Was sind Multiple Access Techniken?

Mehrfachzugriffstechniken bilden das Rückgrat moderner drahtloser und kabelgebundener Kommunikationssysteme. Sie ermöglichen mehreren Benutzern oder Geräten, eine endliche Kommunikationsressource wie ein Funkfrequenzband oder eine kabelgebundene Übertragungsleitung ohne destruktive Störungen zu teilen. Da der globale Datenverkehr sein exponentielles Wachstum fortsetzt, angetrieben durch Streaming-Video, Cloud-Dienste und das Internet der Dinge (IoT), war die Notwendigkeit, maximale Effizienz aus jedem Hertz Spektrum herauszuholen, noch nie größer. Effektiver Mehrfachzugriff wirkt sich direkt auf die spektrale Effizienz, die Benutzerkapazität, die Latenz und den gesamten Netzwerkdurchsatz aus.

Einfach ausgedrückt definiert eine Mehrfachzugriffstechnik, wie das gemeinsame Medium unter den Teilnehmern aufgeteilt wird. Die Aufteilung kann im Frequenzbereich, im Zeitbereich, im Codebereich, im räumlichen Bereich oder in einer beliebigen Kombination davon erfolgen. Jede Domäne liefert eine eindeutige Familie von Protokollen, vom klassischen Frequenzbereich Multiple Access (FDMA) bis zum innovativen nicht orthogonalen Multiple Access (NOMA), der im 5G New Radio verwendet wird. Die Wahl der richtigen Technik - oder Orchestrierung von Techniken - ist eine grundlegende Systementwurfsentscheidung, die vorgibt, wie viele Teilnehmer eine Basisstation bedienen kann, wie zuverlässig sie kommuniziert und wie viel Energie das Netzwerk verbraucht.

Kerntypen von Multiple Access Techniken

Während viele proprietäre und hybride Zugangsmethoden existieren, verlassen sich die meisten modernen Systeme auf eine Handvoll etablierter Familien.

Frequenzbereich Multiple Access (FDMA)

FDMA ist die älteste und konzeptionell einfachste Methode. Das verfügbare Frequenzband wird in schmalere Teilbänder aufgeteilt, die jeweils einem einzelnen Benutzer für die Dauer eines Anrufs oder einer Sitzung zugewiesen sind. Der Sender des Benutzers belegt dieses Teilband kontinuierlich, während Empfänger Bandpassfilter verwenden, um das gewünschte Signal zu isolieren. FDMA wird in analogen Systemen wie AMPS (Advanced Mobile Phone System) verwendet und ist immer noch in digitalen Satellitenverbindungen und einigen Wi-Fi-Kanälen vorhanden.

Der Hauptvorteil von FDMA ist die geringe Komplexität und die minimale Interferenz zwischen Benutzern, wenn Schutzbänder ausreichen, aber sie leidet unter einer schlechten spektralen Effizienz, wenn die Benutzer im Leerlauf sind, weil die zugewiesene Bandbreite von anderen während der Stillezeiten nicht wiederverwendet werden kann. Darüber hinaus ist eine strenge Frequenzplanung erforderlich, um Nachbarkanalstörungen zu vermeiden, die Spektrum auf Schutzbändern verschwenden. FDMA allein ist selten ausreichend für moderne Hochleistungsnetze, dient aber oft als Komponente in hybriden Systemen.

Time Division Multiple Access (TDMA)

TDMA teilt den Kanal in sich wiederholende Frames, die jeweils in Zeitschlitze unterteilt sind. Jeder Benutzer erhält einen exklusiven Slot, um seine Daten zu übertragen. Diese Technik ist grundlegend für das Global System for Mobile Communications (GSM), Satellitensysteme wie Iridium und viele industrielle Funkstandards. Ein TDMA-Rahmen enthält typischerweise eine Reihe von Slots, wobei jeder Slot einen Datenstoß von einem bestimmten Benutzer trägt.

TDMA verbessert die Bandbreitenauslastung im Vergleich zu reinem FDMA, da ein einzelner Frequenzkanal mehrere Benutzer unterstützen kann. Es vereinfacht auch die digitale Planung und ermöglicht eine flexible Zuweisung von Slot-Dauern. TDMA erfordert jedoch eine enge Synchronisation über alle Benutzer hinweg, um Überlappungen zu vermeiden, und die Schutzzeiten zwischen den Slots verbrauchen einige Overhead. Wenn ein Benutzer wenig zu übertragen hat, bleibt der Slot leer - eine Form von Ineffizienz, die statistische Multiplexverfahren (wie paketbasierter Zugriff) abschwächen können.

Code Division Multiple Access (CDMA)

CDMA stellt einen Paradigmenwechsel dar: Anstatt die Benutzer in Frequenz oder Zeit zu trennen, können alle Benutzer gleichzeitig über das gesamte Spektralband senden, aber das Signal jedes Benutzers wird mit einem eindeutigen Spreizcode codiert. Im Empfänger wird das gewünschte Signal durch Korrelation mit dem passenden Code wiederhergestellt, während Signale mit unterschiedlichen Codes als Low-Level-Rauschen erscheinen. CDMA ist die Grundlage des IS-95 (cdmaOne) und 3G UMTS Standards.

Die Hauptvorteile von CDMA sind die Widerstandsfähigkeit gegen Mehrweg-Verblassen, inhärente Sicherheit (da Codes pseudozufällig sind) und die Fähigkeit, Soft Handoffs zu unterstützen. Es bietet auch eine natürliche anmutige Verschlechterung: Mit zunehmender Anzahl von Benutzern steigt der Rauschpegel an und der Signal-Rausch-Abstand (SNR) jedes Benutzers nimmt langsam ab, anstatt eine harte Kapazitätsbegrenzung zu haben. Der Hauptnachteil ist die Notwendigkeit einer präzisen Stromregelung. Andernfalls kann ein Benutzer in der Nähe einen entfernten überwältigen (das "Nah-Fern" -Problem).

Orthogonale Frequenzdivision Multiple Access (OFDMA)

OFDMA ist eine Mehrbenutzerversion des Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), der Breitbandkanal ist in viele orthogonale Unterträger unterteilt, deren Unterträger unterschiedlichen Nutzern zugeordnet sind, oft adaptiv pro Übertragungszeitintervall. Diese Technik ist der Kern der physikalischen 4G LTE- und 5G NR-Schichten. OFDMA kombiniert die Vorteile von FDMA (Frequenz-Domänen-Trennung) mit der Flexibilität von TDMA (Zeit-Domänen-Zeitplanung).

OFDMA zeichnet sich durch die Handhabung frequenzselektiver Fading aus: Durch die Zuweisung von Subträgern, die günstige Kanalbedingungen für jeden Benutzer erfahren, kann der Scheduler einen nahezu optimalen Durchsatz erzielen. Er unterstützt auch feinkörnige Ressourcenblöcke, was eine sehr effiziente Zuweisung für platzenden Datenverkehr ermöglicht. Die Hauptkosten sind die Notwendigkeit zyklischer Präfixe zur Bekämpfung von Intersymbolstörungen, die Empfindlichkeit gegenüber Carrier-Frequenz-Offset und das hohe Peak-to-Age-Power-Verhältnis (PAPR), das Anforderungen an die Verstärkerlinearität stellt.

Spatial Division Multiple Access (SDMA)

Mit dem Aufkommen von Multiple-Antennen-Arrays (MIMO) ist der räumliche Mehrfachzugriff praktisch geworden. SDMA nutzt die räumliche Dimension aus, indem es einzelne Strahlen auf verschiedene Benutzer richtet. Mehrere Benutzer können auf der gleichen Zeit-Frequenz-Ressource bedient werden, solange ihre räumlichen Signaturen ausreichend trennbar sind. SDMA ist ein Schlüsselfaktor für massive MIMO in 5G-Basisstationen, wo Dutzende oder Hunderte von Antennenelementen eine präzise Energiefokussierung ermöglichen.

Der Kapazitätsgewinn aus SDMA ist multiplikativ: Bei perfektem Kanalwissen kann die Summenrate linear mit der Anzahl der Antennen steigen. SDMA erfordert jedoch genaue Kanalzustandsinformationen am Sender (CSIT), was bei hohen Benutzergeschwindigkeiten schwierig zu erreichen ist. Es erfordert auch eine ausgeklügelte Signalverarbeitung und -koordination über mehrere Antennen hinweg, was den Hardware- und Rechenaufwand erhöht.

Faktoren, die die Kanaleffizienz bestimmen

Kanaleffizienz ist keine einzelne Metrik; sie umfasst die spektrale Effizienz (Bits pro Sekunde pro Hertz), Energieeffizienz (Bits pro Joule), Latenz, Fairness unter den Nutzern und die Fähigkeit, unterschiedliche Verkehrsmuster zu unterstützen.

  • Bandwidth Resource Granularity: Techniken, die eine feinkörnige Ressourcenzuweisung ermöglichen (wie die Ressourcenblöcke von OFDMA), können vielen IoT-Geräten mit niedriger Datenrate dienen, ohne Kapazität zu verschwenden. Grobe Granularität (z. B. große FDMA-Kanäle) führt zu einer Unterauslastung, wenn Benutzer kleine Pakete haben.
  • Überkopf- und Schutzintervalle: Jedes Mehrfachzugriffsschema führt eine Form von Überkopf-Schutzbändern in FDMA, Schutzzeiten in TDMA, zyklische Präfixe in OFDMA oder Codesynchronisation in CDMA ein.
  • Multipath und Fading Resilience: CDMA und OFDMA sind von Natur aus robust gegen Multipathen, wenn auch durch verschiedene Mechanismen. FDMA und TDMA können unter tiefen Fades über ein gesamtes Subband oder einen Slot leiden, was Linkadaption oder Diversity-Techniken erfordert.
  • Interferenzmanagement In zellularen Netzwerken verwenden Nachbarzellen Frequenzen wieder. Mehrere Zugriffstechniken interagieren mit Interferenzkoordination zwischen Zellen. OFDMA ermöglicht eine fraktionierte Frequenzwiederverwendung, während CDMA auf Soft Handover und Stromsteuerung setzt.
  • Skalierbarkeit für massive Konnektivität: Für IoT-Szenarien mit Millionen von Geräten wird der Signalisierungs-Overhead für die Planung (z. B. in TDMA) unerschwinglich. Zufälliger Zugang und zuschussfreie NOMA zeichnen sich ab, um dies zu beheben.

Mehrfachzugriff für maximale Effizienz: Praktische Strategien

In realen Netzwerken ist keine einzelne Mehrfachzugriffstechnik universell optimal. Ingenieure kombinieren mehrere Techniken und erweitern sie mit fortschrittlichen Planungsalgorithmen, um ein robustes und effizientes System zu schaffen. Die folgenden Ansätze werden in kommerziellen Anwendungen weit verbreitet.

Hybride Zugangsregelungen

Die erfolgreichsten Mobilfunkstandards sind Hybride. LTE verwendet OFDMA im Downlink und SC-FDMA (Single-Carrier FDMA) im Uplink, um PAPR zu reduzieren. Innerhalb von OFDMA sind Ressourcenblöcke zeitlich weiter unterteilt (je 1 ms Subframe) und Frequenz (12 Subcarrier pro Block), was FDMA und TDMA effektiv kombiniert. CDMA wurde auch in Kombination mit TDMA in frühen 3G-Standards verwendet (z. B. WCDMA enthält Zeitschlitze pro Code). Hybridschemata ermöglichen es Designern, die Stärken jeder Technik zu nutzen und Schwächen auszugleichen.

Adaptive Ressourcenallokation

Die statische Zuweisung von Ressourcen (z. B. feste Frequenzbänder für jeden Benutzer) ist sehr ineffizient. Moderne Systeme verwenden dynamische Scheduler, die zeit-frequenzräumliche Ressourcen basierend auf aktuellen Kanalbedingungen, Verkehrswarteschlangen und QoS-Anforderungen zuweisen. Beispielsweise aktualisiert der LTE-Scheduler Ressourcenblockzuweisungen alle 1 ms unter Verwendung von Kanalqualitätsindikatoren, die von Benutzergeräten gemeldet werden. In ähnlicher Weise unterstützt 5G NR die Mini-Slot-Zeitplanung für eine ultrazuverlässige Kommunikation mit niedriger Latenz (URLLC). Die adaptive Zuweisung maximiert den Durchsatz, indem Benutzern mit günstigen Kanälen mehr Ressourcen zur Verfügung gestellt werden, während Fairness durch proportionale Fairness oder Max-Min-Zeitplanung gewährleistet wird.

Koordiniertes Multipoint (CoMP) und Interferenzmanagement

Selbst das beste Mehrfachzugriffsschema kann Interferenzen nicht allein lösen. CoMP-Techniken koordinieren Übertragungen über mehrere Basisstationen hinweg, so dass Signale von benachbarten Zellen entweder das gewünschte Signal verstärken (gemeinsame Übertragung) oder Kollisionen vermeiden (Störungsvermeidung), was besonders bei OFDMA-Systemen, bei denen Störungen zeitlich und frequenzmäßig ausgerichtet werden können, eine ähnliche Rolle spielt, indem ein Benutzer gleichzeitig mit mehreren Basisstationen verbunden werden kann.

Spectrum Sharing und Cognitive Radio

Mehrfachzugriff ist nicht auf lizenzierte Bänder beschränkt. In nicht lizenzierten Spektrum (z. B. Wi-Fi, Bluetooth) werden inhaltsbasierte Protokolle wie Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA) verwendet. Diese sind keine traditionellen deterministischen Zugangstechniken, sondern fallen unter den Dachschirm der Kanalfreigabe. Kognitives Radio erweitert diese Idee, indem es sekundären Benutzern ermöglicht, opportunistisch auf Spektrumlöcher zuzugreifen, ohne primäre Benutzer zu schädigen. Ein solcher dynamischer Zugang kann die gesamte spektrale Nutzung über den gesamten Bereich des Funkspektrums dramatisch verbessern.

Fortgeschrittene und zukünftige Zugangstechniken

Da sich drahtlose Netzwerke in Richtung 6G und darüber hinaus entwickeln, erforschen Forscher neue Paradigmen für mehrere Zugriffe, die die Orthogonalitätsbeschränkung durchbrechen und die Effizienz weiter steigern.

Nicht-Orthogonal Multiple Access (NOMA)

NOMA ermöglicht es bewusst mehreren Benutzern, die gleiche Zeit-Frequenz-Ressource mit unterschiedlichen Leistungspegeln zu teilen. Der Empfänger führt eine sukzessive Interferenzunterdrückung (SIC) durch, um zuerst das stärkere Signal zu dekodieren, es zu subtrahieren und dann das schwächere zu dekodieren. Dies kann erhebliche Kapazitätsgewinne bieten, insbesondere in Zellenzentrums- und Zellenrandszenarien. NOMA ist bereits Teil der 3GPP Release 16 und 17 Spezifikationen für 5G (Multi-User Superposition Transmission, MUST). Der Kompromiss ist die erhöhte Empfängerkomplexität und die Notwendigkeit einer genauen Kanalschätzung.

Grant-Free und Sparse Code Multiple Access (SCMA)

Für massive Maschinenkommunikation (mMTC) erzeugt der herkömmliche Grant-basierte Zugriff (Anfordern einer Ressource, Warten auf eine Grant, dann Senden) zu viel Overhead. Grant-freie Schemata ermöglichen es Geräten, Daten sofort mit vorkonfigurierten Ressourcen zu übertragen. SCMA ist eine Form von Code-Domain NOMA, bei der Benutzer ihre Bits auf spärliche Codebücher abbilden; der Empfänger verwendet Nachrichtenübergabealgorithmen, um die überlagerten Signale zu trennen. Diese Technik kann eine hohe Überlastung unterstützen (aktivere Benutzer als Ressourcenelemente) und gleichzeitig eine geringe Latenz beibehalten.

Rate-Splitting Multiple Access (RSMA)

RSMA ist ein neuerer Vorschlag, der den herkömmlichen Mehrfachzugriff verallgemeinert, indem er die Nachricht jedes Benutzers in gemeinsame und private Teile aufteilt. Der gemeinsame Teil wird von allen Benutzern dekodiert, während der private Teil nur vom beabsichtigten Empfänger dekodiert wird. Dieser Ansatz bietet Robustheit bei unvollkommenem Kanalwissen und kann NOMA in störungsbegrenzten Szenarien übertreffen. RSMA wird aktiv für 6G- und Satellitenkommunikation erforscht.

Real-World-Anwendungen in allen Branchen

Mehrere Zugangstechniken sind nicht auf Mobiltelefone beschränkt, sondern werden in einem breiten Spektrum von Technologien mit jeweils einzigartigen Optimierungszielen angewendet.

  • ]Zellulare Netzwerke (4G/5G): OFDMA + FDMA + TDMA + SDMA (massive MIMO). Hybride Systeme bieten hohe spektrale Effizienz, geringe Latenz und Unterstützung für massives IoT.
  • Wi-Fi (IEEE 802.11ax/be): OFDMA wurde in Wi-Fi 6 eingeführt, um die Effizienz in dichten Bereitstellungen zu verbessern und den älteren CSMA/CA-inhaltsbasierten Zugang zu ersetzen.
  • Satellitenkommunikation: DVB-S2X und DVB-RCS2 verwenden MF-TDMA (Multifrequenz-TDMA) für Rückverbindungen, die Frequenz- und Zeitteilung kombinieren.
  • Industrielles IoT und Sensornetzwerke: TSCH (Time-Slotted Channel Hopping) in IEEE 802.15.4e verwendet TDMA in Kombination mit Frequenzsprung für Zuverlässigkeit in rauen industriellen Umgebungen. LoRaWAN verwendet Aloha-ähnlichen Zufallszugriff mit Spread-Spektrum (Chirp Spread-Spektrum, eine Form von CDMA).
  • Radioastronomie und Radar: In gemeinsamen Frequenzbändern stellt der kognitive Mehrfachzugriff sicher, dass Radioteleskope ohne schädliche Störungen durch Kommunikationssignale beobachten können.

Schlussfolgerung

Die Maximierung der Kanaleffizienz durch Mehrfachzugriffstechniken ist eine multidimensionale Herausforderung, die fast jede Schicht des Netzwerkdesigns betrifft. Von den klassischen FDMA und TDMA bis hin zu den anspruchsvollen OFDMA, NOMA und SDMA der heutigen 5G-Systeme bietet jede Technik einzigartige Kompromisse in Bezug auf Komplexität, Interferenztoleranz und Ressourcengranularität. Eine erfolgreiche Implementierung beruht selten auf einer einzigen Methode; stattdessen kombinieren und passen Ingenieure diese Schemata an die Verkehrsmuster, die Ausbreitungsumgebung und die Qualitätsanforderungen der Zielanwendung an. Da die Industrie auf 6G mit Terahertz-Frequenzen und extremer Verdichtung drängt, wird die nächste Generation von Mehrfachzugriffstechniken - wahrscheinlich auf Rate-Splitting, Grant-freie Übertragung und gemeinsame Kommunikation - entscheidend sein, um das volle Potenzial des elektromagnetischen Spektrums zu erschließen. Das Verständnis der Grundlagen des Mehrfachzugriffs bleibt eine wesentliche Fähigkeit für jeden Fachmann, der in der Telekommunikation, Netzwerktechnik oder drahtlosem Systemdesign arbeitet.

Für weitere Informationen lesen Sie die 3GPP-Spezifikationsserie zu physikalischen Schichtverfahren (TS 38.214 für NR) oder die Artikel der IEEE Communications Surveys & amp; Tutorials zu NOMA und RSMA. Der ITU-R M.2375-0-Bericht über die technische Machbarkeit von IMT-2020 bietet auch einen maßgeblichen Überblick über mehrere Zugangsanforderungen für fortschrittliche mobile Systeme.