Code Division Multiple Access (CDMA) is een digitale cellulaire technologie die mobiele communicatie revolutioneerde door meerdere gebruikers in staat te stellen hetzelfde frequentiespectrum gelijktijdig te delen. In tegenstelling tot eerdere analoge systemen die discrete frequentiekanalen toegewezen aan elke oproep, maakt CDMA gebruik van spread-spectrum technieken waar elke oproep is gecodeerd met een unieke pseudorandom reeks. Deze aanpak verbetert spectrale efficiëntie, verhoogt de capaciteit, en verbetert de callkwaliteit. CDMA is op grote schaal ingezet door vervoerders zoals Verizon Wireless, Sprint (nu onderdeel van T-Mobile), en vele operatoren in Azië en Latijns-Amerika. Het begrijpen van de architectuur en infrastructuur componenten is essentieel voor netwerk ingenieurs, telecom enthousiastelingen, en iedereen die betrokken is bij het ontwerp of het onderhoud van mobiele netwerken.

Fundamentele beginselen van de CDMA-technologie

Voordat u in de netwerkarchitectuur gaat duiken, helpt het om de kernprincipes te begrijpen die CDMA onderscheiden van andere multi-access methoden. CDMA vertrouwt op Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS), waar het signaal van elke gebruiker verspreid is over een brede frequentieband door het te vermenigvuldigen met een hoog tarief verspreidingscode. Bij de ontvanger wordt dezelfde code gebruikt om het gewenste signaal te verspreiden terwijl het andere wordt afgewezen als ruis. Sleutelattributen zijn zachte capaciteit, zachte handoffs, en stroomcontrole ..allen die invloed hebben op hoe netwerkelementen zijn gestructureerd.

Spectrum en Orthogonale codes verspreiden

CDMA-systemen gebruiken orthogonale of bijna-orthogonale verspreidingscodes, zoals Walsh-codes in de voorwaartse link en pseudo-ruis (PN) -sequenties in de omgekeerde link. Deze codes laten de ontvanger toe signalen te scheiden van verschillende gebruikers. De mogelijkheid om dezelfde frequentie te hergebruiken in elke cel is een groot voordeel, maar het vereist een strakke synchronisatie en stroombeheer om interferentie te voorkomen. Dit principe drijft de noodzaak van nauwkeurige coördinatie tussen basisstations en controllers.

Energiebeheersing als een kritisch mechanisme

In CDMA zenden alle mobiele apparaten op dezelfde frequentie uit. Zonder stroomvoorziening zou een mobiele verbinding dicht bij het basisstation signalen overweldigen van een verre mobiele verbinding.Het zogenaamde "bijna-ver" probleem. De Closed-loop en open-loop energieregelingsmechanismen worden geïmplementeerd tussen de mobiele en de basisstation om continu het zendvermogen aan te passen. Deze functionaliteit is ingebed in het basisstation en de controller logica, waardoor het een fundamenteel aspect van de infrastructuur is.

Basisarchitectuur van CDMA-netwerken

CDMA-netwerken zijn ontworpen met een gelaagde architectuur die radiotoegang scheidt van core switching en services. Het radiotoegangsnetwerk (RAN) beheert de draadloze verbinding, terwijl het kernnetwerk verbindingen met externe netwerken en abonnee-intelligentie beheert. Deze modulariteit maakt het mogelijk om componenten onafhankelijk te upgraden. De volgende secties breken elke laag af.

Basisstation voor zenderontvangers (BTS)

Basis Transceiver Stations, meestal cel sites genoemd, zijn het meest zichtbare deel van een CDMA-netwerk. Ze huisvesten de radio transceivers, antennes, en bijbehorende elektronica die rechtstreeks communiceren met mobiele apparaten. Elke BTS omvat een geografisch gebied bekend als een cel; de grootte van een cel is afhankelijk van frequentieband, terrein, en abonneedichtheid. Een BTS omvat meestal een of meer Kanaalkaarten die omgaan met de spread-spectrum verwerking, een combinatie om te somen naar voren link signalen, en een duplexer om te scheiden verzenden en te ontvangen paden.

De BTS voert ook essentiële taken uit zoals signaalmeting, codering/decodering van spraak en data en initiële stroomregeling. In CDMA2000 1xRTT en EV-DO systemen ondersteunt de BTS hogere datasnelheden door gebruik te maken van extra codekanalen en modulatieschema's zoals QPSK en 16-QAM. De BTS verbindt met de basisstationcontroller (BSC) via een back-haul link.

Basisstationcontroller (BSC)

De BSC is de intelligente hub die meerdere BTS'en beheert binnen een geografische regio. Het is verantwoordelijk voor radio-resource management, inclusief de toewijzing van radiokanalen, controle van handoffs en stroomcoördinatie. Een sleutelfunctie is de soft handoff (ook wel "make-fore-break" genoemd), waar een mobiele telefoon tijdens een celovergang tegelijkertijd communiceert met meerdere BTS'en. De BSC combineert de signalen van deze BTS'en om de gesprekskwaliteit te verbeteren. De BSC behandelt ook frequentiehoppen (indien ingezet), het laden balanceren en interacing met het kernnetwerk.

In CDMA-netwerken bevat de BSC de Selector/Distributeur (SDU) -eenheid die pakkethermontage en duplicatie beheert. Het bevat ook de Call Control (CC) en Mobility Management (MM) -functies voor het radiotoegangsdeel. Moderne BSC's worden vaak gevirtualiseerd of geïntegreerd in "controller" -software die op commerciële servers draait.

Radio Netwerk Controller (RNC) in 3G CDMA Systems

Met de evolutie naar 3G in het kader van IMT-2000 introduceerden CDMA-netwerken (specifiek CDMA2000 en WCDMA-gebaseerde systemen) de Radio Network Controller. De RNC zit boven de BSC in de hiërarchie (of vervangt het in sommige architecturen) en biedt gecentraliseerde controle van het gehele radiotoegangsnetwerk. De RNC beheert mobiliteit over BSC grenzen, wijst netwerkbronnen toe, en behandelt de verbinding setup en de afbraak. Het implementeert ook het Radio Resource Control (RRC) protocol en beheert pakketplanning voor datasessies.

In een CDMA2000 netwerk wordt de RNC soms aangeduid als de Packet Control Function (PCF) bij het omgaan met dataverkeer, waarbij de Packet Data Serving Node (PDSN) in het kernnetwerk wordt gebruikt. De RNC

Andere elementen van het radiotoegangsnetwerk

Naast de BTS, BSC en RNC bevat het RAN verschillende ondersteunende componenten:

  • Node B
  • Site Router (SR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
  • GPS Timing Receiver
  • Mast and Tower Equipment . . Antenna's, feeders en radiokoppen op afstand (RRH's) die RF-signalen verspreiden.

Kernnetwerkcomponenten

Het kernnetwerk verbindt het netwerk voor toegang tot de radio met externe netwerken zoals het openbare geschakelde telefoonnetwerk (PSTN), het internet en andere mobiele netwerken. Het onderhoudt ook abonneeprofielen, authenticatie en facturering. Hieronder staan de primaire elementen van het kernnetwerk van het CDMA.

Mobiel schakelcentrum (MSC)

De MSC is het centrale schakelknooppunt dat spraakgesprekken routeert en schakelingsservices beheert. Het behandelt oproepopstelling, afbreek en routing, evenals mobiliteitsbeheerfuncties zoals locatie-updates en handoffs tussen MSC's. De MSC verbindt ook met de PSTN via trunklijnen. In nieuwere CDMA-netwerken (bijvoorbeeld CDMA2000) kan de MSC spraak- en data ondersteunen door de Services and Switching Point (SSP) mogelijkheden voor intelligente netwerkdiensten in te bouwen.

Home Locatie Register (HLR)

De HLR is een permanente database die abonneegegevens opslaat: International Mobile Subscriber Identity (IMSI), service abonnementen, authentificatiesleutels en huidige locatie (via het VLR-adres). Wanneer een mobiele registraties met het netwerk, wordt de HLR bijgewerkt en gebruikt om binnenkomende oproepen te routeren. De HLR is een cruciaal onderdeel van de kern, vaak ontworpen met hoge redundantie en snelle opzoekmogelijkheden. Het werkt nauw samen met het Authentication Center (AUC).

Bezoekersplaatsregister (VLR)

De VLR is een tijdelijke database die roaming-abonneegegevens bevat terwijl ze binnen het dekkingsgebied van een bepaalde MSC zijn. Het bevat een deelverzameling van HLR-informatie die nodig is voor de oproeproutering en service-autorisatie. De VLR vermindert de signaalbelasting door de abonneegegevens lokaal te cachen. Wanneer een mobiele telefoon naar een nieuw gebied verhuist, wordt de oude VLR bijgewerkt en de nieuwe VLR haalt het profiel van de HLR op.

Authenticatiecentrum (AUC)

De AUC genereert en slaat authenticatievectoren op die gebruikt worden om een identiteit te verifiëren die in het bezit is van een HLR om challenge-responsparen te bieden (RAND, SRES en Kc in oudere systemen; geëvolueerd naar 3G authenticatie). De AUC bevat ook encryptiesleutels voor het beveiligen van over-the-air communicatie. Zonder de AUC zou een CDMA-netwerk kwetsbaar zijn voor klonen en fraude. In CDMA2000 is de AUC vaak geïntegreerd met de HLR.

Identiteitsregister van apparatuur (EIR)

De EIR bevat lijsten van geldige, gestolen of defecte identificatienummers voor mobiele apparatuur (IMEI of elektronisch serienummer). Hoewel niet gebruikt bij alle CDMA-implementaties, kunnen de EIR-operators specifieke handsets blokkeren van toegang tot het netwerk. Deze component voegt een beveiligingslaag toe die verder gaat dan de aanmeldingscontrole van de abonnee.

Kernelementen van pakketten (voor datadiensten)

CDMA-netwerken ontwikkelden zich om hoge snelheidsgegevens te ondersteunen met de introductie van CDMA2000 1xRTT en EV-DO. De pakketkern omvat:

  • Packetgegevens die Node (PDSN) .Packetgegevens die gebruikt worden als een gateway tussen het radionetwerk en IP-netwerken. Het beheert PPP-sessies, wijst IP-adressen toe, en behandelt authenticatie, autorisatie en boekhouding (AAA) via RADIUS-servers.
  • Home Agent (HA) and Foreign Agent (FA)
  • AAA Server . . . Behandelt abonnee-authenticatie voor datasessies en genereert factureringsrecords.

Infrastructuurcomponenten die CDMA ondersteunen

Naast de kernnetwerkelementen is een robuuste cdma-implementatie gebaseerd op onderliggende infrastructuur voor transmissie, beheer en facturering.

Transmissienetwerken (backhaul)

Backhaul verbindt BTS met de BSC en vervolgens met het kernnetwerk. Traditionele CDMA netwerken gebruikt T1/E1 huurlijnen of magnetronverbindingen. Moderne implementaties zijn gunstig voor glasvezelverbindingen vanwege hogere bandbreedte en lagere latentie. Backhaul moet zowel stemschakeling (constant bit rate) als pakketgeschakelde data ondersteunen (bursty), zodat operators vaak Ethernet gebruiken over glasvezel of hybride TDM/IP-oplossingen. Het transmissienetwerk is een belangrijke kosten- en prestatieknelpunt; veel infrastructuur-upgrades richten zich op het verbeteren van backhaulcapaciteit.

Netwerkbeheersysteem (NMS)

An NMS biedt een centrale interface voor het configureren, monitoren en oplossen van alle netwerkelementen. Het verzamelt alarmen, prestatietellers en logs van BTS'en, BSC's, MSC's en kernknooppunten. Geavanceerde MNS-platforms ondersteunen software-upgrades op afstand, foutcorrelatie en voorspellende analytics. CDMA-netwerken gebruiken vaak het Telecommunicatie Management Network (TMN) model met elementmanagers, netwerkbeheerders en servicemanagers. Exploitanten vertrouwen op MNS om de kwaliteit van de service te behouden en de gemiddelde tijd te verminderen om te repareren (MTTR).

Opladen en factureren

CDMA-netwerken ondersteunen een verscheidenheid aan oplaadmodellen: prepaid, postpaid, forfaitaire gegevens en per minuut spraak. De oplaadinfrastructuur omvat de OCS (Online Charging System)[] voor real-time kredietcontrole in prepaid services en de CF (Charging Function) in de pakketkern voor offline facturering. Het Facturatiesysteem aggregeert de detailsgegevens van de MSC en datasessies van de PDSN, waarbij tarieven worden toegepast en facturen worden gegenereerd. Integratie met de HLR zorgt ervoor dat roamingkosten correct worden berekend.

Geavanceerde functies en evoluties van CDMA-architectuur

CDMA netwerken zijn sinds hun oprichting aanzienlijk geëvolueerd. Het begrijpen van deze vooruitgangen helpt om de basisarchitectuur in context te plaatsen.

CDMA2000 1xRTT en 1xEV-DO

CDMA2000 1xRTT (Radio Transmission Technology) verdubbelde de spraakcapaciteit over IS-95 en introduceerde datasnelheden tot 153 kbps. De architectuur vereiste slechts kleine upgrades naar BTS en BSC software, plus de toevoeging van de PDSN voor pakketgegevens. De daarop volgende 1xEV-DO (Evolution-Data Optimized) was speciaal ontworpen voor snelle data, met een speciale drager en een vereenvoudigd RAN. EV-DO verwijderde de circuit-geschakelde spraakcomponent op die drager, waardoor de BTS zich efficiënt kon concentreren op het plannen van data barsten. De netwerkarchitectuur voor EV-DOF introduceerde de Access Network (AN)[] bestaande uit een BTS en een Access Network Controller (ANC), die de BSC/PCF verving.

Zachte overhandiging en zachtere overhandiging

CDMA • de soft handoff mogelijkheid is een direct resultaat van de architectuur. In soft handoff, een mobiele onderhoudt verbindingen met meerdere BTS'en tegelijkertijd; de BSC /RNC selecteert het beste signaal op een frame-by-frame basis. [Zoveel mogelijk handoff[] treedt op wanneer de mobiele telefoon tussen sectoren van dezelfde BTS is. Deze functies vereisen dat de BSC /RNC frames te combineren of te selecteren uit meerdere bronnen, toenemende backhaul en verwerking eisen. Het netwerk moet een nauwkeurige timing (via GPS) en voldoende bandbreedte ondersteunen om gedupliceerde frames door te sturen.

Mobiliteitsmanagement • Locatiegebieden en Pagina's

Het mobiliteitsmanagement in het CDMA omvat updates voor locatiegebied (LA) en Routing Area (RA). De MSC volgt de locatie van stationaire mobiele telefoons op het niveau van de locatie (groep cellen). Wanneer een oproep aankomt, pages de MSC de mobiele telefoon over alle cellen in de LA. De VLR slaat de laatst bekende locatie op. Voor datasessies volgt de PDSN de mobiele telefoon met een Routing Area update die wordt afgehandeld door de RNC of PCF. Deze procedures maken deel uit van de kernnetwerksignalen, die gebaseerd zijn op de SS7 (Signaling System No. 7) of SIGTRAN (voor IP) protocollen tussen de MSC, HLR en VLR.

Voordelen en beperkingen van CDMA Netwerkarchitectuur

Geen enkele technologie is perfect. De architectonische beslissingen achter CDMA brengen zowel voordelen als afwegingen.

Voordelen

  • High Spectral Efficiency . . . CDMA gebruikt frequentie over elke cel, waardoor de capaciteit hoger is dan FDMA/TDMA-systemen onder uniforme belasting.
  • Zachtte capaciteit .Het aantal gelijktijdige gebruikers kan theoretische grenzen met sierlijke afbraak overschrijden, in tegenstelling tot hard-limited TDMA.
  • Zachtte Handoffs . . . Naadloze overgangen verminderen gedaalde oproepen en verbeteren de spraakkwaliteit aan celranden.
  • Inherent Security . . . Spread-spectrum modulatie en authenticatie zorgen voor sterke privacy en fraudebestendigheid.
  • Multiratieve ondersteuning .Veranderlijke verspreidingswinst maakt adaptieve datasnelheden mogelijk, gunstig voor gemengd spraak-/dataverkeer.

Beperkingen

  • Complexe Power Control . . Strikte stroomregeling is essentieel; storingen kunnen significante interferentie en capaciteitsverlies veroorzaken.
  • Strikte synchronisatie . . Elke BTS vereist GPS timing, verhogen van de kosten en kwetsbaarheid voor GPS-storingen.
  • Interferentie Limited .De capaciteit wordt uiteindelijk begrensd door interferentie, die toeneemt met asymmetrie van het dataverkeer.
  • Backhaul Demands . . . Zachte handoffs dupliceren frames over backhaul, verbruiken bandbreedte en verwerking bij de BSC/RNC.
  • Evolution Path .. CDMA is grotendeels overgenomen door LTE en 5G; de meeste exploitanten hebben zonsondergang CDMA-netwerken, wat leidt tot het verder onderhouden van de oude architectuur.

Conclusie

Het begrijpen van de architectuur en infrastructuurcomponenten van CDMA-netwerken onthult hoe mobiele communicatiesystemen betrouwbare, hoogwaardige service bereiken. Van de BTS die met mobiele apparaten interageert tot de kernnetwerkelementen die oproepen routeren en gebruikers authenticeren, speelt elke component een vitale rol. Het radiotoegangsnetwerk .De nadruk op soft handoffs en power control, het kernnetwerk .. databases en schakelcentra, en de ondersteunende transmissie- en managementsystemen alle interconnect om naadloze communicatie te leveren . Hoewel CDMA-technologie wordt nu beschouwd als erfenis , zijn architectonische principes ..met name verspreiden spectrum en gecoördineerde handoffs invloed op het ontwerp van moderne 4G en 5G netwerken . Operators en ingenieurs die master cDMA-infrastructuur krijgen een solide basis voor het begrijpen van hedendaagse draadloze systemen .

Voor nadere lezing, raadpleeg de 3GPP2-specificaties voor CDMA2000 (3GPP2 Officiële Site), een gedetailleerd overzicht van de CDMA-beginselen op Wikipedia () CDMA op Wikipedia), en praktische draadloze netwerkontwerpgidsen van de IEEE Communications Society[. Deze bronnen bieden diepere technische details en casestudies over de implementatie van CDMA-netwerken.