Table of Contents

Code Division Multiple Access (CDMA) является фундаментальной технологией в современной беспроводной связи, особенно ценится за ее способность обеспечивать эффективное повторное использование спектра в плотных городских средах. По мере того, как города становятся все плотнее и спрос на мобильные данные стремительно растет, операторы должны обслуживать миллионы пользователей в пределах конечного распределения радиочастот. CDMA напрямую решает эту проблему, позволяя нескольким пользователям одновременно использовать одну и ту же частотную полосу без разрушительных помех. В этой статье рассматриваются механизмы, лежащие в основе возможностей повторного использования спектра CDMA, как они работают под стрессом городских развертываний высокой плотности, и длительное влияние технологии оказали на дизайн современных сотовых сетей.

Основы повторного использования спектра в клеточных системах

Спектр повторного использования относится к практике использования одних и тех же радиочастот в нескольких географических местоположениях или ячейках, так что ограниченное распределение частот может поддерживать гораздо больше пользователей, чем когда-либо могла одноклеточная система. В обычной макроклеточной компоновке ячейки расположены в кластерном шаблоне, и один и тот же набор частот повторно используется только в ячейках, которые достаточно далеко друг от друга, чтобы избежать помех соканала. Это расстояние разделения, известное как фактор повторного использования, непосредственно ограничивает емкость. В ранних аналоговых системах (Advanced Mobile Phone System, AMPS), шаблон повторного использования с семью ячейками был общим, то есть каждая ячейка имела доступ только к одной седьмой выделенного спектра. По мере роста городского населения это неэффективное повторное использование стало критическим узким местом.

Плотная городская среда усугубляет проблему. Высокие здания создают теневые зоны, уличные каньоны вызывают быстрое затухание сигнала, а огромное количество пользователей на квадратный километр напрягает каждый доступный канал. Традиционные системы множественного доступа с разделением частот (FDMA) и многократного доступа с разделением времени (TDMA) требуют ручного планирования частоты, чтобы избежать помех между соседними ячейками. Любая частота, повторно используемая слишком близко к своей исходной ячейке, вызовет неприемлемые перекрестные разговоры. Результатом является жесткий предел того, сколько одновременных вызовов или сеансов передачи данных может поддерживать ячейка, и операторы должны постоянно добавлять новые ячейки, каждый из которых требует своего собственного набора частот, чтобы идти в ногу со спросом.

Основные принципы CDMA: как спектр распространения преобразует повторное использование

CDMA работает по принципиально иной парадигме. Вместо того, чтобы делить спектр на узкочастотные слоты (FDMA) или слоты фиксированного времени (TDMA), CDMA использует модуляцию спред-спектра. Цифровой сигнал каждого пользователя умножается на уникальный псевдослучайный код, который распространяет сигнал по гораздо более широкой полосе пропускания — обычно 1,25 МГц для оригинального стандарта IS-95. Приемник, зная код предполагаемого пользователя, может соотносить входящий широкополосный сигнал для восстановления исходных данных при обработке сигналов от других пользователей как низкоуровневый шум.

Этот механизм кодирования вводит ключевое свойство: мягкая емкость. В системе TDMA или FDMA емкость представляет собой жёсткое число — фиксированное количество временных интервалов или частотных каналов. Как только они исчерпаны, новые вызовы блокируются. В CDMA каждый дополнительный пользователь слегка поднимает помеховой пол, но поскольку система ограничена общей мощностью помех (не фиксированным числом каналов), она может изящно поддерживать дополнительных пользователей за счёт несколько более низкого соотношения сигнал/интерференция для всех. В плотных городских сценариях эта мягкая емкость позволяет операторам упаковывать гораздо больше пользователей в тот же спектр, чем с альтернативными технологиями.

Прибыль от обработки и ее роль в повторном использовании

Прирост обработки системы CDMA — отношение полосы пропускания к исходной скорости передачи данных — определяет, насколько система может подавлять помехи. Для голосового трафика (обычно 8 кбит/с или 13 кбит/с) распространяется на частоте от 1,25 МГц, прирост обработки находится в диапазоне от 20 дБ до 24 дБ. Это означает, что даже когда несколько пользователей передают на одной частоте в перекрывающихся ячейках, предполагаемый приемник все еще может извлечь сигнал при условии, что помехи не подавляют. По сути, CDMA превращает помехи в общий ресурс. При надлежащем управлении мощностью ячейка может повторно использовать ту же частоту, что и ее сосед, не требуя большого географического разделения, предписанного TDMA или FDMA.

Как CDMA позволяет перекрывать спектральное повторное использование в плотных городских клетках

Наиболее ярким преимуществом CDMA в городских развертываниях является возможность работы всех ячеек на одной и той же частоте — коэффициент повторного использования один. В сети CDMA каждый сектор каждой базовой станции может использовать всю выделенную полосу пропускания. Нет необходимости назначать различные частотные наборы соседним ячейкам. Это устраняет сложное планирование частоты, которое преследует другие системы и, что критически важно, позволяет операторам развертывать небольшие ячейки или микроячейки в очень близкой близости без координации частотных каналов.

В плотном центре города оператор может установить макросоту на крыше, микросоту внутри торгового центра и пикосоту на станции метро - все работают на одном и том же носителе 1,25 МГц. Пользователи на станции метро будут испытывать сильные сигналы от пикосоты, в то время как пользователи снаружи будут слышать макросоту. Поскольку код каждого пользователя отличается, приемник может дифференцировать предполагаемую передачу от других, даже если они все на одной частоте. Эта возможность напрямую решает городскую потребность в высокой емкости в небольшом следе.

Управление питанием: краеугольный камень городского CDMA

Для одночастотного повторного использования CDMA для работы система должна решить проблему ближнего расстояния. Мобильное устройство, близкое к базовой станции, может передавать при очень низкой мощности, в то время как устройство, расположенное далеко, должно передавать при более высокой мощности. Без тщательного управления более сильный сигнал от соседнего пользователя заглушает более слабый сигнал от удаленного пользователя на той же частоте. Сети CDMA полагаются на управление мощностью замкнутого цикла, где базовая станция командует каждому мобильному устройству регулировать свою мощность передачи со скоростью 800 Гц (800 обновлений в секунду). В плотных городских условиях с быстрым затуханием и мобильностью это быстрое управление мощностью необходимо для поддержания сбалансированного уровня помех для всех пользователей. В результате каждый пользователь добавляет только минимальные необходимые помехи, что позволяет системе поддерживать гораздо больше одновременных соединений.

Мягкий перенос и Macro Diversity Gain

Еще одна уникальная особенность CDMA, которая приносит пользу городскому повторному использованию, - это мягкая передача. По мере того, как мобильная связь перемещается от одной ячейки к другой, она может одновременно связываться с несколькими базовыми станциями на одной и той же частоте. Мобильная связь объединяет сигналы от всех активных баз перед декодированием, обеспечивая макроразнообразие, которое смягчает затухающие и затеняющие эффекты, типичные для городской местности. Мягкая передача также означает, что пограничные области между ячейками не являются мертвыми зонами; связь остается бесшовной. Поскольку все ячейки используют одну и ту же частоту, нет необходимости в перерыве перед тем, как сделать жесткие передачи, необходимые в системах TDMA / FDMA, которые часто вызывают отброшенные вызовы в плотных средах с частыми пересечениями границы ячейки.

Преимущества CDMA в плотной городской среде

При развертывании в районах с высокой плотностью населения CDMA обеспечивает несколько измеримых преимуществ перед альтернативными технологиями с множественным доступом:

Более высокая емкость на клетку

Поскольку емкость CDMA ограничена помехами, а не каналами, одна ячейка в сети CDMA может поддерживать примерно в три-пять раз больше голосовых пользователей, чем сопоставимая ячейка TDMA или FDMA. В сетях, ориентированных на данные (CDMA2000 1xEV-DO), пиковые скорости передачи данных до 3,1 Мбит / с были достижимы в ранних развертываниях 3G, с экономическим преимуществом совместного использования одного и того же спектра во всех ячейках.

Эффективное использование спектра

С коэффициентом повторного использования один, сеть CDMA эффективно использует 100% своего выделенного спектра в каждой ячейке. Это устраняет штраф за спектральную эффективность 1/7 или 1/4, наложенный традиционными шаблонами повторного использования. В плотных городских районах, где лицензии на спектр чрезвычайно дороги, эта эффективность напрямую приводит к снижению стоимости за мегабайт доставлен.

Уменьшение помех сигнала

В то время как CDMA вводит помехи соканала от каждого пользователя, управление усилением обработки и мощностью удерживает эти помехи в приемлемых пределах. Кроме того, поскольку все ячейки могут использовать одну и ту же частоту, нет помех от соседнего поперечного канала (общая проблема в плотно расположенных несущих FDMA). Общий шумовой пол управляемый, особенно когда операторы используют секторизацию и лучеобразующие антенны для изоляции областей с высоким трафиком.

Лучшее покрытие в сложных условиях

Характер CDMA с расширенным спектром обеспечивает присущую устойчивость к многолучевому затуханию, которое является серьезным в городских каньонах. Ресивер грабежа может сочетать несколько отсроченных версий одного и того же сигнала (отражаемого от зданий) для улучшения отношения сигнал-шум. Это делает CDMA особенно эффективным в сценариях, где линия зрения заблокирована - частое явление в городских центрах.

Проблемы и оперативные соображения

Ни одна технология не обходится без ограничений, и CDMA в плотных городских условиях представляет собой конкретные проблемы, которые операторы должны решать.

ближний эффект и контроль мощности

Быстрый цикл управления мощностью требует тесной синхронизации и низкой задержки. В чрезвычайно плотных развертываниях со многими небольшими ячейками накладные расходы на поддержание контроля мощности для тысяч одновременных соединений могут напрягать ресурсы обработки базовой станции. Если управление мощностью выходит из строя - например, из-за внезапной обструкции или помех от источников, не являющихся CDMA - качество соединения быстро ухудшается, и пользователь может быть отброшен.

Ограниченные пиковые показатели данных в ранних стандартах

Стандарт IS-95 CDMA был разработан в первую очередь для голоса, с коммутируемыми схемами данными, ограниченными 14,4 кбит/с. Более поздний CDMA2000 1xRTT поднял этот показатель до 153 кбит/с, а EV-DO Rev A достиг 3,1 Мбит/с, но эти показатели все еще отставали от теоретического пика широкополосных систем. В городских условиях с высоким спросом на потоковое видео и большие загрузки файлов операторам необходимо было дополнить CDMA дополнительными технологиями (например, разгрузка Wi-Fi или более поздняя миграция в LTE).

Вмешательство от не-CDMA систем

Современные города располагают сочетанием сотовых технологий (GSM, LTE, 5G NR, Wi-Fi, Bluetooth). Поскольку CDMA использует относительно широкую полосу пропускания (1,25 МГц), он может быть уязвим для узкополосных интерференторов. Требуется строгая фильтрация и полосы защиты, особенно в средах плотного спектра, где сосуществуют несколько операторов.

Реальные мировые развертывания и истории успеха в городах

CDMA была коммерциализирована в середине 1990-х годов и быстро принята во многих самых плотных городах мира. Например, раннее развертывание Qualcomm в Гонконге и Сеуле продемонстрировало, что сеть CDMA может обслуживать высотные жилые башни с сотнями одновременных звонков, используя гораздо меньше сотовых сайтов, чем эквивалентная сеть GSM. Южнокорейские SK Telecom и KT построили общенациональные сети CDMA, которые стали основой мобильной революции страны, поддерживая миллионы пользователей в столичном районе Сеула - одном из самых густонаселенных городских регионов на Земле.

В США Sprint и Verizon развернули обширные сети CDMA в таких городах, как Нью-Йорк, Лос-Анджелес и Чикаго. Операторы сообщили, что CDMA сократила количество требуемых базовых станций на 30-50% по сравнению с GSM для одинаковой плотности населения, обеспечивая при этом эквивалентное или лучшее качество голоса. Возникли и экологические преимущества: меньшее количество башен означало более низкое потребление энергии и снижение визуального воздействия — ощутимое преимущество в плотных городских кварталах.

Позже CDMA2000 1xEV-DO включил мобильную широкополосную связь в городских коридорах, предлагая скорость загрузки в реальном мире 400-700 кбит/с, которая позволяла ранним смартфонам получать доступ к электронной почте, веб-страницам и базовому видео. Эта производительность, хотя и была скромной по сегодняшнему стандарту, была новаторской в то время и доказала, что повторное использование спектра CDMA было не только теоретическим, но и практически развертываемым в масштабе. Исследования МСЭ с начала 2000-х годов задокументировали, что сети CDMA в Токио и Нью-Йорке обеспечили 40-60% улучшение спектральной эффективности по сравнению с альтернативами TDMA.

Наследие CDMA в современных беспроводных системах

Хотя большинство новых развертываний сотовой связи во всем мире перешли на LTE (который использует OFDMA) и 5G NR (на основе OFDM с гибкой нумерологией), принципы CDMA не исчезли. Стандарт WCDMA (Wideband CDMA), используемый в сетях 3G UMTS, является прямым потомком, используя полосу пропускания 5 МГц для более высоких скоростей передачи данных. WCDMA также поддерживает архитектуру мягкого срабатывания, управления питанием и повторного использования, которая сделала CDMA настолько эффективной в городах. На самом деле сети UMTS все еще активны во многих городских районах для обслуживания устаревшего голоса 3G и низкоскоростных данных, работающих в качестве резерва для голосовых вызовов, в то время как LTE обрабатывает высокоскоростные данные.

Даже в эпоху 4G и 5G были адаптированы некоторые концепции управления интерференциями CDMA. Например, межклеточная координация интерференций (ICIC) и расширенная ICIC (eICIC) для гетерогенных сетей заимствуют логику мягкого отвода CDMA для управления интерференциями между макро- и малыми ячейками. Метод «почти пустого подкадра», используемый в LTE HetNets, концептуально похож на то, как CDMA снижает мощность передачи ячейки для защиты соседней ячейки. Исследования управления интерференциями для плотного городского 5G часто ссылаются на стратегии управления мощностью CDMA в качестве вдохновения для расширенного устранения помех.

Заключение

Способность CDMA обеспечивать эффективное повторное использование спектра в плотных городских средах сделала его преобразующей технологией в эпоху 3G. Позволяя каждой ячейке работать на одной частоте, управляя помехами через кодирование с расширенным спектром и быстрое управление питанием, а также поддерживая мягкие передачи для бесшовной мобильности, CDMA решила сложную проблему обслуживания миллионов пользователей в небольших географических условиях. Технология сократила затраты на инфраструктуру, улучшила спектральную эффективность и обеспечила надежное обслуживание в сложных условиях высотных городов. В то время как современные сети перешли на OFDMA и массивный MIMO, основные уроки CDMA - что помехи могут быть управляемым ресурсом, а не жестким пределом - продолжают информировать о дизайне городских беспроводных систем. По мере того, как города становятся еще плотнее и спрос на подключение усиливается, принципы, которые сделали CDMA успешным, остаются более актуальными, чем когда-либо. ] Эволюция 3GPP от CDMA до WCDMA и за пределами демонстрирует, как надежная стратегия повторного использования может нести технологическую базу через несколько поколений