Как технология Cdma адаптируется к росту изото- и машинной коммуникации

Непреходящая значимость CDMA в мире IoT

Технология многопользовательского доступа (CDMA) служила основой мобильной связи в течение десятилетий, наиболее заметно через сети 3G, такие как CDMA2000 (1xRTT и EV-DO) и более ранние стандарты, такие как IS-95. В то время как глобальный телекоммуникационный ландшафт резко сместился в сторону сетей Long-Term Evolution (LTE) и пятого поколения (5G), CDMA не просто остался позади. Вместо этого сетевые операторы и поставщики оборудования активно адаптируют инфраструктуру на основе CDMA для решения взрывного роста связи между Интернетом вещей (IoT) и машиной (M2M). Эти адаптации не только о сохранении унаследованных инвестиций; они об использовании уникальных преимуществ CDMA в покрытии, безопасности и спектральной эффективности для обслуживания нового поколения подключенных устройств, которые требуют надежности, низкого энергопотребления и массовой масштабируемости.

IoT охватывает обширную экосистему датчиков, приводов, носимых устройств, интеллектуальных счетчиков, промышленных контроллеров и потребительских приборов, которые автономно взаимодействуют через сети. M2M-коммуникация, подмножество IoT, конкретно описывает прямой, безлюдный обмен данными между машинами. Согласно прогнозам отрасли, число глобальных IoT-соединений, как ожидается, превысит 30 миллиардов к 2030 году, с приложениями M2M, охватывающими сельское хозяйство, логистику, здравоохранение, производство и умные города. Для поддержки этого масштаба сети должны развиваться за пределами голосовых ориентированных конструкций, чтобы стать маломощными, широкими областями (LPWA), способными, в то же время обеспечивая надежную безопасность и низкую задержку для критически важных случаев использования. Технология CDMA с ее проверенным опытом обработки одновременных соединений с помощью методов спред-спектра, перестраивается для удовлетворения этих требований.

Понимание основных требований IoT и M2M сетей

Прежде чем мы рассмотрим, как CDMA адаптируется, важно понять конкретные требования, которые приложения IoT и M2M предъявляют к сети радиодоступа:

Врожденная способность CDMA делиться одной и той же частотной полосой среди многих пользователей с помощью ортогональных кодов делает его естественным образом подходящим для плотных популяций устройств. Однако оригинальные реализации 3G были оптимизированы для голосовой и умеренной пропускной способности данных, а не для экстремальных энергосберегающих и долгосрочных требований современного IoT. Процесс адаптации включает в себя как программно-определяемые улучшения, так и более тесную интеграцию с новыми поколениями сотовых технологий.

Основные адаптации CDMA для IoT и M2M

Интеграция с основными сетями LTE и 5G

Вместо того, чтобы использовать CDMA в качестве изолированного острова, операторы объединяют свою инфраструктуру CDMA с сетями пакетов LTE и 5G. Эта эволюция позволяет ячейкам CDMA использовать то же самое развитое ядро пакетов (EPC) и ядро 5G (5GC) для управления мобильностью, аутентификации и контроля политики. Результатом являются бесшовные передачи между CDMA и LTE или 5G, что позволяет устройствам IoT возвращаться к CDMA, где более новое покрытие недоступно. Например, Verizon Wireless, крупный оператор CDMA, долгое время использовал свою сеть CDMA в качестве резервного варианта для голосовых (CSFB) и ранних устройств IoT. Совсем недавно интеграция распространяется на платформы M2M, где датчики на основе CDMA могут общаться с облачными службами, подключенными к LTE, без шлюзов протокола. Этот подход уменьшает задержку и упрощает управление сетью, сохраняя широкий охват, который CDMA обеспечивает на рынках, где диапазоны 3G все еще активны.

Режимы с низким энергопотреблением и расширенные циклы сна

Классический CDMA был разработан для непрерывного радиоконтроля ресурсов (RRC) для поддержания голосовых вызовов. Для обслуживания устройств IoT с ограниченными батареями CDMA теперь реализуют расширенный прерывистый прием (eDRX) и режим энергосбережения (PSM), аналогичный тем, которые определены для LTE-M и NB-IoT. В этих режимах устройство регистрируется в сети один раз, а затем входит в глубокий сон в течение длительных периодов времени - дней или даже недель - бодрствуя только для отправки небольших пакетов данных или прослушивания сообщений для подкачки. Воздушный интерфейс CDMA модифицирован для уменьшения накладных расходов процедур случайного доступа и поддержки более коротких всплесков восходящей линии связи. Эти изменения позволяют типичному датчику, работающему на двух батареях AA, достичь срока службы более 10 лет, что имеет решающее значение для таких приложений, как мониторинг окружающей среды, интеллектуальное сельское хозяйство и отслеживание активов.

Сетевой срез для выделенных ресурсов M2M

Сетевой срез — концепция, заимствованная из 5G — перестраивается в конвергентные сети CDMA + LTE. Сетевой срез — это сквозная виртуальная сеть с гарантированным качеством обслуживания (QoS) атрибутами, такими как задержка, пропускная способность и безопасность. Разделяя часть ресурсов CDMA-носителя для трафика M2M, операторы могут изолировать данные промышленного управления от потребительского мобильного трафика. Это предотвращает перегрузку от вмешательства в чувствительные ко времени процессы, такие как удаленная хирургия или автоматизация энергосистемы. В то время как сама CDMA не способна нарезать (как 5G NR), реализация использует программно-определяемые сети (SDN) и виртуализацию сетевых функций (NFV) в ядре для маршрутизации трафика CDMA в выделенные срезы. GSMA в сетевом срезе белая книга описывает, как наследие и новые радиотехнологии могут быть организованы для поддержки таких виртуальных сетей.

Edge Computing и режимы CDMA с низкой задержкой

Краевычисления сокращают расстояние, которое данные должны пройти, обрабатывая их на границе сети, а не в удаленном централизованном облаке. Для IoT на основе CDMA это означает развертывание серверов мобильных краевых вычислений (MEC) на участках базовых станций или точках агрегации. Вышка сотовой связи CDMA может быть оснащена вычислительным узлом с низкой задержкой, который обрабатывает команды M2M локально перед пересылкой агрегированных данных в ядро. Например, заводской робот, управляемый через CDMA, может принимать инструкции с задержкой менее 20 миллисекунд, потому что логика управления находится на краю. Кроме того, структура кадра CDMA может быть оптимизирована за счет уменьшения глубины перемешивания и сокращения интервалов времени передачи (TTI), снижения времени круговой передачи для небольших пакетов данных. Эти улучшения позволяют CDMA обслуживать в реальном времени случаи использования M2M, которые ранее требовали выделенного радио ближнего радиуса действия (например, Zigbee, Wi-Fi) или дорогостоящего частного LTE.

Эволюция CDMA Air Interface: 1x Advanced и EV-DO Rev. C

Хотя стандарты CDMA Evolution-Data Optimized (EV-DO) застопорились после Rev. B, некоторые поставщики ввели проприетарные улучшения, которые расширяют воздушный интерфейс для IoT. Такие методы, как агрегация нескольких несущих (объединяя два или более носителей CDMA), отмена помех (с использованием последовательных приемников отмены помех) и передовые антенные системы (формирование луча через фазированные массивы) повышают отношение сигнал-шум для удаленных или ограниченных батареей устройств. Qualcomm, например, разработала программные улучшения, которые позволяют базовым станциям EV-DO поддерживать до 30 000 маломощных устройств в секторе, используя меньшие блоки ресурсов и уменьшенную сигнализацию. Эти улучшения часто развертываются в качестве обновления прошивки к существующему оборудованию CDMA, что делает их экономически эффективными для операторов, которые уже развернули сети 3G.

Преимущества CDMA в IoT и M2M развертываниях

Проблемы и ограничения для решения

Спектровое перемещение и временные линии заката

Одним из самых больших препятствий является то, что многие правительства и операторы объявили о планах перепрофилирования частотных диапазонов CDMA 800 МГц, 1900 МГц и других для LTE и 5G. Например, T-Mobile уже перераспределила свой спектр PCS от CDMA до LTE, а Verizon постепенно прекращает свою сеть 3G CDMA с 2020 года. Это означает, что адаптация CDMA для IoT является переходной стратегией, а не постоянным решением. Операторы должны тщательно управлять миграцией клиентов M2M из CDMA в новые технологии LPWA, такие как LTE-M, NB-IoT или 5G NR-Light, продолжая поддерживать существующие устройства на основе CDMA.

Ограниченная пиковая скорость и задержка данных по сравнению с 5G

Максимальная теоретическая пропускная способность CDMA (например, EV-DO Rev. B при 14,7 Мбит/с на носитель) намного ниже, чем может предложить 5G. Для приложений с высокой пропускной способностью IoT, таких как видеонаблюдение или дополненная реальность в реальном времени, CDMA неадекватна. Кроме того, даже с краевыми вычислениями CDMA не может достичь задержки до 1 мс, которую требует сверхнадежная связь с низкой задержкой (URLLC). Поэтому CDMA, вероятно, будет служить дополнительной технологией для некритических приложений с низкой скоростью передачи данных, в то время как 5G обрабатывает интенсивные полосы пропускания и случаи использования с ультранизкой задержкой.

Управление помехами в плотных развертываниях

По мере того, как в ячейку CDMA добавляется больше устройств IoT, ортогональность код-домена ухудшается, что приводит к увеличению интерференции между ячейками. Расширенные приемники (например, многопользовательское обнаружение) могут смягчить это, но они добавляют стоимость как базовым станциям, так и чипсетам устройств. В массовых сценариях IoT механизмы мягкой передачи CDMA также могут стать подавляющими, потребляющими радиоресурсы для передачи сигналов. Операторы должны внедрять алгоритмы балансировки нагрузки и координации интерференций между ячейками (ICIC), часто заимствованные из LTE, чтобы поддерживать стабильность сети.

Устройство Экосистемная фрагментация

В то время как чипсеты CDMA когда-то были повсеместными, экосистема сократилась, поскольку отрасль фокусируется на LTE и 5G. Вендоры модулей IoT теперь разрабатывают меньше модулей только CDMA, а те, которые существуют, могут быть более дорогими и менее энергоэффективными, чем альтернативы LTE-M или NB-IoT. Для преодоления этого некоторые компании предлагают многорежимные модули (CDMA + LTE + 5G), которые позволяют единому аппаратному дизайну работать в разных поколениях сетей, но это добавляет сложность и стоимость.

Будущий прогноз: CDMA как дополнительная технология IoT

Заглядывая в будущее, технология CDMA не исчезнет в одночасье, но ее роль будет все более нишевой. Экосистема 5G быстро расширяется, с 3GPP Release 17 и 18, вводящими улучшенные устройства связи машинного типа (eMTC) и устройства с ограниченной способностью NR (RedCap), которые явно нацелены на IoT и M2M. Эти решения на основе 5G LPWA предлагают превосходную масштабируемость, более низкое энергопотребление и более тесную интеграцию с облачными базовыми сетями. Однако миллиарды устройств, подключенных к CDMA, уже развернуты в этой области - многие в сельском хозяйстве, коммунальных услугах и промышленной автоматизации - и замена их всех сразу экономически нецелесообразна.

CDMA, скорее всего, будет сохраняться в трех сценариях:

  1. Географические области с низким уровнем внедрения 5G: Сельские и развивающиеся рынки, где операторы еще не преобразовали спектр CDMA в LTE / 5G, будут продолжать полагаться на CDMA для IoT.
  2. Долгосрочные развертывания M2M: Устройства, такие как пожарная сигнализация, счетчики воды и сейсмические датчики, которые были установлены много лет назад и имеют многолетний срок службы батареи, могут оставаться на CDMA до конца срока службы.
  3. Специализированные вертикали со строгими правилами: Некоторые сектора (например, авиация, энергетика) требуют сертифицированного оборудования, которое часто связано с конкретной радиотехнологией; переаттестация для новых технологий может быть медленной и дорогой.

Ключевым фактором, способствующим дальнейшей актуальности CDMA, является конвергенция сетевых ядер. Подключая сайты сотовой связи CDMA к общему ядру 5G через программно-определяемые шлюзы, операторы могут управлять устройствами IoT любого поколения с одной платформы оркестровки. Это позволяет им постепенно запускать CDMA-диапазоны без жесткого разреза, обеспечивая изящный путь миграции.

Кроме того, уроки, извлеченные из адаптации CDMA, такие как режимы малой мощности и сетевое нарезание, непосредственно информируют о дизайне функций 5G IoT. Спецификации 5GPP 5G IoT включили расширенный DRX, режим экономии энергии и выделенные срезы основной сети, все из которых имеют корни в адаптационных усилиях CDMA. В этом смысле эволюция CDMA заключается не только в поддержании устаревшего оборудования, но и в формировании будущего массивного беспроводного подключения.

Заключение

Технология множественного доступа с разделением кода далеко не устарела. Благодаря интеграции с ядрами LTE и 5G, внедрению протоколов сверхнизкой мощности, внедрению сетевого нарезки и использованию периферийных вычислений CDMA успешно адаптируется к требованиям IoT и M2M связи. Технология предлагает уникальные преимущества - обширный охват, сильная безопасность, огромная емкость устройств и экономически эффективное повторное использование инфраструктуры - которые продолжают приносить пользу во многих развертываниях IoT. Такие проблемы, как перераспределение спектра, ограничения задержки и сокращающаяся экосистема, накладывают границы, но ими управляют с помощью переходных стратегий и многорежимных устройств.

По мере того, как мир движется к более связанному будущему, CDMA будет играть дополнительную роль наряду с LTE-M, NB-IoT и 5G NR. Его адаптации сегодня служат мостом, позволяющим миллиардам существующих устройств оставаться в рабочем состоянии, обеспечивая при этом новые инновации, которые в конечном итоге определят следующее поколение связи между машинами. Для операторов и предприятий со значительными инвестициями CDMA путь вперед лежит в продуманной интеграции и постепенной миграции, а не отказе.