Einführung in die Code Division Multiple Access

Moderne drahtlose Kommunikationssysteme beruhen auf effizienten Mehrfachzugriffstechniken, die es vielen Nutzern ermöglichen, gleichzeitig dasselbe Spektrum zu teilen. Code Division Multiple Access (CDMA) hebt sich von Frequenz- und Zeitaufteilungsverfahren ab, da es allen Nutzern erlaubt, jederzeit die gesamte Bandbreite zu belegen. Der wichtigste Wegbereiter dieser gleichzeitigen, störungstoleranten Kommunikation ist die Verwendung von Spreizcodes, von denen orthogonale Codes eine zentrale Rolle spielen. Ohne orthogonale Codes wäre die Signaturtrennung, die CDMA in Systemen von 2G IS-95 bis 3G WCDMA und entstehenden 4G/5G-Varianten praktisch macht, unmöglich.

Bei einem CDMA-System wird das Datensignal jedes Teilnehmers mit einer eindeutigen Codefolge multipliziert, die eine große Bandbreite im Verhältnis zur Datenrate hat. Dabei wird das Signal über das Frequenzband verteilt. Am Empfänger wird derselbe Code zur Despreadung des gewünschten Signals verwendet, während die Signale anderer Teilnehmer (durch verschiedene Codes gespreizt) als Rauschen erscheinen. Der Grad, in dem diese Trennung funktioniert, hängt entscheidend von den Korrelationseigenschaften der Codes ab. Idealerweise sollten Codes von verschiedenen Teilnehmern null Kreuzkorrelation haben, d.h. sie sollten orthogonal sein. Das Streben nach nahezu perfekter Orthogonalität definiert die Leistungsgrenzen von CDMA-Netzwerken.

Orthogonale Codes in der Tiefe verstehen

Ein orthogonaler Codesatz ist eine Sammlung von Sequenzen, bei denen das innere Produkt (Punktprodukt) von zwei verschiedenen Sequenzen Null ist. In der Praxis bedeutet dies, dass, wenn zwei Benutzer mit orthogonalen Codes senden, ihre Signale sich am Empfänger nicht stören, vorausgesetzt, dass sie perfekt synchronisiert sind und keine Kanalbeeinträchtigungen haben. Mathematisch gesehen erfordert die Orthogonalität für zwei Längen-N-Codes ci und cj mit den Elementen +1 und -1:

Σk=1N ci,k · cj,k = 0   für i ≠ j

Die bekanntesten Familien von orthogonalen Codes, die in drahtlosen Standards verwendet werden, sind Walsh-Hadamard-Sequenzen, Orthogonal Variable Spreading Factor (OVSF)-Codes und spezialisierte Nullkorrelationszonenfolgen, die in quasi-orthogonalen Designs verwendet werden.

Orthogonalität kann nur unter idealen Bedingungen aufrechterhalten werden: perfekte Zeitausrichtung über alle Benutzer hinweg und ein frequenzflacher, nicht-dispersiver Kanal. In realen Netzwerken werden diese Bedingungen selten vollständig erfüllt, und das System muss so konzipiert sein, dass ein gewisser Verlust an Orthogonalität toleriert wird. Deshalb ist das Verständnis der theoretischen Grundlagen orthogonaler Codes für Netzwerkingenieure und Forscher unerlässlich.

Die Mathematik der Walsh-Hadamard Codes

Walsh-Codes werden aus Hadamard-Matrizen generiert, die Quadratmatrizen der Ordnung sind N (wobei N eine Potenz von 2 ist), deren Einträge ±1 sind und deren Zeilen zueinander orthogonal sind.

H1 = [1],   H2N =[HN   HN; HN   −HN

Jede Zeile der Matrix entspricht einem Walsh-Code der Länge N In IS-95 CDMA-Systemen verwendet die Vorwärtsverbindung (Basisstation zu Mobil) Walsh-Codes der Länge 64, um bis zu 64 Kanäle (Pilot, Synchronisation, Paging und Verkehr) zu unterscheiden. Da die Basisstation alle Codes synchron überträgt, bleibt die Orthogonalität erhalten. Auf der Rückwärtsverbindung werden jedoch nicht-orthogonale (aber korrelativ niedrige) Codes wie lange PN-Sequenzen verwendet, da eine synchrone Übertragung von mehreren Mobilstationen nicht praktikabel ist.

Die Orthogonalität von Walsh-Codes gilt nur, wenn die Codes zeitlich perfekt ausgerichtet sind. Eine Verschiebung um nur einen Chip zerstört die Orthogonalität, weshalb eine sorgfältige Zeitsynchronisation bei CDMA-Vorwärtsverbindungen von entscheidender Bedeutung ist. Die Codelänge setzt auch eine strenge Begrenzung der Anzahl der orthogonalen Kanäle fest: Für die Länge N existieren maximal N orthogonale Codes. Diese Einschränkung führt zu Codewiederverwendung und Planungsherausforderungen in Mobilfunknetzen.

Orthogonale Variable Spreading Factor (OVSF) Codes

Während Walsh-Codes einen festen Spreizfaktor bieten, benötigen 3G-WCDMA-Systeme (UMTS) Unterstützung für mehrere Datenraten gleichzeitig. OVSF-Codes wurden eingeführt, um Orthogonalcodes mit variabler Länge bereitzustellen, während die Orthogonalität über Benutzer mit unterschiedlichen Spreizfaktoren hinweg erhalten bleibt. OVSF-Codes sind in einem Codebaum organisiert, bei dem jeder Knoten zwei Kindcodes hat, die durch Verketten des Elterncodes mit sich selbst (für einen Zweig) und mit seiner Negation (für den anderen Zweig) abgeleitet werden.

Diese hierarchische Struktur stellt sicher, dass zwei beliebige Codes aus demselben Baum orthogonal sind, wenn keiner der beiden ein Vorfahre des anderen ist. Dies ermöglicht es dem Netzwerk, Benutzern, die mehr Bandbreite benötigen, kürzere Codes (höhere Datenraten) zuzuweisen, während längere Codes Benutzern mit niedrigeren Datenraten dienen. Die Baumstruktur erzwingt jedoch eine harte Einschränkung: Wenn ein Code einem Benutzer zugewiesen wird, werden alle seine Nachkommen und Vorfahren blockiert. Dies führt zu einem Problem mit dem Codekapazitätsmanagement, das durch dynamische Codezuweisungsalgorithmen gelöst wird, die oft an die Anforderungen an Kanalqualität und Dienstqualität (QoS) gebunden sind.

OVSF-Codes sind ein wichtiger Grund, warum 3G CDMA-Systeme flexible Datenraten von wenigen kbps bis zu 2 Mbps bieten können. Ihre orthogonale Eigenschaft stellt sicher, dass innerhalb einer Zelle die Interferenz zwischen Vorwärtsverbindungen gering bleibt, selbst wenn die Datenraten variieren.

Rolle von Orthogonalcodes in der CDMA Systemleistung

Die Leistung eines CDMA-Systems wird typischerweise gemessen in Kapazität (Anzahl der gleichzeitigen Benutzer), Datendurchsatz und Anrufqualität (gemessen an Bitfehlerrate oder Frame-Löschrate). Orthogonale Codes beeinflussen direkt alle drei Metriken. Hier untersuchen wir die Leistungsbeiträge im Detail.

Kapazitätssteigerung durch orthogonale Ausbreitung

Bei einer perfekt synchronen Vorwärtsverbindung mit orthogonalen Codes ist die Interferenz von anderen Benutzern innerhalb derselben Zelle theoretisch Null. Dies bedeutet, dass der einzige Interferenz, den ein Benutzer sieht, von benachbarten Zellen (Interferenz zwischen Zellen) und thermischem Rauschen stammt. Die Kapazität einer CDMA-Zelle wird dann durch die Anforderung des Signal-zu-Interferenz-plus-Rausch-Verhältnisses (SINR) des schwächsten Benutzers bestimmt. Durch die Beseitigung von Interferenz innerhalb der Zelle ermöglichen orthogonale Codes eine größere Anzahl gleichzeitiger Benutzer als es mit nicht orthogonalen Codes möglich wäre. Studien zeigen, dass orthogonale Vorwärtsverbindungen die Kapazität um 40 bis 60 % gegenüber rein zufälligen Spreizszenarien verbessern können.

Wenn sich Benutzer bewegen und der Mehrwege-Orthogonalität zerstört, verschlechtert sich der Orthogonalitätsfaktor (ein Wert zwischen 0 und 1) In einer typischen Makrozellenumgebung kann der Orthogonalitätsfaktor 0,4 bis 0,6 betragen, was bedeutet, dass nur 40-60% der von anderen Benutzern übertragenen Leistung als Interferenz erscheint. Dies stellt immer noch einen erheblichen Kapazitätsgewinn dar, erfordert jedoch eine robuste Leistungssteuerung und fortschrittliche Empfänger.

Interferenzreduktion und Signalklarheit

Orthogonale Codes verbessern auch die Signalklarheit, indem sie das Nah-Fern-Problem reduzieren. Bei CDMA kann ein Benutzer in der Nähe der Basisstation einen entfernten Benutzer überwältigen, wenn alle Benutzer mit gleicher Leistung senden. Durch die Verwendung orthogonaler Codes auf der Vorwärtsstrecke kann die Basisstation das Signal jedes Benutzers mit einem dem Pfadverlust dieses Benutzers angemessenen Leistungspegel übertragen, ohne dass andere gestört werden, da die Codes sie trennen. Dies ermöglicht es der Basisstation, Energie unabhängig pro Benutzer zuzuweisen, eine Fähigkeit, die in TDMA- oder FDMA-Systemen nicht möglich ist, in denen Zeit-Frequenz-Ressourcen festgelegt sind.

Auf der Rückseite, wo Orthogonalität schwieriger zu pflegen ist, wird die Leistungssteuerung zum primären Instrument zur Minderung von Interferenzen, dennoch verwenden einige fortschrittliche CDMA-Systeme quasi-orthogonale Codes oder Interferenzunterdrückungsverfahren, die die bekannte Struktur von Orthogonalcodes nutzen, um die Leistung zu verbessern.

Datendurchsatz und flexible Tarifunterstützung

Mit OVSF-Codes können CDMA-Systeme eine breite Palette von Datenraten unterstützen, indem sie Codes mit unterschiedlichen Spreizfaktoren zuweisen. Ein Benutzer, der einen hohen Durchsatz benötigt, erhält einen kurzen Code (kleiner Spreizfaktor), der die Datenrate erhöht, aber auch den Verarbeitungsgewinn verringert. Der reduzierte Verarbeitungsgewinn macht den Benutzer anfälliger für Störungen, so dass das System eine höhere Sendeleistung zuweisen muss oder auf bessere Kanalbedingungen angewiesen ist. Die orthogonale Eigenschaft stellt sicher, dass die Codes auch bei sich ändernden Spreizfaktoren orthogonal zu anderen zugewiesenen Codes im Baum bleiben, wobei eine geringe Interferenz innerhalb der Zelle erhalten bleibt.

Adaptive Modulation und Codierung (AMC) in Kombination mit orthogonaler Codezuweisung ermöglicht es modernen CDMA-basierten Systemen (wie HSPA), Spitzenraten von mehr als 10 Mbit/s unter guten Kanalbedingungen zu erreichen. Die Orthogonalität von Codes bleibt über verschiedene Spreizfaktoren hinweg erhalten, was diese flexible Ratenzuweisung ermöglicht, ohne den gesamten Codesatz neu zu gestalten.

Arten von Orthogonalcodes in CDMA verwendet

Während Walsh- und OVSF-Codes kommerzielle Standards dominieren, wurden andere orthogonale Codefamilien für bestimmte Zwecke entwickelt.

Walsh-Hadamard Codes in IS-95 und cdma2000

Wie erwähnt, verwendet IS-95 auf der Vorwärtsstrecke Walsh-Codes der Länge 64. Der Vorwärts-CDMA-Kanal besteht aus einem Pilotkanal (all-zeros Walsh-Code 0), bis zu 7 Paging-Kanälen, einem Synchronisationskanal und mehreren Verkehrskanälen, die jeweils einen eindeutigen Walsh-Code erhalten. Da die Basisstation alle Kanäle synchronisiert, ist die Orthogonalität innerhalb der Zelle perfekt. Das cdma2000 1x-System erweitert dies durch die Verwendung von längeren Walsh-Codes (bis zur Länge 256) und die Einführung quasi-orthogonaler Codesätze, um die Anzahl der verfügbaren Kanäle zu erhöhen und dabei eine gewisse Orthogonalität zu opfern.

Walsh-Codes werden auch in der Reverse-Link von cdma2000 für den Pilotkanal (R-PICH) und den dedizierten Steuerkanal verwendet, hier ist jedoch die orthogonale Abdeckung begrenzt, da die Mobiltelefone nicht miteinander synchronisiert sind, sondern Walsh-Codes auf der Reverse-Link der Basisstation helfen, zwischen verschiedenen Kanälen des gleichen Mobilgeräts (z.B. Pilot, Steuerung, Daten) zu unterscheiden.

OVSF Codes in WCDMA/HSPA

Der 3GPP WCDMA-Standard verwendet OVSF-Codes mit einem maximalen Spreizfaktor von 512 auf der Vorwärtsstrecke und 256 auf der Rückwärtsstrecke. Der OVSF-Baum wird mit dem Root-Code der Länge 1 definiert, und jeder Zweig teilt sich in zwei Codes doppelter Länge auf. Der Allokationsalgorithmus muss sicherstellen, dass keine zwei Benutzer in derselben Zelle Codes erhalten, die voneinander ancestor/nachkommend sind. Diese Einschränkung reduziert die Codeauslastung, aber dynamische Codeumwidmung und die Verwendung von sekundären Scrambling-Codes (die nicht orthogonal sind) können Codemangel lindern.

HSPA (High-Speed Packet Access) führte High-Speed-Downlink-Shared-Kanäle (HS-DSCH) ein, die OVSF-Codes verwenden, die von Benutzern zeitmultiplexweise geteilt werden. Der Node-B-Scheduler kann mehrere OVSF-Codes für Hochgeschwindigkeitsdaten einem einzelnen Benutzer zuweisen oder unter Benutzern verteilen. Die Orthogonalität der Codes ist von entscheidender Bedeutung, da der HS-DSCH-Kanal mit hoher Leistung übertragen wird und starke Störungen verursachen kann, wenn die Codes nicht orthogonal sind.

Quasi-Orthogonale und PN-Sequenzen

Da die Anzahl der orthogonalen Codes für eine bestimmte Länge begrenzt ist, ergänzen CDMA-Systeme sie häufig mit quasi-orthogonalen oder Pseudo-Rausch (PN)-Sequenzen, die eine niedrige, aber nicht null starke Kreuzkorrelation aufweisen. In IS-95 verwendet der Reverse Link eine lange PN-Sequenz (mit Periode 242-1), die für jedes Mobilgerät einzigartig ist. Diese Codes sind nicht orthogonal zueinander, aber ihre Kreuzkorrelation ist niedrig genug, dass das System mit Stromsteuerung und Interferenzmittelung arbeiten kann. In ähnlicher Weise fügt der Vorwärtslink in WCDMA einen zellspezifischen Scrambling-Code (eine Gold-Sequenz von 38.400 Länge) auf die OVSF-Codes zu separaten Zellen hinzu. Die Scrambling-Codes sind nicht orthogonal, aber sie bieten eine Interzelltrennung durch niedrige Kreuzkorrelation.

Quasi-orthogonale Codesätze sind so konzipiert, dass sie Kreuzkorrelationswerte haben, die durch √ N begrenzt sind (wobei N die Codelänge ist), was viel niedriger ist als der Peak für zufällige Sequenzen.

Herausforderungen und praktische Überlegungen

Trotz ihrer theoretischen Eleganz stellen orthogonale Codes einige praktische Herausforderungen dar, denen sich Ingenieure beim Entwurf von CDMA-Netzwerken stellen müssen.

Synchronisation und Timing Jitter

Orthogonalität erfordert, dass alle Signale des Benutzers mit einer Chip-Level-Ausrichtung am Empfänger ankommen. Auf der Vorwärtsstrecke sendet die Basisstation alle Signale mit der gleichen Uhr, so dass die Ausrichtung inhärent ist. Die Ausbreitungsverzögerung über die Zelle führt jedoch dazu, dass Signale von verschiedenen Mobilgeräten zu unterschiedlichen Zeiten ankommen. Um dies zu mildern, wendet die Basisstation Zeitversätze (Vorsprünge oder Verzögerungen) auf das Signal jedes Benutzers an, so dass der vorgesehene Code am Mobilgerät mit dem Codegenerator übereinstimmt. In WCDMA wird dies durch einen groben Synchronisationsschritt (Slot- und Frame-Synchronisation) und Feinverfolgung erreicht Verzögerungs-Loops (DLLs).

Zeitverzögerungsjitter (schnelle Schwankungen der Ankunftszeit aufgrund von Phasenrauschen oder Dopplerverschiebungen) können dazu führen, dass der Korrelatorausgang einen Teil der Orthogonalität verliert. Dies führt zu Intercode-Interferenzen, die den thermischen Rauschpegel erhöhen. Um dies zu kompensieren, verwenden CDMA-Systeme Tracking-Schleifen mit Bandbreiten, die auf die erwartete Doppler-Spread abgestimmt sind, und einige Empfänger verwenden auf der schnellen Fourier-Transformation basierende Korrelatoren, die Korrelationen für mehrere Zeithypothesen gleichzeitig berechnen können.

Multipathen-Verbreitung und Orthogonalitätsverlust

In mobilen Umgebungen reflektieren Signale von Gebäuden, Gelände und Fahrzeugen, wodurch verzögerte Kopien (Multipath) desselben Signals erzeugt werden. Wenn das Signal eines Benutzers über mehrere Pfade eintrifft, kann der zeitliche Unterschied zwischen dem direkten Pfad und einem reflektierten Pfad eine Chipdauer überschreiten. In diesem Fall wird die reflektierte Kopie des beabsichtigten Codes mit dem Code eines anderen Benutzers falsch ausgerichtet, was Orthogonalität zerstört. Dieses Phänomen wird als "Orthogonalitätsverlust" oder "Interpath-Interferenz" bezeichnet.

Das Hauptwerkzeug zur Bekämpfung von Mehrwege-induzierten Interferenzen ist der Rake-Empfänger. Ein Rake-Empfänger verwendet mehrere Finger, die jeweils mit einem anderen Verzögerungspfad korrelieren. Durch kohärente Kombination der Pfadenergien wird der Effekt der Interpath-Interferenz gemindert. Wenn die Mehrwege-Verzögerungsspreizung jedoch groß ist (z. B. in ländlichen oder bergigen Gebieten), kann der Orthogonalitätsfaktor unter 0,3 fallen, was die Kapazität erheblich reduziert. Fortgeschrittene Empfänger verwenden Entzerrer mit minimalem mittlerem Quadratfehler (MMSE), um die Orthogonalität wiederherzustellen, indem sie den Kanal schätzen und ein lineares Filter anwenden, das Intercode-Interferenzen unterdrückt.

Code Management und dynamische Allokation

In einem großen CDMA-Netzwerk mit Tausenden von Zellen wird die Verwaltung der Zuordnung von orthogonalen Codes zu einer erheblichen operativen Herausforderung. Jede Zelle hat einen begrenzten Satz von orthogonalen Codes (z. B. 64 Walsh-Codes in IS-95). Diese Codes müssen in einer geplanten Weise über Zellen hinweg wiederverwendet werden, um Interferenzen zu vermeiden. In cdma2000 werden Zellen verschiedene "Codephasen" oder "Codemasken" zugewiesen, um die Kollision zwischen Zellen zu minimieren. Mit OVSF-Codes schränkt die Baumstruktur die Zuweisung weiter ein, da die Verwendung eines Codes alle ihre Nachkommen blockiert.

Wenn ein Benutzer mit hoher Datenrate einen kurzen Code benötigt, aber alle kurzen Codes genommen werden, muss das System möglicherweise Codes unter bestehenden Benutzern neu zuweisen - ein Prozess namens "Code-Umwidmung". Dies kann zu vorübergehenden Dienstunterbrechungen führen, so dass Algorithmen solche Ereignisse minimieren müssen.

Interzellinterferenz und Frequenzplanung

Orthogonale Codes eliminieren Interferenzen innerhalb der Zelle, aber Interferenzen zwischen Zellen bleiben ein wichtiger Kapazitätsbegrenzer. Da alle Zellen in einem CDMA-System die gleiche Frequenz wiederverwenden (Wiederverwendungsfaktor von 1), leiden Benutzer am Zellenrand unter Interferenzen durch benachbarte Zellen. Diese Interferenzen sind nicht orthogonal zu den Codes der dienenden Zelle, da die Verschlüsselungscodes unterschiedlich sind. Der Nettoeffekt ist, dass der Orthogonalitätsvorteil hauptsächlich Benutzern in der Nähe der Basisstation zugute kommt. Für Benutzer von Zellenrand dominiert Interferenz zwischen Zellen und Orthogonalität innerhalb einer Zelle bietet begrenzte Vorteile.

Techniken wie die fraktionale Frequenzwiederverwendung (FFR) und Soft Handover helfen bei der Steuerung von Interferenzen zwischen Zellen. Bei der Soft Handover kommuniziert ein Mobilgerät gleichzeitig mit mehreren Basisstationen, und das System kombiniert Signale von mehreren Zellen. Dies verringert Interferenzen, da Signale von nicht dienenden Zellen unterdrückt werden. Darüber hinaus verwendet die Inter-Zell-Interferenzkoordination (ICIC) in LTE und 5G NR (die OFDMA-basiert sind, aber CDMA-Konzepte enthalten) eine Ressourcenpartitionierung, um den Benutzern von Zellenkanten orthogonalen Code oder Frequenzressourcen zuzuweisen.

Fortgeschrittene Orthogonalcode-Techniken und zukünftige Richtungen

Die Forschung erweitert die Grenzen der CDMA-Leistung weiter, indem sie neue Codefamilien und Empfängerarchitekturen entwickelt, die die Grenzen traditioneller orthogonaler Codes überwinden.

Allgemeine Orthogonalcodes (GOC)

Die GOCs können mit Multiple-Input-Multiple-Output-Techniken kombiniert werden, um Raum-Zeit-Orthogonalität zu ermöglichen, die eine gleichzeitige Übertragung von mehreren Antennen ohne Interferenzen ermöglicht.

Forscher haben auch "superorthogonale" Codes untersucht, die auch bei Chip-Timing-Fehlern von bis zu einem halben Chip Orthogonalität beibehalten. Diese Codes verwenden Redundanz, um eine späte Entspreizung ohne Strafe zu ermöglichen. Während solche Codes die Kapazität reduzieren (da sie längere Sequenzen erfordern), können sie in Ad-hoc- oder Burst-Übertragungsszenarien nützlich sein, in denen die Synchronisation lose ist.

Nicht-orthogonale Multiple Access (NOMA) und CDMA

Moderne 5G- und Beyond-5G-Systeme gehen vom rein orthogonalen Multiple Access zu Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) über, bei dem die Nutzer den gleichen Code im Power-Domain teilen. In NOMA überlagert die Basisstation Signale verschiedener Nutzer mit unterschiedlichen Leistungspegeln und Empfänger verwenden sukzessive Interferenzunterdrückung (SIC) zur Dekodierung. Dieser Ansatz verbessert die spektrale Effizienz in massiven Konnektivitätsszenarien (z. B. IoT). Orthogonale Codes spielen eine unterstützende Rolle in NOMA, indem sie eine zweite Dimension (Code-Domain) bereitstellen, die mit Power-Domain-Multiplexing kombiniert werden kann.

Ein Hybridschema mit der Bezeichnung "Code-Domain NOMA" (CD-NOMA) weist beispielsweise spärliche Spreizcodes zu, die nicht vollständig orthogonal sind, aber eine geringe paarweise Kreuzkorrelation aufweisen. Der Empfänger verwendet zur Erkennung von Benutzern einen Nachrichtenübergabealgorithmus (MPA). Dieser Ansatz kann mehr Benutzer als orthogonale Codes allein unterstützen, was zu Lasten der erhöhten Empfängerkomplexität geht. Betreiber bewerten CD-NOMA für 6G-Systeme, die eine massive Konnektivität mit unterschiedlichen Datenraten erfordern.

Künstliche Intelligenz für Codezuweisung und -erkennung

Machine Learning Techniken, insbesondere Deep Neural Networks, werden zur Optimierung der Codezuweisung in Echtzeit eingesetzt. Ein verstärkender Lernagent kann die optimale Zuweisung von OVSF Codes in Abhängigkeit von Verkehrsmustern, Kanalqualität und Übergabewahrscheinlichkeiten erlernen. Erste Ergebnisse zeigen eine 10-15%ige Reduktion der Anrufblockierung im Vergleich zu heuristischen Algorithmen.

Die Empfänger können auch lernen, Intercode-Interferenzen ohne explizite Kanalschätzung zu mildern. Beispielsweise kann ein konvolutionales neuronales Netzwerk (CNN) das empfangene Basisbandsignal verarbeiten und die Symbole für jeden Benutzer direkt ausgeben, wodurch Mehrwege- und Zeitfehler, die die Orthogonalität zerstören, implizit kompensiert werden. Solche Ansätze sind rechenintensiv, können aber mit dedizierter Hardware in zukünftigen Basisstationen möglich werden.

Integration mit OFDM und FBMC

Orthogonales Frequenzmultiplexen (OFDM) verwendet orthogonale Subträger, um Intersymbolinterferenzen zu vermeiden. In LTE und 5G NR hat OFDM CDMA für die Luftschnittstelle ersetzt. Das Konzept der orthogonalen Spreizcodes wurde jedoch in Form von "Vorcodierung" für Mehrbenutzer-MIMO umfunktioniert. So kann die Basisstation den Nutzern auf derselben Zeit-Frequenz-Ressource orthogonale Strahlformungsvektoren zuweisen - dies ist mathematisch analog zur Zuordnung von orthogonalen Codes im räumlichen Bereich.

Filterbank-Multicarrier (FBMC) ist eine weitere Wellenform, die orthogonale Filter mit besserer spektraler Eindämmung als OFDM verwendet. In FBMC wird die Rolle von orthogonalen Codes durch orthogonale Polyphasenfilter ersetzt, die Benutzer sowohl in Zeit als auch in Frequenz trennen. Zukünftige Systeme können FBMC mit Code-Domain-Multiplexing für massive IoT-Szenarien kombinieren, in denen Tausende von Geräten kurze Pakete sporadisch übertragen.

Schlussfolgerung

Orthogonale Codes bleiben eine grundlegende Technologie für CDMA-Systeme, die es mehreren Benutzern ermöglicht, das gleiche Frequenzband mit minimalen Interferenzen innerhalb der Zelle zu teilen. Von den frühen Tagen der Walsh-Codes in IS-95 bis hin zu den flexiblen OVSF-Codes in WCDMA haben sich diese Sequenzen als unerlässlich erwiesen, um eine hohe Kapazität, ein robustes Interferenzmanagement und variable Datenraten zu erreichen. Während Herausforderungen wie Synchronisation, Multipath-Degradation und Codemanagement bestehen bleiben, werden die Fähigkeiten von Code-Division-Techniken weiter ausgebaut.

Da sich drahtlose Netzwerke in Richtung 6G entwickeln, werden die Prinzipien des orthogonalen Codedesigns wahrscheinlich an neue Domänen angepasst werden - wie Raum-Zeit-Codierung, Mehrbenutzer-MIMO und Vielfachzugriff auf spärliche Codes. Das Verständnis der Rolle orthogonaler Codes in CDMA ist daher nicht nur eine Lehre in früheren drahtlosen Technologien, sondern auch eine Grundlage für zukünftige Innovationen in Bezug auf massive Konnektivität und hocheffiziente Spektrumsfreigabe.

Externe Referenzen

  • 3GPP TS 25.213: "Spreading and modulation (FDD)" - beschreibt OVSF-Codes und Scrambling in WCDMA.
  • Viterbi, A. J. (1995). CDMA: Principles of Spread Spectrum Communication Addison-Wesley. – Classic text on orthogonal spreading.
  • Holma, H., & Toskala, A. (2011). LTE für UMTS: OFDMA und SC-FDMA-basierter Funkzugang. – Kontraste CDMA mit OFDMA.
  • Zappone, A., & Sanguinetti, L. (2022). "Maschinelles Lernen für drahtlose Kommunikation: Eine umfassende Umfrage." IEEE Kommunikationsumfragen & Tutorials - diskutiert AI in der Codezuweisung.
  • Dai, L., et al. (2015). "Nicht-Orthogonal Multiple Access for 5G: Lösungen, Herausforderungen, Chancen und zukünftige Forschungstrends." IEEE Communications Magazine - deckt die Codedomäne NOMA ab.