Индустрия мобильной связи продолжает развиваться быстрыми темпами, а технология множественного доступа с кодовым разделением (CDMA) остается основополагающим элементом в архитектуре сетей следующего поколения. Первоначально коммерциализированная в 1990-х годах для систем 2G и 3G, CDMA неоднократно адаптировалась для удовлетворения потребностей более высоких скоростей передачи данных, меньшей задержки и повышенной безопасности. По мере того, как мир переходит к 5G и смотрит вперед к 6G, инженеры и исследователи открывают новые способы использования уникальных преимуществ CDMA в широком спектре. В этой статье рассматриваются новые тенденции в технологии CDMA, которые формируют будущее мобильных сетей, от более глубокой интеграции с 5G и гибридными методами доступа к интеллектуальному управлению, основанному на машинном обучении и передовых антенных системах.

Непреходящая значимость CDMA в современных беспроводных сетях

Основной принцип CDMA, позволяющий нескольким пользователям одновременно использовать одну и ту же полосу частот, кодируя каждую передачу уникальным распространяющимся кодом, остается очень привлекательным для современных сетей. В отличие от более ранних систем, основанных на спорах, CDMA предлагает присущий помехозащищенный иммунитет, устойчивость к помехам и мягкие возможности передачи, которые улучшают непрерывность вызовов и стабильность сеанса передачи данных. В то время как некоторые отраслевые наблюдатели когда-то предсказывали, что CDMA исчезнет с ростом OFDMA на основе 4G LTE, его роль вместо этого была пересмотрена.

В 5G и за его пределами, методы CDMA находят новую жизнь в дизайне физического слоя, особенно в стандарте New Radio (NR). 5G NR использует гибкую нумерологию на основе OFDM, но он также включает CDMA-подобное распространение для определенных случаев использования, таких как массивные коммуникации машинного типа (mMTC) и сверхнадежные коммуникации с низкой задержкой (URLLC). Возможность назначать ортогональные или квазиортогональные коды распространения устройствам позволяет осуществлять массивную связь без перегружения накладных расходов. Этот гибридный подход сочетает в себе сильные стороны OFDM и CDMA, делая CDMA неотъемлемой частью набора инструментов 5G, а не устаревшей технологии.

Кроме того, устойчивость CDMA к многолучевому затуханию и его естественная поддержка мягкой емкости, где больше пользователей постепенно ухудшают качество, а не блокируют новые соединения, делает его хорошо подходящим для плотного городского развертывания и покрытия в помещении. По мере того, как операторы мобильной сети уплотняют свою инфраструктуру с помощью небольших ячеек и распределенных антенных систем, свойства управления помехами CDMA становятся все более ценными. Технология также пересматривается для неземных сетей, включая спутниковую связь, где необходим эффективный множественный доступ.

Основные достижения в области внедрения инноваций CDMA

Для удовлетворения строгих требований мобильных сетей следующего поколения технология CDMA претерпевает значительные инновации по нескольким направлениям. Эти достижения направлены на повышение спектральной эффективности, сокращение сквозной задержки и обеспечение динамического распределения ресурсов. Ниже приведены наиболее эффективные области прогресса.

Интеграция с сетями 5G

Одной из наиболее заметных тенденций является бесшовная интеграция принципов CDMA в 5G NR. Выпуск 3GPP 15 и последующие выпуски определили поддержку доступа на основе широкого спектра в определенных сценариях. Например, в восходящей линии 5G NR вариант CDMA под названием Однопереносной частотный дивизион множественного доступа (SC-FDMA)] с распределительными слоями используется для достижения низкого соотношения мощности к пиковому соотношению мощности, что повышает эффективность усилителя мощности для устройств с ограниченными батареями. Помимо этого, бездоходные передачи восходящей линии связи - где устройства отправляют данные без явного планирования грантов - часто полагаются на мультиплексирование кодовой области в стиле CDMA, чтобы позволить нескольким устройствам бороться за одни и те же ресурсы с низкой вероятностью столкновения.

Обратная совместимость остается критическим требованием для операторов, переходящих от унаследованных сетей CDMA2000 или WCDMA (UMTS) к 5G. Сохраняя технологии CDMA в базовой и радиосети, операторы могут предлагать непрерывное обслуживание в течение многолетнего периода миграции. На практике базовые станции 5G могут быть сконфигурированы для поддержки одновременной работы нескольких воздушных интерфейсов, включая каналы на основе CDMA для голосового и низкочастотного IoT-трафика. Эта конвергенция снижает эксплуатационные расходы и упрощает управление сетью.

Для более глубокого изучения интеграции 5G NR и CDMA официальные спецификации 3GPP предоставляют подробные технические описания. Исследуйте 3GPP Release 17 и 18 документов для авторитетной ссылки.

Гибридные технологии множественного доступа

Чистый CDMA или чистый OFDMA имеют ограничения. CDMA может страдать от проблем, когда сильный сигнал подавляет более слабые, в то время как OFDMA чувствителен к ошибкам синхронизации частоты и высокому соотношению мощности пик-средний. Гибридные технологии множественного доступа стремятся захватить лучшее из обоих миров. Исследователи предлагают схемы, такие как Code-Division OFDM (CD-OFDM) и Multi-Carrier CDMA (MC-CDMA) , которые распространяют символы данных по нескольким поднесущим с использованием ортогональных или псевдослучайных кодов.

В этих гибридных системах сетка временных частот OFDM наслоена кодовым доменом. Каждому пользователю или службе присваивается уникальный распространяющий код, а передаваемый сигнал является суперпозицией всех активных кодов. Приемник использует сопоставленную с кодом фильтрацию для извлечения нужного сигнала, эффективно разделяя пользователей, которые перекрываются по частоте и времени. Это увеличивает общую емкость сверх того, что может обеспечить только одна техника, особенно когда шаблоны трафика лопнуты и непредсказуемы.

Заметным примером является использование Sparse Code Multiple Access (SCMA) в 5G, который является методом кодового домена, не ортогонального множественного доступа (NOMA), полученным из принципов CDMA. SCMA отображает биты данных в многомерные кодовые книги, и несколько пользователей используют одни и те же элементы ресурсов с разными кодовыми книгами. Приемник выполняет итеративное многопользовательское обнаружение для восстановления данных каждого пользователя. SCMA предлагает массивные возможности подключения - до 300% больше пользователей, чем OFDMA в некоторых сценариях - что делает его идеальным для IoT и массовых развертываний MTC. Аналогичные методы изучаются для 6G, включая силовой домен NOMA в сочетании с распространением CDMA.

Энергоэффективные чипсеты

Распространение устройств с батарейным питанием, от смартфонов до датчиков окружающей среды, ставит на первое место энергоэффективность. Современные чипсеты CDMA реинжинирингуются для снижения энергопотребления без ущерба для производительности. Достижения в технологии комплементарного металлооксид-полупроводник (CMOS) позволяют быстрее обрабатывать цифровые блоки сигнала (DSP), которые выполняют генерацию кода, корреляцию и распространение с более низкой энергией на бит. Кроме того, адаптивное напряжение и частотное масштабирование (DVFS) позволяет чипсетам работать на более низких уровнях мощности, когда нагрузка на трафик легка.

Другим перспективным направлением является использование обработки аналоговых доменов для CDMA. Вместо преобразования сигналов в цифровые на ранних этапах цепочки приемников некоторые конструкции выполняют корреляцию кода в аналоговой области с использованием коммутируемых конденсаторов или корреляторов поверхностной акустической волны (SAW). Это резко снижает энергопотребление аналого-цифрового преобразователя (ADC) — одного из самых больших дренажей в мобильном приемнике. В то время как аналоговая обработка менее гибкая, чем цифровая, она очень эффективна для приложений с фиксированным кодом, таких как передачи маяков или приемники пробуждения в сетях IoT.

Новые тенденции, формирующие будущее CDMA

Помимо основных технологических достижений, несколько новых тенденций активно меняют способы развертывания и управления CDMA в сетях следующего поколения. Эти тенденции используют искусственный интеллект, программно-определяемые архитектуры и новые антенные технологии для раскрытия полного потенциала CDMA.

Машинное обучение для динамического управления сетью

Управление сетью CDMA в режиме реального времени является сложной задачей: управление питанием, назначение кода, решения о передаче и отмена помех требуют тщательной координации. Алгоритмы машинного обучения (ML) и глубокого обучения (DL) в настоящее время применяются для автоматизации и оптимизации этих функций. Например, агенты обучения с подкреплением могут регулировать уровни мощности передачи для отдельных пользователей, чтобы максимизировать общую пропускную способность, сохраняя при этом справедливость и качество обслуживания. Аналогично, алгоритмы распределения кода на основе ML могут прогнозировать шаблоны трафика и назначать распространяющие коды заранее, уменьшая споры и сигнализацию.

Другое захватывающее приложение — глубокое обучение на основе многопользовательского обнаружения. Традиционные приемники CDMA полагаются на согласованные фильтры и последовательное отмену помех, которые имеют высокую вычислительную сложность по мере роста числа пользователей. Нейронная сеть, обученная на больших наборах данных принимаемых сигналов и известных распространяющихся кодах, может научиться более эффективно отделять пользователей, приближаясь к оптимальной производительности с более низкой задержкой. Это особенно ценно в сценариях без грантов доступа, где столкновения кода являются общими. Исследования, опубликованные в IEEE Транзакции на коммуникациях, показали, что детекторы на основе DL могут достигать производительности почти одного пользователя в перегруженных системах CDMA.

Кроме того, модели ML, обученные данным сетевой телеметрии, могут прогнозировать время передачи и мягкие границы передачи, что позволяет активно управлять ресурсами и уменьшать вероятность падения соединений. По мере того, как число подключенных устройств растет до миллиардов, управление CDMA на основе ML будет иметь важное значение для поддержания качества обслуживания без пропорционального увеличения вмешательства человека-оператора.

Программно-определяемые радио и виртуализация

Технология программно-определяемого радио (SDR) позволяет реализовывать формы волн CDMA в программном обеспечении на программируемом оборудовании, таком как программируемые на полевых условиях массивы затворов (FPGA) или процессоры общего назначения с векторизованными наборами команд. Эта гибкость имеет решающее значение для сетей следующего поколения, которые должны поддерживать несколько технологий радиодоступа одновременно. Базовая станция на основе SDR может запускать стеки программного обеспечения CDMA, WCDMA, LTE и 5G NR на одном и том же оборудовании, настраиваясь в реальном времени на требования трафика и доступность спектра.

Виртуализированные сети радиодоступа (vRAN) расширяют эту концепцию, запуская функции обработки базовых полос на коммерческих готовых серверах в централизованных или облачных местах. В vRAN обработка уровней PHY и MAC, специфичных для CDMA, может быть реализована в виде упругих функций виртуальной сети (VNF), что снижает затраты на оборудование и позволяет быстрее развертывать новые функции, такие как распределение динамического кода или адаптивная модуляция. Альянс O-RAN сыграл важную роль в продвижении открытых интерфейсов и интеллекта в vRAN, и его спецификации включают поддержку устаревших функций CDMA.

SDR также позволяет быстро создавать прототипы новых схем на основе CDMA. Исследователи могут тестировать новые коды распространения, гибридные формы волн и многопользовательские детекторы в реальных условиях без изготовления пользовательских чипов. Это ускоряет цикл от исследований до стандартизации, гарантируя, что CDMA остается жизнеспособным кандидатом на 6G.

Массивные MIMO и передовые антенные системы

Массивный MIMO (multiple-input multiple-output) использует массивы из десятков или сотен антенных элементов для формирования узких лучей, которые могут пространственно разделять пользователей. При сочетании с CDMA пространственное измерение добавляет новый слой множественного доступа: помимо кодового деления пользователи могут быть разделены в пространстве. Это пространственно-кодовое деление множественного доступа (SC-DMA) резко увеличивает пропускную способность и уменьшает помехи. Каждый пользователь получает уникальную комбинацию кода формирования луча и распространения, позволяющую сети обслуживать гораздо больше пользователей в одном частотном диапазоне.

Массивный MIMO также улучшает покрытие CDMA и надежность связи. Путем генерации лучей с высокой долей усиления по отношению к каждому пользователю повышается эффективное отношение сигнал/шум, компенсируя присущее ему шумоподавление сигналов с расширенным спектром. В практических развертываниях базовые станции с 64 или 128 антенными элементами могут поддерживать мягкую передачу с минимальными накладными расходами сигнала, поскольку пользователям, перемещающимся между лучами, могут быть назначены новые коды и лучи без проблем.

Помимо MIMO, исследуются перенастраиваемые интеллектуальные поверхности (RIS) как способ манипулирования средой распространения. RIS может отражать падающие сигналы CDMA в сторону предполагаемых приемников, эффективно создавая умное «зеркало», которое уменьшает многолучевое затухание и помехи. В сочетании с многолучевым разнообразием кода CDMA RIS может обеспечить высоконадежные связи даже в сложных сценариях внутреннего или городского каньона. Эти технологии, как ожидается, будут ключевыми активаторами для сетей 6G, где CDMA, вероятно, будет играть значительную роль наряду с терагерцовой связью и массивным IoT.

Преодоление проблем: вмешательство, безопасность и дефицит спектра

Несмотря на множество преимуществ, CDMA сталкивается с проблемами, требующими постоянных инноваций. Ближайшая проблема, где сигнал одного пользователя доминирует над другими, может быть смягчена за счет точного управления мощностью и последовательного устранения помех. Однако в массовых сценариях подключения с тысячами устройств управление мощностью становится значительным. Управление мощностью на основе машинного обучения может уменьшить эти накладные расходы, оценивая условия канала заранее.

Безопасность — это еще один обоюдоострый меч. Природа CDMA в широком спектре обеспечивает степень внутренней безопасности — перехватчики без знания распространяющегося кода не могут легко декодировать сигнал. Однако продвинутые атаки помех могут нарушить синхронизацию кода или ввести ложные сигналы. Исследователи разрабатывают методы физической защиты ], которые используют гибкость кода CDMA, такие как быстрое изменение кодов распространения на основе общего секретного ключа или информации о состоянии канала. Это добавляет дополнительный уровень шифрования на воздушном интерфейсе, что затрудняет перехват и подмену.

Дефицит спектра остается глобальной проблемой, а эффективность CDMA в повторном использовании частот является одновременно и активом, и ограничением. В плотных городских условиях сети CDMA должны тщательно управлять интерференциями между ячейками, часто используя коэффициенты повторного использования частот 1. Именно здесь сияют гибридные схемы и расширенное отмену помех. При использовании полнодуплексных базовых станций, которые передают и принимают одновременно на одной частоте, и комбинируя это с кодированием CDMA, операторы могут удвоить спектральную эффективность. Системы прототипов продемонстрировали такие возможности, хотя практическое развертывание требует дальнейшего снижения сложности самозамкнутости отмены.

«Дорога впереди: роль CDMA в 6G и за ее пределами»

В сторону 6G, которая ожидается примерно в 2030 году, технология CDMA, вероятно, превратится в то, что некоторые называют Next-Generation Multiple Access (NGMA). NGMA стремится объединить кодовый домен, Power-Domain и пространственный доменный множественный доступ в единую структуру. Концепция , расщепляющая скорость множественного доступа (RSMA) изучается как способ обобщения CDMA: сообщения делятся на общие и частные части, кодируются с различными распространяющимися кодами и декодируются совместно на приемниках. RSMA может превзойти обычную NOMA во многих сценариях, особенно при несовершенной информации о состоянии канала.

Более того, квантовые коммуникации могут пересекаться с CDMA. Квантовые системы CDMA, в настоящее время находящиеся в лаборатории, используют квантовые состояния в качестве распространяющих последовательностей, потенциально предлагая нерушимую безопасность. В то время как практические квантовые повторители и воспоминания все еще находятся на расстоянии нескольких лет, теоретическая основа закладывается. Для получения дополнительной информации о квантовых каналах множественного доступа журнал Quantum Information npj регулярно публикует соответствующие исследования.

Наконец, рассматривается интеграция CDMA в терагерцовую (THz) связь. На частотах ТГц доступная полоса пропускания обширна, а методы спред-спектра становятся еще более привлекательными для смягчения серьезных потерь распространения и поглощения атмосферы. CDMA может помочь нескольким пользователям эффективно использовать огромную полосу пропускания ТГц, а также обеспечить устойчивость к узкополосным помехам.

Заключение

Технология CDMA не только не угасает, но и переживает ренессанс, обусловленный интеграцией с дорожными картами 5G и 6G, гибридными схемами множественного доступа, интеллектуальным управлением с помощью машинного обучения и передовыми аппаратными инновациями, такими как программно-определяемые радиоприемники и массивы MIMO. Эти новые тенденции гарантируют, что CDMA остается надежным, адаптируемым и повышающим безопасность компонентом мобильных сетей следующего поколения. Для педагогов, студентов и профессионалов отрасли оставаться в курсе этих разработок не только разумно, но и необходимо для проектирования беспроводных систем будущего. Охватывая сильные стороны CDMA и инвестируя в исследования и разработки, выделенные здесь, мобильная индустрия может создавать сети, которые быстрее, надежнее, безопаснее и способны поддерживать миллиарды устройств, которые будут определять Интернет всего.