Глава 2. Название главы

"Ватсон, говорит Белл! Если вы меня слышите, то подойдите к окну и помашите шляпой". Эта фраза, сказанная 145 лет назад, 10 марта 1876 года, была первой, которую произнесли по телефону. Говоривший — Александр Грехем Белл — стал известен всему миру как изобретатель устройства.

По статистике, одни только жители России сейчас совершают по 144 миллиона вызовов в день. А среднестатистический человек за один год звонит по телефону почти полторы тысячи раз.

Телефон раздора

На самом деле, с историей изобретения телефона не все так однозначно. В начале 1850-х житель Нью-Йорка Антонио Меуччи (см. Рисунок 12) обнаруживает, что электрический ток якобы положительно влияет на здоровье людей. Он конструирует генератор и открывает частную практику. Однажды Меуччи подсоединил провода к губам пациента, а сам перешел в отдаленную комнату, где находился генератор. Когда врач включил устройство, то услышал крик пациента так отчетливо, словно стоял рядом с ним. Меуччи бросил лекарское дело и стал экспериментировать с устройством. К началу 1870-х он уже создал чертежи аппарата, который назвал телектрофоном. В 1871 году итальянец собрался зарегистрировать свое изобретение, однако это у него не получилось. По одной версии, у бедного Меуччи не хватило $250, чтобы оплатить пошлину в Патентном бюро. По другой — бумаги, отправленные почтой, где-то потерялись. Третья же версия гласит, что документы выкрали по заказу компании Western Union, на которую, кстати, работал тот самый Александр Белл. Еще одним конкурентом "общеизвестного" изобретателя телефонной связи был человек по имени Элайша Грей. Он подал заявку в Патентное бюро на два часа позже Белла — впоследствии судебная тяжба между двумя инноваторами тянулась вплоть до 1893 года. Американская Фемида в итоге вынесла вердикт в пользу Белла. В самом первом телефонном аппарате не было звонка — его позже изобрел помощник Белла, тот самый Томас Джон Ватсон. (см. Рисунок 12)

Здесь все предельно просто. Когда абонент 1 снимает трубку с крючка и крутит прерыватель, чтобы в сети появился переменный ток, замыкается контур проходящий через Д1, М1 и С2 и З2. У абонента 2 раздается звонок, и он поднимает трубку замыкая К2 на контур с динамиком и микрофоном. Источники постоянного напряжения в линии поддерживают ток в цепи, а микрофон моделирует переменный ток, который позволяет работать динамику. Можно говорить.

Микрофон доработал Томас Эдисон. Он же придумал начинать разговор со слова "алло", то есть hello ("здравствуйте" по-английски). Впрочем, итальянцы и японцы отвечают на звонки по-другому: жители Апеннин говорят "пронто" ("готов, принимаю"), а граждане Страны восходящего солнца — "моси-моси" ("говорю-говорю").

История этого изобретения не обошлась и без россиян. В 1895 году Михаил Фрейденберг предложил миру концепцию автоматических телефонных станций (АТС), которые соединяли абонентов друг с другом без помощи девушки-оператора. Предложение оказалось невостребованным, профессия устояла — и ушла в прошлое гораздо позже, в середине XX века.

Телефонизация стремительно распространялась по миру. Первым городом, где аппараты стали появляться в квартирах состоятельных людей, стал Бостон, где жил и работал Белл. В 1879 году изобретение "переплыло" Атлантику: телефонная станция появилась в Париже, а в 1881 году поговорить с приятелем, не встречаясь с ним, стало возможно в Москве, Петербурге, Одессе, Берлине, Риге и Варшаве. К началу XX века планету начали опутывать международные и междугородние линии, а к 1910 году во всем мире было уже более 10 тысяч станций, которые обслуживали более 10 миллионов абонентов!

Телефон в те времена представлял собой сразу несколько устройств общим весом более 8 килограмм! Сам аппарат Белла выглядел как железный ящик с рычагом и одной или двумя трубками. В первом случае в трубке был только динамик, а разговаривать приходилось согнувшись, во втором — микрофон устанавливали в дополнительном рожке. К этому приспособлению прилагалась сигнальная доска, звонившая, стоило телефонистке вызвать абонента. Чтобы воспользоваться устройством, нужно было снять трубку, покрутить рычаг, который давал ток и "сообщал" машинистке на станции, что надо начинать разговор. Так и выглядел типичный диалог:

Абонент Иванов снимает трубку и крутит рычаг.

Телефонистка: "Станция слушает, что вам угодно?"

Абонент Иванов: "Говорит Иванов, 721. Соедините меня с номером 750".

Телефонистка: "Вызываю".

Телефонистка: "Ваш абонент занят, а когда он освободится, вам позвонят".

Иванов кладет трубку.

Через некоторое время в его квартире снова раздается звонок.

Абонент Иванов: "721, Иванов слушает".

Телефонистка: "Абонент 750 свободен, вызывайте".

Абонент Петров: "750, Петров слушает".

Абонент Иванов: "Говорит Иванов, 721".

Только после этого Иванов с Петровым начинали разговаривать.

Для вызова абонента "барышня" втыкала штекер в соответствующее гнездо на панели перед ней. Хорошая телефонистка умудрялась соединять абонентов меньше чем за 8 секунд. В 1882 году в Москве пользовались трехзначной нумерацией, при этом первых абонентов было всего 26. За 10 последующих лет сеть разрослась до 1892 номеров. Нумерация стала четырехзначной. Владеть телефоном в те годы было весьма накладно. Оплата за месяц пользования — 250 рублей. Для сравнения: месячное жалованье учителя — 25 рублей, фельдшера — 55. За стоимость установки телефона можно было купить полный комплект одежды или, например, двух отличных лошадей.

С началом XX века телефонами в Москве стали заниматься шведы — компания "Эрикссон". Они представили новую модель аппарата: трубка приняла привычный вид с двумя отверстиями, а вместо рычага появилась обычная кнопка, точнее две — для выхода на связь и для отбоя. Скандинавы смогли и снизить тарифы — месяц владения аппаратом стал стоить 63 рубля. В 1903 году телефон установили в Кремле. Императору Николаю II, который ради такого случая прибыл в Москву, подарили телефон из слоновой кости, инкрустированный золотом.

Телефонизация всей страны.

На 1 января 1917 года в России было 232 тысячи абонентских номеров, нумерация стала пятизначной. Во время революции Ленин приказал своим сторонникам в первую очередь захватывать почтамт, телеграф и телефонную станцию. После победы большевиков — уже в 1919 году — связь была национализирована. Изымали и частные телефоны — их передавали в отделения милиции, военные комендатуры, учреждения и предприятия города. Связь стала редкостью, доступной только партийной номенклатуре и героям Красной армии, а также врачам. Дореволюционный объем абонентов восстановили только к 1923 году, причем стараниями все тех же шведов из "Эрикссон", а также немцев из компании "Сименс". Тогда же началось и строительство АТС, которые не требовали работы телефонисток. Первая станция в СССР появилась в 1926 году в Ростове-на-Дону. Одной из причин замены человеческого труда на "бездушную машину" стала секретность — в обстановке постоянной шпиономании разрешать "барышням" прослушивать телефонные разговоры было бы непростительной безответственностью. Впрочем, окончательно профессия "телефонной девушки" для внутренней связи ушла в прошлое в сороковых. Появление АТС привело к изменению внешнего вида самих аппаратов — на них появился диск для набора номера. Одно из первых таких устройств установили, конечно, в Кремле — оно получило прозвище "вертушка". Это слово употребляется и сейчас — для обозначения правительственного телефона. На диске, помимо цифр, были и буквы русского алфавита — А, Б, В, Г, Д, Е, Ж, И, К и Л. Буква "З" отсутствовала, поскольку визуально напоминала тройку. Сами же номера были формата А-21-35. В США буквенная нумерация применяется до сих пор. Еще на первых американских телефонах около каждой цифры стояли ряды букв. Если у вас "кнопочный" стационарный телефон, обратите внимание — их там пишут и сейчас. Даже на экранной клавиатуре мобильников до сих пор есть буквы — и предназначены они вовсе не для набора SMS. Это было сделано для удобства запоминания номеров, например, вместо долгого и сложного номера +1-888-237-82-89 используется комбинация 1-888-BEST BUY. В России эта традиция не прижилась из-за схожести произношения русских букв. Вплоть до середины 1960-х номера телефонов в СССР содержали и цифры, и литеры, а затем от последних отказались.

Советский "айфон" 1961 года

Официально первый разговор по мобильному телефону состоялся в 1973 году в Нью-Йорке. Но существует версия, что первые в мире беспроводные аппараты появились вовсе не в США, а в Советском Союзе. Еще в 1961 году ТАСС сообщил, что радиоинженер Леонид Куприянович разработал образец телефона, который по радиосвязи мог передавать голос на базовую станцию, находившуюся не дальше 25 километров. Устройство весило 500 грамм и могло работать в режиме ожидания 20–30 часов. Выглядело оно как ящичек с номерным диском, парой тумблеров и подключаемой трубкой. Владелец такого аппарата должен был или держать в одной руке корпус, а в другой трубку, или вешать коробочку на пояс.

Абонентское оборудование систем профессиональной подвижной связи "Алтай"

Автор изобретения пишет в журнале "Юный техник": "Где бы вы ни находились, вас всегда можно будет разыскать по телефону, стоит только с любого городского телефона (даже с телефона-автомата) набрать известный номер вашего радиофона. У вас в кармане раздается телефонный звонок, и вы начинаете разговор. В случае необходимости вы можете прямо из трамвая, троллейбуса, автобуса набрать любой городской телефонный номер, вызвать скорую помощь, пожарную или аварийную автомашины, связаться с домом..." Увы, после 1965 года об этом изобретении больше никто не писал, а сам Леонид Куприянович стал заниматься разработкой медицинской техники. Другое дело — аппарат "Алтай". Эта система полноценной мобильной связи была развернута в России еще в начале семидесятых. Но сами телефоны мало походили на привычные нам сотовые: большой ящик — килограмм под 5–7 — с трубкой. Таскать такое в руках было проблематично, зато устройствами оборудовали автомобили спецслужб и партийной номенклатуры. Завершилась эра "Алтая" уже в XXI веке, в 2011 году.

Зарождение сотовой связи

Ясным днем 3 апреля 1973 года немолодой мужчина по имени Мартин Купер вышел из офиса компании Motorola в Нижнем Манхэттене (Нью-Йорк). В руке он держал странный предмет светло-бежевого цвета. Отойдя от здания, он нажал на нем какие-то кнопки. Практически сразу же в штаб-квартире конкурирующей компании Bell Laboratories раздался звонок — трезвонил аппарат в кабинете главы исследовательского отдела Джоэла Энгеля. Взяв трубку, тот услышал голос Купера: "Знаешь, откуда я тебе звоню? Я звоню тебе с Манхэттена, с первого в мире сотового телефона".

Эта фраза стала кульминацией трудов над мобильной связью, которые начались еще в 40-х годах 20 века.

Частным клиентам мобильная радиосвязь впервые стала доступна 17 июня 1946 г., когда в американском Сент-Луисе (штат Миссури) совместными усилиями AT&T и Bell Telephone Laboratories была запущена сеть стандарта MTS, работавшая на частоте 150 МГц. Принцип действия MTS-сети отличался от современной мобильной связи – для покрытия определенной территории использовался один мощный передатчик, а для регистрации сигнала от абонентских устройств – сеть приемников. Вызов в MTS-сети осуществлялся в ручном режиме – сначала абонент выбирал свободный канал, а затем устанавливал связь с оператором, соединявшим его с нужным абонентом. Причем изначально МТS-сеть работала в полудуплексном режиме, что позволяло решить проблему эха. Полнодуплексный режим (т.е. как в обычном телефоне) и автоматический выбор каналов появились лишь в 1964 г. Кстати, уже к концу 40-х гг. прошлого века AT&T и Bell Telephone Laboratories, не были самым передовыми – в 1948 г. радиотелефонной компанией Ричмонда (штат Индиана) была запущена полностью автоматическая система подвижной радиосвязи, в которой вызов абонента осуществлялся без помощи оператора.

Все первые системы подвижной радиосвязи тех лет имели серьезное ограничение в виде частотного ресурса с ограниченным числом каналов. Это мешало обеспечить полное покрытие значительной территории и не позволяло двум сетям работать в одном частотном диапазоне – минимальное расстояние между двумя радиосистемами должно было составлять не менее 100 км. Решение данной проблемы было найдено сотрудником Bell Laboratories Д. Рингом, предложившим всю зону покрытия разделить на ячейки (соты) (см. Рисунок 16), образуемые базовыми станциями, работающими в различающихся частотных диапазонах. И именно сотовый принцип стал основополагающим для современных мобильных сетей. Практическая реализация идеи появилась в 1969 г. в поездах Metroliner, курсировавших между Нью-Йорком и Вашингтоном – весь маршрут поезда (255 миль) был разделен на девять зон, в каждой из которых было доступно по шесть каналов на частоте 450 МГц, а центр управления системой находился в Филадельфии.

В своих воспоминаниях исследователь не смог привести ответ Энгеля, но рассказал: он отчетливо слышал, как тот скрипел зубами. На "доводку" аппарата ушло 10 лет — в свободной продаже Motorola DynaTAC 8000X появилась только в 1983 году. Устройство весило около килограмма и было высотой 25 сантиметров. В режиме разговора оно работало 35 минут, а заряжалось 10 часов. Цена была астрономической — более $3500, но, несмотря на это, за телефоном выстроилась очередь из покупателей. Для сравнения: за $6500 в США можно было купить новенький Ford Mustang. В Россию полноценная сотовая связь в том виде, в котором мы ее знаем, пришла в 1991 году. Передача данных осуществлялась через стандарт Nordic Mobile Telephony (NMT), а самыми популярными телефонами были финские Nokia. По своим техническим характеристикам они проигрывали "Моторолам" — весили около 3 килограмм. Цена тоже кусалась — с подключением аппарат стоил $4000, а минута разговора обходилась в $1. К этому моменту за океаном уже выпустили Motorola MicroTAC 9800X(см. Рисунок 17) — телефон с откидывающейся крышкой, который помещался в ладонь.

ЭПОХА GSM

Особенности стандарта GSM — это система с коммутацией каналов. (см. Рисунок 18) Она разделяет все каналы 200кГц на восемь временных интервалов 25кГц. Стандарт работает на трех разных несущих частотах: 900МГц, которая использовалась исходной системой GSM; 1800МГц, которая была добавлена для поддержки числа набухающих абонентов и частоты 1900МГц, которая используется, главным образом, в США. Диапазон 850 МГц также используется для GSM и 3GSM в Австралии, Канаде и многих странах Южной Америки. GSM поддерживает скорость передачи данных до 9,6 кбит / с, что позволяет передавать базовые услуги передачи данных, такие как SMS. Другим важным преимуществом является возможность международного роуминга, позволяющая пользователям получать доступ к тем же услугам что и дома, когда выезжаете за границу. Это дает потребителям бесшовные и одинаковые возможности подключения в более чем 210 странах. Спутниковый роуминг GSM также расширил доступ к услугам в районах, где наземное покрытие недоступно.

GSM900/GSM1800

Эти два стандарта используют большинство стран мира. GSM-900 работает на частотном диапазоне 890-915МГц, и используется для обмена информацией между мобильной станцией и базовой приемопередающей станцией ​​(восходящая линия связи) и 935-960МГц для нисходящей линии. Это обеспечивает 124 радиочастотных канала (каналы 1–124), расположенные на расстоянии 200кГц. В данном случае используют дуплексный интервал 45МГц. Для охвата более широкого частотного диапазона, был создан «расширенный GSM900 или E-GSM». Он работает в частотах от 880 МГц до 915 МГц (на восходящей линии) и от 925 МГц до 960 МГц (на нисходящей), что позволяет добавить 50 каналов (975-1023 и 0) в диапазон GSМ-900. Спецификация имеет также стандарт GSM-R, который использует частоту от 876 МГц до 915 МГц (восходящая) и от 921 МГц до 960 МГц (нисходящая). Номера каналов при этом 955-1023. GSM-R предлагает специализированные каналы и услуги, которые используются железнодорожным персоналом. Все эти модификации включаются в спецификацию GSM-900. GSM-1800 в свою очередь работает в частотном диапазоне от 1710 МГц до 1785 МГц при передаче данных с мобильной станции на базовую приемопередающую и 1805-1880 МГц для другого направления. Он обеспечивает 374 канала (512-885) и дуплексный интервал в 95 МГц. GSM-1800 также называется PCS в Гонконге и Великобритании. Большинство операторов GSM в Индии используют диапазон 900 МГц. Такие операторы, как Hutch, Airtel, Idea и некоторые другие, используют 900 МГц в сельских районах и 1800 МГц в городских районах. Разница между GSM-900 и GSM-1800 заключается в том, что GSM-900 имеет двойной охват по сравнению с GSM-1800. Это связано с тем, что по мере увеличения частоты размер ячейки уменьшается из-за увеличения потерь в пути. Поэтому для обеспечения полного охвата конкретной территории в GSM-1800 необходимо установить большее количество башен, чем в GSM-900. Но поскольку в диапазонах GSM-1800 есть больше частот, больше возможностей обеспечить хорошим трафиком. Это позволяет GSM-1800 обрабатывать больше абонентов, чем GSM-900. Баланс обоих может помочь достичь хорошего охвата.

GSM-850

GSM-850 и GSM-1900 используются в США, Канаде и многих других странах Северной и Южной Америки. GSM-850 также иногда ошибочно называется GSM-800. В Австралии GSM 850 — это частота, выделенная для NextG Network Telstra, которая была включена в октябре 2006 года. Сеть NextG является шагом вверх от сети 3G и доступна на более высоких скоростях в Австралии по сравнению с сетью 3G, которая ограничена только для крупных населенных пунктов. GSM-850 использует 824 - 849 МГц для передачи информации с мобильной станции на базовую приемопередающую станцию (восходящая линия связи) и 869 - 894 МГц для другого направления (нисходящая линия связи). Номера каналов от 128 до 251. Cellular — это термин, используемый для описания диапазона 850 МГц, поскольку в этом спектре была выделена исходная система аналоговой сотовой мобильной связи. Поставщики обычно работают в одном или обоих частотных диапазонах. GSM использует модуляции: QPSK, 8PSK, 16-QAM. GSM работает по принципу комбинации двух известных технологий TDMA и FDMA - множественного доступа с временным и частотным разделением каналов. Вторая в свою очередь обеспечивает деление по частоте полосы с максимальной шириной 25МГц на 124 несущих частоты, которые разносятся на 200кГц друг от друга. Каждая базовая станция имеет одну или несколько назначенных несущих частот. Затем каждую из несущих делят по времени с помощью TDMA. Базовая единица времени в этой схеме TDMA называется периодом импульсов и составляет ~ 0,578 мс. Восемь периодов группируются в кадр TDMA (~4,62 мс), который формирует базовый блок для определения логических каналов. Один физический канал представляет собой один период пакета для кадра TDMA.

Голосовые кодеки GSM

GSM использует голосовые кодеки, чтобы соответствовать 3,1 кГц аудио в максимальной скорости передачи данных в полосах частот GSM. Исходными кодеками, используемыми стандартом GSM, были Full Rate (13 кбит / с) и Half Rate (6,5 кбит / с). Каждый из них использовал систему, основанную на LPC (линейное предсказательное кодирование). Эти кодеки помогли довести максимальную эффективность до битрейта, а также сделали возможным приоритет и защиту более важных компонентов передаваемого аудиосигнала. В 1997 году был опубликован и внедрен кодек EFR в стандарте GSM. EFR предоставил GSM-сеть 12,2 тыс. / секунду и использовал полноскоростной канал. Как только UMTS была разработана, EFR превратилась в AMR-Narrowband CODEC, который более устойчив к помехам и считается более качественным, чем устаревшие GSM-кодеки.

К 1993 году в России действовало сразу четыре стандарта мобильной связи: NMT (оператор "Дельта Телеком"), D-AMPS (BeeLine, который тогда писался именно так — латиницей), уже упоминавшийся "Алтай" и GSM (МТС и чуть позже "Северо-Западный GSM"). Победил последний — до сих пор голосовая связь передается именно по этому формату. В это время в Великобритании 22-летний сотрудник Sema Group Нил Папуорт тестировал возможности стандарта GSM. Инженеры уже смогли реализовать возможность определения номера вызывающей линии и услугу, которая позволяла эту функцию блокировать. Но в свободное время Папуорт занимался другой работой — он пытался добиться возможности передавать по мобильным линиям не только голос, но и текст. И в декабре 1992 года ему это удалось: была отправлена первая в мире SMS (Short Message Service — служба коротких сообщений). Текст — простой и незамысловатый: "Счастливого Рождества!" Изобретатель был уверен, что его детище будут использовать исключительно для рассылки сервисных сообщений, но получилось иначе: в 2015 году в мире каждую секунду отправлялись 20 тысяч эсэмэсок.

Телефонные аппараты в этот момент начали уменьшаться в размерах. Дисплеи, наоборот, росли. Если в первой "Мотороле" на экранчике была только одна строка, то на выпущенном в 1994 году Nokia 2110 их помещалось уже три.(см. Рисунок 19) Этот аппарат стал в какой-то мере культовым — в него интегрировали будильник, калькулятор, секундомер и функцию SMS. При звонке тот телефон издавал ставшую знаменитой мелодию Nokia Tune, которая устанавливалась в стандартном пакете на все аппараты финской фирмы. Этот телефон оказался очень популярен в России — и даже заслужил славу "мобильного для нового русского".

"БАНАН", "РАСКЛАДУШКА" и QWERTY

Начиная с 1996 года производители мобильников начали экспериментировать с форм-факторами — то есть внешним видом своей продукции. Несмотря на то, что первым телефоном с откидывающейся крышкой стала Motorola MicroTAC 9800X, первой полноценной "раскладушкой" считается StarTAC(см. Рисунок 20) — в крышке находились аккумулятор и динамик, а экран, кнопки набора номера и микрофон располагались в нижней части устройства. Первым слайдером, то есть телефоном, у которого отъезжала вверх-вниз крышка, стала прорекламированная в фильме "Матрица" Nokia 8110, прозванная в России "бананом"(см. Рисунок 21). А чуть позже — уже в 2002 году — новый дизайн представила Motorola: в модели V70 клавиатура закрывалась крышкой, которая при нажатии отъезжала вбок. Такой тип телефонов получил название "ротатор".

В 1996 году компания Siemens представила новинку S10(см. Рисунок 22), отличавшуюся сразу тремя необычными деталями. Во-первых, дисплей отображал три цвета и целых восемь оттенков. Во-вторых, устройство было отделано прорезиненными вкладками — оно могло выдержать падение. В-третьих, аппарат имел встроенный диктофон на 20 секунд. Наконец, в 1997 году появился гибрид телефона и карманного персонального компьютера — Nokia 9000(см. Рисунок 23). Полноценным смартфоном его назвать нельзя, но это был первый телефон с QWERTY-клавиатурой и множеством приложений. В закрытом виде — обычная "трубка", в открытом — миниатюрный ноутбук. Примечательно, что модель не имела доступа в интернет и цветного экрана, так что большая клавиатура предназначалась в первую очередь для работы в текстовых редакторах.

Сети 3G и первые смартфоны

Практически все привычные нам функции появились в телефонах еще на рубеже веков. В 1999 году устройства научились выходить в интернет по протоколу WAP. Тогда же веб-разработчики озаботились созданием мобильных версий — без картинок. В том же году появился телефон, который использовал две сим-карты. Правда, переключение между ними приходилось производить вручную. В 2000 году мобильники проигрывали мелодии в формате MP3, фотографировали и даже ловили сигналы спутников GPS.

К концу этого года запускается сеть 3G. 3G (3-Generation) – это сокращённое название третьего поколения беспроводной телефонной связи, которое является развитием предыдущих технологий 2G и характеризуется усовершенствованными беспроводными технологиями, такими как высокоскоростная передача данных, доступ к мультимедийным услугам, «бесшовным» роумингом.

История создания и развития

Работы по исследованию и разработке сетей 3G проводились Международным союзом электросвязи (МСЭ), начиная с 1980-х годов. Результатом явилась спецификация IMT-2000 (International Mobile Telecommunications 2000), в которой объединены стандарты, использующиеся в различных странах. В общем случае в IMT-2000 входят пять стандартов, но широкое распространение получили только два из них: CDMA2000 (в США и Японии) и UMTS (в Европе). В 1999 году организации ряда стран, а именно: Япония, Китай, США, Корея и европейские страны, договорились о создании общего стандарта UMTS. Для работ по стандартизации 3G была создана международная группа 3GPP (3rd Generation Partnership Project). Главной задачей 3GPP является разработка стандартов с учетом удовлетворения требований всех перечисленных стран. Вследствие этого выдвинуты следующие требования к сетям 3G: открытость и универсальность интерфейсов, поддержка мультимедийной среды, обеспечение широкополосного доступа, совместимость с сетями GSM и ISDN, независимость предоставляемых пользователю услуг от технологий радиодоступа.

Широко используется технология высокоскоростного пакетного доступа (HSPA), позволяющая достичь более высоких скоростей передачи данных. В связи с этим HSPA известна как технология 3,5G или супер 3G. Технология HSPA включает в себя стандарты HSDPA (нисходящий поток) и HSUPA (восходящий поток). Стандарт HSDPA был утвержден в 2002 году и предоставляет скорость передачи данных от 1,8 Мбит/с до 14,4 Мбит/с. Стандарт 2004 года HSUPA поддерживает скорость до 5,7 Мбит/с. Развитием HSPA является технология HSPA+, обеспечивающая скорость передачи данных от базовой станции до абонента 42 Мбит/с, 84 Мбит/с, 168 Мбит/с, и в обратном направлении до 22 Мбит/с.

Технические характеристики

Процесс глобализации, начавшийся в системах мобильной связи второго поколения, завершается и, призванный создать единую глобальную систему, завершается он при переходе к сетям 3G. Важным фактором, приведшим к переходу к сетям 3G, является более эффективное использование канальных ресурсов и увеличение рабочего диапазона частот (400 МГц – 3 ГГц), следовательно, появилась возможность предоставлять услуги большему количеству абонентов, с лучшим качеством. Технология HSPA включает в себя стандарты HSDPA (нисходящий поток: 1885-2015 МГц) и HSUPA (восходящий поток: 2110-2200 МГц). Также немаловажным преимуществом является возможность использования менее мощных передатчиков за счет увеличения полосы частот, что приводит к снижению затрат и уменьшению помех для других устройств. Другим значимым изменением является реализация «бесшовного» роуминга путем постепенной сменой базовых станций при передвижении абонента, что существенно снижает задержки и количество обрывов сеансов связи.

Сети 3G в основном используются абонентами в качестве средства для подключения к глобальной сети Интернет мобильных телефонов с целью доступа к мультимедийным услугам связи: голосовые и видеозвонки, загрузка и скачивание данных, посещение сайтов в сети, онлайн-телевидение. Пользователям предоставляется скорость передачи данных в диапазоне от 144 кбит/с до 2 Мбит/с в зависимости от тарифного плана и внешних факторов (зависимость скорости от передвижения абонента, что является недостатком 3G).

Основной тенденцией сетей 3G является снижение стоимости передачи единицы информации в связи с развитием используемых технологий и элементной базы.

В 2002 году Siemens выпустил модель SL45(см. Рисунок 24) с технологией Java. На этот телефон можно было загружать сторонние приложения. В основном игры, а также мелодии. Дизайн телефонов стремился к миниатюре — некоторые модели создавались как дамские. В результате появились такие "малыши", как Samsung SGH-A400 или Panasonic GD55 — размером со спичечный коробок. Причем обе эти модели спокойно выходили в интернет, пусть у них и был всего лишь монохромный экран.

Первым в мире смартфоном считается Nokia 9210(см. Рисунок 25), анонсированный в 2002 году. На нем была установлена редкая операционная система (ОС) Series S80. Впоследствии она, а также другие ОС от Nokia S40 и S60 вошли в состав общей Symbian OS, которую ставили на свою продукцию не только финны, но и Motorola, SonyEricsson, Siemens, Panasonic, Fujitsu, Samsung, Sony, Sharp и Sanyo. Наличие "операционки" позволило создать более удобный интерфейс и работать в режиме многозадачности.

В январе 2007 года Стив Джобс явил миру iPhone. Смартфон от Apple был не первым аппаратом с функцией тачскрин (то есть управлять им можно было, касаясь экрана пальцами), и уж тем более не первым сенсорным телефоном. Но эта модель из-за своей бешеной популярности сделала смартфоны такими, какими мы их сейчас знаем: большой экран и минимум кнопок. У аппарата с яблочком на задней панели появилась альтернативная "операционка" — iOS. Через год появится и третий игрок, который сейчас занимает почти 80% рынка, — Android OS.

Последним революционным изменением стала схема беспроводной зарядки аккумулятора. Она появилась еще в 2009 году, но набрала популярность только в 2015-м. Другая инновация — магазины приложений AppStore и GooglePlay, возникшие в 2010 году. Сюда же можно добавить и технологию NFC, которая позволяет платить, прикасаясь телефоном к терминалу. Все прочие характеристики телефонов эволюционировали. Возьмем как пример встроенные камеры — первая из них имела разрешение 0,3 мегапикселя, а сейчас на рынке можно найти аппараты с 63 Мпикс. Последний тренд — физический и оптический зум до 100х увеличения. Ускорился и интернет — если на первых телефонах с WAP скачивание происходило со скоростью 10 килобит в секунду, то сейчас, с технологией LTE, она измеряется уже гигабитами. А при 5G скорость достигает 10 Гбит/с. Дизайн, в свою очередь, упростился: после буйства форм-факторов 2000-х, сейчас абсолютное большинство моделей — это привычный прямоугольник с тонким корпусом. После миниатюризации телефоны снова начали расти — вплоть до семидюймовой диагонали экрана!

Сети 4G, LTE, и 5G

4G (4-Generation) – cокращенное название четвертого поколения беспроводной телефонной связи, основанного технологии TCP/IP для передачи информации. 4G поддерживает скорость до 1 Гбит/с для абонентов с низкой скоростью движения и до 100 Мбит/с для абонентов с высокой скоростью движения (например, в транспорте) в оптимальных условиях.

История создания и развития

Разработка технологий передачи информации в сети четвертого поколения началась в 2000 году с исследований японской компании NTT DoCoMo. Позже к ней присоединились такие компании, как Hewlett-Packard, Sprint, Imagine, Google, Intel, Comcast, Bright House, Time Warner, Ericsson и другие. Таким образом, появилось два стандарта: LTE (Long Term Evolutian) и WiMAX (IEEE 802.16e), которые, по мнению IMT-Advanced, и стали новой эрой в развитии сети. Технология LTE разрабатывалась организацией 3GPP как развитие технологии UMTS, относящейся к сетям 3G. Параллельно специально созданной организацией WiMAX Forum создавалась технология WiMAX, основанная на беспроводной технологии Wi-Fi. В 2005 году в Южной Корее оператор связи КТ представил услуги мобильной связи WiMAX в Пусане, и с 2006 началось коммерческое использование данной технологии. Первым запуском LTE считается развертывание сети в городских центрах Стокгольма (Ericsson и Nokia Siemens Networks) и Осло (Huawei) в 2009 году. В России 4G впервые было запущено компанией Yota в конце декабря 2011.

Технические характеристики

4G основывается на следующих технологиях: LTE и IEEE 802.16e (также известной как WiMAX). Пиковая скорость восходящего потока в технологии LTE равна 50 Мбит/с, нисходящего – 100 Мбит/с при использовании канала 20 МГц, однако вместе с MIMO (Multiple Input/Multiple Output – множество входов/множество выходов) в технологии WiMAX можно достигнуть скоростей в 56 Мбит/с и 128 Мбит/с соответственно. В технологиях четвертого поколения используется более 40 диапазонов частот (в каждом регионе - свои). В США - 700 МГц, 1710-1755 МГц (передача) и 2110-2155 МГц (прием) (1,7/2,1 ГГц); в Европе – 1800 МГц и 2600 МГц, в перспективе – 800 МГц; в Японии - 800/850 МГц; 1,5 ГГц; 1,7 ГГц и 2,1 ГГц .

В отличие от предыдущих поколений, а именно от третьего, 4G не поддерживает традиционные услуги телефонии с коммутацией каналов. В 4G используется IP-телефония, то есть коммутация пакетов. Для пересылки данных используется IPv4 (планируется перейти на IPv6). Для осуществления услуг телефонии вызовы и сообщения «перенаправляются» через существующие сети 2G и 3G.

Теоретически стандарт 4G позволяет передавать информацию со скоростью в пять-семь раз выше, чем 3G и даже так называемых 3,5G (HSPA, HSPA+), где максимальная скорость равна 150 Мбит/с.

Для увеличения эффективности передачи информации в сетях 4G используются технологии ортогонального частотного уплотнения OFDM и MIMO.

Вопреки ошибочному мнению, первые версии данных технологий не относятся к сетям четвертого поколения в связи со своими техническими возможностями, а именно не удовлетворяют требованию высокой скорости передачи данных. Версии LTE-A (LTE-Advanced) и IEEE 802.16m (WiMAX2) признаны технологиями 4G Международным союзом электросвязи в 2010 году. Пиковая скорость восходящего потока LTE-A составляет 500 Мбит/с, нисходящего – 1 Гбит/с. Технология WiMAX2 обеспечивает скорости 90 Мбит/с и 179 Мбит/с соответственно при использовании частот до 11 ГГц.

5G сети

5G (5th - Generation) работает в различном диапазоне радиочастот – 3-6 ГГц и свыше 28 ГГц, чтобы обеспечить стабильную и качественную мобильную связь и интернет. Более высокие частоты могут обеспечить наибольшую скорость передачи данных. Другое название этих крайне высоких частот – миллиметровые волны, потому что их длина составляет 1–10 миллиметров. Они быстрее затухают в атмосфере, и поэтому передают сигнал на расстояние где-то до одного километра.

Стоит учесть, что передача сигналов на очень высоких частотах всегда четко направлена, следовательно, радиосигналы в данном диапазоне могут передаваться параллельно и при этом не затруднять работу других устройств. Антенны для обеспечения такой связи имеют меньшие размеры по сравнению с теми, что используются для работы 4G, ведь данные передаются на коротких волнах. Точность передачи намного выше, а задержки – минимальны.

Но короткие волны не очень устойчивы к препятствиям и помехам, поэтому нужна очень плотная инфраструктура, которая состоит из Small cells (малых сот). Сокращение радиуса действия этих сот в плотных сетях позволит намного уменьшить энергопотребление.

Места расположения антенн в этих сетях необходимо тщательно планировать. Также при этом используют множество ретрансляторов, которые передают радиоволны на максимальное расстояние, для обеспечения поддержки 5G.

Сети нового поколения мобильной связи всегда подстраиваются под различные виды передаваемого контента, а также могут переключаться в специальный спящий режим, когда не используются вообще. А после этого опять автоматически переключаться на производительный режим. 5th Generation в двадцать раз быстрее, чем 4G, но скорость начинает изменяться при движении абонента.

Набор технических характеристик

Стандартных требований к этой технологии и детального описания ее характеристик – пока нет, ведь компании-разработчики обсуждают их раз в шесть месяцев. Сейчас согласованные стандарты к 5G выглядят так:

• пиковая скорость передачи данных при идеальных условиях от оператора к абоненту составляет 20 Гбит/с;

• пропускная способность по восходящей линии связи на мобильную базовую станцию – 10 Гбит/с;

• пользовательский объем данных, передаваемых за единицу времени от оператора к абоненту составляет 100 Мбит/с, а по восходящей линии – 50 Мбит/с;

• временная задержка на радиоинтерфейсе сократилась до 1 мс для сервисов Ultra-Reliable Low Latency communication (URLLC) и до 4 мс для усовершенствованного мобильного широкополосного доступа (eMBB);

• максимальная скорость передвижения абонента – 500 км/ч;

• общее количество подключенных устройств на единицу площади – миллион подключений на квадратный километр;

• общий трафик в зоне покрытия – 10 Мбит/с.

Сферы потенциального применения

• мультимедийные: 3D-видео, просмотр видеоматериалов в разрешении 4K и 8K, онлайн-игры, спортивный контент;

• работа в «облаке»: онлайн-хранилища, бизнес-критичные приложения;

• виртуальная реальность: в образовании и развлечениях;

• сервисы дополненной реальности: в медицине, промышленности, образовании, индустрии развлечений;

• интеллектуальные услуги на основе Big Data для усовершенствования бизнес-процессов;

• интернет вещей с множеством подключенных устройств: в энергетике, транспортной системе, медицине, торговле, жилищно-коммунальном хозяйстве, промышленности и общественной безопасности;

• услуги с низкой задержкой: в управлении промышленными роботами, электронной медицине, автотранспорте, 3D-играх.

Благодаря более гибкому кодированию и расширенным каналам передачи данных скорость будет на 25–50 процентов выше, чем показатели LTE. Каждый пользователь сможет беспрецедентно быстро загружать контент высокой четкости. Когда связь нового поколения распространится по всему миру, то произведет очередную технологическую революцию во всех бизнес-процессах, а страны получат новый импульс к развитию. Технологии, которые станут доступными с появлением 5G-сетей, вкладывают в руки людей удаленные интеллектуальные инструменты. Они будут идеально дополнять природные способности человека.