Das dauerhafte Vermächtnis der Code Division Multiple Access

Nur wenige Mobilfunktechnologien haben so viel Fußabdruck hinterlassen wie Code Division Multiple Access (CDMA). Erst Mitte der 1990er Jahre mit dem TIA/EIA-95 (IS-95)-Standard kommerzialisiert, führte CDMA eine grundlegend andere Art der Verwaltung knapper Funkfrequenzen ein. Anstatt Gespräche durch Zeitschlitze (TDMA) oder separate Frequenzkanäle (FDMA) zu unterteilen, ermöglichte CDMA jedem Nutzer gleichzeitig über denselben Breitbandträger zu senden. Jedem Anruf wurde ein eindeutiger Pseudozufallscode zugewiesen; der Empfänger konnte das beabsichtigte Signal auch dann herausgreifen, wenn Dutzende andere über die gleiche Luft sprachen.

Fast drei Jahrzehnte später wird CDMA auslaufen. Große Carrier in Nordamerika und Teilen Asiens haben ihre 2G- und 3G-CDMA-Netze geschlossen, um Frequenzen für 4G LTE und 5G New Radio (NR) freizugeben. Die Entwicklung von CDMA zu modernen Standards ist jedoch keine einfache Ersetzungsgeschichte. Die physikalischen Konzepte der Spread-Spektrum-Verarbeitung, Soft Handoffs und ausgefeilte Energiesteuerung, die CDMA erfolgreich gemacht haben, beeinflussen weiterhin, wie 4G- und 5G-Systeme entworfen, eingesetzt und betrieben werden.

Vom IS‐95 bis zum CDMA2000: Die 3G-Ära

Die erste Mainstream-CDMA-Variante, IS-95A, bot eine leitungsgeschaltete Stimme mit 9,6 kbps und einen bescheidenen Datenkanal von 14,4 kbps. Sein Nachfolger, IS-95B, erhöhte die Datenraten auf theoretische 115 kbps durch die Bündelung mehrerer Codekanäle. Der wahre Sprung kam jedoch mit der CDMA2000-Familie. CDMA2000 1x (auch 1xRTT genannt) verdoppelte die Sprachkapazität und führte immer ein Paketdaten mit bis zu 153 kbps ein - ein großer Schritt für frühe Smartphones, E-Mail und WAP-Browsing.

Für Betreiber, die einen höheren Datendurchsatz benötigten, ging der 1xEV‐DO (Evolution‐Data Optimized)-Standard noch weiter und widmete in seiner ersten Version einen vollen 1,25 MHz-Carrier für Paketdaten und erreichte Spitzenraten von 2,4 Mbps. Mitte der 2000er Jahre ermöglichte Rev. B von EV‐DO die Aggregation von Multicarriern, wodurch die theoretischen Grenzen über 14 Mbps hinausgingen. Diese Generation machte Streaming-Musik, Basisvideo und mobiles Web-Browsing für Millionen von Benutzern praktisch und zementierte CDMA als 3G-Technologie der Wahl für Carrier wie Verizon, Sprint, KDDI und LG U +.

Dennoch wurde die 3G CDMA2000-Architektur im Kern für die Sprache schaltungsgeschaltet. Da die Smartphone-Revolution den exponentiellen Datenbedarf antrieb, wurde der schaltungsgeschaltete Overhead zum Engpass. Die Betreiber benötigten einen all-IP-Paket-vermittelten Kern, um wirtschaftlich zu skalieren. Diese Anforderung wies auf eine völlig neue Funkzugangstechnologie hin: Long-Term Evolution.

Warum 4G CDMA hinter sich gelassen hat

Als 3GPP 2004 begann, LTE zu definieren, waren die Designziele 100 Mbps Downlink, 50 Mbps Uplink, Sub-20 ms Latenz und ein flaches All-IP-Netzwerk. Der Spreizansatz von CDMA konnte zwar robust gegen Interferenzen sein, konnte diese spektralen Spitzenwirkungsgrade jedoch nicht effizient erreichen. LTE übernahm Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) für den Downlink und SC-FDMA für den Uplink. OFDMA teilt den Träger in viele schmale orthogonale Unterträger, die jeweils einen Low-Rate-Stream tragen. Diese Struktur ist in Multipath-Umgebungen weitaus nachsichtiger, unterstützt flexible Bandbreiten (1,4 bis 20 MHz) und ermöglicht wichtige LTE-Funktionen wie MIMO und adaptive Modulation mit einfacherer Entzerrung.

Durch die Umstellung auf LTE konnten sich die Betreiber von CDMA2000 nicht mehr auf ihr bestehendes Funknetz verlassen. Neue Basisstationen (eNodeBs), neue Nutzerausstattung und ein völlig anderes Kernnetz (Evolved Packet Core, EPC) waren erforderlich. Die CDMA-Infrastruktur — Türme, Backhaul, Zellenstandorte, Stromversorgungssysteme — war jedoch bei weitem nicht veraltet. Die Betreiber begannen, LTE in ihrem bestehenden Spektrum zu überlagern, während sie gleichzeitig das CDMA für Sprach- und Fallback-Daten beibehalten. Diese Zeit der „Koexistenz stellte die Betreiber unter enormen Druck, zwei parallele Technologien zu verwalten, die jeweils ihre eigenen Operationen, Wartungen und Frequenzstrategien hatten.

Wie sich CDMA-Netzwerke entwickeln, um 4G und 5G zu unterstützen

Der Übergang von einem CDMA-zentrierten Netzwerk zu einem, das 4G und 5G vollständig unterstützt, beinhaltet viel mehr als den Austausch von Funkgeräten für Basisstationen. Es erfordert eine durchdachte Spektrumsumstellung, Dual-Mode-Kernintegration und einen eventuellen Sonnenuntergang von Altluftschnittstellen.

Spektrum-Refarming und LTE-Refarming

Die meisten CDMA-Betreiber hielten Lizenzen im 800-MHz-Band (Cellular), 1900-MHz-Band (PCS) und 700-MHz-Band. Da sich der Datenverkehr auf LTE und später verlagerte, reduzierten oder eliminierten die Carrier allmählich die CDMA-Leistung auf diesen Carriern. Zum Beispiel hat Verizon seinen 800-MHz-Blöckchenblock von CDMA auf LTE umverteilt, die Abdeckung verbessert und später als Low-Band-Anker für 5G NR verwendet. In ähnlicher Weise wurde das 1900-MHz-PCS-Spektrum von Sprint, das ursprünglich für CDMA-Stimme und EV-DO verwendet wurde, in LTE-Carrier-Aggregation und nach der T-Mobile-Fusion in 5G-NR-Breitkanäle umgewidmet.

Dieser Prozess ist heikel: CDMA-Sprachanrufe erfordern einen minimalen Footprint, und es kann zu Abdeckungslücken kommen, wenn die Umfarming zu aggressiv ist, bevor VoLTE (Voice over LTE) ausgereift ist. Carrier bewältigen den Übergang mit sorgfältiger Netzplanung, wobei in jedem Sektor oft ein einziger CDMA-Carrier für den Sprachausfall verbleibt, während der Rest LTE und NR zugewiesen wird.

VoLTE als VoIP-Brücke

Eines der größten Hindernisse für den CDMA-Ausstieg war die Sprachausgabe. CDMA2000 1x bot eine qualitativ hochwertige, leitungsvermittelte Stimme mit einem dedizierten Kanal, aber LTE ist ein Allpaket-Netzwerk. Betreiber setzten IMS-basiertes VoLTE ein, um den Sprachfluss als Priorität zu übertragen. Frühe VoLTE-Implementierungen standen vor Herausforderungen bei der Übergabe von Anrufen: Wenn ein Benutzer aus der LTE-Abdeckung ausstieg, musste der Anruf an CDMA 1x (SRVCC, Single Radio Voice Call Continuity) weitergegeben werden. Mit der Zeit, als die LTE-Abdeckung allgegenwärtig wurde und die VoLTE-Zuverlässigkeit verbessert wurde, reduzierten die Carrier die Abhängigkeit von CDMA-Sprache.

Für neuere 5G-Netze hat 3GPP Voice over NR (VoNR) mit demselben IMS-Kern spezifiziert. Die Interaktion zwischen VoNR und VoLTE (und, soweit noch vorhanden, CDMA) wird durch standardisierte Übergabeverfahren abgewickelt, obwohl keine neuen CDMA-zu-NR-Übergaben hinzugefügt werden. Der Prozess zeigt, wie die CDMA-Sprachinfrastruktur den Betreibern Zeit für den Aufbau eines tragfähigen All-IP-Sprachökosystems verschafft hat.

Dual Connectivity und Network Slicing

Selbst nach der Ablehnung von CDMA beeinflusst sein Vermächtnis die Bündelung des Spektrums. Bei 5G ermöglicht es Dual Connectivity (EN‐DC) einem Benutzergerät, sich gleichzeitig mit einer LTE-Ankerzelle (die möglicherweise auf dem ehemaligen CDMA-Spektrum liegt) und einer 5G-NR-Zelle zu verbinden. Der LTE-Anker trägt Steuersignalisierung und Daten mit niedriger Latenz, während der NR-Carrier einen hohen Durchsatz liefert. Dieser Ansatz, der manchmal als "non-standalone" (NSA) 5G bezeichnet wird, war bei frühen 5G-Rollouts von entscheidender Bedeutung, da er die bestehende LTE-Infrastruktur nutzt, von der einige auf dem neu ausgerichteten CDMA-Spektrum aufbauen.

Network Slicing, ein 5G-Kernkonzept, ermöglicht es Betreibern, virtuelle End-to-End-Netzwerke zu entwickeln, die für bestimmte Dienste (eMBB, URLLC, mMTC) optimiert sind. Während CDMA kein Slicing hatte, lehrte die operative Disziplin des Managements mehrerer QoS-Profile über einen gemeinsamen CDMA-Carrier die Betreiber die Bedeutung einer differenzierten Behandlung. Die heutigen Slicing-Mechanismen erben diese Philosophie, setzen sie jedoch mit softwaredefinierten Netzwerken und cloud-native-Architekturen um.

Massive MIMO und Beamforming auf Refarmrum

CDMA-Basisstationen verwendeten typischerweise Zwei-Port-Antennen für die Übertragung von Diversität. Ein Upgrade auf massive MIMO (z. B. 64- oder 128-Elementarrays) kann die Kapazität auf den gleichen Frequenzbändern dramatisch erhöhen. Carrier wie Verizon haben massive MIMO auf 1900 MHz PCS-Spektrum eingesetzt, das ursprünglich CDMA zugewiesen wurde. Durch die Verwendung der gleichen Turmstandorte und oft des gleichen Backhauls erzielen sie LTE- und NR-Durchsatzgewinne von 3-5x, ohne dass neue Zellen benötigt werden Standorte.

Beamforming — die Ausrichtung des Funksignals auf einen bestimmten Benutzer — verbessert auch die Abdeckung des Mittelbandspektrums. Dies ist besonders wichtig im 2,5-GHz-Band, das Sprint für seine CDMA- und WiMAX-Netzwerke verwendet und das T‐Mobile jetzt für 5G verwendet. Beamforming und MIMO sind fortschrittliche Techniken, die auf herkömmlicher CDMA-Hardware nicht möglich gewesen wären, aber die für CDMA gebaute Standortakquisition, Stromversorgung und Montageinfrastruktur bilden die physische Grundlage.

Herausforderungen in der Evolution

Trotz der Vorteile ist der Übergang von CDMA zu 4G/5G komplex. Netzwerkingenieure müssen sich technischen, betrieblichen und geschäftlichen Herausforderungen stellen, um Service-Degradation und Kundenabwanderung zu vermeiden.

Legacy Device Support

Millionen von Feature-Telefonen, medizinischen Alarmgeräten, Fahrzeug-Telematikgeräten und Industriesensoren setzen immer noch auf CDMA. CDMA ohne einen klaren Ersatzpfad kann wesentliche Dienste stranden. Die geplante Abschaltung von 3G-CDMA-Netzwerken in den Vereinigten Staaten durch die FCC bis Ende 2022 zwang viele Unternehmenskunden, ihre Flottenhardware zu aktualisieren. Einige Branchen wie Landwirtschaft und Öl und Gas sahen sich mit monatelanger Vorlaufzeit konfrontiert 4G/5G-kompatible Modems. Carrier schwächten dies ab, indem sie subventionierte Upgrade-Programme anboten und Sonnenuntergangszeiten Jahre im Voraus veröffentlichen, aber der Übergang bleibt für Kunden mit großen Einsatzbasen kostspielig.

Interoperabilität und Handover-Optimierung

Während der Koexistenzphase müssen LTE- und CDMA-Netzwerke Sprach- und Datensitzungen nahtlos abgeben. Inter-RAT-Übergaben (Radio Access Technology) führen zu Latenz und Signalisierungs-Overhead. Betreiber haben jahrelang Schwellenwerte und Nachbarlisten abgestimmt, um Anrufe zu minimieren, wenn ein Benutzer von LTE zu CDMA-Abdeckung wechselte - ein besonders heikles Problem in städtischen Korridoren, in denen die Signalstärken schnell schwanken. Mit dem Abschalten von CDMA werden diese Inter-RAT-Parameter obsolet, aber sie erfordern einen erheblichen technischen Aufwand, während sie aktiv sind.

Spektrumfragmentation

Da CDMA 1,25 MHz-Carrier verwendete und LTE mindestens 1,4 MHz-Kanäle benötigt (wobei die Breite weitaus effizienter ist), kann die Refarming-Regelung zu ungeraden Kanalzuweisungen führen. Betreiber halten manchmal fragmentierte Blöcke von 5 oder 10 MHz-Stücken über mehrere Bänder hinweg, die nicht einfach zu einem einzigen breiten Carrier zusammengefasst werden können. Carrier-Aggregation (CA) hilft, aber CA erhöht die Komplexität des Modemdesigns und der Netzplanung. In Märkten, in denen CDMA-Betreiber nur schmale Schichten besaßen, hat sich der Übergang zu LTE oder 5G ohne zusammenhängende Bandbreite als Wettbewerbsnachteil gegenüber Betreibern mit großem, ununterbrochenem Spektrumbestand (z. B. C-Band 5G) erwiesen.

Investitions- und Zeitdruck

Um ein landesweites CDMA-Netz auf LTE/5G umzurüsten, sind Milliarden von Dollar Kapital erforderlich – nicht nur für Radios, sondern auch für Backhaul-Glasfasern, Stromaufrüstungen, neue Antennen und die Modernisierung des Kernnetzes. Carrier müssen diese Investition gegen die Einnahmen der alten Nutzerbasis abwägen. CDMA zu früh herunterzufahren kann Postpaid-Abonnenten verärgern; es zu lange zu verzögern, um Capex zu verdichten, mit dem 5G verdichtet werden könnte. Wir haben gesehen, dass einige Carrier, wie Verizon, die CDMA-Abschaltung erst im Dezember 2022 abschließen, fast 12 Jahre nach dem Start von LTE. Andere, wie Sprints Legacy-Netzwerk unter T-Mobile, haben CDMA bis März 2022 heruntergefahren. Die Planungszyklen wurden in Jahren gemessen.

Chancen, die durch die Evolution geschaffen wurden

Derselbe Übergang, der die Betreiber herausfordert, eröffnet auch erhebliche wirtschaftliche und technische Möglichkeiten. Mit der Ausmusterung von CDMA wird das gesamte Spektrumsportfolio — manchmal sogar 20-30 MHz bundesweit — frei, das in sehr leistungsfähige Betreiber umgewandelt werden kann. So sind beispielsweise die Frequenzen „Extended Range 5G von T‐Mobile für 600 MHz und „Midband für 2,5 GHz beide auf Frequenzen angewiesen, die zuvor CDMA (und GSM im Falle des aus der 600-MHz-Auktion erworbenen 600-MHz-Bands) übertragen haben.

Ultra-Reliable Low-Latency Communications (URLLC)

Die codebasierte Struktur von CDMA war nicht für die Sub-1-ms-Round-Trip-Latenz konzipiert, die die industrielle Automatisierung und Fernchirurgie erfordern. Moderne 5G-NR, die auf OFDMA mit Mini-Slots, Pre-Emption und Grant-freier Übertragung aufgebaut ist, kann diese Leistung liefern. Sobald die CDMA-Schicht entfernt wird, kann das Kernnetzwerk wirklich End-to-End-IP sein, schaltungsgeschaltete Sprachgateways eliminieren und Latenz reduzieren. Carrier können dann URLLC als Service-Tier anbieten, unterstützen intelligente Fabriken, autonome mobile Roboter und Augmented-Reality-Overlay-Anwendungen in der Fertigung.

Massive Machine-Type Communications (mMTC)

IoT-Geräte verwendeten CDMA traditionell für niedrige Rate, intermittierende Daten (z. B. Smart Meter, Asset Tracker). Diese Geräte waren durch die Batterielebensdauer und den Verbindungs-Overhead von CDMA begrenzt. Die Entwicklung zu LTE‐M und NB‐IoT – beide auf OFDMA basierend, aber für geringe Leistung und massive Dichte optimiert – gibt Betreibern die Möglichkeit, weit mehr Geräte pro Zelle anzuschließen. Beispielsweise unterstützt NB‐IoT bis zu 100.000 Geräte pro Zelle, verglichen mit einigen Tausend für CDMA. Der Ruhestand von CDMA ermöglicht es Betreibern, IoT-Kunden auf diese neueren, effizienteren Standards zurückzugreifen, Netzwerkstaus zu reduzieren und die Batterielebensdauer des Geräts auf 10 Jahre oder mehr zu verlängern.

Cloud-native Kernnetze

Die letzte Stufe der CDMA-Evolution ist der Wechsel zu einem Cloud-nativen 5G-Core. Legacy CDMA und sogar frühe LTE-Netzwerke setzten auf speziell gebaute Hardware - ein 3G-MSC (Mobile Switching Center) für Sprache, ein PDSN (Packet Data Serving Node) für Daten. Moderne 5G-Cores sind virtualisierte Netzwerkfunktionen (VNFs), die auf Allzweckservern mit NFV und SDN laufen. Diese Architektur verkürzt die Zeit für die Bereitstellung neuer Dienste radikal (von Monaten auf Tage) und ermöglicht das Network Slicing. Erstmals kann eine einzelne Infrastruktur eine Scheibe für autonomes Fahren mit einstelliger Millisekundenlatenz neben einer Scheibe für massives IoT mit niedrigem Durchsatz und langer Akkulaufzeit hosten - alles ohne CDMA-Ära schaltungsvermitteltes Vermächtnis.

Die Zukunft der mobilen Netzwerke jenseits von CDMA

Da 5G-Stand-alone-Netze (SA) zur Norm werden, wird CDMA in die Geschichte eingehen. Bereits heute haben führende Betreiber wie Verizon und T-Mobile die CDMA-Abschaltung abgeschlossen. In anderen Märkten – insbesondere in Japan, Südkorea und Australien – sind ähnliche Sonnenuntergangsdaten vergangen oder stehen bevor. Auch Regionen, in denen CDMA später eingesetzt wurde, wie Teile Lateinamerikas und Indiens, beschleunigen die LTE-Einführung mit Blick auf 5G.

Das bedeutet nicht, dass die technische DNA des CDMA fehlt. Die Spread-Spektrum-Prinzipien, die CDMA so erfolgreich gemacht haben – insbesondere seine Störfestigkeit und seine Fähigkeit, mit niedrigen Signal-Rausch-Verhältnissen zu arbeiten – wurden in das vielfältige Wellenformdesign von 5G NR übernommen. So unterstützt 5G NR sowohl CP‐OFDM als auch DFT‐OFDM, und die obere Schicht verwendet ähnliches codebasiertes Multiplexing für Steuerkanäle. Soft Handoff, ein Markenzeichen von CDMA, wurde durch effizientere Techniken wie Dual Connectivity und koordinierte Mehrpunktübertragung ersetzt, aber das zugrunde liegende Ziel der nahtlosen Mobilität bleibt bestehen.

Im weiteren Sinne hat die CDMA-Evolution der Mobilfunkbranche entscheidende Lehren für das Management von Technologieübergängen vermittelt: frühzeitig in IP-Kerne investieren, die Frequenzumstellung Jahre im Voraus planen und den Unternehmenskunden klare Zeitpläne für den Sonnenuntergang mitteilen.

Für Netzwerkingenieure und Flottenbetreiber, die derzeit auf CDMA-vernetzte Geräte setzen, ist die Botschaft klar: Das Fenster schließt sich. Das Testen und Qualifizieren von LTE- oder 5G-Ersatz, die Bereitstellung von IMS-basierter Voice über VoLTE oder VoNR und die Sicherung kompatibler Module sollten oberste Priorität haben. Die Richtung der Branche ist irreversibel und die Möglichkeiten – vom massiven IoT bis hin zu ultrazuverlässigen Diensten mit niedriger Latenz – sind zu groß, um sie zu ignorieren.

Zusätzliche Lektüre: 3GPP 5G System Overview, FCC CDMA/3G Shutdown Information, und Qualcomm: CDMA2000 Evolution to 4G LTE