Code-Division Multiple Access (CDMA)
Cos’è CDMA?
CDMA (l’Accesso Multiplo a Divisione di Codice) è un metodo fondamentale di accesso al canale impiegato nelle telecomunicazioni. A differenza dei suoi omologhi come l’Accesso Multiplo a Divisione di Tempo (TDMA) o l’Accesso Multiplo a Divisione di Frequenza (FDMA), che allocano slot temporali distinti o bande di frequenza a singoli utenti, il CDMA permette a più trasmettitori di trasmettere informazioni contemporaneamente su un unico canale di comunicazione. Questa capacità distintiva di condividere la stessa banda di frequenza senza incontrare interferenze rende il CDMA indispensabile in vari ambiti, inclusi gli standard per telefoni cellulari, i sistemi GPS e le comunicazioni satellitari.
Tecnologie Fondamentali alla Base del CDMA
Al cuore della tecnologia CDMA giace la tecnologia dello spettro espanso, che distribuisce efficacemente le frequenze tra gli utenti. Questa tecnica disperde l’energia del segnale su una larga banda di frequenza, riducendo le interferenze e migliorando la robustezza del sistema. Un codice di codifica distintivo, un codice o una sequenza di espansione, distingue i segnali degli utenti, permettendo la loro separazione al ricevitore.
Questi codici possiedono proprietà matematiche uniche che assicurano l’indipendenza del segnale. Le informazioni dell’utente vengono moltiplicate per il codice di espansione, spargendosi su un ampio intervallo di frequenza. Lo stesso codice viene successivamente impiegato al ricevitore per de-espandere il segnale e isolare le informazioni dell’utente inteso.
Ottimizzazione della Larghezza di Banda
Il CDMA ottimizza la larghezza di banda disponibile sfruttando l’intera gamma di frequenze allocata per la comunicazione. A differenza dell’FDMA, dove a ciascun utente viene assegnata una banda di frequenza dedicata, il CDMA permette a tutti gli utenti di trasmettere simultaneamente, utilizzando l’intero spettro di frequenza. Questo utilizzo efficiente della larghezza di banda consente una maggiore capacità di utenti contemporanei, rendendo il CDMA una scelta attraente per i sistemi di comunicazione caratterizzati da una densità elevata di utenti.
Tecniche di Modulazione e Applicazioni
Diverse tecniche di modulazione vengono impiegate nel CDMA per rafforzare la robustezza e l’efficienza del sistema. Queste tecniche determinano il metodo con cui le informazioni vengono codificate sul segnale portante per la trasmissione.
Le tecniche comunemente utilizzate includono:
| Tecnica di modulazione | Descrizione | Caratteristiche principali | Applicazioni comuni |
|---|---|---|---|
| BPSK (Binary Phase-Shift Keying) | Modula la fase del segnale portante per trasmettere i dati, con due fasi che rappresentano lo 0 e l’1 binario | Semplice e robusto contro il rumore Meno efficiente in termini di larghezza di banda rispetto agli schemi di ordine superiore | Comunicazione satellitare RFID e NFC Applicazioni a bassa larghezza di banda |
| QAM (modulazione di ampiezza in quadratura) | Combina la modulazione di ampiezza e di fase per trasmettere più bit per simbolo, consentendo una maggiore velocità di trasmissione dei dati | Maggiore efficienza spettrale Più complessi, richiedono un migliore rapporto segnale/rumore | Modem via cavo e banda larga Trasmissione TV digitale Servizi Internet ad alta velocità |
| OFDM (Multiplazione ortogonale a divisione di frequenza) | Divide la larghezza di banda disponibile in più sottoportanti, ciascuna delle quali trasporta una parte dei dati, per migliorare l’efficienza e ridurre le interferenze | Efficienza spettrale più elevata Più complesso, richiede un migliore rapporto segnale/rumore | Reti mobili 4G LTE e 5G Internet senza fili e a banda larga Trasmissione digitale (DAB, DVB) |
Applicazione del CDMA in Diversi Ambiti
Il CDMA ha ottenuto un’ampia utilizzazione in vari ambiti, ridisegnando i paesaggi della comunicazione e migliorando le capacità di navigazione.
Standard e Evoluzione dei Telefoni Cellulari
Il CDMA ha contribuito significativamente all’evoluzione degli standard dei telefoni cellulari. Standard iniziali come l’IS-95 (cdmaOne) offrivano una capacità e una qualità delle chiamate migliorate rispetto ai sistemi analogici. L’evoluzione successiva al CDMA2000 ha introdotto tassi di trasferimento dati più elevati e ha gettato le basi per gli standard 3G come il W-CDMA. Tuttavia, con l’avvento del 5G, gli operatori di reti mobili stanno abbandonando il CDMA a favore di tecnologie più recenti.
GPS e Comunicazioni Satellitari
Il CDMA trova applicazione nella tecnologia del Sistema di Posizionamento Globale (GPS) e nelle comunicazioni satellitari.
- GPS: Il CDMA consente la trasmissione simultanea di segnali da più satelliti, garantendo informazioni di posizionamento accurate per i ricevitori GPS in tutto il mondo.
- Comunicazioni Satellitari: Il CDMA ottimizza la larghezza di banda, permettendo a più utenti di trasmettere dati contemporaneamente, assicurando una comunicazione efficiente.
Spettro Espanso e Processo di Modulazione
Nel processo di modulazione CDMA, un segnale CDMA è creato moltiplicando il segnale d’informazione dell’utente con un codice di espansione. Questa azione disperde l’energia del segnale su un intervallo di frequenza più ampio e aumenta la resilienza contro le interferenze.
La selezione del codice di espansione e dello schema di modulazione è personalizzata per soddisfare i requisiti specifici del sistema, garantendo prestazioni e affidabilità ottimali.
Sfide nei Sistemi CDMA
Una delle sfide nei sistemi CDMA è la trasmissione asincrona. Questo richiede l’uso di sequenze pseudo-casuali per sincronizzare i segnali ricevuti e distinguere tra gli utenti.
Inoltre, il problema del vicino-lontano si verifica quando gli utenti si trovano a distanze variabili dalla stazione base, portando a discrepanze nelle forze dei segnali. I sistemi CDMA mitigano questo problema attraverso tecniche di controllo della potenza.
Il controllo efficace della forza del segnale è imperativo nei sistemi CDMA per prevenire interferenze e ottimizzare la capacità del sistema. I trasmettitori CDMA impiegano algoritmi di controllo della potenza per regolare la potenza di trasmissione in base alla forza del segnale ricevuto. Ciò minimizza le interferenze e aumenta l’efficienza generale del sistema.
Riferimenti
- Torrieri, Don (2018). Principles of Spread-Spectrum Communication Systems, 4th ed.
- Stuber, Gordon L. (2017). Principles of Mobile Communication, 4th ed.
- Robert Price (28 luglio 1982). “Oral-History: Claude E. Shannon”. Engineering and Technology History Wiki.
- Code-division multiple access – Wikipedia
- What is CDMA (Code-Division Multiple Access)?
- What is CDMA and How Does it Work?