O legado duradouro da divisão de código de acesso múltiplo

Poucas tecnologias móveis deixaram uma pegada tão profunda como o CDMA. Primeiro comercializado em meados da década de 1990 com o padrão TIA/EIA-95 (IS-95), o CDMA introduziu uma forma fundamentalmente diferente de gerir o espectro de rádio escasso. Em vez de dividir conversas por slots de tempo (TDMA) ou canais de frequência separados (FDMA), o CDMA permitiu que cada utilizador transmitisse simultaneamente através da mesma transportadora de banda larga. Cada chamada foi atribuída um código pseudo-random único; o receptor podia escolher o sinal pretendido mesmo quando dezenas de outros estavam a falar sobre o mesmo ar. Essa inovação dobrou ou triplicou a capacidade em comparação com os sistemas analógicos e TDMA anteriores e lançou o terreno para a era da banda larga móvel.

Quase três décadas depois, o CDMA está sendo eliminado. Grandes operadoras na América do Norte e em partes da Ásia fecharam suas redes CDMA 2G e 3G para o espectro livre para 4G LTE e 5G New Radio (NR). No entanto, a evolução do CDMA para padrões modernos não é uma simples história de substituição. Os conceitos de processamento de espectro de expansão, soft handoffs e controle de energia sofisticado que tornaram o CDMA bem sucedido continuam a influenciar como os sistemas 4G e 5G são projetados, implantados e operados. Compreender essa evolução ajuda engenheiros de rede, gerentes de compras e decisores de TI a planejar migrações que maximizam o retorno de infraestrutura investida, apoiando casos de uso da próxima geração.

De IS-95 a CDMA2000: A Era 3G

A primeira variante principal do CDMA, IS-95A, ofereceu voz comutada em circuito a 9,6 kbps e um modesto canal de dados de 14,4 kbps. Seu sucessor, IS-95B, empurrou as taxas de dados para um teórico 115 kbps por vários canais de código. Mas o verdadeiro salto veio com a família CDMA2000. CDMA2000 1x (também chamado 1xRTT) duplicou a capacidade de voz e introduziu dados de pacotes sempre em até 153 kbps — um grande passo para smartphones, e-mail e navegação WAP.

Para as operadoras que necessitavam de maior rendimento de dados, o padrão 1xEV-DO (Evolution-Data Optimized) foi mais longe, dedicando uma transportadora completa de 1,25 MHz a dados de pacotes e atingindo taxas máximas de 2,4 Mbps em seu primeiro lançamento. Em meados dos anos 2000, o Rev. B do EV-DO permitiu agregação multicarregadoras, empurrando limites teóricos acima de 14 Mbps. Esta geração tornou a transmissão de música, vídeo básico e navegação web móvel prática para milhões de usuários, e cimentou o CDMA como a tecnologia 3G de escolha para portadores como Verizon, Sprint, KDDI e LG U+.

No entanto, a arquitetura 3G CDMA2000 foi trocada em seu núcleo de voz. À medida que a revolução do smartphone impulsionava a demanda exponencial de dados, a sobrecarga trocada de circuito tornou-se um gargalo. Os operadores precisavam de um núcleo comutado de pacotes all-IP para escala econômica. Essa exigência apontou para uma tecnologia de acesso a rádio totalmente nova: Long-Term Evolution.

Por que o CDMA esquerdo 4G está por trás

Quando 3GPP começou a definir LTE em 2004, os alvos de design foram 100 Mbps downlink, 50 Mbps uplink, latência sub-20 ms e uma rede plana all-IP. A abordagem de propagação do CDMA, enquanto robusta contra interferência, não conseguiu alcançar eficientemente essas eficiências espectrais de pico. O LTE adotou o Multiple Access (OFDMA) da Divisão de Frequência Ortogonal para o link de Downlink e SC-FDMA para o uplink. O O OFDMA divide o transportador em muitos subcarriers ortogonais estreitos, cada um carregando um fluxo de baixa taxa. Esta estrutura é muito mais indulgente em ambientes multicaminho, suporta larguras de banda flexíveis (1,4 a 20 MHz), e permite características chave LTE como MIMO e modulação adaptativa com equalização mais simples.

A migração para o LTE significava que os operadores do CDMA2000 já não podiam contar com a sua rede de rádio existente. Novas estações de base (eNodeBs), novos equipamentos de utilizador e uma rede de núcleo completamente diferente (Evolved Packet Core, EPC) eram necessárias. No entanto, a infra-estrutura do CDMA — torres, backhaul, sítios de células, sistemas de energia — estava longe de ser obsoleta. Os transportadores começaram a sobrepor o LTE no seu espectro existente, mantendo o CDMA para os dados de voz e de retorno. Este período de “co-existência” colocou imensa pressão sobre os operadores para gerirem duas tecnologias paralelas, cada uma com as suas próprias operações, manutenção e estratégia de espectro.

Como as redes CDMA estão evoluindo para apoiar 4G e 5G

A transição de uma rede CDMA centrada para uma que suporta totalmente 4G e 5G envolve muito mais do que trocar rádios de estações base. Requer uma reexploração pensativa do espectro, integração de núcleos de modo dual e eventual pôr-do-sol de interfaces aéreas legadas. Abaixo estão os principais mecanismos que as transportadoras estão usando para preencher o hiato.

Rearmar o espectro e re-agricultora LTE

A maioria dos operadores de CDMA possuía licenças nas bandas de 800 MHz (Cellular), 1900 MHz (PCS) e 700 MHz. À medida que o tráfego de dados se deslocava para LTE e posteriormente 5G, as transportadoras reduziram ou eliminaram gradualmente a potência de CDMA nestas transportadoras. Por exemplo, a Verizon reafectou o seu bloco de 800 MHz Cellular B do CDMA para o LTE, melhorou a cobertura, e posteriormente utilizou-o como âncora de banda baixa para 5G NR. Da mesma forma, o espectro PCS de 1900 MHz da Sprint — originalmente utilizado para CDMA voz e EV-DO — foi reexplorado para a agregação de operadora LTE e, após a fusão T-Mobile, em canais de largura de 5G NR.

Este processo é delicado: chamadas de voz CDMA requerem uma pegada mínima, e buracos de cobertura podem surgir se a reagrupamento é muito agressivo antes VoLTE (Voz sobre LTE) é maduro. Carriers gerenciar a transição com planejamento de grade cuidadoso, muitas vezes mantendo um único operador CDMA em cada setor para fallback de voz enquanto aloca o resto para LTE e NR.

VoLTE como Ponte VoIP

Um dos maiores obstáculos à aposentadoria do CDMA foi a voz. CDMA2000 1x ofereceu voz de alta qualidade, com troca de circuitos com um canal dedicado, mas o LTE é uma rede totalmente compacta. Operadores implantaram o IMS para transportar voz como fluxo de dados prioritário. Implementações precoces do VoLTE enfrentaram desafios com a transferência de chamadas: quando um usuário saiu da cobertura do LTE, a chamada teve que ser transmitida para o CDMA 1x (SRVCC, Single Radio Voice Call Continuity). Com o passar do tempo, à medida que a cobertura do LTE se tornou onipresente e a confiabilidade do VoLTE melhorou, os portadores reduziram a dependência da voz do CDMA.

Para redes 5G mais recentes, 3GPP especificou Voz sobre NR (VoNR) usando o mesmo núcleo IMS. Interworking entre VoNR e VoLTE (e, onde ainda está presente, CDMA) é tratado por procedimentos de entrega padronizados, embora não estejam sendo adicionados novos CDMA-para-NR. O processo ilustra como a infraestrutura de voz CDMA comprou tempo para os operadores construirem um ecossistema de voz totalmente IP viável.

Conectividade dupla e corte de rede

Mesmo após o CDMA ser recusado, o seu legado influencia a forma como o espectro é agregado. Em 5G, a Dual Connectivity (EN-DC) permite que um dispositivo de utilizador se conecte simultaneamente a uma célula de âncora LTE (que pode estar sentada no antigo espectro CDMA) e a uma célula NR 5G. A âncora LTE carrega dados de sinalização de controlo e de baixa latência enquanto a transportadora NR fornece dados de alta performance. Esta abordagem, por vezes chamada de “não-stantalone” (NSA) 5G, tem sido fundamental no início dos lançamentos 5G porque alavanca a infra-estrutura existente de LTE — parte da qual foi construída sobre o espectro CDMA reexplorado.

A divisão de rede, um conceito central 5G, permite que os operadores esculpam redes virtuais de ponta a ponta otimizadas para serviços específicos (eMBB, URLLC, mMTC). Embora o CDMA não tenha a divisão, a disciplina operacional de gestão de múltiplos perfis QoS sobre uma operadora de CDMA compartilhada ensinou aos operadores a importância de tratamento diferenciado. Os mecanismos de corte de hoje herdam essa filosofia, mas implementam-na com redes definidas por software e arquiteturas nuvem[]].

MIMO maciço e vigas em espectro refarmado

As estações base CDMA normalmente usam antenas de dois portos para transmitir diversidade. Atualizar para o MIMO maciço (por exemplo, matrizes de 64 ou 128 elementos) pode aumentar drasticamente a capacidade nas mesmas bandas de frequência. Portadores como a Verizon implantaram o MIMO maciço no espectro PCS de 1900 MHz originalmente atribuído ao CDMA. Ao usarem os mesmos locais de torre e muitas vezes o mesmo backhaul, eles alcançam ganhos de rendimento LTE e NR de 3-5x sem precisarem de novos sites de células.

A Beamforming — direcionando o sinal de rádio para um usuário específico — também aumenta a cobertura no espectro de banda média. Isto é particularmente importante na banda de 2,5 GHz, que a Sprint usou para suas redes CDMA e WiMAX e que a T-Mobile agora usa para 5G. A Beamforming e a MIMO são técnicas avançadas que não teriam sido possíveis no hardware CDMA legado, mas a infraestrutura de aquisição, potência e montagem do site construída para o CDMA fornecem a base física.

Desafios na Evolução

Apesar dos benefícios, a transição CDMA-to-4G/5G é repleta de complexidade. Os engenheiros de rede devem enfrentar desafios técnicos, operacionais e empresariais para evitar a degradação do serviço e o churn do cliente.

Suporte a dispositivos legados

Milhões de telefones de recursos, dispositivos de alerta médico, unidades de telemática de veículos e sensores industriais ainda dependem do CDMA. A retirada do CDMA sem um caminho de substituição claro pode levar a serviços essenciais. O desligamento planejado das redes CDMA 3G nos Estados Unidos até o final de 2022 forçou muitos clientes corporativos a atualizar seu hardware de frota. Algumas indústrias, como agricultura e petróleo e gás, enfrentaram meses de fornecimento de modems 4G/5G-compatíveis. Os transportadores atenuaram isso oferecendo programas de atualização subsidiados e publicando cronogramas de pôr-do-sol com anos de antecedência, mas a transição continua a ser cara para clientes com grandes bases implantadas.

Interoperabilidade e otimização da transferência

Durante a fase de coexistência, as redes LTE e CDMA devem transmitir sem problemas as sessões de voz e dados. As transferências inter-RAT (Radio Access Technology) introduzem latência e sinalização. Os operadores passaram anos ajustando limiares e listas de vizinhos para minimizar chamadas perdidas quando um usuário se mudou de LTE para a cobertura CDMA — um problema particularmente complicado em corredores urbanos onde as forças do sinal flutuam rapidamente. Com o CDMA sendo desligado agora, esses parâmetros inter-RAT se tornam obsoletos, mas eles exigiram um esforço de engenharia substancial enquanto ativos.

Fragmentação do Espectro

Como o CDMA usou suportes de 1,25 MHz e LTE requer pelo menos 1,4 MHz canais (com maior eficiência), a reexploração pode deixar alocações de canais de forma estranha. Às vezes, os operadores mantêm blocos fragmentados de 5 ou 10 MHz em várias faixas que não podem ser facilmente agregados em uma única transportadora ampla. A agregação de portadores (CA) ajuda, mas a CA adiciona complexidade ao design de modem e programação de rede. Nos mercados onde os operadores de CDMA possuíam apenas fatias estreitas, a transição para LTE ou 5G sem largura de banda contígua provou uma desvantagem competitiva contra operadores com grandes participações de espectro ininterruptas (por exemplo, C-band 5G).

Investimento e Pressão na Linha do Tempo

A atualização de uma rede de CDMA nacional para LTE/5G requer bilhões de dólares em capital — não apenas para rádios, mas para fibras retroativas, upgrades de energia, novas antenas e modernização de rede central. Os portadores devem equilibrar esse investimento com a receita gerada pela base de usuários legada. Desligar o CDMA muito cedo pode irritar os assinantes pós-pagos; retardar os laços de capex que poderiam ser usados para densificar 5G. Vimos algumas operadoras, como Verizon, completar o desligamento do CDMA apenas em dezembro de 2022, quase 12 anos após o lançamento do LTE. Outros, como a rede de legados da Sprint sob T-Mobile, encerraram o CDMA até março de 2022. Os ciclos de planejamento foram medidos em anos.

Oportunidades Criadas pela Evolução

A mesma transição que desafia os operadores também abre oportunidades comerciais e técnicas substanciais. A retirada do CDMA liberta toda a carteira de espectros — por vezes até 20-30 MHz em todo o país — que podem ser redistribuídas em transportadoras de capacidade muito elevada. Por exemplo, a banda de 600 MHz da T-Mobile, “Extended Range 5G”, em 600 MHz, e a banda média em 2,5 GHz, ambas dependem do espectro que anteriormente transportava CDMA (e GSM, no caso da banda de 600 MHz adquirida do leilão de 600 MHz).

Ativando comunicações ultra-religíveis de baixa latência (URLLC)

A estrutura baseada em código da CDMA não foi projetada para a latência de ida e volta de 1 ms que demandam automação industrial e cirurgia remota. Moderno 5G NR, construído sobre OFDMA com mini-lotes, preempção e transmissão sem concessão, pode oferecer esse desempenho. Uma vez que a camada CDMA seja removida, a rede principal pode ser verdadeiramente IP de ponta a ponta, eliminando gateways de voz comutados e reduzindo a latência. Os portadores podem então oferecer URLLC como uma camada de serviço, apoiando fábricas inteligentes, robôs móveis autônomos e aplicações de sobreposição de realidade aumentada na fabricação.

Comunicações de tipo de máquina maciça (mMTC)

Os dispositivos IoT tradicionalmente utilizavam CDMA para dados intermitentes de baixa taxa (por exemplo, contadores inteligentes, rastreadores de ativos). Estes dispositivos eram limitados pela vida útil da bateria e pela sobrecarga da conexão do CDMA. A evolução para LTE-M e NB-IoT — ambos baseados na OFDMA mas otimizados para baixa potência e densidade maciça — dá aos operadores a capacidade de conectar muito mais dispositivos por célula. Por exemplo, a NB-IoT suporta até 100.000 dispositivos por célula, em comparação com alguns milhares para CDMA. A retirada do CDMA permite aos operadores re-provisionar clientes IoT para estes novos padrões mais eficientes, reduzindo o congestionamento de rede e estendendo a vida útil do dispositivo para 10 anos ou mais.

Redes Núcleos Cloud-Native

A fase final da evolução do CDMA é a mudança para um núcleo 5G nativo de nuvem. O Legacy CDMA e até mesmo as redes LTE iniciais dependiam de hardware construído para fins específicos — um 3G-MSC (Mobile Switching Center) para voz, um PDSN (Packet Data Serving Node) para dados. Os núcleos 5G modernos são funções de rede virtualizadas (VNFs) em funcionamento em servidores de uso geral com NFV e SDN. Esta arquitetura reduz radicalmente o tempo para implantar novos serviços (de meses a dias) e permite a divisão da rede. Pela primeira vez, uma única infraestrutura pode hospedar uma fatia para a condução autônoma com latência de milissegundos de um único dígito ao lado de uma fatia para IoT maciça com baixa produtividade e longa vida útil da bateria — tudo sem qualquer legado de CDMA-era comutação de circuitos.

O futuro das redes móveis além do CDMA

Como as redes 5G stand-alone (SA) se tornam a norma, o CDMA vai desaparecer na história. Já, os principais operadores como Verizon e T-Mobile completaram o desligamento do CDMA. Em outros mercados – nomeadamente Japão, Coreia do Sul e Austrália – datas semelhantes de pôr-do-sol passaram ou são iminentes. Até mesmo regiões onde o CDMA foi implantado mais tarde, como partes da América Latina e Índia, estão acelerando as saídas LTE com um olho para 5G.

Isto não significa que o ADN técnico do CDMA esteja ausente. Os princípios do spread-spectrum que tornaram o CDMA tão bem sucedido — particularmente a sua resiliência à interferência e a sua capacidade de operar com baixas relações sinal-ruído — foram adaptados ao design de forma de onda diversificada do 5G NR. Por exemplo, o 5G NR suporta tanto o CP-OFDM como o DFT-s-OFDM, e a camada superior utiliza multiplexamento baseado em código semelhante para canais de controlo. O handoff suave, uma marca de CDMA, foi substituído por técnicas mais eficientes, como a conectividade dupla e a transmissão coordenada de multipontos, mas o objectivo subjacente da mobilidade contínua permanece.

Em um sentido mais amplo, a evolução do CDMA ensinou à indústria móvel lições cruciais sobre como gerenciar transições tecnológicas: investir cedo em núcleos IP, planejar a reagrupamento do espectro com anos de antecedência e comunicar claramente os prazos de pôr-do-sol aos clientes corporativos. Essas lições estão sendo aplicadas agora à migração 5G-a-6G desafiador que começará no final de 2020.

Para engenheiros de rede e operadores de frota que dependem atualmente de dispositivos conectados ao CDMA, a mensagem é clara: a janela está fechando. Testes e substituições de LTE ou 5G, provisionamento de voz baseada em IMS sobre VoLTE ou VoNR, e garantir módulos compatíveis deve ser uma prioridade máxima. A direção do setor é irreversível, e as oportunidades – de IoT maciça para serviços ultra-religíveis de baixa latência – são muito significativas para ignorar. Ao abraçar a evolução do CDMA para 4G e 5G, empresas e operadores tanto podem construir uma infraestrutura de conectividade pronta para o futuro que seja mais rápida, mais escalável e preparada para as demandas da próxima década.

Revisão adicional: 3GPP 5G Visão geral do sistema, FCC CDMA/3G Informação de encerramento, e Qualcomm: Evolução do CDMA2000 para 4G LTE.