6.5.2.  Мобильная сотовая связь

      Связь называют мобильной, если источник информации либо ее получатель (или оба) перемещаются в пространстве. Радиосвязь с момента возникновения была мобильной. Выше, в третьей главе показано, что первые радиостанции предназначались для связи с подвижными объектами–кораблями. Ведь один из первых приборов радиосвязи А.С. Попова был установлен на броненосце «Адмирал Апраксин». И именно благодаря радиосвязи с ним удалось зимой 1899–1900 годов спасти этот корабль, затертый во льдах Балтийского моря. Однако в те годы эта «мобильная связь» требовала громоздких приемопередающих устройств радиосвязи, что не способствовала развитию столь необходимой индивидуальной радиосвязи даже в Вооруженных силах, не говоря уже о частных клиентах.

       17 июня 1946 года в Сент Луисе, США, лидер телефонного бизнеса компания AT&T и Southwestern Bell запускают первую радиотелефонную сеть для частных клиентов.  Элементной базой аппаратуры являлись ламповые электронные приборы, поэтому аппаратура была  очень громоздкой и предназначалась только для установки в автомобилях. Вес оборудования без источников электропитания составлял 40 кг. Несмотря на это, популярность мобильной связи стала стремительно расти. Это создало новую, более серьезную, чем массогабаритные показатели проблему. Увеличение количества радиосредств, при ограниченном частотном ресурсе приводило к сильным взаимным помехам для радиостанций, работающих на близких по частоте каналах, что значительно ухудшало качество связи. Для исключения взаимных помех при повторяющихся частотах необходимо было обеспечить минимум стокилометровый разнос по пространству между двумя группами радиосистем. Именно поэтому мобильная связь в основе своей использовалась  для нужд специальных служб. Для массового внедрения требовалось изменить не только массогабаритные показатели, но и сам принцип организации связи.

       Как отмечалось выше, в 1947 году изобретается транзистор, выполняющий функции электронных ламп, но обладающий значительно меньшими размерами. Именно появление транзисторов оказало огромное значение для дальнейшего развития радиотелефонной связи. Замена электронных ламп на транзисторы создала предпосылки широкого внедрения  мобильного телефона. Основным сдерживающим фактором являлся принцип организации связи, который позволил бы устранить или хотя бы снизить влияние взаимных помех.

       Исследования ультракоротковолнового диапазона волн, проводимые в 40-е годы прошлого века, позволили выявить его основное преимущество перед короткими волнами – широкодиапазоннось, т. е. большая частотная емкость и основной недостаток–сильное поглощение радиоволн средой распространения. Радиоволны этого диапазона не способны огибать земную поверхность, поэтому дальность связи обеспечивалась только на линии прямой видимости, и  в зависимости от мощности передатчика обеспечивалась максимум до 40 км. Этот недостаток  вскоре превратился в преимущество, которое дало толчок активному массовому внедрению сотовой телефонной связи.   

      В 1947 сотрудник американской компании Bell Laboratories  Д. Ринг предложил новую идею организации связи [28]. Она заключалась в разделении пространства (территории) на небольшие участки - соты (или ячейки) радиусом 1–5 километров и в отделении радиосвязи в пределах одной ячейки (путем рационального повторения используемых частот связи) от связи между ячейками. Повторение частот значительно снизило проблемы использования частотного ресурса.  Это позволяло использовать в разных сотах распределенных в пространстве одни и те же частоты. В центре каждой ячейки предлагалось расположить базовую  приемно-передающую  радиостанцию, которая обеспечивала радиосвязь в пределах ячейки со всеми абонентами. Размеры соты определялись  максимальной дальностью связи радиотелефонного аппарата с базовой станцией. Эта максимальная дальность получила название радиуса соты. Во время разговора сотовый радиотелефон соединяется с базовой станцией радиоканалом, по которому передается телефонный разговор. У каждого абонента  должна быть своя микрорадиостанция – «мобильный телефон» – комбинация телефона, приемопередатчика и мини-компьютера. Абоненты связываются между собой через базовые станции, которые соединены друг с другом и с городской телефонной сетью общего пользования.

       Для обеспечения бесперебойной связи при переходе абонента от одной зоны к другой потребовалось применение компьютерного контроля за телефонным сигналом, излучаемым абонентом. Именно компьютерный контроль позволил в течение всего лишь тысячной доли секунды переключать мобильный телефон с одного промежуточного передатчика на другой. Все происходит так быстро, что абонент просто этого не замечает. Таким образом, центральной частью системы мобильной связи являются компьютеры. Они отыскивают абонента, находящегося в любой из сот, и подключают его к телефонной сети. Когда абонент перемещается из одной соты (ячейки) в другую, компьютеры как бы передают абонента с одной базовой станции на другую и подключают абонента «чужой» сотовой сети к «своей» сети. Это происходит в тот момент, когда «чужой» абонент оказывается в зоне действия новой базовой станции. Таким образом, осуществляют роуминг (что по-английски означает «странствие» или «бродяжничество»).

      Как отмечалось выше, принципы современной мобильной связи были достижением уже конца 40-х годов. Однако в те времена компьютерная техника была еще на таком уровне, что ее коммерческое применение в системах телефонной связи было затруднено. Поэтому практическое применение сотовой связи стало возможным только после изобретения микропроцессоров и интегральных полупроводниковых микросхем.

      Первый сотовый телефонный аппарат прототип современного аппарата сконструировал Мартин Купер (фирма Motorola, США).  

      В 1973 году в Нью-Йорке, на вершине 50 этажного здания компанией Motorola, под его руководством была смонтирована первая в мире базовая станция сотовой связи. Она могла обслуживать не более 30 абонентов и соединять их с наземными линиями связи.

      3 апреля 1973 года Мартин Купер набрал номер своего начальника и произнес следующие слова: «Представь себе, Джоэл, что я звоню тебе с первого в мире сотового телефона. Он у меня в руках, а я иду по Нью-Йоркской улице».

      Телефон, с которого звонил Мартин, назывался Dyna-Tac. Его размеры были 225×125×375 мм, а вес составлял немного ни мало 1,15 кг, что, впрочем, намного меньше 30 килограммовых устройств конца сороковых. С помощью аппарата можно было звонить и принимать сигнал, вести переговоры с абонентом. На этом телефоне размещалось 12 клавиш, из которых 10 были цифровые для набора номера абонента, а две другие обеспечивали начало разговора и прерывали звонок. Аккумуляторы Dyna-Tac позволяли работать в режиме разговора около получаса, а для их зарядки требовалось 10 часов.

       Несмотря на то, что основные разработки велись в США, первая коммерческая сеть сотовой связи была запущена в мае 1978 года в Бахрейне. Две соты с 20 каналами в диапазоне 400 МГц обслуживали 250 абонентов.

      Немногим позже сотовая связь начала свое триумфальное шествие по всему миру. Все больше и больше стран понимали выгоду и удобства, которые она может принести. Однако отсутствие единого международного стандарта использования диапазона частот, со временем привело к тому, что владелец сотового телефона, переезжая из одного государства в другое, не мог пользоваться мобильным телефоном.

      В целях устранения этого основного недостатка с конца семидесятых годов Швеция, Финляндия, Исландия, Дания и Норвегия начали совместные исследования по разработке единого стандарта. Результатом исследований стал стандарт связи NMT-450 (Nordic Mobile Telephone), который предназначался для работы в диапазоне 450 МГц. Этот стандарт впервые начал использоваться в 1981 году в Саудовской Аравии, и лишь месяцем позже – в Европе. Различные варианты NMT-450 были взяты на вооружение в Австрии, Швейцарии, Голландии, Бельгии, странах Юго-Восточной Азии и Ближнего Востока [28].

       В 1983 году в Чикаго была запущена в работу сеть стандарта AMPS (Advanced Mobile Phone Service), который был разработан фирмой Bell Laboratories. В 1985 г., в Англии, был принят стандарт TACS (Total Access Communications System), являвшийся разновидностью американского AMPS. Через два года, из-за резко возросшего числа абонентов, был принят стандарт HTACS (Enhanced TACS), добавивший новые частоты и частично исправивший недостатки предшественника. Франция же стояла отдельно от всех и начала использовать собственный стандарт Radiocom-2000 с 1985 года.  

      Следующим стал стандарт NMT-900, использующий частоты 900 МГц диапазона. Новая версия стала применяться в 1986 году. Она позволила увеличить число абонентов и улучшить стабильность системы [28].

      Однако все эти стандарты являются аналоговыми и относятся к первому поколению систем сотовой связи. В них используется аналоговый способ передачи информации с помощью частотной (ЧМ) или фазовой (ФМ) модуляции – как в обычных радиостанциях. Этот способ имеет ряд существенных недостатков, главными из которых являются возможность прослушивания разговоров другими абонентами и невозможность борьбы с замиранием сигналов при передвижении абонента, а также под влиянием ландшафта местности и зданий. Перегруженность частотных диапазонов вызывала помехи при разговорах. Поэтому к концу 1980-х годов началось создание второго поколения систем сотовой связи, основанных на базе цифровых методов обработки сигналов.        

       Предварительно, в 1982 году Европейская Конференция Администраций Почт и Электросвязи (СЕРТ) объединяющая 26 стран, приняла решение о создании специальной группы Groupe Special Mobile [28]. Ее целью была разработка единого европейского стандарта цифровой сотовой связи. Новый стандарт связи разрабатывался в течение восьми лет, и впервые о нём было заявлено лишь в 1990 году – тогда были предложены спецификации стандарта.  Специальной группой  первоначально было принято решение использовать в качестве единого стандарта сначала 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). Стандарт GSM является цифровым стандартом сотовой связи. В нём реализовано временное разделение каналов (TDMA – множественный доступ с разделением по времени, шифрование сообщений, блочное кодирование, а также модуляция GMSK) (Gaussian Minimum Shift Keying).

      Первым государством, запустившим сеть GSM, является Финляндия, запустившая в 1992 году это стандарт в коммерческую эксплуатацию. В следующем году в Великобритании заработала первая сеть DCS-1800 One-2-One. С этого момента начинается глобальное распространение стандарта GSM по всему миру.       

       Следующей ступенью после GSM, является стандарт CDMA который,  предоставляет более быструю и надёжную связь за счет использования кодового разделения каналов. Этот стандарт начал зарождаться в США в 1990 году.  В 1993 году в США стал применяться CDMA (или IS-95) в диапазоне частот 800 МГц. В это же время в Англии начала свою работу сеть DCS-1800 One-2-One.

      В общем, стандартов связи было множество, и к середине девяностых большинство цивилизованных стран плавно переходили на цифровые спецификации. Если сети первого поколения позволяли передавать только голос, то второе поколение систем сотовой связи, которым является и GSM, позволяют предоставлять и другие не голосовые услуги. Помимо SMS-сервиса первые телефоны стандарта GSM 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. Впрочем, для передачи факсимильного сообщения таких скоростей вполне хватало. 

       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, который был 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 использовался тот же канал 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 различных операторов 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.              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. Разработчикам вновь пришлось заняться кропотливыми 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. В результате абонент оплачивает 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 связи предоставляют канал связи, 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 связи за небольшую ежемесячную абонентскую плату предоставляют неограниченный доступ к WAP-ресурсам сети.
С появлением GPRS сети сотовой связи перестали именоваться сетями второго поколения – 2G. На данный момент мы находимся в эпохе 2,5G. Не голосовые услуги становятся все более востребованными, происходит слияние сотового телефона, компьютера и сети Интернет. Разработчики и операторы предлагают нам все больше и больше различных 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.
      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 подключиться 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 к сотовым телефонам, вследствие чего  ресурсов нынешних технологий становится недостаточно для удовлетворения наших возрастающих 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 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.

      Вполне естественно, что сети третьего поколения не станут финальным этапом развития сотовой связи – как говориться, прогресс неумолим. Ныне проходящая интеграция различных видов связи (сотовой, спутниковой, телевизионной и т. д.), появление гибридных устройств, включающих в себя сотовый телефон, КПК, видеокамеру, безусловно, приведет к появлению сетей 4G, 5G. И о том, чем закончится это эволюционное развитие, сегодня вряд ли смогут рассказать даже писатели-фантасты.

       На мировом уровне сейчас используется около 2 миллиардов единиц мобильных телефонов, из них больше двух третей подключены к стандарту GSM. Вторым по популярности идёт CDMA, остальные же представляют специфические стандарты, применяемые в основном в Азии. Сейчас в развитых странах сложилась ситуация «пресыщения», когда спрос перестаёт расти.