iPhone фирмы Apple — хороший пример 3G-устройства. С ним люди подключаются к беспроводным информационным службам, и объемы беспроводных данных компании AT&T резко растут с популярностью iPhone. Проблема в том, что iPhone использует сеть 2,5G — улучшенная 2G сеть, но не настоящая сеть 3G, и имеет недостаточную информационную емкость, чтобы пользователи были счастливы. Мобильная телефония 3G обеспечит достаточное количество беспроводной пропускной способности, чтобы сделать будущих пользователей счастливыми.
Еще в 1992 году международный союз телекоммуникаций, ITU, сделал попытку конкретизировать и реализовать эти мечты и выпустил проект под названием IMT-2000, где IMT означало «Международная мобильная связь» (International Mobile Telecommunications).
Вот основные сервисы, для предоставления которых задумывалась сеть IMT-2000.
1. Высококачественная передача речи.
2. Обмен сообщениями (замена e-mail, факса, SMS, чата и т. д.).
3. Мультимедиа (проигрывание музыки, видео, фильмов, телевидения и т. д.).
4. Доступ в Интернет (включая просмотр страниц с аудио- и видеоинформацией).
В качестве дополнительных услуг могут быть видеоконференции, телепрезентации,
групповые электронные игры, мобильная коммерция (использование мобильного телефона для оплаты покупок). Более того, все эти сервисы должны быть доступны по всему миру (с автоматическим соединением через спутник в тех местах, где стационарная сеть отсутствует), на основе постоянного подключения и с гарантированным качеством обслуживания.
ITU задумывал IMT-2000 как единую технологию, чтобы производители могли выпустить универсальное устройство, которое можно было бы продавать по всему миру (как компьютеры и проигрыватели компакт-дисков и не в пример мобильным телефонам и телевизорам). Одна стандартная технология сильно упрощает жизнь операторам связи и привлекает клиентов. Война форматов (так получилось с Betamax и VHS в мире видеозаписи) неблагоприятно сказывается на бизнесе.
Оказалось, что это было слишком оптимистично. Номер 2000 обозначал три вещи: (1) год, когда это, как предполагалось, будет работать, (2) частота, на которой это, как предполагалось, будет работать (в МГц), и (3) пропускная способность, которую сервис должен иметь (в Кбит/с). Это не было достигнуто ни по одному из трех пунктов. К 2000 году ничего не было осуществлено.
ITU рекомендовал правительствам всех стран зарезервировать частоту 2 ГГц для международного роуминга. Рекомендации последовал только Китай. Наконец, в какой-то момент осознали, что невозможно выделить каждому пользователю пропускную способность в 2 Мбит/с, особенно учитывая повышенную мобильность многих из них (просто нереально с достаточно высокой скоростью осуществлять передачу с одной базовой станции на другую). Более реалистично выглядит выделение 2 Мбит/с стационарным абонентам, которые сидят дома (в этом случае такая система будет серьезным конкурентом ADSL), 384 Кбит/с для людей, которые не спеша прогуливаются по парку, и 144 Кбит/с для связи с абонентами, движущимися в автомобилях.
Несмотря на эти начальные неудачи, с тех пор было многое достигнуто. Было выдвинуто несколько технических предложений, впоследствии некоторые отсеялись и остались две основные технологии. Первая из них называется WCDMA — широкополосный CDMA (Wideband CDMA), была предложена фирмой Ericsson и продвинута Европейским союзом, который назвал ее UMTS (Universal Mobile Telecommunications System — универсальная система мобильной связи). Вторым претендентом стала система CDMA2000, предложенная Qualcomm.
У этих систем больше сходств, чем различий. Базовый принцип обеих систем — это CDMA. WCDMA использует полосу пропускания 5 МГц, а CDMA2000 — 1,25 МГц. Если бы инженеров из Ericsson и Qualcomm посадили за стол переговоров и поставили задачу выработать единую систему, они, наверное, справились бы с этим довольно быстро. Беда в том, что настоящей проблемой, как всегда, является отнюдь не инженерное решение, а политика. Европе требовалась система, умеющая работать с GSM; Соединенным Штатам нужна была система, совместимая с одной из уже существующих там систем (IS-95). Каждая сторона поддерживала свою компанию (Ericsson находится в Швеции, Qualcomm — в Калифорнии). В конце концов, обе компании оказались вовлечены во множественные тяжбы, связанные с патентами на технологию CDMA.
Во всем мире 10—15 % абонентов мобильной связи уже используют технологии 3G. В Северной Америке и Европе, приблизительно одна треть мобильных абонентов — 3G. Япония была ранним последователем, и теперь почти все мобильные телефоны в Японии — 3G. Эти числа включают и UMTS, и CDMA2000, и 3G продолжает быть одним большим котлом деятельности, поскольку рынок трясет. Чтобы добавить беспорядка, UMTS стал единственным стандартом 3G с разнообразными несовместимыми опциями, включая CDMA2000. Это изменение было попыткой объединить конфликтующие стороны, но оно только сглаживает технические различия. Мы будем говорить UMTS, подразумевая WCDMA, а не CDMA2000.
Мы ограничим наше обсуждение использованием CDMA в сотовых связях, поскольку это — отличительный признак обеих систем. В CDMA не происходит ни временного, ни частотного разделения каналов, но осуществляется соединение, при котором каждый пользователь работает на том же диапазоне частот в то же самое время. Когда это было предложено для сотовых систем впервые, промышленность отреагировала приблизительно так же, как королева Изабелла на предложение Колумба достигнуть Индии, направляясь на запад. Однако благодаря упорству компании Qualcomm CDMA преуспел как 2G система (IS-95) и окреп до такой степени, что стал техническим основанием для 3G.
Заставить CDMA работать в мобильном телефоне требует большего, чем основной метод CDMA, который мы описали в предыдущем разделе. А именно, мы описали синхронный CDMA, в котором элементарные последовательности являются строго ортогональными. Эта схема работает, когда все пользователи синхронизированы на времени начала элементарных последовательностей, как в случае передачи от базовой станции к мобильным телефонам. Базовая станция может передать элементарные последовательности, начинающиеся в одно время, так чтобы сигналы были ортогональными и могли быть отделены. Однако трудно синхронизировать передачи независимых мобильных телефонов. Без специальных усилий их передачи достигли бы базовой станции в разное время, без гарантии ортогональности. Чтобы мобильные телефоны могли передавать сигналы базовой станции без синхронизации, нужны кодовые последовательности, которые будут ортогональны при всех возможных смещениях.
Хотя и невозможно найти последовательности, которые являются ортогональными для этого общего случая, длинные псевдослучайные последовательности достаточно близки к этому. У них есть характерная особенность — низкая взаимная корреляция друг с другом при любых смещениях. Это означает, что когда одна последовательность умножена на другую последовательность, в итоге внутреннее произведение будет маленьким; это был бы ноль, если бы они были ортогональными. (Интуитивно, случайные последовательности должны всегда отличаться друг от друга. Их перемножение должно давать случайный сигнал низкого уровня.) Это позволяет приемнику фильтровать нежелательные помехи из полученного сигнала. Кроме того, автокорреляция псевдослучайных последовательностей также является малой, кроме случая нулевого смещения. Это означает, что, когда одна последовательность умножена на свою отсроченную копию и просуммирована, результат будет маленьким, кроме тех случаев, когда задержка — ноль. (Интуитивно, отсроченная случайная последовательность похожа на другую случайную последовательность, и мы вернулись к случаю взаимной корреляции.) Это позволяет приемнику обнаруживать начало требуемой передачи в полученном сигнале.
Использование псевдослучайных последовательностей позволяет базовой станции получать сообщения CDMA от несинхронизированных мобильных телефонов. Однако неявное предположение в нашем обсуждении CDMA — то, что уровни мощности всех мобильных телефонов в приемнике одинаковы. В противном случае маленькая взаимная корреляция с сильным сигналом может превзойти большую автокорреляцию со слабым сигналом. Таким образом, уровнем сигнала передачи мобильных телефонов нужно управлять, чтобы минимизировать интерференцию между конкурирующими сигналами. Именно это вмешательство ограничивает пропускную способность систем CDMA.
