Table of Contents

Введение в технологию CDMA

Code Division Multiple Access (CDMA) выступает в качестве одной из основополагающих цифровых сотовых технологий, которые трансформировали мобильную связь с 1990-х годов. Разработанная в основном Qualcomm и стандартизированная как IS-95 (cdmaOne), а затем как CDMA2000, CDMA представила принципиально другой способ совместного использования радиочастотного спектра по сравнению с более ранними системами, такими как FDMA (Frequency Division Multiple Access) и TDMA (Time Division Multiple Access). Вместо того, чтобы делить доступную полосу пропускания на отдельные частотные каналы или временные слоты, CDMA позволяет всем пользователям передавать одновременно по всему частотному диапазону, причем каждая связь отличается уникальным кодом распространения. Этот подход с расширенным спектром дает замечательную спектральную эффективность, более низкую помеху и неотъемлемую способность поддерживать голосовые, данные и мультимедийные услуги одновременно в одной сети. Поскольку мобильные операторы по всему миру развернули сети CDMA, абоненты получили возможность размещать высококачественные голосовые вызовы одновременно проверяя электронную почту, просматривая веб-страницы или потоковое видео - революционный скачок в пользователь

Как работает CDMA: двигатель Spread-Spectrum

В основе CDMA лежит принцип распределённого спектра, где информационный сигнал умножается на псевдошумовой (PN) код, который работает с гораздо большей скоростью, чем исходные данные. Это распространяет сигнал по широкой полосе пропускания — обычно 1,25 МГц на канал в узкополосных системах CDMA. Каждому пользователю присваивается уникальный распределённый код, часто код Уолша или комбинация последовательностей Уолша и PN. При приемнике только сигнал, закодированный соответствующим кодом, может быть распространён обратно на исходные данные; все остальные сигналы остаются широкополосным шумом и эффективно подавляются. Этот процесс, называемый мультиплексированием кодового деления, позволяет сотням пользователей одновременно делиться одной и той же частотой без взаимных помех.

Критически важным для производительности CDMA является точное управление мощностью. Поскольку все пользователи имеют одну и ту же частоту, один слишком мощный передатчик может заглушить других — знаменитая проблема «ближнего расстояния». Сети CDMA используют быстрое управление мощностью замкнутого цикла (обычно 800 обновлений в секунду), чтобы гарантировать, что каждый мобильный передает только минимальную мощность, необходимую для поддержания надежного соединения. Это не только уменьшает помехи, но и сохраняет время автономной работы. Кроме того, CDMA использует мягкую передачу, где мобильный подключается к нескольким базовым станциям одновременно во время передачи, используя подход «сделать до разрыва», который устраняет кратковременные отключения, распространенные в более ранних технологиях.

Одновременная поддержка голоса, данных и мультимедиа

Реальная мультисервисная возможность с первого дня

В отличие от 2G TDMA систем (таких как GSM), которые изначально рассматривали голос и данные как отдельные каналы, требующие выделенных временных интервалов, CDMA был разработан с нуля для передачи нескольких типов трафика по одному общему каналу. В CDMA каждая услуга — голос, пакетные данные, данные с коммутацией каналов, SMS — отображается на свой собственный логический канал, но все они передаются одновременно с использованием различных кодов распространения. Сеть динамически распределяет кодовое пространство и ресурсы питания между этими каналами, позволяя, например, голосовой вызов и активную сессию данных работать параллельно, не блокируя ни один из них. Эта модель «мягкой емкости» гораздо более гибкая, чем схемы фиксированного распределения.

Качество обслуживания и приоритетность

Для обеспечения плавной одновременной работы сети CDMA реализуют механизмы качества обслуживания (QoS). Голосовой трафик, будучи чувствительным к задержкам, имеет более высокий приоритет с гарантированной пропускной способностью и низким джиттером. Данные и мультимедийный трафик обрабатываются с помощью наиболее эффективных или гарантированных классов переадресации, в зависимости от приложения. Планировщик базовой станции решает, как распределять слоты передачи и мощность среди пользователей на основе их требований QoS, условий канала и нагрузки трафика. Это позволяет пользователю просматривать веб-страницы во время разговора или транслировать видео при получении сообщения push-to-talk, все с ощутимо бесшовной производительностью.

Голосовые услуги в CDMA

Цифровая ясность и снижение шума

CDMA кодирует голос в качестве цифрового потока с использованием вокодеров (например, EVRC, SMV или 4GV варианты). Эти сжимают речь эффективно, сохраняя разборчивость и естественность. Цифровая передача по своей сути снижает фоновый шум, эхо и перекрестные разговоры по сравнению с аналоговыми системами. Результатом является стабильно высокое качество голоса, даже в слабых областях сигнала, и пользовательский опыт, который многие ранние пользователи описали как «похожий на стационарную линию».

Мягкая передача для непрерывных звонков

Одной из отличительных особенностей CDMA является мягкая передача данных: по мере того, как пользователь перемещается с одной ячейки на другую, мобильная связь поддерживает соединения как с текущей, так и с целевой базовой станцией в течение короткого периода. Сеть объединяет сигналы (используя такие методы, как комбинирование выбора или максимальное соотношение), чтобы создать один чистый аудиопоток. Это устраняет «клик» или кратковременное молчание, которое часто происходит во время жестких передач в GSM или старых системах. Для быстро движущихся пользователей в транспортных средствах мягкая передача данных значительно повышает надежность вызова и уменьшает количество пропущенных вызовов.

Более высокая способность голоса

Поскольку CDMA может повторно использовать одну и ту же частоту в каждой ячейке (фактор повторного использования частоты 1), операторы могут создавать плотные сети без сложного планирования частоты. В сочетании со статистическим мультиплексированием — не каждый пользователь говорит непрерывно — один носитель 1,25 МГц может поддерживать десятки до более 60 одновременных голосовых вызовов, в зависимости от нагрузки системы и скорости вокодера. Эта емкость значительно превысила аналогичную систему TDMA, что делает CDMA особенно привлекательным в людных городских районах.

Услуги передачи данных: от 1xRTT до EV-DO

Всегда в пакетных данных

Сети CDMA ввели сдвиг парадигмы, предлагая всегда включенные пакетные коммутируемые соединения данных. В стандарте CDMA2000 1xRTT (технология радиопередачи) данные могут быть отправлены по той же несущей, что и голос, с использованием выделенных каналов трафика. Протокол поддерживает пиковые скорости передачи данных до 153 кбит/с, достаточные для электронной почты, просмотра веб-страниц и базового мультимедийного контента. Поскольку соединение является постоянным - не требуется коммутируемого доступа - пользователи испытывают мгновенный доступ и меньшую задержку для небольших обменов данными.

Эволюция к EV-DO для высокоскоростных данных

Для удовлетворения растущего спроса на широкополосные данные был разработан стандарт 1xEV-DO (Evolution-Data Optimized). Он использует отдельный носитель данных, который может доставлять пиковые скорости нисходящей линии связи 2,4 Мбит / с (Rev. 0) и позже до 3,1 Мбит / с (Rev. A) с более низкой задержкой. EV-DO использует адаптивную модуляцию и кодирование, гибридный автоматический повторный запрос (HARQ) и многопользовательское планирование для максимизации пропускной способности. Это позволило потоковое видео, большие загрузки файлов и мобильную видеотелефонию - услуги, которые ранее были непрактичными в сотовых сетях.

Одновременный голос и данные

В сетях, поддерживающих как 1xRTT, так и EV-DO, устройство CDMA может поддерживать активный голосовой вызов на носителе 1x при использовании EV-DO для передачи данных. Эта двухрежимная возможность позволяет пользователям, например, разговаривать по телефону, одновременно просматривая карту или потоковую передачу подкаста. Телефон содержит два радиоприемника или работает в режиме разделения времени, плавно переключаясь между двумя носителями без вмешательства пользователя.

Мультимедийные сервисы: видео, потоковая передача и обмен сообщениями

Потоковое аудио и видео

Скорость передачи данных CDMA, особенно в рамках EV-DO Rev. A, поддерживает потоковую передачу музыки и видео в реальном времени. Приложения, такие как живое телевидение, видеоклипы по требованию и мобильные YouTube (ранние версии), стали жизнеспособными в сетях CDMA. Низкая задержка технологии (<100 мс для Rev. A) и способность расставлять приоритеты изохронного трафика сделали ее пригодной для потоковой передачи без чрезмерного буферизации или заикания.

Видеотелефония и конференции

С появлением EV-DO Rev. A и более поздней CDMA2000 1xEV-DO Rev. B (которая могла бы объединять несколько несущих для более высоких скоростей), видеотелефония стала практичной. Сеть обеспечивает достаточную пропускную способность (до 5 Мбит/с нисходящей линии связи, 1,8 Мбит/с восходящей линии связи) для двухсторонних видеозвонков с приемлемым качеством. Механизмы QoS CDMA гарантируют, что видеопакеты получают приоритет для поддержания синхронизации губ и уменьшения джиттера задержки.

Мультимедийная служба обмена сообщениями (MMS) и богатые коммуникации

Сети CDMA изначально поддерживали MMS с начала 2000-х годов, позволяя пользователям отправлять фотографии, аудиоклипы и короткие видео.По мере роста популярности смартфонов операторы CDMA развернули IMS (IP Multimedia Subsystem) поверх ядра пакетов, что позволило расширить спектр услуг, таких как присутствие, обмен мгновенными сообщениями и обмен видео через стандартные протоколы.

Основные преимущества CDMA для одновременных сервисов

Спектральная эффективность и емкость

Повторное использование CDMA частоты 1 дает ему значительное преимущество в емкости при плотном развертывании. Мягкая емкость означает, что сеть может поглощать переходные пики трафика без жесткой блокировки. Это особенно полезно, когда одновременно активны несколько служб - система может заимствовать ресурсы питания и кода у простаивающих пользователей для поддержки комбинации голоса и данных.

Внутренняя безопасность и конфиденциальность

Широко распространяющиеся коды, используемые в CDMA, обеспечивают степень присущей им безопасности: не зная кода, подслушивающий не может легко пресечь сигнал. Каждый вызов или сеанс передачи данных имеет свой уникальный код, делающий одновременную связь устойчивой к случайному перехвату. Это важный атрибут для мультимедийных сервисов, несущих чувствительный контент.

Расширенный охват данных

Поскольку приемники CDMA могут работать на очень низких уровнях сигнала (благодаря увеличению обработки), а службы данных могут использовать управление питанием для компенсации угасания, покрытие для данных с умеренной скоростью часто лучше, чем в конкурирующих технологиях. Пользователи в пограничных областях все еще могут инициировать сеанс данных во время голосового вызова, поскольку система автоматически настраивает ресурсы.

Ограничения и эволюция за пределами CDMA

Вмешательство и проблемы ближнего и дальнего

Несмотря на свои сильные стороны, CDMA не лишен недостатков. Ближайшая проблема требует быстрого и точного управления мощностью, что добавляет сложности. В средах с очень высокой плотностью пользователей интерференция между ячейками может ухудшить пропускную способность данных. Кроме того, подход CDMA к кодовому разделению приводит к более высокому общему энергопотреблению на базовой станции по сравнению с системами на основе OFDM.

Переход на 4G LTE и 5G NR

По мере того, как операторы перешли на 4G LTE (который использует OFDMA), роль CDMA перешла на резервную технологию для голоса (SV-LTE или резервный вариант с коммутацией каналов). Одновременный эффект голосовых и данных был частично сохранен через телефоны SV-LTE, которые поддерживают активное соединение CDMA 1x для звонков при использовании LTE для данных. Однако индустрия сошлась на VoLTE (Voice over LTE) и VoNR (Voice over New Radio), в конечном итоге сделав выделенные сети CDMA ненужными. Большинство основных носителей CDMA отключили свои устаревшие сети в пользу LTE и 5G.

Влияние наследия и продолжение уроков

Хотя CDMA в настоящее время в значительной степени ушла в отставку, ее вклад в многосервисную одновременную работу непосредственно повлиял на более поздние системы. Концепции мягкой передачи, быстрого управления питанием и планирования QoS-aware являются основой для LTE и 5G. Возможность передавать голос и данные на одном и том же воздушном интерфейсе без выделенных каналов проложила путь для сетей All-IP.

Примеры CDMA синхронных сервисов в реальном мире

  • Verizon Wireless (США): Развернут CDMA2000 1xRTT и EV-DO с 2002 года. Абоненты могли говорить и использовать данные на функциональных телефонах и ранних смартфонах, таких как Motorola Droid.
  • Sprint (США): Используется CDMA2000 с сильным акцентом на мультимедиа, предлагая потоковое телевидение, мобильное видео и услуги push-to-talk одновременно с голосовыми вызовами.
  • SK Telecom (Южная Корея): Ранний сторонник EV-DO, обеспечивающий мобильное телевидение, видеотелефонию и высокоскоростные данные при сохранении голосовой связи — ключевой фактор роста мобильного широкополосного доступа в Корее.
  • Reliance Communications (Индия): Запущены сервисы CDMA, которые позволяли предоплаченным пользователям получать доступ к голосовым и базовым данным на доступных телефонах, расширяя охват мобильного интернета в сельских районах.

CDMA в контексте современных мультимедийных требований

Сегодняшние мобильные сети несут гораздо больше данных, чем голос, и требование одновременного обслуживания еще более требовательное. Пользователи ожидают потокового 4K-видео во время конференц-звонка или играть в многопользовательские игры, делясь своим экраном. Наследственная архитектура CDMA - с ее переключаемым ядром для голоса и отдельной пакетной сетью для данных - не могла масштабироваться до этих требований. Однако основные принципы разделения кода (распространенный спектр, динамический обмен ресурсами, мягкая передача) отражены в современных многоносящих и массивных системах MIMO. Понимание способности CDMA поддерживать голос, данные и мультимедиа одновременно дает ценную информацию о том, как ранние инженеры решали проблему мультисервиса, которая остается важной сегодня.

Заключение

Технология CDMA была новаторской силой, которая позволила мобильным сетям обслуживать несколько типов услуг - голос, данные и мультимедиа - на одном общем канале. Благодаря модуляции с расширенным спектром, точному управлению мощностью, мягкой передаче и динамическому распределению кода CDMA одновременно обеспечивала высококачественные голосовые вызовы и широкополосные сессии данных таким образом, что более ранние сотовые технологии не могли. Операторы развернули сети CDMA2000 и EV-DO, которые обеспечивали бесшовный пользовательский опыт, от просмотра веб-страниц во время звонков до потокового мобильного видео. В то время как CDMA была заменена LTE и 5G, ее методы и инновации остаются краеугольным камнем современного беспроводного дизайна. Технология не только изменила способ общения людей, но и установила ожидание того, что мобильное устройство должно быть в состоянии сделать все сразу - ожидание, которое продолжает стимулировать эволюцию сотовых систем.

Для дальнейшего чтения по основам распред-спектра и эволюции CDMA см. Википедия: Code-Division Multiple Access и Qualcomm: Краткая история CDMA. Технические детали алгоритмов управления мощностью можно найти в IEEE Xplore: CDMA Power Control. Для обзора эволюции EV-DO обратитесь к CDMA Development Group: 1xEV-DO White Paper. Роль CDMA в ранних опытах данных смартфонов исследуется в Ars Technica: CDMA Legacy Verizon.