Сотовая связь: какой мы увидим её завтра

Желание сделать связь повсеместной и доступной - причина, породившая создание и эволюцию сотовой связи. Первая попытка реализовать мобильную телефонию была предпринята в 1946 году в американском городе Сент-Луисе. Тогда был создан простой шестиканальный приёмо-передатчик. Только спустя 24 года учёные вновь взялись за разработку "беспроводной" телефонии. Принципы построения и работы сотовой сети были  четко обрисованы в 1975 году. Детищем почти 10-летней работы стал стандарт NMT (Nordic mobile telephone), который был предназначен для работы в диапазоне 453.0 - 457.5 МГц и имел 180 каналов связи широтой по 25 КГц каждый. В 1978 году Данией, Финляндией, Исландией, Норвегией и Швецией NMT был введен в качестве стандарта.

Несколько позже появилась модификация NMT-900, которая работала на частоте 900 МГц и имела ряд преимуществ перед первым стандартом NMT-450. В частности, появилась возможность создавать малогабаритные мобильные телефоны и повысилось качество связи.

К началу  80-х годов были созданы телефонные аппараты, позволявшие с помощью приемо-передающих баз-посредников (базовых станций) совершать звонки на другие телефоны. Эти устройства принадлежат к первому поколению сотовой связи, или, как его еще принято называть сокращенно, 1G.

Один из первых телефонов стандарта NMT-450 производства Nokia

Мобильные телефоны первого поколения были размером немногим меньше среднестатистического чемодана и состояли из базы и отдельной трубки, которую практически нельзя было носить с собой. Сейчас трудно себе представить такое чудо техники, которое весило несколько килограммов, излучало 20-30 ваттный сигнал и имело антенну размером 30-40 сантиметров в длину. Максимальная скорость передачи голоса составляла 9.6 Kbit/s, а скорость передачи данных равнялась 1.9 Kbit/s. На западном рынке стандарт NMT был представлен несколько иными стандартами (AMPS advanced mobile phone service) и TACS (total access communications system). Недостатками аналогового стандарта NMT являются высокий уровень излучения, чувствительность к интерференции сигнала и низкий уровень обеспечения конфиденциальности передаваемых данных.

2G

Решить проблемы сотовой связи первого поколения был призван стандарт 2G, разработкой которого занялись ещё до публичного внедрения сетей NMT.

В 1982 году на прошедшей конференции почтовых и телеграфных служб Европы была сформирована группа Groupe Special Mobile, или сокращенно GSM, целью которой ставилось разработать надежную и простую систему наземной мобильной связи. Система должна была предоставлять высокое качество передаваемых звуковых данных, простоту построения и обслуживания сотовой сети, поддержку работы с портативными устройствами, такими как PDA, ноутбуки и прочие, возможность реализации не только локального, но и международного роуминга, открытость для разработки новых сервисов, совместимость с системами стандарта ISDN и эффективное использование радиоэфира.

Право продолжить разработку стандарта было возложено на Европейский институт телекоммуникационных стандартов. В середине 1990 года были представлены спецификации стандарта GSM-900, который уже расшифровывался как Global System for Mobile telecommunications. В будущем появился эволюционный стандарт GSM-1800, который использовал частоту 1800 МГц. Увеличение частоты радиосигнала в 2 раза позволило увеличить плотность абонентской базы в 4 раза.

GSM-900 накладывает некоторые ограничения на удаленность мобильного телефона от базовой станции, которая не может превышать 35 км даже при достаточной мощности сигнала. Это связано с отбраковыванием пакетов с просроченным временем жизни. У стандарта GSM-1800 зона охвата ещё меньше: порядка 6-10 км. NMT не имеет подобных ограничений и в идеальных условиях связь может быть осуществлена и на расстоянии 200 км (проверено на опыте). Следует отметить еще и тот факт, что уменьшение покрытия в 2 раза позволяет увеличить плотность абонентской базы в такое же количество раз. Известна особая конфигурация базовых станций, называемая Extended Cell, при которой дальность связи может быть увеличена до 70-100 км, однако при этом  количество одновременно обслуживаеых абонентов не может превышать 2-3.

Уникальностью нового стандарта GSM является именно то, что он впервые стал использовать цифровую сотовую систему, в отличие от уже существовавших аналоговых. Практическое его применение началось в 1991 году.  Скорость передачи данных в сети повысилась с 1.9 Kbit/s до 14 Kbit/s, что позволило использовать мобильный телефон, который к тому времени уже можно было назвать таковым, модем или факс, а также впоследствии пользоваться и WAP-сервисами.

Изначально в GSM была заложена большая гибкость относительно количества и спектра предоставляемых сервисов. Именно с приходом нового стандарта появился сервис коротких сообщений, или SMS. Услуга позволила обмениваться текстовыми сообщениями длиной до 160 символов. На основе протокола SMS появился так называемый broadcasting - рассылка новостей или другой требуемой информации всем абонентам сети. Дополнительную гибкость придало использование SIM-карт (Subscriber Identity Module), что позволило привязать к сети не сам телефонный аппарат, а небольшой модуль, содержащий международный идентификатор пользователя мобильных услуг.

Помимо GSM, распространение получили стандарты TDMA (time division multiple access),  CDMA (code division multiple access) и  PDC (personal digital cellular).         

TDMA

Расскажем несколько подробнее о технологии TDMA (Time Division Multiple Access) - Параллельный доступ с распределенным временем. В июле 1989 года TDMA был принят несколькими крупными мобильными компаниями США как замена существующим аналоговым стандартам, что можно считать первым вводом в коммерческую эксплуатацию подобных сетей.

TDMA - это технология передачи цифрового сигнала, которая позволяет избежать явлений интерференции и позволяет самым эффективным способом использовать радиосигнал. Принцип работы состоит в следующем - при звонке телефону выделяется частотный канал, который делится на равные микро-промежутки времени, называемые таймслотами. В момент, когда один телефон по каналу передаёт закодированный аудиосигнал  - остальные ждут своей очереди. В следующий промежуток времени передает следующий телефон и так далее. Таймслоты имеют такой размер, который позволяет незаметно для человеческого восприятия делить эфир. Достоинства TDMA:

• самый эффективный, простой и окупаемый стандарт для перехода от аналоговой передачи сигнала AMPS к цифровой;
• передача данных на скорости от 64 kbps до 120 mbps;
• отсутствие явления интерференции от других телефонов;
• продленное время работы от батарей, основанное на периодической посылке сигналов, в отличие от сетей 1G, где сигнал передаётся на протяжение всего эфирного времени;
• высокая ёмкость сети.

Наряду с достоинствами, у технологии есть свои недостатки:

• невозможность в некоторых случаях продолжать разговор при переключении между базовыми станциями;
• возможность интерференция от зданий вследствие передачи сигнала одновременно на несколько доступных базовых станций;

TDMA совместим со многими стандартами сотовых сетей, и его принципы используются в некоторых технологиях сетей третьего поколения. Заложенные при его создании гибкость, надежность, масштабируемость повлияли на распространение стандарта, который частично используется в европейском GSM и технологиях сетей 3G и 3.5G. 

CDMA

Стандарт CDMA можно назвать прямым конкурентом TDMA. Принцип, по которому передается сигнал в этом типе сетей, относится к военным технологиям и используется в военных спутниках. Впервые сети CDMA появились все в тех же Соединенных штатах буквально на несколько месяцев позже TDMA, и до сих пор его модификации продолжают существовать и модернизироваться. Повышенная емкость сети и легкость построения обусловили быстрое распространение стандарта, и уже к 2003 году количество его пользователей составило более 150 000 000.

Принцип работы CDMA позволяет избежать явления интерференции, повысить количество одновременно обслуживаемых абонентов и защитить передаваемую информацию. Во время звонка информация в закодированном виде от телефона передаётся сразу на несколько доступных базовых станций, что позволяет выбрать самый «правильный» пришедший пакет. Кроме того, передаваемый сигнал распространён в частотно-временном пространстве, в отличие от других радио-технологий, где вся мощность сигнала концентрируется  на выбранных частотах или временных интервалах. Фактически в эфире будет слышен только шум, из которого крайне сложно выделить полезный сигнал, что придаёт этой технологии высокий уровень защиты от прослушивания. Скорость передачи данных в этом типе сетей варьируется от 9.6 Kbit/s до 1.23 Mbit/s.

Технология CDMA практически не имеет недостатков, обеспечивает высокую надёжность передачи данных и голоса, требуемый уровень защиты данных и бесшовное переключение между базовыми станциями. Принципы сетей CDMA широко используются в технологиях сетей третьего поколения.

2.5G

Приход на рынок сетей второго поколения и возникшая необходимость мобильного доступа в сеть Интернет обусловили развитие сотовой связи в направлении увеличения скорости передачи данных. Ещё в далёком 1985 году началась разработка семейства стандартов 2.5G, которые по сути дела являются надстройкой для сетей второго поколения. Нам стандарт 2.5G известен под аббревиатурой GPRS (general packet radio system), EDGE (enhanced data for global evolution), 1xRTT (2.5G CDMA data service). Максимальная скорость передачи данных, которую позволяют достигнуть эти стандарты, составляет 384 Kbit/s.

Технология GPRS позволяет одновременно разговаривать по телефону и передавать данные. Это стало возможно благодаря более эффективному использованию радиополосы и новым способам кодирования. Ещё одной особенностью сервиса стало отсутствие необходимости каждый раз дозваниваться до провайдера. Телефон всегда находится в режиме онлайн, но передает данные только тогда, когда это требуется. Эта схема работы позволяет обслуживать одновременно гораздо больше клиентов, чем в случае с использованием GSM сетей второго поколения.

Как у любой системы, у GPRS есть свои недостатки:

1. Максимальная теоретическая скорость, которую может достигнуть GPRS-соединение, составляет 172.2 Kbit/s. Реальная скорость редко поднимается выше 48-50 Kbit/s, что связано с избыточностью передаваемых даных, которая обеспечивает защиту от ошибок и содержит управляющую информацию;
2. GPRS использует неэффективную на сегодняшний день технологию модуляции GMSK (Gaussian minimum-shift keying). Более современный сервис EDGE использует более совершенную технологию 8 PSK (eight-phase-shift keying), что позволяет достигнуть более высоких скоростей передачи данных.

Главным же достоинством семейства 2.5G является возможность разрабатывать и внедрять совершенно новые сетевые сервисы, работа которых была бы попросту невозможна в предыдущем поколении стандартов. Средней для GPRS скорости в 48 Kbit/s вполне может хватить для общения с помощью IRC или IM-клиента, что на практике оказывается куда более удобно, чем обмениваться SMS, интернет-серфинга с помощью веб-браузеров и даже для онлайн-видео- или радиовещания. Но главное, что позволили осуществить сети 2.5G - положить начало процессу объединения Internet и сотовых сетей.