Коммуникации | Сотовая связь

Официальным днем рождения сотовой телефонной связи считается 3 апреля 1973 года, когда Мартин Купер, глава подразделения мобильной связи американской компании Motorola, совершил первый в мире звонок по мобильному телефону. Однако это событие было кульминацией весьма длительного процесса, начавшегося еще в 19 веке.

Первой важной датой в истории создания мобильной связи можно считать 7 мая 1895 года, когда известный русский учёный Александр Степанович Попов на заседании Русского Физико-Химического Общества продемонстрировал прибор, предназначенный для регистрации электромагнитных волн. Физической основой представленного Поповым устройства стали исследования Генриха Герца в области электромагнитных волн и способов их обнаружения, обнародованные в 1888 году. Также свой огромный вклад в создание радиосвязи внесли исследования Фарадея (явление электромагнитной индукции), Дж. Максвелла (теория электромагнитного поля), Э. Бранли и О. Лоджа (индикатор электромагнитных волн), а также Н.Тесла (огромный объем исследований, в том числе им предложена конструкция антенн).

Назначением устройства Попова была регистрация молний, что нашло отражение и в его названии – «грозоотметчик». Однако, по своей сути, грозоотметчик Попова стал первым в мире радиоприёмником, настроенным на обнаружение и регистрацию радиоволн (если говорить техническим языком, электромагнитных колебаний) возникающих при грозовых разрядах. Созданный Поповым прибор обладал неплохой чувствительностью – он был способен регистрировать вспышки молний в радиусе нескольких десятков километров. В продолжение своих экспериментов, в сентябре 1895 года, Попов отказался от метрологического регистратора, заменив его телеграфным аппаратом Морзе, что окончательно превратило грозоотметчик в первый в мире аппарат для беспроводной телеграфии.


Следующим шагом развития беспроводной связи стала демонстрация беспроводной передачи информации осуществленная в 1896 году Гульельмо Маркони, который с помощью азбуки Морзе передал сигнал с крыши лондонского почтамта в другое здание, удаленное от него на 1,5 км. Эта демонстрация заинтересовала другого крупного ученого – физика В.Г. Приса, который в том время был директором британской почты и телеграфа. Под руководством Приса, Маркони продолжил свои исследования, и в июне 1896 года подал патентную заявку «усовершенствования в передаче электрических импульсов и сигналов и в аппаратуре для этого», а в сентябре того же года продемонстрировал передачу радиограммы на расстояние 3 км. Технические средства, примененные Маркони, включали в себя передатчик, построенный на модифированном генераторе Герца, и приемник, созданный по образу и подобию грозоотметчика Попова, но с рядом технических новшеств.


Дальнейшие исследования, проведенные Поповым, Маркони, а также другими учеными и инженерами работавшими над разработкой устройств, позволяющих использовать радиоволны для передачи информации, произвели настоящую революцию в системах связи того времени. Постепенно росли и расстояния, на которые передавался радоисигнал. Если в середине 1897 года Маркони проводились эксперименты по передаче сигналов на сравнительно небольшие расстояния (14 и 21 км.), то в 1901 году он передал первый сигнал через Атлантику, а в конце 1902 года – наладил регулярную радиосвязь между Старым и Новым светом.

Буквально за несколько лет, акционерное общество «Маркони К^o», созданное им в середине 1897 года, превратилось в крупнейшую компанию и лидера в сфере создания средств беспроводной связи. Кстати, активное продвижение радиотелеграфа в России, начавшееся в 1912 году, также осуществлялось при поддержке «Маркони К^o», которая взяла на себя обязательство устанавливать мощные ретрансляторные вышки на всей территории России.

Важным шагом, в переходе беспроводной связи к современному виду, стала модернизация «грозоотметчика», выполненная Поповым в 1899 году – в усовершенствованном аппарате прием сигналов (пока еще азбукой Морзе) осуществлялся на головные телефоны (наушники) оператора. Однако исследователи хотели большего – передавать без проводов не абстрактные точки-тире, а человеческий голос, со всем множеством его интонаций.


Было проведено множество исследований, получены десятки патентов. Изначально, для передачи голоса, пытались использовать направленный луч света модулированный голосом, т.е. данный луч мерцал в соответствии речью человека, которая регистрировалась посредством угольного микрофона. На принимающей стороне использовалась капсула со светочувствительным элементом, генерируемый которым ток позволял воспроизвести в наушниках речь говорящего. Подобные аппараты имели множество недостатков, основным из которых были маленькое расстояние между источником и приемником сигнала и сильнейшая зависимость от погоды. Также были попытки использовать для передачи речи проводящие свойства почвы и воды.



Первым, кто передал человеческую речь с помощью радиоволн, стал Реджинальд Фессенден, впервые осуществивший это в 1900 году. Спустя 3 года, им был представлен усовершенствованный детектор, благодаря которому стало возможным воспроизводить с приемлемым качеством человеческий голос, переданный по радиосвязи, с приемлемым качеством. Также к заслугам Фессендена относятся первая двухсторонняя трансатлантическая радиосвязь (1906) и первая информационно-развлекательная радиопередача (1906).


До начала 20 века передатчики и приемники радиосигналов обычно устанавливали либо на зданиях и сооружениях, либо на морских судах. Однако в 1901 году Гульельмо Маркони установил приемо-передающее устройство на паровой автомобиль марки «Торникрофт», тем самым, положив начало развития подвижной наземной радиосвязи. Конечно, сконструированный Маркони аппарат, умел работать только с азбукой Морзе, да только во время остановки, так как при движении приходилось опускать в горизонтальное положение используемую устройством цилиндрическую антенну, но все равно этой был первый маленький шажок к настоящей мобильности.


Следующее знаковое событие в развитии мобильной связи произошло в 1921 году, когда была в американском Детройте создана первая диспетчерская система телеграфной подвижной связи. Как вы уже догадались, основой этой системы была азбука Морзе, причем связь была односторонней – полицейские диспетчеры вызывали автомобиль по радиосвязи, а полицейские связывались с участком по обычному проводному телефону. Рабочей частотой системы были 2 МГц. Фактически, диспетчерская система телеграфной подвижной связи это ничто иное, как прообраз пейджинговой связи.


Двухсторонняя радиосвязь между диспетчерами и полицейскими автомобилями появилась спустя 12 лет, в 1933 году в Нью-Йорке. Средства подвижной радиосвязи тех лет относились к системам PTT (Push-To-Talk – нажми, чтобы говорить). Данный принцип, до сих пор используется в рациях, а несколько лет назад он пережил второе рождение в средствах мобильной связи – благодаря функции PTT современных мобильных телефонов. Однако, в современном варианте PTT, передача информации осуществляется через Интернет за счет использования пакетной передачи данных. Если говорить техническим языком, устройства PTT работают в полудуплексном режиме, поэтому для переключения между режимами приема и передачи голоса пользователю необходимо нажимать кнопку на соответствующем абонентском устройстве.


Не менее важным событием стало создание при американском Конгрессе в 1934 году Федеральной Комиссии по Коммуникациям (FCC), основной функцией которой было распределение радиочастот на территории США. Приоритетом при получении частотного ресурса пользовались спасательные службы, государственные агентства и общественные компании. Далее следовали фирмы, работающие в сфере грузовых и пассажирских перевозок. Изначально, возможность выделения радиочастот частным лицам и компаниям предусмотрена не была, причем это ограничение действовало до окончания Второй Мировой Войны, что стало одной из причин задержки в развитии частной мобильной связи.


Первая сеть подвижной радиосвязи, рассчитанная на частных клиентов, была запущена 17-го июня 1946 г. в американском Сент-Луисе (штат Миссури) совместными усилиями Службы Мобильной Телефонии (МТС) AT&T и Bell Telephone Laboratories. В качестве рабочей частоты данной системы было выбран диапазон в районе 150 МГц, при этом использовалось 6 каналов, но позднее число каналов было сокращено до 3, из-за помех, вызываемых наложением радиоволн.

Соединение с вызываемым абонентом осуществлялось в два этапа – вначале производилось соединение с оператором, который устанавливал соединение с нужным абонентом. Выбор свободного частотного канала осуществлялся абонентом вручную. Созданная в Сент-Луисе система относилась к стандарту MTS (Mobile Telephone System), который считается одним из самых первых стандартов мобильной связи. Кстати, в измененном виде MTS до сих пор используется в ряде развивающихся стран.

Принцип технической реализации сети MTS отличался от традиционной сотовой сети. В ней использовались 1 достаточно мощный передатчик, служивший каналом передачи сигнала к абоненту, и сеть приемников, фиксирующих сигнал, исходящий от мобильного абонента. Выбор используемого приемника осуществлялся по соотношению сигнал/шум. Далее, все сигналы, зарегистрированные сетью приемников, передавались в центральный диспетчерский пункт, где находились операторы, осуществлявшие телефонные соединения.


Рассматриваемая система работала в полудуплексным режиме, т.е. использовался описанный выше принцип Push-To-Talk, что позволяло решить проблему эха, но при этом частоты, на которых работали приемник и передатчик отличались. В 1955 году, число каналов данной сети было расширено до 11, а в 1964 году появились полнодуплексный режим и возможность автоматического выбора канала, что сделало мобильную телефонию похожей на проводную.

Однако, к 1955 году, в техническом плане сеть AT&T и Bell Telephone Laboratories уже не была технически самой совершенной – первая полностью автоматическая система подвижной радиотелефонии была запущена в 1948 году Радиотелефонной Компанией Ричмонда, в городе Ричмонд штата Индиана. Данная система превосходила детище Bell Telephone Laboratories тем, что большинство вызовов осуществлялись полностью в автоматическом режиме, без помощи оператора.


Бурное развитие первых систем подвижной связи выявило их основной недостаток – ограниченность частотного ресурса – аппараты, работающие в одном частотном диапазоне, но в разных сетях создавали взаимные помехи, что делало невозможным покрытие единой сетью мобильной связи больших территорий – минимальное расстояние между двумя радиосистемами должно было составлять не менее 100 км. Решение этой проблемы было предложено в 1947 году сотрудником Bell Laboratories Д. Рингом, который разработал сотовый принцип организации сети мобильной связи, что позволило решить проблему взаимных помех, и обеспечило повторное использование частотных каналов. Еще одним знаковым событием 1947-1948 годов стало изобретение транзистора, что позволило уменьшить размеры и вес радиоаппаратуры.


Первая система сотовой связи, построенная по принципу, предложенному Рингом, увидела свет в 1969 году, в виде системы таксофонной связи (телефоны-автоматы, общего пользования) установленной компанией Bell в поездах Metroliner, курсировавших между Нью-Йорком и Вашингтоном. Маршрут поезда (255 миль) был разделен на девять зон, в каждой из которых было доступно 6 каналов на частоте 450 МГц. Центр, управляющей всей системой находился в Филадельфии.


Несмотря на огромный вклад американских компаний, сотовая связь развивалась не только в США. В Европе законодателями технологий мобильной связи были Ericsson и «Маркони». Как и в США, мобильной связью преимущественно оснащались автомобили, причем сам радиотелефон устанавливался в багажник, а салоне находились трубка и традиционный номеронабиратель. Появление первых систем мобильной связи в Европе принято датировать 1951 годом, когда С. Лауреном из Администрации Шведской Сети Связи разработал и испытал автоматическую мобильную телефонную систему.


В Японии первые испытания мобильной системы телефонной связи были проведены в 1967 году, однако появление японской сотовой связи принято датировать 1975 годом, когда были начаты системные испытания сети, построенной в одном из районов Токио. Кстати, именно японцами было установлено, что для мобильной связи в городских условиях наиболее целесообразно использовать частоты в районах 400 и 900 МГц.

Советский Союз также не остался в стороне от разработок систем мобильной телефонной связи. Конечно, в нашей стране и речи идти не могло о предоставлении мобильной связи рядовым гражданам страны, но для государственных нужд и партийной элиты была создана полностью автоматическая дуплексная система профессиональной мобильной радиосвязи с подвижными объектами «Алтай». Запуск данной системы в эксплуатации состоялся в конце 50-х годов прошлого века и, на долгие годы, она стала единственной системой подвижной радиосвязи Советского Союза.


Наверняка вы уже обратили внимание, что при разработке технологий подвижной радиосвязи их создатели делали упор на оснащение радиосвязью автомобилей и других транспортных средств. Это не удивительно, ведь радиотелефоны тех лет были тяжелыми (по 30-40 кг) и весьма громоздкими (устройство могло занять весь багажник автомобиля).

В 1954 году произошло событие, формально не связанное с разработкой средств мобильной связи, но позднее сыгравшее решающую роль – в компанию Motorola на должность инженера был принят Мартин Купер, который через несколько лет стал главой подразделения по разработке мобильных устройств. В 1967 году под его руководством были созданы одни из первых портативных раций, что дало импульс для создания мобильного телефона, который можно было носить с собой.


В деле создания мобильных устройств Motorola и Bell Laboratories были заядлыми конкурентами, однако у них было одно принципиальное отличие – в Motorola делали ставку на портативное оборудование, а в Bell Laboratories – на автомобильную радиотелефонию. Убежденность Купера в перспективности сотовой телефонии убедила Федеральную Комиссию по Коммуникациям в необходимости выделения Motorola частот для реализации их проекта. Весной 1973 года на крыше одного из небоскребов Нью-Йорка была смонтирована первая базовая станция новой сети, которая могла одновременно обслуживать 30 абонентов и предоставлять им доступ к городской телефонной сети.

История, длившаяся почти 80 лет, начала подходить к своему апогею. Наконец, все подготовительные работы были закончены и 3 апреля 1973 года, Мартин Купер, лично руководивший всем процессом, прогуливаясь по Манхеттену достал из кармана предмет, походивший на кирпич с антенной. Под недоумевающие взгляды прохожих, с помощью клавиатуры свого «кирпича», по имени Dyna-TAC, он набрал номер Джоэля Энгеля, начальника исследовательского отдела AT&T Bell Laboratories и поднес аппарат к уху.
Немногим позже сотовая связь начала свое шествие по всему миру. Все больше и больше стран понимали выгоду и удобства, которые она может принести. Однако использование своего собственного частотного диапазона в каждой стране, со временем привело к тому, что владелец сотового телефона приезжая в другое государство не мог им пользоваться. Помимо этого все существующие на тот момент системы были аналоговым, что не позволяло обеспечивать конфиденциальность разговора даже на самом примитивном уровне. Их принято называть системами первого поколения. И в результате для решения всех этих проблем в 1982 году Европейская Конференция Администраций Почт и Электросвязи (СЕРТ) объединяющая 26 стран, приняла решение о создании специальной группы Groupe Special Mobile. Ее целью была разработка единого европейского стандарта цифровой сотовой связи. Было принято решение использовать диапазон 900 МГц, а затем, учитывая перспективы развития сотовой связи в Европе и во всем мире, было принято решение выделить для нового стандарта и диапазон 1800 МГц. Новый стандарт получил название GSM – Global System for Mobile Communications. GSM 1800 МГц также носит название DCS-1800 (Digital Cellular System 1800). Первым государством, запустившим сеть GSM, является Финляндия, коммерческая сеть такого стандарта была там открыта в 1992 году. В следующем году в Великобритании заработала первая сеть DCS-1800 One-2-One. С этого момента начинается глобальное распространение стандарта GSM по всему миру.

Если же сети первого поколения позволяли передавать только голос, то второе поколение систем сотовой связи, которым является и GSM, позволяют предоставлять и другие неголосовые услуги. Самой известной и популярной услугой, скорее всего, является передача коротких текстовых сообщений – SMS (Short Message Service). Это двунаправленный сервис позволяющий передавать текстовое сообщение с одного сотового телефона GSM на другой, и является улучшенным аналогом пейджинговой связи, так как нет необходимости связываться с операторской службой, для того чтобы отправить сообщение другому абоненту.

Помимо SMS-сервиса первые телефоны стандарта GSM также позволяли передавать и другие не голосовые данные. Для этого был разработан протокол передачи данных, получивший название CSD (Circuit Switched Data – передача данных по коммутируемым линиям). Однако этот стандарт обладал весьма скромными характеристиками – максимальная скорость передачи данных составляла всего 9600 бит в секунду, и то при условии стабильной связи. В прочем для передачи факсимильного сообщения таких скоростей вполне хватало, но бурное развитие Интернета в конце 90-х годов привело к тому, что многие пользователи сотовой связи захотели использовать свои трубки как модемы, а существующих скоростей для этого было явно недостаточно.

Для того чтобы хоть как-то, удовлетворить потребность своих клиентов в доступе к сети Интернет, инженеры изобретают WAP-протокол. WAP это сокращенное название от Wireless Application Protocol, что переводится как протокол беспроводного доступа к приложениям. В принципе WAP можно назвать упрощенной версией стандартного Интернет протокола HTTP, только приспособленного под ограниченные ресурсы мобильных телефонов, таких как небольшие размеры дисплея, небольшую производительность телефонных процессоров и небольшие скорости передачи данных в мобильных сетях. Однако этот протокол не позволял просматривать стандартные Интернет-страницы, они должны быть написаны на языке WML, также адаптированным для сотовых телефонов. В итоге, абоненты сотовых сетей хотя и получили доступ в Интернет, но он оказался весьма «урезанным» и малоинтересным. Плюс к этому, для доступа к WAP-сайтам используется тот же канал сотовой связи, что и для передачи голоса, то есть пока вы загружаете или просматриваете страничку, канал связи занят, и с лицевого счета списываются те же деньги, что и во время разговора. В результате, достаточно интересная технология какое то время была практически похоронена и использовалась абонентами сотовых сетей весьма редко.

Производителям оборудования сотовой связи срочно пришлось искать способы увеличения скорости передачи данных, и в результате на свет появилась технология HSCSD (High-Speed Circuit Switched Data), которая обеспечивала вполне приемлемую скорость – до 43 килобит в секунду. И надо сказать, что у определенного круга пользователей эта технология пользовалась популярностью. Но все же и эта технология не лишилась главного недостатка своего предшественника – данные все так же передавались по голосовому каналу. И разработчикам вновь пришлось заняться кропотливым исследованиями.

Старания инженеров не прошли даром, и достаточно недавно на свет появилась технология, получившая название GPRS (General Packed Radio Services) – это название можно перевести как система пакетной радио передачи данных. В данной технологии используется принцип разделения каналов для передачи голоса и данных, и в результате оплачивается не длительность соединения, а лишь объем переданных и полученных данных.

Помимо этого у GPRS есть еще одно преимущество перед более ранними технологиями мобильной передачи данных – во время GPRS-соединения, телефон все также способен принимать звонки и SMS-сообщения. На данный момент современные модели телефонов представленные на рынке, при совершении разговора приостанавливают GPRS-соединение, которое автоматически возобновляется по окончании разговора. Такие аппараты классифицируются, как GPRS-терминал класса В. Планируется производство терминалов класса А, которые будут позволять одновременно загружать данные и вести разговор с собеседником. Также существуют специальные устройства, которые предназначены только для передачи данных, и их называют GPRS-модемами или терминалами класса С.

Теоретически GPRS способен передавать данные со скоростью 115 килобит в секунду, но на данный момент большинство операторов сотовой связи предоставляют канал, который позволяет развивать скорость до 48 килобит в секунду. Это связано в первую очередь с оборудованием самих операторов и как следствие, отсутствием на рынке сотовых телефонов поддерживающих более высокие скорости.



С появлением GPRS вновь вспомнили и о WAP-протоколе, так как теперь, посредством новой технологии, доступ к небольшим по объему WAP-страницам становится во много раз дешевле, чем во времена CSD и HSCSD. Более того, многие операторы сотовой связи за небольшую ежемесячную абонентскую плату предоставляют неограниченный доступ к WAP-ресурсам. С появлением GPRS сети сотовой связи перестали именоваться сетями второго поколения – 2G. Неголосовые услуги становятся все более востребованными, происходит слияние сотового телефона, компьютера и сети Интернет. Разработчики и операторы предлагают нам все больше и больше дополнительных услуг.

Так используя возможности GPRS, был создан новый формат передачи сообщений, который был назван MMS (Multimedia Messaging Service – Сервис Мультимедийных Сообщений), который в отличие от SMS, позволяет отправлять с сотового телефона не только текст, но и различную мультимедиа информацию, например звукозаписи, фотографии и даже видеоклипы. Причем MMS-сообщение может быть передано как на другой телефон, поддерживающий этот формат, так и на ящик электронной почты.

Также увеличение мощности процессоров телефонов позволяет теперь загружать и запускать на нем различные программы. Для их написания чаще всего используется язык Java2ME. Владельцам большинства современных телефонов теперь не составляет труда подключится к сайту разработчиков Java2ME приложений и закачать на свой телефон, например новую игру или другую необходимую программу.

Также никого не удивит возможность подключения телефона к персональному компьютеру, для того чтобы, используя специальное программное обеспечение, чаще всего поставляемое вместе с трубкой, сохранить или отредактировать на ПК адресную книгу или органайзер; находясь в дороге используя связку мобильный телефон + ноутбук выйти в полноценный Интернет и просмотреть свою электронную почту. Однако наши потребности постоянно растут, объем передаваемой информации растет практически ежедневно. И все больше требований выдвигается сотовым телефонам, ресурсов нынешних технологий становится недостаточно для удовлетворения наших запросов.

Именно для решения этих запросов и предназначены, достаточно недавно созданные сети третьего поколения 3G, в которых передача данных доминирует над голосовыми услугами.

3G это не стандарт сотовой связи, а общее название всех высокоскоростных сетей сотовой связи, которые вырастут и уже вырастают из ныне существующих. Огромные скорости передачи данных позволяют передавать прямо на телефон высококачественное видеоизображение, осуществлять постоянное соединение с Интернет и локальными сетями. Применение новых, усовершенствованных, систем защиты позволяет уже сегодня использовать телефон для проведения различных финансовых операций – мобильный телефон вполне способен заменить кредитную карту.

В 2012 году на конференции в Женеве Международным союзом электросвязи были официально признаны беспроводными стандартами связи четвёртого поколения 4G (IMT-Advanced) Технологии LTE Advanced (LTE-A) и WiMAX 2 (WMAN-Advanced, IEEE 802.16m) (сим-карта не требуется).

4G (от англ. fourth generation — четвёртое поколение) — поколение мобильной связи с повышенными требованиями. К четвёртому поколению принято относить перспективные технологии, позволяющие осуществлять передачу данных со скоростью, превышающей 100 Мбит/с — подвижным (с высокой мобильностью) и 1 Гбит/с — стационарным абонентам (с низкой мобильностью).

Вполне естественно, что сети четвёртого поколения не станут финальным этапом развития сотовой связи - как говорится, прогресс неумолим. Уже прошла интеграция различных видов связи (сотовой, спутниковой, телевизионной и т. д.), появились гибридные устройства, включающие в себя сотовый телефон, КПК, видеокамеру, так что в будущем, ожидаемо появятся сети новых поколений. О том, чем закончится это эволюционное развитие, сегодня вряд ли смогут рассказать даже писатели-фантасты.

© greenmile

Источники:

Www.Mforum.Ru,
Www.Corporacia.Ru.

В начало

Коммуникации | Сотовая связь