球首個商用3G網絡，至2005年用戶數達5000萬[6]。FOMA奠定了日本3G通訊的基礎，後續逐步轉向LTE技術。

特定場景的應用案例[編輯]

緊急通訊[編輯]

CDMA技術因其抗干擾能力和可靠性，在緊急情況下表現出色。例如，2005年卡特里娜颶風期間，Verizon的CDMA網絡為災區提供了關鍵通訊支持[7]。

軍事應用[編輯]

CDMA的展頻特性使其具備抗干擾和保密優勢，廣泛應用於軍事通訊。美國軍方於1990年代採用基於CDMA的Joint Tactical Radio System（JTRS）。

偏遠地區通訊[編輯]

在地理條件複雜的地區，CDMA技術提供了可靠的覆蓋。例如，澳大利亞Telstra於2000年代利用CDMA技術為Outback地區提供通訊服務[8]。

環境與社會影響[編輯]

環境足跡[編輯]

CDMA基站的部署密度較低，有助於減少物理設備對環境的影響。例如，Verizon的CDMA網絡在2010年每1000用戶的基站數量比GSM少15%[2]。但隨着技術退場，CDMA設備的回收與處置成為新挑戰。中國電信於2020年關閉CDMA網絡後，啟動設備回收計劃以減少電子廢棄物[5]。

社會連通性[編輯]

偏遠地區通訊[編輯]

CDMA技術在偏遠及地理條件複雜地區提供可靠通訊，增強社會連通性。例如，澳大利亞Telstra利用CDMA為Outback地區提供服務，覆蓋率達99%[8]。在中國，CDMA2000網絡推廣至農村，縮小城鄉數碼鴻溝[4]。

緊急通訊[編輯]

CDMA技術在緊急情況下表現優異，例如2005年卡特里娜颶風期間，Verizon的CDMA網絡為災區提供關鍵支持[7]。其抗干擾與可靠性使其成為緊急救援的重要工具。

技術淘汰的影響[編輯]

設備相容性[編輯]

隨着CDMA網絡退場，用戶需升級設備。例如，Verizon於2019年關閉CDMA網絡後，鼓勵用戶升級至LTE並提供補貼[3]。中國電信亦為CDMA用戶提供4G升級優惠[5]。

升級成本[編輯]

由於技術淘汰而帶來的升級成本，對低收入用戶影響較大。研究顯示，CDMA用戶升級至LTE的平均成本約200美元[9]。運營商通常提供補貼或分期付款以減輕負擔。

參考資料[編輯]

  1. ↑ 馬東堂. 通信原理_中国大学MOOC(慕课). www.icourse163.org. Netease. 2018-03-19 [2018-05-16]. （原始內容存檔於2020-05-08） （中文）. 
  2. ↑ 2.0 2.1 Verizon Wireless Annual Report 2010. (2010). Verizon Communications Inc. (PDF). 
  3. ↑ 3.0 3.1 Verizon Wireless Network Evolution Plan 2019. (2019). Verizon Communications Inc. (PDF). 
  4. ↑ 4.0 4.1 中國電信2012年年度報告. (2012). 中國電信集團有限公司.
  5. ↑ 5.0 5.1 5.2 中國電信2019年年度報告. (2019). 中國電信集團有限公司.
  6. ↑ NTT DoCoMo Annual Report 2005. (2005). NTT DoCoMo, Inc. (PDF). 
  7. ↑ 7.0 7.1 FCC Report on Hurricane Katrina. (2006). Federal Communications Commission. (PDF). 
  8. ↑ 8.0 8.1 Telstra Annual Report 2005. (2005). Telstra Corporation Limited (PDF). 
  9. ↑ Qualcomm Incorporated違反公平交易法事件. 公處字第106094號. 公平交易委員會處分書. (PDF). 

參看[編輯]

參考文獻[編輯]

  • Andrew J. Viterbi.. (1995) CDMA：展頻通訊原理（第一版）Prentice Hall PTR ISBN 0-201-63374-4
  • Lecture notes, Jian-Jiun Ding (2013), Department of Electrical Engineering, National Taiwan University, Taipei, Taiwan [Website: http://djj.ee.ntu.edu.tw/ADSP.htm （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） Advanced Digital Signal Processing]

外部連結[編輯]

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