Книга Компьютерные сети. 6-е изд. - Эндрю Таненбаум

Qualcomm в одну комнату и попросить разработать единую архитектуру, вероятно, они управятся за час. Но основная проблема, не на инженерном уровне, а на политическом (как всегда). Европе нужна была система, совместимая с GSM, а США — с распространенной там системой IS-95. Каждая из сторон, естественно, поддерживала местную компанию (штаб-квартира Ericsson располагается в Швеции, Qualcomm — в Калифорнии). В результате Ericsson и Qualcomm постоянно сражались в судах по поводу патентов на технологии CDMA. Ситуация осложнилась тем, что UMTS стала единым стандартом 3G со множеством несовместимых между собой вариантов, включая CDMA2000. Эта попытка примирить враждующие лагеря и закрыть глаза на технические противоречия лишь отвлекла внимание от истинной цели всех усилий.

Преимущество WCDMA по сравнению с описанной выше упрощенной схемой CDMA — возможность отправлять данные с различной скоростью независимо друг от друга. В CDMA это достигается естественным образом, путем фиксации скоростей передачи элементарных сигналов и назначения для разных пользователей последовательностей элементарных сигналов разной длины. Например, в WCDMA количество элементов сигнала в секунду равно 3,84, а размер кодовых последовательностей варьируется от 4 до 256 элементов сигнала. Если код состоит из 256 элементов сигнала, после коррекции ошибок остается около 12 Кбит/с полосы пропускания, и этой пропускной способности вполне достаточно для голосового звонка. Если же код включает 4 элемена сигнала, скорость передачи пользовательских данных достигает 1 Мбит/с. Коды промежуточной длины дают промежуточные скорости. Для достижения скорости в несколько мегабит в секунду мобильное устройство должно использовать более одного канала в 5 МГц одновременно.

Мы сосредоточимся на применении CDMA в сотовых сетях, поскольку это отличительная черта обеих систем. CDMA не использует ни FDM, ни TDM в чистом виде, скорее их смесь, при которой все пользователи осуществляют передачу одновременно в одном диапазоне. Когда концепция CDMA впервые была озвучена, она вызвала в коммерческих кругах примерно ту же реакцию, что у королевы Изабеллы — предложение Колумба достичь Индии, направившись в противоположную сторону. Впрочем, благодаря настойчивости компании Qualcomm CDMA достиг успеха в качестве системы 2G (IS-95) и был проработан настолько, что стал техническим фундаментом 3G.

Для мобильной телефонии недостаточно базового метода CDMA, представленного в разделе 2.4. Мы описали так называемый синхронный CDMA (synchronous CDMA), при котором последовательности элементов сигналов строго ортогональны. Такая архитектура работает, только если все пользователи синхронизированы по начальному времени передачи последовательностей элементов сигналов, как в случае отправки данных от базовой станции мобильному устройству. Базовая станция может передавать последовательности сигналов, начинающиеся строго в одно время, так что сигналы окажутся ортогональными, а значит, их легко будет разделить. Но синхронизировать передачи независимых мобильных телефонов намного сложнее. Если не приложить особые усилия, данные от них поступят на базовую станцию в разное время без каких-либо гарантий ортогональности. Чтобы телефоны отправляли данные на базовую станцию без синхронизации, нужны кодовые последовательности, ортогональные друг другу при всех возможных смещениях, а не только когда они выровнены по времени начала передачи.

И хотя для данного общего случая найти строго ортогональные последовательности невозможно, длинные псевдослучайные последовательности вполне могут подойти. С высокой степенью вероятности им свойственна слабая перекрестная корреляция (cross-correlation) друг с другом при любых смещениях. Это значит, что если перемножить последовательности и найти скалярное произведение, результат будет мал (если бы они были ортогональны, он вообще был бы равен нулю). Интуитивно ясно, что случайные последовательности всегда должны различаться между собой. Их произведение дает случайный сигнал с низким значением. Благодаря этому приемник может отфильтровать нежелательные передачи из полученного сигнала. Автокорреляция (auto-correlation) псевдослучайных последовательностей, вероятнее всего, также будет низкой (за исключением таковой при нулевом смещении). Это значит, что результат умножения последовательности на сдвинутую по времени собственную копию и суммирования будет мал (за исключением случая, когда сдвиг равен нулю). Случайная последовательность с задержкой выглядит как совершенно другая последовательность, так что мы возвращаемся к сказанному относительно перекрестной корреляции. В итоге приемник синхронизируется с началом нужной передачи в полученном сигнале.

Благодаря использованию псевдослучайных последовательностей базовая станция может принимать сообщения CDMA от несинхронизированных мобильных устройств. При обсуждении CDMA мы подразумевали, что уровень мощности сигналов от всех мобильных телефонов на стороне приемника одинаков. Если это не так, низкая перекрестная корреляция с мощным сигналом может подавить высокую автокорреляцию со слабым сигналом. Поэтому необходимо контролировать мощность передатчиков мобильных телефонов для минимизации помех между конкурирующими сигналами. Именно эти взаимные помехи и ограничивают пропускную способность систем CDMA.

Уровень принимаемого базовой станцией сигнала зависит от того, как далеко находится передатчик и какова мощность его передачи. На разном расстоянии от базовой станции может находиться большое количество мобильных устройств. Для выравнивания мощности получаемых сигналов используется удобный эвристический алгоритм: каждое мобильное устройство отправляет на базовую станцию сигнал с мощностью, обратной мощности сигнала, полученного им от базовой станции. Другими словами, устройство, принимающее слабый сигнал от станции, использует большую мощность, чем устройство, получающее сильный сигнал. Для повышения точности базовая станция дает обратную связь с указанием повысить, снизить или не менять мощность передачи. Это происходит достаточно часто (1500 раз в секунду), поскольку должное управление мощностью сигнала важно для минимизации взаимных помех.

Теперь опишем преимущества CDMA. Во-первых, CDMA может увеличивать пропускную способность за счет использования маленьких промежутков времени, в течение которых часть передатчиков ничего не отправляет. Как при вежливом разговоре: один из собеседников говорит, а второй молчит. В среднем линия занята только 40 % времени. Однако паузы могут быть небольшими и их трудно предсказать. При работе с системами TDM или FDM невозможно переназначать временные слоты или частотные каналы настолько быстро, чтобы воспользоваться этими короткими промежутками тишины. А вот в CDMA для снижения взаимных помех пользователю достаточно ничего не передавать. При этом вероятно, что какая-то часть пользователей не будет постоянно осуществлять передачу в загруженной соте. Таким образом, CDMA использует предполагаемые промежутки тишины для увеличения возможного числа одновременных звонков.

Во-вторых, в случае CDMA все соты используют один набор частот. Чтобы разделять передачи различных пользователей, в CDMA не требуется FDM (в отличие от GSM и AMPS). Это устраняет сложные задачи частотного планирования, повышает пропускную способность, а также упрощает использование базовой станцией нескольких направленных антенн — так называемых секторных антенн (sectored antenna) — вместо всенаправленных. Секторные антенны сосредоточивают сигнал в нужном направлении и снижают его уровень (а значит, и помехи) во всех остальных направлениях. Это, в свою очередь, повышает пропускную способность. Наиболее распространенной является трехсекторная архитектура. Базовая станция должна отслеживать перемещение телефонов из сектора в сектор. В случае CDMA это несложно, поскольку все частоты