理解CDMA技术

代码分区多存取(CDMA)是一种通道访问方法,使多个发射机能够同时在一个单一的通信信道上发送信息. CDMA不是用频率(FDMA)或时间(TDMA)来划分信道,而是使用独特的扩展代码将每个信号分散在宽频范围内. CDMA在1990年代被Qualcomm商业化,成为全球范围内2G(IS-95)和3G(CDMA2000,WCDMA)蜂窝网络的骨干,它的关键优点包括通过代码分区的固有安全,强力抵抗干扰,当活跃用户数量高时高效使用无线电频谱. 即便在行业向LTE和5G的过渡中,CDMA的基本原则仍然影响着现代无线标准.

CDMA在IOT和智能设备中的作用

互联网 — — 物联网(Iot)要求数十亿个设备的连接,其中许多设备需要低功率、长电池寿命和在挑战环境中的可靠通信。 尽管NB-Iot、LTE-M和5G NR等新技术是专门为IOT设计的,但CDMA的遗留基础设施仍然为数百万现有设备服务。 它强大的加密和处理许多低数据率连接的能力使得它适合特定使用案例,特别是在CDMA网络仍然活跃的地区。 智能设备如资产跟踪器、公用电表和工业传感器可以利用CDMA成熟的生态系统安全传输数据,而不需要完全迁移到新的无线电接入技术。

CDMA与竞争技术的差别

在评价IOT的CDMA时,必须将其与替代品作对比. LTE-M和NB-IOT等基于4G LTE框架,为大型设备密度和在室内深处扩大覆盖范围提供了更好的支持. 5G NR引入了超可靠低纬度通信(URLLC)和大规模机型通信(mMTC). 另一方面,CDMA在3G时代为语音和低速数据进行了优化,其光谱效率和功率消耗不如现代解决方案,但其简单和经证明的可靠性在升级基础设施可避免成本的优势应用中仍然很宝贵.

CDMA目前在信息技术领域的应用

尽管全球转向LTE和5G,但CDMA继续推动若干重要的IOT部署,其中包括:

  • 资产跟踪和车队管理[ – 北美和亚洲部分地区的许多车辆跟踪系统仍然运行在CDMA2000网络上,提供电能消耗低的实时位置数据.
  • Smart网格系统 – 电气公用事业公司使用CDMA模块进行远程计数器读取,网格监测和负载管理,特别是在宽带替代品有限的农村地区.
  • 远程监测和控制[ – CDMA覆盖较成熟区域的工业设备、环境传感器和农业IOT设备得益于其安全、始终连接。
  • 油气的遥测 –由于该技术在恶劣环境下的强健性,石油和天然气工业依赖于CDMA进行井口监测,管道压力感测,以及紧急关闭系统.

清洁发展机制对现代信息技术的局限性和挑战

虽然清洁发展机制评估效果良好,但若干因素限制了其今后在综合治理生态系统中的作用:

  • Bandwidth 制约 – CDMA网络通常提供低于3 Mbps的数据速率,不足以用于高分辨率视频,实时远程医疗,或其他带宽密集型IoT应用.
  • 网络日落 — — 维里松,Sprint(现为T-Mobile)等主要载体,以及其他已宣布或完成了其CDMA网络的关闭. 剩余覆盖正在缩小,迫使设备制造商重新设计LTE或5G的硬件.
  • 兼容性与新兴标准[ – CDMA在4G LTE或5G NR中并未得到本土支持. Interoperation需要昂贵的网关或多模片,提高IOT设备的生产成本.
  • power clus – 虽然为语音优化,但CDMA模块往往消耗的功率比NB-IoT或蓝牙低能(BLE)替代品要多,这对于电池动力的IoT设备预计持续多年而不更换至关重要.
  • 大规模IOT的可扩展性 – 现代mMTC网络每平方千米可以支持最多100万个设备,密度CDMA从未设计过处理.

《未来展望:5G和NB-IoT世界中的清洁发展机制》

CDMA在IOT中的未来不是关于扩展,而是优雅共存和利用其剩余价值。 随着5G网络变得无处不在,CDMA很可能成为某些由于资本限制或监管要求而无法立即迁移的垂直技术的后退技术。 在CDMA网络仍然运行的地区,如拉丁美洲、印度和非洲部分地区,它至少还将为遗留的IOT设备提供基本的连通性,但行业趋势是明确的:新的设计应当针对LTE-M、NB-IOT或5G-NR。

日落时间线

Verizon在2022年底完成了CDMA的关闭,而T-Mobile的CDMA网络(继承自Sprint)则在2023年退役。 亚洲和欧洲的其他运营商也有类似的时间表。 这意味着依赖CDMA的任何IOT部署都必须有明确的迁移路径以避免服务中断。 Qualcomm等芯片集厂商已经停止了CDMA只使用模块,进一步加速了过渡。

潜在发展和混合模式

虽然CDMA作为一种独立的接入技术正在逐渐消失,但其基本原则正在被改造为下一代IOT网络。

  • 将CDMA与LTE/5G合并的Hybrid网络 — — 一些私营工业网络在依赖LTE提供高速数据的同时,将CDMA用作关键控制信号的安全覆盖。 这种方法既能保持对现有基础设施的投资,又能逐渐迁移。
  • IOT设备的增强安全协议[ – CDMA中使用的扩展码方法提供了一种物理层安全. 研究人员正在将类似的技术应用于5G NR,以防范任务关键 IOT应用中的干扰和窃听.
  • CDMA的Low-power,宽域(LPWA)扩展[ – 标准机构考虑过CDMA的窄带版本用于IOT,类似于NB-IoT如何从LTE演变而来. 虽然不存在商业部署,但这一概念在学术上仍然与超低功率传感器网络相关.
  • 与卫星IOT 的结合 — — CDMA的抗干扰能力使它成为了直接与卫星IOT连接的候选,成千上万个设备必须同时与低地球轨道卫星通信。 Skylo和Astrocast等公司在其卫星IOT服务中使用了基于CDMA的波形。

学生和教育工作者的教育考虑

理解CDMA不仅仅是一项历史工作。 它的数学基础 — — 广频谱、Walsh代码和电源控制 — — 是无线工程师的基本知识。 学习IOT连接的学生应该了解CDMA为什么在3G中成功,4G和5G中吸取了什么教训,以及未来系统如何重新审视其概念。 教育工作者可以强调CDMA和正向频率分配多功能访问(OFDMA)在LTE和5G中使用的权衡,强调没有任何单一技术对所有IOT使用案例来说都是最理想的。

进行深入研究的资源包括:

结论

CDMA技术不会引领下一波IOT创新,但其遗产远非无关紧要。 随着业界向5G及以后推进,CDMA的教训 — — 保证多功能、负载下的频谱效率以及优雅的退化 — — 继续为设计决策提供信息。 对于CDMA网络上现有的IOT部署,计划周密的向LTE-M或NB-IOT的迁移至关重要。 对于新的智能设备连接项目,CDMA只应在基础设施决定选择的非常特殊的情况下加以考虑。 教育者和学生们不会将CDMA作为复制品,而是作为构建无线世界的基础构件,为下一代的连接解决方案提供洞察。 通过了解CDMA的优势所在和不足之处,下一批工程师可以建设更聪明、更具有弹性的IOT系统,为数十亿个可靠设备服务。