История сотовой связи

Работы по созданию гражданских систем мобильной связи начались в 1970-х. К этому моменту развитие обычных телефонных сетей в европейских странах достигло такого уровня, что следующим шагом в эволюции коммуникаций могла стать только доступность телефонной связи везде и всюду.
Сети на первом гражданском стандарте сотовой связи – NMT-450 – появились в 1981. Хотя наименование стандарта представляет собой сокращение слов Nordic Mobile Telephony («мобильная телефония северных стран»), первая на планете сотовая сеть была развернута в Саудовской Аравии. В Швеции, Норвегии, Финляндии (и других странах Северной Европы) сети NMT заработали на несколько месяцев позднее.
Через два года – в 1983 – на территории США была запущена первая сеть стандарта AMPS (Advanced Mobile Phone Service), созданного в исследовательском центре Bell Laboratories.
Стандарты NMT и AMPS, которые принято относить к первому поколению систем сотовой связи, предусматривали передачу данных в аналоговой форме, что не позволяло обеспечить должный уровень помехоустойчивости и защиты от несанкционированных подключений. Впоследствии у них появились усовершенствованные за счет использования цифровых технологий модификации, например, DAMPS (первая буква аббревиатуры своим появлением обязана слову Digital – «цифровой»).
Стандарты второго поколения (так называемого 2G) – GSM, IS-95, IMT-MC-450 и др., изначально созданные на основе цифровых технологий, превосходили стандарты первого поколения по качеству звука и защищенности, а также, как выяснилось впоследствии, по заложенному в стандарт потенциалу развития.
Уже в 1982 Европейская Конференция Администраций Почт и Электросвязи (CEPT) создала группу для разработки единого стандарта цифровой сотовой связи. Детищем этой группы стал GSM (Global System for Mobile Communications).
Первая сеть GSM была запущена в эксплуатацию в Германии в 1992. Сегодня GSM является господствующим стандартом сотовой связи как в России, так и во всем мире. В 2004 в нашей стране GSM-сети обслуживали свыше 90% абонентов сотовой связи; в мире GSM использовало 72% абонентов.
Для работы оборудования стандарта GSM выделено несколько диапазонов частот – на них указывают числа в названиях. В европейском регионе в основном используются GSM 900 и GSM 1800, в Америке – GSM 950 и GSM 1900 (на момент утверждения стандарта в США «европейские» частоты там оказались заняты другими службами).
Популярность стандарту GSM обеспечили его значимые для абонентов особенности:
– высокое качество передачи голоса;
– защищенность от помех, перехвата и «двойников»;
– наличие большого числа дополнительных сервисов;
– возможность при наличии «надстроек» (таких, как GPRS, EDGE и др.) обеспечивать передачу данных с высокими скоростями;
– присутствие на рынке большого количества телефонных аппаратов, работающих в сетях стандарта GSM;
– простота процедуры смены одного аппарата на другой.
В процессе развития сотовые сети стандарта GSM приобрели возможности расширения за счет некоторых «надстроек» над действующей инфраструктурой, обеспечивающих скоростную передачу данных. GSM-сети с поддержкой GPRS (General Packet Radio Service) получили название 2,5G, а GSM-сети с поддержкой стандарта EDGE (Enhanced Data rates for Global Evolution) иногда называют сетями 2,75G.
В конце 1990-х в Японии и Южной Корее появились сети третьего поколения (3G). Основное отличие стандартов, на которых построены сети 3G, от предшественников – расширенные возможности скоростной передачи данных, что позволяет реализовывать в таких сетях новые сервисы, в частности, видеотелефонию. В 2002–2003 первые коммерческие сети 3G начали работать и в некоторых странах Западной Европы.
Хотя в настоящее время сети 3G существуют лишь в ряде регионов мира, в инженерно-технических лабораториях крупнейших компаний уже ведутся работы по созданию стандартов сотовой связи четвертого поколения. Во главу угла при этом ставится не только дальнейшее увеличение скорости передачи данных, но и повышение эффективности использования пропускной способности частотных диапазонов, выделенных для мобильной связи, чтобы получать доступ к сервисам могло большое количество абонентов, находящихся на ограниченной территории (что особенно актуально для мегаполисов).

Первая система радиотелефонной связи, предлагавшая услуги всем желающим, начала свое функционирование в 1946 г. в г. Сент-Луис (США). Радиотелефоны, применявшиеся в этой системе, использовали обычные фиксированные каналы. Если канал связи был занят, то абонент вручную переключался на другой - свободный канал. Аппаратура была громоздкой и неудобной в использовании. Центральный радио узел передавал высокочастотные сигналы огромной мощности на расстояние 100 к м. Обслуживание, в лучшем случае, было соответствующим. Телефонная система предоставляла 11 каналов, работавших по принципу частотной модуляции, с шириной полосы частот 40 МГц. Затем последовали две улучшенные системы (IMTS-MJ и - MK), занимающие 11 и 12 каналов с шириной полосы частот 152 - и 454 -МГц соответственно. Технология и использование частотной модуляции были усовершенствованы, радиоканалы стали более узкими. Самым ранним мобильным телефонам был необходим спектр частот в 120-кГц, чтобы передать голосовой сигнал 3-кГц.

С развитием техники системы радиотелефонной связи совершенствовались: уменьшались габариты устройств, осваивались новые частотные диапазоны, улучшалось базовое и коммутационное оборудование, в частности, появилась функция автоматического выбора свободного канала (trunking). Но при огромной потребности в услугах радиотелефонной связи возникали и проблемы.

Главная из них - ограниченность частотного ресурса: число фиксированных частот в определенном частотном диапазоне не может бесконечно увеличиваться, поэтому радиотелефоны с близкими по частоте рабочими каналами начинают создавать взаимные помехи.

Ученые и инженеры разных стран пытались решить эту проблему. И вот в середине 40-х годов исследовательский центр Bell Laboratories американской компании AT&T предложил идею разбиения всей обслуживаемой территории на небольшие участки, которые стали называться сотами, (от англ. cell - ячейка, сота). Каждая сота должна была обслуживаться передатчиком с ограниченным радиусом действия и фиксированной частотой. Это позволило бы без всяких взаимных помех использовать ту же самую частоту повторно в другой ячейке.Однако прошло более 30 лет, прежде чем такой принцип организации связи был реализован на аппаратном уровне. Причем в эти годы разработка принципа сотовой связи велась в различных странах мира не по одним и тем же направлениям.

Усилия по созданию безопасности мобильной телефонии и PMR (private dispatched mobile radio) были возложены на Федеральную Комиссию Связи (FCC), которая рассматривала ряд радиовещательных служб как наиболее социально ответственных. Политические веяния способствовали росту популярности мобильной телефонии и PMR в 1968 году, когда комиссия согласилась рассмотреть возможность использования высокочастотных телеканалов 70-83 (ширина полосы частот 800-МГц) для нужд мобильной телефонии. К тому времени в США насчитывалось около 70 000 пользователей мобильных телефонов

В 1971 году AT&T Bell Laboratories, Murray Hill, N.J., предложили концепцию сотовой системы, как более предпочтительную архитектуру мобильной телефонной системы (AMPS). Идея была интригующей и призывала поместить основную станцию на большую высоту над городом, а ее менее мощные копии поближе к земле на обширном пространстве. Каждая ячейка была копией упакованной радиоустановки, нагрузка линий связи каналов которой проходила упаковкой команд контроллера по предназначенным каналам управления.
Сотовая концепция добавляла пространственное измерение к простой частото-упаковывающей модели. Плоские маломощные ячейки были связаны через переключающий центр и управляющую функцию.
Уменьшение области действия каждой ячейки требовало повтора частот. Ячейки, использующие тот же набор радиоканалов, могли бы избежать взаимного вмешательства, если бы они были на достаточном расстоянии друг от друга. Вмешательство ячеек пропорционально не расстоянию между ними, а коэффициенту отношения этого расстояния к радиусу ячейки. С тех пор, как радиус ячейки стал пропорционален мощности передатчика, системные разработчики имеют большую свободу действий в определении количества радиоканалов, необходимых для клиентов. Большее число радиоканалов может быть добавлено к системе простым уменьшением мощности передачи ячейки, уменьшением размера ячейки, и заполнением свободной области новыми ячейками.

В конце 70-х годов начались работы по созданию единого стандарта сотовой связи для 5 североевропейских стран ≈ Швеции, Финляндии, Исландии, Дании и Норвегии, который получил название NMT-450 (Nordic Mobile Telephone) и был предназначен для работы в диапазоне 450 МГц. Эксплуатация первых систем сотовой связи этого стандарта началась в 1981 г. Но еще на месяц раньше система сотовой связи стандарта NMT-450 вступила в эксплуатацию в Саудовской Аравии.

Сети на основе стандарта NMT-450 и его модифицированных версий стали широко использоваться в Австрии, Голландии, Бельгии, Швейцарии, а также в странах Юго-Восточной Азии и Ближнего Востока. На базе этого стандарта в 1985 г. был разработан стандарт NMT-900 диапазона 900 МГц, который позволил расширить функциональные возможности системы и значительно увеличить абонентскую емкость системы.

В 1983 г. в США, в районе Чикаго, после ряда успешных полевых испытаний вступила в коммерческую эксплуатацию сеть стандарта AMPS (Advanced Mobile Phone Service), Этот стандарт был разработан в исследовательском центре Bell Laboratories.

В 1985 г. в Великобритании был принят в качестве национального стандарт TACS (Total Access Communications System), разработанный на основе американского стандарта AMPS. В 1987 г. в связи с резким увеличением в Лондоне числа абонентов сотовой связи была расширена рабочая полоса частот. Новая версия этого стандарта сотовой связи получила название ETACS (Enhanced TACS).

Во Франции, в отличие от других европейских стран, в 1985 г. был принят стандарт Radiocom-2000. С 1986 г. в скандинавских странах начал применяться стандарт NMT-900.

Все вышеперечисленные стандарты являются аналоговыми и относятся к первому поколению систем сотовой связи. Использование различных стандартов сотовой связи и большая перегруженность выделенных частотных диапазонов стали препятствовать ее широкому применению. Ведь иногда по одному и тому же телефону было невозможно из-за взаимных помех разговаривать даже абонентам, находящимся в двух соседних странах (особенно в Европе). Увеличить число абонентов можно было лишь двумя способами: расширив частотный диапазон (как, например, это было сделано в Великобритании - ETACS) или, перейдя к рациональному частотному планированию, позволяющему гораздо чаще использовать одни и те же частоты.

Использование новейших технологий и научных открытий в области связи и обработки сигналов позволило подойти к концу 80-х годов к новому этапу развития систем сотовой связи - созданию систем второго поколения, основанных на цифровых методах обработки сигналов.

С целью разработки единого европейского стандарта цифровой сотовой связи для выделенного в этих целях диапазона 900 МГц в 1982 г. Европейская Конференция Администраций Почт и Электросвязи (СЕРТ) - организация, объединяющая администрации связи 26 стран, ≈ создала специальную группу Groupe Special Mobile. Аббревиатура GSM и дала название новому стандарту (позднее, в связи с широким распространением этого стандарта во всем мире, GSM стали расшифровывать как Global System for Mobile Communications), Результатом работы этой группы стали опубликованные в 1990 г. требования к системе сотовой связи стандарта GSM, в котором используются самые современные разработки ведущих научно-технических центров. К ним, в частности, относятся временное разделение каналов, шифрование сообщений и защита данных абонента, использование блочного и сверточного кодирования, новый вид модуляции - GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying).

В США в 1990 г. американская Промышленная Ассоциация в области связи TIA (Telecommunications Industry Association) утвердила национальный стандарт IS-54 цифровой сотовой связи. Этот стандарт стал более известен под аббревиатурой D-AMPS или ADC. В отличие от Европы, в США не были выделены новые частотные диапазоны, поэтому система должна была работать в полосе частот, общей с обычным AMPS.

Одновременно американская компания Qualcomm начала активную разработку нового стандарта сотовой связи, основанного на технологии шумо-подобных сигналов и кодовом разделении каналов, - CDMA (Code Division Multiple Access).

В 1991 г. в Европе появился стандарт DCS-1800 (Digital Cellular System 1800 МГц), созданный на базе стандарта GSM. Великобритания сразу же приняла его в качестве основы для разработки уже упоминавшейся концепции PCN, что стало началом его победоносного шествия по континентам земного шара.

В развитии сотовой связи от Европы и США не отставала и Япония. В этой стране был разработан собственный стандарт сотовой связи JDC (Japanese Digital Cellular), близкий по своим показателям к американскому стандарту D-AMPS. Стандарт JDC был утвержден в 1991 Министерством почт и связи Японии.

В 1992 г. в Германии вступила в коммерческую эксплуатацию первая система сотовой связи стандарта GSM.

В 1993 г. в США после ряда успешных испытаний Промышленная Ассоциация в области связи TIA приняла стандарт CDMA как внутренний стандарт цифровой сотовой связи, назвав его IS-95. В сентябре 1995 г. в Гонконге была открыта коммерческая эксплуатация первой сети стандарта IS-95.

В Великобритании вступила в эксплуатацию первая сеть DCS-1800 One-2-One, которая насчитывает уже более 500 тыс. абонентов.

В России,. в Санкт-Петербурге, а затем и в Москве появились системы стандарта NMT-450i. А принятие в 1994 г. концепции развития сетей сухопутной подвижной связи стало мощным катализатором дальнейшего развития сотовой связи в национальном масштабе. И если с внедрением стандартов NMT и AMPS наша страна отстала лет на десять, то провозглашение стандарта GSM в качестве одного из двух федеральных стандартов (NMT и GSM) сократило этот временной разрыв примерно до трех лет.

Четкая ориентация на прогрессивные мировые технологии дает возможность России не отставать от ведущих стран мира в развитии современных систем подвижной радиосвязи. Не отстает Россия и по внедрению прогрессивного стандарта CDMA. Условия развития сетей CDMA в России определены приказом Министерства связи РФ №18 от 24 февраля 1996 г., где указано, что сети CDMA ориентированы на предоставление услуг стационарным абонентам. Не допускается (официально, но не технически) возможность их перехода из соты в соту, т. е. обеспечивается ограниченная подвижность абонентов. Первая сеть стандарта CDMA открыта в Челябинске, планируется запуск сетей CDMA в Москве и Санкт-Петербурге.

Дальнейшее развитие сотовой подвижной связи осуществляется в рамках создания проектов систем третьего поколения, которые будут отличаться унифицированной системой радио доступа, объединяющей существующие сотовые и бесшнуровые системы с информационными службами XXI в. Они будут иметь архитектуру единой сети и предоставлять связь абонентам в различных условиях, включая движущийся транспорт, жилые помещения, офисы и т. д. В Европе такая концепция, получившая название UMTS (универсальная система подвижной связи), предусматривает объединение функциональных возможностей существующих цифровых систем связи в единую систему третьего поколения FPLMTS (Future Public Land Mobile Telephone System, теперь IMT-2000) с предоставлением абонентам стандартизированных услуг подвижной связи. Работы по созданию международной системы подвижной связи общего пользования FPLMTS ведутся Международным союзом электросвязи. Для нее определен диапазон частот 1 - 3 ГГц, в котором будут выделены полосы шириной 60 МГц для стационарных станций и 170 МГц - для подвижных станций. Начало испытаний наземных компонентов системы ожидается в 2000 г., а ввод с путниковой подсистемы FPLMTS в полосах частот 1980-2010 и 2170-2200 МГц - в 2010 г.

Принципиально новым шагом в развитии систем сотовой подвижной связи стали одобренные международной организацией стандартов (ISO) концепция интеллектуальных сетей связи и модели открытых систем (OSI). Концепция построения интеллектуальной сети используется сегодня для создания всех перспективных цифровых сотовых сетей с микро- и макросотами. Она предусматривает объединение систем сотовой подвижной связи, систем радиовызова и персональной связи при условиях оперативного предоставления абонентам каналов связи и развития услуг. Модели OSI интерпретируют процесс передачи сообщений как взаимодействие функциональных взаимосвязанных уровней, каждый из которых имеет встроенный интерфейс на смежном уровне.

Влияние мобильной связи на нашу жизнь довольно сложно переоценить. Мобильный аппарат есть у огромного количества людей. Он позволяет быть в курсе многих дел и событий: жив ли родственник, пришло ли сообщение на электронную почту...

Но так было не всегда. Сотовая связь создалась не одномоментно, ее появлению предшествовало долгое развитие. У нее есть своя история.

Начинается она, как ни странно, 7 мая 1895 года. Именно в этот день А.С. Попов осуществил первую в мире радиопередачу. Спустя год американский ученый югославского происхождения Тесла передавал радиосигналы уже на 32 км.

Следующим и, пожалуй, самым важным стоит отметить 1921 год. Именно в это время департамент полиции Детройта использовал частоту 2 Мгц в своей автомобильной системе радиосвязи. К сожалению, она работала только в одну сторону. Это было исправлено в 30-е годы. Были разработаны принцип амплитудной модуляции и двусторонние системы мобильной связи. В 1935 году качество речи значительно улучшилось благодаря изобретению принципа частотной модуляции. Это же привело и к появлению более миниатюрного оборудования с меньшим потреблением электроэнергии.

В 1947 году сотрудник из Bell Laboratories доложил о разработке концепции сотовой связи. А уже годом позже сотрудники этой же лаборатории изобрели транзистор, который позволил сделать все электронное оборудование, включая и приборы радиосвязи, миниатюрным.

А что же у нас в России? Мы тоже не отставали от остального мира.

Первая полностью автоматическая дуплексная система профессиональной мобильной радиосвязи с мобильными объектами была разработана в СССР в конце 50-х годов двадцатого века. Довольно долгое время «Алтай» (так называлась эта система) был единственной в стране системой мобильной связи с выходом в телефонную сеть общего пользования.

Прогресс не стоит на месте, и в 1969 году скандинавские страны пришли к соглашению о формировании специальной группы для изучения областей совместного действия в телекоммуникации и разработки рекомендаций для этой деятельности. Появилась первая международная группа стандартизации в области мобильной связи. Группа называлась NMT.

Работа специалистов была плодотворной, и уже в 1973 они определили свойства, позволяющие осуществлять мобильную связь как в пределах одной сети, так и между сетями. Это свойство легло в основу роуминга.

В 1981 году шведской компанией Эрикссон в Саудовской Аравии была введена в эксплуатацию первая в мире сотовая связь на основе аналогового стандарта NMT 450.

Спустя десять лет, в 1991 году, был представлен первый стандарт цифровой связи. Он же GSM. Через семь лет число абонентов мобильной связи по всему миру достигло 200 миллионов. Еще через год был выпущен стандарт пакетной передачи данных GPRS. И еще через год, в 2000 году, в Монако, на острове Мен и в Швеции построены первые тестовые сети 3G.

Вот такая долгая история у мобильной связи. Почти сто лет понадобилось для того, чтобы от первых простых разработок перейти к тому, что мы сейчас с удовольствием используем.