Жизнь без мобильной связи в нынешних реалиях просто невозможна — на ней подвязано очень много. И это не только смартфоны и телефоны, но и торговые точки, охранные сигнализации и даже светофоры управляются удаленно. В этой статье мы разберем подробно, как работает сотовая связь, и проведем небольшой экскурс в историю.
История беспроводной связи уходит корнями в XIX век, когда русский ученый Александр Попов в 1895 году продемонстрировал прибор для регистрации электромагнитных волн, который назывался — «грозоотметчик». Это устройство, предназначенное для обнаружения молний, по сути стало первым в мире радиоприемником. В сентябре того же года Попов модифицировал аппарат, заменив регистратор телеграфным аппаратом Морзе, что сделало его полноценным устройством беспроводной телеграфии. А ведь раньше для связи между городами прокладывали телеграфный кабель на столбах вдоль дорог…
Параллельно в Англии Гульельмо Маркони в 1896 году продемонстрировал передачу сигнала азбукой Морзе на расстояние 1,5 км, а к 1901 году осуществил первую радиопередачу между континентами. Эти открытия заложили физическую основу для будущей радиосвязи и, соответственно, мобильной.
Первые практические применения подвижной радиосвязи появились в 1921 году в Детройте, где полиция использовала одностороннюю диспетчерскую связь на частоте 2 МГц для связи с патрульными автомобилями. К 1940 году такой системой пользовались около 10 тысяч полицейских машин в США.
Мобильный телефон
Понятие «сотовая связь» появилось позже, об этом будет ниже. Настоящий прорыв в мобильной связи произошел после второй мировой войны. В 1946 году американская компания Bell Telephone Laboratories запустила первый коммерческий сервис мобильной связи — Mobile Telephone System (MTS). Эта система, работавшая на частоте 150 МГц, позволяла совершать звонки из автомобиля, но была симплексной (разговор велся поочередно) и требовала ручной коммутации через оператора.
Интересно, что в том же 1946 году советские инженеры Г. Шапиро и И. Захарченко провели успешные испытания автомобильного радиотелефона с радиусом действия до 20 км. Их система предполагала интеграцию с городскими телефонными сетями, но не получила широкого распространения — страна восстанавливалась после Великой Отечественной войны.
Важным этапом стало изобретение именно сотового принципа организации сетей. 11 декабря 1947 года Дуглас Ринг из Bell Labs выдвинул идею разбиения территории на небольшие зоны (которые и назывались соты), в каждой из которых размещалась бы базовая станция. Это позволяло многократно использовать одни и те же частоты в разных сотах, значительно увеличивая емкость системы. Но до настоящего прорыва было еще очень далеко.
Кстати, СССР внес значительный вклад в развитие мобильной связи. В 1957 году московский инженер Леонид Куприянович создал первый в мире переносной мобильный телефон ЛК-1 весом 3 кг с радиусом действия 20-30 км.
Уже в 1958 году он представил усовершенствованную модель весом всего 500 грамм, а к 1961 году – карманный вариант весом 70 грамм с дальностью связи до 80 км. Но опять же, несмотря на уникальную разработку, всерьёз особо никто не воспринял такое чудо, как беспроводной телефон.
Еще более впечатляющим достижением стала советская система «Алтай», разработанная Воронежским НИИ связи и введенная в эксплуатацию в Москве в 1963 году. Это была первая в мире полностью автоматическая система мобильной связи, позволяющая абонентам совершать звонки из автомобилей без участия оператора. Система автоматически находила свободный канал, устанавливала соединение и соединяла абонентов с городскими, междугородными и даже международными линиями.
К 1970 году «Алтай» работал в 30 городах СССР, а к середине 1970-х — уже в 114 городах. Одна базовая станция, установленная на высотном здании, могла обеспечивать связь в радиусе 50-60 км, а в некоторых случаях — до 100 км. Система активно использовалась во время Олимпиады-80 для репортажей журналистов. Но «Алтай» не был массовым — в основном им пользовались крупные директора предприятий и партийные работники. Примечательно даже то, что «Алтай» редко использовали спецслужбы, у них была своя связь.
Коммерческие сотовые сети
Первый символический звонок по портативному сотовому телефону совершил 3 апреля 1973 года Мартин Купер, руководитель подразделения мобильной связи Motorola. Но полноценное коммерческое внедрение сотовых сетей началось позже. В мае 1978 года в Бахрейне телефонная компания Batelco запустила первую в мире коммерческую сотовую сеть из 2-х сот с 20 каналами в диапазоне 400 МГц, обслуживавшую 250 абонентов.
В октябре 1983 года компания American Telephone and Telegraph (AT&T) запустила первую автоматическую коммерческую сотовую сеть в Чикаго по технологии AMPS (Advanced Mobile Phone System). Она являлась аналоговой системой с частотным разделением каналов (FDMA), ставшей стандартом первого поколения (1G). Никакого шифрования не было — можно было «подслушивать» чужие разговоры.
Но в Европе развитие пошло по другому пути. В 1982 году была создана группа Groupe Special Mobile (GSM), которая разработала единый цифровой стандарт для всей Европы. Первая сеть GSM была запущена в Германии в 1992 году.
Этот стандарт, позже переименованный в Global System for Mobile Communications, стал основой для сетей второго поколения (2G) и ввел такие инновации, как SMS-сообщения и роуминг между странами. В 2G технология уже цифровая — связь хоть и можно прослушать, но сложно. К тому же качество заметно улучшилось — связь или есть, или ее нет.
В рамках этой статьи можно вспомнить еще пейджинговую связь, которая была распространена в 70-х, 80-х и 90-х — пейджер, который является небольшим приемником, был способен принимать текстовые или звуковые сообщения. Примечательно то, что для пейджинговых сетей не нужна была сеть передающих станций — устройство было примитивное и обеспечивало только прием какой-либо информации.
Принцип работы современных сотовых сетей
Начиная с сотовых сетей 3-го поколения (3G) мы уже можем наблюдать современную сотовую связь. Ключевая особенность — разбиение территории на ячейки (соты), каждая из которых обслуживается своей базовой станцией. При совершении звонка телефон устанавливает соединение с ближайшей базой. Далее сигнал уже передается между другими базами в центр коммутации до конечного абонента. Если вдруг абонент перемещается, то система автоматически и очень быстро переключает сигнал на другую базу.
Сотовая связь использует различные технологии разделения каналов:
- FDMA (Frequency Division Multiple Access) — частотное разделение, применялось в аналоговых сетях 1G;
- TDMA (Time Division Multiple Access) — временное разделение, используется в GSM;
- CDMA (Code Division Multiple Access) — кодовое разделение, применяется в стандартах 3G;
- OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) — ортогональное частотное разделение с множественным доступом. Это ключевая технология в нисходящем канале (от базовой станции к абоненту). Используется в 4G;
- Flexible OFDMA — это усовершенствованная версия OFDMA, используемая в 5G, которая поддерживает переменную ширину поднесущих (15–240 кГц) для адаптации к разным сценариям связи. Она обеспечивает более гибкое распределение ресурсов между пользователями и сервисами (eMBB, URLLC, mMTC). Технология повышает спектральную эффективность и снижает задержки по сравнению с классическим OFDMA в 4G.
Современные сети поддерживают не только голосовую связь, но и передачу данных с помощью технологий GPRS, EDGE, LTE и 5G, обеспечивая доступ в интернет, видеозвонки и другие мультимедийные сервисы.
Немного подытожим
- 1G (1980-е) — аналоговые системы (AMPS, NMT) только для голосовой связи. Имели низкую емкость и плохую защиту от помех и были уязвимы к прослушиванию.
- 2G (1990-е) — цифровые системы (GSM, CDMA) с улучшенным качеством связи, SMS-сообщениями и базовой передачей данных. В России первые GSM-сети появились в 1994 году.
- 3G (2000-е) — высокоскоростная передача данных (UMTS, CDMA2000) для мобильного интернета, видеозвонков и мультимедеа. Скорость до нескольких Мбит/с.
- 4G (2010-е) — полностью IP-ориентированные сети (LTE) с скоростями до сотен Мбит/с, низкими задержками, поддержкой HD-видео и онлайн-игр. Самый популярный стандарт в мире, использующийся во многих странах.
- 5G (2020-е) — сверхвысокие скорости (до 10 Гбит/с), минимальные задержки, поддержка интернета вещей, виртуальной реальности и других инновационных сервисов. Внедрение 5G идет пока не очень быстро, но в Китае уже придумали 6G. Данный стандарт ожидается к 2030-му году.
Как вы уже поняли, сотовая связь использует радиочастоты и различные технологии, которые помогают нам пользоваться связью в том виде, в котором она есть сейчас. За несколько десятилетий мобильная связь очень быстро развилась — от примитивной аналоговой технологии до цифровой.
Возможно, пройдет время, и проводной интернет станет не нужным — с внедрением 5G и 6G кабельное соединение может остаться лишь у тех систем, которым нужна стабильность — сервера и датацентры. Дальше сотовая связь будет только развиваться. Пройдет какое-то время, и базовые станции вовсе будут не нужны — радиосвязь будет устанавливаться со спутниками, которые расположены на низкой орбите.
