11.2. История развития сотовой связи

Идея сотовой связи была предложена в 1971 г. в США как ответ на насущную необходимость развития широкой сети подвижной радиотелефонной связи в условиях жестких ограничений на доступные полосы частот. Однако этому, как сейчас уже ясно, революционному скачку предшествовал 50- летний период эволюционного развития, в течение которого осваивались различные частотные диапазоны и совершенствовалась техника связи.

Первое использование подвижной радиотелефонной связи в США относится к 1921 г.: полиция Детройта использовала одностороннюю диспетчерскую связь в диапазоне 2 МГц для передачи информации от центрального передатчика к приемникам, установленным на автомашинах. В 1933 г. полиция Нью-Йорка начала использовать систему двусторонней подвижной радиотелефонной связи также в диапазоне 2 МГц. В 1934 г. Федеральная комиссия связи США выделила для радиотелефонной связи 4 канала в диапазоне 30...40 МГц, и в 1940 г. радиотелефонной связью пользовались уже около 10 тысяч полицейских автомашин. Во всех этих системах использовалась амплитудная модуляция. Частотная модуляция начала применяться с 1940 г. и к 1946 г. полностью вытеснила амплитудную. Первый общественный подвижный радиотелефон появился в 1946 (г. Сент-Луис, США; фирма Bell Telephone Laboratories), в нем использовался диапазон 150 МГц. В 1955 г. начала работать 11- канальная система в диапазоне 150 МГц, а в 1956 г. – 12-канальная система в диапазоне 450 МГц. Обе эти системы были симплексными, и в них использовалась ручная коммутация. Автоматические дуплексные системы начали работать соответственно в 1964 г. (150 МГц) и в 1969 г. (450 МГц).

Аналогичным образом, с естественными отличиями и в меньших масштабах, развивалась ситуация и в других странах. Так, в Норвегии общественная радиотелефонная связь использовалась в качестве морской мобильной связи с 1931 г.; в 1955 г. в стране было 27 береговых радиостанций. Наземная мобильная связь начала развиваться после второй мировой войны в виде частных сетей с ручной коммутацией. Таким образом, к 1970 г. подвижная радиотелефонная связь, с одной стороны, уже получила достаточно широкое распространение, но с другой – явно не успевала за быстро растущими потребностями при ограниченном числе каналов в жестко определенных полосах частот. Выход был найден в виде системы сотовой связи, что позволило резко увеличить емкость за счет повторного использования частот в системе с ячеечной структурой.

Отдельные элементы системы сотовой связи существовали и раньше. В частности, некоторое подобие сотовой системы использовалось в 1949 г. в Детройте (США) диспетчерской службой такси – с повторным использованием частот в разных ячейках при ручном переключении каналов пользователями в оговоренных заранее местах. Однако архитектура той системы, которая сегодня известна как система сотовой связи, была изложена только в техническом докладе компании Bell System, представленном в Федеральную комиссию связи США в декабре 1971 г. И с этого времени начинается развитие собственно сотовой связи, которое стало поистине триумфальным с 1985 г., в последние десять с небольшим лет.

В 1974 г. Федеральная комиссия связи США приняла решение о выделении для сотовой связи полосы частот в 40 МГц в диапазоне 800 МГц; в 1986 г. к ней было добавлено еще 10 МГц в том же диапазоне. В 1978 г. в Чикаго начались испытания первой опытной системы сотовой связи на 2 тыс. абонентов. Поэтому 1978 год можно считать годом начала практического применения сотовой связи. Первая автоматическая коммерческая система сотовой связи была введена в эксплуатацию также в Чикаго в октябре 1983 г. компанией American Telephone and Telegraph (AT&T). В Канаде сотовая связь используется с 1978 г., в Японии – с 1979 г., в Скандинавских странах (Дания, Норвегия, Швеция, Финляндия) – с 1981 г., в Испании и Англии – с 1982 г. По состоянию на июль 1997 г. сотовая связь работала более чем в 140 странах всех континентов, обслуживая более 150 млн. абонентов. В России сотовая связь начала внедряться с 1990 г., коммерческое использование – с 1991 г., к июлю 1997 г. число абонентов составило около 300 тысяч.

Несмотря на то, что история сотовой связи насчитывает лишь немногим более 25 лет, за этот период с ней успели произойти довольно существенные изменения (и не только количественные, но и качественные), которые продолжаются и в настоящее время. Это дает основание говорить, с известной степенью условности, о трех поколениях систем сотовой связи:

– первое поколение – аналоговые системы, уходящие в прошлое;

– второе поколение – цифровые системы сегодняшнего дня;

– третье поколение – универсальные системы мобильной связи недалекого будущего.

Все первые системы, или, как еще говорят, стандарты, сотовой связи были аналоговыми. К ним относятся:

– AMPS (Advanced Mobile Phone Sewice – усовершенствованная мобильная телефонная служба, диапазон 800 МГц) – широко используется в США, Канаде, Центральной и Южной Америке, Австралии; известен также как «североамериканский стандарт», это наиболее распространенный стандарт в мире, обслуживающий почти половину всех абонентов сотовой связи (вместе с цифровой модификацией D-AMPS, речь о которой впереди); используется в России в качестве регионального стандарта (в основном – в варианте D-AMPS), где он также является наиболее распространенным;

– TACS (Total Access Communications System – общедоступная система связи, диапазон 900 МГц) – используется в Англии, Италии, Испании, Австрии, Ирландии, с модификациями ETACS (Англия) и JTACS/NTACS (Япония); это второй по распространенности стандарт среди аналоговых; еще недавно, в 1995 г., он занимал и общее второе место в мире по величине абонентской базы, но в 1997 г. оттеснен на четвертое место более быстро развивающимися цифровыми стандартами;

– NMT 450 и NMT 900 (Nordic Mobile Telephone – мобильный телефон северных стран, диапазоны 450 и 900 МГц соответственно) – используется в Скандинавии и во многих других странах; известен также как «скандинавский стандарт»; третий по распространенности среди аналоговых стандартов мира; стандарт NMT 450 является одним из двух стандартов сотовой связи, принятых в России в качестве федеральных (второй – цифровой стандарт GSM 900);

– С-450 (диапазон 450 МГц) – используется в Германии и Португалии;

– RTMS (Radio Telephone Mobile System – мобильная радиотелефонная система, диапазон 450 МГц) – используется в Италии;

– Radiocom 2000 (диапазоны 170, 200, 400 МГц) – используется во Франции;

– NTT (Nippon Telephone and Telegraph system – японская система телефона и телеграфа, диапазон 800...900 МГц – в трех вариантах) – используется в Японии.

Во всех аналоговых стандартах применяются частотная модуляция для передачи речи и частотная манипуляция для передачи информации управления (или сигнализации – signaling). Для передачи информации различных каналов используются различные участки спектра частот – применяется метод множественного доступа с частотным разделением каналов (Frequency Division Multiple Access – FDMA), с полосами каналов в различных стандартах от 12,5 до 30 кГц. С этим непосредственно связан основной недостаток аналоговых систем – относительно низкая емкость, являющаяся прямым следствием недостаточно рационального использования выделенной полосы частот при частотном разделении каналов.

Этот недостаток стал очевиден уже к середине 80-х годов, в самом начале широкого распространения сотовой связи в ведущих странах, и сразу же значительные силы были направлены на поиск более совершенных технических решений. В результате этих усилий и поисков появились цифровые сотовые системы второго поколения. Переход к цифровым системам сотовой связи стимулировался также широким внедрением цифровой техники в связь в целом и в значительной степени был обеспечен разработкой низкоскоростных методов кодирования и появлением сверхминиатюрных интегральных схем для цифровой обработки сигналов. Вместе с тем переход к цифровым системам натолкнулся и на известные трудности.

В США аналоговый стандарт AMPS получил столь широкое распространение, что прямая замена его цифровым оказалась практически невозможной. Выход был найден в разработке двухрежимной аналого-цифровой системы, позволяющей совмещать работу аналоговой и цифровой систем в одном и том же диапазоне. Работа над соответствующим стандартом была начата в 1988 г. и закончена в 1992 г.; стандарт получил наименование D-AMPS, или IS-54 (IS – сокращение от Interim Standard, т.е. «промежуточный стандарт»). Его практическое использование началось в 1993 г. В Европе ситуация осложнялась наличием множества несовместимых аналоговых систем ("лоскутное одеяло"). Здесь выходом оказалась разработка единого общеевропейского стандарта GSM (GSM 900 – диапазон 900 МГц). Соответствующая работа была начата в 1982 г., к 1987 г. были определены все основные характеристики системы, а в 1988 г. приняты основные документы стандарта. Практическое применение стандарта началось с 1991 г. Еще один вариант цифрового стандарта, по техническим характеристикам схожий с D-AMPS, был разработан в Японии в 1993 г.; первоначально он назывался JDC, а с 1994 г. – PDC (Personal Digital Cellular – буквально «персональная цифровая сотовая связь»).

Но на этом развитие цифровых систем сотовой связи не остановилось.

Стандарт D-AMPS дополнительно усовершенствовался за счет введения нового типа каналов управления. Дело в том, что цифровая версия IS-54 сохранила структуру каналов управления аналогового AMPS, что ограничивало возможности системы. Новые чисто цифровые каналы управления введены в версии 13-136, которая была разработана в 1994 г. и начала применяться в 1996 г. При этом была сохранена совместимость с AMPS и IS-54, но повышена емкость канала управления и заметно расширены функциональные возможности системы. Стандарт GSM, продолжая совершенствоваться технически (последовательно вводимые фазы 1, 2 и 2+), в 1989 г. пошел на освоение нового частотного диапазона 1800 МГц. Это направление известно под названием системы персональной связи. Отличие последней от исходной системы GSM 900 не столько техническое, сколько маркетинговое при технической поддержке: более широкая рабочая полоса частот в сочетании с меньшими размерами ячеек (сот) позволяет строить сотовые сети значительно большей емкости, и именно расчет на массовую систему мобильной связи с относительно компактными, легкими, удобными и недорогими абонентскими терминалами был заложен в основу этой системы. Соответствующий стандарт (в виде дополнений к исходному стандарту GSM 900) был разработан в Европе в 1990 – 1991 гг. Система получила название DCS 1800 (Digital Cellular System – цифровая система сотовой связи; первоначально использовалось также наименование PCN – Personal Communications Network, что в буквальном переводе означает «сеть персональной связи») и начала использоваться с 1993 г. В 1996 г. было принято решение именовать ее GSM 1800. В США диапазон 1800 МГц оказался занят другими пользователями, но была найдена возможность выделить полосу частот в диапазоне 1900 МГц, которая получила в Америке название диапазона систем персональной связи (PCS – Personal Communications Systems), в отличие от диапазона 800 МГц, за которым сохранено название сотового (cellular). Освоение диапазона 1900 МГц началось с конца 1995 г.; работа в этом диапазоне предусмотрена стандартом D-AMPS (версия IS-136, но аналогового AMPS в диапазоне 1900 МГц уже нет), и разработана соответствующая версия стандарта GSM («американский» GSM 1900 – стандарт IS-661).

Все перечисленные выше цифровые системы второго поколения основаны на методе множественного доступа с временным разделением каналов (Time Division Multiple Access – ТDМА). Однако уже в 1992 – 1993 IT. в США был разработан стандарт системы сотовой связи на основе метода множественного доступа с кодовым разделением каналов (Code Division Multiple Access – CDMA) – стандарт IS-95 (диапазон 800 МГц). Он начал применяться с 1995 – 1996 гг. в Гонконге, США, Южной Корее, причем в Южной Корее – наиболее широко, а в США начала использоваться и версия этого стандарта для диапазона 1900 МГц. Направление персональной связи нашло свое преломление и в Японии, где в 1991 – 1992 гг. была разработана и с 1995 г. начала широко использоваться система PHS диапазона 1800 МГц (Personal Handyphone System – буквально «система персонального ручного телефона»).

Таким образом, основными цифровыми стандартами сотовой связи можно считать следующие:

– D-AMPS (Digital AMPS – цифровой AMPS; диапазоны 800 МГц и 1900 МГц); иногда употребляется наименование NA TDMA – «североамериканский ТDМА»;

– GSM (Global System for Mobile communications – глобальная система мобильной связи, диапазоны 900, 1800 и 1900 МГц)

– это уже второй по распространенности стандарт мира, обслуживающий более четверти всех абонентов;

– CDMA (Code Division Multiple Access – множественный доступ с кодовым разделением каналов, диапазоны 800 и 1900 МГц).

Что касается систем мобильной связи третьего поколения, то ведущаяся по ним работа еще далека от завершения, и их окончательный облик пока не определен. Можно, однако, утверждать, что сотовая связь будет продолжать развиваться, включая качественное совершенствование, и интегрироваться с другими видами подвижной связи, с расширением масштабов связи, вплоть до глобального. Мы вернемся к этому вопросу в разделе б, познакомившись предварительно в разд. 4 с такими видами связи, как мобильная спутниковая связь и беспроводной телефон. В последующих разделах мы рассмотрим подробнее и многие другие из затронутых здесь вопросов, в том числе методы множественного доступа и цифровой обработки сигналов, характеристики основных стандартов и современного рынка сотовой связи, а также прогнозы и перспективы ее дальнейшего развития.