Развитие мобильной связи

Отправной точкой развития мобильной связи можно считать 17 июня 1946 года, когда в Сент-Луисе (США) телефонная компания AT&T и Southwestern Bell ввела в эксплуатацию первую радиотелефонную сеть для частных клиентов.

Используемая в то время элементная база основывалась на электровакуумных приборах, поэтому аппаратура была весьма громоздкой и предназначалась для установки в автомобили: желающих носить с собой 40-килограммовый телефон (без учета веса источника питания!) среди абонентов не нашлось. Несмотря на это, популярность такого вида связи стремительно росла. Однако при этом возникла еще одна проблема, более серьезная, чем вес аппаратуры — электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств. Радиотелефоны с близкими по частоте каналами вызывали столь сильные взаимные помехи, что требовался территориальный разнос двух радиосистем как минимум на 100 километров, чтобы можно было использовать одну частоту. Таким образом, ограниченность частотного ресурса стала первой серьёзной проблемой на пути широкого распространения мобильной связи.

В последующие три года произошли ещё два события, имеющие важное значение для развития радиотелефонной связи. Сотрудники лабораторий американской фирмы «Bell Laboratories» Уильям Шокли, Уолтер Браттейн и Джон Бардин разрабатывают первый полупроводниковый триод — транзистор. Это в дальнейшем позволило заметно уменьшить вес и размеры мобильных телефонных аппаратов. Параллельно с этим открытием, сотрудник этой же фирмы Д. Ринг предложил идею сотового принципа организации сетей мобильной связи. Такая схема решала проблему конфликта близких по частотам каналов и позволяла использовать их повторно. Идея, выдвинутая американским инженером, по сей день лежат в основе современных сотовых сетей.

После этого разработкой систем сотовой связи стали заниматься многие крупные производители радиотехники, но прошло более 20 лет прежде чем были реализованы первые сотовые сети.

3 апреля 1973 года в Нью-Йорке, начала работу первая станция сотовой связи, смонтированная на крыше 50 этажного здания Alliance Capital Building компанией Motorola. Она могла одновременно обслуживать 30 абонентов и соединять их с наземными линиями связи.

Эту дату можно считать днем рождения сотовой связи. Первый сотовый телефон, получивший название Dina-TAC весил 1,15 килограмма и имел размеры 22,5×12,5×3,75 сантиметра. Проект получился весьма затратным и имел скорее экспериментальное, чем коммерческое значение.

Первая по-настоящему коммерческая сеть была запущена гораздо позже — в мае 1978 года в Бахрейне. Две соты с 20 каналами в диапазоне 400 МГц обслуживали 250 абонентов. После этого сотовая связь начала своё триумфальное шествие по странам и континентам. Все больше государств понимали выгоду и удобства, которые она может принести.

Однако использование каждой страной своего собственного частотного диапазона приводило к тому, что владелец сотового телефона, выезжая за границу, не мог им воспользоваться. Кроме того, все существующие на тот момент системы были аналоговым (сегодня их принято называть системами первого поколения), что не позволяло обеспечить конфиденциальность разговора даже на самом примитивном уровне. Для решения всех этих проблем в 1982 году Европейская Конференция Администраций Почт и Электросвязи (СЕРТ) объединяющая 26 стран, приняла решение о создании специальной группы Groupe Special Mobile. Ее целью была разработка единого европейского стандарта цифровой сотовой связи. Было принято решение использовать частотный диапазон 900 МГц, а затем, учитывая перспективы развития сотовой связи в Европе и во всем мире — выделить для нового стандарта также и диапазон 1800 МГц. Новый стандарт получил название GSM — Global System for Mobile Communications. GSM 1800 МГц также носит название DCS-1800 (Digital Cellular System 1800). Первым государством, построившим сеть GSM, является Финляндия. Коммерческая сеть такого стандарта начала там функционировать с 1992 года. В следующем году в Великобритании заработала первая сеть DCS-1800 One-2-One. С этого момента начинается глобальное распространение стандарта GSM, определившего развитие сетей связи второго поколения.

Если аналоговые сети обеспечивали только передачу голоса, то второе поколение сотовых систем позволило предоставлять и другие услуги, самой известной из которых стала передача коротких текстовых сообщений — SMS (Short Message Service). Это двунаправленный сервис позволявший передавать текстовое сообщение с одного сотового телефона GSM на другой являлось, по сути дела, улучшенным аналогом пейджинговой связи. Помимо SMS-сервиса первые телефоны стандарта GSM позволяли передавать и другие не голосовые данные. Для этого был разработан протокол передачи данных, получивший название CSD (Circuit Switched Data — передача данных по коммутируемым линиям). Однако этот стандарт обладал весьма скромными характеристиками — максимальная скорость передачи данных составляла всего 9600 бит в секунду, и то при условии стабильной связи. Для передачи факсимильного сообщения этого вполне хватало, но бурное развитие Интернета в конце 90-х годов привело к тому, что многие пользователи сотовой связи пытались использовать свои мобильные трубки как модемы, а существующих скоростей для этого было явно недостаточно.

Для того чтобы хоть как-то удовлетворить потребность своих клиентов в доступе к сети Интернет, был введён WAP-протокол. WAP (сокращенное название Wireless Application Protocol) переводится как протокол беспроводного доступа к приложениям. В принципе WAP можно считать упрощенной версией стандартного Интернет протокола HTTP, приспособленного под ограниченные ресурсы мобильных телефонов: небольшие размеры дисплея, низкую производительность телефонных процессоров и малые скорости передачи данных. Однако HTTP не позволял просматривать стандартные Интернет-страницы. Они должны были быть написаны на языке WML, также адаптированном для сотовых телефонов. В итоге, абоненты сотовых сетей хотя и получили доступ в Интернет, но он оказался весьма «урезанным» и малоинтересным. Плюс к этому, для доступа к WAP-сайтам используется тот же канал связи, что и для передачи голоса, то есть пока вы загружаете или просматриваете страничку, канал связи занят, и с лицевого счета списываются те же деньги, что и во время разговора. Как следствие — достаточно интересная технология использовалась абонентами весьма редко. сотовый мобильный связь радиотелефонный Следствием дальнейшего развития сотовых сетей стала технология HSCSD (High-Speed Circuit Switched Data), которая обеспечивала вполне приемлемую скорость — до 43 килобит в секунду и у определенного круга пользователей пользовалась популярностью. Однако и она не избежала главного недостатка своего предшественника — данные все так же передавались по голосовому каналу.

Следующим шагом стало появление технологии GPRS (General Packed Radio Services) — это название можно перевести как система пакетной радиопередачи данных. В этой технологии каналы передачи голоса и данных разделены друг с другом, и в результате пользователь оплачивает не длительность соединения, а объем переданных и полученных данных. Помимо этого у GPRS есть еще одно преимущество — во время GPRS-соединения, телефон способен также принимать звонки и SMS-сообщения Кстати, с появлением GPRS вновь вспомнили и о WAP-протоколе, так как посредством новой технологии доступ к небольшим по объему WAP-страницам становится во много раз дешевле, чем по технологиям CSD и HSCSD.

С появлением GPRS сети сотовой связи вышли за пределы второго поколения — 2G. Расширенное использование неголосовых услуг практически привели к слиянию сотового телефона, компьютера и сети Интернет. Так используя возможности GPRS, был создан новый формат передачи сообщений, названный MMS (Multimedia Messaging Service — Сервис Мультимедийных Сообщений), который позволяет отправлять с сотового телефона не только текст, но и различную мультимедиа информацию (звукозаписи, фотографии, видеоклипы). Причем MMS-сообщение может быть передано как на другой телефон, поддерживающий этот формат, так и на ящик электронной почты. Увеличение мощности процессоров телефонов позволяет теперь загружать и запускать на нем различные программы. Владельцам мобильных телефонов не составляет труда подключится к сайту разработчиков Java2ME-приложений и закачать на свой телефон новую игру или другую необходимую программу.

Тем не менее, у компаний-разработчиков систем сотовой связи остаются проблемы, требующего своего решения. Несмотря на совершенную элементную базу, которая и не снилась создателям первых мобильных телефонов, непрерывное расширение действующих сотовых сетей связи и увеличение числа их пользователей по-прежнему создаёт трудности с обеспечением пропускной способности систем, качеством связи, экологической безопасностью и т. п. Эти трудности пытаются преодолеть в процессе проектирования новых сотовых сетей.

Блок сопряжения с линией связи осуществляет упаковку информации, передаваемой по линии связи на центр коммутации, и распаковку информации, принимаемой с него. В качестве линии связи используются радиорелейные, или оптоволоконные линии, если базовая станция и центр коммутации не расположены в одном месте. Контроллер базовой станции, представляющий собой мощный компьютер, управляет работой базовой станции, а также контролирует работоспособность всех её блоков и узлов. В целях повышения надёжности многое блоки и узлы базовой станции дублируются, и в её состав включаются источники бесперебойного питания.

Современной городской архитектуре свойственна плотная застройка повышенной этажности. В таких условиях возникают дополнительные проблемы в обеспечении надежной связи, обусловленные особенностями распространения сигнала и увеличением числа абонентов приходящихся на одну базовую станцию. Существует несколько путей их решения: увеличение рабочей частоты системы связи; использование секторных антенн (трех, шести, двенадцати секторов); уменьшение радиуса соты (сближение БС). Чтобы определить оптимальный радиус соты при установленном качестве связи необходимо задать целый комплекс параметров: мощности передатчиков, высоту размещения антенн, коэффициенты усиления антенных устройств; чувствительность мобильных приемников, сведения о морфоструктуре местности и т. п.

Перечислим основные, возникающие в связи с этим проблемы.

ПРОБЛЕМА ПЕРВАЯ.

В процессе проектирования необходимо оценить фактическую зону радиопокрытия базовой станции. Точный расчёт этого параметра весьма сложен и требует значительных трудозатрат. Поэтому на практике используют различные статистические модели, позволяющие определить напряженность поля, создаваемого сигналом в точке приема. Модели получили названия Кся-Бертони, Окамуры-Хаты, УолфишаИкегами и Ли.

Модель Окамура-Хаты, рекомендованная Международным Советом по Электросвязи основана на аналитической аппроксимации результатов практических измерений. Она наиболее проста и удобна в условиях равномерной городской застройки.

Модель Кся-Бертони позволяет учесть ряд дополнительных параметров и тем самым обеспечить большую точность расчета. Данная модель построена на основании уравнений волновой оптики и рассматривает различные механизмы распространения радиоволн в условиях города: распространение в свободном пространстве; дифракцию на кромках крыш зданий; отражение от стен, при котором складываясь в точке приема, лучи, пришедшие по различным путям, формируют суммарный сигнал.

Несмотря на то, что модель Кся-Бертони не учитывает ряд важных параметров (вид строительных материалов, различная ориентация улиц и т. п.), она дает наиболее простой и достоверный способ получения предварительных оценок уровня средних потерь в канале связи.

Модель Уолфиша — Икегами позволяет учесть суммарные потери за счет отражений от элементов зданий, потери при распространении в свободном пространстве и потери, обусловленные ориентацией улиц относительно направления прихода сигнала. Рис. 6. Антенна расположена ниже уровня крыш Модель Ли состоит из двух частей. Первая часть (регион-регион) используется для расчета потерь при распространении над относительно плоской поверхностью, без принятия во внимание её территориальных особенностей. Использование только этой части приводит к недостаточно точным результатам для холмистых регионов. Вторая часть (точка-точка) использует результат, полученный в первой части за основу и обеспечивает более точное предсказание исходя из выполнения условий прямой видимости. Если прямая видимость между приемником и передатчиком существует, то учитывается влияние отраженных радиоволн. Если условие прямой видимости не удовлетворяется, то моделируется дифракция радиоволн (огибание препятствий) вдоль пути распространения сигнала.

Данная модель может использоваться и для более общего случая, когда радиоволны распространяются в произвольных условиях. При этом должны быть известны коэффициенты кривизны поверхностей, и границы областей с соответствующими коэффициентами кривизны.

Как видим, универсальной и одинаково применимой для всех случаев модели не существует, поэтому расчет зоны радиопокрытия базовой станции остаётся сложной расчетной задачей.

ПРОБЛЕМА ВТОРАЯ.

Помехи радиоприему. Для густонаселенных регионов весьма характерна значительная интенсивность помех искусственной природы, источниками которых служат:

• · электротранспорт и системы зажигания автомобилей;
• · промышленные электроустановки;
• · радиоэлектронные средства различного назначения (в частности, радиосистемы ближней навигации, полоса частот которых частично перекрывает диапазон сотовой связи). Особо следует отметить внутрисистемные (соканальные) помехи, обусловленные одновременной работой в одной полосе частот нескольких станций (например, абоненты, работающие на одной частоте в соседних кластерах).

Серьезные проблемы связаны также со специфическими условиями функционирования станций мобильной радиосвязи (мобильных телефонов), зоной действия которых являются, в основном, города и пригороды с различным характером застройки, интенсивностью движения транспорта, типом поверхности и т. п. В связи с этим в их работе проявляются следующие негативные факторы:

• · мобильная станция может находиться за пределами прямой радиовидимости базовой станции;
• · сигнал в точку приема поступает в результате многолучевого распространения, т. е. переотражения от многочисленных препятствий (здания, деревья, поверхность);
• · движение самой мобильной станции приводит к появлению доплеровского сдвига частоты.

Следствиями отмеченных факторов являются более резкое по сравнению со свободным пространством затухание сигналов в зависимости от расстояния, а также значительные перепады принимаемой мощности за счет изменения многолучевой интерференционной картины при перемещении абонентского терминала, что проявляется как замирание сигналов (абоненты перестают слышать друг друга). К основным причинам замираний относятся:

• 2. Второй причиной замираний являются случайные изменения ослабления радиосигналов на трассе. Например, при изменении метеоусловий. Эти изменения протекают значительно медленнее, чем интерференционные флуктуации.
• 3. Третий вид замираний, называемых поляризационными, связан со случайными изменениями поляризации (направления в пространстве векторов электрического и магнитного полей) электромагнитной волны в точке приёма. Этот фактор приводит к рассогласованию приемной антенны и вызывает случайные колебания уровня сигнала на входе приемника.

Для учёта названных факторов выполняются исследования в области разработки схем оптимального приема радиоволн в условиях многолучевости.

ПРОБЛЕМА ТРЕТЬЯ Необходимость использования секторных антенн базовых станций. Потребность в увеличении числа каналов привела к идее использования в комплектах базовых станций, так называемых, секторных антенн. Современные секторные антенны представляют собой линейные фазированные решетки. В качестве излучателя у них используется симметричный вибратор, который, как известно, относится к настроенным антеннам, т. е. работающим на одной частоте. Для обеспечения таким антеннам диапазонных свойств применяют утолщение «плеч» симметричного вибратора, что приводит к понижению общего волнового сопротивления из-за увеличения погонной емкости.

ПРОБЛЕМА ЧЕТВЕРТАЯ.

Потребность в увеличении числа каналов. В используемых системах сотовой связи на один канал предусмотрена полоса в 200 кГц. Соответственно в рабочем диапазоне 35 МГц образуется всего 124 канала. Аналогичная полоса частот предусмотрена для организации обратного канала в дуплексном режиме (абоненты слышат друг друга одновременно). Если сделать каналы более узкополосными, уменьшив соответственно ширину, например до 20 кГц, можно на порядок увеличить их общее число. Достичь этого можно путём разработки схемных решений по выделению и передаче в канале только характерных речевых особенностей или окраски речи, которая определяется её формантами.

Тем не менее, операторы сотовой связи предпочитают наращивать число каналов за счёт использования более высоких частот передачи. Это ведёт к снижению дальности радиосвязи. Например, на рабочей частоте 1800 МГц радиус зоны уверенного приема не превышает 2 км. Это значит, что базовые станции должны устанавливаться на минимальном удалении друг от друга. Создаваемая при этом плотность энергии поля в условиях города может негативно сказываться на здоровье его жителей, что наиболее характерно при размещении антенн на крышах жилых зданий.

Предельно допустимый уровень облучения устанавливается исходя из разрушительного действия уровня поля на организм человека с 100 кратным уменьшением его величины на основании неизменности реакции в больших пределах.

Секторные антенны, применяемые в настоящее время, обеспечивают излучение в пределах 60 градусов. Боковое и обратное электромагнитное поле у них исключено экранированием. При рабочей частоте базовой станции = 900 МГц ближняя зона её антенн составляет всего 35 сантиметров. Однако, по мере удаления от антенны поверхность облучения растёт, охватывая все близлежащие здания.

Очевидно, что целесообразным решением, в этом случае будет равномерное рассредоточенное размещение антенн нескольких базовых станций с малой мощностью излучения, вместо существующего сосредоточенного размещения антенн одиночных базовых станций.

ПРОБЛЕМА ПЯТАЯ.

Необходимость в экономичных источниках питания для абонентских сотовых телефонов. Большинство владельцев мобильных телефонов раздражает необходимость их регулярной подзарядки. Идеальным был бы аппарат, вовсе не требующий подпитки от внешней сети. Разработка таких мобильных устройств в настоящее время ведётся фирмой «НОКИА». Суть идеи состоит в следующем. В местах наибольшего скопления пользователей мобильной связи создаётся высокочастотное электромагнитное поле с частотой 500 МГц. Энергия этого поля заряжает аккумуляторы сотовых аппаратов, попадающих в область его действия. В результате такой принудительной подзарядки телефоны могут работать сколь угодно долго. С одной стороны решение очень полезное. В то же время, излучение дополнительной электромагнитной энергии в условиях мегаполиса ухудшает и без того сложную электромагнитную обстановку, приводит к созданию дополнительных помех работе радиоэлектронных средств, негативно сказывается на здоровье людей.

В этой связи полезно вспомнить о природной энергии, обеспечиваемой нам естественным атмосферным электричеством. Под действием солнечного излучения верхняя часть атмосферы Земли ионизируется, увеличивая свою электропроводность, и приобретает свойства проводящей сферы. Поверхность самой Земли также является проводящей. Между ними расположен изолирующий слой в виде земной атмосферы. В результате образуется сферический резонатор Земля — ионосфера, размер которого определяется длиной окружности по экватору и равен = 40 000 км. Под действием грозовых разрядов молний (не менее 100 разрядов ежесекундно) этот природный резонатор заряжается и возбуждает электромагнитное поле частотой, (- скорость света). Данный эффект был впервые объяснён немецким ученым Шуманом и получил название шумановского эффекта. Создаваемое электромагнитное поле пронизывает не только атмосферный воздух, но и стены зданий, и даже толщу земли (учитывая его высокую проникающую способность на столь низких частотах). При этом энергии поля, как показывают исследования японских учёных, вполне достаточно для подзарядки источников питания мобильных устройств. Правда, элементы питания, предлагаемые ими пока чересчур громоздки.

Поиск способа эффективно аккумулировать энергию атмосферного электричества в компактных абонентских устройствах позволит создать практически идеальный мобильный телефон, работающий сколь угодно долго в любых местах, куда проникают сигналы базовых станций.