Сотовая связь

Сотовая связь – набор методик, позволяющий использовать звонящему мобильный телефон.

История

Это интересно! Учёных-изобретателей опередил карикатурщик Льюис Баумер. Журнал Панч (1906 год) опубликовал прохаживающихся по Гайд Парку людей, использовавших переносные модели телефонов. Сюжет озаглавили «Ожидания 1907».

Телефоны развивались параллельно вещанию, связи. Первая попытка создания беспроводной модели предпринята (1908 год) совместными усилиями:

• Профессора Альберта Джанкла.
• Трансконтинентальной телефонной компании Окленда.
• Пауэр Компани.

Железные дороги

Массовое производство переносных радиостанций прогорело. Начиная 1918 годом, участок Берлин-Цоссен немецких железных дорог тестирует беспроводные телефоны. Шесть лет спустя линия Берлин-Гамбург предоставила приватным пассажирам аналогичный сервис. 1925 считают отравной точкой промышленного изготовления. Теперь пассажиры первого класса могу звонить абонентам, наслаждаясь прелестями путешествия.

Первые переносные радиостанции 40-х годов весили изрядно, больше напоминая солидных размеров рюкзак. США (Сант-Луис, Миссури) начали разработки коммерческих образцов 17 июня 1946 года. Вскоре компания AT&T анонсировала Мобильный телефонный сервис (МТС). Родилось сразу несколько разрозненных локальных операторов.

Говорит Москва!

Советский инженер Леонид Куприянович (1957-1961 г.г.) представил первые экземпляры устройств. Вес модели составил 70 г, вполне позволяя корпусу быть ухваченным ладонью. Правительство, призрев усилия москвича, отдало приоритет развитию автомобильной версии «Алтай», призванной обустроить тяжкий быт управленцев. Оборудование конструируемое Воронежским научным институтом связи включало МРТ-1327, пробная версия охватила столицу (1963). На 1970 год 30 городов получили возможности общения. Разновидность радиосвязи существует доныне в России.

Столичная выставка Инфорга-65 представила труд болгарской компании Радиоэлектроника. Идея используется поныне: деление приемопередающей аппаратуры. Тяжелую работу выполняет базовая станция, относительно маленькая трубка позволяет абоненту говорить в пределах территориально ограниченной области. Конструкция использовала задумки Куприяновича. Одна база служила опорной точкой максимум 15-ти абонентам. 1966 отмечен выходом коммерческой версии RAT-0,5, обслуживаемой точкой доступа RATZ-10.

Мобильная телефония прямиком выводит стандарт 0G, использованный зародившейся компанией МТС.

Первый оператор

Итак, начиная 1949 годом начинает действовать Мобильный телефонный сервис. Изначально (1946 год), предшествуя формированию подразделения, компания AT&T начала оборудовать просторы США. Спустя пару лет, блага цивилизации получили тысячи городов, высокоскоростных трасс. Однако число абонентов составило 5000. Еженедельно совершали 30.000 вызовов. Бытовала ручная коммутация каналов оператором. Вес снаряжения говорящего составил 80 фунтов.

Первоначально компания предоставила три частотных канала, позволяя одновременно беседовать… трём абонентам города. Стоимость:

1. 15 долларов ежемесячно.
2. 30-40 центов за вызов. Учитывая инфляцию, современный абонент заплатит 3,5-4,75$.

Аналогичный сервис Великобритании назвали Служба радиофонов почтовых отделений. В 1959 году сеть охватила окрестности Манчестера, шесть лет спустя паутина окутала Лондон. Затем последовало подключение основных городов королевства. Операторы постепенно увеличивали скорость топтания на месте. IMTS прибавил частотных каналов, попутно снижая начальные 35 кг веса оборудования. Общее число абонентов США достигло 40000. Две тысячи ньюйоркцев делили 12 каналов. Желающим совершить звонок приходилось выжидать полчаса.

RCC

Radio Common Carrier считают основным конкурентом МТС. Сервис  успешно засорял эфир 20 лет (60-80-е годы). Появившиеся системы AMPS сделали оборудование компании устаревшим. Отсутствовало понятие роуминга из-за несовместимости стандартов:

1. Двухтоновая последовательная пагинация входящего вызова.
2. Тоновый набор.
3. Secode 2805 (тон вызова 2,805 кГц, напоминающий принцип действия оборудования МТС).

Часть телефонов задействовала полудуплексный режим (Моторола LOMO), другая – больше напоминала рации (серия 700 RCA). Мобильник Омахи становился грудой железа в штате Аризона. RCC игнорировали технический прогресс, пока конкуренты разрабатывали концепции роуминга.

Начиная 1969 годом, Центральная железная дорога Пенн снабдила поезда линии Нью-Йорк – Вашингтон мобильными радиостанциями. Система получила 6 каналов диапазона ДМВ 450 МГц. Великобританская система Кролик развила концепцию болгарских учёных. Максимальная дальность участка абонент-базовая станция составила 300 футов (100 метров). Ныне схожая технология, использующая 4G, запущена компаний Apple.

Перечень значимых сотовых операторов второй половины XX века

1. Норвежский OLT (1966 год).
2. Финский ARP (1971 год). Первый коммерчески успешный проект. Исследователи именуют оборудование компании 0G.
3. Шведский MTD (70-е).
4. Британский Рэдиколл (июль 1971).
5. Немецкие A-Netz (1952 год), В-Netz (1972).

Автомобильная шведская MTA (1956), разработанная Штуре Лауреном (Телеверкет) использовала импульсный набор. Исходящие вызовы были прямыми, ближайшую станцию входящих выбирал оператор. Оборудование сборное:

• Коммутаторы Эрикссон.
• Аппараты, базовые станции Радиоактиболагет (SRA) и Маркони.

Утроба корпуса полна реле, вакуумных ламп, вес составляет 40 кг. 1962 год принёс облегчение, явив второе поколение услуг В. Транзисторы снизили вес, система сигнализации DTMF разгрузила ресурсы. 1971 отмечен появлением MTD. Ресурс просуществовал 12 лет, оставив сиротами 600 подписчиков.

Развитие концепции сотовой связи

Вторая мировая война окончилась полным отсутствием стандартов, частот, выделенных каналов. Холодным декабрём 1947 года Дуглас Ринг, Раэ Янг, инженеры Лаборатория Белла, выдвинули идею сотовой ячейки. Два десятилетия спустя Ричард Френкель, Джоэль Енгель, Филипп Портер развили концепцию, разработав детальный план. Портер подчеркнул необходимость применения башен, оснащённых направленными антеннами. Выделенный главный лепесток резко снижал уровень интерференции. Портер первым выдвинул концепцию предоставления ресурсов по запросу, снижая число коллизий.

Ранние эксперименты исключали возможность оперативной смены соты. Принципы повторного использования частот, хэндовера, основы современной связи заложены в 60-е. Инженеры Лабораторий Белла, Амос и Джоэль младший, изобрели (1970 год) трёхсторонние сети, упрощая процесс хэндовера. План переключения абонентов обсуждался (1973) Флуром и Нуссбаумом, система сигнализации – Хахенбургом.

Переключение абонентов сотовой связи

Предшественники преимущественно щеголяли оборудованием, призванным порадовать транспортников. 3 апреля 1973 года Марти Купер (Моторола, США) сконструировал первую ручную версию, немедля позвонив конкуренту доктору Джоэлю Энгелю (Лаборатории Белла). Вес устройства длиной 23 см, шириной 13 см, толщиной 4,45 см составил 1,1 кг. Батарея заряжалась 10 часов, обеспечивая 30 минут полноценного общения. Шеф Купера сыграл ключевую роль, привлёкши внимание руководства Моторола.

Поколения связи

Развитие отрасли шло ярко выраженными волнами. Термин поколение настиг гонку на этапе 3G. Теперь словцо используют ретроспективно, обозревая былые заслуги.

1G – аналоговые соты

Концепция запущена (1979 год) японской компанией Ниппон телеграф и телефон (NTT), охватив метрополию Токио. Выполнив план пятилетки, инженеры покрыли сеткой острова архипелага. 1981 считается годом рождения датской, финской, норвежской, шведской систем связи NMT. Единый стандарт помог реализовать международный роуминг. США выжидал 2 года, лицезря европейские успехи. Затем чикагский провайдер Америтех, используя аппараты Моторола, начал захват рынка. Последовали аналогичные шаги со стороны Мексики, Канады, Великобритании, России.

Северная Америка (13 октября 1983 – 2008 г.г.), Австралия (28 февраля 1986, Телеком), Канада широко использовали AMPS; Великобритания – TACS; Западная Германия, Португалия, Южная Африка – С-450; Франция – Радиоком 2000; Испания – ТМА; Италия – RTMI. Японцы плодили стандарты неимоверно быстро: TZ-801, TZ-802, TZ-803. Конкурент NTT создал систему JTACS.

Стандарт включает цифровой вызов станции, однако передача информации полностью аналоговая (модулированный сигнал ДМВ выше 150 МГц). Шифрование отсутствовало напрочь, набивая монетой карманы частных детективов. Частотное деление каналов оставляло место незаконному клонированию устройств.

Мобильник DynaTAC 8000X Америтех

6 марта 1983 запущена разработка мобильника DynaTAC 8000X Америтех, стоившая компании состояние. Целое десятилетие устройство силилось достигнуть прилавки магазинов. Список желающих подписаться исчислялся тысячами индивидов, невзирая на явные недостатки:

• Время жизни батареи.
• Габариты.
• Быстрая разрядка.

Поколение телефонов позже успешно модернизировали, обеспечивая апгрейд к поколению 2G.

2G – цифровая связь

Появлением второй ступени развития отмечено начало 90-х. Сразу обозначились два главных конкурента:

1. Европейский GSM.
2. Американский CDMA.

Ключевые отличия:

1. Цифровая передача информации.
2. Внеполосный вызов вышки телефоном.

Эру 2G называют эпохой заказанных телефонов. Покупателей слишком много, производитель заранее собирал списки желающих. Первой сеть Радиолиния запустила Финляндия. Европейские частоты исторически выше американских, некоторые диапазоны 1G и 2G (900 МГц) накладываются. Устаревшие системы ускоренно закрывали. Американский IS-54 захватил прежние ресурсы AMPS.

IBM Simon принято считать первым смартфоном: мобильник, пейджер, факс, PDA. Программный интерфейс предоставлял календарь, адресную книгу, часы, калькулятор, блокнот, электронную почту, опцию предсказания следующего символа наподобие Т9. Тачскрин обеспечивал управление клавиатурой QWERTY. Комплект дополнял стилус. Карта памяти PCMCIA ёмкостью 1,8 МБ расширяла функционал.

2G сотовая связь

Наметилась тенденция минимизации аппаратов. Кирпичи начинали весить 100-200 г. Впервые оценены публикой СМС-сообщения. Первый (сгенерированный автоматически) GSM-текст послали 2 декабря 1992 года, в 1993 – произвели опробирование люди. Метод пакетной предоплаты вскоре сделал СМС общение популярной молодёжной забавой. Позже страсть охватила старшие поколения.

Появлением сервиса мобильных платежей (автоматы Кока-Кола, парковки), выходом платного медиаконтента ознаменован 1998 год: провайдером Радиолиния (ныне Элиза) продан первый рингтон. Изначально новостные подписки (2000 г.) распространяли бесплатно, сервис оплачивали рекламными взносами спонсоров. Появился защищённый доступ клиент-банк (1999, Филиппины), поддерживаемый операторами Глоуб, Смарт. Тогда же японская NTT DoCoMo реализовала телефонный интернет.

3G

Поколение 2G окончилось тотальной победой мобильных технологий. Повседневная жизнь миллиардов наполнилась вызовами. Инновационной идеей, призванной повысить скорость передачи данных, стала коммутация пакетов (вместо коммутации каналов). Разработчики отпустили вожжи производителям, сконцентрировавшись целиком на потребительских качествах. Сделанное явилось следствием внедрения сонма стандартов. Совместимый CDMA ввёл несколько улучшений:

1. Снижение времени установки соединения.
2. Повышение пакетной скорости (3,1 Мбит/с).
3. Флаги QoS.
4. Одновременное использование временного слота несколькими абонентами.

Первая сеть 3G WCDMA (май 2001, коммерческое использование, начиная 1 октября) охватила Токио. Южнокорейские конкуренты (KTF, SK Телеком) ждали 2002 года. Технология CDMA2000 1xEV-DO достигла берегов США, причём оператор Монет успел обанкротиться. Параллельно Япония обзавелась вторым набором пчелиных сот, благодаря Vodafone. Последовало общемировое внедрение технологии.

3G сотовая связь

Параллельно появлялись промежуточные этапы становления систем – 2,5; 2,75G, например, GPRS. Указанные средства обеспечивали часть требований 3G, упуская другие: CDMA2000-1X теоретически способен дать 307 кбит/с. Следом идёт технология EDGE, номинально соответствующая 3G. Практически максимальные пороги недостижимы ввиду наличия помех.

Постепенно телерадиокомпании осознавали возможности беспроводного цифрового вещания. Первыми пташками вылетели трансляции Disney, RealNetworks. Эволюция явила миру HSDPA (высокоскоростной нисходящий пакетный доступ) – усовершенствованный вариант HSPA. Стандарт признали равным 3.5G, маркетологи радостно употребляли аббревиатуру 3G+. Текущая версия поддерживает скорости загрузки данных 1,8; 3,6; 7,2; 14 Мбит/с. На исходе 2007 полных 295 млн. абонентов эксплуатировала сети повсеместно, составляя долю 9% общемирового спроса на услуги связи. Сверхприбыли (120 млрд. $) заставили изготовителей телефонов немедля модернизировать производственный конвейер: адаптеры, приставки ПК.

4G

Итоги 2009 бесстрастно показали: грядёт новая смена поколений, вызванная растущими запросами публики. Стали вести поиск технологий, десятикратно повышающих скорости передачи. Первые ласточки – технологии WiMAX, LTE.

Поколение 4G

Зараза молниеносно охватила Скандинавию, благодаря усилиям ТелиаСонера. Сетевая коммутация убрана бесповоротно, заменена IP-адресацией. ITU нормирует (март 2008) области:

1. Игровые приложения.
2. IP-телефония.
3. Интернет.
4. HDTV.
5. Видеоконференции.
6. Трехмерные трансляции.

Установлены скорости:

1. 100 Мбит/с – подвижные объекты (транспорт).
2. 1 Гбит/с – типичные мобильные приложения.

Учитывая сказанное, принадлежность типов связи LTE, WiMAX к 4G сомнительна. Эксперты заявили принципиальную невозможность достижения технологиями установленной планки. LTE-A номинально коснулась рубежа, провалив натурные испытания. Инженеры возлагают надежды на разрабатываемый WirelessMAN-Advanced. Один расклад везде: инженер работает, маркетолог хвалится. Так устроен мир.

Принцип действия

Сотовые сети эксплуатируют идеи контроля доступа к среде (MAC). Полный аналог проводной версии. Происходит мультиплексирование данных, обеспечивая экономию ресурсов. Конкретный дизайн протокола определяет физическая среда. Радиосигнал изменяется оптическими эффектами, погодными условиями, временем дня, года. Качество приёма постоянно флуктуирует. Очевидным решением выступает повышение мощности, однако мера одновременно усиливает явление интерференции. Количество ошибок растёт. Примерные соотношения:

1. Проводная сеть – количество ошибок менее миллионной доли.
2. Сотовая связь – число неправильных пакетов свыше тысячной доли.

Разница превышает три порядка. Терминалам приходится использовать полудуплексный режим. Энергия передаваемого пакета много выше принимаемого сигнала. Особенности схемотехники допускают наводки. Просачивание столь большой мощности в тракт приёма полнодуплексного устройства мешает расшифровке пакетов.

Схема с контролируемым доступом

Назначается контролёр операций, координирующий распределение ресурсов. Чаще роль выполняет вышка, точка доступа. Терминал исполняет заранее заложенную программу выделения каналов, частот, временных слотов, антенн. Гарантируется отсутствие конфликтов.

Система сотовой связи

1. TDMA. Временное деление.
2. FDMA. Деление по частоте.
3. OFDMA. Ортогональный доступ по частоте.
4. SDMA. Пространственное деление.
5. Poll.
6. Token Ring.

Динамическое выделение ресурсов даёт неоспоримые преимущества тяжело загруженным сетям. Потому что протоколы со свободным доступом львиную долю времени тратят, предотвращая коллизии. Терминал проверяет поочерёдно активность абонентов, используя алгоритмы случайных числе, предоставляя желающим передать информацию слоты.

Общим недостатком схем контролируемого доступа считают сложность покрытия сотами протяжённых областей. Много места занимают служебные пакеты информации.

Частотное деление

Эволюционно старейшая технология сотовой связи. В пределах сессии запрос получает уникальную частоту. Пустующий канал помечается соответствующим идентификатором, позволяющим дальнейшую раздачу ресурса.

Метод эксплуатируют узкополосные системы, где длина символа существенно превышает среднее время доставки сообщения. Переменный битрейт требует модификации метода, выделения полосы сообразно ширине спектра сигнала. Зато частотное деление позволит организовать дуплексный канал.

Временное деление

Контролёр выделяет абоненту фиксированный интервал времени. Без учёта загруженности слота.

Мультиплексирование по ширине спектра сигнала

Схема комбинирует временное и частотное деление. Выделяют 2 дочерних вида:

1. Псевдослучайная перестройка. Текущие частотные, временные каналы составлены полосой узких отрезков. Абонент, вещающий узкополосным сигналом, получает слот. Время выделяется целиком, частота выделяется свободная (может изменяться) в текущий момент. Смена частоты может происходить несколько раз на длительности одного бита информации.
2. Метод прямой последовательности. Бит кодируется псевдошумовым сигналом (ПШС), модулирующим несущую. Спектр сильно расширяется, позволяя понизить отношение сигнал/шум. Сказанным исключается взаимная интерференция терминалов, понижается плотность мощности. Использование ПШС разрешает нескольким абонентам эксплуатацию единой частоты.

Ортогональное частотное деление

Электронная начинка приёмника выполняет обратное преобразование Фурье сигнала. Спектр приходят частями, передаваемый разнесёнными несущими. Параллельное использование нескольких узких каналов даёт шанс улучшить коэффициент использования ресурсов.

Протокол со свободным доступом

Терминал предоставляет ресурсы случайным образом. Отсутствие координации предполагает возникновение коллизий. Идеальный выбор сетей с низкой загрузкой. Иначе производительность системы резко падает. Зато аппаратная реализация отличается максимальной простотой.

1. ALOHA.
2. CSMA.
3. CSMA/CA.