Codedeling (CDMA): hoe duizenden signalen dezelfde radiofrequentie delen
Stel je een grote zaal voor waar tientallen gesprekken tegelijk plaatsvinden. Als iedereen dezelfde taal spreekt, wordt het een onverstaanbare kakofonie. Maar als elk groepje een eigen, unieke taal spreekt die alleen zij verstaan, kunnen ze allemaal tegelijk praten zonder elkaar te storen — de andere gesprekken klinken slechts als vaag achtergrondgeruis. Dat is in essentie het principe achter codedeling, in het Engels Code Division Multiple Access (CDMA) genoemd: een techniek waarmee meerdere gebruikers tegelijkertijd dezelfde radiofrequentie kunnen gebruiken, doordat elk signaal een eigen digitale “taal” of code krijgt.
Codedeling is decennialang de motor geweest achter mobiele telefonie in delen van de wereld, en de onderliggende wiskunde zit vandaag nog steeds verstopt in technologie die we dagelijks gebruiken, van gps-navigatie tot satellietcommunicatie. Het is geen nieuwe hype-technologie, maar een bewezen, praktische oplossing voor een heel oud probleem: hoe deel je een schaarse hoeveelheid radiospectrum eerlijk en efficiënt onder veel gebruikers?
Wat is het precies?
Radiogolven zijn een schaars goed. Er is maar een beperkte hoeveelheid frequentiespectrum beschikbaar, en overheden verdelen dit spectrum in stukjes die aan telecomoperators, luchtvaartmaatschappijen, omroepen en anderen worden toegewezen. Het probleem: hoe laat je duizenden mensen tegelijk bellen of internetten binnen zo'n beperkt stukje spectrum?
Er bestaan grofweg drie klassieke oplossingen. Bij tijddeling (TDMA) krijgt elke gebruiker om beurten een heel kort tijdsblokje toegewezen, zoals bij een tafeltennistoernooi waar spelers om de beurt de tafel gebruiken. Bij frequentiedeling (FDMA) krijgt elke gebruiker een eigen smal frequentiebandje, zoals aparte radiozenders. Codedeling kiest een heel andere aanpak: iedereen zendt tegelijk, op dezelfde frequentie, op hetzelfde moment — maar elk signaal wordt eerst “versleuteld” met een unieke digitale code.
Dit werkt via een techniek die spread spectrum heet, oftewel spreidingsspectrum. Voordat een signaal wordt uitgezonden, wordt het vermenigvuldigd met een lange, unieke reeks nullen en enen: de zogeheten chipping code. Deze code spreidt het oorspronkelijke, smalle signaal uit over een veel breder frequentiebereik, en verlaagt tegelijk de signaalsterkte per frequentiepuntje, waardoor het bijna in de ruis verdwijnt. De ontvanger kent dezelfde code en kan die gebruiken om precies dat ene signaal er weer uit te filteren, terwijl alle andere gecodeerde signalen als willekeurige ruis worden weggefilterd.
De codes die hiervoor worden gebruikt, zijn zorgvuldig ontworpen om wiskundig gezien “orthogonaal” te zijn ten opzichte van elkaar, wat betekent dat ze elkaar nauwelijks verstoren. Een bekend voorbeeld zijn de zogeheten Walsh-codes. Een praktisch probleem hierbij is het near-far probleem: een zender die dicht bij het ontvangststation staat, overstemt al snel signalen van gebruikers die verder weg staan, ook al hebben ze andere codes. Netwerken lossen dit op met voortdurende, razendsnelle vermogensregeling (power control), waarbij elk toestel zijn zendvermogen continu bijstelt zodat alle signalen even sterk bij het basisstation aankomen.
Wat wil men ermee bereiken?
Het hoofddoel van codedeling is capaciteit: zoveel mogelijk gebruikers laten communiceren binnen een beperkte hoeveelheid radiospectrum, zonder dat de kwaliteit instort zodra het druk wordt. In vergelijking met de oudere tijddeling-technieken bleek CDMA in de praktijk vaak een hogere capaciteit te bieden en gracieuzer te degraderen: bij drukte wordt de verbinding voor iedereen een beetje minder goed, in plaats van dat sommige gebruikers helemaal buitengesloten worden.
Een tweede doel is robuustheid. Omdat het signaal wordt uitgesmeerd over een breed frequentiebereik, is het minder gevoelig voor storing op één specifieke frequentie en voor het probleem van meerpadsvervaging, waarbij een radiosignaal via verschillende routes (direct en via reflecties tegen gebouwen) bij de ontvanger aankomt en zichzelf verstoort.
Een derde, historisch belangrijke drijfveer was beveiliging. De techniek is oorspronkelijk ontwikkeld met militaire toepassingen in het achterhoofd: een signaal dat verspreid is over een breed spectrum en verstopt zit in wat op ruis lijkt, is voor een buitenstaander die de code niet kent, veel lastiger te onderscheppen of te storen dan een smalbandig signaal op een vaste frequentie.
Voorbeelden uit de praktijk
Het bedrijf Qualcomm, opgericht in 1985 in San Diego, ontwikkelde CDMA in de jaren tachtig en negentig tot een commercieel bruikbare mobiele-telefonietechniek en verwierf hierop een groot aantal patenten. In 1995 werd de eerste grootschalige mobiele CDMA-standaard, IS-95 (ook wel cdmaOne genoemd), operationeel.
Zuid-Korea gold in de jaren negentig als een van de eerste landen die op grote schaal een landelijk CDMA-mobiel netwerk uitrolde, mede dankzij nauwe samenwerking tussen de overheid en lokale technologiebedrijven. Dit hielp het land uitgroeien tot een vroege koploper in mobiele telefonie.
In de Verenigde Staten bouwden operators als Verizon Wireless en Sprint hun netwerken decennialang op de opvolger CDMA2000, de 3G-standaard die voortbouwde op IS-95. Beide bedrijven hebben deze oudere CDMA-netwerken tussen 2019 en 2022 definitief uitgeschakeld ten gunste van modernere 4G/LTE- en 5G-technologie, die op een ander principe (OFDM, ofwel orthogonale frequentieverdeling) is gebaseerd.
In Europa, waaronder Nederland, werd voor 3G-netwerken (UMTS) een verwante techniek gebruikt, genaamd WCDMA (Wideband CDMA), die eveneens op codedeling berust maar dan met een breder frequentiekanaal. Operators als KPN, Vodafone en T-Mobile gebruikten deze techniek vanaf begin jaren 2000 voor hun eerste mobiele-internetdiensten.
Een minder bekend maar nog altijd springlevend voorbeeld is het Amerikaanse gps-satellietnavigatiesysteem, beheerd door de Amerikaanse luchtmacht. Alle gps-satellieten zenden voortdurend op dezelfde frequenties, maar elke satelliet gebruikt zijn eigen unieke code, waardoor een ontvanger op de grond de signalen van tientallen satellieten tegelijk uit elkaar kan houden. Dit is in essentie hetzelfde codedelingsprincipe, toegepast op satellietnavigatie in plaats van telefonie.
Hoe ver is de techniek?
Codedeling is geen opkomende technologie meer, maar een volwassen en in sommige toepassingen zelfs verouderde techniek. Als basis voor mobiele telefonienetwerken is CDMA grotendeels met pensioen: de grote Amerikaanse CDMA2000-netwerken zijn tussen 2019 en 2022 uitgefaseerd, en wereldwijd is de mobiele industrie overgestapt op OFDM-gebaseerde technieken voor 4G en 5G, die beter schaalbaar bleken voor de hoge datasnelheden van moderne smartphones.
Toch is het onjuist om te zeggen dat codedeling “verdwenen” is. De onderliggende wiskundige principes leven voort in andere hoeken van de technologie. Gps en andere satellietnavigatiesystemen (zoals het Europese Galileo en het Russische GLONASS) blijven op vergelijkbare spreidingsspectrumtechnieken steunen, simpelweg omdat het probleem — veel satellieten die dezelfde frequentie delen — nog altijd hetzelfde is. Ook in militaire en bepaalde satellietcommunicatiesystemen, waar bestendigheid tegen storing en onderschepping belangrijk blijft, wordt spread-spectrumtechniek nog volop toegepast. In 5G-netwerken komen elementen van codedeling terug in specifieke, beperktere toepassingen, zoals bepaalde vormen van machine-tot-machinecommunicatie met zeer veel gelijktijdige, kleine berichten.
De belangrijkste horde was destijds niet zozeer wetenschappelijk als wel praktisch: het bouwen van chips die snel en energiezuinig genoeg waren om de complexe decodering in real time uit te voeren in een klein mobiel toestel. Die horde is inmiddels allang genomen; de reden dat CDMA als mobiele standaard verdween, is niet dat de techniek faalde, maar dat concurrerende technieken (OFDM) uiteindelijk beter bleken te schalen naar de zeer hoge datasnelheden die moderne smartphones vereisen.
Wie werken eraan?
Qualcomm blijft de naam die het nauwst met CDMA verbonden is: het bedrijf hield decennialang een groot deel van de relevante patenten in handen en verdiende daar via licenties fors aan, wat destijds ook tot juridische geschillen met andere chipmakers en telecombedrijven leidde. Tegenwoordig richt Qualcomm zich vooral op opvolgtechnologieën voor 4G, 5G en toekomstige 6G-netwerken.
Op standaardisatiegebied speelden organisaties als de Internationale Telecommunicatie-unie (ITU), een gespecialiseerd orgaan van de Verenigde Naties, en 3GPP2 (het Amerikaanse zusterorgaan van de Europese 3GPP-standaardisatiegroep) een sleutelrol bij het vastleggen van de CDMA2000- en WCDMA-standaarden. Het IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) publiceerde veel van het fundamentele onderzoek waarop deze technieken zijn gebaseerd.
Op landenniveau waren de Verenigde Staten (waar Qualcomm zetelt) en Zuid-Korea de vroegste en meest toegewijde CDMA-adopteurs, terwijl Europa en delen van Azië koos voor de verwante WCDMA-standaard binnen UMTS. Voor het voortlevende gebruik in navigatie zijn het vooral overheidsinstanties die de systemen beheren: de Amerikaanse luchtmacht voor gps, het Europese ruimtevaartagentschap ESA en de Europese Commissie voor Galileo.