L'héritage permanent de la division de code Accès multiple

Peu de technologies mobiles ont laissé une empreinte aussi profonde que la Division de code Accès multiple (CDMA).D'abord commercialisée au milieu des années 1990 avec la norme TIA/EIA‐95 (IS‐95), CDMA a introduit une manière fondamentalement différente de gérer le spectre radio rare.Au lieu de diviser les conversations par créneaux horaires (TDMA) ou canaux de fréquences séparés (FDMA), CDMA a permis à chaque utilisateur de transmettre simultanément sur le même support large bande. Chaque appel a reçu un code pseudo-aléatoire unique; le récepteur a pu sélectionner le signal prévu même lorsque des dizaines d'autres parlaient sur le même air. Cette innovation a doublé ou triplé la capacité par rapport aux systèmes analogiques et TDMA antérieurs et a jeté les bases de l'ère du haut débit mobile.

Près de trois décennies plus tard, CDMA est en voie de disparition. Les principaux transporteurs en Amérique du Nord et dans certaines parties de l'Asie ont obstrué leurs réseaux CDMA 2G et 3G pour libérer le spectre pour 4G LTE et 5G New Radio (NR). Pourtant, l'évolution de CDMA en normes modernes n'est pas une simple histoire de remplacement. Les concepts de la couche physique du traitement de spectre de propagation, les mains libres et le contrôle de puissance sophistiqué qui ont fait de CDMA une entreprise réussie continuent d'influencer la façon dont les systèmes 4G et 5G sont conçus, déployés et exploités.

De IS‐95 à CDMA2000: L'ère 3G

La première variante de CDMA, IS‐95A, offrait une voix commutée en circuit à 9,6 kbps et un canal de données modeste à 14,4 kbps. Son successeur, IS‐95B, a poussé les taux de données à un nombre théorique de 115 kbps en regroupant plusieurs canaux de code. Mais le véritable saut a été enregistré avec la famille CDMA2000. CDMA2000 1x (également appelé 1xRTT) a doublé la capacité vocale et a introduit des données toujours sur paquets jusqu'à 153 kbps, une étape énorme pour les premiers smartphones, les courriels et la navigation WAP.

Pour les opérateurs qui avaient besoin d'un débit de données plus élevé, la norme 1xEV‐DO (Evolution‐Data Optimized) a été plus poussée, consacrant un transporteur de 1,25 MHz aux données de paquets et atteignant des taux de pointe de 2,4 Mbps dans sa première version. Au milieu des années 2000, le Rev. B d'EV‐DO a permis une agrégation multiporteurs, poussant les limites théoriques au-dessus de 14 Mbps. Cette génération a rendu la musique en streaming, la vidéo de base et la navigation mobile sur le Web pratiques pour des millions d'utilisateurs, et elle a cimenté CDMA comme technologie 3G de choix pour les transporteurs tels que Verizon, Sprint, KDDI et LG U+.

Néanmoins, l'architecture 3G CDMA2000 a été commutée en circuit à son cœur pour la voix. Comme la révolution du smartphone a entraîné une demande exponentielle de données, les frais généraux commutés en circuit sont devenus un goulot d'étranglement. Les opérateurs ont besoin d'un noyau entièrement commuté en paquet IP pour s'étendre économiquement.

Pourquoi 4G a laissé CDMA derrière

Lorsque 3GPP a commencé à définir le LTE en 2004, les cibles de conception étaient de 100 Mbps en aval, 50 Mbps en amont, sous‐20 ms en latence et un réseau tout-IP plat. L'approche de diffusion du CDMA, bien qu'elle soit robuste contre les interférences, ne pouvait pas atteindre efficacement ces gains d'efficacité spectrale de pointe. Le LTE a adopté la Division de fréquence orthogonale à accès multiple (OFDMA) pour le bas et le SC‐FDMA pour le haut-lien. L'OFDMA divise le transporteur en plusieurs sous-porteurs orthogonaux étroits, chacun portant un flux à faible débit.

La migration vers le LTE a signifié que les opérateurs CDMA2000 ne pouvaient plus compter sur leur réseau radio existant. De nouvelles stations de base (eNodeBs), de nouveaux équipements d'usagers et un réseau central complètement différent (Evolved Packet Core, EPC) étaient nécessaires. Pourtant, l'infrastructure CDMA — tours, back-haul, sites cellulaires, systèmes d'alimentation — était loin d'être obsolète.

Comment les réseaux CDMA évoluent pour soutenir les 4G et 5G

La transition d'un réseau centré sur CDMA à un réseau qui supporte entièrement les stations 4G et 5G implique bien plus que l'échange de radios de base. Il faut réaménager le spectre de façon réfléchie, intégrer le noyau à deux modes et éventuellement éliminer les interfaces aériennes existantes.

Réélevage du spectre et réélevage des ÉTP

La plupart des exploitants de CDMA détenaient des licences dans les bandes 800 MHz (Cellulaire), 1900 MHz (PCS) et 700 MHz. Par exemple, Verizon a réaffecté son bloc 800 MHz Cellulaire B de CDMA à LTE, améliorant la couverture et l'utilisant plus tard comme ancre à faible bande pour 5G NR. De même, Sprints 1900 MHz PCS spectre — utilisé à l'origine pour la voix CDMA et EV‐DO — a été réagrégé en agrégation de la gamme des transporteurs LTE et, après la fusion T‐Mobile, en canaux larges de 5G NR.

Ce processus est délicat : les appels vocaux CDMA nécessitent un minimum d'empreintes et des trous de couverture peuvent se produire si la refermeture est trop agressive avant que VoLTE (Voice over LTE) ne soit mature.

VoLTE comme pont VoIP

L'un des principaux obstacles à la retraite de CDMA a été la voix. CDMA2000 1x a offert une voix commutée de haute qualité avec un canal dédié, mais LTE est un réseau tout-paquet. Les opérateurs ont déployé VoLTE basé sur IMS pour transporter la voix comme un flux de données prioritaire. Les premières implémentations de VoLTE ont dû relever des défis avec les remises de commandes lors des appels : lorsqu'un utilisateur a quitté la couverture LTE, l'appel a dû être remis à CDMA 1x (SRVCC, Single Radio Voice Call Continuity).

Pour les réseaux 5G plus récents, 3GPP a spécifié Voice over NR (VoNR) utilisant le même noyau IMS. L'interworking entre VoNR et VoLTE (et, là où il est encore présent, CDMA) est géré par des procédures de transfert normalisées, bien qu'aucun nouveau transfert CDMA-to-NR ne soit ajouté. Le processus illustre comment l'infrastructure vocale CDMA a acquis du temps pour les opérateurs pour construire un écosystème de voix tout-IP viable.

Dual Connectivity et le scintillement réseau

Même après la révocation de CDMA, son héritage influence la façon dont le spectre est agrégé. En 5G, Dual Connectivity (EN‐DC) permet à un appareil utilisateur de se connecter simultanément à une cellule d'ancrage LTE (qui peut être assise sur l'ancien spectre CDMA) et une cellule NR 5G. L'ancre LTE porte des données de signalisation de contrôle et de faible latence tandis que le transporteur NR fournit un haut débit. Cette approche, parfois appelée -non-standalone (NSA) 5G, a joué un rôle déterminant dans les déploiements au début de la 5G parce qu'elle exploite l'infrastructure LTE existante, dont certaines ont été construites sur le spectre CDMA réaménagé.

Le slice réseau, concept de base 5G, permet aux opérateurs de découper des réseaux virtuels de bout en bout optimisés pour des services spécifiques (eMBB, URLLC, mMTC). Bien que CDMA n'ait pas de slice, la discipline opérationnelle de gestion de multiples profils QoS sur un support CDMA partagé a enseigné aux opérateurs l'importance d'un traitement différencié.

MIMO massif et beamforming sur spectre réaménagé

Les stations de base CDMA utilisaient généralement des antennes à deux ports pour transmettre la diversité. La mise à niveau vers des MIMO massifs (p. ex., des réseaux de 64 ou 128 éléments) peut augmenter de façon spectaculaire la capacité sur les mêmes bandes de fréquences. Les transporteurs comme Verizon ont déployé des MIMO massifs sur des fréquences SCP de 1900 MHz qui avaient été initialement attribuées à CDMA.

Le baming, qui oriente le signal radio vers un utilisateur spécifique, améliore également la couverture du spectre à bande moyenne. Ceci est particulièrement important dans la bande de 2,5 GHz, que Sprint utilise pour ses réseaux CDMA et WiMAX et que T‐Mobile utilise maintenant pour 5G. Le baming et le MIMO sont des techniques avancées qui n'auraient pas été possibles sur le matériel CDMA existant, mais l'acquisition de site, l'alimentation et l'infrastructure de montage construite pour CDMA constituent la base physique.

Les défis de l'évolution

Malgré les avantages, la transition CDMA‐à‐4G/5G est complexe. Les ingénieurs du réseau doivent relever les défis techniques, opérationnels et commerciaux pour éviter la dégradation des services et la curn des clients.

Support du périphérique hérité

Des millions de téléphones, de dispositifs d'alerte médicale, d'unités télématiques de véhicules et de capteurs industriels dépendent encore de CDMA. La retraite de CDMA sans voie de remplacement claire peut faire fonctionner des services essentiels. La FCC a prévu l'arrêt des réseaux CDMA 3G aux États-Unis d'ici la fin de 2022 a forcé de nombreux clients d'entreprises à mettre à niveau leur matériel de flotte.

Interopérabilité et optimisation de la transmission

Pendant la phase de coexistence, les réseaux LTE et CDMA doivent transmettre sans heurts leurs sessions de voix et de données. Les transferts inter-RAT (Radio Access Technology) introduisent la latence et les frais de signalisation.Les opérateurs passent des années à régler les seuils et les listes de voisins pour minimiser les appels qui ont été laissés en panne lorsqu'un utilisateur est passé de LTE à CDMA, un problème particulièrement délicat dans les corridors urbains où les forces du signal fluctuent rapidement.

Fragmentation du spectre

Comme les transporteurs CDMA utilisés 1,25 MHz et les LTE nécessitent au moins 1,4 MHz (avec une plus grande efficacité), la relogement peut laisser des attributions de canaux étrangement façonnées. Les opérateurs détiennent parfois des blocs fragmentés de 5 ou 10 MHz sur plusieurs bandes qui ne peuvent pas facilement être regroupés en un seul grand transporteur. L'agrégation des transporteurs (CA) aide, mais CA ajoute de la complexité à la conception de modems et à la programmation de réseaux.

Investissement et pression sur le calendrier

La modernisation d'un réseau CDMA à l'échelle nationale au LTE/5G nécessite des milliards de dollars en capital, non seulement pour les radios, mais aussi pour les fibres de rétrocavaud, les mises à niveau électriques, les nouvelles antennes et la modernisation du réseau central. Les transporteurs doivent équilibrer cet investissement par rapport aux revenus générés par l'ancienne base d'utilisateurs. La fermeture du CDMA trop tôt peut énerver les abonnés postpayés; elle retarde les liens trop longs entre le capex qui pourrait être utilisé pour densifier le 5G. Nous avons vu certains transporteurs, comme Verizon, terminer la fermeture du CDMA seulement en décembre 2022, près de 12 ans après le lancement du LTE.

Les opportunités créées par l'évolution

La même transition qui met en péril les opérateurs ouvre également des possibilités commerciales et techniques importantes. La retraite de CDMA libère l'ensemble du portefeuille de fréquences — parfois jusqu'à 20–30 MHz à l'échelle nationale — qui peut être réaffecté à des transporteurs de très grande capacité. Par exemple, T‐Mobile=S Gamme étendue 5G= sur 600 MHz et la bande moyenne sur 2,5 GHz dépendent tous deux du spectre qui a précédemment porté CDMA (et GSM, dans le cas de la bande de 600 MHz acquise à partir de l'enchère de 600 MHz).

Permettre des communications ultra-fiables à faible latence (URLLC)

La structure basée sur le code CDMA n'a pas été conçue pour la latence de type « multi-directionnel » de sous‐1‐ms que l'automatisation industrielle et la demande de chirurgie à distance. La 5G NR moderne, construite sur OFFMA avec mini-slots, préemption et transmission sans subvention, peut fournir cette performance. Une fois la couche CDMA supprimée, le réseau central peut être vraiment en bout de ligne IP, éliminant les passerelles vocales commutées et réduisant la latence.

Communication de type machine massive (mMTC)

Les appareils IoT utilisés traditionnellement pour les données intermittentes à faible débit (p. ex., compteurs intelligents, traqueurs d'actifs) sont limités par la durée de vie de la batterie et les frais de connexion de CDMA. L'évolution vers LTE‐M et NB‐IoT, tous deux basés sur ODMA mais optimisés pour une faible puissance et une densité massive, permet aux opérateurs de connecter beaucoup plus d'appareils par cellule. Par exemple, le NB‐IoT supporte jusqu'à 100 000 appareils par cellule, comparativement à quelques milliers pour CDMA. La retraite CDMA permet aux opérateurs de réapprovisionner les clients IoT en ces normes plus récentes et plus efficaces, réduisant ainsi la congestion du réseau et étendant la durée de vie de la batterie à 10 ans ou plus.

Réseaux de base pour les communautés de Cloud

L'étape finale de l'évolution de CDMA est le passage à un noyau 5G natif du cloud. Les réseaux CDMA et même les premiers LTE se sont appuyés sur du matériel conçu spécialement pour la téléphonie, un centre de commutation mobile 3G, un PDSN (Packet Data Serving Node) pour les données. Les cœurs 5G modernes sont des fonctions réseau virtualisées (VNF) fonctionnant sur des serveurs à usage général avec NFV et SDN. Cette architecture réduit radicalement le temps de déployer de nouveaux services (de mois en jours) et permet de scier le réseau. Pour la première fois, une infrastructure unique peut accueillir une tranche pour la conduite autonome avec une latence milliseconde à un seul chiffre, ainsi qu'une tranche pour l'IoT massive avec faible débit et longue durée de vie de la batterie, sans aucun héritage de CDMA-era.

L'avenir des réseaux mobiles au-delà de CDMA

Les réseaux autonomes 5G (SA) devenant la norme, CDMA s'effacera dans l'histoire. Déjà, des opérateurs de premier plan comme Verizon et T-Mobile ont terminé la fermeture de CDMA. Dans d'autres marchés, notamment au Japon, en Corée du Sud et en Australie, des dates similaires de coucher du soleil ont été dépassées ou sont imminentes.

Cela ne signifie pas que l'ADN technique de CDMA est absent. Les principes de spread-spectrum qui ont fait de CDMA un si bon succès — en particulier sa résilience aux interférences et sa capacité à fonctionner avec des rapports de signal à bruit faible — ont été adaptés à la conception de formes d'onde diversifiées de 5G NR. Par exemple, 5G N supporte à la fois CP‐OFDM et DFT‐s‐OFDM, et la couche supérieure utilise un multiplexage basé sur des codes similaires pour les canaux de contrôle.

Dans un sens plus large, l'évolution de l'ACDM a enseigné à l'industrie mobile des leçons cruciales sur la gestion des transitions technologiques : investir tôt dans les cœurs de la PI, planifier des années de rebours de spectre à l'avance et communiquer clairement les échéances de temporisation aux clients des entreprises.

Pour les ingénieurs du réseau et les exploitants de flottes qui utilisent actuellement des appareils connectés au CDMA, le message est clair : la fenêtre est fermée. Les essais et les remplacements LTE ou 5G admissibles, la fourniture de voix basées sur le SGI sur VoLTE ou VoNR, et la sécurisation de modules compatibles devraient être une priorité absolue. La direction de l'industrie est irréversible, et les opportunités — de l'IoT massif à des services à faible latence ultra-fiable — sont trop importantes pour être ignorées.

Lisant supplémentaire: 3GPP 5G Aperçu du système[, FCC CDMA/3G Information sur l'arrêt[ et Qualcomm: CDMA2000 Evolution to 4G LTE[[