- Code Division Multiple Access
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Das Codemultiplexverfahren (Code Division Multiplex, CDM oder Code Division Multiple Access, CDMA) ist ein Multiplexverfahren, das die gleichzeitige Übertragung verschiedener Datenströme auf einem gemeinsamen Frequenzbereich ermöglicht.
Prinzip
Ein Datenbit wird in eine dem Sender zugewiesene Bitfolge, den Spreizcode übersetzt. Zur Übertragung des Bitwerts 0 wird der Spreizcode selbst, für den Bitwert 1 der inverse Spreizcode übertragen. Die Signale unterschiedlicher Sender, die auf der gleichen Frequenz ausstrahlen, unterscheiden sich im Spreizcode. Die Bits des Spreizcodes nennt man Chips.
Der Empfänger filtert das Signal eines bestimmten Senders aus dem Signalgemisch heraus, indem er die Korrelation zwischen dem ihm bekannten Codemuster des Senders und dem Signalgemisch berechnet. Die Korrelationsfunktion liefert den Wert 1 für das Datenbit 1 und -1 für das Datenbit 0. Wenn der Sender gar nicht sendet, liefert die Korrelation den Wert 0.
Um eine gegenseitige Beeinflussung der Signale der unterschiedlichen Sender zu verringern, werden Codemuster ausgewählt, die unabhängig voneinander sind. Man bezeichnet solche Codemuster dann als orthogonal. Die Chips weisen eine Verteilung auf, die von einem Rauschsignal nicht zu unterscheiden ist (pseudo random noise).
Die Kapazität des Systems erhöht sich durch das parallele Senden mehrerer Signale nicht, da dies mit einer höheren Chiprate und damit mit einem breitbandigeren Signal erkauft werden muss. Es ergeben sich aber Vorteile, weil Störungen in einem engen Frequenzbereich nicht ein Signal komplett unterbrechen, sondern alle Signale nur leicht stören.
Eingesetzt wird das Codemultiplexverfahren beim neuen Mobilfunkstandard der dritten Generation, dem Universal Mobile Telecommunications System (UMTS), unter der Bezeichnung WCDMA für Wideband Code Division Multiple Access. Die hierbei eingesetzte Bandbreite liegt, je nach Netzbetreiber, bei 4,4–5 MHz.
Bei UMTS können den Sendern unterschiedlich lange Codemuster zugewiesen werden. Je länger der Code, umso geringer ist die Nutzdatenrate. Dafür erhöht sich die Anzahl möglicher Nutzer, bzw. verringert sich die Sendeleistung. Für eine Bruttodatenrate von 1920 kbps im Uplink wird beispielsweise ein Codemuster mit der Länge 4 bit verwendet; bei 30 kbps Bruttodatenrate ist der Code 256 bit lang. Dabei wird eine konstante chip rate von 3,84 Mcps und das Modulationsverfahren QPSK verwendet.
Auch der amerikanische 3G-Standard cdma2000 basiert auf CDMA. Weltmarktführer für CDMA-Technologie ist Qualcomm. Die Firma besitzt auch die Rechte an den meisten wichtigen CDMA-Patenten.
Die Firmen Alcatel Shanghai Bell und Datang Mobile haben in Zusammenarbeit mit Siemens zwischen November 2001 und August 2005 einen dritten CDMA-Standard für die mobile Kommunikation der dritten Generation entwickelt, TD-SCDMA, der auf dem chinesischen Markt in den Einsatz kommen soll.
Eine weitere Anwendung für CDMA sind die Satellitennavigationssysteme GPS und Galileo.
Anschauung
(1) Vier Fotos als Spreizcodes.
(2) Rückgewinnung eines Datenbits durch Korrelation mit dem ersten Spreizcode aus (1).
(3) Ergebnisse, wenn statt Fotos Pseudo-Rauschbilder verwendet werden.
(4) Überlagerung zweier Spreizcodes und ihre Trennung durch Korrelation.
Anhand von Bildern lässt sich das CDMA-Verfahren veranschaulichen. Die Fotos im Bild (1) stehen für 3 unterschiedliche Spreizcodes. Das zweite Teilbild ist der inverse Code zum ersten Bild. Das letzte Teilbild kommt der Forderung nach einem rauschähnlichen Signal recht nahe.
Die Bildfolge (2) stellt 4 verrauschte Fotos vor. Es handelt sich um die junge Frau aus (1), darunter ihr inverses Bild, rechts Nietzsche und darunter ein beliebiges Rauschbild.
Rechts von den Fotos steht das Resultat, wenn sie mit dem Foto der jungen Frau (erstes Bild aus (1)) korreliert werden, dem Spreizsignal. Die linken beiden Fotos korrelieren recht gut, einmal positiv und einmal negativ. Ganz anders die rechten Fotos. Die Korrelationsbilder zeigen lediglich ein wolkiges Grau ohne ein Maximum in Zentrum.
Die Korrelation verbessert sich, wählt man pseudozufallsverteilte Spreizcodes. Das erste Bild der Bildfolge (3) wiederholt das Rauschbild aus (1), aber mit zusätzlichem Rauschen. Das Korrelationssignal hat sich zu einem scharfen Peak im Zentrum eingeschnürt, sodass das Bild das Untergrundsignal nicht mehr auflösen kann. In der unteren Bildfolge diente ein beliebiges Rauschbild als Eingabe. Wie erwartet ist im Ergebnis keinerlei Korrelation zu erkennen.
Die letzte Simulation (4) geht wieder von dem verrauschten Rauschbild aus, das auch in Bildfolge (3) als Grundlage diente. Das untere linke Teilbild ist eine Inversdarstellung eines weiteren Pseudorausch-Spreizbildes, ebenfalls zusätzlich verrauscht. Das mittlere Teilbild ist das Ergebnis einer Überlagerung beider Bilder. Auch hier wurde zusätzlich Rauschen hinzugefügt. Eine Korrelation mit dem Spreizbild aus (1) zeigt eine positive Korrelation. Wenn man dasselbe Bild mit dem Spreizsignal korreliert, auf dem die Inversdarstellung unten links basiert, errechnet man eine negative Korrelation.
Ist der Spreizcode unbekannt, sehen die Bilder aus wie Rauschen. Im ganzen Bild steckt jeweils ein Informationsbit eines Senders. Das letzte Beispiel verdeutlicht, dass sich die Signale vieler Sender überlagern lassen, ohne die Information zu verlieren. Wegen der großen Spreizung auf den großen Bildbereich ist das Verfahren wenig anfällig gegenüber Rauschen, und nahezu unangreifbar durch schmalbandige Frequenzstörungen.
Weiterentwicklung
Da das CDMA-Prinzip schon seit längerem bekannt ist, und mit den Mobilfunkstandards weitere Verfahren wie Interleaving, Viterbi-Algorithmus bekannt sind, wurde CDMA zu IDMA weiterentwickelt.
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