Codemultiplexverfahren (CDMA)
Was ist CDMA?
Codemultiplexverfahren (auf Englisch: Code-Division Multiple Access, CDMA) ist eine entscheidende Zugriffsmethode auf Kanäle, die in der Telekommunikation eingesetzt wird. Im Gegensatz zu anderen Methoden wie Time-Division Multiple Access (TDMA) oder Frequency-Division Multiple Access (FDMA), die einzelnen Nutzern bestimmte Zeitfenster oder Frequenzbänder zuweisen, ermöglicht CDMA mehreren Sendern, gleichzeitig Informationen über einen einzigen Kommunikationskanal zu übertragen. Diese besondere Fähigkeit, das gleiche Frequenzband ohne Interferenzen zu teilen, macht CDMA unverzichtbar in verschiedenen Bereichen, einschließlich Mobilfunkstandards, GPS-Systemen und Satellitenkommunikation.
Kerntechnologien von CDMA
Im Kern der CDMA-Technologie liegt die Spread-Spectrum-Technologie, die Frequenzen effizient unter den Nutzern verteilt. Diese Technik verteilt die Signalenergie über eine breite Bandbreite, reduziert Interferenzen und erhöht die Robustheit des Systems. Ein unterscheidendes Kodierungsschema, ein Spreizcode oder eine Sequenz, erkennt Nutzersignale und ermöglicht deren Trennung beim Empfänger.
Diese Codes besitzen einzigartige mathematische Eigenschaften, die die Unabhängigkeit der Signale sicherstellen. Die Informationen des Nutzers werden mit dem Spreizcode multipliziert und über einen umfassenden Frequenzbereich verteilt. Derselbe Code wird anschließend beim Empfänger verwendet, um das Signal zu entspreizen und die Informationen des beabsichtigten Nutzers zu isolieren.
Bandbreitenoptimierung
CDMA optimiert die verfügbare Bandbreite, indem es den gesamten für die Kommunikation zugewiesenen Frequenzbereich nutzt. Im Gegensatz zu FDMA, wo jedem Nutzer ein dediziertes Frequenzband zugewiesen wird, ermöglicht CDMA allen Nutzern, gleichzeitig zu übertragen und das gesamte Frequenzspektrum zu nutzen. Diese effiziente Bandbreitennutzung bietet eine höhere Kapazität für gleichzeitige Nutzer, was CDMA zu einer attraktiven Wahl für Kommunikationssysteme mit hoher Nutzerdichte macht.
Modulationstechniken und Anwendungen
Verschiedene Modulationsschemata werden in CDMA eingesetzt, um die Robustheit und Effizienz des Systems zu verbessern. Diese Schemata bestimmen die Methode, mit der Informationen für die Übertragung auf das Trägersignal kodiert werden.
Häufig verwendete Schemata umfassen:
| Technik der Modulation | Beschreibung | Wesentliche Merkmale | Allgemeine Anwendungen |
|---|---|---|---|
| BPSK (Binäre Phasenumtastung) | Moduliert die Phase des Trägersignals, um Daten zu übertragen, wobei zwei Phasen eine binäre 0 und 1 darstellen | Einfach und robust gegen Rauschen Weniger bandbreiteneffizient im Vergleich zu Verfahren höherer Ordnung | Satellitengestützte Kommunikation RFID und NFC Anwendungen für niedrige Bandbreiten |
| QAM (Quadratur-Amplituden-Modulation) | Kombiniert Amplituden- und Phasenmodulation, um mehrere Bits pro Symbol zu übertragen, wodurch höhere Datenraten möglich werden | Höhere spektrale Effizienz Komplexer, erfordert besseres Signal-Rausch-Verhältnis | Kabelmodem und Breitband Digitaler TV-Rundfunk Hochgeschwindigkeits-Internetdienste |
| OFDM (Orthogonales Frequenzmultiplexverfahren) | Teilt die verfügbare Bandbreite in mehrere Unterträger auf, von denen jeder einen Teil der Daten überträgt, um die Effizienz zu verbessern und Störungen zu verringern | Höhere spektrale Effizienz Komplexer, erfordert ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis | 4G LTE– und 5G-Mobilfunknetze Drahtloses und Breitband-Internet Digitaler Rundfunk (DAB, DVB) |
Anwendung von CDMA in verschiedenen Bereichen
CDMA hat eine weit verbreitete Nutzung in verschiedenen Bereichen gefunden, wodurch die Landschaft der Kommunikation umgestaltet und die Navigationsfähigkeiten verbessert wurden.
Mobilfunkstandards und deren Entwicklung
CDMA hat erheblich zur Entwicklung von Mobilfunkstandards beigetragen. Frühe Standards wie IS-95 (cdmaOne) boten im Vergleich zu analogen Systemen eine erhöhte Kapazität und bessere Gesprächsqualität. Die nachfolgende Evolution zu CDMA2000 führte zu höheren Datenraten und legte den Grundstein für 3G-Standards wie W-CDMA. Mit dem Aufkommen von 5G jedoch stellen Mobilfunkbetreiber CDMA zugunsten neuerer Technologien ein.
GPS und Satellitenkommunikation
CDMA findet Anwendung in der Global Positioning System (GPS)-Technologie und der Satellitenkommunikation.
- GPS: CDMA ermöglicht die gleichzeitige Signalübertragung von mehreren Satelliten und stellt so genaue Positionsangaben für GPS-Empfänger weltweit sicher.
- Satellitenkommunikation: CDMA optimiert die Bandbreitennutzung und ermöglicht es mehreren Nutzern, Daten gleichzeitig zu übertragen, was eine effiziente Kommunikation sicherstellt.
Spread Spectrum und Modulationsprozess
Im Modulationsprozess von CDMA wird ein CDMA-Signal erstellt, indem das Informationssignal des Nutzers mit einem Spreizcode multipliziert wird. Diese Aktion verteilt die Energie des Signals über einen breiteren Frequenzbereich und erhöht die Widerstandsfähigkeit gegen Interferenzen.
Die Auswahl des Spreizcodes und des Modulationsschemas wird an die spezifischen Systemanforderungen angepasst, um optimale Leistung und Zuverlässigkeit zu gewährleisten.
Herausforderungen in CDMA-Systemen
Eine der Herausforderungen in CDMA-Systemen ist die asynchrone Übertragung. Dies erfordert den Einsatz von pseudozufälligen Sequenzen, um empfangene Signale zu synchronisieren und zwischen Nutzern zu unterscheiden.
Zusätzlich tritt das Near-Far-Problem auf, wenn Nutzer sich in unterschiedlichen Entfernungen von der Basisstation befinden, was zu Unterschieden in der Signalstärke führt. CDMA-Systeme mildern dieses Problem durch Leistungskontrolltechniken.
Eine effektive Kontrolle der Signalstärke ist in CDMA-Systemen entscheidend, um Interferenzen zu vermeiden und die Systemkapazität zu optimieren. CDMA-Sender verwenden Leistungskontrollalgorithmen, um die Übertragungsleistung basierend auf der empfangenen Signalstärke zu regulieren. Dies minimiert Interferenzen und erhöht die Gesamteffizienz des Systems.
Referenzen
- Torrieri, Don (2018). Principles of Spread-Spectrum Communication Systems, 4th ed.
- Stuber, Gordon L. (2017). Principles of Mobile Communication, 4th ed.
- Robert Price (28 Julio 1982). “Oral-History: Claude E. Shannon”. Engineering and Technology History Wiki.
- Code-division multiple access – Wikipedia
- What is CDMA (Code-Division Multiple Access)?
- What is CDMA and How Does it Work?