As origens do acesso múltiplo digital

O CDMA Division Multiple Access (CDMA) é uma tecnologia digital de celular que permite que vários usuários compartilhem a mesma faixa de frequência simultaneamente. Ele tem desempenhado um papel significativo no desenvolvimento de telecomunicações modernas, oferecendo uma utilização eficiente do espectro e uma melhor qualidade de chamadas. Ao contrário dos sistemas analógicos anteriores que atribuíram a cada chamada um slot de frequência ou tempo dedicado, o CDMA permite que todos os usuários transmitam ao mesmo tempo ao longo da mesma ampla faixa de frequências. Esta capacidade central fez do CDMA a fundação de redes 3G em todo o mundo e uma pedra fundamental para as arquiteturas 4G e 5G modernas. Entender o CDMA é essencial para qualquer um que trabalhe em telecomunicações, engenharia de rede ou design de sistema sem fio, porque seus princípios de espectro de propagação persistem em praticamente todos os padrões sem fio avançados em uso hoje.

O que é a tecnologia CDMA?

O CDMA é um método de acesso de canais usado por várias tecnologias de comunicação de rádio. Ao contrário do acesso múltiplo tradicional de divisão de frequências (FDMA) ou de divisão de tempo (TDMA), o CDMA atribui códigos únicos a cada utilizador, permitindo que várias conversas ocorram na mesma largura de banda sem interferência. Num sistema FDMA, cada utilizador obtém uma fatia dedicada do espectro de frequências. No TDMA, os utilizadores revezam- se a transmitir em slots de tempo distintos. O CDMA descarta ambas as abordagens: todos os utilizadores transmitem continuamente em toda a largura de banda disponível, e o receptor usa uma correlação matemática para escolher o sinal pretendido a partir do ruído de todas as outras transmissões simultâneas.

A base teórica do CDMA remonta aos anos 1940 e ao trabalho da atriz e inventora Hedy Lamarr e do compositor George Antheil, que patenteou uma técnica de spread-spectrum de frequência para guiar torpedos. Essa patente lançou as bases para as ideias de spread-spectrum que mais tarde amadureceriam para o CDMA. Nos anos 1980 e 1990, empresas como a Qualcomm comercializaram CDMA para redes celulares, levando ao padrão IS-95 (muitas vezes chamado de cdmaOne) e, eventualmente, para CDMA2000 e EV-DO para serviços de dados 3G. Hoje, os princípios matemáticos fundamentais do CDMA vivem em 3G, 4G LTE e 5G NR, mesmo que esses sistemas mais recentes utilizem o acesso múltiplo da divisão de frequência ortogonal (OFDMA) como sua interface aérea primária.

Como funciona o CDMA?

Nos sistemas CDMA, cada utilizador recebe um código único chamado código de difusão. Este código espalha o sinal do utilizador por toda a largura de banda. No fim do receptor, o mesmo código é usado para extrair o sinal específico, filtrando eficazmente outros sinais que partilham a mesma frequência. Este processo é conhecido como tecnologia de espectro de difusão. O código de difusão é uma sequência cuidadosamente desenhada de bits (chips) que é executada a uma taxa muito superior aos dados originais. Multiplicar o sinal de dados original por esta sequência de chips de alta taxa espalha a energia do sinal por uma largura de banda larga, fazendo com que pareça ser um ruído de baixa potência para qualquer receptor que não conheça o código.

Fundamentos do espectro de dispersão

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.

Códigos Walsh e sequências de ruído Pseudo-Random

Os sistemas CDMA normalmente usam duas camadas de codificação. A primeira camada usa as funções Walsh (também chamadas códigos Hadamard) para garantir ortogonalidade entre os usuários dentro da mesma célula. Os códigos Walsh são matematicamente projetados de modo que a correlação cruzada entre quaisquer dois códigos distintos é zero, o que significa que um receptor pode separar perfeitamente transmissões simultâneas de diferentes usuários na mesma célula, desde que os códigos permaneçam sincronizados. A segunda camada usa uma sequência de ruído pseudo- aleatório (PN) longa para diferenciar sinais de diferentes estações base e para fornecer segurança adicional. A sequência PN é única para cada setor de estação base e é usada para confundir os dados transmitidos, tornando extremamente difícil para um eavesdropper desdropper des desmodular o sinal sem saber o código.

Correlação e Recuperação de Sinais

No receptor, o sinal de banda larga que entra é multiplicado pela réplica sincronizada do código de propagação. Como a sequência de código é ortogonal (ou quase assim) para todos os outros códigos em uso, a multiplicação colapsa o sinal desejado do usuário &# 8217;s para trás em um fluxo de dados de banda estreita, deixando os sinais de outros usuários espalhados como ruído de banda larga. Um filtro passa- faixa simples então recupera os bits de dados originais. Este processo, chamado desprendimento, funciona porque o receptor sabe o tempo exato e a sequência de código do transmissor pretendido. A sincronização de tempo precisa é crítica &# 8212;even um pequeno deslocamento reduz o ganho de correlação e pode causar erros de bits. As estações base de CDMA e dispositivos móveis usam canais piloto e loops de tempo contínuo para manter a sincronização.

Principais características do CDMA

O CDMA oferece várias vantagens distintas sobre técnicas de múltiplos acessos anteriores, razão pela qual foi escolhido como interface aérea para alguns dos padrões 3G mais amplamente implantados no mundo.

Eficiência e Capacidade do Espectro

Porque todos os usuários compartilham a mesma faixa de frequência simultaneamente, o CDMA pode suportar mais usuários por unidade de largura de banda do que o FDMA ou TDMA em condições típicas de carga. A capacidade suave do CDMA significa que adicionar mais um usuário apenas ligeiramente aumenta o nível de ruído para todos os outros, em vez de consumir um slot ou frequência dedicada. Isto permite que os operadores sirvam um número maior de assinantes com a mesma alocação de espectro. Em redes CDMA2000 1X, por exemplo, uma única operadora de 1,25 MHz pode suportar mais de 30 chamadas de voz simultâneas usando vocoders avançados, em comparação com cerca de 8 a 10 chamadas em um sistema TDMA comparável na mesma largura de banda. Esta eficiência foi um driver primário para operadores na América do Norte, Ásia e América Latina para adotarem padrões 3G baseados no CDMA.

Segurança e Privacidade

Códigos únicos dificultam muito mais a escuta do que em sistemas TDMA analógicos ou iniciais. Um ouvinte passivo que não conhece o código de propagação vê apenas um sinal de ruído de baixa potência. Sem a sequência e o tempo corretos PN, é computacionalmente inviável recuperar os dados originais. Esta segurança inerente é uma das razões pelas quais o CDMA tem sido usado em comunicações militares há décadas. Os sistemas comerciais 3G CDMA adicionaram camadas de criptografia em cima da codificação de espectro de propagação para atender aos requisitos regulamentares de privacidade e integridade dos dados do assinante.

Controle de transmissão e energia suaves

O CDMA introduz o conceito de transferência suave (também chamado de transferência suave), onde um dispositivo móvel se comunica com duas ou mais estações base simultaneamente durante uma transição entre células. O móvel combina os sinais de várias estações base usando a relação máxima combinando, melhorando a qualidade do sinal e eliminando as quedas abruptas de chamadas que ocorrem em sistemas de transferência dura. Esta funcionalidade melhora drasticamente a fiabilidade das chamadas e a qualidade da voz nas bordas das células. O controlo de energia é outra característica essencial do CDMA. Dado que todos os utilizadores partilham a mesma frequência, uma única transmissão móvel a uma potência demasiado elevada pode abafar todos os outros utilizadores da célula (o problema próximo).

Os sistemas CDMA implementam um controlo rápido de energia de circuito fechado que ajusta cada telemóvel, que transmite a energia até 800 vezes por segundo, mantendo cada sinal no nível mínimo necessário para uma recepção fiável.

CDMA vs. Outras Tecnologias de Acesso Múltiplo

Entender como o CDMA se compara a outros métodos de acesso de canais esclarece por que foi adotado para 3G e como suas limitações impulsionaram a transição para tecnologias mais novas.

CDMA vs. FDMA

A divisão de frequência de acesso múltiplo divide o espectro disponível em canais estreitos, cada um dedicado a um único usuário. FDMA é simples e foi usado em sistemas celulares analógicos como AMPS e TACS. No entanto, sofre de baixa eficiência espectral, pois faixas de guarda entre canais de espectro de desperdício, e um canal não pode ser reutilizado por outros usuários, mesmo quando está inativo. CDMA elimina faixas de guarda inteiramente e permite que a capacidade ociosa seja usada por outros usuários, tornando-o drasticamente mais eficiente para o tráfego de dados e chamadas de voz com silêncios naturais.

CDMA vs. TDMA

O acesso múltiplo da divisão do tempo divide cada canal de frequência em slots de tempo, sendo que cada usuário atribuiu um slot recorrente. O GSM, o padrão dominante 2G, usou o TDMA. O TDMA melhora a eficiência espectral sobre o FDMA, mas ainda requer tempos de guarda entre slots e é sensível a erros de tempo, especialmente em altas velocidades. A transmissão contínua do CDMA &# 8217; evita a sobrecarga dos limites de slots e dos tempos de guarda. Contudo, os sistemas de TDMA são geralmente mais simples de implementar e não requerem o controle de potência apertado que o CDMA exige.

Esta complexidade desativação foi uma das razões pelas quais alguns operadores escolheram o GSM sobre o CDMA para redes 2G.

CDMA vs. OFDMA

O OFDMA é a base do 4G LTE e 5G NR. OFDMA oferece uma eficiência espectral ainda maior do que o CDMA e é mais robusto para o desvanecimento de múltiplos caminhos sem necessitar de um receptor RAKE complexo. OFDMA também permite o escalonamento de domínio de frequência, onde o escalonador pode atribuir subcarregadores diferentes a diferentes usuários com base em condições de canal em tempo real. A abordagem de banda larga do CDMA’s significa que o desvanecimento seletivo de frequência afeta todo o sinal, em vez de subcarregadores individuais. O CDMA compensa com os receptores RAKE que combinam componentes multicaminhos, mas a abordagem do OFDMA’s geralmente é mais flexível para dados de alta velocidade.

É por isso que 4G e 5G se mudaram de CDMA para OFDMA para o link de baixa, embora os princípios CDMA ainda apareçam na ligação de alguns sistemas e na camada física de redes 3G.

Aplicações em Telecomunicações Modernas

A tecnologia CDMA tem sido amplamente adotada em vários sistemas de comunicação, especialmente em redes móveis. Foi a base para redes 3G em muitos países e continua a influenciar tecnologias mais novas através de seus conceitos centrais de spread espectro e divisão de código.

Redes 3G e CDMA2000

Os principais fornecedores de telecomunicações utilizaram o CDMA para suas redes 3G, como os padrões CDMA2000 e EV-DO. Essas redes forneceram velocidades de dados mais rápidas e melhor qualidade de voz em comparação com sistemas 2G anteriores. CDMA2000 1X introduziu taxas de dados de até 153 kbps, enquanto EV-DO (Evolution-Data Optimized) aumentou as taxas de pico para 2,4 Mbps e mais tarde para 3,1 Mbps com EV-DO Rev A e até 14,7 Mbps com redes EV-DO Rev B. CDMA2000 foram amplamente implantados por operadores como Verizon Wireless, Sprint, KDDI, SK Telecom e China Unicom, servindo centenas de milhões de assinantes em seu pico. A compatibilidade com o CDMA2000 com o IS-95 permitiu um caminho de migração suave de 2G para 3G, protegendo os investimentos do operador em equipamentos de estação base e espectro.

Comunicações por Satélite

O CDMA também é usado em sistemas de comunicação por satélite, permitindo a transmissão de dados fiável e segura em longas distâncias. A sua robustez contra interferências torna-o adequado para tais aplicações. As ligações por satélite enfrentam desafios, incluindo atrasos de propagação longos, mudanças do Doppler e orçamentos de energia limitados. A natureza do spread-spectrum do CDMA proporciona resistência inerente ao emperramento e interferência de outros satélites ou fontes terrestres. Sistemas como o uso de interfaces aéreas baseadas em CDMA pela Globalstar (baseada no IS- 95) para os seus serviços de telefonia por satélite.

O recurso Soft Handoff do CDMA é particularmente vantajoso em sistemas de satélites, porque um terminal móvel pode combinar sinais de vários satélites simultaneamente, proporcionando uma melhor cobertura e reduzindo os desmandos de sinal durante as entregas de satélites.

Sistema de Posicionamento Global (GPS)

O Sistema de Posicionamento Global, operado pela Força Espacial dos Estados Unidos, baseia-se nos princípios do CDMA para permitir que todos os satélites GPS transmitam nas mesmas duas frequências: L1 (1575,42 MHz) e L2 (1227,60 MHz). Cada satélite transmite um código único de ruído pseudo- aleatório (PRN) ortogonal aos códigos utilizados por todos os outros satélites. Um receptor GPS gera uma réplica de cada código PRN de satélite e correlaciona-o com o sinal recebido para determinar quais os satélites visíveis e para medir o tempo de chegada de cada sinal. Ao combinar medições de tempo de voo de pelo menos quatro satélites, o receptor calcula a sua posição para dentro dos metros (ou centímetros com correções diferenciais). GPS é uma das aplicações mais difundidas da tecnologia CDMA, com bilhões de receptores em uso mundial em smartphones, veículos, aeronaves e equipamentos industriais.

Comunicações Militares e Seguras

O CDMA originou-se de pesquisas militares em comunicações seguras e resistentes à interferência. As técnicas de espectro de informação tática conjunta (JTIDS) dos EUA usam as técnicas de espectro de dispersão baseadas em CDMA para fornecer ligações seguras e de alta capacidade para aeronaves, navios e forças terrestres. As propriedades anti-jam do CDMA tornam extremamente difícil para os adversários detectarem, interceptarem ou emparelharem transmissões. Além disso, a baixa densidade espectral de sinais de espectro de propagação de potência significa que as transmissões de CDMA podem ser escondidas abaixo do chão de ruído (baixa probabilidade de interceptação ou LPI), tornando- as quase impossíveis de detectar com receptores de rádio convencionais.

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Em regiões onde a infraestrutura telefônica com fio era escassa ou cara para implantar, os sistemas de loop local sem fio (WLL) baseados em CDMA ofereceram uma alternativa econômica para serviços de voz e dados. Os operadores usaram estações base CDMA com antenas direcionais para atender assinantes fixos ou nômades em distâncias de vários quilômetros. Os sistemas WLL baseados em CDMA ofereceram rápida implantação, menores custos de capital e a capacidade de compartilhar espectro com serviços móveis. Enquanto fibra e DSL substituíram amplamente WLL em mercados desenvolvidos, sistemas fixos sem fio baseados em CDMA permanecem em uso em áreas rurais e remotas de países em desenvolvimento.

Limitações e declínio do CDMA

Apesar de suas muitas forças, o CDMA tem várias limitações inerentes que contribuíram para sua substituição gradual por sistemas baseados em OFDMA em 4G e 5G. O problema próximo ao local requer controle de potência muito apertado, adicionando complexidade tanto à estação base quanto ao dispositivo móvel. A capacidade de CDMA’s também é limitada por interferências: conforme o número de usuários ativos aumenta, o piso de ruído sobe, e o sistema pode experimentar um fenômeno chamado respiração celular “,” onde a área de cobertura efetiva encolhe sob carga pesada. Além disso, o CDMA é menos eficiente do que o OFDMA para aplicações de dados de alta largura de banda, pois não pode facilmente explorar o agendamento de domínio de frequência que o OFDMA fornece. O panorama de propriedade intelectual em torno do CDMA também foi complexo, com a Qualcomm segurando muitas patentes de fundação, o que levou a maiores custos de realeza para fabricantes de equipamentos e operadores em comparação com o GSM e LTE.

Esses fatores, combinados com o impulso global por trás do GSM e LTE, levaram a maioria dos operadores a migrarem para fora do CDMA para 4G e 5G.

O legado e futuro da tecnologia CDMA

Embora tecnologias mais novas como LTE e 5G estejam substituindo o CDMA em muitas áreas, entender o CDMA continua sendo essencial para a compreensão da evolução da comunicação sem fio. Alguns sistemas legados ainda operam usando CDMA, e seus princípios influenciam projetos de rede modernos. Nos Estados Unidos, a maioria das principais operadoras fechou completamente suas redes CDMA entre 2020 e 2023. Verizon, por exemplo, retirou suas redes CDMA 1X e EV-DO em 31 de dezembro de 2022, enquanto T-Mobile (que absorveu a rede CDMA de Sprint & # 8217;s) completou seu desligamento CDMA em março de 2022. No entanto, as redes 3G baseadas em CDMA continuam a operar em partes da Ásia, África e América Latina onde a migração para LTE ou 5G ainda está em andamento.

Mais importante, os conceitos fundamentais do CDMA ainda aparecem em sistemas modernos. Em 5G NR, o uplink usa uma variante da divisão de código chamada DFT-s-OFDM (Discrete Fourier Transform spread OFDM), que é uma forma de acesso múltiplo de divisão de frequência de porta única (SC-FDMA) que compartilha a propriedade desejável do CDMA ’ de baixa taxa de potência pico-a-média. O CDMA de banda larga (WCDMA), a interface aérea para UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) 3G redes, estabeleceu o trabalho de base para as larguras de banda de suporte de 5 MHz que se tornaram padrão em 4G e 5G. O uso de códigos ortogonais para acesso multiusuários também paraleia diretamente o uso de código Walsh em CDMA.

Olhando para o futuro, técnicas inspiradas em CDMA estão sendo exploradas para redes não terrestres (NTN) e constelações de Internet via satélite, onde a capacidade de compartilhar espectro entre muitos usuários com baixa densidade de energia é altamente vantajosa. Pesquisadores também estão investigando o multiplexamento de domínio de código para comunicações de tipo de máquina maciça (mMTC) em 5G e além, onde milhares de dispositivos de baixa potência de IoT por célula precisam transmitir pequenos pacotes de dados simultaneamente. Nesses cenários, a capacidade de CDMA ’ de acomodar transmissões sem coordenadas esporádicas sem agendamento centralizado oferece vantagens significativas sobre OFDMA.

Conclusão

A tecnologia CDMA revolucionou as comunicações móveis, permitindo que vários usuários compartilhassem o mesmo espectro de forma eficiente. Suas aplicações em redes 3G, comunicações via satélite e GPS destacam sua versatilidade e importância na história das telecomunicações. À medida que a tecnologia avança, os conceitos fundamentais do CDMA continuam a informar o desenvolvimento de novos padrões sem fio. Os princípios de spread-espectrum, codificação ortogonal e técnicas de handoff suave que tornaram o CDMA bem sucedido estão profundamente incorporados no tecido da engenharia sem fio moderna. Engenheiros de rede, planejadores de RF e estudantes de telecomunicações que dominam os fundamentos do CDMA ganham uma compreensão mais profunda do porquê de sistemas 4G e 5G serem projetados da forma que eles são, e como as redes futuras podem evoluir para lidar com as crescentes demandas de conectividade, eficiência de espectro e eficiência energética.

Para uma leitura mais aprofundada do CDMA e do seu impacto nas comunicações sem fios, os seguintes recursos fornecem uma profundidade técnica autorizada: o Qualcomm CDMA technology overview, o IEEE conferencial action on spread spectrum systems, o livro “CDMA: Princípios da Comunicação do espectro de propagação” de Andrew J. Viterbi, e um GPS SPS Performance Standard[] documento que descreve a estrutura de sinal baseada no CDMA do GPS. Estas referências oferecem uma perspectiva histórica e o rigor matemático necessário para um trabalho sério no design de sistemas sem fios.