Code Division Multiple Access (CDMA) ist eine digitale Mobilfunktechnologie, die die mobile Kommunikation revolutionierte, indem sie mehreren Benutzern ermöglichte, das gleiche Frequenzspektrum gleichzeitig zu teilen. Im Gegensatz zu früheren analogen Systemen, die jedem Anruf diskrete Frequenzkanäle zuordneten, verwendet CDMA Spread-Spektrum-Techniken, bei denen jeder Anruf mit einer einzigartigen Pseudozufallssequenz codiert ist. Dieser Ansatz verbessert die spektrale Effizienz, erhöht die Kapazität und verbessert die Anrufqualität. CDMA wurde von Carriern wie Verizon Wireless, Sprint (heute Teil von T-Mobile) und vielen Betreibern in Asien und Lateinamerika weit verbreitet. Das Verständnis seiner Architektur und Infrastrukturkomponenten ist für Netzwerkingenieure, Telekommunikationsenthusiasten und alle, die an der Gestaltung oder Wartung von Mobilfunknetzen beteiligt sind, unerlässlich.

Grundprinzipien der CDMA-Technologie

Bevor man in die Netzwerkarchitektur eintaucht, hilft es, die Kernprinzipien zu erfassen, die CDMA von anderen Mehrfachzugriffsmethoden unterscheiden. CDMA stützt sich auf Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS), bei dem das Signal jedes Benutzers über ein breites Frequenzband verteilt wird, indem es mit einem hochfrequenten Spreizcode multipliziert wird. Am Empfänger wird derselbe Code verwendet, um das gewünschte Signal zu verspreizen, während andere als Rauschen abgelehnt werden. Schlüsselattribute sind weiche Kapazität, weiche Handoffs und Stromsteuerung - alle beeinflussen, wie Netzwerkelemente strukturiert sind.

Spread Spectrum und Orthogonal Codes

CDMA-Systeme verwenden orthogonale oder nahezu orthogonale Spreizcodes, wie Walsh-Codes in der Vorwärtsverbindung und Pseudorauschen (PN)-Sequenzen in der Rückwärtsverbindung. Diese Codes ermöglichen es dem Empfänger, Signale von verschiedenen Benutzern zu trennen. Die Möglichkeit, die gleiche Frequenz in jeder Zelle wiederzuverwenden, ist ein großer Vorteil, aber es erfordert eine enge Synchronisation und ein Energiemanagement, um Interferenzen zu vermeiden. Dieses Prinzip treibt die Notwendigkeit einer präzisen Koordination zwischen Basisstationen und Controllern voran.

Power Control als kritischer Mechanismus

Bei CDMA senden alle mobilen Geräte auf der gleichen Frequenz. Ohne Leistungssteuerung würde ein Mobilgerät in der Nähe der Basisstation Signale von einem entfernten Mobilgerät überwältigen - das sogenannte "Near-Far"-Problem. Zwischen dem Mobilgerät und der Basisstation werden Leistungssteuerungsmechanismen implementiert, die die Sendeleistung kontinuierlich anpassen. Diese Funktionalität ist in die Basisstation und die Steuerungslogik eingebettet, was sie zu einem grundlegenden Aspekt der Infrastruktur macht.

Grundlegende Architektur von CDMA-Netzwerken

CDMA-Netzwerke sind mit einer geschichteten Architektur ausgestattet, die den Funkzugang von Kernvermittlung und -diensten trennt. Das Funkzugangsnetz (RAN) übernimmt die drahtlose Verbindung, während das Kernnetz die Verbindungen zu externen Netzwerken und die Teilnehmerintelligenz verwaltet. Diese Modularität ermöglicht es Betreibern, Komponenten unabhängig zu aktualisieren. Die folgenden Abschnitte gliedern jede Schicht auf.

Basis-Sende-/Empfangsstation (BTS)

Basis-Transceiver-Stationen, die gemeinhin als Zellenstandorte bezeichnet werden, sind der sichtbarste Teil eines CDMA-Netzwerks. Sie beherbergen die Funk-Transceiver, Antennen und zugehörige Elektronik, die direkt mit mobilen Geräten kommunizieren. Jede BTS deckt ein geografisches Gebiet ab, das als Zelle bekannt ist. Die Größe einer Zelle hängt vom Frequenzband, dem Gelände und der Teilnehmerdichte ab. Eine BTS umfasst typischerweise eine oder mehrere Kanalkarten, die die Spread-Spektrum-Verarbeitung handhaben, einen Combiner zur Summe von Vorwärts-Link-Signalen und einen Duplexer zur Trennung von Sende- und Empfangspfaden.

Bei CDMA2000 1xRTT- und EV-DO-Systemen unterstützt das BTS höhere Datenraten, indem es zusätzliche Codekanäle und Modulationsschemata wie QPSK und 16-QAM verwendet. Das BTS verbindet sich über eine Backhaul-Verbindung mit der Basisstationssteuerung (BSC) - oft T1/E1-Leitungen, Ethernet oder Glasfaser.

Basisstations-Controller (BSC)

Der BSC ist der intelligente Hub, der mehrere BTSs innerhalb einer geografischen Region verwaltet. Er ist verantwortlich für das Funkressourcenmanagement, einschließlich der Zuweisung von Funkkanälen, der Steuerung von Übergaben und der Energiekoordination. Eine Schlüsselfunktion ist die soft Handoff (auch "Make-before-break" genannt), bei der ein Mobilgerät während eines Zellübergangs gleichzeitig mit mehreren BTSs kommuniziert. Der BSC kombiniert die Signale dieser BTSs, um die Anrufqualität zu verbessern. Der BSC übernimmt auch Frequenzsprung (falls vorhanden), Lastausgleich und Schnittstelle mit dem Kernnetz.

In CDMA-Netzwerken enthält der BSC die Selector/Distributor-Einheit (SDU), die die Paketwiederzusammenstellung und -vervielfältigung verwaltet, und beherbergt auch die Call Control- (CC) und Mobility Management-Funktionen (MM) für den Funkzugangsteil. Moderne BSCs werden oft virtualisiert oder in "Controller"-Software integriert, die auf kommerziellen Servern läuft.

Radio Network Controller (RNC) in 3G CDMA Systemen

Mit der Entwicklung zu 3G unter dem IMT-2000-Rahmen haben CDMA-Netzwerke (insbesondere CDMA2000- und WCDMA-basierte Systeme) den Radio Network Controller eingeführt. Der RNC sitzt in der Hierarchie über dem BSC (oder ersetzt ihn in einigen Architekturen) und bietet eine zentrale Steuerung des gesamten Funkzugangsnetzes. Der RNC verwaltet die Mobilität über BSC-Grenzen hinweg, verteilt Netzwerkressourcen und übernimmt den Verbindungsaufbau und -abbau. Er implementiert auch das Radio Resource Control (RRC) Protokoll und verwaltet die Paketplanung für Datensitzungen.

In einem CDMA2000-Netzwerk wird die RNC bei Datenverkehr manchmal als Packet Control Function (PCF) bezeichnet, die mit dem Packet Data Serving Node (PDSN) im Kernnetzwerk verbunden ist. Die Fähigkeit der RNC, Soft Handoffs über Zellstandorte hinweg zu koordinieren, ist ein Kennzeichen der nahtlosen Mobilität von CDMA.

Sonstige Funkzugangsnetzelemente

Neben BTS, BSC und RNC umfasst die RAN mehrere unterstützende Komponenten:

  • Knoten B – Äquivalent zu BTS in WCDMA/HSPA-Netzwerken, obwohl oft austauschbar mit BTS in CDMA-Kontexten verwendet.
  • Site Router (SR) – Aggregiert den Datenverkehr von mehreren BTS und Schnittstellen mit dem BSC oder RNC.
  • GPS Timing Receiver – Bietet die genaue Synchronisation, die für den CDMA-Betrieb unerlässlich ist und sich typischerweise an jedem BTS befindet.
  • Mast und Tower Equipment – Antennen, Feeder und Remote Radio Heads (RRHs), die RF-Signale verteilen.

Kernnetzkomponenten

Das Kernnetz verbindet das Funkzugangsnetz mit externen Netzen wie dem Public Switched Telephone Network (PSTN), dem Internet und anderen Mobilfunknetzen, unterhält außerdem Teilnehmerprofile, Authentifizierung und Abrechnung.

Mobile Switching Center (MSC)

Der MSC ist der zentrale Vermittlungsknoten, der Sprachanrufe leitet und leitungsvermittelte Dienste verwaltet. Er übernimmt die Einrichtung, den Abbau und das Routing von Anrufen sowie Mobilitätsmanagementfunktionen wie Standortaktualisierungen und Übergaben zwischen MSCs. Der MSC hat auch eine Schnittstelle zum PSTN über Verbindungsleitungen. In neueren CDMA-Netzwerken (z. B. CDMA2000) kann der MSC sowohl Sprache als auch Daten unterstützen, indem er die Funktionen von Services and Switching Point (SSP) für intelligente Netzwerkdienste einbezieht.

Home Location Register (HLR)

Das HLR ist eine permanente Datenbank, in der die Teilnehmerdaten gespeichert sind: International Mobile Subscriber Identity (IMSI), Service-Abonnements, Authentifizierungsschlüssel und aktueller Standort (über die VLR-Adresse). Wenn sich ein Mobilgerät im Netzwerk registriert, wird das HLR aktualisiert und zur Weiterleitung eingehender Anrufe verwendet. Das HLR ist ein wichtiger Teil des Kerns, oft mit hoher Redundanz und schnellen Suchfunktionen ausgestattet. Es interagiert eng mit dem Authentication Center (AUC).

Besucherstandortregister (VLR)

Das VLR ist eine temporäre Datenbank, die Roaming-Teilnehmerdaten speichert, während sie sich im Abdeckungsbereich eines bestimmten MSC befinden, eine Teilmenge von HLR-Informationen enthält, die für die Anrufweiterleitung und Dienstautorisierung benötigt werden, die Signalisierungslast durch lokales Zwischenspeichern von Teilnehmerdaten reduziert. Wenn ein Mobilgerät in ein neues Gebiet wechselt, wird das alte VLR aktualisiert und das neue VLR ruft das Profil vom HLR ab.

Authentifikationszentrum (AUC)

Die AUC erzeugt und speichert Authentifizierungsvektoren, die zur Überprüfung der Identität eines Abonnenten verwendet werden. Sie arbeitet mit dem HLR zusammen, um Challenge-Response-Paare (RAND, SRES und Kc in älteren Systemen; entwickelt zur 3G-Authentifizierung) bereitzustellen. Die AUC enthält auch Verschlüsselungsschlüssel zur Sicherung der Kommunikation über die Luft. Ohne die AUC wäre ein CDMA-Netzwerk anfällig für Klonen und Betrug. In CDMA2000 ist die AUC häufig in die HLR integriert.

Gerätekennung (EIR)

Die EIR enthält Listen gültiger, gestohlener oder fehlerhafter Identifikatoren für mobile Geräte (IMEI oder elektronische Seriennummer); obwohl sie nicht in allen CDMA-Einsätzen verwendet werden, ermöglicht sie es Betreibern, bestimmte Handsets vom Zugriff auf das Netzwerk zu blockieren; diese Komponente fügt eine Sicherheitsschicht hinzu, die über die Authentifizierung von Abonnenten hinausgeht.

Packet Core Elements (für Datendienste)

CDMA-Netzwerke wurden entwickelt, um Hochgeschwindigkeitsdaten mit der Einführung von CDMA2000 1xRTT und EV-DO zu unterstützen.

  • Packet Data Serving Node (PDSN) – Agiert als Gateway zwischen dem Funknetz und IP-Netzwerken. Es verwaltet PPP-Sitzungen, weist IP-Adressen zu und verarbeitet Authentifizierung, Autorisierung und Buchhaltung (AAA) über RADIUS-Server.
  • Home Agent (HA) und Foreign Agent (FA) – Für die Unterstützung von Mobile IP verankert das HA die IP eines Mobilgerätes, während das FA (oft im PDSN) beim Routing von Paketen zu Roaming-Geräten hilft.
  • AAA Server – Behandelt die Abonnenten-Authentifizierung für Datensitzungen und generiert Abrechnungsaufzeichnungen.

Infrastrukturkomponenten, die CDMA unterstützen

Neben den Kernnetzelementen stützt sich eine robuste CDMA-Bereitstellung auf die zugrunde liegende Infrastruktur für Übertragung, Verwaltung und Abrechnung.

Übertragungsnetze (Backhaul)

Backhaul verbindet BTSs mit dem BSC und anschließend mit dem Kernnetzwerk. Traditionelle CDMA-Netzwerke verwendeten T1/E1-Leasingleitungen oder Mikrowellenverbindungen. Moderne Bereitstellungen begünstigen Glasfaserverbindungen aufgrund höherer Bandbreite und geringerer Latenz. Backhaul muss sowohl leitungsvermittelte Sprache (konstante Bitrate) als auch paketvermittelte Daten (bursty) unterstützen, so dass Betreiber häufig Ethernet über Glasfaser- oder Hybrid-TTM / IP-Lösungen einsetzen. Das Übertragungsnetz ist ein großer Kostentreiber und Leistungsengpass; viele Infrastruktur-Upgrades konzentrieren sich auf die Verbesserung der Backhaul-Kapazität.

Netzwerkmanagementsystem (NMS)

Ein NMS bietet eine zentrale Schnittstelle für die Konfiguration, Überwachung und Fehlerbehebung aller Netzwerkelemente. Es sammelt Alarme, Leistungszähler und Protokolle von BTSs, BSCs, MSCs und Kernknoten. Erweiterte NMS-Plattformen unterstützen Remote-Software-Upgrades, Fehlerkorrelation und prädiktive Analysen. CDMA-Netzwerke verwenden häufig das Telecommunications Management Network (TMN) -Modell mit Elementmanagern, Netzwerkmanagern und Servicemanagern. Betreiber verlassen sich auf NMS, um die Servicequalität zu erhalten und die mittlere Zeit bis zur Reparatur (MTTR) zu reduzieren.

Lade- und Abrechnungssysteme

CDMA-Netzwerke unterstützen eine Vielzahl von Lademodellen: Prepaid-, Postpaid-, Flatrate-Daten und Sprachdaten pro Minute. Die Ladeinfrastruktur umfasst das OCS (Online Charging System) für die Echtzeit-Kreditkontrolle in Prepaid-Diensten und die CF (Charging Function) im Paketkern für die Offline-Abrechnung. Das Abrechnungssystem aggregiert Call Detail Records (CDRs) aus dem MSC und Datensitzungs-Records aus dem PDSN, Anwendung von Tarifen und Rechnungserstellung. Die Integration mit dem HLR stellt sicher, dass Roaming-Gebühren korrekt berechnet werden.

Erweiterte Funktionen und Entwicklungen der CDMA-Architektur

CDMA-Netzwerke haben sich seit ihrer Gründung erheblich weiterentwickelt. Das Verständnis dieser Fortschritte hilft, die grundlegende Architektur in einen Kontext zu stellen.

CDMA2000 1xRTT und 1xEV-DO

CDMA2000 1xRTT (Radio Transmission Technology) verdoppelte die Sprachkapazität über IS-95 und führte Datenraten von bis zu 153 kbps ein. Die Architektur erforderte nur geringfügige Upgrades für BTS- und BSC-Software sowie die Hinzufügung des PDSN für Paketdaten. Die nachfolgende 1xEV-DO (Evolution-Data Optimized) wurde speziell für Hochgeschwindigkeitsdaten entwickelt, mit einem dedizierten Träger und einem vereinfachten RAN. EV-DO entfernte die leitungsvermittelte Sprachkomponente auf diesem Träger, so dass sich die BTS auf die Planung von Datenbursts effizient konzentrieren konnte. Die Netzwerkarchitektur für EV-DO führte das Access Network (AN) ein, bestehend aus einem BTS und einem Access Network Controller (ANC), der die BSC / PCF ersetzte.

Softer Handoff und Softer Handoff

Die Soft-Handoff-Fähigkeit von CDMA ist ein direktes Ergebnis seiner Architektur. Beim Soft-Handoff unterhält ein Mobilgerät gleichzeitig Verbindungen mit mehreren BTS; das BSC/RNC wählt das beste Signal auf Frame-by-Frame-Basis aus. Softer-Handoff tritt auf, wenn sich das Mobilgerät zwischen Sektoren desselben BTS befindet. Diese Funktionen erfordern, dass das BSC/RNC Frames aus mehreren Quellen kombiniert oder auswählt, was die Backhaul- und Verarbeitungsanforderungen erhöht. Das Netzwerk muss ein genaues Timing (über GPS) und genügend Bandbreite unterstützen, um doppelte Frames weiterzuleiten.

Mobilitätsmanagement – Standortbereiche und Paging

Mobilitätsmanagement in CDMA beinhaltet Location Area (LA) und Routing Area (RA) Updates. Der MSC verfolgt den Standort von Leerlauf-Mobilgeräten auf der Ebene des Standortbereichs (Gruppe von Zellen). Wenn ein Anruf eintrifft, stellt der MSC das Mobilgerät über alle Zellen in LA. Der VLR speichert den letzten bekannten Standort. Für Datensitzungen verfolgt der PDSN das Mobilgerät mit einem Routing Area-Update, das vom RNC oder PCF gehandhabt wird. Diese Verfahren sind Teil der Signalisierung des Kernnetzes, die sich auf die SS7 (Signaling System No. 7) oder SIGTRAN (für IP) Protokolle zwischen dem MSC, HLR und VLR stützt.

Vorteile und Grenzen der CDMA-Netzwerkarchitektur

Keine Technologie ist perfekt. Die architektonischen Entscheidungen hinter CDMA bringen sowohl Vorteile als auch Kompromisse.

Vorteile

  • Hochspektrale Effizienz - CDMA verwendet die Frequenz in jeder Zelle wieder und bietet eine höhere Kapazität als FDMA / TDMA-Systeme unter gleichmäßiger Last.
  • Soft Capacity – Die Anzahl der gleichzeitigen Benutzer kann theoretische Grenzen mit anmutiger Degradation überschreiten, im Gegensatz zu hart limitierten TDMA.
  • Soft Handoffs – Nahtlose Übergänge reduzieren fallen gelassene Anrufe und verbessern die Sprachqualität an Zellenrändern.
  • Inhärente Sicherheit – Spread-Spektrum-Modulation und Authentifizierung sorgen für starke Datenschutz- und Betrugsresistenz.
  • Multirate Support – Variable Spreading-Gewinne ermöglichen adaptive Datenraten, die für den gemischten Sprach- / Datenverkehr von Vorteil sind.

Beschränkungen

  • Komplexe Leistungssteuerung – Eine enge Leistungssteuerung ist unerlässlich; Ausfälle können zu erheblichen Störungen und Kapazitätsverlusten führen.
  • Strenge Synchronisation – Jedes BTS erfordert GPS-Timing, erhöht die Kosten und die Anfälligkeit für GPS-Störungen.
  • Interference Limited – Die Kapazität wird letztlich durch Interferenzen begrenzt, die mit der Datenverkehrsasymmetrie zunehmen.
  • Backhaul Demands – Soft Handoffs doppelte Frames über Backhaul, verbraucht Bandbreite und Verarbeitung an der BSC / RNC.
  • Evolution Path – CDMA wurde weitgehend von LTE und 5G überholt; die meisten Betreiber haben CDMA-Netzwerke untergegangen, was zu einer fortgesetzten Wartung der Legacy-Architektur führte.

Schlussfolgerung

Das Verständnis der Architektur- und Infrastrukturkomponenten von CDMA-Netzwerken zeigt, wie mobile Kommunikationssysteme einen zuverlässigen, hochleistungsfähigen Service erreichen. Von der BTS, die mit mobilen Geräten interagiert, bis hin zu den Kernnetzelementen, die Anrufe leiten und Benutzer authentifizieren, spielt jede Komponente eine entscheidende Rolle. Der Schwerpunkt des Funkzugangsnetzwerks auf Soft Handoffs und Stromsteuerung, den Datenbanken und Vermittlungszentren des Kernnetzwerks und den unterstützenden Übertragungs- und Managementsystemen ist alle miteinander verbunden, um eine nahtlose Kommunikation zu ermöglichen. Obwohl die CDMA-Technologie heute als Vermächtnis gilt, haben ihre architektonischen Prinzipien - insbesondere das Spread-Spektrum und koordinierte Übergaben - das Design moderner 4G- und 5G-Netzwerke beeinflusst. Betreiber und Ingenieure, die CDMA-Infrastruktur beherrschen, eine solide Grundlage für das Verständnis zeitgenössischer drahtloser Systeme.

Für weitere Informationen lesen Sie die 3GPP2-Spezifikationen für CDMA2000 (3GPP2 Official Site), einen detaillierten Überblick über CDMA-Prinzipien auf Wikipedia (CDMA auf Wikipedia und praktische Anleitungen zum Design drahtloser Netzwerke von der IEEE Communications Society Diese Ressourcen bieten tiefere technische Details und Fallstudien zu CDMA-Netzwerk-Bereitstellungen.