CDMA2000
Введение в стандарт CDMA2000
Стандарт CDMA2000 – это представитель стандартов сотовой связи третьего поколения (3G). Он также известен под именами IMT-CDMA Multi-Carrier или IS-2000. Основной целью создания CDMA2000 было увеличение пропускной способности и максимально разрешенных скоростей передачи данных, по сравнению с предшествующим стандартом CDMA One. Разработка CDMA2000 началась в 2000 году, организацией 3GPP2. В итоге был выпущен целый набор стандартов, описывающих новый радио интерфейс и значительные улучшения в сети радио доступа (Radio Access Network, RAN) и системе коммутации (CN), которые позволили добиться указанных выше требований. Таким образом, CDMA2000 – это технология, которая обеспечила эволюцию сетям CDMAOne/IS-95 к стандартам третьего поколения.
CDMA2000 может быть рассмотрен в нескольких фазах. Первая фаза: CDMA2000 1x, который поддерживает среднюю скорость передачи данных 144 кбит/сек. Следующей фазой является стандарт, получивший аббревиатуру: 1x-EV-DO (evolution data only or data optimised). Он позволяет передавать данные со скоростью до 2Мбит/сек на одной несущей. Последним, пока еще разрабатываемым стандартом серии CDMA2000 является 1x-EV-DV (EVolution Data/Voice). Он предусматривает скорости передачи данных до нескольких десятком Мбит/сек, а также улучшения в качестве передачи данных.
В стандарте CDMA One данные передавалась по тем же системам, что и голос. Это значительно ограничивало максимальную скорость передачи данных и общую емкость сети. В стандарте CDMA2000 была введена специальная сеть для передачи данных: Packet Core Network (PCN) – сеть с коммутацией пакетов, которая позволяет передавать данные с большей скоростью и безопасностью.
Особенности стандарта CDMA2000
Также как и CDMA One стандарт CDMA2000 использует для работы тот же частотный диапазон, разделенный на аналогичные полосы частот 1,25 МГц. Это значительно облегчает переход операторов к новому стандарту, так как отпадает необходимость в приобретении новой частотной лицензии, что является одним из основных сдерживающих факторов в развертывании сетей нового стандарта. Благодаря подобной преемственности операторы могут постепенно замещать оборудование более новым и тем самым снизить до минимума проблемы, возникающие при обновлении стандарта, такие как низкая распространенность абонентского оборудования, большие первоначальные затраты, организация транспортных каналов и т.п.
Стандарт CDMA2000 улучшает показатель спектральной эффективности, т.е. эффективности использования частотных ресурсов за счет следующих улучшений:
1. Усовершенствованный алгоритм управления мощностью. Стандарт CDMA2000 использует кодовый метод доступа абонентов в сеть – CDMA (code division multiple access). Главным его недостатком является возникновение интерференции при увеличении числа абонентов. Однако благодаря механизму управления мощности для каждого мобильного терминала (MS) будет задана оптимальная мощность на данный момент времени, которая позволит с одной стороны не мешать другим абонентам, а с другой – обеспечить требуемый уровень качества обслуживания (QoS). Основным изменением в алгоритме управления мощностью MS стало увеличения частоты (до 16 раз) отправки команд на изменения мощности передачи данных абонентского оборудования. Благодаря этому удалось в 1,5 раза увеличить емкость сети.
2. Разнесенная передача (Transmit diversity) – каждая антенна может принимать/ передавать до 6 различных сигналов. При этом MS выбирает частоту с наибольшим уровнем сигнала. Благодаря Transmit diversity можно значительно снизить уровень ошибок в канале связи и увеличить качество сигнала.
Принцип разнесенной передачи от базовой станции
3. Умные антенны (Smart Antennas). Они позволяют формировать отдельные пучки сигнала для каждого абонента с точностью в несколько десятков метров. Благодаря Smart antenna реализован так называемый пространственный метод множественного доступа абонентов (SDMA - Space Division Multiple Access). Это позволяет значительно снизить общий уровень интерференции в радио эфире и существенно расширить емкость сети.
Принцип работы Smart антенн
4. Стандарт CDMA2000 предусматривает использование QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) – модуляции
5. Улучшенная технология цифрового кодирования
6. В стандарте CDMA2000 используются более эффективные вокодеры и большее число расширяющих кодов (Walsh code). В стандарте CDMA One на одной несущей максимально могли быть использованы 64 расширяющих кода. В CDMA2000 можно использовать до 128 кодов. Таким образом, в каждой соте может быть обслужено в 2 раза больше низкоскоростных соединений, например голосовых соединений.
Эти и другие преимущества позволили в разы увеличить скорость передачи абонентских данных через радио соединение и увеличить емкость сети.
Необходимые изменения для перехода от CDMA One к CDMA2000
Как уже отмечалось ранее, если оператор уже эксплуатирует сеть стандарта CDMA One, то ему не обязательно строить совершенно новую сеть для стандарта CDMA2000, а достаточно выполнять ряд аппаратных и программных обновлений. Изменения коснутся всех элементов сети: не только сети доступа, но и системы коммутации. Кроме того должна быть добавлена новая сеть пакетной коммутации. В соответствии с отмеченными выше нововведениями для перехода от CDMA One к CDMA2000 необходимо сделать следующие изменения:
1. На элементах системы коммутации MSC, VLR, HLR должно быть сделано обновление программного обеспечения. Это необходимо для того, чтобы CN могла обеспечивать процедуры аутентификации и авторизации пакетных соединений.
2. Обновление аппаратного обеспечения должно быть проведено для базовых станций (BTS). Это связано с существенными изменениями в радио интерфейсе.
3. Также должен быть заменен приемопередатчик мобильного терминала, по тем же причинам.
4. Обновление программного обеспечения должно быть проведено для контроллера базовых станций (BSC). В результате этого BSC будет маршрутизировать пакеты не к сети с коммутацией пакетов, которой является коммутатор, пришедший от сети CDMA One, а к новой сети с коммутацией пакетов.
5. Главным новшеством является введение новой сети с коммутацией пакетов (PS). В нее входит непосредственно пакетный коммутатор, а также элемент обеспечивающий аутентификацию абонентов, пользующихся услугами этой сети.
Структура сети стандарта CDMA2000
За счет того, что спектр и качество предоставляемых сетью CDMA2000 услуг расширились, в структуре сети появились некоторые новые элементы, а функции прежних претерпели изменение. Ниже представлены новые элементы сети и рассмотрены их основные функции.
Структура сети стандарта CDMA2000
Мобильная станция (MS - Mobile Station). В сети CDMA2000 мобильная станция – это абонентское устройство, не обязательно мобильный телефон. Это может быть какое-либо иное устройство с модулем доступа к услугам сотовой сети и используемое, например, для доступа в сеть Интернет с компьютера.
Мобильная станция взаимодействует с RAN для получения необходимых ресурсов сети с целью доступа к пакетной сети, и далее следит за состоянием выделенных ресурсов (заняты, свободные, режим ожидания). MS может буферизировать данные пользователя, если в текущей момент требуемые ресурсы сети недоступны.
После включения, MS автоматически регистрируется в сети, и в HLR отмечается ее текущее состояние. Эта процедура происходит в следующем порядке:
1. Аутентификация MS.
2. Текущее местоположение MS заносится в HLR.
3. Далее MSC сообщается набор разрешенных услуг сети.
После успешного прохождения указанных процедур мобильная станция может совершать голосовые вызовы и передавать данные. Последняя услуга может быть предоставлена с использованием одной из двух сетей: с коммутацией пакетов или каналов, в зависимости от того факта: поддерживает ли MS стандарт CDMA2000. В случае если мобильное устройство совместимо только со стандартом IS-95 (CDMA One) передача данных возможна лишь через сеть с коммутацией пакетов. При этом скорость передачи не будет превышать 19,2 кбит/сек. Если же терминал совместим с IS-2000 (CDMA2000), то может быть сделан выбор между двумя возможными способами передачи данных через сеть оператора. Скорость передачи пакетных данных для сети CDMA2000 1x может достигать 144 кбит/сек.
Сеть радио доступа (RAN - Radio Access Network) . Сеть радио доступа является входной точкой абонента во всю сеть оператора, независимо от предоставляемой услуги. Из-за добавления в сеть оператора нового домена с коммутацией пакетов на сеть доступа были возложены новые функции: идентификация абонентов в сети, обслуживание соединений к сети с коммутацией пакетов, проверять права доступа абонента к запрашиваемому сервису.
Базовая станция (BTS - Base Station Transceiver) – контролирует все действия на радио интерфейсе между BTS и MS, а также служит интерфейсом между сетью и мобильными устройствами. Управление радио ресурсами, например, назначение частотных каналов, разделение сот, управление мощностью передачи и т.п. относится к задачам базовой станции. В добавление к этому, BTS организует сквозные соединения для прохождения трафика между MS и BSC для обеспечения минимальных временных задержек в процессе передачи пользовательских данных и сигнализации.
Контроллер базовых станций (BSC - Base Station Controller) – передает сообщения сигнализации и голосовые данные между сотами и MSC (Mobile Switching Centre). Кроме того, BSC выполняет некоторые процедуры связанные с мобильностью абонентов, например, контролирует процедуру хэндовера между сотами в случае необходимости.
Устройство контроля пакетных соединений (PCF - Packet Control Function) – новый элемент сети CDMA2000, которого не было в CDMA One. Его главной задачей является маршрутизация пакетов между BTS и PDSN. В процессе пакетной сессии PCF будет назначать доступные радио ресурсы для абонентов сети, в соответствии с их потребностями и оплаченным объемом услуг. Главная задача PCF заключается в планировании распределения ресурсов сети доступа, включая радио ресурсы, так чтобы они могли быть максимально эффективно использованы и при этом не допустить снижения качества предоставляемых услуг.
Сеть коммутации (NSS (Network Switching System)) не претерпела существенных изменений по сравнению с системой CDMA One. В нее также входят MSC, который отвечает за установление голосовых соединений в системе, а также ряд регистров (HLR, VLR и др.), в которых хранится информация об абонентах.
Сеть пакетной коммутации (PCN - Packet Core Network). Это совершенно новая система в сети сотовой связи, отвечающая за передачу пользовательских пакетов из/в внешние сети (например Интернет), а также за аутентификацию абонентов, назначение IP-адресов и некоторые другие.
Обслуживающий узел пакетной сети, объединенный с внешним агентом (PDSN/FA - Packet Data Serving Node / Foreign Agent) – это шлюз между сетью радио доступа и внешними пакетными сетями. Это устройство выполняет следующие функции:
ААА (Authentication, Authorization, and Accounting) - сервер используется для проведения процедур аутентификации и авторизации абонентов, а также для хранения абонентских данных с целью биллинга и выставления счетов.
Домашний агент (HA - Home Agent) предоставляет бесшовный роуминг к другим сетям стандарта CDMA2000. HA предоставляет якорный IP-адрес для MS, служащий для передачи любых пользовательских данных через исходную сеть. Кроме того, домашний агент поддерживает регистрацию абонентов, передачу пакетов к PDSN, а также (опционально) создание защищенного соединения.
Стандарты CDMA2000 1x-EV-DO и CDMA2000 1x-EV-DV
С появлением стандарта CDMA2000 первой фазы, следом началась разработка последующих поколений данного стандарта. Такое стремительное развитие технологий было обусловлено стремительным ростом потребностей абонентов в услугах передачи данных. В результате проведенной работы организацией 3GPP2 в 2002 году был выпущен стандарт CDMA2000 1x-EV-DO (evolution data only) который предлагал скорости передачи данных до 2,4 Мбит/сек, что в 20 раз выше чем, предыдущий стандарт. Такое достижение было сделано в первую очередь за счет внедрения новых технологий на радио интерфейсе. В частности наряду с кодовым разделением каналов, был внедрен временной метод доступа абонентов в сеть (TDMA - Time Division Multiple Access). Для каждого абонента, при этом, выделялся отдельный таймслот, который предотвращал возможность возникновения интерференции в соте.
Благодаря дальнейшим разработкам, более поздние релизы стандарта CDMA2000 1x-EV-DO позволяли использовать одновременно несколько таймслотов и несущих, что увеличивало максимальную скорость передачи данных свыше 70 Мбит/сек (Rel. B). А в планируемом Rel. C скорость уже может достигать 280 Мбит/сек что соответствует стандарту LTE, относящемуся к 4G.
Разработанный в 2003 году стандарт CDMA2000 1x-EV-DV (EVolution Data/Voice) предполагает возможность одновременной передачи в радио эфире на одной несущей и голоса, и данных. Однако такая концепция не нашла существенного развития в связи с развитием направления ALL-IP, которое предусматривало передачу голоса по сетям с IP-коммутацией.
