La technologie de la Division de code à accès multiple (CDMA) a façonné la trajectoire des communications mobiles pendant des décennies, passant d'un concept de diffusion de spectre de niche de l'armée à un pilier fondamental des réseaux 3G et maintenant à un élément hérité de l'infrastructure 5G. Comprendre le parcours CDMA depuis le début du développement jusqu'à son intégration avec les systèmes de cinquième génération révèle les efforts d'ingénierie continus pour accroître les capacités, améliorer la sécurité et permettre des services de données toujours plus rapides.

Développement rapide du CDMA

Les racines de CDMA sont la technologie de diffusion de spectre, qui a été développée à l'origine pour les communications militaires pendant la Seconde Guerre mondiale pour résister aux brouillages et aux interceptions. Dans les années 1980, les chercheurs de Qualcomm et d'autres institutions ont commencé à adapter ces techniques aux réseaux cellulaires civils. La percée clé a été la prise de conscience qu'en attribuant à chaque utilisateur un code pseudo-aléatoire unique, plusieurs utilisateurs pouvaient transmettre simultanément sur la même bande de fréquences sans interférer entre eux — une rupture flagrante avec les schémas de la division de fréquences (FDMA) et de la division du temps (TDMA).

Principes fondamentaux de la propagation

Le CDMA utilise le spectre de diffusion en séquence directe (DSSS), où chaque utilisateur multiplie le signal de données par un code de diffusion à haut débit avant la transmission. Cela répartit le signal sur une large bande passante, le rendant résistant aux interférences à bande étroite et fournissant une sécurité inhérente. Au récepteur, le même code est utilisé pour disséminer le signal, en récupérant les données originales tandis que d'autres utilisateurs apparaissent comme du bruit.

Principales innovations techniques

Les premiers systèmes CDMA ont dû faire face à des défis importants : contrôle de l'énergie (problème de proximité), synchronisation des codes et complexité matérielle.Qualcomm , les ingénieurs ont résolu le problème de proximité en mettant en place un contrôle rapide de la puissance en boucle fermée qui a ajusté la puissance de l'émetteur des centaines de fois par seconde.

Adoption et élargissement: L'augmentation du CDMA2000

À la fin des années 1990 et au début des années 2000, la technologie CDMA a été adoptée par les principaux transporteurs comme Verizon et Sprint aux États-Unis, ainsi que par les opérateurs en Corée du Sud, au Japon et dans d'autres marchés.

De IS-95 à CDMA2000 1x et EV-DO

L'évolution s'est poursuivie avec la gamme de normes CDMA2000, qui comprenait CDMA2000 1x (1xRTT) pour les données vocales et à basse vitesse, puis CDMA2000 1xEV-DO (Evolution-Data Optimised) pour les services de données à haute vitesse. CDMA2000 1x offrait jusqu'à 153 taux de données kbps, tandis qu'EV-DO Rev. A a poussé le débit à 3,1 Mbps en aval. Ces réseaux ont permis la première génération d'expériences Internet mobiles: email, simple navigation sur le Web et messagerie d'images.

CDMA2000 c. WCDMA

Il est important de distinguer CDMA2000 (le chemin nord-américain/asiatique CDMA) et WCDMA (le CDMA à bande large, utilisé dans les UMTS). Bien que les deux soient basés sur CDMA, WCDMA utilise un canal plus large de 5 MHz et a été adopté par la famille GSM comme chemin d'évolution 3G. WCDMA est devenu la norme mondiale dominante 3G, tandis que CDMA2000 est resté forte dans les Amériques et dans certaines parties de l'Asie.

Transition vers 4G et LTE

Le passage des réseaux CDMA 3G à la 4G LTE a représenté un changement fondamental dans la technologie de l'interface air. LTE utilise un accès multiple à la division de fréquence orthogonale (OFDMA) pour la liaison descendante et la FDMA monoporteur (SC-FDMA) pour la liaison ascendante, plutôt que la CDMA. Ce changement a été dû à la nécessité de taux de pointe plus élevés, à une meilleure efficacité spectrale dans les larges bandes de fréquences et à une programmation plus souple.

Compatibilité en arrière et appareils à double mode

Pendant la transition, les transporteurs qui avaient beaucoup investi dans CDMA2000 (par exemple Verizon, Sprint) ont déployé LTE aux côtés des réseaux CDMA existants pour les données vocales et les données héritées.Les appareils ont été conçus avec des radios bimodes, permettant une transmission sans heurt entre LTE pour les données et CDMA2000 1x pour la voix (une technique connue sous le nom de CSFB – Circuit Switched Fallback).

Fondations CDMA dans les normes 3GPP

De plus, les principes sous-jacents de CDMA — multiplexage, écoulement souple et contrôle de puissance — ont influencé la conception des canaux de contrôle LTE et de certaines procédures de couches physiques. Par exemple, LTE , PRACH (Physical Random Access Channel) utilise une forme de spectre de diffusion pour gérer l'accès basé sur les conflits.

Intégration avec la technologie 5G

La nouvelle radio 5G (NR) marque un autre saut générationnel, mais elle reflète également une dépendance continue à l'égard des techniques inspirées par le CDMA. Bien que l'interface aérienne 5G soit principalement basée sur le DMFO et le MIMO massif, la nécessité d'une communication robuste, sûre et efficace dans divers scénarios a conduit à l'inclusion d'éléments semblables au CDMA.

Partage du spectre et héritage du CDMA

Le DSS permet à 4G LTE et 5G NR de coexister sur la même bande de fréquences, en répartissant les ressources de façon dynamique. Ceci est conceptuellement similaire à la capacité de CDMA à superposer plusieurs utilisateurs sur la même fréquence, bien que mis en œuvre par différents mécanismes de programmation. De plus, 5G utilise le multiplexage de code-domaine sophistiqué pour les canaux de contrôle, comme les informations de contrôle de liaison ascendante (UCI) et les signaux de référence, qui empruntent directement à l'approche de la division de code de CDMA.

Compatibilité en arrière et migration de réseau

De nombreux déploiements 5G, en particulier en Amérique du Nord, commencent par le mode non autonome (NSA), qui repose sur un réseau central de 4G LTE (et dans certains cas, CDMA 3G) pour la signalisation de contrôle. Les transporteurs comme Verizon ont maintenu les réseaux CDMA2000 pour les anciens appareils voix et IoT jusqu'à récemment. Le dernier coucher de soleil des réseaux CDMA (par exemple, Verizon , 3G CDMA stopdown in 2022) marque la fin d'une époque, mais montre également comment l'infrastructure héritée a favorisé une transition en douceur vers 5G. L'interopérabilité entre CDMA et 5G, bien que limitée, a permis à des millions d'appareils de continuer à fonctionner pendant la migration pluriannuelle.

5G Cas d'utilisation bénéficiant des principes de l'ADMC

Les communications massives de type machine (mMTC) en 5G, qui ciblent les appareils IoT avec des taux de données faibles et des contraintes de puissance, peuvent tirer parti des techniques d'accès multiples du domaine du code (par exemple SCMA – Sparse Code Multiple Access). Bien que non pur CDMA, SCMA utilise des codes pour permettre un accès multiple non orthogonal, un descendant direct de la philosophie de la division de code CDMA. De même, la transmission sans subvention de liaison ascendante en 5G N pour les communications à faible latence ultra-fiable (URLLC) partage le même objectif de permettre à plusieurs appareils de transmettre simultanément sans programmation centralisée, rappelant la capacité inhérente de multi-accès CDMA.

Perspectives d'avenir et influence continue du CDMA

Les réseaux futurs peuvent combiner l'OFMM avec l'accès multiple non orthogonal (NOMA) et l'annulation avancée des interférences, qui s'appuient tous sur les idées de diffusion qui ont donné naissance à CDMA. De plus, la nécessité de communications sécurisées et peu probables d'interception, un moteur original de diffusion du spectre, demeure pertinente pour les applications essentielles liées à l'infrastructure, à la défense et à la protection de la vie privée.

CDMA dans les réseaux satellitaires et non terrestres

Les systèmes de communication par satellite, y compris ceux qui sont intégrés dans les réseaux non terrestres 5G, emploient souvent CDMA pour faire face à de longs retards de propagation et à des déplacements élevés de Doppler. Des technologies comme Qualcomm , les réseaux de téléphonie par satellite CDMA (par exemple, Globalstar) ont prouvé la viabilité de la diffusion du spectre dans les liaisons spatiales.

Enseignements à tirer des normes futures

L'histoire de CDMA enseigne des leçons importantes: la valeur d'investir dans l'innovation de couches physiques, la nécessité d'une compatibilité en arrière pendant les transitions générationnelles, et l'utilité durable de principes fondamentaux comme l'accès multiple orthogonal et non orthogonal. Les ingénieurs qui conçoivent 6G étudient déjà les algorithmes de contrôle de puissance de CDMA et les stratégies d'attribution de code pour améliorer l'efficacité énergétique et la capacité de réseau.

En résumé, l'évolution de CDMA, du développement précoce à la domination 3G à l'intégration avec 5G illustre la nature itérative de la technologie sans fil. Chaque génération hérite et adapte les meilleures idées de ses prédécesseurs. Les principes de diffusion CDMA, une fois révolutionnaires, forment maintenant un fil dans le tissu riche des réseaux mobiles modernes. L'avenir va sans aucun doute combiner ces techniques éprouvées avec de nouvelles percées pour offrir la connectivité transparente et omniprésente que les utilisateurs attendent.