Los orígenes de acceso múltiple digital

Code Division Multiple Access (CDMA) es una tecnología celular digital que permite a múltiples usuarios compartir simultáneamente la misma banda de frecuencias. Ha jugado un papel significativo en el desarrollo de las telecomunicaciones modernas, ofreciendo una utilización eficiente del espectro y una mejor calidad de llamada. A diferencia de los sistemas analógicos anteriores que asignan cada llamada una una frecuencia o tiempo dedicado, CDMA permite a todos los usuarios transmitir de inmediato sobre el mismo rango de frecuencia.

¿Qué es la tecnología CDMA?

CDMA es un método de acceso a canales utilizado por varias tecnologías de comunicación radio. A diferencia de la división de frecuencias tradicionales acceso múltiple (FDMA) o división de tiempo acceso múltiple (TDMA), CDMA asigna códigos únicos a cada usuario, permitiendo que múltiples conversaciones se produzcan sobre el mismo ancho de banda sin interferencia. En un sistema FDMA, cada usuario obtiene una rebanada dedicada del espectro de frecuencia.

Los nuevos sistemas de radio de transmisión electrónica de datos de la serie 3D se remontan a los años 40 y el trabajo de la actriz e inventora Hedy Lamarr y el compositor George Antheil, que patentó una técnica de espectro de frecuencias para guiar torpedos. Esa patente puso las bases para las ideas de espectro de propagación que posteriormente madurarían en CDMA.

¿Cómo funciona CDMA?

En los sistemas CDMA, cada usuario recibe un código único llamado código de difusión. Este código difunde el usuario #8217;s señal a través del ancho de banda entero. En el receptor #8217;s final, el mismo código se utiliza para extraer la señal específica, filtrando efectivamente otras señales que comparten la misma frecuencia. Este proceso es conocido como tecnología de espectro de difusión.

Fundamentos de espectro de espionaje

Direct-sequence spread spectrum (DSSS) is the variant of spread spectrum most commonly associated with CDMA. In DSSS, the narrowband user signal is multiplied by a pseudo-random noise (PN) code that has a chip rate far exceeding the data rate. This multiplication broadens the signal bandwidth by a factor equal to the processing gain. The processing gain is the ratio of the chip rate to the data rate—for example, if the chip rate is 1.2288 Mcps (megachips per second) and the data rate is 9.6 kbps, the processing gain is approximately 128 (or 21 dB). This gain is what allows CDMA receivers to recover weak signals even when multiple strong interferers occupy the same frequency band.

Códigos de Gales y secuencias de ruido de Pseudo-Random

Los sistemas de CDMA utilizan normalmente dos capas de codificación. La primera capa utiliza funciones de Walsh (también llamadas códigos Hadamard) para asegurar la ortogonalidad entre los usuarios dentro de la misma célula. Los códigos de Walsh están diseñados matemáticamente para que la cruza-correlación entre cualquier dos códigos distintos sea cero, lo que significa que un receptor puede separar perfectamente las transmisiones simultáneas de diferentes usuarios en la misma celda mientras los códigos permanecen sincronizados.

Correlación y recuperación de señales

En el receptor, la señal de banda ancha entrante se multiplica por la réplica sincronizada del código de difusión. Debido a que la secuencia de código es ortogonal (o casi así) a todos los otros códigos en uso, la multiplicación colapsa el usuario deseado Pulsear #8217;s señal de nuevo en un flujo de datos de banda estrecha mientras que las señales de otros usuarios se propagan como ruido de banda ancha.

Características clave del CDMA

CDMA ofrece varias ventajas distintas sobre técnicas de acceso múltiple anteriores, por lo que fue elegido como la interfaz de aire para algunas de las normas 3G más desplegadas en el mundo.

Eficiencia y Capacidad de Espectro

Debido a que todos los usuarios comparten la misma banda de frecuencias simultáneamente, CDMA puede soportar más usuarios por unidad de ancho de banda que FDMA o TDMA bajo condiciones de carga típicas. La capacidad suave de CDMA significa que añadir un usuario más sólo eleva ligeramente el nivel de ruido para todos los demás, en lugar de consumir una ranura o frecuencia dedicada. Esto permite a los operadores servir un mayor número de suscriptores con la misma asignación de espectro.

Seguridad y privacidad

Los códigos únicos hacen que el escuchaje sea mucho más difícil que en sistemas análogos o tempranos de TDMA. Un oyente pasivo que no conoce el código de difusión sólo ve una señal de ruido de baja potencia. Sin la secuencia y el tiempo correctos de PN, es computacionalmente infesible recuperar los datos originales. Esta seguridad inherente es una razón por la que CDMA se ha utilizado en las comunicaciones militares durante décadas.

Soft Handoff y Control de Poder

CDMA introduce el concepto de suave entrega (también llamado suave traspaso), donde un dispositivo móvil se comunica con dos o más estaciones de base simultáneamente durante una transición entre las células. El móvil combina las señales de múltiples estaciones de base utilizando una relación máxima combinando, mejorando la calidad de la señal y eliminando las abruptas caídas de llamadas que ocurren en sistemas de apagado duro. Esta característica mejora dramáticamente la fiabilidad de llamada y la calidad de voz en los bordes celulares.

CDMA vs. Otras tecnologías de acceso múltiple

Entendiendo cómo la CMD se compara con otros métodos de acceso a los canales, se aclara por qué se adoptó para 3G y cómo sus limitaciones llevaron a la transición a tecnologías más nuevas.

CDMA vs. FDMA

La división de frecuencias de acceso múltiple divide el espectro disponible en canales estrechos, cada uno dedicado a un solo usuario. FDMA es simple y se utilizó en sistemas celulares analógicos como AMPS y TACS. Sin embargo, sufre de mala eficiencia espectral porque bandas de guardia entre canales de desperdicios, y un canal no puede ser reutilizado por otros usuarios incluso cuando está ocioso. CDMA elimina bandas de guardia por completo y permite la capacidad de ocio para ser utilizado dramáticamente por otros usuarios,

CDMA vs. TDMA

La división del tiempo múltiples acceso divide cada canal de frecuencia en ranuras de tiempo, con cada usuario asignado una ranura recurrente. GSM, el estándar 2G dominante, utilizado TDMA. TDMA mejora la eficiencia espectral sobre FDMA pero todavía requiere tiempos de guardia entre ranuras y es sensible a errores de tiempo, especialmente a altas velocidades. CDMA unidad#8217;s transmisión continua evita la superposición de límites de la ranura y tiempos de guardia.

CDMA vs. OFDMA

Los CDMA de alta frecuencia y los CDMA de alta frecuencia son los principales componentes de la serie de CDMA. La sección de frecuencias de la serie de CDMA es la base de 4G LTE y 5G NR. OFDMA ofrece una eficiencia espectral más alta que CDMA y es más robusta para la descoloración multipática sin requerir un receptor de RAKE complejo.

Aplicaciones en Telecomunicaciones Modernas

La tecnología CDMA ha sido ampliamente adoptada en diversos sistemas de comunicación, especialmente en redes móviles, y fue la base para las redes 3G en muchos países y sigue influyendo en las tecnologías más nuevas mediante sus conceptos básicos de espectro de difusión y división de códigos.

Redes 3G y CDMA2000

Los principales proveedores de telecomunicaciones utilizaron CDMA para sus redes 3G, como CDMA2000 y EV-DO. Estas redes proporcionaron velocidades de datos más rápidas y mejor calidad de voz en comparación con los sistemas 2G anteriores. CDMA2000 1X introdujo tasas de datos de hasta 153 kbps, mientras que EV-DO (Evolution-Data Optimized) impulsó las tasas máximas de 2.4 Mbps y más tarde 3,

Comunicaciones por satélite

CDMA también se utiliza en sistemas de comunicación por satélite, permitiendo una transmisión de datos fiable y segura a largas distancias. Su robustez contra la interferencia lo hace adecuado para tales aplicaciones. Los enlaces por satélite enfrentan desafíos incluyendo demoras de propagación largas, cambios Doppler y presupuestos de potencia limitados. CDMA Pulsar#8217; la naturaleza de espectro extendido proporciona una resistencia inherente a la interferencia y la interferencia de otros satélites o fuentes terrestres.

Sistema Mundial de Posicionamiento (GPS)

El sistema de posicionamiento global, operado por la Fuerza Espacial de los Estados Unidos, se basa en los principios de la CDMA para permitir que todos los satélites GPS transmitan en las mismas dos frecuencias: L1 (1575.42 MHz) y L2 (1227.60 MHz). Cada satélite transmite un código de pseudo-ruido único (PRN) que es ortogonal a los códigos utilizados por todos los demás satélites.

Comunicaciones militares y seguras

CDMA se originó de la investigación militar en comunicaciones seguras y resistentes a los mermeladas. El sistema de distribución de información táctica (JTIDS) y el sistema de distribución de información multifuncional más reciente utilizan técnicas de espectro de difusión basadas en CDMA para proporcionar enlaces de datos seguros y de alta capacidad para aeronaves, buques y fuerzas terrestres.

inalámbrica de bucle local y inalámbrico fijo

En regiones donde la infraestructura telefónica cableada era escasa o costosa de desplegar, los sistemas de bucle local inalámbrico basados en CDMA (WLL) proporcionaron una alternativa rentable para los servicios de voz y datos. Los operadores utilizaron estaciones base de CDMA con antenas direccionales para servir a suscriptores fijos o nómadas a distancias de varios kilómetros. Los sistemas WLL basados en CDMA ofrecen un despliegue rápido, menores costos de capital y la capacidad de compartir el espectro de los servicios móviles.

Limitaciones y declinación de la CDMA

A pesar de sus múltiples fortalezas, CDMA tiene varias limitaciones inherentes que contribuyeron a su sustitución gradual por sistemas basados en OFDMA en 4G y 5G. El problema cercano requiere un control de potencia muy estricto, agregando complejidad tanto a la estación base como al dispositivo móvil. CDMA CUMPLIO DE LA FUERA DE LA FUERA DE LA FUERA, la capacidad de la FUERA es también menos limitada.

El legado y el futuro de la tecnología CDMA

Aunque las nuevas tecnologías como LTE y 5G están reemplazando CDMA en muchas áreas, la comprensión de CDMA sigue siendo esencial para captar la evolución de la comunicación inalámbrica. Algunos sistemas heredados todavía funcionan con CDMA, y sus principios influyen en los diseños de redes modernos. En los Estados Unidos, la mayoría de los principales operadores cierran por completo sus redes CDMA entre 2020 y 2023.

Más importante aún, los conceptos fundamentales de CDMA aparecen en sistemas modernos. En 5G NR, el uplink utiliza una variante de división de códigos llamada DFT-s-OFDM (Discrete Fourier Transform spread OFDM), que es una forma de división de frecuencias de un solo carril acceso múltiple (SC-FDMA) que comparte CDMA celdas#8217;s propiedad deseable de código de baja interfaz de potencia móvil

En el futuro, se están explorando técnicas de inspiración CDMA para redes no terrestres (NTN) y constelaciones de Internet por satélite, donde la capacidad de compartir espectro entre muchos usuarios con baja densidad de energía es altamente ventajosa. Los investigadores también están investigando la multiplexación de código-dominio para comunicaciones masivas tipo máquina (mMTC) en 5G y más allá, donde miles de dispositivos de IoTdina de baja potencia por célula necesitan transmitir simultáneamente pequeños paquetes de datos

Conclusión

La tecnología CDMA revolucionó las comunicaciones móviles permitiendo a múltiples usuarios compartir el mismo espectro de manera eficiente. Sus aplicaciones en redes 3G, comunicaciones por satélite y GPS resaltan su versatilidad e importancia en la historia de las telecomunicaciones. Como avances tecnológicos, los conceptos fundamentales de CDMA continúan informando el desarrollo de nuevos estándares inalámbricos. Los principios de espectro de propagación, codificación de RF, y técnicas de entrega suave que hicieron que CDMA sea exitoso están profundamente integrados en el espectro de ingeniería

Para una mayor lectura sobre CDMA y su impacto en las comunicaciones inalámbricas, los siguientes recursos proporcionan una profundidad técnica autorizada: el Qualcomm CDMA panorama tecnológico, el IEEE conferencia procedimientos sobre sistemas de espectros de difusión, el libro >