Les origines de l'accès numérique multiple

La Division de code Multiple Access (CDMA) est une technologie cellulaire numérique qui permet à plusieurs utilisateurs de partager simultanément la même bande de fréquences. Elle a joué un rôle important dans le développement des télécommunications modernes, offrant une utilisation efficace du spectre et une qualité d'appel améliorée. Contrairement aux systèmes analogiques qui ont assigné à chaque appel une fréquence ou un créneau horaire dédié, CDMA permet à tous les utilisateurs de transmettre simultanément sur la même gamme de fréquences.

Qu'est-ce que la technologie CDMA?

Contrairement à la division de fréquence traditionnelle accès multiple (FDMA) ou à la division de temps accès multiple (TDMA), CDMA attribue des codes uniques à chaque utilisateur, permettant ainsi des conversations multiples sur la même bande passante sans interférence. Dans un système FDMA, chaque utilisateur obtient une tranche de spectre de fréquence dédiée. Dans la TDMA, les utilisateurs se transmettent à tour de rôle dans des créneaux horaires distincts. CDMA rejette les deux approches : tous les utilisateurs diffusent en continu sur toute la bande passante disponible, et le récepteur utilise une corrélation mathématique pour sélectionner le signal prévu du bruit de toutes les autres transmissions simultanées.

La fondation théorique du CDMA remonte aux années 1940 et l'œuvre de l'actrice et inventeur Hedy Lamarr et du compositeur George Antheil, qui ont breveté une technique de spreadspectrum pour guider les torpilles. Ce brevet a jeté les bases des idées de spreadspectrum qui allaient devenir plus tard CDMA. Dans les années 1980 et 1990, des entreprises comme Qualcomm ont commercialisé le CDMA pour les réseaux cellulaires, menant à la norme IS-95 (souvent appelée cdmaOne) et finalement au CDMA2000 et EV-DO pour les services de données 3G. Aujourd'hui, les principes mathématiques fondamentaux de CDMA vivent dans les 3G, 4G LTE et 5G NR, même si ces systèmes plus récents utilisent l'accès multiple de la division de fréquences orthogonales (OPDMA) comme interface principale.

Comment fonctionne CDMA?

Dans les systèmes CDMA, chaque utilisateur reçoit un code unique appelé code de diffusion. Ce code répartit le signal de l'utilisateur et du numéro 8217; sur toute la bande passante. Au bout du récepteur et du numéro 8217; le même code sert à extraire le signal spécifique, filtre efficacement d'autres signaux partageant la même fréquence. Ce processus est connu sous le nom de technologie de diffusion du spectre. Le code de diffusion est une séquence soigneusement conçue de bits (chips) qui fonctionne à un rythme beaucoup plus élevé que les données originales.

Étendre les fondamentaux du spectre

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.

Codes de Walsh et séquences sonores de Pseudo-Random

Les systèmes CDMA utilisent généralement deux couches de codage. La première couche utilise les fonctions Walsh (également appelées codes Hadamard) pour assurer l'orthogonalité entre les utilisateurs dans la même cellule. Les codes Walsh sont conçus mathématiquement de sorte que la corrélation croisée entre deux codes distincts est nulle, ce qui signifie qu'un récepteur peut parfaitement séparer les transmissions simultanées des différents utilisateurs dans la même cellule tant que les codes restent synchronisés. La seconde couche utilise une longue séquence de bruit pseudo-aléatoire (PN) pour différencier les signaux des différentes stations de base et pour fournir une sécurité supplémentaire. La séquence PN est unique à chaque secteur de station de base et est utilisée pour brouiller les données transmises, ce qui rend extrêmement difficile la démodulation du signal sans connaître le code.

Corrélation et récupération des signaux

Au récepteur, le signal à large bande entrant est multiplié par la réplique synchronisée du code de diffusion. Comme la séquence de code est orthogonale (ou presque) à tous les autres codes en usage, la multiplication effondre le signal désiré dans un flux de données à bande étroite tout en laissant les signaux des autres utilisateurs répartis comme bruit à large bande. Un filtre simple passe-bande récupère ensuite les bits de données originaux. Ce processus, appelé démultipliage, fonctionne parce que le récepteur connaît le moment exact et la séquence de code de l'émetteur prévu. La synchronisation précise du temps est critique et n° 8212; même un petit décalage réduit le gain de corrélation et peut causer des erreurs de bits.

Principales caractéristiques de l'ACDM

CDMA offre plusieurs avantages distincts par rapport aux techniques d'accès multiple antérieures, c'est pourquoi elle a été choisie comme interface aérienne pour certaines des normes 3G les plus largement déployées au monde.

Efficacité et capacité du spectre

Comme tous les utilisateurs partagent simultanément la même bande de fréquences, CDMA peut supporter plus d'utilisateurs par unité de bande passante que FDMA ou TDMA dans des conditions de chargement typiques. La capacité de CDMA signifie qu'ajouter un utilisateur de plus ne fait qu'augmenter légèrement le plancher sonore pour tous les autres, plutôt que de consommer une fente ou une fréquence dédiée. Cela permet aux opérateurs de desservir un plus grand nombre d'abonnés avec la même allocation de spectre.

Sécurité et confidentialité

Un auditeur passif qui ne connaît pas le code de diffusion ne voit qu'un signal sonore de faible puissance. Sans la séquence et le timing corrects des PN, il est impossible de récupérer les données originales. Cette sécurité inhérente est une des raisons pour lesquelles CDMA a été utilisé dans les communications militaires pendant des décennies. Les systèmes commerciaux 3G CDMA ont ajouté des couches de chiffrement en plus de l'encodage spread-spectrum pour répondre aux exigences réglementaires en matière de confidentialité et d'intégrité des données.

Débranchement et contrôle de puissance doux

Le système CDMA introduit le concept de transfert souple (également appelé transfert souple), où un appareil mobile communique simultanément avec deux ou plusieurs stations de base pendant une transition entre cellules. Le mobile combine les signaux de plusieurs stations de base en utilisant un rapport maximal combinant, améliorant la qualité du signal et éliminant les chutes d'appel brusques qui se produisent dans les systèmes de transfert dur. Cette fonctionnalité améliore considérablement la fiabilité des appels et la qualité de la voix aux bords des cellules. Le contrôle de puissance est une autre caractéristique essentielle du CDMA.

CDMA vs. Autres technologies d'accès multiple

La compréhension de la façon dont CDMA se compare à d'autres méthodes d'accès aux canaux explique pourquoi elle a été adoptée pour la 3G et comment ses limites ont conduit la transition vers de nouvelles technologies.

CDMA c.

La division de fréquence à accès multiple divise le spectre disponible en canaux étroits, chacun dédié à un seul utilisateur. La FDMA est simple et a été utilisée dans des systèmes cellulaires analogiques tels que AMPS et TACS. Cependant, elle souffre d'une mauvaise efficacité spectrale car les bandes de garde entre les canaux gaspillent le spectre, et un canal ne peut pas être réutilisé par d'autres utilisateurs même lorsqu'il est inactif.

CDMA c. TDMA

La norme GSM, la norme dominante 2G, utilise la TDMA. La TDMA améliore l'efficacité spectrale sur la FDMA mais nécessite toujours des temps de garde entre les créneaux et est sensible aux erreurs de chronométrage, surtout à des vitesses élevées. CDMA’ la transmission continue évite les dépassements des limites des créneaux et des temps de garde. Cependant, les systèmes TDMA sont généralement plus simples à mettre en œuvre et ne nécessitent pas le contrôle serré de la puissance que demande la CDMA.

CDMA c. ADMA

OFMA est la base de 4G LTE et 5G NR. OFMA offre une efficacité spectrale encore plus élevée que CDMA et est plus robuste à la décroissance multipathe sans exiger un récepteur RAKE complexe. OFMA permet également la programmation de fréquence-domaine, où le programmeur peut assigner différents sous-porteurs à différents utilisateurs en fonction des conditions de canaux en temps réel. CDMA’ la nature à large bande signifie que la décroissance sélective de fréquence affecte l'ensemble du signal plutôt que les sous-porteurs individuels. CDMA compense avec les récepteurs RAKE qui combinent des composants multipathes, mais ODMA’ l'approche est généralement plus souple pour les données à haute vitesse. C'est pourquoi 4G et 5G ont déménagé de CDMA à OFMA pour la liaison descendante, bien que les principes CDMA apparaissent toujours dans la liaison ascendante de certains systèmes et dans la couche physique des réseaux 3G.

Applications dans les télécommunications modernes

La technologie CDMA a été largement adoptée dans divers systèmes de communication, en particulier dans les réseaux mobiles. Elle a été la base des réseaux 3G dans de nombreux pays et continue d'influencer les technologies nouvelles par ses concepts fondamentaux de diffusion du spectre et de division des codes.

Réseaux 3G et CDMA2000

Les principaux fournisseurs de télécommunications ont utilisé CDMA pour leurs réseaux 3G, tels que les normes CDMA2000 et EV-DO. Ces réseaux ont fourni des vitesses de données plus rapides et une meilleure qualité de la voix que les systèmes 2G précédents. CDMA2000 1X a introduit des taux de données jusqu'à 153 kbps, tandis qu'EV-DO (Evolution-Data Optimised) a poussé les taux de pointe à 2,4 Mbps et plus tard à 3,1 Mbps avec EV-DO Rev A et jusqu'à 14,7 Mbps avec EV-DO Rev B. CDMA2000 a été déployé largement par des opérateurs tels que Verizon Wireless, Sprint, KDDI, SK Telecom et China Unicom, desservant des centaines de millions d'abonnés à leur pointe.

Communications par satellite

Les liaisons par satellite sont confrontées à des défis tels que les longs délais de propagation, les déplacements de Doppler et les budgets d'énergie limités. La nature du spectre de propagation du CDMA et du CDMA et de ses satellites offre une résistance inhérente aux brouillages et aux interférences provenant d'autres satellites ou sources terrestres. Les systèmes tels que les interfaces aériennes basées sur le CDMA (basées sur le système IS-95) pour leurs services de téléphonie par satellite sont particulièrement avantageux dans les systèmes par satellite, car un terminal mobile peut combiner simultanément des signaux provenant de plusieurs satellites, offrir une meilleure couverture et réduire les abandons de signaux lors des transferts par satellite.

Système mondial de positionnement (GPS)

Le système mondial de localisation, exploité par la Force spatiale des États-Unis, repose sur les principes du CDMA pour permettre à tous les satellites GPS de transmettre sur les mêmes deux fréquences : L1 (1575,42 MHz) et L2 (1227,60 MHz). Chaque satellite diffuse un code de bruit pseudo-aléatoire unique (PRN) qui est orthogonal aux codes utilisés par tous les autres satellites. Un récepteur GPS génère une réplique de chaque satellite et le code PRN et le corréle avec le signal reçu pour déterminer quels satellites sont visibles et pour mesurer le moment d'arrivée de chaque signal. En combinant les mesures en temps de vol d'au moins quatre satellites, le récepteur calcule sa position à l'intérieur de mètres (ou centimètres avec corrections différentielles). Le GPS est l'une des applications les plus répandues de la technologie CDMA, avec des milliards de récepteurs en usage dans le monde entier dans les smartphones, les véhicules, les aéronefs et les équipements industriels.

Communications militaires et sécuritaires

Les techniques de diffusion de spectres à large bande basées sur CDMA permettent de créer des liaisons de données sûres et de grande capacité pour les aéronefs, les navires et les forces au sol. Les propriétés antijam de CDMA rendent extrêmement difficile la détection, l'interception ou la transmission de signaux de spectre à faible puissance, ce qui les rend presque impossibles à détecter avec les récepteurs radio classiques.

Boucle locale sans fil et sans fil fixe

Dans les régions où l'infrastructure téléphonique par fil était rare ou coûteuse à déployer, les systèmes de boucle locale sans fil (WLL) basés sur CDMA offraient une solution de rechange rentable pour les services de téléphonie et de données. Les opérateurs utilisaient les stations de base CDMA avec antennes directionnelles pour desservir des abonnés fixes ou nomades sur des distances de plusieurs kilomètres.

Limitations et déclin de l'ADMC

Malgré ses nombreuses forces, CDMA a plusieurs limites inhérentes qui ont contribué à son remplacement progressif par des systèmes basés sur OFMA en 4G et 5G. Le problème de proximité nécessite un contrôle de puissance très serré, ce qui ajoute de la complexité à la station de base et à l'appareil mobile. CDMA’ sa capacité est également limitée par le brouillage : à mesure que le nombre d'utilisateurs actifs augmente, le plancher sonore augmente et le système peut connaître un phénomène appelé “ respiration cellulaire,” où la zone de couverture efficace se rétrécit sous une lourde charge. De plus, CDMA est moins efficace que les OFMA pour les applications de données à large bande parce qu'il ne peut pas facilement exploiter le calendrier de fréquence du domaine qu'OFMA fournit.

L'héritage et l'avenir de la technologie CDMA

Bien que de nouvelles technologies comme la LTE et la 5G remplacent CDMA dans de nombreux domaines, il est essentiel de comprendre la CDMA pour saisir l'évolution de la communication sans fil. Certains systèmes existants fonctionnent toujours avec CDMA et ses principes influencent les conceptions modernes des réseaux. Aux États-Unis, la plupart des grands transporteurs ont complètement fermé leurs réseaux CDMA entre 2020 et 2023. Verizon, par exemple, a retiré ses réseaux CDMA 1X et EV-DO le 31 décembre 2022, tandis que T-Mobile (qui a absorbé Sprint’s réseau CDMA) a terminé sa fermeture CDMA en mars 2022. Cependant, les réseaux 3G basés sur CDMA continuent d'opérer dans certaines parties de l'Asie, de l'Afrique et de l'Amérique latine où la migration vers la LTE ou la 5G est toujours en cours.

Plus important encore, les concepts fondamentaux de CDMA apparaissent encore dans les systèmes modernes. Dans 5G NR, la liaison ascendante utilise une variante de division de code appelée DFT-s-OFDM (Discrete Fourier Transform spread OFDM), qui est une forme d'accès multiple de division de fréquence monoporteur (SC-FDMA) qui partage CDMA’s propriété souhaitable de faible rapport de puissance de crête à moyenne. CDMA à large bande (WCDMA), l'interface air pour les réseaux UMTS (Système universel de télécommunications mobiles) 3G, a jeté les bases des bandes passantes de 5 MHz qui sont devenues standard en 4G et 5G. L'utilisation de codes orthogonaux pour l'accès multi-utilisateurs est également en parallèle direct avec l'utilisation de codes Walsh dans CDMA.

Dans le futur, les techniques inspirées par le CDMA sont explorées pour les réseaux non terrestres (NTN) et les constellations Internet par satellite, où la capacité de partager le spectre entre de nombreux utilisateurs à faible densité de puissance est très avantageuse. Les chercheurs étudient également le multiplexage du domaine de code pour les communications massives de type machine (MTC) en 5G et au-delà, où des milliers de dispositifs IoT de faible puissance par cellule doivent transmettre simultanément de minuscules paquets de données.

Conclusion

La technologie CDMA révolutionne les communications mobiles en permettant à de multiples utilisateurs de partager efficacement le même spectre. Ses applications dans les réseaux 3G, les communications par satellite et le GPS mettent en évidence sa polyvalence et son importance dans l'histoire des télécommunications. Au fur et à mesure que la technologie progresse, les concepts fondamentaux de CDMA continuent d'orienter l'élaboration de nouvelles normes sans fil. Les principes de diffusion, le codage orthogonal et les techniques de transfert souples qui ont permis à CDMA de réussir sont profondément ancrés dans le tissu de l'ingénierie sans fil moderne.

Pour de plus amples informations sur CDMA et son impact sur les communications sans fil, les ressources suivantes fournissent une profondeur technique faisant autorité: Qualcomm CDMA technology panorama, Conférence de l'IEEE sur les systèmes de diffusion du spectre, le livre “CDMA: Principles of Spread Spectrum Communication[” par Andrew J. Viterbi, et un GPS SPS Performance Standard[ décrivant la structure de signal de GPS basée sur CDMA. Ces références offrent à la fois une perspective historique et la rigueur mathématique requises pour un travail sérieux dans la conception de systèmes sans fil.