Codezon Division Multiple Access (CDMA) è una tecnologia digitale cellulare che ha rivoluzionato la comunicazione mobile consentendo a più utenti di condividere lo stesso spettro di frequenza contemporaneamente. A differenza dei precedenti sistemi analogici che hanno assegnato canali di frequenza discreti a ogni chiamata, CDMA utilizza tecniche di spettro-spettro dove ogni chiamata è codificata con una sequenza pseudo-analitica unica. Questo approccio migliora l'efficienza spettrale, aumenta la capacità e migliora la qualità delle chiamate.

Principi fondamentali della tecnologia CDMA

Prima di immergersi nell'architettura di rete, aiuta a comprendere i principi fondamentali che differenziano il CDMA da altri metodi di accesso multiplo. CDMA si basa su Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS), dove ogni segnale dell'utente viene diffuso attraverso una banda di frequenza larga moltiplicandolo con un codice di diffusione ad alta velocità.

Diffusione di codici spettri e ortogonali

I sistemi CDMA impiegano codici di diffusione ortogonali o quasi ortogonali, come i codici Walsh nelle sequenze di collegamento e pseudo-noise (PN) in senso lato, che permettono al ricevitore di separare i segnali da diversi utenti. La capacità di riutilizzare la stessa frequenza in ogni cella è un vantaggio importante, ma richiede una stretta sincronizzazione e una gestione della potenza per evitare interferenze.

Controllo di potenza come meccanismo critico

In CDMA, tutti i dispositivi mobili trasmettono sulla stessa frequenza. Senza controllo di potenza, un mobile vicino alla stazione di base avrebbe travolto segnali da un mobile lontano — il cosiddetto problema "vicino-far". I meccanismi di controllo di alimentazione a ciclo chiuso e a ciclo aperto sono implementati tra il mobile e la stazione di base per regolare continuamente la potenza di trasmissione.

Architettura di base di CDMA Networks

Le reti CDMA sono progettate con un'architettura a strati che separa l'accesso radio dal core switching e dai servizi. La rete di accesso radio (RAN) gestisce il collegamento wireless, mentre la rete di base gestisce le connessioni alle reti esterne e all'intelligenza degli abbonati.

Stazione di base del ricetrasmettitore (BTS)

Le stazioni di base Transceiver, comunemente chiamate siti cellulari, sono la parte più visibile di una rete CDMA. Ospitano i transceiver radio, le antenne e l'elettronica associata che comunicano direttamente con i dispositivi mobili. Ogni BTS copre un'area geografica nota come una cella; la dimensione di una cella dipende dalla banda di frequenza, dal terreno e dalla densità di abbonato.

Il BTS svolge anche compiti essenziali come la misurazione del segnale, la codifica/decodifica di voce e dati e il controllo di potenza iniziale. Nei sistemi CDMA2000 1xRTT e EV-DO, il BTS supporta maggiori velocità di dati utilizzando canali di codice aggiuntivi e sistemi di modulazione come QPSK e 16-QAM. Il BTS si connette al controller di base della stazione (BSC) tramite un collegamento backhaul, spesso T1/E1 linee.

Regolatore di stazione di base (BSC)

Il BSC è il hub intelligente che gestisce più BTS all'interno di una regione geografica. È responsabile della gestione delle risorse radio, tra cui l'assegnazione di canali radio, il controllo delle handoff e il coordinamento di potenza. Una funzione chiave è il handoff morbido (chiamato anche "make-prima-break"), dove un mobile comunica con più BTS simultaneamente durante una transizione cellulare.

Nelle reti CDMA, il BSC contiene l'unità Selector/Distributor (SDU) che gestisce la riassemblaggio e la duplicazione dei pacchetti, e ospita anche le funzioni di Call Control (CC) e Mobility Management (MM) per la parte di accesso alla radio.

Radio Network Controller (RNC) in sistemi CDMA 3G

Con l'evoluzione a 3G sotto il framework IMT-2000, le reti CDMA (in particolare i sistemi basati su CDMA2000 e WCDMA) hanno introdotto il Controller di Radio Network. Il RNC si trova sopra il BSC nella gerarchia (o lo sostituisce in alcune architetture) e fornisce il controllo centralizzato dell'intera rete di accesso radio.

In una rete CDMA2000, il RNC viene talvolta indicato come funzione di controllo Packet (PCF) quando si tratta di traffico dati, interfacciandosi con il Packet Data Serving Node (PDSN) nella rete centrale. La capacità di RNC di coordinare i soft handoff attraverso i siti cellulari è un segno distintivo della mobilità senza soluzione di continuità di CDMA.

Altri elementi di rete di accesso radio

Oltre al BTS, BSC e RNC, il RAN include diversi componenti di supporto:

  • Node B[] – Equivalente a BTS nelle reti WCDMA/HSPA, sebbene spesso usato in modo intercambiabile con BTS in contesti CDMA.
  • Site Router (SR)[] – Aggrega il traffico da più BTS e interfacce con BSC o RNC.
  • GPS Ricevitore di sincronizzazione[] – Fornisce la sincronizzazione precisa essenziale per l'operazione CDMA, in genere situato in ogni BTS.
  • Mast and Tower Equipment[[] – Antenna, alimentatori e teste radio remote (RRHs) che distribuiscono segnali RF.

Componenti di rete core

La rete centrale collega la rete di accesso radio a reti esterne come la rete telefonica (PSTN), internet e altre reti mobili, mantenga anche profili, autenticazione e fatturazione degli abbonati.

Centro di commutazione mobile (MSC)

Il MSC è il nodo centrale di commutazione che tratta chiamate vocali e gestisce i servizi interruttori. Si occupa di configurazione delle chiamate, di rimozione e di routing, così come funzioni di gestione della mobilità come aggiornamenti e dismissioni di posizione tra MSC. Il MSC si interfaccia anche con PSTN attraverso linee di tronco. In più recenti reti CDMA (ad esempio, CDMA2000), il MSC può supportare sia la voce che i dati incorporando la rete di Point intelligente.

Home Location Register (HLR)

HLR è un database permanente che memorizza le informazioni dell'abbonatore: International Mobile Subscriber Identity (IMSI), gli abbonamenti di servizio, le chiavi di autenticazione e la posizione corrente (tramite l'indirizzo VLR). Quando un cellulare si registra con la rete, l'HLR viene aggiornato e utilizzato per indirizzare le chiamate in arrivo. L'HLR è un pezzo critico del core, spesso progettato con elevate funzionalità di ridondanza e rapida ricerca.

Registrazione della posizione dei visitatori (VLR)

Il VLR è un database temporaneo che contiene dati relativi all'abbonato roaming mentre si trovano nell'area di copertura di un particolare MSC. Contiene un sottoinsieme di informazioni HLR necessarie per il routing delle chiamate e l'autorizzazione al servizio. Il VLR riduce il carico di segnalazione tramite il caching dei dati abbonati localmente. Quando un mobile si sposta in una nuova area, il vecchio VLR viene aggiornato e il nuovo VLR recupera il profilo dalla HLR.

Centro di autenticazione (AUC)

L'AUC genera e memorizza i vettori di autenticazione utilizzati per verificare l'identità di un abbonato. Funziona con l'HLR per fornire coppie di risposta alla sfida (RAND, SRES e Kc nei sistemi più vecchi; evoluto all'autenticazione 3G). L'AUC possiede anche chiavi di crittografia per garantire comunicazioni ultra-all'aria.

Identità delle attrezzature Registrazione (EIR)

L'EIR contiene elenchi di identificativi validi, rubati o malfunzionanti per dispositivi mobili (IMEI o numero di serie elettronico), sebbene non utilizzati in tutte le implementazioni CDMA, l'EIR consente agli operatori di bloccare specifici telefoni da accedere alla rete.

Elementi di base del pacchetto (per i servizi dati)

Le reti CDMA si sono evolute per supportare i dati ad alta velocità con l'introduzione di CDMA2000 1xRTT e EV-DO.

  • Packet Data Serving Node (PDSN)[] – agisce come gateway tra la rete radio e le reti IP.
  • Home Agent (HA) e Foreign Agent (FA)[] – Per il supporto IP mobile, l’HA ancora un IP di rete domestica del mobile mentre la FA (spesso nel PDSN) aiuta a instradare i pacchetti per i dispositivi di roaming.
  • AAA Server[] – Maneggia l'autenticazione dell'abbonato per le sessioni di dati e genera record di fatturazione.

Componenti per infrastrutture di supporto CDMA

Oltre agli elementi di rete fondamentali, un robusto implementazione CDMA si basa sull'infrastruttura sottostante per la trasmissione, la gestione e la fatturazione.

Reti di trasmissione (Backhaul)

Backhaul collega BTSs al BSC e successivamente alla rete centrale. Le reti CDMA tradizionali hanno utilizzato linee di leasing T1/E1 o collegamenti a microonde. Le implementazioni moderne favoriscono le connessioni a fibra ottica a causa di una maggiore larghezza di banda e di una minore latenza. Backhaul deve supportare sia la voce interruttrice (tasso di aggiornamento costante) che i dati di pacchetti (bursty), così gli operatori spesso impiegano soluzioni di driver di fibra o ibrido TDMIP

Sistema di gestione della rete (NMS)

Raccoglie allarmi, contatori di prestazioni e registri da BTS, BSC, MSC e nodi di base. Le piattaforme NMS avanzate supportano gli aggiornamenti software remoti, la correlazione dei guasti e l'analisi predittiva. Le reti CDMA utilizzano spesso il modello di Gestione delle Telecomunicazioni (TMN) con i gestori di elementi, i gestori di rete e i gestori di servizi di affidamento.

Sistemi di ricarica e fatturazione

Le reti CDMA supportano una varietà di modelli di ricarica: dati prepagati, postpagati, a tasso piatto e voce per minuto. L'infrastruttura di ricarica include il OCS (Online Charging System)] per il controllo del credito in tempo reale nei servizi prepagati e il CF (Charging Function)] nel core dei pacchetti per i record di fatturazione in linea.

Caratteristiche e Evoluzioni avanzate di CDMA Architettura

Le reti CDMA si sono evolute in modo significativo sin dall'inizio, comprendendo questi progressi aiuta a mettere in contesto l'architettura di base.

CDMA2000 1xRTT e 1xEV-DO

CDMA2000 1xRTT (Radio Transmission Technology) ha raddoppiato la capacità vocale sull'IS-95 e ha introdotto i tassi di dati fino a 153 kbps. L'architettura ha richiesto solo aggiornamenti minori al software BTS e BSC, oltre all'aggiunta del PDSN per i dati dei pacchetti.

Handoff morbido e softer Handoff

La soft handoff di CDMA è un risultato diretto della sua architettura. In soft handoff, un mobile mantiene simultaneamente connessioni con più BTS; il BSC/RNC seleziona il segnale migliore su una base frame-by-frame. Softer handoff] si verifica quando il mobile è tra settori dello stesso BTS. Queste caratteristiche richiedono che il BSC/Rvia possa combinare o selezionare le sorgenti di back

Gestione della mobilità – Aree di localizzazione e Paging

La gestione della mobilità in CDMA comporta gli aggiornamenti di Area Locale (LA) e Area Routing (RA) e MSC traccia la posizione dei dispositivi mobili inattivo a livello di area di localizzazione (gruppo di celle). Quando arriva una chiamata, il MSC pagine il cellulare su tutte le celle della LA. Il VLRTRA memorizza l'ultima posizione conosciuta. Per le sessioni di dati, il PDSN traccia il cellulare con un aggiornamento di Area Routing gestito dal RNC o PCF.

Vantaggi e limitazioni di CDMA Network Architecture

Nessuna tecnologia è perfetta, le decisioni architettoniche dietro CDMA portano entrambi vantaggi e compromessi.

Vantaggi

  • Efficienza Spectral elevata[[] – CDMA riutilizza la frequenza in ogni cella, fornendo una capacità superiore rispetto ai sistemi FDMA/TDMA sotto carico uniforme.
  • Soft Capacity[] – Il numero di utenti concorrenti può superare i limiti teorici con degradazione aggraziata, a differenza del TDMA a lungo termine.
  • Mani soffici[] – Le transizioni senza cuciture riducono le chiamate e migliorano la qualità della voce ai bordi delle celle.
  • Sicurezza eterna[] – La modulazione e l'autenticazione Spread-spectrum forniscono una forte privacy e una resistenza alle frodi.
  • Multirate Support[[] – I guadagni di diffusione variabili consentono tassi di dati adattativi, vantaggiosi per il traffico misto di voci/dati.

Limitazioni

  • Complex Power Control[[] – Il controllo della tensione è essenziale; i giri possono causare interferenze significative e perdita di capacità.
  • Sincronizzazione dei siti[[] – Ogni BTS richiede tempismo GPS, aumentando i costi e la vulnerabilità al jamming GPS.
  • Interference Limited[] – La capacità è in definitiva limitata da interferenze, che aumenta con l'asimmetria del traffico dati.
  • Backhaul Richieste[[] – I soft handoff duplicano i frame sul backhaul, consumando la larghezza di banda e l'elaborazione al BSC/RNC.
  • Evolution Path[[] – CDMA è stato in gran parte superato da LTE e 5G; la maggior parte degli operatori hanno tramontato le reti CDMA, portando a manutenzione continua dell'architettura legacy.

Conclusioni

La comprensione dell’architettura e dei componenti infrastrutturali delle reti CDMA rivela come i sistemi di comunicazione mobile raggiungano un servizio affidabile e ad alta capacità. Dal BTS che interagisce con i dispositivi mobili agli elementi di rete fondamentali che indirizzano le chiamate e autenticano gli utenti, ogni componente svolge un ruolo vitale.

Per ulteriori informazioni, consultare le specifiche 3GPP2 per CDMA2000 ([[3GPP2 Official Site]]), una panoramica dettagliata dei principi CDMA su Wikipedia (]]CDMA su Wikipedia]]), e pratiche guide di progettazione della rete wireless da parte della IEEE Communications Society.