أقدم طريقتين في الاتصالات هي استخدام مجموعة من تقسيم التردد وتقسيم الوقت لتوفير نفاذ متعدد “FDMA” و”TDMA”، وعلى الرغم من أنّ هذه الطريقة قد ثبت أنها حل فعال للمشكلة ،إلّا أنّ عيبها الرئيسي هو قدرتها المحدودة، وكحل بديل تم تطوير الوصول المتعدد بتقسيم الكود “CDMA” ويستخدم نظام “CDMA” مجموعة من تقسيم التردد وقسم الكود لتوفير وصول مستخدم متعدد.
أساسيات نظام USDC
وعلى الرغم من أنّ سعة نظام “CDMA” ليست غير محدودة إلّا أنّ حدوده أعلى بكثير من تلك الموجودة في نظام “TDMA”، حيث كانت “TDMA” موجودة منذ فترة طويلة وقد أثبتت أنّها تقنية موثوقة قادرة على تزويد عدد كبير من المستخدمين بخدمة ذات جودة عالية، وفي النظام التقليدي يتم تقسيم إجمالي النطاق الترددي المخصص إلى قنوات تردد.
ثم يتم تقسيم القنوات إلى عدد من الفترات الزمنية ويتم تخصيص فترة زمنية واحدة لكل مستخدم “جهاز”، وهناك العديد من المعايير لأنظمة “FDMA / TDMA” الرقمية في جميع أنحاء العالم، حيث اثنان من هذه المعايير تشمل الولايات المتحدة الرقمية الخلوية “USDC” والمعروفة أيضاً باسم “IS-54″، والنظام العالمي للاتصالات المتنقلة “GSM” المعروف أيضاً باسم “PCS-1900″.
و”CDMA” هو مخطط تشكيل مختلف تماماً عن تقسيم التردد أو الوقت، حيث يبلغ عرض تردد القناة
“1.244 ميجاهرتز”، ويشترك جميع مستخدمي النظام في نفس القناة والإشارة المراد بثها على القناة هي أولاً “منتشرة” على كامل عرض النطاق الترددي، وهذا ما يعرف باسم “انتشار الطيف” ويتم ترميز الإشارة باستخدام رموز فريدة معروفة فقط لجهاز الإرسال والاستقبال، ونظراً لأنّ كل إشارة على القناة فريدة من نوعها يمكن تمييزها عن الأخرى واستقبالها بشكل صحيح.
تعد أكواد الانتشار من أهم جوانب تقنية “CDMA” والرموز هي رموز “Walsh” بناءً على مصفوفة “64X64 Walsh”، حيث هناك العديد من الخصائص الرئيسية لمصفوفة “Walsh” التي تسمح بأن تكون الرموز فريدة، وفي المصفوفة كل صف متعامد مع كل صف آخر، وبالتالي عند استخدام الرموز المشتقة لا يوجد رمزان متماثلان.
وعلاوة على ذلك يختلف كل رمز عن كل رمز آخر بمقدار محدد ومحدّد مسبقاً، ومن الناحية النظرية لا يوجد حد لسعة نظام “CDMA”، ومع ذلك من الناحية العملية فإنّ آليات التشفير ليست متعامدة تماماً مع بعضها البعض وهذا يضع حدًا للقدرة التي يمكن للنظام أن يعمل بها دون تدخل، ولكن حتى مع هذا التقييد لا تزال السعة هائلة.
- “FDMA” هي اختصار لـ “frequency division multiple access”.
- “CDMA” هي اختصار لـ “Code Division Multiple Access”.
- “TDMA” هي اختصار لـ “Time division multiple access”.
- “USDC” هي اختصار لـ “United States Digital Cellular”.
- “PCS” هي اختصار لـ “personal communications service”.
- “GSM” هي اختصار لـ “Global system for mobile”.
تطور عمل نظام USDC
كمثال بسيط إذا كتن المستخدم يتحدث إلى هاتف محمول على شبكة “CDMA” ويحتوي الجزء المرسل من الإشارة الصوتية على مكونات تردد من حوالي “300 هرتز” ~ “3400 هرتز”، يتم ترميز هذه الإشارة التماثلية رقمياً باستخدام مفتاح تحويل المرحلة التربيعية “QPSK” وبسرعة “9600 بت في الثانية”، كما تنتشر الإشارة بعد ذلك إلى ما يقرب من “1.23 ميجابت في الثانية” باستخدام رموز خاصة تضيف التكرار.
تتضمن بعض هذه الرموز معرف جهاز فريد للهاتف مثل الرقم التسلسلي، وبعد ذلك يتم بث الإشارة عبر القناة، وعند البث تضاف الإشارة إلى إشارات المستخدمين الآخرين في القناة وفي الطرف المستقبل يتم استخدام نفس الرمز لفك تشفير الإشارة الواردة، كما يتم الحصول على إشارة “9600 بت في الثانية” وإعادة بناء الإشارة التماثلية الأصلية، وعند استخدام نفس الرمز على إشارة مستخدم آخر لا تتم إزالة التكرار وتظل الإشارة عند “1.23 ميجابت في الثانية”.
إنّ المقارنة المماثلة بين نظام “USDC” مقابل نظام “CDMA” هي محادثة في غرفة مزدحمة، وإذا كان المستمع يستخدم تقسيم التردد، فإنّه يفرق بين المحادثات حسب درجة المتحدث أي درجة أقل لأصوات الرجال أو درجة أعلى لأصوات النساء، ويتطلب تقسيم الوقت الاستماع إلى الشخص الأول ثم الثاني ثم الثالث، ومع ذلك سيكون مشابهاً للاستماع إلى لغات مختلفة.
في النظام القياسي يجب أن تكون الإشارة المطلوبة “18 ديسيبل” على الأقل فوق أي ضوضاء أو تداخل وتأثير هذا هو أنّ الخلايا المجاورة مناطق التغطية لا يمكن أن تشترك في نفس الجزء من الطيف، كما تكمن المشكلة في ذلك في أنّه لا يمكن استخدام جميع القنوات الموجودة في الخلايا المجاورة، وبسبب هذا التداخل المجاور ومتطلبات التوهين “18dB” يمكن استخدام قناة واحدة فقط من بين “21 قناة” متاحة في أي خلية واحدة.
ومع ذلك في نظام “CDMA” يمكن استقبال الإشارات بمستويات عالية جداً من التداخل، وفي أسوأ الظروف يمكن استقبال إشارة في حالة وجود تداخل أعلى بمقدار “18 ديسيبل” من الإشارة، ولهذا السبب يمكن إعادة استخدام القنوات في الخلايا المجاورة وعادةً ما يكون نصف التداخل في الخلية ناتجاً عن الخلايا المجاورة.
إنّ قدرة نظام “CDMA” على استقبال إشارة في ظل ظروف تداخل عالية الضوضاء ناتجة عن عملية التشفير الرقمي المستخدمة في نشر الإشارة، وكسب تشفير الإشارة هو نسبة البتات المرسلة إلى بتات البيانات، وكسب الترميز القياسي هو “128 ديسيبل” أو “21 ديسيبل”.
ونظراً لأنّه لا يلزم سوى “3 ديسيبل” من قوة الإشارة لاستقبال الإشارة فهذا يعني أنّه يمكن تحمل “18 ديسيبل” من الضوضاء، ويمكن حل الإشارة بسبب وجود حد أدنى من الارتباط المتبادل بين جميع الإشارات على القناة وهذه سمة من سمات التعامد والتفرد في أكواد الانتشار.
- “QPSK” هي اختصار لـ “Quadrature Phase Shift Keying”.
قدرة نظام USDC
حتى وقت قريب جداً لم يكن لدى أنظمة “CDMA” مثل أنظمة “IS-95” أو “TDMA” مثل “USDC” و”GSM” مزيج مثالي من هذه الميزات، ومصدر القلق الرئيسي بشأن “CDMA” هو حقيقة أنّه يتمتع بخبرة ميدانية قليلة جداً، حيث كانت أنظمة “TDMA” قابلة للتشغيل لبعض الوقت.
ويُعد “وقت التسويق” السريع أمراً ضرورياً للشركات نظراً للوتيرة الهائلة لسوق الاتصالات اللاسلكية اليوم ويختار العديد من المزودين الاستثمار في أنظمة “TDMA” التي تم تطويرها وإثباتها بالفعل، كما أنّ تقنية “CDMA” جديدة جداً وغير مثبتة تجعلها مخاطرة كبيرة على الشركات للاستثمار فيها عندما يكون هناك خيار استخدام تقنية مثبتة زمنياً مثل “TDMA”.
تتمثل الميزة الكبيرة لتقنية “TDMA” في أنّها كانت المخطط المستخدم في المعيار المؤقت “54” والمعروف أيضاً باسم “USDC” أو “AMPS” الرقمية أي “D-AMPS”، والتي عملت على الانتقال إلى نظام رقمي من نظام “AMPS” التماثلي الخلوي من الجيل الأول، ومن خلال العمل بنفس تخصيصات القنوات مثل معيار “AMPS” كان “TDMA” ميزة في أواخر الثمانينيات.
ومع ذلك لم يتم تصميمه للطلب الهائل الموجود الآن في العديد من المناطق الحضرية وعلى الرغم من زيادة “TDMA” بمقدار ثلاثة أضعاف قدرة نظام “AMPS”، ويتفوق النمو الهائل في صناعة الاتصالات اللاسلكية بسرعة على قدرات نظام “USDC” ومع ذلك تم توقع أنّ الحلين المستندة إلى “TDMA” و”D-AMPS” و”PCS 1900″ سوف يستحوذ على جزء كبير من سوق.
- “D-AMPS” هي اختصار لـ “Digital Advanced Mobile Phone System”.
- “AMPS” هي اختصار لـ “Advanced Mobile Phone System”.
