Die Ursprünge des digitalen Multiple Access

Code Division Multiple Access (CDMA) ist eine digitale Mobilfunktechnologie, die es mehreren Benutzern ermöglicht, sich das gleiche Frequenzband gleichzeitig zu teilen. Sie hat eine bedeutende Rolle bei der Entwicklung moderner Telekommunikation gespielt, bietet effiziente Spektrumnutzung und verbesserte Anrufqualität. Im Gegensatz zu früheren analogen Systemen, die jedem Anruf einen dedizierten Frequenz- oder Zeitschlitz zugewiesen haben, ermöglicht CDMA allen Benutzern, gleichzeitig über den gleichen breiten Frequenzbereich zu senden. Diese Kernfähigkeit machte CDMA zur Grundlage von 3G-Netzwerken weltweit und ein wichtiges Sprungbrett für moderne 4G- und 5G-Architekturen. CDMA ist für jeden, der in der Telekommunikation, Netzwerktechnik oder im drahtlosen Systemdesign arbeitet, unerlässlich, weil seine Spread-Spektrum-Prinzipien in praktisch jedem modernen drahtlosen Standard bestehen bleiben, der heute verwendet wird.

Was ist CDMA Technologie?

CDMA ist ein Kanalzugriffsverfahren, das von verschiedenen Funkkommunikationstechnologien verwendet wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen Frequenzmultiplexzugriffen (FDMA) oder Zeitmultiplexzugriffen (TDMA) weist CDMA jedem Benutzer eindeutige Codes zu, so dass mehrere Gespräche über die gleiche Bandbreite ohne Störungen stattfinden können. In einem FDMA-System erhält jeder Benutzer einen dedizierten Teil des Frequenzspektrums. In TDMA senden die Benutzer abwechselnd in unterschiedlichen Zeitschlitzen. CDMA verwirft beide Ansätze: Alle Benutzer senden kontinuierlich über die gesamte verfügbare Bandbreite, und der Empfänger verwendet mathematische Korrelation, um das beabsichtigte Signal aus dem Rauschen aller anderen gleichzeitigen Übertragungen auszuwählen.

Die theoretische Grundlage von CDMA stammt aus den 1940er Jahren und der Arbeit der Schauspielerin und Erfinderin Hedy Lamarr und des Komponisten George Antheil, die eine Frequenzsprung-Spreizspektrum-Technik zum Führen von Torpedos patentieren ließen. Dieses Patent legte den Grundstein für die Spread-Spektrum-Ideen, die später zu CDMA heranreifen würden. In den 1980er und 1990er Jahren vermarkteten Unternehmen wie Qualcomm CDMA für Mobilfunknetze, was zum IS-95-Standard (oft cdmaOne genannt) und schließlich zu CDMA2000 und EV-DO für 3G-Datendienste führte. Heute leben die grundlegenden mathematischen Prinzipien von CDMA in 3G, 4G LTE und 5G NR weiter, obwohl diese neueren Systeme orthogonalen Frequenzmultiplexzugriff (OFDMA) als primäre Luftschnittstelle verwenden.

Wie funktioniert CDMA?

In CDMA-Systemen erhält jeder Benutzer einen eindeutigen Code, der als Spreizcode bezeichnet wird. Dieser Code verteilt das Signal des Benutzers über die gesamte Bandbreite. Am Ende des Empfängers wird derselbe Code verwendet, um das spezifische Signal zu extrahieren, effektiv andere Signale mit der gleichen Frequenz herauszufiltern. Dieser Prozess wird als Spreizspektrumtechnologie bezeichnet. Der Spreizcode ist eine sorgfältig entworfene Folge von Bits (Chips), die mit einer viel höheren Rate als die ursprünglichen Daten läuft. Multipliziert man das ursprüngliche Datensignal mit dieser hochfrequenten Chipsequenz verteilt die Signalenergie über eine breite Bandbreite, so dass es jedem Empfänger, der den Code nicht kennt, als Rauschen mit geringer Leistung erscheint.

Grundlagen für das Spread-Spektrum

Direct-sequence spread spectrum (DSSS) is the variant of spread spectrum most commonly associated with CDMA. In DSSS, the narrowband user signal is multiplied by a pseudo-random noise (PN) code that has a chip rate far exceeding the data rate. This multiplication broadens the signal bandwidth by a factor equal to the processing gain. The processing gain is the ratio of the chip rate to the data rate—for example, if the chip rate is 1.2288 Mcps (megachips per second) and the data rate is 9.6 kbps, the processing gain is approximately 128 (or 21 dB). This gain is what allows CDMA receivers to recover weak signals even when multiple strong interferers occupy the same frequency band.

Walsh Codes und Pseudo-Random Noise Sequenzen

CDMA-Systeme verwenden typischerweise zwei Codierungsschichten. Die erste Schicht verwendet Walsh-Funktionen (auch Hadamard-Codes genannt), um Orthogonalität zwischen Benutzern innerhalb derselben Zelle zu gewährleisten. Walsh-Codes sind mathematisch so konzipiert, dass die Kreuzkorrelation zwischen zwei beliebigen verschiedenen Codes Null ist, was bedeutet, dass ein Empfänger gleichzeitige Übertragungen von verschiedenen Benutzern in derselben Zelle perfekt trennen kann, solange die Codes synchronisiert bleiben. Die zweite Schicht verwendet eine lange Pseudozufallsrauschsequenz (PN), um Signale von verschiedenen Basisstationen zu unterscheiden und zusätzliche Sicherheit zu bieten. Die PN-Sequenz ist einzigartig für jeden Basisstationssektor und wird verwendet, um die übertragenen Daten zu verschlüsseln, was es für einen Lauscher extrem schwierig macht, das Signal zu demodulieren, ohne den Code zu kennen.

Korrelation und Signalwiederherstellung

Da die Codefolge orthogonal (oder nahezu) zu allen anderen verwendeten Codes ist, wird das gewünschte Benutzersignal durch Multiplikation in einen schmalbandigen Datenstrom zurückgeführt, während die Signale anderer Benutzer als Breitbandrauschen ausgebreitet werden. Ein einfaches Bandpassfilter stellt dann die ursprünglichen Datenbits wieder her. Dieser Vorgang, der als Despreading bezeichnet wird, funktioniert, weil der Empfänger die genaue Zeitgebung und Codefolge des vorgesehenen Senders kennt. Eine genaue Zeitsynchronisation ist kritisch. Sogar ein kleiner Offset reduziert den Korrelationsgewinn und kann Bitfehler verursachen. CDMA-Basisstationen und mobile Geräte verwenden Pilotkanäle und kontinuierliche Zeitschleifen, um die Synchronisation aufrechtzuerhalten.

Hauptmerkmale von CDMA

CDMA bietet mehrere deutliche Vorteile gegenüber früheren Mehrfachzugriffstechniken, weshalb es als Luftschnittstelle für einige der am weitesten verbreiteten 3G-Standards der Welt ausgewählt wurde.

Frequenzeffizienz und -kapazität

Da alle Benutzer gleichzeitig dasselbe Frequenzband nutzen, kann CDMA unter typischen Ladebedingungen mehr Benutzer pro Bandbreiteneinheit unterstützen als FDMA oder TDMA. Die weiche Kapazität von CDMA bedeutet, dass das Hinzufügen eines weiteren Benutzers den Rauschpegel für alle anderen nur geringfügig erhöht, anstatt einen dedizierten Steckplatz oder eine Frequenz zu verbrauchen. Dies ermöglicht es Betreibern, eine größere Anzahl von Teilnehmern mit der gleichen Frequenzzuweisung zu bedienen. In CDMA2000 1X-Netzen kann ein einzelner 1,25-MHz-Träger beispielsweise mehr als 30 gleichzeitige Sprachanrufe mit fortschrittlichen Vocodern unterstützen, verglichen mit etwa 8 bis 10 Anrufen in einem vergleichbaren TDMA-System mit der gleichen Bandbreite. Diese Effizienz war ein Haupttreiber für Betreiber in Nordamerika, Asien und Lateinamerika, um CDMA-basierte 3G-Standards zu übernehmen.

Sicherheit und Privatsphäre

Ein passiver Zuhörer, der den Spreizcode nicht kennt, sieht nur ein rauschähnliches Signal mit geringem Stromverbrauch. Ohne die korrekte PN-Sequenz und -Zeit ist es rechnerisch nicht möglich, die Originaldaten wiederherzustellen. Diese inhärente Sicherheit ist ein Grund, warum CDMA seit Jahrzehnten in der militärischen Kommunikation verwendet wird. Kommerzielle 3G CDMA-Systeme fügten Verschlüsselungsschichten auf der Spread-Spektrum-Kodierung hinzu, um die regulatorischen Anforderungen an die Privatsphäre der Abonnenten und die Datenintegrität zu erfüllen.

Soft Handoff und Power Control

CDMA führt das Konzept der Soft Handoff (auch Soft Handover genannt) ein, bei dem ein Mobilgerät während eines Übergangs zwischen Zellen gleichzeitig mit zwei oder mehr Basisstationen kommuniziert. Das Mobilgerät kombiniert die Signale mehrerer Basisstationen mithilfe der maximalen Verhältniskombination, verbessert die Signalqualität und eliminiert die abrupten Anrufverluste, die in Hard Handoff-Systemen auftreten. Diese Funktion verbessert die Anrufzuverlässigkeit und Sprachqualität an den Zellenrändern dramatisch. Die Leistungssteuerung ist ein weiteres wesentliches Merkmal von CDMA. Da alle Benutzer die gleiche Frequenz teilen, kann ein einzelnes Mobilgerät, das mit zu hoher Leistung sendet, alle anderen Benutzer in der Zelle übertönen (das Nahbereichsproblem). CDMA-Systeme implementieren eine schnelle Leistungssteuerung mit geschlossenem Regelkreis, die die Sendeleistung jedes Mobilgeräts bis zu 800 Mal pro Sekunde anpasst, wobei jedes Signal auf dem für einen zuverlässigen Empfang erforderlichen Mindestniveau gehalten wird.

CDMA vs. Andere Multiple Access Technologien

Zu verstehen, wie CDMA im Vergleich zu anderen Kanalzugangsmethoden abschneidet, verdeutlicht, warum es für 3G übernommen wurde und wie seine Einschränkungen den Übergang zu neueren Technologien vorangetrieben haben.

CDMA vs. FDMA

Frequenz-Division Mehrfachzugriff teilt das verfügbare Spektrum in schmale Kanäle, die jeweils einem einzelnen Benutzer gewidmet sind. FDMA ist einfach und wurde in analogen Mobilfunksystemen wie AMPS und TACS verwendet. Allerdings leidet es unter einer schlechten spektralen Effizienz, weil Schutzbänder zwischen Kanälen Spektrum verschwenden und ein Kanal von anderen Benutzern nicht wiederverwendet werden kann, selbst wenn er im Leerlauf ist. CDMA eliminiert Schutzbänder vollständig und ermöglicht die Nutzung von Leerlaufkapazität durch andere Benutzer, was ihn für platzenden Datenverkehr und Sprachanrufe mit natürlichen Stillen dramatisch effizienter macht.

CDMA vs. TDMA

Zeitaufteilung Mehrfachzugriff teilt jeden Frequenzkanal in Zeitschlitze, wobei jedem Benutzer ein wiederkehrender Slot zugewiesen wird. GSM, der dominante 2G-Standard, verwendet TDMA. TDMA verbessert die spektrale Effizienz gegenüber FDMA, erfordert aber immer noch Schutzzeiten zwischen den Slots und ist empfindlich auf Zeitfehler, insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten. CDMA's kontinuierliche Übertragung vermeidet den Overhead von Slotgrenzen und Schutzzeiten. TDMA-Systeme sind jedoch im Allgemeinen einfacher zu implementieren und erfordern nicht die strenge Stromsteuerung, die CDMA verlangt. Diese Komplexität war ein Grund, warum einige Betreiber GSM über CDMA für 2G-Netze wählten.

CDMA vs. OFDMA

Orthogonal Frequenz Division Multiple Access teilt die Bandbreite in eine große Anzahl von eng beabstandeten Subträgern. OFDMA ist die Grundlage von 4G LTE und 5G NR. OFDMA bietet noch höhere spektrale Effizienz als CDMA und ist robuster für Multipath Fading, ohne einen komplexen RAKE-Empfänger zu benötigen. OFDMA ermöglicht auch die Frequenzdomänen-Planung, bei der der Scheduler verschiedene Subträger verschiedenen Benutzern basierend auf Echtzeit-Kanalbedingungen zuweisen kann. CDMA's Breitband-Natur bedeutet, dass frequenzselektives Fading das gesamte Signal und nicht einzelne Subträger beeinflusst. CDMA kompensiert mit RAKE-Empfängern, die Multipath-Komponenten kombinieren, aber OFDMA's Ansatz ist im Allgemeinen flexibler für Hochgeschwindigkeitsdaten. Aus diesem Grund sind 4G und 5G haben sich für den Downlink von CDMA zu OFDMA bewegt, obwohl CDMA-Prinzipien immer noch im Uplink einiger Systeme und in der physikalischen Schicht von 3G-Netzwerken erscheinen.

Anwendungen in der modernen Telekommunikation

Die CDMA-Technologie hat sich in verschiedenen Kommunikationssystemen, insbesondere in Mobilfunknetzen, weit verbreitet und war in vielen Ländern die Grundlage für 3G-Netze und beeinflusst auch in Zukunft neuere Technologien durch ihre Kernkonzepte Spread Spectrum und Code Division.

3G-Netzwerke und CDMA2000

Die wichtigsten Telekommunikationsanbieter nutzten CDMA für ihre 3G-Netze, wie CDMA2000 und EV-DO-Standards. Diese Netze lieferten schnellere Datengeschwindigkeiten und eine bessere Sprachqualität im Vergleich zu früheren 2G-Systemen. CDMA2000 1X führte Datenraten von bis zu 153 kbps ein, während EV-DO (Evolution-Data Optimized) die Spitzenraten auf 2,4 Mbps und später auf 3,1 Mbps mit EV-DO Rev A und bis zu 14,7 Mbps mit EV-DO Rev B geschoben hat. CDMA2000-Netze wurden von Betreibern wie Verizon Wireless, Sprint, KDDI, SK Telecom und China Unicom ausgiebig eingesetzt, Hunderte von Millionen Abonnenten in ihrem Höhepunkt. Die Rückwärtskompatibilität von CDMA2000 mit IS-95 ermöglichte einen reibungslosen Migrationspfad von 2G zu 3G, schützte Betreiberinvestitionen in Basisstationsausrüstung und -spektrum.

Satellitenkommunikation

CDMA wird auch in Satellitenkommunikationssystemen verwendet, was eine zuverlässige und sichere Datenübertragung über große Entfernungen ermöglicht. Seine Robustheit gegen Störungen macht es für solche Anwendungen geeignet. Satellitenverbindungen stehen vor Herausforderungen wie langen Ausbreitungsverzögerungen, Dopplerverschiebungen und begrenzten Leistungsbudgets. CDMAs Ausbreitungsspektrum bietet inhärente Widerstandsfähigkeit gegen Störeinflüsse von anderen Satelliten oder terrestrischen Quellen. Systeme wie Globalstar verwenden CDMA-basierte Luftschnittstellen (basierend auf IS-95) für ihre Satellitentelefondienste. Die Soft Handoff-Funktion von CDMA ist besonders vorteilhaft in Satellitensystemen, da ein mobiles Endgerät Signale von mehreren Satelliten gleichzeitig kombinieren kann, was eine bessere Abdeckung bietet und Signalausfälle während Satellitenübergaben reduziert.

Global Positioning System (GPS)

Das Global Positioning System, das von der United States Space Force betrieben wird, beruht auf CDMA-Prinzipien, um allen GPS-Satelliten zu erlauben, auf den gleichen zwei Frequenzen zu senden: L1 (1575,42 MHz) und L2 (1227,60 MHz). Jeder Satellit sendet einen einzigartigen Pseudo-Zufallsrauschen-Code (PRN), der orthogonal zu den von allen anderen Satelliten verwendeten Codes ist. Ein GPS-Empfänger erzeugt eine Nachbildung des PRN-Codes jedes Satelliten und korreliert ihn mit dem empfangenen Signal, um zu bestimmen, welche Satelliten sichtbar sind und die Ankunftszeit jedes Signals zu messen. Durch Kombination von Flugzeitmessungen von mindestens vier Satelliten berechnet der Empfänger seine Position innerhalb von Metern (oder Zentimetern mit Differenzkorrekturen). GPS ist eine der am weitesten verbreiteten Anwendungen der CDMA-Technologie, mit Milliarden von Empfängern, die weltweit in Smartphones, Fahrzeugen, Flugzeugen und Industriegeräten verwendet werden.

Militärische und sichere Kommunikation

CDMA entstand aus der militärischen Forschung zu sicherer, jam-resistenter Kommunikation. Das US-Militär's Joint Tactical Information Distribution System (JTIDS) und das neuere Multifunktionale Informationsverteilungssystem (MIDS) verwenden CDMA-basierte Spread-Spektrum-Techniken, um sichere, hochleistungsfähige Datenverbindungen für Flugzeuge, Schiffe und Bodentruppen bereitzustellen. Die Anti-Jam-Eigenschaften von CDMA machen es extrem schwierig für Gegner, Übertragungen zu erkennen, abzufangen oder zu blockieren. Darüber hinaus bedeutet die geringe spektrale Leistungsdichte von Spread-Spektrum-Signalen, dass CDMA-Übertragungen unter dem Rauschboden verborgen werden können (geringe Wahrscheinlichkeit von Abfangen oder LPI), so dass sie mit herkömmlichen Radioempfängern fast unmöglich zu erkennen sind.

Wireless Local Loop und Fixed Wireless

In Regionen, in denen die kabelgebundene Telefoninfrastruktur knapp oder teuer war, stellten CDMA-basierte drahtlose Teilnehmeranschlusssysteme (WLL) eine kostengünstige Alternative für Sprach- und Datendienste dar. Betreiber verwendeten CDMA-Basisstationen mit gerichteten Antennen, um feste oder nomadische Abonnenten über Entfernungen von mehreren Kilometern zu bedienen. WLL-Systeme auf CDMA-Basis boten eine schnelle Bereitstellung, niedrigere Investitionskosten und die Möglichkeit, Spektrum mit mobilen Diensten zu teilen. Während Glasfaser und DSL die WLL in entwickelten Märkten weitgehend ersetzt haben, bleiben CDMA-basierte feste Funksysteme in ländlichen und abgelegenen Gebieten von Entwicklungsländern im Einsatz.

Einschränkungen und Rückgang der CDMA

Trotz seiner vielen Stärken hat CDMA mehrere inhärente Einschränkungen, die zu seinem allmählichen Ersatz durch OFDMA-basierte Systeme in 4G und 5G beigetragen haben. Das Nah-Fernproblem erfordert eine sehr enge Stromsteuerung, was sowohl der Basisstation als auch dem mobilen Gerät eine Komplexität verleiht. Die Kapazität von CDMA ist ebenfalls störungsbegrenzt: Mit zunehmender Anzahl aktiver Benutzer steigt der Lärmpegel an und das System kann ein Phänomen namens "Cell Breathing" erleben, und der effektive Abdeckungsbereich schrumpft unter starker Last. Darüber hinaus ist CDMA weniger effizient als OFDMA für Datenanwendungen mit hoher Bandbreite, weil es die Frequenzbereichsplanung nicht leicht ausnutzen kann OFDMA bietet. Die geistige Eigentumslandschaft um CDMA war auch komplex, mit Qualcomm, die viele grundlegende Patente hält, was zu höheren Lizenzgebühren führte Kosten für Gerätehersteller und Betreiber im Vergleich zu GSM und LTE. Diese Faktoren, kombiniert mit der globalen Dynamik hinter GSM und LTE, führten die meisten Betreiber dazu, von CDMA weg zu migrieren 4G und 5G.

Das Vermächtnis und die Zukunft der CDMA-Technologie

Obwohl neuere Technologien wie LTE und 5G CDMA in vielen Bereichen ersetzen, ist das Verständnis von CDMA nach wie vor unerlässlich, um die Entwicklung der drahtlosen Kommunikation zu erfassen. Einige Legacy-Systeme arbeiten immer noch mit CDMA und ihre Prinzipien beeinflussen moderne Netzwerkdesigns. In den Vereinigten Staaten haben die meisten großen Carrier ihre CDMA-Netzwerke zwischen 2020 und 2023 vollständig geschlossen. Verizon zum Beispiel hat seine CDMA 1X- und EV-DO-Netzwerke am 31. Dezember 2022 eingestellt, während T-Mobile (das Sprints CDMA-Netzwerk absorbiert hat) seine CDMA-Abschaltung im März 2022 abgeschlossen.

Noch wichtiger ist, dass die grundlegenden Konzepte von CDMA immer noch in modernen Systemen vorkommen. In 5G NR verwendet der Uplink eine Variante der Code-Division namens DFT-s-OFDM (Discrete Fourier Transform Spread OFDM), die eine Form des Single-Carrier-Frequenzmultiplex-Zugriffs (SC-FDMA) ist, der die wünschenswerte Eigenschaft eines niedrigen Spitzen-zu-Durchschnitts-Leistungsverhältnisses von CDMA teilt. Wideband CDMA (WCDMA), die Luftschnittstelle für UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) 3G-Netzwerke, legte den Grundstein für die 5 MHz-Carrier-Bandbreite, die in 4G und 5G Standard wurde. Die Verwendung von orthogonalen Codes für den Mehrbenutzerzugang parallelisiert auch die Verwendung von Walsh-Code in CDMA.

Mit Blick auf die Zukunft werden CDMA-inspirierte Techniken für nicht-terrestrische Netzwerke (NTN) und Satelliten-Internetkonstellationen erforscht, bei denen die Fähigkeit, Spektrum über viele Benutzer mit geringer Leistungsdichte hinweg zu teilen, sehr vorteilhaft ist. Forscher untersuchen auch Code-Domänen-Multiplexing für massive Maschinentyp-Kommunikation (mMTC) in 5G und darüber hinaus, wo Tausende von IoT-Geräten mit geringem Stromverbrauch pro Zelle winzige Datenpakete gleichzeitig übertragen müssen. In diesen Szenarien bietet CDMAs Fähigkeit, unkoordinierte, sporadische Übertragungen ohne zentrale Planung aufzunehmen, erhebliche Vorteile gegenüber OFDMA.

Schlussfolgerung

Die CDMA-Technologie revolutionierte die mobile Kommunikation, indem sie mehreren Nutzern ermöglichte, das gleiche Spektrum effizient zu teilen. Seine Anwendungen in 3G-Netzwerken, Satellitenkommunikation und GPS unterstreichen seine Vielseitigkeit und Bedeutung in der Geschichte der Telekommunikation. Mit dem Fortschritt der Technologie informieren die grundlegenden Konzepte von CDMA weiterhin über die Entwicklung neuer drahtloser Standards. Die Spread-Spektrum-Prinzipien, orthogonale Codierung und Soft-Handoff-Techniken, die CDMA erfolgreich gemacht haben, sind tief in das Gefüge der modernen drahtlosen Technik eingebettet. Netzwerkingenieure, RF-Planer und Telekommunikationsstudenten, die CDMA-Grundlagen beherrschen, erhalten ein tieferes Verständnis dafür, warum 4G- und 5G-Systeme so gestaltet sind, wie sie sind und wie sich zukünftige Netzwerke entwickeln könnten, um die wachsenden Anforderungen an Konnektivität, Spektrumeffizienz und Energieeffizienz zu bewältigen.

Für die weitere Lektüre über CDMA und seine Auswirkungen auf die drahtlose Kommunikation bieten die folgenden Ressourcen maßgebliche technische Tiefe: die Qualcomm CDMA Technologieübersicht, die IEEE Konferenz über Spread-Spectrum-Systeme, das Buch “CDMA: Principles of Spread Spectrum Communication” von Andrew J. Viterbi und ein GPS SPS Performance Standard Dokument, das die CDMA-basierte Signalstruktur von GPS beschreibt. Diese Referenzen bieten sowohl eine historische Perspektive als auch die mathematische Strenge, die für ernsthafte Arbeiten im drahtlosen Systemdesign erforderlich ist.