Table of Contents

Code Division Multiple Access (CDMA) — это цифровая технология сотовой связи, которая произвела революцию в мобильной связи, позволив нескольким пользователям одновременно использовать один и тот же частотный спектр. В отличие от более ранних аналоговых систем, которые назначали дискретные частотные каналы для каждого вызова, CDMA использует методы расширенного спектра, где каждый вызов кодируется уникальной псевдослучайной последовательностью. Этот подход повышает спектральную эффективность, увеличивает пропускную способность и повышает качество вызова. CDMA широко используется операторами, такими как Verizon Wireless, Sprint (теперь часть T-Mobile) и многими операторами в Азии и Латинской Америке. Понимание его архитектуры и компонентов инфраструктуры имеет важное значение для сетевых инженеров, телекоммуникационных энтузиастов и всех, кто участвует в разработке или обслуживании мобильных сетей.

Основные принципы технологии CDMA

Прежде чем погрузиться в сетевую архитектуру, он помогает понять основные принципы, которые отличают CDMA от других методов множественного доступа. CDMA полагается на спектр прямого распространения последовательностей (DSSS), где сигнал каждого пользователя распространяется по широкому частотному диапазону, умножая его на высокочастотный распространяющий код. В приемнике тот же код используется для пренебрежения желаемым сигналом, отвергая другие как шум. Ключевые атрибуты включают мягкую емкость, мягкие передачи и управление питанием - все это влияет на то, как структурированы сетевые элементы.

Спектр распространения и ортогональные коды

Системы CDMA используют ортогональные или почти ортогональные коды распространения, такие как коды Уолша в передней линии связи и псевдошумовые (PN) последовательности в обратной линии связи. Эти коды позволяют приемнику отделять сигналы от разных пользователей. Возможность повторного использования одной и той же частоты в каждой ячейке является основным преимуществом, но для этого требуется тесная синхронизация и управление питанием, чтобы избежать помех. Этот принцип стимулирует необходимость точной координации между базовыми станциями и контроллерами.

Контроль над электроэнергией как критический механизм

В CDMA все мобильные устройства передают на одной частоте. Без управления питанием мобильный телефон, близкий к базовой станции, будет перегружать сигналы от удаленного мобильного устройства — так называемая проблема «ближнего расстояния». Между мобильным устройством и базовой станцией реализованы механизмы управления питанием замкнутого и открытого контура для непрерывной регулировки мощности передачи. Эта функциональность встроена в логику базовой станции и контроллера, что делает ее основополагающим аспектом инфраструктуры.

Базовая архитектура сетей CDMA

Сети CDMA спроектированы с многоуровневой архитектурой, которая отделяет радиодоступ от коммутации ядра и сервисов. Сеть радиодоступа (RAN) обрабатывает беспроводную связь, в то время как базовая сеть управляет соединениями с внешними сетями и абонентским интеллектом. Эта модульность позволяет операторам самостоятельно обновлять компоненты. Следующие разделы разбивают каждый слой.

Базовая приемопередающая станция (BTS)

Базовые приемопередающие станции, обычно называемые сотовыми сайтами, являются наиболее видимой частью сети CDMA. В них размещаются радиоприемники, антенны и связанная с ними электроника, которые напрямую взаимодействуют с мобильными устройствами. Каждая BTS охватывает географическую область, известную как ячейка; размер ячейки зависит от полосы частот, местности и плотности абонентов. BTS обычно включает в себя одну или несколько карт канала, которые обрабатывают обработку спред-спектра, комбинатор для суммирования сигналов прямой связи и дуплексор для разделения путей передачи и приема.

BTS также выполняет важные задачи, такие как измерение сигнала, кодирование / декодирование голоса и данных и начальное управление питанием. В системах CDMA2000 1xRTT и EV-DO BTS поддерживает более высокие скорости передачи данных, используя дополнительные каналы кода и схемы модуляции, такие как QPSK и 16-QAM. BTS подключается к контроллеру базовой станции (BSC) через обратную связь - часто линии T1 / E1, Ethernet или волокно.

Базовый контроллер станции (BSC)

BSC является интеллектуальным концентратором, который управляет несколькими BTS в географическом регионе. Он отвечает за управление радиоресурсами, включая назначение радиоканалов, управление передачами и координацию питания. Ключевой функцией является мягкая передача (также называемая «сделать до разрыва»), где мобильный телефон одновременно взаимодействует с несколькими BTS во время перехода ячейки. BSC объединяет сигналы от этих BTS для улучшения качества вызова. BSC также обрабатывает скачок частоты (если развернут), балансировку нагрузки и взаимодействие с базовой сетью.

В сетях CDMA BSC содержит блок Selector/Distributor (SDU), который управляет сборкой и дублированием пакетов. Также в нем размещены функции управления вызовами (CC) и управления мобильностью (MM) для части радиодоступа. Современные BSC часто виртуализируются или интегрируются в программное обеспечение «контроллера», работающее на коммерческих серверах.

Контроллер радиосети (RNC) в системах 3G CDMA

С развитием до 3G в рамках IMT-2000 сети CDMA (в частности, системы на основе CDMA2000 и WCDMA) представили контроллер радиосети. RNC находится над BSC в иерархии (или заменяет его в некоторых архитектурах) и обеспечивает централизованное управление всей сетью радиодоступа. RNC управляет мобильностью через границы BSC, распределяет сетевые ресурсы и обрабатывает настройку и разрыв соединения. Он также реализует протокол управления радиоресурсами (RRC) и управляет планированием пакетов для сеансов передачи данных.

В сети CDMA2000 RNC иногда называют функцией управления пакетами (PCF) при работе с трафиком данных, взаимодействующей с узлом обслуживания пакетных данных (PDSN) в базовой сети. Способность RNC координировать мягкие передачи через сотовые сайты является отличительной чертой бесшовной мобильности CDMA.

Другие элементы сети радиодоступа

Помимо BTS, BSC и RNC, RAN включает в себя несколько вспомогательных компонентов:

  • Узел B — эквивалент BTS в сетях WCDMA/HSPA, хотя часто используется взаимозаменяемо с BTS в контекстах CDMA.
  • Сайт маршрутизатора (SR) — Совокупный трафик от нескольких BTS и интерфейсов с BSC или RNC.
  • GPS Timing Receiver — обеспечивает точную синхронизацию, необходимую для работы CDMA, обычно расположенную на каждой BTS.
  • Мачтовое и башенное оборудование — антенны, фидеры и дистанционные радиоголовки (RRH), которые распространяют радиосигналы.

Основные сетевые компоненты

Базовая сеть соединяет сеть радиодоступа с внешними сетями, такими как общедоступная коммутируемая телефонная сеть (PSTN), интернет и другие мобильные сети. Она также поддерживает профили абонентов, аутентификацию и выставление счетов. Ниже приведены основные элементы базовой сети CDMA.

Центр мобильной коммутации (MSC)

MSC является центральным коммутационным узлом, который маршрутизирует голосовые вызовы и управляет службами коммутации каналов. Он обрабатывает настройку вызовов, срыв и маршрутизацию, а также функции управления мобильностью, такие как обновления местоположения и передачи между MSC. MSC также взаимодействует с PSTN через магистральные линии. В новых сетях CDMA (например, CDMA2000) MSC может поддерживать как голос, так и данные, включая возможности Служб и точки переключения (SSP) для интеллектуальных сетевых служб.

Home Location Register (HLR)

HLR — это постоянная база данных, хранящая информацию о абонентах: International Mobile Subscriber Identity (IMSI), подписки на услуги, ключи аутентификации и текущее местоположение (через VLR-адрес). При регистрации мобильного телефона в сети HLR обновляется и используется для маршрутизации входящих вызовов. HLR — критически важная часть ядра, часто разработанная с высокой избыточностью и возможностями быстрого поиска. Он тесно взаимодействует с Центром аутентификации (AUC).

Регистр местонахождения посетителей (VLR)

VLR — это временная база данных, которая содержит данные абонентов роуминга, пока они находятся в зоне покрытия конкретной MSC. Она содержит подмножество информации HLR, необходимой для маршрутизации вызовов и авторизации обслуживания. VLR снижает сигнальную нагрузку путем кэширования данных абонента локально. Когда мобильный телефон перемещается в новую область, старый VLR обновляется, и новый VLR извлекает профиль из HLR.

Центр аутентификации (AUC)

AUC генерирует и хранит векторы аутентификации, используемые для проверки личности абонента. Он работает с HLR для обеспечения пар вызов-ответ (RAND, SRES и Kc в более старых системах; преобразована в аутентификацию 3G). AUC также содержит ключи шифрования для защиты воздушной связи. Без AUC сеть CDMA была бы уязвима для клонирования и мошенничества. В CDMA2000 AUC часто интегрируется с HLR.

Реестр идентификации оборудования (EIR)

EIR содержит списки действительных, украденных или неисправных идентификаторов мобильного оборудования (IMEI или электронный серийный номер). Хотя он не используется во всех развертываниях CDMA, EIR позволяет операторам блокировать доступ к сети к определенным телефонам. Этот компонент добавляет уровень безопасности за пределами аутентификации абонента.

Основные элементы пакета (для служб обработки данных)

Сети CDMA развивались для поддержки высокоскоростных данных с введением CDMA2000 1xRTT и EV-DO.

  • Узел обслуживания пакетных данных (PDSN) — действует как шлюз между радиосетью и IP-сетями. Он управляет сеансами PPP, присваивает IP-адреса и обрабатывает аутентификацию, авторизацию и учет (AAA) через серверы RADIUS.
  • Домашний агент (HA) и иностранный агент (FA) — Для поддержки мобильного IP HA привязывает домашний IP-адрес мобильного устройства, в то время как FA (часто в PDSN) помогает в маршрутизации пакетов на роуминговые устройства.
  • AAA Server — Обрабатывает аутентификацию абонента для сеансов передачи данных и генерирует платежные записи.

Инфраструктурные компоненты, поддерживающие CDMA

Помимо основных элементов сети, надежное развертывание CDMA зависит от базовой инфраструктуры для передачи, управления и выставления счетов.

Трансмиссионные сети (Backhaul)

Backhaul соединяет BTS с BSC и впоследствии с базовой сетью. Традиционные сети CDMA используют арендованные линии или микроволновые линии T1/E1. Современные развертывания предпочитают волоконно-оптические соединения из-за более высокой пропускной способности и меньшей задержки. Backhaul должен поддерживать как переключаемый по схеме голос (постоянная битрейт), так и данные с коммутацией пакетов (постоянная скорость передачи), поэтому операторы часто используют решения Ethernet по волоконному или гибридному TDM/IP. Сеть передачи является основным драйвером затрат и узким местом производительности; многие обновления инфраструктуры сосредоточены на улучшении пропускной способности обратного пути.

Система управления сетью (NMS)

NMS обеспечивает централизованный интерфейс для настройки, мониторинга и устранения неполадок всех сетевых элементов. Он собирает сигнализации, счетчики производительности и журналы от BTS, BSC, MSC и основных узлов. Расширенные платформы NMS поддерживают удаленные обновления программного обеспечения, корреляцию сбоев и прогнозную аналитику. Сети CDMA часто используют модель TMS с менеджерами элементов, сетевыми менеджерами и менеджерами служб. Операторы полагаются на NMS для поддержания качества обслуживания и сокращения среднего времени ремонта (MTTR).

Зарядные и биллинговые системы

Сети CDMA поддерживают различные модели зарядки: предоплаченные, послеоплаченные, данные с фиксированной ставкой и голос в минуту. Инфраструктура зарядки включает в себя OCS (Online Charging System) для кредитного контроля в режиме реального времени в предоплаченных услугах и CF (Charging Function) в ядре пакетов для оффлайн-биллинга. Система оплаты объединяет записи деталей вызова (CDR) из записей сеансов MSC и данных из PDSN, применяя тарифы и генерируя счета. Интеграция с HLR гарантирует, что тарифы роуминга правильно рассчитаны.

Расширенные возможности и эволюция архитектуры CDMA

Сети CDMA значительно эволюционировали с момента их создания. Понимание этих достижений помогает поставить базовую архитектуру в контекст.

CDMA2000 1xRTT и 1xEV-DO

CDMA2000 1xRTT (Radio Transmission Technology) удвоил пропускную способность голоса по IS-95 и ввел скорость передачи данных до 153 кбит/с. Архитектура требовала лишь незначительных обновлений до BTS и BSC-программ, плюс добавление PDSN для пакетных данных. Последующая 1xEV-DO (Evolution-Data Optimized) была разработана специально для высокоскоростных данных, с выделенной несущей и упрощенной RAN. EV-DO удалила коммутируемый по схеме голосовой компонент на этой несущей, что позволило BTS эффективно сосредоточиться на планировании разрывов данных. Сетевая архитектура для EV-DO представила сеть доступа (AN), состоящую из BTS и контроллера сети доступа (ANC), которая заменила BSC/PCF.

Мягкая передача и более мягкая передача

Способность CDMA к мягкому переключению является прямым результатом его архитектуры. В мягком переключении мобильное устройство поддерживает соединения с несколькими BTS одновременно; BSC / RNC выбирает лучший сигнал на основе кадра за кадром. Более мягкая передача происходит, когда мобильное устройство находится между секторами одной и той же BTS. Эти функции требуют, чтобы BSC / RNC комбинировали или выбирали кадры из нескольких источников, увеличивая требования к обратной передаче и обработке. Сеть должна поддерживать точное время (через GPS) и достаточную пропускную способность для пересылки дублированных кадров.

Управление мобильностью - Места расположения и подачки

Управление мобильностью в CDMA включает в себя обновления Location Area (LA) и Routing Area (RA). MSC отслеживает местоположение простаивающих мобильных устройств на уровне области местоположения (группа ячеек). Когда поступает вызов, MSC-страницы мобильного телефона по всем ячейкам в LA. VLR хранит последнее известное местоположение. Для сеансов передачи данных PDSN отслеживает мобильное устройство с обновлением RNC или PCF. Эти процедуры являются частью сигнализации базовой сети, опираясь на протоколы SS7 (Signaling System No 7) или SIGTRAN (для IP) между MSC, HLR и VLR.

Преимущества и ограничения архитектуры сети CDMA

Архитектурные решения, стоящие за CDMA, приносят как преимущества, так и компромиссы.

Преимущества

  • Высокая спектральная эффективность — CDMA повторно использует частоту в каждой ячейке, обеспечивая более высокую емкость, чем системы FDMA/TDMA при равномерной нагрузке.
  • Мягкая емкость — количество одновременных пользователей может превышать теоретические пределы с изящной деградацией, в отличие от жестко ограниченного TDMA.
  • Мягкие передачи — бесшовные переходы уменьшают количество пропущенных вызовов и улучшают качество голоса на краях ячеек.
  • Внутренняя безопасность — модуляция и аутентификация с расширенным спектром обеспечивают сильную защиту конфиденциальности и от мошенничества.
  • Поддержка мультирата — переменные коэффициенты распространения позволяют использовать адаптивные скорости передачи данных, что выгодно для смешанного голосового трафика.

Ограничения

  • Комплексное управление мощностью — Тяжёлое управление мощностью имеет важное значение; промахи могут вызвать значительные помехи и потерю мощности.
  • Строгое синхронизация (FLT:0) — каждая BTS требует GPS-сроки, повышения стоимости и уязвимости к GPS-помехам.
  • Interference Limited — В конечном итоге пропускная способность ограничена помехами, которые увеличиваются при асимметрии трафика данных.
  • Backhaul Demands — Мягкие передачи дублируют кадры поверх капитального ремонта, потребляя пропускную способность и обработку в BSC/RNC.
  • Путь эволюционирования — CDMA в значительной степени обогнал LTE и 5G; большинство операторов закатили сети CDMA, что привело к продолжению обслуживания унаследованной архитектуры.

Заключение

Понимание архитектуры и инфраструктурных компонентов сетей CDMA показывает, как системы мобильной связи достигают надежного, высокопроизводительного обслуживания. От BTS, которая взаимодействует с мобильными устройствами, до основных сетевых элементов, которые маршрутизируют вызовы и аутентифицируют пользователей, каждый компонент играет жизненно важную роль. Акцент сети радиодоступа на мягких передачах и управлении питанием, базах данных и центрах коммутации основной сети и поддерживающих системах передачи и управления все взаимосвязаны для обеспечения бесшовной связи. Хотя технология CDMA теперь считается наследием, ее архитектурные принципы - особенно распределенный спектр и скоординированные передачи - повлияли на дизайн современных сетей 4G и 5G. Операторы и инженеры, которые осваивают инфраструктуру CDMA, получают прочную основу для понимания современных беспроводных систем.

Для дальнейшего чтения, обратитесь к спецификациям 3GPP2 для CDMA2000 (]3GPP2 Официальный сайт ), подробный обзор принципов CDMA на Википедии (]CDMA на Википедии ), и практические руководства по проектированию беспроводных сетей от IEEE Коммуникационное общество . Эти ресурсы предоставляют более глубокие технические детали и тематические исследования по развертыванию сети CDMA.