Від азбуки Морзе до супутників: який шлях пройшов мобільний зв’язок

Життя без мобільного зв’язку в сучасних реаліях просто неможливе — від нього залежить дуже багато. І це не тільки смартфони та телефони, але й торгові точки, охоронні сигналізації та навіть світлофори керуються дистанційно. У цій статті ми детально розберемо, як працює стільниковий зв’язок, і проведемо невеликий екскурс в історію.

Історія бездротового зв’язку сягає корінням у XIX століття, коли російський вчений Олександр Попов у 1895 році продемонстрував прилад для реєстрації електромагнітних хвиль, який називався — «грозовідмічник». Цей пристрій, призначений для виявлення блискавок, по суті став першим у світі радіоприймачем. У вересні того ж року Попов модифікував апарат, замінивши реєстратор телеграфним апаратом Морзе, що зробило його повноцінним пристроєм бездротової телеграфії. А раніше для зв’язку між містами прокладали телеграфний кабель на стовпах уздовж доріг…

Паралельно в Англії Гульєльмо Марконі в 1896 році продемонстрував передачу сигналу азбукою Морзе на відстань 1,5 км, а до 1901 року здійснив першу радіопередачу між континентами. Ці відкриття заклали фізичну основу для майбутнього радіозв’язку і, відповідно, мобільного.

Перші практичні застосування рухомого радіозв’язку з’явилися в 1921 році в Детройті, де поліція використовувала односторонній диспетчерський зв’язок на частоті 2 МГц для зв’язку з патрульними автомобілями. До 1940 року такою системою користувалися близько 10 тисяч поліцейських машин в США.

Мобільний телефон

Поняття «супутниковий зв’язок» з’явилося пізніше, про це буде нижче. Справжній прорив у мобільному зв’язку стався після Другої світової війни. У 1946 році американська компанія Bell Telephone Laboratories запустила перший комерційний сервіс мобільного зв’язку — Mobile Telephone System (MTS). Ця система, що працювала на частоті 150 МГц, дозволяла здійснювати дзвінки з автомобіля, але була симплексною (розмова велася по черзі) і вимагала ручної комутації через оператора.

Цікаво, що в тому ж 1946 році радянські інженери Г. Шапіро та І. Захарченко провели успішні випробування автомобільного радіотелефону з радіусом дії до 20 км. Їхня система передбачала інтеграцію з міськими телефонними мережами, але не отримала широкого поширення — країна відновлювалася після Великої Вітчизняної війни.

Важливим етапом стало винахід саме стільникового принципу організації мереж. 11 грудня 1947 року Дуглас Рінг з Bell Labs висунув ідею поділу території на невеликі зони (які і називалися стільники), в кожній з яких розміщувалася б базова станція. Це дозволяло багаторазово використовувати одні й ті ж частоти в різних сотах, значно збільшуючи ємність системи. Але до справжнього прориву було ще дуже далеко.

Комерційні стільникові мережі

Перший символічний дзвінок по портативному стільниковому телефону здійснив 3 квітня 1973 року Мартін Купер, керівник підрозділу мобільного зв’язку Motorola. Але повноцінне комерційне впровадження стільникових мереж почалося пізніше. У травні 1978 року в Бахрейні телефонна компанія Batelco запустила першу в світі комерційну стільникову мережу з 2-х сот з 20 каналами в діапазоні 400 МГц, яка обслуговувала 250 абонентів.

У жовтні 1983 року компанія American Telephone and Telegraph (AT&T) запустила першу автоматичну комерційну стільникову мережу в Чикаго за технологією AMPS (Advanced Mobile Phone System). Вона була аналоговою системою з частотним розділенням каналів (FDMA), що стала стандартом першого покоління (1G). Ніякого шифрування не було — можна було «підслуховувати» чужі розмови.

Але в Європі розвиток пішов іншим шляхом. У 1982 році була створена група Groupe Special Mobile (GSM), яка розробила єдиний цифровий стандарт для всієї Європи. Перша мережа GSM була запущена в Німеччині в 1992 році.

Цей стандарт, пізніше перейменований в Global System for Mobile Communications, став основою для мереж другого покоління (2G) і ввів такі інновації, як SMS-повідомлення і роумінг між країнами. У 2G технологія вже цифрова — зв’язок хоч і можна прослухати, але складно. До того ж якість помітно покращилася — зв’язок або є, або його немає.

В рамках цієї статті можна згадати ще пейджинговий зв’язок, який був поширений в 70-х, 80-х і 90-х — пейджер, який є невеликим приймачем, був здатний приймати текстові або звукові повідомлення. Примітно, що для пейджингових мереж не була потрібна мережа передавальних станцій — пристрій був примітивним і забезпечував тільки прийом будь-якої інформації.

Принцип роботи сучасних стільникових мереж

Починаючи з стільникових мереж 3-го покоління (3G) ми вже можемо спостерігати сучасний стільниковий зв’язок. Ключова особливість — поділ території на комірки (стільники), кожна з яких обслуговується своєю базовою станцією. При здійсненні дзвінка телефон встановлює з’єднання з найближчою базою. Далі сигнал вже передається між іншими базами в центр комутації до кінцевого абонента. Якщо раптом абонент переміщається, то система автоматично і дуже швидко перемикає сигнал на іншу базу.

Стільниковий зв’язок використовує різні технології поділу каналів:

• FDMA (Frequency Division Multiple Access) — частотний поділ, застосовувався в аналогових мережах 1G;
• TDMA (Time Division Multiple Access) — тимчасовий поділ, використовується в GSM;
• CDMA (Code Division Multiple Access) — кодове розділення, застосовується в стандартах 3G;
• OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) — ортогональне частотне розділення з множинним доступом. Це ключова технологія в низхідному каналі (від базової станції до абонента). Використовується в 4G;
• Flexible OFDMA — це вдосконалена версія OFDMA, що використовується в 5G, яка підтримує змінну ширину піднесучих (15–240 кГц) для адаптації до різних сценаріїв зв’язку. Вона забезпечує більш гнучкий розподіл ресурсів між користувачами та сервісами (eMBB, URLLC, mMTC). Технологія підвищує спектральну ефективність і знижує затримки в порівнянні з класичним OFDMA в 4G.

Сучасні мережі підтримують не тільки голосовий зв’язок, але і передачу даних за допомогою технологій GPRS, EDGE, LTE і 5G, забезпечуючи доступ до Інтернету, відеодзвінки та інші мультимедійні сервіси.

Трохи підсумуємо

• 1G (1980-ті) — аналогові системи (AMPS, NMT) тільки для голосового зв’язку. Мали низьку ємність і поганий захист від перешкод і були вразливі до прослуховування.
• 2G (1990-ті) — цифрові системи (GSM, CDMA) з поліпшеною якістю зв’язку, SMS-повідомленнями та базовою передачею даних. У Росії перші GSM-мережі з’явилися в 1994 році.
• 3G (2000-ті) — високошвидкісна передача даних (UMTS, CDMA2000) для мобільного інтернету, відеодзвінків і мультимедіа. Швидкість до декількох Мбіт/с.
• 4G (2010-ті) — повністю IP-орієнтовані мережі (LTE) зі швидкістю до сотень Мбіт/с, низькими затримками, підтримкою HD-відео та онлайн-ігор. Найпопулярніший стандарт у світі, що використовується в багатьох країнах.
• 5G (2020-ті) — надвисокі швидкості (до 10 Гбіт/с), мінімальні затримки, підтримка інтернету речей, віртуальної реальності та інших інноваційних сервісів. Впровадження 5G відбувається поки що не дуже швидко, але в Китаї вже придумали 6G. Даний стандарт очікується до 2030 року.

Як ви вже зрозуміли, стільниковий зв’язок використовує радіочастоти і різні технології, які допомагають нам користуватися зв’язком в тому вигляді, в якому він є зараз. За кілька десятиліть мобільний зв’язок дуже швидко розвинувся — від примітивної аналогової технології до цифрової.

Можливо, пройде час, і провідний інтернет стане непотрібним — з впровадженням 5G і 6G кабельне з’єднання може залишитися лише у тих систем, яким потрібна стабільність — серверів і датацентрів. Далі стільниковий зв’язок буде тільки розвиватися. Мине якийсь час, і базові станції взагалі не будуть потрібні — радіозв’язок буде встановлюватися з супутниками, які розташовані на низькій орбіті.