Сотовые перспективы. От голубиных SMS до беспроводного телеграфа

Всю свою историю человек пытался облегчить и ускорить связь с себе подобными, в дело шло всё – от животных, до запечатанных бутылок, брошенных в море. Это продолжалось до 25 апреля 1895 г. В этот день, русский учёный Александр Степанович Попов обнародовал доклад про использование излучений электромагнитных волн для беспроводной передачи информации. Незадолго до этого им был проведён эксперимент, в котором Попов передал радиограмму на расстояние 250 м со словами „Генрих Герц”, именем немецкого учёного, работы которого и легли в основу беспроводной передачи. Была перевёрнута целая страница научно-технического прогресса, конные депеши остались в прошлом, в мир вошло радио, которое стала основой всех будущих производных беспроводных коммуникаций.

Современная мобильная связь и радиоволны взаимосвязаны также, как балерина с пуантами, или автомобиль с колёсами. Первое применение мобильной радиосвязи можно отнести к началу прошлого века, и называлась она в те времена радиотелеграф. В Северной Ирландии начала функционировать первая радиотелеграфная станция с мощностью 500 кВт. Позже, радиотелеграфом стали оснащать британский военный флот, порты. А тогдашний король Испании Альфонс лично содействовал при создании и открытии радиовышки, соединяющей Испанию с далёкими Канарскими и Болеварскими островами. В то время минута разговора между Лондоном и Нью-Йорком  стоила 7,5 центов за 5 минут. Но так-как спрос на радиосвязь рос, ею стали пользоваться не только в разговорных целях, но и использоваться коммерческими структурами, банками, газетами для передачи и получения практической информации – метеосводок, банковских котировок, экономических новостей и т.д.

А в 1921 г. полицейские Детройта начали использовать радиосвязь в автомобилях. Для этого использовались частоты в диапазоне 2 мГц, и по качеству она оставляла желать лучшего – помех было много и связь часто обрывалась.

От Рейгана с любовью

Но времена шли, и мобильная связь постоянно эволюционировала. Основные принципы работы сотового радиопередатчика, которые используются всеми современными мобильными телефонами были сформированы в 1946 г. в США, в г. Сант-Луинс. Нужно напомнить, что сотовый телефон представляет собой дуплексную радиостанцию ведущая обмен на различных частотах. В устройство входят принимающая и передающая части, они то и обеспечивают связь с базовой станцией или ретранслятором. Компания АТ&T Bell Laboratories изготовила телефоны, устанавливающиеся в автомобили. Естественно, аппаратура того времени была громоздкой и о «карманном» формате тогда даже и не заикались. Кроме того дозвон, процесс разговора и обслуживания, а также фиксированное количество абонентов были теми негативными факторами, из-за которых эта идея так и не нашла коммерческого внедрения. Но, идее был дан старт. Эта же компания, создала систему ячеек, или сот (cell) , которая и является одной из основ современной мобильной (сотовой) связи.

Мобильная связь стала развиваться семимильными шагами, после того как в лидеры по беспроводной телефонии пробилась американская компания Motorola, которая видела неудачи конкурента Bell, да и сама столкнулась с проблемой становления собственной мобильной сети. К тому же, примерно тогда была создана Федеральная Комиссия по Коммуникациям (Federal Communications Commissions, FCC), чиновники которой отличались изрядной консервативностью. Но менеджменту Motorola помог его величество случай. Директор и создатель Motorola Пол Галвин, имел выход на вице-президента Джорджа Буша. Галвин связался с Бушем и попросил его организовать экскурсию по Белому Дому. После экскурсии, Пол, как-бы невзначай предложил Бушу позвонить его жене, Барбаре. Буш взял мобильник из первое что он сказал жене: «Ты знаешь что я сейчас делаю? Я звоню по мобильному телефону!» После этого, Буш спросил Пола: «А Рон (Рональд Рейган) видел это?» На встрече с Рейганом, глава Motorola описал ситуацию, заметив что с промедлением, инициативу перехватят японцы. Это и послужило решающим фактором для Рейгана, давшему добро FCC.

С этого момента, судьба стала благосклонна к компании Motorola, она получила разрешение FCC, а за ней потянулись и другие желающие создать коммерческие сотовые сети, которым также выделялись частоты и которые стали покупать оборудование и телефоны от Motorola.

Галопом по европам

А что в Европе? После американского толчка, с конца 70-х европейцы также подключились к созданию своих сотовых сетей. Наибольшую активность, проявляли страны Северной Европы – Швеция, Норвегия, Дания, Финляндия, Исландия. В результате ими был разработан и внедрён первый европейский стандарт связи NMT-450 (Nordic Mobile Telephone), для функционирования в диапазоне 450 мГц. Стандарт сначала был апробирован в Саудовской Аравии, позже в Европе в различных частотных вариациях. Дальше, постоянно эволюционируя сотовая связь обзаводилась всё новыми и новыми стандартами. В 1983 г. в Чикаго появилась сеть AMPS (Advanced Mobile Phone Service), который был разработан Bell Laboratories, а двумя годами позже в Англии был принят стандарт TACS (Total Access Communications System), вариант американского AMPS.

Количество абонентов стало расти, и имеющиеся стандарты уже не могли качественно удовлетворять массовую популяризацию сотовой связи. Так, в Англии был внедрён новый стандарт НТАС.S (Enchanced TACS) позволяющий добавлять частоты, а Франция уже запустила свой Radiocom-2000. Позже, в 1986 г. появился стандарт NMT-900, с частотой 900 мГц, который позволял поддержку ещё большего количества абонентов, с явным улучшением стабильности сети.

Но все имеющиеся стандарты всё равно были аналоговыми, то-есть относились к сетям 1-го поколения (1G). Передача голоса происходила по принципу частотной и фазовой модуляции, по сути сотовые телефоны являлись радиопередатчиками. Продолжать наращивать частотный диапазон уже не соответствовало веяниям времени, да и сами телефоны ещё не отличались миниатюрностью. Производители вот-вот перешли от кейсо-чемоданного размера к прообразам телефонных трубок, которые из-за дороговизны микросхем, всё ещё весили не менее 1 кг. с соответствующим размером.

Но, ничто не вечно под Луной. Организация по почте и электросвязи СЕРТ, в составе 26 стран, в 1982 году создала исследовательскую группу Groupe Special Mobile, инициалы которой стали аббревиатурой нового цифрового стандарта мобильной связи GSM (Global System for Mobile Communications). В новом стандарте было реализовано много инноваций: многоканальный доступ с разделением по времени (TDMA), когда для станции выделяются таймслоты по 0,577 для передачи 2х57 бит, блочное кодирование, шифрование сообщений, модуляция GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying). И понеслось… Производной ступенью GSM, стал принятый в 1990 г. в США стандарт D-AMPS (ADC). Нельзя не упомянуть и про зарождавшийся стандарт CDMA, который отличается от GSM более широким разделением каналов, меньшим излучением (всего 10 мВт., аналогично FM-приёмнику). В 1991 г. в Европе был запущен DCS-1800 (Digital Cellular system), созданный на основе  GSM, в котором было реализовано решение проблемы перенаполнения соты, в этом же году в Японии вошёл в строй собственный стандарт JDC (Japanese Digital Cellular), чем-то похожий на американский D-AMPS.

Но Германия стала первой, кто развернул первую сеть 2-го поколения GSM, а первый телефон 2-го поколения предложила массовому покупателю компания Benefon ESC.

Растущая потребность в быстром и оперативном доступе в Интернет явилась основной причиной перехода на сети 2,5G. Главное требование предъявляемое к 2,5G это достижение максимальной скорости передачи данных. Для нас сети 2,5G в первую очередь ассоциируются с технологией GPRS (General Packet Radio System), EDGE (Enchanced Data for Global Evolution), 1xRTT (2,5G Data service), позволяющие передавать информацию со скоростью 384 Кбит/с., благодаря более эффективному использованию радиополосы и новым способам кодировки сигнала.

А что у нас, в России? Не смотря на то что наши радиоастрономы способны рассмотреть под каким кратером пьют свою бормотуху марсиане, а наши военные засекают запуск металлического шарика с американского космодрома, советская УКВ-радиоэлектроника практически не развивалась. Старт был дан в начале 90-х, когда появились первые FM-станции, первые операторы сотовой связи, официальные дилеры мировых производители мобильной техники, которые стали заполнять GSM-вакуум на территории нашей страны. Первым GSM-оператором мобильной связи на территории России стала компания «Дельта Телеком». Конечно, тогда в начале 90-х, мобильное общение было не из дешёвых – модель телефона стоила 2000$, подключение – ещё парочка тысяч, минута эфира стоила 1$. А предлагаемая модель телефона была 3-х килограммовая Nokia Mobira – MD 59 NB2.

Мобильные хроники

К середине 90-х годов рынок производителей сотовых терминалов уже сформировался, появилось больше участников. Так, небольшая финская компания Nokia,  представившая в 1987 г. свою первую модель сотового телефона, на данный момент занимает треть рынка по продажам телефонов. Сзади в затылок ей дышат Motorola, Samsung. Благодаря ужесточению конкуренции вводимые новшества касаются не только стандартов. Производители поняли, что функции трубки можно достаточно разнообразить. В 1993 г. Nokia анонсировала новый сервис передачи коротких текстовых сообщений SMS и в 1994 г. выпустила GSM-трубку с функцией приёма-отправки SMS.

Дальше составим такую хронологию заметных инноваций:

1994 г. – Ericsson наделила модулем Bluetooth гарнитуру handsfree (постепенное избавление аксессуаров от сугубо стандартных функций и наделение мультимедийными возможностями)

1996 г. – Motorola выпустила первый раскладной телефон Motorola StarТАС (начало поиска форм-факторных решений)

1998 г. – Qualcomm создан первый смартфон Qualcomm pdQ-800 (выход на бизнес-аудиторию потребителей)

2000 г. – Samsung выпустила первый телефон с поддержкой МР3 Samsung Uproar (начало мультимедийной «гонки вооружений»)

2001 г. – Samsung выпустила первый «женский» телефон SGH-A400 (пришло понимание что телефонная трубка – это имидж, безграничное поле для дизайнеров и креатива)

2001 г. – в испанских сетях появился первый вирус Timofonika (сигнал того что мобильные терминалы превращаются в мини-компьютеры)

2002 г. – Nokia выпускает первый видеофон Nokia 3650 (одна из беспроигрышных особенностей мультимедийной «гонки вооружений»)

2002 г. – Kyocera выпускает первый телефон со встроенным GPS-модулем Kyocera 7135 Smartphone (глобальное позиционирование наравне с интернет становятся неотъемлемой частью научно-технического прогресса)

2003 г. – Sony Ericsson анонсирует телефон с встроенным интернет-браузером Sony Ericsson Т616 (жизнь мобильных пользователей всё теснее связывается с мировой паутиной)

Дальше новшества сливаются в сплошной поток, поэтому отследить за новациями уже трудно. Да и не нужно. Ведь на данный момент, даже средний современный телефон наделён более богатой функциональностью, чем в периоды вышеперечисленных вех сотовой истории.

От видеофона к мелафону

Ну а всё-таки, каковы дальнейшие перспективыэтого динамичного и ошеломительно-быстро развивающегося сегмента коммуникационной индустрии?

Господствующие на данный момент сети 2,5G, хороши тем что они служат удобным мостиком для внедрения сетей рангом повыше, 3G и 3,5G. А работы по их внедрению в нашу жизнь ведутся очень активно не только в теории, но и на практике. Главная задача производителей мобильных терминалов и операторов – максимально связать Интернет и сотовые сети.  Так, готовится специальный комплекс Internet Gateway Router, который интегрирует сети WiFi, 3G, спутниковое вещание, сети Wi-MAX в единое целое. Под эту затею «подтачиваются» имеющиеся или вводятся новые стандарты 3G, такие как: CDMA 2000 (Code Division Multiple Access), UMTS (Universal Mobile Telecommunications Service), WCDMA (Wide CDMA). У этого семейства стандартов поколения 3G есть общее название – IMT-2000, главная задача которых – позволить мобильным устройствам обмениваться данными с максимально возможной скоростью, быть удобными в эксплуатации, поддерживать пакетную и канальную модуляцию, роуминг и т.д.

Но это с точки зрения компании-провайдера. А что сулит нам, простым пользователям новые поколения мобильных коммуникаций? Для простых пользователей, сети 3G предлагают новые сервисы, такие как потоковое вещание, видеозвонки, мобильное ТВ, быстрый доступ в интернет, удобные особенности для корпоративных и коммерческих структур. Также, в перспективе осуществление глобального роуминга, когда абонент будет досягаем в любой точке планеты.

На данный момент сети 3G активно развиваются на быстро-растущих рынках Азии. Так, по мнению экспертов покрытие сетей WCDMA к 2008 г. увеличатся до 90 млн. абонентов, в основном за счёт Азии, Японии и Европы. Массовый переход на UMTS, CDMA 2000, WCDMA произойдёт как только производители и операторы мобильной связи полностью переоснастят свой парк сетевого оборудования на новый.

Но постепенное внедрение связи третьего поколения, тянет за собой и поколение следующее. Сети 4G появятся вслед за 3,5G, уже известно что компания NTT DoCoMo вводит в эксплуатацию технологию HSPDA, которая позволит обмениваться данными со спутником при скорости 14 Mb/s. Некоторые операторы уже вовсю тестируют эту технологию, которая в силу своей эргономичности и адаптируемости не покинет рынок даже при массовом функционировании сетей 4G как минимум 5 лет.

Связь четвёртого поколения предусматривает не только интеграцию всех возможных сетевых компонентов в единое целое, но и максимально уплотняет доступный радиоканал. Для этого создаются специальные технологии, например технология ортогонального разделения кодированых сигналов, внедрение переменного фактора распространения (Frequency Division Multiplexing, VSF-Spread OFDM) и система множественного ввода/вывода (Multiple Input Multiple Output, MIME).

VSF-Spread OFDM способна передавать информацию задействуя одновременно несколько волновых диапазонов, увеличивая тем самым обьёмы передачи данных. MIME позволяет обмениваться данными одновременно по нескольким каналам. Но говорить о скором коммерческом внедрении описанных технологий пока всё-же рано.

Более подходящим «заменителем» технологий 4-го поколения на данный момент может стать стандарт Wi-MAX (IEEE802.16. Но и его нужно довести до ума, поскольку не каждый пользователь может позволить себе сопутствующее оборудование за 600$ и смутные перспективы скорости передачи информации.

На далёкую для НТП, но не далёкую для нас перспективу, нельзя не упомянуть EDGE Evolution, который позволит втрое увеличить свою пропускную способность передачи голоса и информации. К 2012 г. на долю стандарта EDGE Evolution придётся не менее 20% мирового сегмента мобильных сетей.

Сделаем некоторые выводы.

Новые стандарты 3G-3,5G, а именно WCDMA и EDGE Evolution предлагающие высокоскоростной пакетный доступ, станут де-факто общемировыми стандартами в ближайшие несколько лет. Большая роль в завоевании сотовой инфраструктуры будущего отводится HSPA (усовершенствованный WCDMA). Стандарт CDMA 2000 будет также использоваться, но его доля постепенно будет падать.

Сети 4G появятся не завтра, и их ресурсы будут исчерпаны не скоро. Заявленные на данный момент технологии этого поколения находятся на стадии разработки и пока можно утверждать что  возможности 4G не сильно отличается от уже реально осязаемых возможностей сетей 3G-3,5G . Например, среднестатистическому российскому пользователю для связи с Интернет вполне хватит 5-10 Мбит, доступные в некоторых городах уже сейчас через сети Wi-MAX и WiFi. Предлагаемые в будущем 100 Мбит нам пока не нужны с практической точки зрения, да и стоить это будет недёшево.

Поэтому, именно на основе сетей 3G мы ощутим всю прелесть нового тысячелетия – цифровое ТВ, кино, музыка, платёжные операции с карточками, видеосвязь с ближними всегда будут с нами. Под «крышей» Internet Gateway Router будет создаваться целая цифровая среда, обьединяющая не только пользователей трубок, но и их дома, предприятия, банковские счета, рабочие и домашние компьютеры и даже бытовые приборы. А учитывая что кроме ввода новых стандартов модельный ряд телефонов постоянно обновляется, в нашу жизнь будут вноситься всё новые краски.

В перспективе телефоны будут наделяться неожиданными качествами, даже «очеловечиваться». И не только за счёт искусственного интеллекта. Например, трубки смогут передавать запахи, а разрешающим способностям видеоконференций их дисплеев смогут позавидовать элитные плазменные панели. На полном серьёзе разрабатываются перспективы слияния мобильного телефона и человеческого тела.

А вообще всё идёт к тому что постепенно, мобильная связь будущего потеряет столь привычный нам атрибут – телефонную трубку. Носить её будет уже считаться неудобным. Вместо этого, роль переговорного устройства с собеседником может выполнять или перстень, или очки с проекцией функций на стекло, или вшитый в мочку уха модуль с мысленным управлением. В общем, ультрасовременный сейчас iPhone будет восприниматься нами как эдакий раритетный патефон на чердаке у бабушки.