Интеграция Cdma с Lte и 5g Nr для повышения производительности сети

Быстрая эволюция мобильных сетей за последние два десятилетия коренным образом изменила то, как миллиарды людей подключаются, общаются и потребляют данные. С первых дней аналоговых голосовых вызовов до сегодняшнего погружения в опыт с низкой задержкой каждое поколение технологий принесло скачок в производительности. В основе этой трансформации лежит стратегическая интеграция унаследованных технологий с передовыми стандартами. Одним из наиболее убедительных и технически нюансированных примеров является интеграция технологии множественного доступа с кодовым разделением (CDMA) с долгосрочной эволюцией (LTE) и новым радио 5G (NR). Эта интеграция - это не просто упражнение обратной совместимости; это преднамеренная архитектурная стратегия для повышения производительности сети, покрытия, пропускной способности и операционной эффективности, обеспечивая бесшовную эволюцию от 3G до 5G и за ее пределами. Объединив уникальные сильные стороны CDMA - такие как надежный голосовой сервис и широкий охват - с высокоскоростными возможностями передачи данных LTE и сверхнадежными, низкозадержными функциями 5G NR, операторы могут обеспечить превосходный пользовательский опыт в различных экосистемах устройств и вариантах использования.

Понимание технологий: CDMA, LTE и 5G NR

CDMA: основа 3G-голоса и данных

Code Division Multiple Access — это схема множественного доступа, в которой несколько пользователей одновременно используют один и тот же частотный спектр, присваивая каждому пользователю уникальный распространяющийся код. Разработанный первоначально для военных приложений и позже принятый для гражданских сотовых сетей, CDMA стал доминирующей технологией для систем 3G, таких как CDMA2000 (IS-95/IS-2000) и WCDMA (UMTS). Его ключевые преимущества включают присущую устойчивость к помехам, мягкую передачу данных и эффективное использование спектра для голосового трафика. Сети CDMA обеспечивали надежное качество голоса и относительно скромные скорости передачи данных (до нескольких мегабит в секунду с пересмотрами EV-DO). Даже сегодня многие операторы в таких регионах, как Северная Америка и части Азии, все еще имеют значительные базы подписчиков CDMA, особенно для связи между машинами (M2M) и устаревшие корпоративные услуги.

LTE: прорыв в широкополосной связи

Долгосрочная эволюция, продаваемая как 4G LTE, представляет собой фундаментальный сдвиг от подхода CDMA к многократному доступу к кодовому разделению (OFDMA) для нисходящей линии связи и одноносной FDMA (SC-FDMA) для восходящей линии связи. LTE ввела масштабируемые полосы пропускания от 1,4 МГц до 20 МГц, обеспечивая пиковые скорости передачи данных, превышающие 300 Мбит / с в ранних выпусках и более 1 Гбит / с такими функциями LTE-Advanced, как агрегация несущих, MIMO и модуляция более высокого порядка. Плоская архитектура LTE полностью IP резко сократила задержку (до 10-20 мс) и улучшила спектральную эффективность. Она стала глобальным стандартом для мобильного широкополосного доступа, поддерживая все от потокового видео до игр в реальном времени. Тем не менее, LTE был разработан в первую очередь для данных с коммутацией пакетов; голосовые службы полагаются на VoLTE (Голос над LTE) или резервный вариант к унаследованной 2G/3G CSFB

5G NR: новое поколение

5G New Radio - последний глобальный стандарт, определенный 3GPP (выпуск 15 и далее). Он работает в двух частотных диапазонах: FR1 (суб-6 ГГц) и FR2 (миллиметровая волна, 24-52 ГГц). 5G NR основывается на OFDMA, но добавляет гибкость с масштабируемой нумерологией, гибкими структурами слотов и передовым формированием луча. Ключевые цели производительности включают пиковые скорости передачи данных 10-20 Гбит/с, задержку до 1 мс по воздушному интерфейсу, массивную связь машинного типа (mMTC), поддерживающую до 1 миллиона устройств на квадратный километр, и сверхнадежную связь с низкой задержкой (URLLC) для критически важных приложений. 5G NR также вводит сетевое нарезание, позволяя операторам создавать виртуализированные, выделенные сети для различных классов обслуживания.

Стратегическая потребность в интеграции

Сетевые операторы сталкиваются со сложным ландшафтом: они должны продолжать обслуживать существующих абонентов и устройства CDMA при развертывании LTE и 5G NR, чтобы оставаться конкурентоспособными. Простое отключение CDMA резко нарушит критически важные услуги - общественную безопасность, телематику и удаленный мониторинг - и риск оттока клиентов. Интеграция обеспечивает поэтапный путь миграции. Технические драйверы включают:

Преимущества интеграции CDMA-LTE-5G NR

Расширенный охват и расширенный охват

Низкочастотные полосы CDMA (например, 850 МГц) обеспечивают отличные характеристики распространения - лучшее проникновение в здание и больший диапазон, чем более высокие частоты. Интегрируя CDMA с LTE и 5G NR, операторы могут использовать CDMA в качестве наложения для широкого охвата, особенно в сельских и пригородных районах. LTE и 5G NR могут затем быть развернуты на более высоких полосах для точек доступа емкости. Эта гибридная стратегия покрытия гарантирует, что пользователи в окраинных районах поддерживают надежное соединение, в то время как те, в городских центрах, пользуются высокой скоростью передачи данных. Например, двухрежимная базовая станция может обрабатывать голосовые вызовы CDMA и низкобитрейтные данные IoT, одновременно обеспечивая широкополосный доступ LTE или 5G на других носителях.

Улучшение пропускной способности сети и спектральной эффективности

Интеграция позволяет балансировать динамическую нагрузку по нескольким RAT. Во время пикового трафика сеть может разгружать сеансы передачи данных от CDMA до LTE или 5G NR, освобождая ресурсы CDMA для голосовых или низкочастотных приложений. И наоборот, в областях, где сигнал LTE/5G слаб, устройства могут возвращаться к CDMA для базовых услуг. Это многоуровневое управление пропускной способностью оптимизирует использование спектра. Кроме того, расширенные функции, такие как агрегация несущих, могут объединять носители CDMA и LTE в одной полосе (где технически возможно) для увеличения пропускной способности. В то время как CDMA сама по себе менее спектрально эффективна, чем LTE или 5G, ее включение в качестве дополнительного слоя улучшает общую пропускную способность системы за счет разгрузки трафика, который не требует высоких пиковых скоростей.

Бесшовная мобильность и пользовательский опыт

Интегрированные сети поддерживают передачу данных между CDMA, LTE и 5G NR с использованием стандартизированных процедур (например, 3GPP межRAT передача от CDMA2000 до LTE). Это гарантирует, что пользователь потокового видео на устройстве 5G, входящем в здание с только покрытием CDMA, может плавно переключаться на сеанс передачи голоса или данных CDMA без отключения вызова или приложения. Интеграция также облегчает многорежимную работу с одним устройством; смартфон может использовать LTE/5G для передачи данных при сохранении режима ожидания CDMA для передачи голоса или наоборот. Для корпоративных пользователей, использующих службы push-to-talk на основе CDMA, интеграция позволяет мигрировать в широкополосный LTE/5G PTT без потери унаследованного доступа.

Эффективность затрат и максимизация инфраструктуры

Благодаря интеграции, а не замене, операторы могут продлить срок службы существующего оборудования CDMA. Обновления программного обеспечения для базовых станций позволяют работать в двух режимах, а сетевые ядра могут быть объединены с использованием общих платформ IMS (IP Multimedia Subsystem). Это снижает необходимость в отдельных базовых сетях и транспортировке на задний план. Операторы также избегают затрат на развертывание новых сайтов исключительно для поддержания покрытия CDMA; интегрированные сайты обслуживают все технологии. Кроме того, интеграция облегчает гибридную стратегию обратного хода: волокно с низкой задержкой для малых ячеек 5G и существующие микроволновые или медные для макроячеек CDMA/LTE. Со временем, по мере сокращения числа абонентов CDMA, операторы могут мигрировать этих пользователей в LTE/5G и перепрофилировать спектр CDMA, все с минимальным разрушением сети.

Будущее 5G и выше

Интеграция является ступенькой к полностью автономной сети 5G (SA). В процессе перехода развертывания не автономных (NSA) 5G зависят от LTE (а в некоторых случаях и CDMA) для передачи сигналов на плоскости управления. Интегрируя CDMA в эту архитектуру, операторы могут обеспечить обратную совместимость для старых устройств до тех пор, пока они не будут удалены. Кроме того, уроки, извлеченные из управления многократной интеграцией RAT, информируют о разработке будущих сетевых функций, таких как многосоединение, динамический обмен спектром (DSS) и сетевое нарезка. По мере созревания 5G интегрированная сеть может развиваться для поддержки таких вертикалей, как промышленный IoT, автономные транспортные средства и умные города, используя лучшее из каждого RAT для различных типов услуг.

Стратегии реализации и архитектурные подходы

Двухрежимные базовые станции и многоузлы RAT

Ядром интеграции является развертывание базовых станций, которые могут одновременно передавать и принимать сигналы CDMA и LTE/5G. Современные программно-определяемые радиостанции (SDR) делают это возможным: один удалённый радиоблок (RRU) может быть настроен на множество несущих и модуляций. Такие поставщики, как Ericsson, Nokia и Samsung, предлагают многостандартные блоки базовой полосы, которые обрабатывают как CDMA (EV-DO, 1xRTT), так и LTE/5G NR протоколы. Эти базовые станции обычно развернуты с общими усилителями мощности и антеннами, снижая загрузку башен и энергопотребление. Реализация требует тщательного планирования RF, чтобы избежать перемежающейся и обеспечить достаточную изоляцию между двумя радиоподсистемами.

Унифицированная базовая сеть и интеграция IMS

Конвергентная базовая сеть имеет важное значение для бесшовной передачи и непрерывности обслуживания. Операторы обычно развертывают общую платформу IMS, которая обрабатывает голосовые услуги для всех RAT: VoLTE, VoNR и Voice по CDMA (VCDMA). Ядро CDMA с коммутацией каналов (MSC) может взаимодействовать с IMS через медиашлюз, обеспечивая непрерывность вызовов между CDMA и LTE/5G. Для сеансов передачи данных ядро пакетов CDMA (PDSN) подключено к ядру пакетов LTE/5G (EPC) или ядру 5G (5GC) через шлюз, который поддерживает межRAT мобильность (например, PMIPv6 или GTP-передача). Эта унифицированная сигнализация снижает сложность и поддерживает такие функции, как одночисловая досягаемость и бесшовная загрузка Wi-Fi.

Самоорганизующиеся сети (SON) для динамической оптимизации

МногоRAT-интеграция усиливает потребность в интеллектуальной автоматизации сети. Алгоритмы SON могут регулировать пороги передачи, балансировки нагрузки и покрытия в реальном времени на основе моделей трафика и возможностей устройства. Например, контроллер SON может обнаруживать, что в регионе есть много устройств IoT только для CDMA, и выделять больше емкости CDMA при одновременном снижении мощности LTE/5G для смягчения помех. И наоборот, во время спортивного события контроллер может расставлять приоритеты LTE/5G для потокового видео и направлять устройства CDMA для использования носителя только для существенной передачи сигналов. SON также автоматизирует перераспределение спектра: по мере снижения трафика CDMA система может постепенно уменьшать пропускную способность CDMA и переназначать эти частотные ресурсы на LTE или 5G NR без ручного вмешательства.

Экосистема устройств и поддержка чипсетов

Для успешной интеграции устройства должны поддерживать несколько RAT. Современные чипсеты от Qualcomm, MediaTek и Samsung включают в себя многодиапазонные модемы с несколькими RAT, которые могут одновременно или быстро переключаться на CDMA, LTE и 5G NR. Например, модем Qualcomm Snapdragon X65 поддерживает все основные RAT 3GPP и 3GPP2, включая CDMA2000, LTE и 5G NR. Производители устройств должны тщательно тестировать поведение между RAT, особенно для непрерывности вызовов и передачи сеансов передачи данных. Операторы могут поощрять обновления устройств, предлагая субсидии для многорежимных смартфонов и модулей IoT. Для устаревших устройств только CDMA интеграция на стороне инфраструктуры гарантирует, что они продолжают функционировать до тех пор, пока пользователи не обновятся.

Проблемы и соображения

Техническая сложность и совместимость

Интеграция двух принципиально разных технологий доступа — одной на основе распределённого спектра (CDMA) и одной на OFDM (LTE/5G) — нетривиальна. Механизмы синхронизации и управления питанием значительно различаются. Координация передачи без потери пакетов или перепада вызова требует точной межRAT-сигнализации и тщательной настройки списков соседних ячеек. МногоRAT-базовые станции должны управлять противоречивыми ограничениями планирования, особенно когда непрерывная передача CDMA мешает синхронизации LTE-символов. Решения включают зачистку подкадров CDMA во время границ подкадра LTE, но это снижает пропускную способность CDMA. Расширенное отмена помех и отдельные радиоцепи могут смягчить проблему, но увеличить стоимость оборудования.

Распределение спектров и динамический спектральный обмен

Эффективное использование спектра имеет решающее значение. Операторы должны решить, следует ли выделять выделенные носители для каждого RAT или использовать динамический обмен спектром (DSS), где LTE и 5G NR могут сосуществовать на одном носителе. Однако DSS обычно не поддерживает CDMA из-за его различной формы волны и гранулярности полосы пропускания. CDMA требует выделенного носителя (например, 1,25 МГц для 1xRTT, 1,25-5 МГц для EV-DO). Поскольку операторы планируют перераспределять спектр CDMA, они должны координировать с регулирующими органами (например, FCC в США) для реликсации частот. Постепенный процесс перераспределения должен управляться, чтобы избежать разрывов покрытия. Например, если оператор преобразует носитель CDMA 5 МГц в LTE, они должны обеспечить, чтобы соседние носители CDMA по-прежнему обеспечивали достаточное покрытие для устаревших устройств.

Фрагментация и сертификация устройств

Не все устройства поддерживают все комбинации RAT. В то время как флагманские смартфоны обычно являются многорежимными, многие модули IoT (например, для интеллектуальных счетчиков, отслеживания активов) могут быть только CDMA или LTE-только. Интеграция таких модулей в сеть с несколькими режимами требует либо многорежимных модулей (затраты) или поддержания отдельного ядра CDMA до тех пор, пока эти модули не достигнут конца срока службы. Цена сертификации для новых многорежимных устройств высока, и операторы должны поддерживать обширные матрицы совместимости устройств. Кроме того, устаревшие устройства могут не поддерживать более новые протоколы безопасности (например, EPS-AKA для LTE), требующие отдельных процедур аутентификации, которые усложняют базовую сеть.

Инвестиционные и операционные издержки

Модернизация базовых станций до двухрежимных возможностей, развертывание унифицированных ядер и обучение команд сетевых операций сопряжены со значительными затратами. Операторы должны сбалансировать краткосрочную выгоду от сохранения доходов CDMA с долгосрочной целью перехода на 5G. На некоторых рынках стоимость обслуживания CDMA может перевесить размер абонентской базы, что приведет к ранним остановкам. Например, Verizon Wireless в США планировала закат своей сети CDMA к концу 2022 года, но мы все еще видим интеграцию в других регионах, таких как Япония и части Юго-Восточной Азии. Операторы должны проводить тщательный анализ затрат и выгод и рассмотреть партнерские отношения для управления устаревшими услугами.

Будущее Перспективы и эволюция

Интеграция CDMA с LTE и 5G NR не является постоянным состоянием — это переходная стратегия. По мере созревания автономных (SA) развертываний 5G и сокращения установленной базы устройств только CDMA операторы в конечном итоге полностью снимут CDMA. Однако период интеграции обеспечивает бесценный опыт в многократной оркестровке RAT, который будет применяться к сосуществующим сетям LTE и 5G NR в течение многих лет. Новые тенденции, такие как сетевое нарезка, граничные вычисления и операции на основе ИИ, основаны на тех же принципах интеллектуального управления ресурсами и дифференциации услуг, извлеченных из интеграции CDMA.

Для корпоративных приложений интегрированная сеть может поддерживать гибридные варианты использования: фабрика может использовать CDMA для устаревших данных датчиков (низкая пропускная способность, высокая надежность) при принятии 5G URLLC для роботизированного управления и LTE для видеонаблюдения. Архитектура интеграции позволяет одному оператору обслуживать все эти потребности с одной инфраструктурой. По мере развития экосистем IoT до NB-IoT и LTE-M спрос на CDMA будет уменьшаться, но методология плавной миграции устаревших услуг остается критической. В целом интеграция CDMA с LTE и 5G NR является прагматичной, технически богатой стратегией, которая повышает производительность сети сегодня, прокладывая путь для завтрашнего полностью конвергентного мира 5G.

Внешние ресурсы