División de Códigos Multiple Access (CDMA) es una tecnología celular digital que revolucionó la comunicación móvil permitiendo a múltiples usuarios compartir el mismo espectro de frecuencia simultáneamente. A diferencia de los sistemas análogos anteriores que asignaron canales de frecuencia discretas a cada llamada, CDMA utiliza técnicas de espectro de propagación donde cada llamada está codificada con una secuencia de pseudordom única. Este enfoque mejora la eficiencia espectral, aumenta la capacidad y mejora la calidad de llamadas.

Principios fundamentales de la tecnología CDMA

Antes de sumergirse en la arquitectura de red, ayuda a comprender los principios básicos que diferencian CDMA de otros métodos de acceso múltiple. CDMA se basa en Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS), donde la señal de cada usuario se difunde a través de una banda de frecuencia amplia multiplicando con un código de difusión de alta velocidad. En el receptor, el mismo código se utiliza para despread la señal deseada al rechazar a otros como el control de la capacidad de la red.

Spread Spectrum y Códigos Ortogonales

Los sistemas de CDMA emplean códigos de difusión ortogonales o casi ortogonales, como códigos Walsh en el enlace de adelante y secuencias pseudo-noise (PN) en el enlace inverso. Estos códigos permiten al receptor separar las señales de diferentes usuarios. La capacidad de reutilizar la misma frecuencia en cada célula es una ventaja importante, pero requiere una sincronización estrecha y una gestión de potencia para evitar interferencias.

El control de potencia como mecanismo crítico

En CDMA, todos los dispositivos móviles transmiten en la misma frecuencia. Sin control de energía, un móvil cercano a la estación base abrumaría las señales de un móvil lejano, el llamado problema "cerca". Los mecanismos de control de potencia de circuito cerrado y abierto se implementan entre el móvil y la estación base para ajustar continuamente la energía de transmisión. Esta funcionalidad está integrada en la base y la lógica del controlador, lo que lo convierte en un aspecto fundamental de la infraestructura.

Arquitectura básica de las redes de CDMA

Las redes de CDMA están diseñadas con una arquitectura estratificada que separa el acceso a la radio de conmutación y servicios básicos. La red de acceso a la radio (RAN) maneja el enlace inalámbrico, mientras que la red central gestiona las conexiones a redes externas y la inteligencia de suscriptores. Esta modularidad permite a los operadores actualizar los componentes de forma independiente.

Estación de Transceptor de Base (BTS)

Base Transceiver Estaciones, comúnmente llamadas sitios celulares, son la parte más visible de una red CDMA. Alojan las transceptores de radio, antenas y electrónicas asociadas que se comunican directamente con dispositivos móviles. Cada BTS cubre un área geográfica conocida como una célula; el tamaño de una célula depende de banda de frecuencia, terreno y densidad de suscriptores. A BTS típicamente incluye una o más tarjetas de canal que manejan el procesamiento de supleto de transmisión, un enlace hacia adelante

El BTS también realiza tareas esenciales como medición de señales, codificación/decodificación de voz y datos, y control de potencia inicial. En los sistemas CDMA2000 1xRTT y EV-DO, el BTS admite mayores tasas de datos utilizando canales de código y esquemas de modulación adicionales como QPSK y 16-QAM. El BTS se conecta al controlador de estación base (BSC) mediante un enlace de backhaul, líneas T1/E

Controlador de estación de base (BSC)

El BSC es el centro inteligente que gestiona múltiples BTS dentro de una región geográfica. Es responsable de la gestión de recursos radiales, incluyendo la asignación de canales de radio, el control de los handoffs y la coordinación de potencia. Una función clave es el oferta suave] (también llamada "make-before-break"), donde un dispositivo móvil se comunica con múltiples BTS simultáneamente durante una transición celular.

En las redes de CDMA, el BSC contiene la unidad Selector/Distributor (SDU) que gestiona la reasignación y duplicación de paquetes. También alberga las funciones de Control de Llamadas (CC) y Gestión de Movilidad (MM) para la parte de acceso a radio. Los BSC modernos son a menudo virtualizados o integrados en software "controlador" que se ejecuta en servidores comerciales.

Controlador de red de radio (RNC) en sistemas de CDMA 3G

Con la evolución a 3G bajo el marco IMT-2000, las redes CDMA (específicamente los sistemas basados en CDMA2000 y WCDMA) presentaron al Controlador de Redes de Radio. El RNC se encuentra por encima del BSC en la jerarquía (o lo reemplaza en algunas arquitecturas) y proporciona control centralizado de toda la red de acceso a radio. El RNC gestiona la movilidad a través de los límites BSC, asigna recursos de red y maneja la configuración de conexiones y implementación de recursos de interes.

En una red CDMA2000, el RNC se denomina a veces la función de control de paquetes (PCF) cuando se trata de tráfico de datos, interfacing con el Nodo de servicio de datos de paquete (PDSN) en la red central. La capacidad del RNC para coordinar los envíos de mano blandos a través de los sitios de celdas es un sello distintivo de la movilidad sin costuras de CDMA.

Otros elementos de la red de acceso a la radio

Más allá de los BTS, BSC y RNC, el RAN incluye varios componentes de apoyo:

  • Nodo B] – Equivalente a BTS en redes WCDMA/HSPA, aunque a menudo se utiliza intercambiablemente con BTS en contextos de CDMA.
  • Site Router (SR) – Agrega el tráfico de múltiples BTS e interfaces con el BSC o RNC.
  • Receptor de la hora de la GPS] – Proporciona la sincronización precisa esencial para la operación de CDMA, típicamente ubicada en cada BTS.
  • Equipos de la calle y la torre – Antenas, alimentadores y radios remotas (RRH) que distribuyen señales RF.

Componentes básicos de la red

La red central conecta la red de acceso a la radio a redes externas como la red telefónica conmutada pública (PSTN), Internet y otras redes móviles. También mantiene perfiles de suscriptores, autenticación y facturación. A continuación se presentan los elementos principales de la red central CDMA.

Centro de conmutación móvil (MSC)

El MSC es el nodo central de conmutación que recorre las llamadas de voz y gestiona los servicios de circuitos. Maneja la configuración de llamadas, desgarramiento y desgarramiento, así como funciones de gestión de movilidad como actualizaciones de ubicación y despachamientos entre MSCs. El MSC también se interfiere con el PSTN a través de líneas de tronco. En nuevas redes CDMA (por ejemplo, CDMA2000), el MSC puede apoyar las capacidades de red de servicios de conexión inteligentes.

Registro de ubicación (HLR)

El HLR es una base de datos permanente que almacena información de suscriptores: Identidad Internacional de Suscriptor Móvil (IMSI), suscripciones de servicio, claves de autenticación y ubicación actual (a través de la dirección VLR). Cuando un móvil se registra con la red, el HLR se actualiza y utiliza para la ruta de llamadas entrantes. El HLR es una pieza crítica del núcleo, a menudo diseñada con alta redundancia y capacidades de búsqueda rápida.

Registro de ubicación de visitantes (VLR)

El VLR es una base de datos temporal que contiene datos de suscriptores de itinerancia mientras que están dentro del área de cobertura de un MSC en particular. Contiene un subconjunto de información HLR necesaria para la routa de llamadas y autorización de servicio. El VLR reduce la carga de señalización por caché de datos de suscriptores localmente. Cuando un móvil se mueve a un nuevo área, el VLR antiguo se actualiza y el nuevo VLR recupera el perfil del perfil.

Centro de autenticación (AUC)

La AUC genera y almacena vectores de autenticación utilizados para verificar la identidad de un suscriptor. Funciona con el HLR para proporcionar pares de respuesta de desafío (RAND, SRES y Kc en sistemas antiguos; evolucionado a autenticación 3G). La AUC también tiene claves de cifrado para asegurar comunicaciones de alta tecnología. Sin la AUC, una red CDMA sería vulnerable a la clonación y el fraude.

Registro de identidad de equipo (EIR)

El EIR contiene listas de identificadores de equipos móviles válidos, robados o desactivados (número de serie electrónico o IMEI). Aunque no se utiliza en todas las implementaciones de CDMA, el EIR permite a los operadores bloquear los teléfonos específicos de acceder a la red. Este componente añade una capa de seguridad más allá de la autenticación de suscriptores.

Elementos básicos del paquete (para servicios de datos)

Las redes de CDMA evolucionaron para apoyar datos de alta velocidad con la introducción de CDMA2000 1xRTT y EV-DO. El núcleo del paquete incluye:

  • Nodo de servicio de datos de bolsillo (PDSN) – Actúa como puerta de entrada entre la red de radio y las redes IP. Gestiona las sesiones de PPP, asigna direcciones IP y maneja la autenticación, autorización y contabilidad (AAA) a través de servidores RADIUS.
  • Home Agent (HA) and Foreign Agent (FA)] – Para soporte IP móvil, la HA ancla la red de IP de un móvil mientras que la FA (a menudo en la PDSN) ayuda a enrutar paquetes a dispositivos de vagabundeo.
  • AAA Server – Maneja la autenticación de suscriptores para sesiones de datos y genera registros de facturación.

Componentes de infraestructura Apoyo CDMA

Más allá de los elementos básicos de la red, un robusto despliegue de MDL se basa en la infraestructura subyacente para la transmisión, la gestión y la facturación.

Redes de transmisión (Backhaul)

Backhaul conecta BTSs con la BSC y posteriormente con la red central. Las redes tradicionales de CDMA utilizaron líneas arrendadas T1/E1 o enlaces de microondas. Las implementaciones modernas favorecen las conexiones de fibra óptica debido al mayor ancho de banda y menor latencia. Backhaul debe soportar tanto la voz de circuito (tasa de bits constante) como los datos de bolsillo de bolsillo (descarga), por lo que los operadores suelen mejorar la transmisión de fibra de TDM

Sistema de Gestión de Redes (NMS)

Un NMS proporciona una interfaz centralizada para configurar, monitorear y solucionar problemas a todos los elementos de red. Recopila alarmas, contadores de rendimiento y registros de BTSs, BSCs, MSCs y nodos básicos. Las plataformas avanzadas NMS soportan actualizaciones de software remoto, correlación de fallas y analítica predictiva. Las redes de CDMA a menudo utilizan el modelo de la Red de Gestión de Telecomunicaciones (TMN) con administradores de servicios de equipos de equipos.

Sistemas de carga y facturación

Las redes de CDMA soportan una variedad de modelos de carga: prepagados, postpagados, datos de tipo plano y voz por minuto. La infraestructura de carga incluye el OCS (Sistema de carga on line) para el control de crédito en tiempo real en los servicios prepagados y el CF (Función de cambio)

Características avanzadas y Evoluciones de la arquitectura CDMA

Las redes de CDMA han evolucionado significativamente desde su creación. Entender estos avances ayuda a poner la arquitectura básica en contexto.

CDMA2000 1xRTT y 1xEV-DO

CDMA2000 1xRTT (Radio Transmission Technology) duplica la capacidad de voz sobre IS-95 y presenta datos de hasta 153 kbps. La arquitectura requiere sólo actualizaciones menores a BTS y BSC software, además de la adición del PDSN para datos de paquete. El posterior 1xEV-DO (Evolution-Data Optimized) fue diseñado específicamente para datos de alta velocidad, con un transportista dedicado y un componente de RANDOL

Soft Handoff y Softer Handoff

La capacidad de entrega suave de CDMA es un resultado directo de su arquitectura. En el marco suave, un móvil mantiene conexiones con múltiples BTS simultáneamente; el BSC/RNC selecciona la mejor señal en una base de marco por marco. Mando de soporte de soporte de banda más preciso ocurre cuando el móvil está entre sectores de la misma BTS. Estas características requieren el tiempo de conexión de bandas de red de red de red.

Gestión de la movilidad – Áreas de ubicación y Paging

La gestión de movilidad en CDMA incluye actualizaciones de área de ubicación (LA) y área de rotación (RA). El MSC rastrea la ubicación de los móviles de ocio en el nivel de área de ubicación (grupo de células). Cuando llega una llamada, el MSC hace páginas el móvil a través de todas las celdas en el LA. El VLR almacena la última ubicación conocida. Para las sesiones de datos, el PDSN rastrea el móvil con una actualización de área de rotación manejada por la parte RNC o PCF.

Beneficios y Limitaciones de la Arquitectura de Red CDMA

No hay tecnología perfecta. Las decisiones arquitectónicas detrás de CDMA aportan ventajas y beneficios.

Ventajas

  • Alto Eficiencia Espectral – CDMA reutiliza la frecuencia en cada célula, proporcionando mayor capacidad que los sistemas FDMA/TDMA bajo carga uniforme.
  • Capacidad de la subida] – El número de usuarios concurrentes puede superar límites teóricos con degradación agraciada, a diferencia de TDMA de límites difíciles.
  • Soft Handoffs – Las transiciones sin costura reducen las llamadas caídas y mejoran la calidad de la voz en los bordes celulares.
  • Seguridad hereditaria] – La modulación y autenticación del espectro de espionaje proporcionan una fuerte privacidad y resistencia al fraude.
  • ] Apoyo multifacético] – Las ganancias de propagación variable permiten tasas de datos adaptables, beneficiosas para el tráfico mixto de voz/datos.

Limitaciones

  • Control de potencia complejo] – El control de potencia de la tensión es esencial; las fallas pueden causar interferencias significativas y pérdida de capacidad.
  • Sincronización estricta] – Cada BTS requiere tiempo de GPS, elevando coste y vulnerabilidad a la interferencia de GPS.
  • Interference Limited] – La capacidad está en última instancia ligada por la interferencia, que aumenta con la asimetría del tráfico de datos.
  • Requiere de la base – Los marcos duplicados de las transmisiones blandos se revierten, consumen ancho de banda y procesamiento en la BSC/RNC.
  • Sendero de evolución] – CDMA ha sido superado en gran medida por LTE y 5G; la mayoría de los operadores han puesto en marcha redes de MDL, lo que ha llevado a un mantenimiento continuo de la arquitectura heredada.

Conclusión

Comprender los componentes de arquitectura e infraestructura de las redes CDMA revela cómo los sistemas de comunicación móviles logran un servicio confiable y de alta capacidad. Desde el BTS que interactúa con dispositivos móviles hasta los elementos centrales de red que llaman y autentican a los usuarios, cada componente desempeña un papel vital.El énfasis de la red de acceso radio en los dispositivos blandos y el control de potencia, las bases de datos y los centros de conmutación de la red central, y los sistemas de transmisión y gestión de soportes que todos interconectan para ofrecer una tecnología de comunicación sin cables

Para más lectura, consulte las especificaciones 3GPP2 para CDMA2000 (]3GPP2 Sitio Oficial), una descripción detallada de los principios de CDMA en Wikipedia (]CDMA en Wikipedia), y guías prácticas de diseño de redes inalámbricas de la ] Sociedad de Comunicaciones de EIEE].