CDMA Kanäle
Logische Kanäle
CDMA Traffic Channel
Forward Traffic Channel
Backward Traffic Channel
CDMA Empfänger
CDMA Handover
Nah-Fern Problem
Synchronisation der Basisstationen
Direct Sequence Spread Spectrum
Qualcomm Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) zur Spreizung seiner digitalen Signale. Die Bitrate der Qualcomm Systems war hierbei 19,2 kbit/s und somit etwas niedriger als die kanal-Bitrate von GSM 24,7 kbit/s. Zur Spreizung wurden Codes/Folgen von 64 bit verwendet. Es entsteht eine höhere Bitrate, welche man Chiprate nennt von 1,2288 Mbit/s. Dadurch wird auch die Bandbreite 1,25 MHz breit.
Qualcomm benutzte zwei Arten von Spreizkodes für DSSS. 64 bit Walsh Kodes die wir bereits beschrieben haben. Außerdem benutzt man zwei Pseudo Noise Sequenzen der Länge 32767. Solche „Maximalfolgen“ lassen sich relativ einfach aus Schieberegistern (in diesem Fall mit der Länge 15) erzeugen. Dies sind Speicher die jeweils ein bit Elementen die in Reihe angeordnet sind. Mit jedem Takt werden alle bits um eine Position weitergeschoben. An bestimmten Stellen werden die bits mit dem letzten bit über ein logisches UND verknüpft. Auf diese Weise entstehen alle erdenkbaren Kombinationen von Bitfolgen (außer der Nullreihe). Das Spektrum dieser Folgen ist ideal flach. Vergleicht man beliebige Sequenzen einer Folge, indem man sie miteinander multipliziert und die Ergebnisse addiert (Autokorrelation) so sind die Ergebnisse immer sehr klein bis auf den Fall, dass diese direkt aufeinander fallen. Somit eignen sich die PN-Sequenzen auch ausgezeichnet zur Synchronisation.
Für das Spreading multipliziert man den Datenstrom erst mit einem 64 bit Walsh Code. Dadurch entsteht eine Chipdatenrate von 1,2288 Mbit/s. Dieser Strom wird in einen I und Q Strom aufgeteilt und dort mit unterschiedlichen PN Strömen versehen. I und Q gehen nach Filterung in einen I-Q-Modulator.
Somit werden 64 verschieden Kanäle möglich.
CDMA Kanäle
Wie IS-54 muss auch CDMA mit AMPS koexistieren bzw. dessen Frequenzbänder verwenden. Da AMPS 30 kHz Kanäle hat und CDMA 1,25 MHz, benötigt man 41 AMPS Kanäle plus 2 x 9 Kanäle oberhalb und unterhalb des CDMA Kanals als Schutzzone. Man braucht also 59 AMPS Kanäle. Wenn zwei CDMA Kanäle nebeneinander liegen, so brauchen sie lediglich 100 AMPS Kanäle. Jeder CDMA Kanal kann, wie wir sehen werden 50 Gespräche bearbeiten. Zwei Kanäle somit 100. Also scheint es gegenüber dem AMPS keinen wirklichen Gewinn zu geben. Nun kann CDMA jedoch einen wesentlichen Vorteil ausspielen. Es kann auf allen Zellen mit der gleichen Frequenz arbeiten. Es muss also nicht wie bei TDMA/FDMA Systemen stets unterschiedliche Frequenzen an den Zellgrenzen geben, um Interferenz zu vermeiden. Für CDMA ist eine Nachbarzelle nur eine Geräuschquelle deren Effekte sie eliminieren kann.
Logische Kanäle
Wie GSM und IS-54 benötigt auch CDMA neben Kanälen auf denen „gesprochen wird“, den Traffic Channels TCH auch logische Kanäle zum Austausch von Kontrollinformationen. Alle CDMA Kanäle unterscheiden sich durch Walsh Kode Nummern, 0,…,63
- WK 0 Pilot Channel
- WK 1-7 Paging Channels
- WK 7-31 Traffic Channels
- WK 32 Sync Channel
- WK 33-63 Traffic Channels
Pilot Channel
Der Pilot Channel enthält keine Information. Er sendet nur 0-Werte. Allerdings sendet die Basisstation den Pilot Channel mit höchster Sendestufe doppelt so stark wie alle anderen. Wichtig sind gerade beim Pilot Channel die PN Sequenzen. Jede Basisstation benutzt die gleichen PN Sequenzen aber mit einem unterschiedlichen Versatz (Offset) von 64 Chips. Dadurch ist jede (benachbarte) Basisstation unterscheidbar.
Anders als TDMA hat CDMA keine Zeitschlitze, welche den Beginn von ankommenden Datenströmen signalisieren. Der Beginn eines CDMA Datenstroms wird durch die PN-Synchronisation gegeben welche einen Chip-genauen Zeitpunkt definiert.
Synchronisation Channel
Die eigentlichen Informationen über das Netz und die Basisstation enthält der Synchronisation Channel mit dem Walsh Code 32. Mit dem Synchronisation Channel werden alle Informationen übertragen, welche eine Mobilstation für die weitere Interaktion mit dem Netzwerk benötigt. Unter anderen:
- System Identifier
- Network Identifier
- PN-Offset (welcher die Basisstation auszeichnet)
- System Time (vom Global Positioning System GPS)
- Lokale Zeit
- Datenrate der Paging Channels
- CDMA Frequenz
Paging Channel
Wie bei GSM beinhaltet der Paging Channel Informationen über einen potentiell ankommenden Anruf. Der Paging Channel enthält auch Informationen zum Rufaufbau. Außerdem Systeminformationen wie die Grenzwerte an denen ein Handover durchzuführen oder die Liste der PN Offsets der benachbarten Basisstationen.
CDMA Traffic Channel
Der Traffic Channel welcher Sprache (oder Daten) überträgt ist verschieden im Uplink (von Mobiltelefon zur Basisstation), bei CDMA Reverse Channel genannt und dem Downlink (von Basisstation zur Mobiltelefon), bei CDMA Forward Channel genannt.
Forward Traffic Channel
Wie bei GSM werden die Daten durch einen Faltungskode geschützt. Dies verdoppelt zunächst die Datenrate zu
- 28,8 kbit/s
- 19,2 kbit/s
- 9,6 kbit/s
- 4,8 kbit/s
- 2,4 kbit/s
Wie bereits besprochen ist bei CDMA die Eingangsdatenrate vor der Spreizung 19,2 kbit/s. Die Datenraten des alten Fullrate Kodierers sind somit eigentlich zu hoch. Man löst dies Problem durch „Puncturing“. Man lässt einfach 2 von 6 bits weg in der Annahme das der Kanaldekoder diese Werte wieder reproduzieren wird. Bei Bitraten kleiner als 19,2 kbit/s wiederholt man einfach die bits, bis man auf die richtige Bitrate kommt. Um kurzeitige Sendeeinbrüche zu korrigieren, macht man auch bei CDMA ein Interleaving. Man verteilt ein Sprachframe auf 6 verschiedene Sendeblöcke.
Es folgt eine Verschlüsselung der Signale. Hierzu hat CDMA eigene Verschlüsselungsmechanismen entwickelt. Die Verschlüsselung ist jedoch einfach, durch „VerODERung“ des Signals mit einem Schlüssel.
Nun wird noch ein weiterer Kontrollkanal dem Traffic Channel hinzugefügt. Dieser dient zur Sendeleistungssteuerung der Mobilstation. Hierfür fügt man einfach 800-mal pro Sekunde ein Kontrollbit in die Sendesequenz ein.
Das fertige Signal spreizt man mit einem 64 bit Walsh Kode, wobei jeder Traffic Channel seinen eigenen Walsh Code bekommt. Wie oben beschrieben kommt wird am Ende noch ein PN Code auf den I und den Q Pfad gebracht. Dieser PN Code identifiziert die Basisstation durch den vorgegebenen Offset.
Schnelle Kontrollinformationen können in einen Traffic Channel bei Bedarf eingefügt werden. Hierzu stellt man den Sprachcodec für ein Frame einfach auf die niedrigste Stufe und verwendet die freiwerdenden bits für die Übertragung der Kontrollinformation.
Backward Traffic Channel
Die Sprachverarbeitung ist in der Mobilstation gleich wie in der Basisstation. Das Sprachsignal wird kodiert, dann durchläuft es den Faltungsenkoder. Dieser hat die Rate 1/2 beim 14,4 kbit/s Full rate Kodierer und die Rate 1/3 beim 9,6 kbit/s Sprachkodierer. Dabei erhält man in jedem Fall eine Datenrate von 28.8 kbit/s. Die Daten beim Backward Traffic Channel werden also stärker geschützt als beim Forward Traffic Channel. Es folgt wie beim Forward Channel ein Interleaving.
Anders als beim Forward Channel wird jetzt nicht mit einem Walshkode gespreizt, sondern es wird mit einem Walshkode moduliert. Wie bei der oben beschriebenen Mariner 9 Mission wird ein Kodewort mit 6 bit mit einem 64 bit Walshkode bit kodiert. Daraus entsteht nun eine Bitrate von 302,7 kbit/s. Diese wird dann final mit einem sogenannte PN Long Sequenz weitergespreizt bis man 1.2288 Mbit/s erhält. Diese Chiprate wird dann wieder mit PN Short Sequenzen versehen, die keinen Abstand zu der PN Sequenz der Basisstation haben.
CDMA Empfänger
CDMA sendet seine Signale mit einer sehr hohen Chiprate von 1,2288 Mbit/s. Die Chips sind somit extrem kurz was bei einer Multipath Umgebung unweigerlich zu einer Inter Chip Interferenz führt. Der CDMA-Empfänger empfängt nicht nur eine Signalfolge, sondern mehrere identische Signalfolgen die sich durch eine Laufzeitverzögerung und eine unterschiedliche Amplitude unterscheiden.
Auf der Empfängerseite geht man wie folgt mit diesem Problem um. Statt mit einem CMDA Empfänger (Despreader) arbeitet man mit mehreren Empfängern, in unserem Beispiel 4 verschiedene. Hierbei empfängt man das Line of Sight direkt und entspreizt es mit dem zugehörigen Walshkode. Alle anderen Pfade werden um die Zeit d1, d2 und d3 verzögert und ebenso entspreizt. Durch Verzögerungsglieder bringt man die Resultate der Entspreizung (Korrelation und Integration) wieder zusammen und erhält einen Wert für das wahrscheinliche Datenbit (Soft bit)
Der Mehrpfadempfänger ähnelt einer Forke und wird deshalb im englischen Rake Receiver genannt. Die einzelnen Empfängerpfade nennt man die „Finger“ des Rake Receivers. Nicht gezeigt in der Abbildung oben sind die Schätzungen des Kanals, im Wesentlichen die Verzögerungen und wie man diese ständig erneuert. Dies sind die Feinheiten bei der Entwicklung eines guten Rake Receivers.
CDMA Handover
Eines der Probleme welches Qualcomm bei der Einführung von CDMA zu lösen hatte war das Handover Problem also wie schafft man einen nahtlosen Übergang von einer Zelle zu einer neuen Zelle.
Wie bei TDMA basierten Zellen misst auch ein CDMA-System regelmäßig die Empfangsstärken der benachbarten Basisstationen und teilte der Basisstation und dessen Switching Center die Resultate mit. Kommt eine Mobilstation nun in einen Übergangsbereich zu einer neuen Basisstation so beginnt öffnet diese eine Traffic Channel mit dem identischen Walsh Code. Für eine kurze Dauer senden beide Basisstationen zeitgleich und synchron die gleichen Daten. Dies wird durch die Rake Receiver Struktur des Empfängers als ein „neuer Pfad“ gemessen und in den Empfang einbezogen. Wenn nun die alte Basisstation aufhört zu senden läuft das Gespräch mit der neuen Basisstation weiter, ohne dass groß geschaltet werden muss. Allerdings erkennt die Mobilstation an dem neuen PN-Versatz, dass es nun auf einer neuen Basisstation arbeitet.
Nah-Fern Problem
Lange Zeit wurde angenommen, dass ein CDMA-System nicht funktionieren kann. Der Grund dafür war das Nah-Fern Problem. Nehmen wir an, alle Mobilstationen senden mit gleicher Leistung. Dann wird eine Mobilstation welche sich nahe der Basisstation befindet mit großer Leistung empfangen, während eine Mobilstation welche sich fern zur Basisstation befindet mit sehr geringer Leistung empfangen wird. Bei FDMA und TDMA ist die kein Problem da der Funkkanal bzw. der Zeitschlitz ja exklusiv für eine Kommunikation vergeben wird egal ob nah oder fern. Bei CDMA sollten jedoch alle Signale mit der gleichen Leistung ankommen, um sie anhand des Spreizcodes auseinander halten zu können. Wenn jedoch auch nur eine Mobilstation „zu laut“ sendet unterdrückt sie die anderen Teilnehmer. Wenn wir uns an das Party Effekt Beispiel erinnern, entspricht dies einer Situation, in der manche Teilnehmer flüstern während andere brüllen. Die Flüsterer wird man nicht mehr wahrnehmen können.
Im CDMA System wurden zwei Mechanismen für dieses Problem eingeführt die Open Loop Leistungskontrolle und die Closed Loop Leistungskontrolle.
In der Open Loop Leistungskontrolle misst die Mobilstation die Leistung der Basisstation. Je nachdem ob die Leistung groß oder klein ist, sendet die Mobilstation mit kleiner oder großer Leistung. Auf diese Art und Weise gewinnt man einen guten Anfangswert für die Closed Loop Steuerung. Die Basisstation prüft die ankommende Leistung eine Mobilstation fortwährend. Ist die Leistung zu gering sendet die Basisstation über den Traffic Channel sofort Informationen die Leistung zu erhöhen. Gleiches gilt, wenn die Leistung von der Basisstation als zu niedrig bewertet wird. In diesem Fall wird die Mobilstation aufgefordert die Leistung zu senken. Dies geschieht mit hoher Geschwindigkeit, da sich auch die Leistung sehr schnell ändern kann, wenn zum Beispiel eine Mobilstation erst von einem Gebäude verdeckt wird und dann plötzlich wieder eine direkte Funkstrecke zur Basisstation hat.
Diese Leistungssteuerung war eines der Schlüsselpatente von Qualcomm. Kein CDMA-System kann ohne eine solche Steuerung funktionieren.
Synchronisation der Basisstationen
Bei digitalem Empfang von Daten ist eine genaue Synchronisation zwischen der Basisstation und der Mobilstation notwendig. Hierfür gibt es Synchronisationskanäle sowohl bei TDMA als auch bei CDMA. Aber hier synchronisiert sich die Mobilstation stets mit der Basisstation. Beim CDMA Handover ist es kommt es nun aber vor, dass eine Mobilstation Daten von zwei Basisstationen gleichzeitig empfängt. Damit dies funktioniert müssen alle Basisstationen auch untereinander exakt synchronisiert sein.
Dieses Problem löst CDMA bzw. Qualcomm durch ein „Artfremdes“ System, dem Global Positioning System.
GPS dient zur genauen Positionierung eines Objektes im Raum bzw auf der Erdoberfläche. Dies geschieht mit Hilfe von Satelliten, welche um auf bestimmten Umlaufbahnen um die Erde kreisen. 24 insgesamt. Diese Satelliten senden eine PN-Sequenz so wie diejenige die wir schon bei CDMA kennengelernt haben. Neben der PN-Sequenz sendet der Satellit auch seine Identität, seine Bahn und die genaue Uhrzeit. Die PN-Sequenz dient dazu, dass man genau die Zeit messen kann, die ein Signal vom Satelliten zum Empfänger braucht. Mit der genauen Uhrzeit, die angibt, wann das Signal gesendet wurde, ist es möglich die Entfernung des Satelliten zu bestimmen. Hat man 4 oder mehr solcher Sendesignale ist es möglich die Position zu errechnen. Wichtig ist für CDMA jedoch nicht die Position, sondern die genaue Zeit, die dazu genutzt wird die Basisstationen zu synchronisieren.
Qualcomm hatte Glück. Das GPS-System wurde Ende der achtziger Jahre gestartet und war 1993 in Betrieb, gerade rechtzeitig für die ersten Feldversuche von CDMA.