Происхождение цифрового множественного доступа

Code Division Multiple Access (CDMA) — это цифровая технология сотовой связи, которая позволяет нескольким пользователям одновременно использовать одну и ту же полосу частот. Она сыграла значительную роль в развитии современных телекоммуникаций, предлагая эффективное использование спектра и улучшенное качество вызовов. В отличие от более ранних аналоговых систем, которые назначали каждому вызову выделенный частотный или временный интервал, CDMA позволяет всем пользователям передавать одновременно в одном и том же широком частотном диапазоне. Эта базовая возможность сделала CDMA основой сетей 3G во всем мире и ключевым шагом к современным архитектурам 4G и 5G. Понимание CDMA необходимо для всех, кто работает в области телекоммуникаций, сетевой инженерии или проектирования беспроводной системы, потому что его принципы широкого спектра сохраняются практически в каждом продвинутом беспроводном стандарте, используемом сегодня.

Что такое технология CDMA?

CDMA — это метод доступа к каналу, используемый различными технологиями радиосвязи. В отличие от традиционного многократного доступа с разделением частот (FDMA) или многократного доступа с разделением времени (TDMA), CDMA присваивает каждому пользователю уникальные коды, позволяющие нескольким разговорам происходить по одной полосе пропускания без помех. В системе FDMA каждый пользователь получает выделенный срез частотного спектра. В TDMA пользователи по очереди передают в разных временных интервалах. CDMA отбрасывает оба подхода: все пользователи непрерывно транслируются по всей доступной полосе пропускания, а приемник использует математическую корреляцию, чтобы выделить предполагаемый сигнал из шума всех других одновременных передач.

Теоретическая основа CDMA восходит к 1940-м годам и работе актрисы и изобретателя Хеди Ламарр и композитора Джорджа Антейла, который запатентовал технологию спред-спектра для направления торпед. Этот патент заложил основу для идей спред-спектра, которые позже созрели в CDMA. В 1980-х и 1990-х годах такие компании, как Qualcomm, коммерциализировали CDMA для сотовых сетей, что привело к стандарту IS-95 (часто называемому cdmaOne) и в конечном итоге к CDMA2000 и EV-DO для служб данных 3G. Сегодня фундаментальные математические принципы CDMA живут в 3G, 4G LTE и 5G NR, хотя эти более новые системы используют ортогональный частотный разделение множественного доступа (OFDMA) в качестве основного воздушного интерфейса.

Как работает CDMA?

В системах CDMA каждому пользователю дается уникальный код, называемый кодом распространения. Этот код распространяет сигнал пользователя’ по всей полосе пропускания. На конце приемника’s тот же код используется для извлечения конкретного сигнала, эффективно отфильтровывая другие сигналы, разделяющие ту же частоту. Этот процесс известен как технология спектра распространения. Распределяющий код представляет собой тщательно разработанную последовательность битов (чипов), которая работает с гораздо большей скоростью, чем исходные данные. Умножение исходного сигнала данных этой высокопроизводительной последовательностью чипов распространяет энергию сигнала по широкой полосе пропускания, делая его видимым как маломощный шум любому приемнику, который не знает код.

Фундаментальные основы спектра

Direct-sequence spread spectrum (DSSS) is the variant of spread spectrum most commonly associated with CDMA. In DSSS, the narrowband user signal is multiplied by a pseudo-random noise (PN) code that has a chip rate far exceeding the data rate. This multiplication broadens the signal bandwidth by a factor equal to the processing gain. The processing gain is the ratio of the chip rate to the data rate—for example, if the chip rate is 1.2288 Mcps (megachips per second) and the data rate is 9.6 kbps, the processing gain is approximately 128 (or 21 dB). This gain is what allows CDMA receivers to recover weak signals even when multiple strong interferers occupy the same frequency band.

Коды Уолша и псевдо-случайные последовательности шума

Системы CDMA обычно используют два слоя кодирования. Первый слой использует функции Уолша (также называемые кодами Хадамара) для обеспечения ортогональности между пользователями в одной ячейке. Коды Уолша математически спроектированы так, что перекрестная корреляция между любыми двумя различными кодами равна нулю, что означает, что приемник может отлично отделять одновременные передачи от разных пользователей в одной ячейке, пока коды остаются синхронизированными. Второй слой использует длинную псевдослучайную последовательность шума (PN) для дифференциации сигналов от разных базовых станций и обеспечения дополнительной безопасности. Последовательность PN уникальна для каждого сектора базовой станции и используется для скремблирования передаваемых данных, что делает чрезвычайно трудным для подслушивающего устройства демодулировать сигнал, не зная кода.

Корреляция и восстановление сигнала

При приемнике входящий широкополосный сигнал умножается на синхронизированную реплику распространяющегося кода. Поскольку кодовая последовательность является ортогональной (или почти такой) для всех других используемых кодов, умножение сворачивает нужный сигнал пользователя & #8217 обратно в узкополосный поток данных, оставляя сигналы от других пользователей, распространяющихся как широкополосный шум. Простой фильтр полосового пропуска затем восстанавливает исходные биты данных. Этот процесс, называемый деспрейдингом, работает, потому что приемник знает точное время и кодовую последовательность предполагаемого передатчика. Точная синхронизация времени имеет решающее значение & #8212; даже небольшое смещение уменьшает коэффициент корреляции и может вызвать ошибки бит. Базовые станции CDMA и мобильные устройства используют пилотные каналы и непрерывные циклы времени для поддержания синхронизации.

Основные характеристики CDMA

CDMA предлагает несколько преимуществ перед более ранними технологиями множественного доступа, поэтому он был выбран в качестве воздушного интерфейса для некоторых из наиболее широко распространенных стандартов 3G в мире.

Эффективность и емкость спектра

Поскольку все пользователи имеют один и тот же диапазон частот одновременно, CDMA может поддерживать больше пользователей на единицу полосы пропускания, чем FDMA или TDMA при типичных условиях загрузки. Мягкая емкость CDMA означает, что добавление еще одного пользователя только слегка поднимает шум для всех остальных, а не потребляет выделенный слот или частоту. Это позволяет операторам обслуживать большее количество абонентов с одинаковым распределением спектра. В сетях CDMA2000 1X, например, один несущий частоту 1,25 МГц может поддерживать более 30 одновременных голосовых вызовов с использованием продвинутых вокодеров, по сравнению с примерно 8-10 вызовами в сопоставимой системе TDMA на той же полосе пропускания. Эта эффективность была основным драйвером для операторов в Северной Америке, Азии и Латинской Америке, чтобы принять стандарты 3G на основе CDMA.

Безопасность и конфиденциальность

Уникальные коды делают прослушивание намного сложнее, чем в аналоговых или ранних системах TDMA. Пассивный слушатель, не знающий распространяющийся код, видит только маломощный шумоподобный сигнал. Без правильной последовательности PN и времени невозможно восстановить исходные данные. Эта неотъемлемая безопасность является одной из причин, по которой CDMA десятилетиями использовалась в военных коммуникациях. Коммерческие системы 3G CDMA добавили слои шифрования поверх кодирования с расширенным спектром для удовлетворения нормативных требований к конфиденциальности абонента и целостности данных.

Мягкий перенос и контроль мощности

CDMA вводит концепцию мягкой передачи (также называемой мягкой передачей), где мобильное устройство взаимодействует с двумя или более базовыми станциями одновременно во время перехода между ячейками. Мобильный телефон объединяет сигналы от нескольких базовых станций, используя максимальное соотношение, улучшая качество сигнала и устраняя резкие падения вызова, которые происходят в системах жесткой передачи. Эта функция значительно повышает надежность вызова и качество голоса на краях ячеек. Управление питанием является еще одной важной особенностью CDMA. Поскольку все пользователи имеют одну и ту же частоту, одна мобильная передача на слишком высокой мощности может заглушить всех других пользователей в ячейке (почти дальняя проблема). Системы CDMA реализуют быстрое управление мощностью замкнутого цикла, которое регулирует мощность передачи каждого мобильного устройства до 800 раз в секунду, сохраняя каждый сигнал на минимальном уровне, необходимом для надежного приема.

CDMA против других технологий множественного доступа

Понимание того, как CDMA сравнивается с другими методами доступа к каналам, объясняет, почему он был принят для 3G и как его ограничения привели к переходу на новые технологии.

CDMA vs. FDMA

Частотное разделение множественного доступа делит доступный спектр на узкие каналы, каждый из которых предназначен для одного пользователя. FDMA прост и использовался в аналоговых сотовых системах, таких как AMPS и TACS. Однако он страдает от плохой спектральной эффективности, потому что полосы защиты между каналами растрачивают спектр, и канал не может быть повторно использован другими пользователями, даже когда он проста. CDMA полностью исключает полосы защиты и позволяет использовать пропускную способность холостого хода для других пользователей, что делает его значительно более эффективным для трафика данных и голосовых вызовов с естественным молчанием.

CDMA vs. TDMA

Многократный доступ с разделением времени делит каждый частотный канал на временные интервалы, при этом каждому пользователю назначается повторяющийся слот. GSM, доминирующий стандарт 2G, используется TDMA. TDMA повышает спектральную эффективность по сравнению с FDMA, но по-прежнему требует времени охраны между слотами и чувствительна к ошибкам времени, особенно на высоких скоростях. CDMA’s непрерывная передача избегает накладных расходов на границы слотов и время охраны. Однако системы TDMA, как правило, проще реализовать и не требуют жесткого управления мощностью, что требует CDMA. Этот компромисс сложности был одной из причин, по которой некоторые операторы выбрали GSM по сравнению с CDMA для сетей 2G.

CDMA vs. OFDMA

Ортогональное частотное разделение множественного доступа делит полосу пропускания на большое количество близко расположенных поднесущих. OFDMA является основой 4G LTE и 5G NR. OFDMA предлагает еще более высокую спектральную эффективность, чем CDMA, и более устойчив к многолучевому затуханию без необходимости сложного приемника RAKE. OFDMA также позволяет планировщику частот назначать разные поднесущие различным пользователям на основе условий канала в реальном времени. Широкополосная природа CDMA’ означает, что частотно-селективное затухание влияет на весь сигнал, а не на отдельные поднесущие. CDMA компенсирует с помощью приемников RAKE, которые объединяют многолучевые компоненты, но подход OFDMA’, как правило, более гибкий для высокоскоростных данных. Именно поэтому 4G и 5G перешли от CDMA к OFDMA для нисходящей линии связи, хотя принципы CDMA все еще появляются в восходящей линии связи некоторых систем и в физическом слое сетей 3G.

Приложения в современных телекоммуникациях

Технология CDMA получила широкое распространение в различных системах связи, особенно в мобильных сетях. Она была основой сетей 3G во многих странах и продолжает оказывать влияние на новые технологии посредством своих основных концепций спред-спектра и кодового деления.

3G сети и CDMA2000

Крупные поставщики телекоммуникаций использовали CDMA для своих сетей 3G, таких как CDMA2000 и стандарты EV-DO. Эти сети обеспечивали более высокую скорость передачи данных и лучшее качество голоса по сравнению с более ранними системами 2G. CDMA2000 1X вводил скорость передачи данных до 153 кбит/с, в то время как EV-DO (Evolution-Data Optimized) толкал пиковые скорости до 2,4 Мбит/с, а затем до 3,1 Мбит/с с EV-DO Rev A и до 14,7 Мбит/с с EV-DO Rev B. Сети CDMA2000 широко развертывались операторами, такими как Verizon Wireless, Sprint, KDDI, SK Telecom и China Unicom, обслуживая сотни миллионов абонентов на пике. Обратная совместимость CDMA2000 с IS-95 позволила плавный путь миграции от 2G до 3G, защищая инвестиции оператора в оборудование базовых станций и спектр.

Спутниковая связь

CDMA также используется в системах спутниковой связи, обеспечивая надежную и безопасную передачу данных на большие расстояния. Его устойчивость к помехам делает его пригодным для таких приложений. Спутниковые связи сталкиваются с проблемами, включая длительные задержки распространения, доплеровские сдвиги и ограниченные бюджеты мощности. Природа CDMA’ обеспечивает неотъемлемое сопротивление помехам и помехам от других спутников или наземных источников. Такие системы, как Globalstar, используют воздушные интерфейсы на основе CDMA (на основе IS-95) для своих спутниковых телефонных услуг. Особенно выгодно использование функции мягкого отвода CDMA в спутниковых системах, поскольку мобильный терминал может комбинировать сигналы от нескольких спутников одновременно, обеспечивая лучшее покрытие и уменьшая отсев сигнала во время передачи спутников.

Глобальная система позиционирования (GPS)

Система глобального позиционирования, управляемая Космическими силами США, опирается на принципы CDMA, чтобы позволить всем спутникам GPS передавать на одних и тех же двух частотах: L1 (1575,42 МГц) и L2 (1227,60 МГц). Каждый спутник передает уникальный псевдослучайный шумовой (PRN) код, который является ортогональным кодам, используемым всеми другими спутниками. GPS-приемник генерирует копию каждого спутника & #8217;s PRN-код и соотносит его с принятым сигналом, чтобы определить, какие спутники видны и измерить время прибытия каждого сигнала. Объединив измерения времени полета от по крайней мере четырех спутников, приемник вычисляет свое положение в пределах метров (или сантиметров с дифференциальными поправками). GPS является одним из самых распространенных применений технологии CDMA, с миллиардами приемников, используемых во всем мире в смартфонах, транспортных средствах, самолетах и промышленном оборудовании.

Военные и безопасные коммуникации

CDMA возник из военных исследований в области безопасной, устойчивой к джему связи. Объединенная тактическая система распространения информации (JTIDS) вооруженных сил США и более поздняя Многофункциональная система распространения информации (MIDS) используют методы CDMA на основе спред-спектра для обеспечения безопасных, высокопроизводительных каналов передачи данных для самолетов, кораблей и наземных войск. Анти-джемовые свойства CDMA делают чрезвычайно трудным обнаружение, перехват или джем-передачи противниками. Кроме того, низкая спектральная плотность сигналов спред-спектра означает, что передачи CDMA могут быть скрыты под шумовым полом (низкая вероятность перехвата или LPI), что делает их почти невозможными для обнаружения с помощью обычных радиоприемников.

Беспроводная локальная петля и фиксированная беспроводная сеть

В регионах, где инфраструктура проводной телефонии была дефицитной или дорогостоящей для развертывания, системы беспроводной локальной петли (WLL) на основе CDMA обеспечивали экономически эффективную альтернативу для услуг передачи голоса и данных. Операторы использовали базовые станции CDMA с направленными антеннами для обслуживания фиксированных или кочевых абонентов на расстояниях в несколько километров. Системы WLL на основе CDMA предлагали быстрое развертывание, более низкие капитальные затраты и возможность совместного использования спектра с мобильными услугами. В то время как оптоволокно и DSL в значительной степени заменили WLL на развитых рынках, стационарные беспроводные системы на основе CDMA остаются в использовании в сельских и отдаленных районах развивающихся стран.

Ограничения и снижение CDMA

Несмотря на свои многочисленные сильные стороны, CDMA имеет несколько неотъемлемых ограничений, которые способствовали его постепенной замене системами на основе OFDMA в 4G и 5G. Ближайшая проблема требует очень жесткого контроля мощности, добавляя сложность как базовой станции, так и мобильному устройству. Емкость CDMA & #8217 также ограничена помехами: по мере увеличения числа активных пользователей шум увеличивается, и система может испытывать явление, называемое & #8220; Дыхание ячейки, & #8221; где эффективная зона покрытия сокращается при большой нагрузке. Кроме того, CDMA менее эффективна, чем OFDMA для приложений с высокой пропускной способностью данных, которые обеспечивает OFDMA. Пейзаж интеллектуальной собственности вокруг CDMA также был сложным, с Qualcomm, держащими много фундаментальных патентов, которые привели к более высоким роялти затрат для производителей оборудования и операторов по сравнению с GSM и LTE. Эти факторы в сочетании с глобальным импульсом позади GSM и LTE, привели к тому, что большинство операторов мигрировали от CDMA для 4G и 5G.

Наследие и будущее технологии CDMA

Хотя новые технологии, такие как LTE и 5G, заменяют CDMA во многих областях, понимание CDMA остается важным для понимания эволюции беспроводной связи. Некоторые устаревшие системы по-прежнему работают с использованием CDMA, и его принципы влияют на современные сетевые проекты. В Соединенных Штатах большинство крупных операторов полностью закрыли свои сети CDMA в период с 2020 по 2023 год. Verizon, например, прекратила работу своих сетей CDMA 1X и EV-DO 31 декабря 2022 года, в то время как T-Mobile (которая поглотила сеть CDMA Sprint & # 8217;s CDMA) завершила свое отключение CDMA в марте 2022 года. Однако сети 3G на основе CDMA продолжают работать в некоторых частях Азии, Африки и Латинской Америки, где миграция в LTE или 5G все еще продолжается.

Что еще более важно, фундаментальные концепции CDMA все еще появляются в современных системах. В 5G NR восходящая линия использует вариант кодового разделения под названием DFT-s-OFDM (Discrete Fourier Transform spread OFDM), который является формой многократного доступа с разделением частоты одной носителем (SC-FDMA), который разделяет желательное свойство CDMA & #8217 с низким соотношением пиковой и средней мощности. Широкополосный CDMA (WCDMA), воздушный интерфейс для сетей 3G UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) заложил основу для полосы пропускания несущей 5 МГц, которая стала стандартной в 4G и 5G. Использование ортогональных кодов для многопользовательского доступа также напрямую параллельно использованию кода Уолша в CDMA.

Заглядывая вперед, технологии, вдохновленные CDMA, изучаются для неземных сетей (NTN) и спутниковых интернет-созвездий, где способность делиться спектром между многими пользователями с низкой плотностью мощности очень выгодна. Исследователи также изучают мультиплексирование кодовых доменов для массовых коммуникаций машинного типа (mMTC) в 5G и за его пределами, где тысячи устройств IoT с низким энергопотреблением на ячейку должны передавать крошечные пакеты данных одновременно. В этих сценариях способность CDMA & #8217 приспосабливаться к нескоординированным, спорадическим передачам без централизованного планирования предлагает значительные преимущества по сравнению с OFDMA.

Заключение

Технология CDMA произвела революцию в мобильной связи, позволив нескольким пользователям эффективно использовать один и тот же спектр. Ее приложения в сетях 3G, спутниковой связи и GPS подчеркивают ее универсальность и важность в истории телекоммуникаций. По мере развития технологий основополагающие концепции CDMA продолжают информировать о разработке новых беспроводных стандартов. Принципы распространения спектра, ортогональное кодирование и мягкие методы передачи данных, которые сделали CDMA успешными, глубоко внедрены в ткань современной беспроводной инженерии. Сетевые инженеры, RF планировщики и студенты телекоммуникаций, которые осваивают основы CDMA, получают более глубокое понимание того, почему системы 4G и 5G спроектированы так, как они есть, и как будущие сети могут развиваться, чтобы справиться с растущими требованиями к подключению, эффективности спектра и энергоэффективности.

Для дальнейшего чтения на CDMA и его влияние на беспроводную связь, следующие ресурсы обеспечивают авторитетную техническую глубину: Qualcomm CDMA обзор технологии , IEEE конференции по системам спред-спектра , книга & #8220; CDMA: Принципы распространения спектра связи & #8221; Эндрю Дж.Витерби, и GPS SPS Стандарт производительности документ, описывающий CDMA-основанную структуру сигнала GPS. Эти ссылки предлагают как историческую перспективу, так и математическую строгость, необходимую для серьезной работы в дизайне беспроводной системы.