Qualcomms CDMA-Leistungsregelung: Jedes Telefon flüstert, damit alle sprechen können

In den späten 1980er-Jahren war die Mobiltelefonie ein Zuteilungsproblem: Man gab jedem Anrufer eine Frequenz oder einen Zeitschlitz und dazwischen Schutzbänder. Qualcomm, damals überwiegend ein Unternehmen für Satellitenkommunikation, plädierte für das Gegenteil – jedes Mobiltelefon sollte auf denselben Frequenzen zur selben Zeit senden, allein durch einen Spreizcode getrennt, und die Leistungsregelung sollte das tragende Merkmal des gesamten Systems werden.

Die Physik sprach dagegen. Der terrestrische Pfadverlust folgt einem Gesetz der vierten Potenz: In einer Zelle von fünf Meilen kann der Abstand um das Hundertfache variieren und der Pfadverlust um mehr als 80 Dezibel, sodass ein unkontrolliertes Telefon nahe am Funkmast eines am Zellenrand übertönt. Qualcomms im November 1989 eingereichtes Patent schließt den Regelkreis – jedes Telefon misst das empfangene Pilotsignal und passt seine Leistung umgekehrt an, während die Zellenstation jedes ankommende Signal misst und weitere Korrekturen in Richtung des minimalen Pegels befiehlt, der noch kommuniziert.

Der Lohn für ein Flüstern ist, dass alle flüstern dürfen. Wenn jeder Sender auf seinem Mindestpegel gehalten wird, bleibt der Interferenzboden niedrig genug, damit alle Codes dekodiert werden können, und dasselbe Spektrum wird in jeder Zelle wiederverwendet. Die Kapazitätsarbeit von 1991 von Gilhousen, Jacobs, Padovani, Viterbi, Weaver und Wheatley bezifferte den Gewinn, und das Verfahren wurde zum funktionierenden Kern des zellularen CDMA.

Jedes Signal kommt gleich schwach an

Ein CDMA-Empfänger hört jeden Nutzer als Rauschen, daher wird die Kapazität durch die gesamte Interferenz bestimmt – jeder Nutzer, der weniger sendet, überlässt den anderen buchstäblich Kapazität.

Die Schätzung im offenen Regelkreis allein kann Fading und Entfernungsänderungen nicht nachführen, daher übernimmt der befehlsgesteuerte Regelkreis auf der Funkmastseite die Feinabstimmung.

Frequenzschlitze und Zeitschlitze waren bis an ihre Grenzen ausgereizt; die Codeteilung verlagerte den Kampf von der Infrastruktur auf die Disziplin der Sender.

Der Regelkreis war eine Härtung dessen, was Qualcomm bereits auf Satellitenstrecken betrieb, wo der Pfadverlust nur um 1–2 dB schwankt; eine terrestrische Zelle umspannt über 80 dB.

Die Lösung für eine Ressource, die durch ihre lautesten Nutzer ruiniert wird, sind nicht mehr Spuren: Es ist die Kunst, jeden Nutzer auf dem niedrigsten funktionierenden Pegel zu halten. Die Kapazität entstand durch Subtraktion – kein neues Spektrum, nur Zurückhaltung.

Im Oktober 1991 erteilt, wurde der Regelkreis zum funktionierenden Herz des zellularen CDMA. Im selben Jahr veröffentlichten Gilhousen, Jacobs, Padovani, Viterbi, Weaver und Wheatley die Kapazitätsanalyse in den IEEE Transactions on Vehicular Technology, und IS-95 – der auf diesem Entwurf aufbauende Standard – wurde 1993 genehmigt und ging als cdmaOne kommerziell an den Start, wobei CDMA2000 daraus hervorging.