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 используются во всех секторах.

В-третьих, CDMA упрощает так называемую мягкую передачу обслуживания (soft handoff), при которой телефон переходит в распоряжение новой базовой станции до того, как отключается от старой. Благодаря этому соединение не прерывается. Мягкая передача обслуживания показана на илл. 2.43. При использовании CDMA она не представляет сложностей, поскольку все частоты используются во всех секторах. Альтернативный вариант — жесткая передача обслуживания (hard handoff), при которой старая базовая станция прекращает поддержку звонка до его перехода на новую. А если новая станция не способна принять управление (например, из-за отсутствия доступной частоты), то звонок внезапно обрывается. Разумеется, пользователи недовольны, но в данной архитектуре это неизбежно. Жесткая передача обслуживания традиционно используется при архитектуре FDM, чтобы избежать затрат на передачу/прием мобильным устройством на двух частотах одновременно.

Илл. 2.43. Мягкая передача обслуживания: (а) до; (б) во время; (в) после

2.6.6. Технология 4G: коммутация пакетов

В 2008 году МСЭ описал набор стандартов для систем 4G. Поколение 4G (или IMT Advanced) полностью основано на технологиях сетей с коммутацией пакетов, как и его предшественники, например технология LTE (Long Term Evolution — стандарт «долгосрочного развития»). Еще одного предшественника и родственную 4G технологию, 3GPP LTE, иногда называют «4G LTE». Это название может сбить с толку, поскольку «4G» фактически относится к поколению мобильной связи, а каждое поколение может насчитывать несколько стандартов. Например, МСЭ считает стандартом 4G и IMT Advanced, и LTE. К 4G относятся и другие технологии, такие как уже устаревшая WiMAX (IEEE 802.16). Формально LTE и «настоящее» 4G — различные версии стандарта 3GPP (версии 8 и 10 соответственно).