De blijvende legacy van Code Division Meerdere toegang

Er zijn nog maar weinig mobiele technologieën die zo'n diepe voetafdruk hebben achtergelaten als Code Division Multiple Access (CDMA). In de jaren negentig werden de gesprekken met de TIA/EIA‐95 (IS‐95) standaard eerst op een heel andere manier beheerd. In plaats van gesprekken te delen door tijdslots (TDMA) of afzonderlijke frequentiekanalen (FDMA), liet CDMA elke gebruiker tegelijkertijd over dezelfde breedbanddrager zenden. Elk gesprek kreeg een unieke pseudo-randomcode toegewezen, de ontvanger kon het beoogde signaal uitkiezen zelfs wanneer tientallen anderen over dezelfde lucht spraken. Die innovatie verdubbelde of verdrievoudigde capaciteit vergeleken met eerdere analoge en TDMA-systemen en legde de basis voor het mobiele breedbandtijdperk.

Bijna drie decennia later wordt CDMA geleidelijk afgeschaft. Grote luchtvaartmaatschappijen in Noord-Amerika en delen van Azië hebben hun 2G- en 3G-cdma-netwerken gesloten voor gratis spectrum voor 4G LTE en 5G New Radio (NR). Toch is de evolutie van CDMA in moderne normen geen eenvoudig verhaal over vervanging. De fysieke-laagconcepten van spread-spectrumverwerking, zachte handoffs en geavanceerde machtscontrole die CDMA succesvol maakte, blijven invloed uitoefenen op hoe 4G- en 5G-systemen ontworpen, geïmplementeerd en geëxploiteerd worden. Het begrijpen van deze evolutie helpt netwerkingenieurs, inkoopbeheerders en IT-beslissers migraties te plannen die het rendement op geïnvesteerde infrastructuur maximaliseren en tegelijkertijd gebruikscases van de volgende generatie ondersteunen.

Van IS‐95 tot CDMA2000: Het 3G-tijdperk

De eerste mainstream CDMA variant, IS‐95A, bood een schakelingsstem op 9,6 kbps en een bescheiden 14,4 kbps datakanaal. Zijn opvolger, IS‐95B, duwde datasnelheden naar een theoretische 115 kbps door meerdere codekanalen te bundelen. Maar de ware sprong kwam met de CDMA2000 familie. CDMA2000 1x (ook wel 1xRTT) verdubbelde spraakcapaciteit en introduceerde altijd-on pakketgegevens op maximaal 153 kbps .Een enorme stap voor vroege smartphones, e-mail en WAP-browsen.

Voor exploitanten die een hogere gegevensdoorvoer nodig hadden, ging de 1xEV-DO (Evolution‐Data Optimized) norm verder, waarbij een volledige 1,25 MHz drager werd toegewijd aan pakketgegevens en pieksnelheden van 2,4 Mbps in de eerste release werden bereikt. Tegen het midden van 2000, Rev. B van EV‐DO stond multicarrier aggregatie toe, waarbij theoretische limieten boven 14 Mbps werden verhoogd. Deze generatie maakte streaming muziek, basisvideo en mobiel web browsen praktisch voor miljoenen gebruikers, en het cementeerde CDMA als de 3G-technologie van keuze voor dragers zoals Verizon, Sprint, KDDI en LG U+.

De 3G CDMA2000-architectuur werd echter in zijn kern van spraakschakelingen omgezet. Toen de smartphonerevolutie de vraag naar exponentiële gegevens stuwde, werd de overhead van het circuit een knelpunt. Exploitanten hadden een volledig IP-pakket-kern nodig om economisch te kunnen schalen. Die eis wees op een geheel nieuwe radiotoegangstechnologie: Long-Term Evolution.

Toen 3GPP in 2004 begon met het definiëren van LTE, waren de ontwerpdoelen 100 Mbps downlink, 50 Mbps uplink, sub‐20 ms latency en een plat all‐IP netwerk. CDMA breidt de aanpak uit, terwijl robuust tegen interferentie, niet efficiënt die piekspectraal efficiëntie bereikt. LTE nam Orthogonale Frequentie Divisie Meerdere Toegang (OFDMA) voor de downlink en SC‐FDMA voor de uplink. OFDMA verdeelt de drager in vele smalle orthogonale subcarriers, elk met een lage snelheid stroom. Deze structuur is veel meer vergevingsgezind in multipathische omgevingen, ondersteunt flexibele bandbreedtes (1.4-20 MHz), en maakt belangrijke LTE-functies mogelijk zoals MIMO en adaptieve modulatie met eenvoudiger egalisatie.

De migratie naar LTE betekende dat CDMA2000-operatoren niet langer konden rekenen op hun bestaande radionetwerk. Nieuwe basisstations (eNodeBs), nieuwe gebruikersapparatuur en een compleet ander kernnetwerk (de Evolved Packet Core, EPC) waren vereist. Toch was de CDMA-infrastructuur ..torens, backhaul, cellocaties, energiesystemen .. verre van verouderd. Vervoerders begonnen LTE over te leggen op hun bestaande spectrum terwijl ze CDMA voor spraak- en terugvalgegevens behouden. Deze periode van .co-existentie . zette enorme druk op exploitanten om twee parallelle technologieën te beheren, elk met zijn eigen werking, onderhoud en spectrumstrategie.

Hoe CDMA-netwerken zich ontwikkelen naar ondersteuning 4G en 5G

De overgang van een centraal CDMA-netwerk naar een netwerk dat 4G en 5G volledig ondersteunt, omvat veel meer dan het uitwisselen van basisstationradio's. Het vereist een doordachte spectrumreboring, een integratie van de kern van de dual-mode en uiteindelijke zonsondergang van de bestaande luchtinterfaces. Hieronder staan de primaire mechanismen die dragers gebruiken om de kloof te overbruggen.

Spectrumherhouderij en herlandbouw van LTE

De meeste CDMA-exploitanten hadden licenties in de 800 MHz (Cellulaire), 1900 MHz (PCS) en 700 MHz-banden. Aangezien dataverkeer naar LTE en later werd verschoven 5G, verminderden vervoerders geleidelijk de CDMA-vermogensstroom op deze dragers. Bijvoorbeeld, Verizon hertoegewezen zijn 800 MHz Cellular B-blok van CDMA aan LTE, verbeterde dekking, en later gebruikt als een lage-band anker voor 5G NR. Ook Sprint . 1900 MHz PCS spectrum . . oorspronkelijk gebruikt voor CDMA-stem en EV‐DO . . werd heropgevoed in LTE-carrier aggregatie en, na de fusie van T‐Mobile, in 5G NR brede kanalen.

Dit proces is delicaat: CDMA-telefoongesprekken vereisen een minimale voetafdruk, en dekkingsgaten kunnen ontstaan als de herhouderij te agressief is voordat VoLTE (Voice over LTE) volwassen is. Carriers beheren de overgang met zorgvuldige grid-level planning, vaak houden een enkele CDMA-drager in elke sector voor terugval van de stem terwijl de rest aan LTE en NR wordt toegewezen.

VoLTE als VoIP-brug

Een van de grootste obstakels voor cdma-uitval was stem. CDMA2000 1x bood een spraak van hoge kwaliteit, met een schakelingsgeluid met een specifiek kanaal, maar LTE is een all-packet netwerk. Operators introduceerden IMS-gebaseerde VoLTE om spraak als een prioritaire datastroom te dragen. Vroege VoLTE-implementaties werden geconfronteerd met problemen met handoffs tijdens gesprekken: toen een gebruiker uit LTE-dekking verhuisde, moest de oproep worden doorgegeven aan CDMA 1x (SRVCC, Single Radio Voice Call Continuity). Na verloop van tijd, toen LTE-dekking werd alomtegenwoordig en VoLTE betrouwbaarheid verbeterd, vervoerders verminderde afhankelijkheid van CDMA-stem.

Voor nieuwere 5G-netwerken heeft 3GPP Voice over NR (VNR) gespecificeerd met dezelfde IMS-kern. Interworking tussen VoNR en VoLTE (en, waar nog aanwezig, CDMA) wordt behandeld door middel van gestandaardiseerde overdrachtsprocedures, hoewel er geen nieuwe CDMA-naar-NR-handovers worden toegevoegd. Het proces illustreert hoe CDMA spraakinfrastructuur tijd heeft gewonnen voor exploitanten om een levensvatbaar spraakecosysteem voor alle IP-geluiden op te bouwen.

Dual Connectivity and Network Slicing

Zelfs nadat CDMA is afgewezen, beïnvloedt het verleden de manier waarop spectrum wordt samengevoegd. In 5G, Dual Connectivity (EN-DC) staat een gebruiker apparaat toe om gelijktijdig verbinding te maken met een LTE ankercel (die op het voormalige CDMA spectrum kan zitten) en een 5G NR cel. Het LTE anker draagt controle signaal en lage-letterigheid gegevens terwijl de NR drager levert hoge-doorvoer. Deze aanpak, soms genoemd .non-standalone (NSA) 5G, is instrumentaal in vroege 5G uitrollers omdat het heft bestaande LTE infrastructuur . . sommige van die werd gebouwd op gerekruteerde CDMA spectrum.

Netwerkafsnijden, een 5G kernconcept, laat exploitanten toe om virtuele end-to-end netwerken te ontwikkelen die geoptimaliseerd zijn voor specifieke diensten (eMBB, URLLC, mMTC). Hoewel CDMA niet over een afzonderlijke vorm beschikt, heeft de operationele discipline van het beheer van meerdere QoS-profielen over een gedeelde CDMA-carrier exploitanten het belang van een gedifferentieerde behandeling onderwezen. Tegenwoordig erven de tools die filosofie, maar implementeren met software-gedefinieerde netwerking en cloud-native[] architecturen.

Mimimo en Beamforming op hergekweekt spectrum

CDMA-basisstations gebruikten meestal twee-poortsantennes voor de overdracht van diversiteit. Het upgraden naar massieve MIMO (bijvoorbeeld 64- of 128-element arrays) kan de capaciteit op dezelfde frequentiebanden drastisch verhogen. Vervoerders zoals Verizon hebben massale MIMO ingezet op 1900 MHz PCS-spectrum dat oorspronkelijk aan CDMA werd toegewezen. Door dezelfde torenlocaties en vaak dezelfde backhaul te gebruiken, bereiken ze LTE- en NR-doorvoerwinst van 3

Beamforming . Het sturen van het radiosignaal naar een specifieke gebruiker . . Verbetert ook de dekking op mid-band spectrum. Dit is vooral belangrijk in de 2.5 GHz-band, die Sprint gebruikt voor zijn CDMA en WiMAX netwerken en die T‐Mobile nu gebruikt voor 5G. Beamforming en MIMO zijn geavanceerde technieken die niet mogelijk zouden zijn geweest op de oude CDMA hardware, maar de site aankoop, stroom, en montage infrastructuur gebouwd voor CDMA bieden de fysieke basis.

Uitdagingen in de evolutie

Ondanks de voordelen is de overgang tussen CDMA en 4G/5G complex. Netwerkingenieurs moeten technische, operationele en zakelijke uitdagingen aanpakken om de achteruitgang van de dienstverlening en het klantenkarn te voorkomen.

Ondersteuning voor legacy-apparaat

Miljoenen functies telefoons, medische alarmapparatuur, voertuig telematica-eenheden en industriële sensoren nog steeds afhankelijk van CDMA. Het met pensioen brengen van CDMA zonder een duidelijke vervanging pad kan essentiële diensten te verwisselen. De FCC. de geplande sluiting van 3G CDMA-netwerken in de Verenigde Staten tegen het einde van 2022 dwong veel zakelijke klanten om hun vloot hardware te upgraden. Sommige industrieën, zoals landbouw en olie en gas, geconfronteerd met maanden van de aanlooptijd sourcing 4G/5G-compatibele modems. Carriers beperkten dit door het aanbieden van gesubsidieerde upgrade programma's en het publiceren van sunset tijdlijnen jaren van tevoren, maar de overgang blijft duur voor klanten met grote inzet bases.

Interoperabiliteit en overdracht Optimalisatie

Tijdens de co-existentiefase moeten LTE- en CDMA-netwerken naadloos spraak- en datasessies afleveren. Inter-RAT (Radio Access Technology) handovers introduceren latency en signaaloverhead. Exploitanten brachten jaren door met het afstemmen van drempels en burenlijsten om de afgevallen oproepen te minimaliseren wanneer een gebruiker van LTE naar CDMA-dekking ..een bijzonder lastig probleem in stedelijke gangen waar signaalsterktes snel fluctueren. Nu CDMA wordt afgesloten, worden deze inter-RAT-parameters verouderd, maar ze hebben aanzienlijke technische inspanningen nodig terwijl ze actief zijn.

Spectrumfragmentatie

Omdat CDMA 1,25 MHz-carriers en LTE gebruikt, vereist het minstens 1,4 MHz-kanalen (met een grotere efficiëntie), zodat herlandbouwen een vreemd gevormde kanaaltoewijzing kan laten. Exploitanten hebben soms gefragmenteerde blokken van 5 of 10 MHz-stukken over meerdere banden die niet gemakkelijk kunnen worden samengevoegd tot één enkele brede carrier. Carrieraggregatie (CA) helpt, maar CA voegt complexiteit toe aan modemontwerp en netwerkplanning. Op markten waar CDMA-operatoren slechts smalle stukken bezaten, is de overgang naar LTE of 5G zonder aansluitende bandbreedte een concurrentienadeel gebleken tegen exploitanten met grote, ononderbroken spectrumbedrijven (bv. C‐band 5G).

Investeringen en tijdsdruk

Het upgraden van een landelijk CDMA-netwerk naar LTE/5G vereist miljarden dollars aan kapitaal . Niet alleen voor radio's, maar voor backhaul-vezel, stroomupgrades, nieuwe antennes en kernnetwerkmodernisering. Carriers moeten deze investering in evenwicht brengen met de inkomsten gegenereerd door de oude gebruikersbasis. Het afsluiten van CDMA te vroeg kan postpaid abonnees woedend maken; het uitstellen van het te lange verbanden tot capex die kunnen worden gebruikt om 5G te verdichten. We hebben gezien dat sommige vervoerders, zoals Verizon, de cDMA-uitschakeling pas in december 2022, bijna 12 jaar na de lancering van LTE voltooien. Anderen, zoals Sprint.

Kansen gecreëerd door de evolutie

Dezelfde overgang die exploitanten uitdaagt opent ook aanzienlijke commerciële en technische mogelijkheden. De pensionering van CDMA maakt het gehele spectrumportfolio . Soms zelfs 20

Ultra-reliable low-lettercy communicatie (URLLC) mogelijk maken

De codestructuur van CDMA is niet ontworpen voor de sub-1-ms-ronde-rit-latency die industriële automatisering en remote chirurgievraag. Modern 5G NR, gebouwd op OFDMA met mini-slots, pre-emption en subsidievrije transmissie, kan die prestaties leveren. Zodra de CDMA-laag is verwijderd, kan het kernnetwerk echt einde-tot-eind IP zijn, waardoor schakelingsgeschakelde spraakgateways worden geëlimineerd en de latentie wordt verminderd. Carriers kunnen dan URLLC als service tier aanbieden, slimme fabrieken ondersteunen, autonome mobiele robots ondersteunen en augmented-reality-overlay-toepassingen in de productiesector.

Massale communicatie van het machinetype (mMTC)

IoT-apparaten gebruikten traditioneel CDMA voor lage-snelheid, intermitterende gegevens (bijv. slimme meters, assettrackers). Deze apparaten werden beperkt door de levensduur van de batterij en de CDMA-verbinding overhead. De evolutie naar LTE‐M en NB‐IoT . Zowel gebaseerd op OFDMA maar geoptimaliseerd voor een lage vermogen en massale dichtheid . . geeft operators de mogelijkheid om veel meer apparaten per cel aan te sluiten. NB‐IoT ondersteunt bijvoorbeeld tot 100.000 apparaten per cel, in vergelijking met een paar duizend voor CDMA. Het retialiseren van CDMA stelt operators in staat om IoT-klanten opnieuw te voorzien van deze nieuwere, efficiëntere normen, het verminderen van netwerkcongesties en het verlengen van de levensduur van de batterij tot 10 jaar of meer.

Cloud-native kernnetwerken

De laatste fase van de CDMA-evolutie is de verschuiving naar een cloud-native 5G-kern. Legacy CDMA en zelfs vroege LTE-netwerken gebaseerd op doelgerichte hardware . . een 3G‐MSC (Mobile Switching Center) voor spraak, een PDSN (Packet Data Serving Node) voor gegevens. Moderne 5G-kernen zijn gevirtualiseerde netwerkfuncties (VNF's) die draaien op algemeen inzetbare servers met NFV en SDN. Deze architectuur verkort de tijd om nieuwe diensten (van maanden tot dagen) in te zetten en maakt het mogelijk om netwerken uit te schakelen. Voor het eerst kan een enkele infrastructuur een schijf voor autonoom rijden met een enkelvoudige-cijferig milliseconde latentie naast een schijf voor massale IoT met een lage doorvoer en lange batterijduur .

De toekomst van mobiele netwerken voorbij CDMA

Aangezien 5G stand-alone (SA) netwerken de norm worden, zal CDMA vervagen in de geschiedenis. Al, toonaangevende operators zoals Verizon en T‐Mobile hebben voltooid CDMA afsluiten. In andere markten . met name Japan, Zuid-Korea en Australië . . soortgelijke zonsondergang data zijn voorbij of zijn op handen. Zelfs regio's waar cdma werd ingezet later, zoals delen van Latijns-Amerika en India, versnellen LTE uitrol met een oog voor 5G.

Dit betekent niet dat het technische DNA van CDMA ontbreekt. De spread-spectrumprincipes die CDMA zo succesvol maakten, zijn aangepast aan de verschillende golfvormen van 5G NR. Zo ondersteunt 5G NR zowel CP-OFDM als DFT-s-OFDM, en gebruikt de bovenste laag vergelijkbare code-gebaseerde multiplexing voor controlekanalen. Zachte handoff, een kenmerk van CDMA, is vervangen door efficiëntere technieken zoals dubbele connectiviteit en gecoördineerde multi-point transmissie, maar het onderliggende doel van naadloze mobiliteit blijft.

In bredere zin heeft de CDMA-evolutie de mobiele industrie cruciale lessen geleerd over hoe de technologietransities te beheren: investeren in IP-kernen, het plannen van spectrumherbossen jaren van tevoren, en het duidelijk communiceren van de zonsondergangstijden aan zakelijke klanten. Deze lessen worden nu toegepast op de uitdagende 5G-tot-6G migratie die eind 2020 van start gaat.

Voor netwerkingenieurs en vlootexploitanten die momenteel op CDMA-geconnecteerde apparaten vertrouwen, is de boodschap duidelijk: het venster sluit. Het testen en kwalificeren van LTE- of 5G-vervangingen, het voorzien van IMS-gebaseerde stem over VoLTE of VoNR, en het veiligstellen van compatibele modules moet een topprioriteit zijn. De richting van de industrie is onomkeerbaar, en de mogelijkheden ..van massale IoT tot ultra-betrouwbare low-latency diensten . zijn te belangrijk om te negeren. Door de evolutie van CDMA naar 4G en 5G te aanvaarden, kunnen bedrijven en exploitanten zowel een toekomstige connectiviteitsinfrastructuur bouwen die sneller, schaalbaarder is en voorbereid op de eisen van het volgende decennium.

Aanvullende lezing: 3GPP 5G-systeemoverzicht, FCC-CDMA/3G-afsluitingsinformatie en Qualcomm: CDMA2000 Evolution to 4G LTE.