Table of Contents

Экономическая революция: как CDMA сократила расходы на развертывание сети и сроки ее развертывания

В начале 1990-х телекоммуникационная индустрия столкнулась с фундаментальной проблемой: как приспособиться к взрывному росту мобильных абонентов без обанкротившихся сетевых операторов. Доминирующие аналоговые системы (AMPS, TACS) были неэффективными по спектру и дорогими для масштабирования. Затем появилась цифровая технология Code Division Multiple Access (CDMA), которая фундаментально переписала экономику беспроводных сетей. Позволяя каждому пользователю передавать одновременно в одном и том же частотном диапазоне — отличаясь только уникальными распространяющимися кодами — CDMA резко сократила капитальные и эксплуатационные расходы на строительство мобильной сети. В этой статье рассматривается, как уникальный дизайн CDMA сократил затраты на развертывание, ускорил сроки развертывания и изменил беспроводной ландшафт.

Понимание технологии CDMA

По своей сути CDMA — это технология распределённого спектра. Вместо того, чтобы назначать каждому вызову выделенную частоту (как FDMA) или временной интервал (как TDMA), CDMA распространяет сигнал каждого пользователя по всей выделенной полосе пропускания с помощью псевдослучайного кода. Приемник, зная код, может извлечь нужный сигнал из шума, создаваемого всеми другими пользователями. Эта элегантная схема была разработана Qualcomm в конце 1980-х годов, опираясь на военные исследования распред-спектра, и была стандартизирована как IS-95 (cdmaOne) в 1993 году.

Магия CDMA заключается в трех ключевых свойствах:

  • Универсальное повторное использование частоты.] Каждая ячейка в сети CDMA может использовать один и тот же частотный канал. Это исключает сложное планирование частоты, требуемое GSM (TDMA) или аналоговыми системами, где соседние ячейки должны использовать разные частоты, чтобы избежать помех. Коэффициент повторного использования 1 (по сравнению с 7 или 4 для GSM) является единственным самым большим драйвером снижения затрат.
  • Мягкая передача. Мобильный телефон может общаться с несколькими базовыми станциями одновременно во время передачи. Этот подход «сделать до разрыва» устраняет отложенные вызовы и позволяет сети поддерживать «мягкое» соединение, уменьшая необходимость перекрытого покрытия от дополнительных ячеек. Меньшее количество перекрывающихся сотовых сайтов приравнивается к меньшему количеству башен и меньшему количеству недвижимости.
  • Голосовая активность и управление питанием. CDMA использует тот факт, что в типичном разговоре каждый динамик молчит около 50% времени. Быстро выключая передатчик во время тишины, емкость удваивается. Также, плотное управление питанием обеспечивает каждой мобильной передаче только минимальную мощность, необходимую для поддержания связи, уменьшая помехи и позволяя более близкое расстояние между ячейками без ухудшения производительности.

Преимущества снижения затрат: Глубокое погружение

Ценовые выгоды CDMA распространяются на весь жизненный цикл сети — от приобретения спектра до строительства сайта и долгосрочных операций. В оригинальной статье были затронуты три фактора; здесь мы подробно рассмотрим каждый из них.

Эффективность спектра и снижение его стоимости

Spectrum is the most scarce and expensive resource for any mobile operator. CDMA’s ability to support more users per MHz of spectrum directly reduces the amount of licensed bandwidth needed. For example, a CDMA carrier in 1.25 MHz can typically support 20–30 simultaneous voice calls, whereas an analog AMPS channel in 30 kHz could carry only one call. Aggregated over a metropolitan area, CDMA might require 5 MHz of paired spectrum versus 20–30 MHz for GSM to deliver equivalent traffic. Lower spectrum costs—or the ability to use unpaired spectrum for the reverse link—directly cut upfront investment. Moreover, CDMA’s soft capacity (graceful degradation as users increase) means operators can launch a network with fewer carriers and add capacity later without buying new spectrum.

Меньше базовых станций: падение на клеточном участке

Поскольку ячейки CDMA могут работать на одной частоте, расстояние между базовыми станциями определяется исключительно помехами и бюджетами на электроэнергию, а не ограничениями повторного использования частоты. В типичном пригородном развертывании сеть CDMA требует на 30-50% меньше сотовых сайтов, чем эквивалентная сеть GSM. Для общенационального развертывания, охватывающего 80% населения, это может означать тысячи меньше башен. Экономия огромна: каждый новый макро-сайт в начале 2000-х годов стоил от 250 000 до 500 000 долларов США (включая башню, жилье, обратный транспорт, питание и разрешения). Меньшее количество сайтов также уменьшает потребность в арендованном пространстве на крышах и башнях. Прямые капитальные затраты (CapEx) экономия от сокращения одного только сайта часто превышала 40% от общей стоимости строительства сети.

Упрощенная сетевая архитектура и более низкий обратный путь

Базовые станции CDMA (BTS) относительно просты по сравнению с контроллерами базовых станций GSM (BSC) и базовыми приемопередатчиками (BTS). В CDMA многие функции, такие как мягкая передача и управление питанием, распределены на базовую станцию, уменьшая потребность в централизованных контроллерах. Это упрощает топологию сети и уменьшает количество необходимых обратных линий связи. Кроме того, эффективное использование CDMA обратного пути - сжатие данных, подавление тишины - снижает повторяющиеся затраты на аренду линии. Для сельских и отдаленных районов требования к более низким задним ходам сделали CDMA экономически жизнеспособным, где GSM или аналоговые сети не могли сломаться.

Экономия операционных расходов (OpEx)

Меньше сайтов напрямую сокращают эксплуатационные расходы: меньше энергопотребления, меньше платежей за аренду башни, меньше посещений сайта для обслуживания. Встроенная самооптимизация CDMA (адаптивный контроль мощности, автоконфигурация списка соседей) снижает потребность в ручной радиочастотной (RF) инженерии. Исследование, проведенное CDMA Development Group (CDG), показало, что операторы CDMA экономили 20-30% на годовом OpEx по сравнению с операторами GSM аналогичной плотности абонентов. За 10-летний срок службы сети эти повторяющиеся сбережения часто конкурируют с экономией CapEx.

Ускорение сроков развертывания

Стоимость была лишь половиной истории. CDMA также позволяла операторам строить сети за долю времени, требуемого конкурирующими технологиями. В конце 1990-х годов, когда спрос на мобильные услуги удваивался каждые 12 месяцев, скорость развертывания была критическим конкурентным преимуществом.

Упрощенное планирование частоты

В GSM или аналоговых системах планировщики сетей должны выполнять комплексное распределение частот (FAP), чтобы избежать помех между соканальными ячейками. Этот итеративный процесс может занять недели или месяцы для города и должен повторяться всякий раз, когда добавляется новый сайт. Универсальное повторное использование частоты CDMA полностью устраняет эту работу. Планировщики просто назначают один и тот же носитель 1,25 МГц для каждого сектора. Результат: сетевой дизайн, который может быть завершен за дни вместо месяцев. Новые сайты ячеек могут быть «включены» без перепланировки частоты, резко сокращая цикл развертывания.

Быстрее приобретение и установка сайта

Поскольку CDMA требует меньшего количества сайтов, процесс приобретения сайта — переговоры об аренде, получение разрешений, строительство башен — пропорционально быстрее. Более того, оборудование базовых станций CDMA в середине 1990-х годов было более компактным и требовало меньше места для укрытия, чем базовые станции GSM. Время установки может быть сокращено с 2-3 недель на сайт до 1 недели или менее. Некоторые операторы сообщили, что они могут построить сеть CDMA с нуля за 12 месяцев, в то время как сопоставимым сетям GSM потребовалось 18-24 месяца, чтобы достичь того же покрытия.

Масштабируемый и инкрементный рост сети

Сети CDMA по своей сути масштабируемы. Оператор может начать с одного носителя 1,25 МГц и нескольких участков, охватывающих центр города, а затем расширить покрытие, добавив больше ячеек - каждая с использованием той же частоты. Нет необходимости перепроектировать радиоплан. По мере роста трафика оператор может добавить второй носитель (другой 1,25 МГц) или развернуть меньшие «пикосоты» или «микросоты» для заполнения пробелов в покрытии. Этот модульный подход позволил небольшим региональным операторам быстро запускать услуги без массивных первоначальных инвестиций. Модель постепенного расширения оказалась особенно ценной в развивающихся странах, где капитал был дефицитным, но спрос рос.

Соглашения о совместном использовании инфраструктуры и роуминге

Стандартизированный интерфейс CDMA (IS-95, позже CDMA2000) также облегчал совместное использование инфраструктуры. Несколько операторов могли согласиться на совместное использование одной и той же базовой станции и обратного пути, что еще больше сократило время развертывания и стоимость. Аналогичным образом, общенациональный роуминг стал проще, потому что сетевое ядро было построено на той же сигнализации ANSI-41 - нет необходимости в сложных взаимодействующих функциях, используемых в роуминге GSM-GPRS. Это позволило новым участникам предлагать бесшовное покрытие путем копирования в сетях установленных операторов, ускоряя их время выхода на рынок.

Влияние на рост промышленности: глобальное распространение

Преимущества CDMA по стоимости и времени непосредственно способствовали быстрому глобальному расширению мобильных сетей. К 2002 году CDMA была развернута в более чем 60 странах, обслуживая более 200 миллионов абонентов. Ключевыми рынками были США (Verizon, Sprint), Южная Корея (SK Telecom, KTF), Япония (au by KDDI), Китай (China Unicom, хотя и с ограниченным масштабом) и большая часть Латинской Америки. Технология позволила операторам расширить покрытие в пригородных и сельских районах, которые не были бы экономически жизнеспособными с GSM. Во многих развивающихся странах CDMA стала первой беспроводной услугой, которая достигла изолированных деревень, предоставляя не только голосовые, но и базовые услуги передачи данных (1xRTT при 153 кбит/с).

Эффективность технологии также способствовала конкуренции. Операторы стартапов (например, Leap Wireless / Cricket в США) использовали CDMA для предложения бесплатная безлимитная телефонная связь по более низким ценам, что бросало вызов действующим лицам. Это ценовое давление привело к снижению затрат для потребителей и ускоренному принятию. К середине 2000-х годов CDMA достигла доли на мировом рынке около 25% всех мобильных абонентов, что является замечательной цифрой для технологии, которая началась как опоздавший на цифровую гонку.

Эффект экономического мультипликатора

Снижение сетевых затрат привело к снижению розничных цен, что, в свою очередь, увеличило спрос. Увеличение числа абонентов означало еще более эффективное использование присущих CDMA мощностей, создавая благотворный цикл. Структура затрат также позволила операторам экспериментировать с инновационными ценами (семейные планы, предоплаченные, неограниченные SMS), что стимулировало использование и доход. Кроме того, снижение капиталоемкости CDMA позволило операторам мобильной виртуальной сети (MVNO) выходить на рынки без создания собственных сетей, увеличивая конкуренцию и потребительский выбор.

Проблемы и ограничения CDMA

Ни одна технология не лишена недостатков, и CDMA столкнулась с проблемами, которые смягчили ее влияние на затраты на развертывание.

Ближайшая проблема и императив управления мощностью

CDMA полагается на чрезвычайно точное управление мощностью. Если один мобильный передает при слишком высокой мощности, он может «вытопить» всех других пользователей на той же несущей (почти дальняя проблема). Решение этой необходимой сложной быстрой петли управления мощностью (обновления 800 Гц в IS-95), что добавило сложности чипсету и сети. Первоначальные реализации иногда страдали от плохого качества голоса из-за недостаточного управления мощностью, особенно на краях ячеек. Это могло бы увеличить потребность в более плотном развертывании сайта, чем прогнозировали теоретические модели, частично размывая преимущество в стоимости.

Патентные роялти и локаут продавца

CDMA была в значительной степени запатентована Qualcomm, которая взимала высокие роялти с производителей телефонов и инфраструктуры. Эти расходы были переданы операторам, что позволило сократить часть экономии CapEx. Кроме того, в экосистеме доминировали несколько поставщиков (чипсеты Qualcomm, инфраструктура Motorola/Lucent/Samsung), что ограничивало конкуренцию и замедляло снижение цен по сравнению с более открытыми стандартами GSM. Некоторые операторы жаловались, что предполагаемые выгоды от стоимости CDMA были компенсированы более высокими ценами на оборудование из-за монопольного ценообразования.

Фрагментация спектра и переход к 3G/4G

Носители CDMA определяются как 1,25 МГц, что не вписывается аккуратно в более широкие полосы пропускания, доступные для GSM (200 кГц) или более поздних LTE (1,4-20 МГц). На многих рынках операторам приходилось перераспределять существующий спектр (например, аналоговый AMPS или iDEN) для развертывания CDMA, добавляя стоимость и задержки. Кроме того, переход на 3G (CDMA2000 EV-DO) и позже на LTE требовал наложения сетей. Операторы CDMA в конечном итоге столкнулись с дорогостоящим путем миграции на LTE (который не является обратно совместимым), и многие в конечном итоге решили закатить свои сети CDMA в 2010-х годах. Это наследие означало, что начальная экономия CapEx иногда сопровождалась более высокими затратами на модернизацию позже.

Снижение возврата в плотных городских районах

В условиях высокой плотности городской среды мягкая емкость CDMA может быть обоюдоострым мечом. Поскольку все больше пользователей набирают одного и того же носителя, помехи и качество голоса изящно ухудшаются, но не линейно. Операторам иногда приходилось развертывать дополнительные носители или более пикоэлементов для поддержания качества, уменьшая преимущество счета сайта. В Манхэттене или Гонконге разница в требуемых сотовых сайтах между CDMA и GSM часто была намного меньше, чем в пригородных / сельских районах.

Наследие и уроки для современных сетей

Несмотря на его возможное снижение, влияние CDMA на экономику развертывания сети было глубоким. Он продемонстрировал, что эффективность спектра может быть продана для снижения затрат на инфраструктуру в большинстве сценариев развертывания, и он доказал, что топология «повторного использования-1» была функционально осуществима при надлежащем управлении помехами. Эти уроки непосредственно информировали о разработке современных технологий, таких как высокоскоростной пакетный доступ 3GPP (HSPA) и долгосрочная эволюция (LTE), которые также нацелены на универсальное частотное повторное использование и мягкую передачу. Даже сегодня концепция «мощности по требованию» через принципы спред-спектра лежит в основе многих передовых радиотехник, включая MIMO и агрегацию несущих.

Для сетевых планировщиков история CDMA предлагает предостерегающую историю: экономия затрат от умного воздушного интерфейса может быть подорвана ограничениями экосистем, патентными расходами и проблемами миграции. Тем не менее, при правильном выполнении в правильных рыночных условиях CDMA позволила осуществить некоторые из самых быстрых и доступных развертываний сети в истории телекоммуникаций. Технология доказала, что хорошо продуманный воздушный интерфейс может сократить расходы на развертывание и временные рамки на десятки процентов, урок, который остается столь же актуальным для развертывания 5G и 6G сегодня, как и в 1990-х годах.

Читать далее →