Was ist CDMA-Zeitdiversität?
Die CDMA-Zeitdiversität (im Englischen: CDMA Time Diversity) ist eine Technik, die in Code Division Multiple Access (CDMA)-basierten Kommunikationssystemen verwendet wird, um die Übertragungszuverlässigkeit zu erhöhen. Sie basiert auf dem Prinzip, dass Informationen zu verschiedenen Zeitpunkten gesendet werden, sodass bei Störungen oder Ausfällen zu einem bestimmten Zeitpunkt dennoch andere zeitlich versetzte Kopien empfangen werden können. Diese Redundanz in der Zeit erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass die gesendeten Daten korrekt beim Empfänger ankommen.
CDMA-Systeme wie WCDMA (Wideband CDMA) oder cdma2000 profitieren besonders von der Zeitdiversität, da sie ohnehin schon mit Spreizcode-Technologien arbeiten, die ein gewisses Maß an Robustheit gegenüber Interferenzen bieten. Durch die Kombination mit Zeitdiversität wird die Widerstandsfähigkeit gegen Signalverluste, Mehrwegeausbreitung (Multipath Fading) und temporäre Interferenzen zusätzlich verbessert.
Grundprinzip der Zeitdiversität in CDMA
Bei der Zeitdiversität werden dieselben Daten mehrfach, aber zu unterschiedlichen Zeitpunkten gesendet. Dies kann entweder explizit durch Wiederholung (Repetition Coding) oder implizit durch Codierungsverfahren wie Fehlerkorrektur-Codes (z. B. Turbo-Codes oder Convolutional Codes) erfolgen. In einem CDMA-System bedeutet dies, dass ein Datenpaket in mehreren Frames oder Slots gesendet wird, wobei jeder Slot ein eigenes Zeitfenster im Übertragungsrahmen darstellt.
Wenn eines dieser Zeitfenster durch Fading oder Störungen unbrauchbar wird, kann der Empfänger dennoch mithilfe der anderen zeitlich versetzten Kopien oder durch Rekonstruktion aus den Fehlerkorrekturinformationen die Originaldaten korrekt entschlüsseln.
| Aspekt | Beschreibung |
|---|---|
| Ziel | Erhöhung der Übertragungszuverlässigkeit bei zeitlich variablen Kanalbedingungen |
| Umsetzung | Daten werden mehrfach und zeitversetzt gesendet |
| Techniken | Fehlerkorrekturcodes, Interleaving, Wiederholungsverfahren |
| Vorteile | Robustheit gegenüber Fading, Interferenzen und Signalverlust |
| Einsatzbereich | WCDMA, cdma2000, LTE-Vorläufertechnologien |
Implementierungsmethoden der Zeitdiversität
In CDMA-Systemen wird Zeitdiversität oft in Verbindung mit Interleaving und Fehlerkorrekturcodierung realisiert. Beim Interleaving werden die Bits eines Datenstroms so verteilt, dass aufeinanderfolgende Bits auf verschiedene Zeitabschnitte gelegt werden. Sollte ein Zeitabschnitt durch Fading betroffen sein, betrifft dies nur einen kleinen Teil der gesamten Information, was durch die Fehlerkorrektur rekonstruierbar bleibt.
Typische Verfahren in CDMA-Zeitdiversitätssystemen:
- Block-Interleaving: Die Daten werden in Blöcken gespeichert und dann zeilenweise gesendet, sodass Störungen auf eine Zeitreihe begrenzt bleiben.
- Fehlerkorrektur mit Turbo-Codes: Hochleistungsfähige Codes, die auch bei stark gestörtem Kanal eine genaue Rekonstruktion ermöglichen.
- Soft Combining: Wenn mehrere Versionen eines Datenpakets empfangen werden, kombiniert der Empfänger sie statistisch gewichtet, um die bestmögliche Schätzung zu erhalten.
Welche Rolle spielt Zeitdiversität bei der Mobilkommunikation?
In der Mobilkommunikation ändern sich die Kanalbedingungen ständig, etwa durch Bewegung, Abschattung, Reflexionen oder wechselnde Umweltbedingungen. Zeitdiversität hilft, temporäre Störungen auszugleichen, indem sie mehrere zeitlich versetzte „Chancen“ bietet, dieselben Informationen zu empfangen. In Kombination mit Frequenzdiversität und Raumdiversität (z. B. durch MIMO) entsteht ein robustes Übertragungssystem.
Wie unterscheidet sich Zeitdiversität von anderen Diversitätsmethoden?
Im Gegensatz zur Frequenzdiversität, bei der die gleiche Information auf unterschiedlichen Frequenzen übertragen wird, oder zur Raumdiversität, bei der mehrere Antennen verwendet werden, nutzt die Zeitdiversität allein die zeitliche Dimension. Das bedeutet, dass die Übertragung zu verschiedenen Zeitpunkten erfolgt, um die Wahrscheinlichkeit eines erfolgreichen Empfangs zu erhöhen. Alle diese Diversitätsmethoden können in Kombination genutzt werden, um die Gesamtleistung zu verbessern.
Wie wirkt sich Zeitdiversität auf die Datenrate aus?
Die Verwendung von Zeitdiversität kann je nach Implementierung die effektive Datenrate reduzieren, insbesondere wenn explizite Wiederholungen verwendet werden. Jedoch wird diese Reduktion durch die erhöhte Zuverlässigkeit und die Möglichkeit zur Fehlerkorrektur mehr als ausgeglichen. Bei moderner Codierungstechnik wie Turbo-Codes kann eine hohe Zuverlässigkeit ohne signifikanten Einfluss auf die Datenrate erreicht werden.
Welche Beispiele für Zeitdiversität gibt es im realen Netzbetrieb?
In UMTS (WCDMA) wird Zeitdiversität durch Interleaving über mehrere 10-ms-Frames hinweg realisiert. Auch im HSPA (High Speed Packet Access) wird durch HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request) eine effektive Zeitdiversität implementiert, bei der fehlerhafte Pakete erneut angefordert und intelligent kombiniert werden. Dies führt zu einer signifikant besseren Nutzererfahrung in schwankenden Funkbedingungen.
CDMA-Zeitdiversität ist somit ein zentrales Element in der Architektur robuster digitaler Kommunikationssysteme. Sie bietet eine elegante Lösung zur Stabilisierung der Übertragung unter realen Bedingungen, in denen perfekte Kanalqualität nicht garantiert werden kann. Mit zunehmender Komplexität moderner Mobilfunknetze bleibt die Rolle der Zeitdiversität weiterhin bedeutsam, insbesondere in Verbindung mit anderen Diversitäts- und Codierungstechniken.