Непреходящее наследие многократного доступа Code Division

Немногие мобильные технологии оставили такой глубокий след, как Code Division Multiple Access (CDMA). Впервые коммерциализированный в середине 1990-х годов со стандартом TIA/EIA-95 (IS-95), CDMA ввел принципиально иной способ управления скудным радиочастотным спектром. Вместо разделения разговоров по временным интервалам (TDMA) или отдельным частотным каналам (FDMA), CDMA позволял каждому пользователю передавать одновременно по одному и тому же широкополосному носителю. Каждому вызову присваивался уникальный псевдослучайный код; приемник мог выбрать предполагаемый сигнал даже тогда, когда десятки других говорили по одному и тому же воздуху. Это нововведение удвоило или утроило емкость по сравнению с более ранними аналоговыми и TDMA системами и заложило основу для эры мобильного широкополосного доступа.

Почти три десятилетия спустя CDMA постепенно прекращает свое существование. Крупные операторы в Северной Америке и некоторых частях Азии закрыли свои сети 2G и 3G CDMA для свободного спектра для 4G LTE и 5G New Radio (NR). Тем не менее эволюция CDMA в современные стандарты - это не простая история замены. Физические концепции обработки спектра распространения, мягкие передачи и сложное управление мощностью, которые сделали CDMA успешным, продолжают влиять на то, как системы 4G и 5G проектируются, развертываются и эксплуатируются. Понимание этой эволюции помогает сетевым инженерам, менеджерам по закупкам и ИТ-руководителям планировать миграции, которые максимизируют отдачу от инвестированной инфраструктуры при поддержке вариантов использования следующего поколения.

От IS-95 до CDMA2000: Эра 3G

Первый мейнстримовый вариант CDMA, IS-95A, предлагал переключаемый на схему голос на 9,6 кбит/с и скромный канал данных на 14,4 кбит/с. Его преемник, IS-95B, подтолкнул скорость передачи данных к теоретическим 115 кбит/с, объединив несколько каналов кода. Но истинный скачок произошел с семейством CDMA2000. CDMA2000 1x (также называемый 1xRTT) удвоил голосовую емкость и представил всегда-на пакетных данных на скорости до 153 кбит/с - огромный шаг для ранних смартфонов, электронной почты и просмотра WAP.

Для операторов, которым требовалась более высокая пропускная способность данных, стандарт 1xEV-DO (Evolution-Data Optimized) пошел дальше, посвятив полный несущий 1,25 МГц пакетным данным и достигнув пиковых скоростей 2,4 Мбит / с в своем первом выпуске. К середине 2000-х годов преподобный B EV-DO позволил агрегацию мультиносителей, раздвигая теоретические ограничения выше 14 Мбит / с. Это поколение сделало потоковую музыку, базовое видео и мобильный просмотр веб-страниц практичным для миллионов пользователей, и это закрепило CDMA как технологию 3G выбора для операторов, таких как Verizon, Sprint, KDDI и LG U +.

Тем не менее, архитектура 3G CDMA2000 была переключена на цепь в основе голоса. Поскольку революция смартфонов привела к экспоненциальному спросу на данные, переключаемые накладные расходы стали узким местом. Операторам требовалось полностью переключенное на IP ядро для экономического масштабирования. Это требование указывало на совершенно новую технологию радиодоступа: долгосрочную эволюцию.

Почему 4G оставила CDMA позади

Когда 3GPP начал определять LTE в 2004 году, целями проектирования были нисходящая линия связи 100 Мбит/с, нисходящая линия связи 50 Мбит/с, задержка до 20 мс и плоская сеть All-IP. Подход CDMA к распространению, хотя и устойчивый к помехам, не мог эффективно достичь этих пиковых спектральных эффективности. LTE принял Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) для нисходящей линии связи и SC-FDMA для восходящей линии связи. OFDMA разделяет несущую на множество узких ортогональных поднесущих, каждая из которых несет низкоскоростной поток. Эта структура гораздо более проста в многолучевых средах, поддерживает гибкие полосы пропускания (1,4-20 МГц) и позволяет использовать ключевые функции LTE, такие как MIMO и адаптивная модуляция с более простым выравниванием.

Переход на LTE означал, что операторы CDMA2000 больше не могли полагаться на свою существующую радиосеть. Требовались новые базовые станции (eNodeBs), новое пользовательское оборудование и совершенно другая базовая сеть (Evolved Packet Core, EPC). Тем не менее инфраструктура CDMA — башни, магистральные станции, сотовые станции, системы питания — была далека от устаревшей. Носители начали накладывать LTE на свой существующий спектр, сохраняя CDMA для голосовых и резервных данных. Этот период «совместного существования» оказал огромное давление на операторов для управления двумя параллельными технологиями, каждая со своей собственной стратегией операций, обслуживания и спектра.

Как CDMA-сети развиваются для поддержки 4G и 5G

Переход от сети, ориентированной на CDMA, к сети, полностью поддерживающей 4G и 5G, включает в себя гораздо больше, чем замена радиостанций базовой станции. Это требует продуманного перераспределения спектра, интеграции двухрежимного ядра и возможного заката устаревших воздушных интерфейсов. Ниже приведены основные механизмы, которые операторы используют для преодоления разрыва.

Спектровое перераспределение и LTE перераспределение

Большинство операторов CDMA имели лицензии в диапазонах 800 МГц (Cellular), 1900 МГц (PCS) и 700 МГц. По мере того, как трафик данных перемещался в LTE и позже 5G, носители постепенно уменьшали или устраняли мощность CDMA на этих носителях. Например, Verizon перераспределил свой блок 800 МГц Cellular B от CDMA до LTE, улучшил покрытие и позже использовал его в качестве якоря низкого диапазона для 5G NR. Аналогично, спектр PCS Sprint 1900 МГц — первоначально используемый для CDMA голоса и EV-DO — был перераспределен в агрегацию несущих LTE и после слияния T-Mobile в широкие каналы 5G NR.

Этот процесс деликатный: голосовые вызовы CDMA требуют минимального следа, и дыры в покрытии могут возникнуть, если перефермирование слишком агрессивное, прежде чем VoLTE (Голос над LTE) созреет. Перевозчики управляют переходом с тщательным планированием уровня сетки, часто сохраняя один носитель CDMA в каждом секторе для рефракции голоса, выделяя остальное на LTE и NR.

VoLTE как мост VoIP

Одним из самых больших препятствий для выхода CDMA на пенсию был голос. CDMA2000 1x предлагал высококачественный, коммутируемый по схеме голос с выделенным каналом, но LTE - это сеть с полным пакетом. Операторы развернули VoLTE на основе IMS для передачи голоса в качестве приоритетного потока данных. Ранние реализации VoLTE столкнулись с проблемами с переключениями во время звонков: когда пользователь вышел из покрытия LTE, вызов должен был быть передан CDMA 1x (SRVCC, Single Radio Voice Call Continuity). Со временем, поскольку покрытие LTE стало повсеместным и надежность VoLTE улучшилась, носители снизили зависимость от голоса CDMA.

Для новых сетей 5G 3GPP определила Voice over NR (VoNR) с использованием того же ядра IMS. Взаимодействие между VoNR и VoLTE (и, где все еще присутствует, CDMA) обрабатывается стандартизированными процедурами передачи, хотя новых передач CDMA-NR не добавляется. Процесс иллюстрирует, как голосовая инфраструктура CDMA купила время для операторов для создания жизнеспособной голосовой экосистемы All-IP.

Двойное подключение и сетевой срез

Даже после того, как CDMA отключается, его наследие влияет на то, как агрегируется спектр. В 5G двойное подключение (EN-DC) позволяет пользовательскому устройству одновременно подключаться к якорной ячейке LTE (которая может находиться на бывшем спектре CDMA) и ячейке 5G NR. Якорь LTE несет управляющую сигнализацию и данные с низкой задержкой, в то время как носитель NR обеспечивает высокую пропускную способность. Этот подход, иногда называемый «нестандартным» (NSA) 5G, сыграл важную роль в ранних развертываниях 5G, поскольку он использует существующую инфраструктуру LTE, некоторые из которых были построены на перераспределенном спектре CDMA.

Сетевой срез, базовая концепция 5G, позволяет операторам вырезать виртуальные сквозные сети, оптимизированные для конкретных услуг (eMBB, URLLC, mMTC). В то время как CDMA не имела среза, операционная дисциплина управления несколькими профилями QoS над общей носителем CDMA научила операторов важности дифференцированного лечения. Сегодняшние механизмы среза наследуют эту философию, но реализуют ее с программно-определяемыми сетевыми и облачными архитектурами.

Массивные MIMO и лучеобразование в рефармированных спектрах

Базовые станции CDMA обычно используют двухпортовые антенны для передачи разнообразия. Обновление до массивных MIMO (например, 64- или 128-элементных массивов) может резко увеличить емкость в тех же частотных диапазонах. Носители, такие как Verizon, развернули массивные MIMO на спектре PCS 1900 МГц, первоначально выделенном CDMA. Используя те же места башни и часто тот же обратный путь, они достигают увеличения пропускной способности LTE и NR в 3-5 раз без необходимости новых сотовых сайтов.

Формирование луча — направление радиосигнала к конкретному пользователю — также увеличивает покрытие в диапазоне среднего диапазона. Это особенно важно в диапазоне 2,5 ГГц, который Sprint использовал для своих сетей CDMA и WiMAX и который T-Mobile теперь использует для 5G. Формирование луча и MIMO — это передовые методы, которые не были бы возможны на устаревшем оборудовании CDMA, но приобретение сайта, мощность и монтажная инфраструктура, построенная для CDMA, обеспечивают физическую основу.

Проблемы в эволюции

Несмотря на преимущества, переход CDMA-to-4G/5G чреват сложностью. Инженеры сети должны решать технические, эксплуатационные и бизнес-задачи, чтобы избежать деградации обслуживания и оттока клиентов.

Поддержка устройств Legacy

Миллионы телефонов, устройств медицинского оповещения, телематических устройств для транспортных средств и промышленных датчиков по-прежнему полагаются на CDMA. Выход на пенсию CDMA без четкого пути замены может закрепить основные услуги. Запланированное прекращение работы сетей 3G CDMA в Соединенных Штатах к концу 2022 года вынудило многих корпоративных клиентов обновить свое оборудование для парка. Некоторые отрасли, такие как сельское хозяйство и нефть и газ, столкнулись с месяцами свинцового времени, испрашивая модемы, совместимые с 4G / 5G. Перевозчики смягчили это, предлагая субсидируемые программы обновления и публикацию графиков заката за несколько лет вперед, но переход остается дорогостоящим для клиентов с большими развернутыми базами.

Совместимость и оптимизация передачи

На этапе совместного существования сети LTE и CDMA должны беспрепятственно передавать сеансы передачи голоса и данных. Передача Inter-RAT (технология радиодоступа) вводит задержку и накладные расходы на передачу сигналов. Операторы потратили годы на настройку порогов и списков соседей, чтобы минимизировать отброшенные вызовы, когда пользователь перемещался из LTE в покрытие CDMA - особенно сложная проблема в городских коридорах, где сильные стороны сигнала быстро колеблются. С CDMA, который сейчас отключается, эти параметры меж-RAT устаревают, но они требуют значительных инженерных усилий при активной работе.

Фрагментация спектра

Поскольку CDMA использует носители 1,25 МГц, а LTE требует по меньшей мере 1,4 МГц каналов (с более широкими, гораздо более эффективными), перераспределение может оставить странные распределения каналов. Операторы иногда держат фрагментированные блоки по 5 или 10 МГц в нескольких диапазонах, которые не могут быть легко объединены в один широкий носитель. Агрегация несущих (CA) помогает, но CA добавляет сложность к дизайну модема и сетевому планированию. На рынках, где операторы CDMA владели только узкими срезами, переход на LTE или 5G без смежных полос пропускания оказался конкурентным недостатком по сравнению с операторами с большими, непрерывными диапазонами 5G.

Инвестиции и давление на сроки

Обновление общенациональной сети CDMA до LTE/5G требует миллиардов долларов капитала — не только для радиостанций, но и для магистрального волокна, модернизации питания, новых антенн и модернизации основной сети. Перевозчики должны сбалансировать эти инвестиции с доходами, генерируемыми устаревшей пользовательской базой. Закрытие CDMA слишком рано может разозлить абонентов, получающих оплату; задержка его слишком долгого подключения к capex, который может быть использован для уплотнения 5G. Мы видели, как некоторые операторы, такие как Verizon, завершили отключение CDMA только в декабре 2022 года, почти через 12 лет после запуска LTE. Другие, такие как унаследованная сеть Sprint под T-Mobile, закрыли CDMA к марту 2022 года. Циклы планирования были измерены в годах.

Возможности, созданные эволюцией

Тот же переход, который бросает вызов операторам, также открывает значительные коммерческие и технические возможности. Выход CDMA освобождает весь спектральный портфель — иногда до 20–30 МГц по всей стране — который может быть перепрофилирован в носители очень высокой емкости. Например, T‐Mobile «Расширенный диапазон 5G» на 600 МГц и средний диапазон на 2,5 ГГц оба полагаются на спектр, который ранее нес CDMA (и GSM, в случае диапазона 600 МГц, приобретенного с аукциона 600 МГц).

Ультранадежные низкочастотные коммуникации (URLLC)

Кодовая структура CDMA не была разработана для задержки в оба конца в пределах 1 мс, которую требуют промышленная автоматизация и удаленная хирургия. Современный 5G NR, построенный на OFDMA с мини-слотами, превенцией и безвозмездной передачей, может обеспечить эту производительность. После удаления слоя CDMA базовая сеть может быть действительно сквозным IP, устраняя переключаемые по схеме голосовые шлюзы и уменьшая задержку. Перевозчики могут затем предлагать URLLC в качестве сервисного уровня, поддерживая интеллектуальные заводы, автономные мобильные роботы и приложения наложения дополненной реальности в производстве.

Массивные коммуникации машинного типа (mMTC)

Устройства IoT традиционно использовали CDMA для низкоскоростных, прерывистых данных (например, интеллектуальные счетчики, отслеживающие активы). Эти устройства были ограничены временем автономной работы и накладными расходами на соединение CDMA. Эволюция к LTE-M и NB-IoT — оба основаны на OFDMA, но оптимизированы для малой мощности и массивной плотности — дает операторам возможность подключать гораздо больше устройств на ячейку. Например, NB-IoT поддерживает до 100 000 устройств на ячейку по сравнению с несколькими тысячами для CDMA. Уход CDMA позволяет операторам повторно предоставлять клиентам IoT эти новые, более эффективные стандарты, уменьшая загруженность сети и продлевая срок службы батареи устройства до 10 лет и более.

Облачные базовые сети

Заключительным этапом эволюции CDMA является переход к облачному ядру 5G. Наследие CDMA и даже ранние сети LTE полагались на специально построенное оборудование — 3G-MSC (Mobile Switching Center) для голоса, PDSN (Packet Data Serving Node) для данных. Современные ядра 5G — это виртуализированные сетевые функции (VNF), работающие на серверах общего назначения с NFV и SDN. Эта архитектура радикально сокращает время развертывания новых услуг (от месяцев до дней) и позволяет нарезать сеть. Впервые одна инфраструктура может разместить срез для автономного вождения с однозначным миллисекундным временем ожидания наряду с срезом для массивного IoT с низкой пропускной способностью и длительным временем автономной работы — все без какого-либо наследия с коммутацией каналов CDMA.

Будущее мобильных сетей за пределами CDMA

Поскольку автономные сети 5G (SA) становятся нормой, CDMA уйдёт в историю. Уже сейчас ведущие операторы, такие как Verizon и T-Mobile, завершили отключение CDMA. На других рынках, в частности в Японии, Южной Корее и Австралии, аналогичные даты захода солнца прошли или неизбежны. Даже регионы, где CDMA была развернута позже, такие как части Латинской Америки и Индии, ускоряют развертывание LTE с прицелом на 5G.

Это не означает, что техническая ДНК CDMA отсутствует. Принципы распространения спектра, которые сделали CDMA настолько успешным — в частности, его устойчивость к помехам и его способность работать с низкими соотношениями сигнал-шум — были адаптированы к разнообразной конструкции формы волны 5G NR. Например, 5G NR поддерживает как CP-OFDM, так и DFT-s-OFDM, а верхний слой использует аналогичное мультиплексирование на основе кода для каналов управления. Мягкая передача, отличительная черта CDMA, была заменена более эффективными методами, такими как двойная связь и скоординированная многоточечная передача, но основная цель бесшовной мобильности остается.

В более широком смысле эволюция CDMA преподала мобильной индустрии важные уроки о том, как управлять технологическими переходами: инвестировать в ранние IP-ядра, планировать перераспределение спектра за несколько лет вперед и четко сообщать сроки заката корпоративным клиентам. Эти уроки теперь применяются к сложной миграции 5G-6G, которая начнется в конце 2020-х годов.

Для сетевых инженеров и операторов автопарка, в настоящее время полагающихся на устройства, подключенные к CDMA, сообщение ясно: окно закрывается. Тестирование и квалификация замен LTE или 5G, предоставление голоса на основе IMS через VoLTE или VoNR и обеспечение безопасности совместимых модулей должны быть главным приоритетом. Направление отрасли необратимо, и возможности - от массивного IoT до сверхнадежных служб с низкой задержкой - слишком значительны, чтобы их игнорировать. Охватывая эволюцию от CDMA до 4G и 5G, предприятия и операторы могут построить готовую к будущему инфраструктуру подключения, которая быстрее, масштабируемее и готова к требованиям следующего десятилетия.

Дополнительное чтение: 3GPP 5G System Overview, FCC CDMA/3G Shutdown Information и Qualcomm: CDMA2000 Evolution to 4G LTE.