代码司多功能访问技术几十年来塑造了移动通信的轨迹,从一个特殊的军事衍生的扩展光谱概念演变成3G网络的基础支柱,现在又演变成5G基础设施的遗留要素。 理解CDMA从早期发展到与第五代系统整合的历程,揭示了不断的工程努力,以增加能力、改善安全性以及使数据服务更加快速。 这一条追溯了CDMA进化的全弧形,审查了其技术基础,并解释了它的原则如何在当今先进的无线网络中持续存在。

CDMA的早期发展

CDMA的根源在于扩散光谱技术,最初是二战期间为军事通信开发的,以抵御干扰和拦截. 1980年代,Qualcomm和其他机构的研究人员开始为民用蜂窝网络改造这些技术. 关键突破是认识到通过给每个用户分配一个独特的伪随机码,多个用户可以同时在同一个频段上传输,而不会互相干扰——这与早先的频率分区(FDMA)和时分区(TDMA)计划(TDMA)计划截然不同.

散射- 分层基础

CDMA使用直接序列的散频谱(DSSS),在传输前,每个用户的数据信号都通过高速的散频码乘以。这可以将信号分散到宽带宽,使其能抵御窄带干扰,并提供固有的安全性。在接收器中,同一代码用于解散信号,在其它用户的代码出现噪音时恢复原始数据。这一过程使许多用户能够同时共享同一频率通道,大大提高光谱效率。

主要技术创新

早期CDMA系统面临重大挑战:电源控制(近距离问题),代码同步,硬件复杂. Qualcomm的工程师通过实施快速闭路电源控制,每秒调整发射机功率数百次,解决了近距离问题,他们还开发了高效的代码生成和获取算法,这些创新使得商业CDMA成为可行,导致第一个基于CDMA的蜂窝标准——IS-95(又称cdmaOne)——于1993年最终确定.

采用和扩大:CDMA-2000的崛起

1990年代末和2000年代初,CDMA技术被美国威利松和史瑞特等主要航空公司以及韩国,日本等市场的运营商所接受. IS-95网络相比较老的模拟和TDMA系统提供了更高的语音质量和能力,很快获得了竞争优势.

从IS-95到CDMA2000 1x和EV-DO

CDMA2000系列标准继续演变,包括CDMA2000 1x(1xRTT)用于语音和低速数据,以及后来CDMA2000 1xEV-DO(Evolution-Data 优化)用于高速数据服务. CDMA2000 1x提供了高达153 kbps的数据率,而EV-DO Rev. A推送的吞吐量则在下游3.1 Mbps. 这些网络使得第一代移动互联网体验得以实现:电子邮件,简单的网络浏览和图片信息传递. 技术还基于扩展光谱原则,通过更强大的加密和认证协议,引入了更好的安全性.

CDMA2000诉WCDMA

CDMA2000(北美/亚洲CDMA路径)和WCDMA(Wideband CDMA,在UMTS中使用)必须区分开来. 虽然两者都是基于CDMA的,WCDMA使用一个更大的5MHz通道,被GSM家族采纳为3G进化路径. WCDMA成为全球3G的主导标准,而CDMA2000在美洲和亚洲部分地区仍然很强,这分裂塑造了竞争的地貌,后来影响了承运人如何迁移到4G LTE和5G.

向4G和LTE过渡

从3GCDMA网络向4G LTE的移动代表了空气界面技术的根本转变。 LTE使用正交频段多通道(OFDMA)进行下行链路和单载FDMA(SC-FDMA)进行上行链路,而不是CDMA。 这一变化的驱动力是需要更高的峰值数据率、宽带宽的光谱效率以及更灵活的调度。 然而,CDMA的影响并没有一夜之间消失。

后向兼容性和双模式设备

在过渡期间,在CDMA2000(如Verizon,Sprint)上投入大量资金的承运人将LTE与现有的CDMA网络一起部署用于语音和遗留数据。 设备的设计采用了双模无线电,允许LTE在数据上和CDMA2000 1x(一种被称为CSFB – Circuit switched Fallback)上进行无缝的交接。 这一方法推迟了VOLTE(LTE上的声音)的需求,并给网络升级带来了时间。

3GPP标准中的CDMA基金会

此外,CDMA的基本原则 — — 以密码为基础的多路性、软交接和电源控制 — — 影响了LTE控制通道和某些物理层程序的设计。 比如,LTE的PRACH(物理随机访问通道)使用一种扩散光谱处理基于争议的接入。 从CDMA到OFDMA的演变并不是一个干净的突破,而是一个逐渐的趋同,许多工程师和算法都不断向前发展。

与5G技术的整合

5G新电台(NR)标志着另一个代际飞跃,但也反映了对CDMA启发技术的持续依赖。 虽然5G的空中接口主要基于OFDM和大规模MIMO,但是在各种情景下需要强大、安全和高效的通信,因此纳入了CDMA类似的要素。

光谱分享和CDMA的遗产

CDMA原则明显体现于5G使用动态频谱共享(DSS)中的一个领域。DSS允许4G LTE和5G NR在同一频段共存,动态地分配资源。 这在概念上类似于CDMA通过不同调度机制将多个用户覆盖在同一频段的能力。 此外,5G还利用复杂的编码域多功能来控制通道,如直接借用CDMA代码分区方法的上链控制信息和参考信号。

后向兼容性和网络迁移

许多5G部署,特别是在北美,从非独立(NSA)模式开始,它依赖于现有的4G LTE(有时是3G CDMA)核心网络来进行控制信号。 Verizon等载体一直维持CDMA2000网络,用于遗留语音和IOT设备。 CDMA网络的最后日落(例如Verizon的3G CDMA于2022年关闭)标志着一个时代的结束,但也证明了遗留基础设施如何支持向5G平稳过渡。 CDMA和5G之间的互操作性虽然有限,但确保了数百万个设备在多年迁移期间继续发挥作用。

5G 利用受益于CDMA原则的案例

5G中的大规模机型通信(mMTC),它针对的是数据率低和功率受限的IOT设备,可以利用代码域多接入技术(例如SCMA – Sparse Code Multime Access ) 。 尽管不纯CDMA,SCMA使用代码簿允许非正统多接入,这是CDMA代码分区哲学的直接后人。 同样,5G NR中的无赠上链传输,用于超可靠低纬度通信(URLLC),同样的目标也是允许多个设备同时传输而不集中调度,这让人想起CDMA固有的多接入能力。

清洁发展机制的今后前景和持续影响

随着5G向6G的发展,工程界继续重温CDMA概念. 未来的网络可能将OFDM与非正统多重访问(NOMA)和高级干扰取消相结合,所有这些都建立在产生CDMA的传播光谱洞的基础上. 此外,安全,低概率的干扰通信(即扩散光谱的原始驱动力)的需求对于关键基础设施,防御和对隐私敏感的应用仍然很重要.

卫星和非地球网络中的CDMA

卫星通信系统,包括那些正在并入5G非地球网络的系统,往往使用CDMA来应对长期传播延迟和多普勒高转速。 Qualcomm的CDMA卫星电话网络(如Globalstar)等技术已经证明了空间连接中扩展频谱的可行性。 随着5G扩展至直接对接卫星服务,CDMA衍生的技术可能会重新出现。

未来标准的经验教训

CDMA的故事提供了重要的教训:投资于物理层创新的价值、世代转型期间的后向兼容性的必要性以及正统和非正统多重接入等基本原则的持久效用。 设计6G的工程师已经在研究CDMA的电源控制算法和代码分配策略以提高能源效率和网络能力。 CDMA的遗产不仅仅是历史的,它继续为前沿提供参考。

简言之,CDMA从早期发展到3G主导到与5G融合的演变说明了无线技术的迭代性质。 每一代人继承并适应了前辈的最佳想法。 CDMA的传播光谱原则曾经是革命性的,现在却在现代移动网络的丰富结构中形成了一条线。 毫无疑问,未来将把这些已经证明的技术与新的突破结合起来,以提供用户所期望的无缝无所不在的连接。