XXI век точно нельзя представить без современных мобильных телефонов и сотовых сетей. Мы обращаемся к ним не просто ежедневно, а сотни и тысячи раз в день. Практически каждый раз, когда просто смотрим на свой смартфон или используем его любым возможным образом, полагаемся именно на сотовые сети, которые соединяют нас с тысячами таких же зевак. Скорее всего, и этот материал вы подгрузили через них и сейчас читаете в общественном транспорте или просто на улице.
Современные смартфоны впечатляют своей производительностью, экранами с миллионами разных цветов, громкими динамиками и камерами на десяток-второй мегапикселей. Но без доступа к сотовым сетям они превращаются в дорогие игровые консоли, фотоаппараты и медиаплееры. Далеко не каждый понимает, как устроена мобильная связь. Именно поэтому мы решили рассказать о ней на страницах нашего сайта. Это первая часть материала, которая введёт вас в курс дела.
Сотовая связь стала новым витком развития технологий
Сотовую связь по праву считают одним из главных изобретений человечества — круче только интернет или какое-нибудь колесо. Корни знаковой технологии достигают 20-х годов. Тогда некоторые американские полицейские участки использовали телефонную радиосвязь диапазона 2 МГц, чтобы передавать информацию о преступниках на приёмники в машинах патрульных. Её внедрили в 1921, а в 1933 году снабдили возможностью двустороннего общения.
В 1934 году Федеральная комиссия связи США разрешила использовать четыре канала в диапазоне частот 30–40 МГц для телефонной связи, и до 1940 года ей начали пользоваться больше десятка тысяч полицейских машин в разных районах страны.
В 1949 году элементы, напоминающие современную сотовую связь, использовались для работы службы такси в американском Детройте. В оговорённых местах водители могли переключаться на конкретные каналы для общения с диспетчерами.
Многие считают прообразом мобильной связи именно эти технологии, но они сильно отличалась от современных по принципу работы. А вот концепция сотовой сети, которую мы знаем сейчас, начала разрабатываться в 1946 году учёными из объединения Bell Labs. Она оказалась принципиально новым витком нашего технологического развития, поэтому реальные перспективы её внедрения стали появляться лишь спустя почти 30 лет — в начале 70-х. Тогда для неё удалось придумать актуальную архитектуру.
Американские инженеры предложили идею разделения территории на ячейки, в каждой из которых должна была быть расположена передающая сигнал станция. Но для её тестирования не было подходящего принимающего оборудования.
Здесь в игру вступила Motorola. В 1973 году один из ведущих инженеров компании Мартин Купер представил миру первый прототип мобильного телефона. Чтобы продемонстрировать работу новой технологии, он прямо с улицы совершил звонок руководству конкурентной компании и похвастал своими успехами. Это впечатлило всех, и компания тут же инвестировала в перспективный проект более 100 миллионов долларов. Начали появляться первые базовые станции.
Первым мобильником стал Motorola DynaTAC 8000, который получил сертификат FCC 21 сентября 1973 года. Он весил более 700 граммов, работал от одного заряда 30 минут, а заряжался около 10 часов. Ах да, стоил такой «динозавр» порядка 4000 долларов, но это не помешало ему стать популярным. Именно с помощью него впервые можно было позвонить, не пользуясь услугами операторов связи. Кстати, это и первое мобильное устройство, которое мог поднять один человек.
В 1974 году Федеральная комиссия связи США дала добро на использование полосы частот в 40 МГц в диапазоне 800 МГц (в 1986 году её расширили на 10 МГц) для мобильной связи. А в 1978 в Чикаго стартовали испытания сотовой сети для опытов с базой в две тысячи абонентов. Именно этот год можно считать началом практического применения нового типа связи. А вот коммерческое использование мобильной связи в США началось в 1983 году. Тогда в Чикаго мобильную связь уже могли использовать почти все.
Распространение мобильной связи в Америке обеспечил всемирно известный сейчас оператор AT&T. Он добился от властей лицензирования необходимых частот и построил первую сеть, которая охватила самые крупные американские города.
В Канаде мобильные сети начали использовать в 1978 году. А Японии их запустили в 1979, в Швеции, Дании, Норвегии и Финляндии — в 1981, в Испании и Англии — в 1982. До 1997 года сотовая связь уже охватила 140 стран мира.
Сотовыми сети называют из-за принципа расстановки вышек
Почему же связь называется именно сотовой? Ответ, и это внезапно, очень прост — вся территория её покрытия делится на равномерные шестиугольники, похожие на пчелиные соты. В центре каждого сектора находится базовая станция.
Форма шестиугольника была выбрана из-за того, что именно она позволяет обеспечить одинаковые расстояния между вышками. Это положительно сказывается на качестве и стабильности сотовой связи и лишает базовые станции дополнительных нагрузок. Вышки сотовой связи активно общаются друг с другом, и в каждом из подобных шестиугольников абоненты получают одинаковые сигналы, которые позволяет нам не чувствовать разрывов соединения.
Шестиугольные ячейки напоминают пчелиные соты, поэтому и связь в итоге называют сотовой. Кстати, это название всё больше отходит на второй план — чтобы не усложнять, его заменяют понятием «мобильная».
SIM-карты предназначены для идентификации абонентов
Несколько десятков лет назад SIM-карт ещё не было. Тогда для идентификации мобильных телефонов в сотовой сети операторы использовали только присвоенные им на заводе номера ESN. Сначала даже казалось, что это на 100% правильное решение, но на практике всё было иначе. Когда абонент менял телефон, ему нужно было ехать в офис оператора, чтобы его зарегистрировать. Эта было дорого и стоило денег.
Нужно было что-то, что смогло бы отделить абонента от его оборудования. Так в 1991 году и появились модули Subscriber Identity Module или SIM-карты. Впервые они появились с приходом 2G. Они представляли собой полноценные компьютеры с процессорами, постоянной и оперативной памятью и модулем шифрования. Первые были размером с визитку, но быстро уменьшились в габаритах, а скоро вообще станут встроенными и перезаписываемыми — мы уже на пороге этого.
Мобильному телефону остался только номер IMEI (International Mobile Equipment Identity). Да, он участвует в работе системы на стороне сотового оператора, но к абоненту не привязан никаким образом. Эта схема исправно работает почти 30 лет.
На каждой SIM-карте хранятся серийный номер ICCID и PIN- и PUK-коды, ключи, идентификаторы и так далее. Важнее всего — международный номер абонента IMSI и уникальный ключ идентификации пользователя под названием KI. Когда мобильный регистрируется в сети оператора, он использует именно IMSI и KI. Когда SIM-карта установлена в телефон, смартфон или другой гаджет, она по факту становится частью телефона и связующим звеном с поставщиком услуг — мы уже рассказывали про это.
За 40 лет мы увидели пять поколений сотовых сетей
Каждое поколение сотовой связи несёт в себе значительные улучшения в сравнении с предыдущим. Это и частотность, и шифрование, и битрейт, и характер обслуживания пользователей. Сегодня мы стоим уже на пороге пятого.
Сеть первого поколения первоначально запустили в Японии в 1979 году. Популярность в Европе и США она получила уже в начале 80-х. Это единственная аналоговая сеть связи, и все последующие уже были цифровыми. 1G занимала частоты 800 и 900 МГц, поддерживала только голосовые звонки и работала отвратительно. Качество звука было ужасным, а вызовы можно было легко перехватить с помощью FM-демодулятора. Роуминг тогда ещё не придумали, а скорость сети составляла 2,4 Кбит/с.
Со временем и простым пользователям, и коммерческим организациям этого оказалось мало — мир начал переходить на цифровую передачу данных. В числе её преимуществ оказались хороший звук, защита от прослушки и более высокая скорость.
Сеть второго поколения в коммерческую эксплуатацию впервые запустила компания Radiolinja. Это случилось в Финляндии в 1991 году. Новый стандарт связи дал абонентам SMS, роуминг, конференц-связь. Максимальная скорость 2G составляла 50 Кбит/с.
После старта второго поколения мир высоких технологий переживал настоящую революцию. Всё больше пользователей интересовались мобильным интернетом. Благодаря нему со временем появились стандарты GPRS и EDGE (2.5G) — они передавали данные на скорости от 115 Кбит/с до 384 Кбит/с соответственно. Это позволило абонентам проверять свою электронную почту прямо с мобильника, что ранее казалось чем-то совершенно невозможным. Дальше было только больше.
Сеть третьего поколения не заставила себя долго ждать. Это было связано с активным внедрением технологии UMTS — универсальных мобильных телекоммуникационных систем, которые поддерживали видеовызовы.
Именно тогда начали появляться различные приложения для чатов, электронной почты, видеосвязи и социальных сетей, веб-браузеры стали более быстрыми и функциональными. Их ввели в коммерческую эксплуатацию в 2001 году. В 3G повысилась эффективность использования частотного спектра за счёт улучшения сжатия звука во время разговора. Поэтому в одном и том же диапазоне частот могло происходить намного больше вызовов одновременно.
Сеть четвёртого поколения была разработана как улучшенная версия более старых сетей. Этот стандарт предлагает ещё более высокую скорость передачи данных и поддерживает все современные мультимедийные сервисы.
Все данные, включая голосовые вызовы, могут передаваться с помощью IP-пакетов. Для увеличения пропускной способности входящей и исходящей линии используются совершенно новые технологии вроде WiMax. Скорость передачи данных у этого стандарта сети благодаря ему поднимается до 1 Гбит/с. Главным недостатком 4G остаётся только недостаточное внедрение в большинстве стран мира. Обычно в больших городах сеть уже работает, а в маленьких нет.
Сеть пятого поколения обещает значительное улучшение передачи данных, меньшую задержку при соединении и другие улучшения. Полноценная эксплуатация стандарта начнётся в течение следующих нескольких лет.
Новый стандарт связи будет бережнее относиться к заряду аккумулятора. Максимальная скорость 5G будет достигать 35 Гбит/с, что в 35 раз быстрее, чем у четвёртого поколения. Значительно уменьшится задержка — это даст возможность обрабатываться тяжёлые операции на удалённых производительных серверах и моментально передавать на мобильные устройства. Тогда необходимость в их невероятной производительности отпадёт везде, где будет покрытие сотовой сети.
Во второй части вы узнаете о сотовой связи ещё больше
Мы разделили материал «Как устроена сотовая связь» на две части. Это первая, и здесь мы копнули в её историю, рассмотрели развитие мобильных сетей по поколениям и прикинули их дальнейшие перспективы в недалёком будущем.
В следующей части мы поговорим про базовые станции, которые находятся в центре пресловутых сот. Мы расскажем, что они собой представляют, могут ли быть опасными для нашего с вами здоровья, а ещё почему не всегда исправно работают.
