CDMA

CDMA (от англ. Code Division Multiple Access — множественный доступ с кодовым разделением) — технология цифровой сотовой связи, основанная на методе расширения спектра сигнала с помощью псевдослучайной последовательности. В отличие от систем с частотным (FDMA) или временным (TDMA) разделением каналов, в CDMA все абоненты одновременно передают данные в одном и том же частотном диапазоне, при этом каждому пользователю присваивается уникальный кодовый код, позволяющий выделить его сигнал из общего шума.

История

Технология CDMA была разработана в 1940-х годах для военных целей, в частности для систем связи с защитой от помех и перехвата. В 1950-х годах американский инженер Клод Шеннон теоретически обосновал принципы расширения спектра. Первые коммерческие системы CDMA появились в 1990-х годах, когда компания Qualcomm предложила стандарт IS-95 (cdmaOne), который был принят в США и ряде других стран. В 1999 году Международный союз электросвязи (ITU) включил CDMA в семейство стандартов 3G (IMT-2000), что привело к созданию более совершенных версий, таких как CDMA2000 и WCDMA.

В России технология CDMA начала внедряться в 2000-х годах. Операторы «Скай Линк» и «Акос» предоставляли услуги связи на базе CDMA2000 1x EV-DO, однако к 2010-м годам технология уступила место LTE и 5G. В настоящее время CDMA в России практически не используется, за исключением отдельных корпоративных сетей и систем специального назначения.

Принцип работы

Основой CDMA является метод прямого расширения спектра (DSSS — Direct Sequence Spread Spectrum). Передаваемый сигнал умножается на псевдослучайную последовательность (ПСП), которая имеет скорость передачи (чиповую скорость) значительно выше, чем скорость информационного потока. В результате спектр сигнала расширяется, а его мощность распределяется по широкой полосе частот. Приёмник, зная код ПСП, выполняет обратную операцию — корреляцию, восстанавливая исходный сигнал. Сигналы других пользователей, использующих другие коды, остаются шумоподобными и не декодируются.

Ключевые параметры:

• Чиповая скорость — количество символов ПСП в секунду (например, 1,2288 Мчип/с для IS-95).
• Коэффициент расширения — отношение чиповой скорости к информационной (обычно от 4 до 128).
• Кодовое расстояние — степень ортогональности кодов (чем больше, тем меньше взаимных помех).

Классификация

По поколениям

• 2G (cdmaOne, IS-95) — первое поколение CDMA, обеспечивало скорость до 14,4 кбит/с для голосовой связи и до 115 кбит/с для данных.
• 3G (CDMA2000, WCDMA) — развитие технологии, включающее CDMA2000 1x (до 153 кбит/с) и CDMA2000 1x EV-DO (до 2,4 Мбит/с для Rev. 0 и до 3,1 Мбит/с для Rev. A). WCDMA (широкополосный CDMA) используется в стандарте UMTS.
• 4G (LTE, WiMAX) — в LTE используется OFDMA (ортогональное частотное разделение), а не CDMA, хотя некоторые элементы CDMA применяются в восходящем канале.
• 5G (NR) — в стандарте 5G New Radio CDMA не используется; применяются OFDMA и другие методы.

По типу кодов

• Ортогональные коды Уолша — используются в прямом канале (от базовой станции к абоненту) для разделения пользователей.
• Псевдослучайные последовательности (PN-коды) — используются в обратном канале (от абонента к базовой станции) для идентификации абонентов и защиты от помех.
• Коды Голда — применяются в WCDMA для обеспечения большого числа ортогональных последовательностей.

Устройство и характеристики

Сеть CDMA состоит из следующих компонентов:

• Базовая станция (BTS) — приёмопередающее оборудование, обслуживающее одну или несколько сот.
• Контроллер базовых станций (BSC) — управляет несколькими BTS, координирует хэндовер (передачу обслуживания) и распределение ресурсов.
• Центр коммутации (MSC) — отвечает за маршрутизацию вызовов, аутентификацию и взаимодействие с другими сетями (PSTN, Интернет).
• Абонентское оборудование (MS) — мобильный телефон, смартфон или модем с поддержкой CDMA.

Основные характеристики:

• Рабочие частоты: 800 МГц (IS-95), 1900 МГц (PCS), 450 МГц (CDMA2000 в России), 2100 МГц (WCDMA).
• Ширина полосы: 1,25 МГц для IS-95 и CDMA2000, 5 МГц для WCDMA.
• Дальность связи: до 35 км в стандартной конфигурации, до 100 км с использованием специальных антенн.
• Ёмкость сети: до 64 голосовых каналов на одну несущую частоту (в зависимости от кодового плана).

Применение

Сотовая связь

CDMA широко использовалась в сотовых сетях 2G и 3G. В США операторы Verizon и Sprint (до объединения с T-Mobile) эксплуатировали сети CDMA2000. В Японии KDDI (au) работала на CDMA2000 до перехода на LTE. В Китае China Telecom использовала CDMA2000 до 2020-х годов.

Спутниковая связь

Технология CDMA применяется в системах спутниковой связи, таких как Iridium и Globalstar, для обеспечения одновременного доступа множества абонентов.

Военные и специальные системы

CDMA используется в системах радиосвязи с повышенной защитой от помех и перехвата (например, в тактических сетях связи стран НАТО).

Интернет вещей (IoT)

В некоторых решениях для IoT (например, в системах автоматического сбора данных) применяются узкополосные варианты CDMA.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая помехоустойчивость — за счёт расширения спектра сигнал устойчив к узкополосным помехам.
• Эффективное использование спектра — все абоненты работают в одной полосе, что позволяет обслуживать больше пользователей на единицу частоты.
• Мягкий хэндовер — при переходе между сотами соединение не прерывается, так как абонент может одновременно поддерживать связь с несколькими базовыми станциями.
• Конфиденциальность — сигнал сложно перехватить без знания кода.

Недостатки

• Сложность синхронизации — требуется точное временное согласование между базовыми станциями (обычно с помощью GPS).
• Эффект «ближний-дальний» — сигнал близкого абонента может подавить сигнал удалённого, что требует строгого регулирования мощности.
• Ограниченная скорость передачи данных — в сравнении с OFDMA (LTE) CDMA менее эффективна для высокоскоростных пакетных данных.
• Сложность оборудования — поддержка CDMA требует более дорогих и сложных приёмопередатчиков.

Интересные факты

• Первый коммерческий звонок по технологии CDMA состоялся в 1995 году в сети оператора Hutchison Telecom в Гонконге.
• В 2000-х годах Qualcomm, владевшая ключевыми патентами на CDMA, получала значительные лицензионные отчисления от производителей оборудования, что привело к судебным разбирательствам с антимонопольными органами.
• В России сеть CDMA2000 оператора «Скай Линк» была запущена в 2003 году и на пике популярности насчитывала около 2 миллионов абонентов.
• Технология CDMA лежит в основе стандарта GPS (Global Positioning System), где спутники передают сигналы с уникальными кодами, позволяя приёмникам определять своё местоположение.

Критика

Основная критика CDMA связана с её коммерческой неэффективностью в условиях конкуренции с GSM. В 1990-х годах GSM, основанный на TDMA, получил более широкое распространение в мире благодаря открытости стандарта и меньшей стоимости оборудования. CDMA, напротив, была запатентована Qualcomm, что привело к высоким лицензионным отчислениям и ограничению числа производителей. Кроме того, переход от CDMA к LTE и 5G потребовал от операторов значительных инвестиций в модернизацию сетей, что замедлило развитие технологии в некоторых регионах.

Источники

• С. В. Кунцевич, «Системы связи с кодовым разделением каналов», 2005.
• А. И. Алексеев, «Сотовые системы связи: от 1G к 5G», 2019.
• Документация ITU-R M.1457-15 (IMT-2000).
• Отчёты Qualcomm о технологии CDMA (1995–2010).
• Статья «CDMA» в журнале «Мобильные системы», №4, 2007.