5G по праву станет вершиной эволюции сетей связи. Но, как и для любого из человеческих достижений, путь к нему был долог и тернист. Тупиковые ветви, ошибочные решения, внезапные озарения и продуктивные союзы. В первой части нашего большого материала мы расскажем о более чем столетней истории создания мобильных телекоммуникаций.
Точку отсчёта назвать непросто. Здесь важно помнить, что любой современный сотовый телефон сочетает в себе две идеи: мобильность и радиосвязь. Иными словами, это переносная станция для приема и передачи радиосигналов. Только «переносить» её теперь можно на ладони, в клатче, а то и в наручных часах.
Для нужд армии и полиции
Впервые идею мобильности реализовал Ларс Магнус Эрикссон, основатель одного из крупнейших поставщиков телекоммуникационного оборудования в мире — одноименной компании Ericsson. В 1910 году он установил в свой автомобиль телефон. И хотя последний не использовал для связи радиоволны, Эрикссон мог, путешествуя по родной Швеции, останавливаться в местах, где была возможность подключиться к национальным телефонным линиям с помощью пары проводов. Там он и осуществлял необходимые звонки. Де-факто это был первый мобильный телефон в мире.
Новация Эрикссона очень понравилась американским полицейским. В 1921 году технические специалисты Департамента полиции города Детройт (штат Мичиган) предложили установить в патрульные автомобили радиостанции для связи с участком и вызова на помощь других экипажей. Обмен информацией между патрульным автомобилем и участком был односторонним — получив сигнал азбукой Морзе, полисмены связывались с дежурным по обычному телефону, чтобы уточнить ситуацию и необходимый адрес. Построенная в Детройте перед эпохой Великой депрессии система очень напоминала популярную в России в 1990-е годы пейджинговую связь.
Двусторонняя подвижная голосовая радиосвязь у полицейских появилась лишь в 1933 году в Нью-Йорке. Она работала на частоте 2 МГц, из-за чего полисмены сталкивались с постоянным переполнением канала связи и ужасными помехами. В таких условиях сакраментальная фраза «Преступник вооружён, нам необходимо подкрепление» не всегда вовремя доходила до коллег, что приводило к гибели офицеров.
Долго так продолжаться не могло, поэтому в 1934 году Конгресс США создал Федеральную комиссию по связи, которая получила право распоряжаться радиочастотами и определять, кто может ими пользоваться. Конкретные диапазоны были закреплены за скорой помощью, полицией и правительственными организациями.
Уже в начале 1940-х полицейских, а затем и военных оснастили первыми переносными рациями «воки-токи» (walkie-talkie — «броди-говори») производства компании Motorola. Они помещались в увесистом рюкзаке, работали на частотах от 30 до 48 МГц и позволяли осуществлять полудуплексную связь, когда человек сначала говорит что-то собеседнику, а потом слушает ответ, затем снова говорит и т.д. К концу Второй мировой войны Motorola произвела более 50 000 подобных устройств.
Параллельно, аналогичные приборы начали разрабатывать и применять в частных компаниях. Ещё в 1937 канадский изобретатель Дональд Хингс создал прообраз портативного радиотелефона для металлодобывающей и обрабатывающей компании Teck Cominco. Он назвал его «хэнди-токи» (handy-talkie — «держи-говори»). Но наибольшее распространение девайс под кодовым номером C-58 также получил в армии США начиная с 1942 года.
Сервисы и соты
Конверсия армейских технологий в гражданские всегда происходит быстро. Так случилось и с мобильной радиосвязью. Вскоре после окончания войны — 17 июня 1946 года — в Сент-Луисе (штат Миссури) компании Bell System и Motorola организовали первый сервис по обеспечению доступа к мобильной радиотелефонии. Он функционировал на основе стандарта Mobile Telephone Service (MTS), где изначально было всего три канала, работавших на частоте 150 МГц. Новый сервис получил одобрение Федеральной комиссии по связи, однако абонентское оборудование всё равно страдало из-за многочисленных помех.
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. Работала МТS-сеть в полудуплексном режиме, что позволяло решить проблему эха. Вызов осуществлялся в ручном режиме: абонент выбирал свободный канал, устанавливал связь с оператором, тот запрашивал его номер телефона и номер нужного абонента, после чего соединял их друг с другом. Впрочем, уже в 1948 году провинциальная радиотелефонная компания Ричмонда (штат Индиана) внедрила автоматическую станцию подвижной радиосвязи, где вызов вызов абонента осуществлялся без помощи телефониста.
Ранние системы мобильной радиосвязи имели серьезное ограничение по частотному ресурсу и числу каналов. Это мешало обеспечить полное покрытие значительной территории и не позволяло двум сетям работать в одном частотном диапазоне. Для предотвращения перекрытия и помех минимальное расстояние между двумя радиосистемами должно было составлять не менее 100 км.
Решение проблемы нашли сотрудники Bell Labs Дуглас Ринг и Уильям Ри Янг. В декабре 1947 года они предложили разделить всю зону покрытия на ячейки, образуемые базовыми станциями, работающими в различных частотных диапазонах. Лучшим геометрическим способом их организации оказались шестиугольники, напоминающие пчелиные соты. При таком расположении каждая базовая станция была окружена шестью другими станциями на равной от неё дистанции, что минимизировало взаимные помехи.
В своей восьмистраничной служебной записке Ринг писал: «В этом меморандуме постулируется, что для поддержания работы системы подвижной радиосвязи необходимо обеспечить любой оборудованный носитель (в данном случае имеется в виду автомобиль с радиотелефоном, — прим. ред.) необходимым сервисом в любой точке страны. Мы не предполагаем, что описанный здесь план является лучшим решением, основанным на исчерпывающих научных исследованиях. Скорее это предварительный набросок для дальнейшего обсуждения и сравнения с альтернативными предложениями, которые могут быть сделаны».
Однако предложенный Рингом сотовый принцип в итоге стал основополагающим для строительства любых современных сетей мобильной связи. А впервые его реализовали на хайвэе между Нью-Йорком и Бостоном. Другой инженер Bell Labs Филип Портер внёс коррективы в первоначальную схему Ринга и Ри Янга, оснастив базовые станции, расположенные по вершинам шестиугольника, тремя направленными антеннами. Они транслировали и принимали сигнал от трёх прилегающих к вершине сот.
Первая сотовая сеть работала на частотах от 35 до 44 МГц. Связь, как и во всех ранних проектах, часто прерывалась помехами. В качестве абонентского оборудования использовались аппараты Push-to-talk («Нажми, чтобы говорить») — полудуплексные с двусторонним радиоинтерфейсом и возможностью передачи сигнала одновременно только в одном направлении. Для переключения между режимами приёма и передачи собеседникам необходимо было нажимать или отпускать соответствующую кнопку — тангенту. Из-за многочисленных помех и неудобства аппаратов PTT сервис не получил коммерческого успеха и вскоре компания AT&T закрыла его.
Более успешным оказался проект 1969 года для поездов Metroliner, курсировавших между Нью-Йорком и Вашингтоном — весь маршрут их следования 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.
Параллельно с США системы мобильной радиосвязи разрабатывали в Японии и Европе. Японским исследователям впервые удалось экспериментально установить, что в условиях городской застройки для сотовой связи больше всего подходят диапазоны в районе 400 и 900 МГц. А среди европейцев отличились финны. В 1971 году в Суоми была развернута первая коммерчески успешная сеть сотовой телефонии Autoradiopuhelin («Автомобильный радиотелефон»). А к 1978 году ею была покрыта вся территория страны.
Русский приоритет
Аналогичные разработки активно велись и в СССР. Ещё во время Великой отечественной войны инженер Георгий Бабат предложил идею устройства под названием «монофон» — полностью автоматический переносной телефонный аппарат с рабочим диапазоном частот в районе 1-2 ГГц. В отличие от современных средств сотовой связи, в «монофоне» для передачи голоса планировалось использовать не радиоканал, а разветвленную сеть волноводов — особых искусственных каналов для распространения звуковых волн.
Альтернативный проект в 1946 году реализовали и успешно протестировали инженеры Григорий Шапиро и И. Захарченко (его полное имя установить не удалось — прим. ред.). В их системе связь можно было осуществлять из движущегося автомобиля, на ходу подсоединяясь к проводной городской телефонной сети. Для этого на коммутаторах телефонных станций устанавливались миниатюрные приемо-передающие радиоустановки, а под капот машины помещали ультракоротковолновую радиостанцию мощностью 1 Ватт, запитанную от аккумулятора.
К радиоприемнику городской станции подключался присвоенный автомобилю номер телефона. Чтобы осуществить вызов абонента, пассажир автомобиля включал свой радиопередатчик и посылал в эфир позывные сигналы. Их принимала радиоустановка телефонной станции и автоматически включала телефонный аппарат, дозванивавшийся на нужный номер в городской сети. Соответственно, для вызова автомобиля последовательность действий была обратная: абонент дозванивался на станцию, там запускался радиопередатчик и передавал радиосигнал на встроенный в машину приемник.
В ходе испытаний на улицах Москвы Шапиро и Захарченко показали, что абонентское оборудование автомобиля способно держать устойчивую связь с телефонной станцией на расстоянии чуть больше 20 км. Сами инженеры считали необходимым увеличить радиус действия станции до 150 км. Наиболее же впечатляющей оказалась демонстрация с междугородним разговором из движущегося по Садовому кольцу автомобиля с Одессой. В отличие от зарубежных систем слышимость была прекрасной, а помехи отсутствовали.
Строго говоря, Россия, как правопреемник СССР, может претендовать и на создание первого в мире «карманного» мобильного телефона. Его в октябре 1958 года в журнале «Наука и жизнь» широкой публике представил московский специалист по разработке портативных раций Леонид Куприянович. Патент за №115494 на «Устройство вызова и коммутации каналов радиотелефонной связи» Куприянович получил 4 ноября 1957 года — за 16 лет до официального и общепризнанного изобретения мобильных телефонов американской компанией Motorola.
Работающий опытный образец под аббревиатурой ЛК-1 весил три килограмма, что по тем временам настоящий прорыв в миниатюризации. Спустя время Куприяновичу удалось уменьшить вес до рекордных даже для 1990-х годов 500 граммов! Сопряжение ЛК-1 с городской телефонной сетью осуществлялось через «Автоматическую телефонную радиостанцию» (АТР), с которой ЛК-1 был связан четырьмя частотными каналами: прием звука, передача звука, передача сигналов набора номера и отправка сигнала завершения вызова. Мощная антенна позволяла устанавливать связь в пределах 20-30 километров.
Предполагалось, что применение мобильной связи будет максимально похоже на использование обычных городских телефонов, поэтому обе системы должны были максимально просто интегрироваться, а для улучшения связи в 1959 году Куприянович предложил устанавливать АТР на высотных зданиях — знаменитых сталинских высотках, Впрочем, изобретения Бабата, Шапиро и Захарченко, Куприяновича так и не получили хода.
Последнее, о чем необходимо упомянуть — система автоматической мобильной радиосвязи для высшего руководства СССР «Алтай». Её использование исключало ручное переключение каналов и необходимость вызова диспетчера. Разработка завершилась к 1963 году. Опытная эксплуатация проходила на территории Москвы и Московской области. Первоначально диапазон частот был схож со стандартом MTS — 150 МГц, позднее задействовали и диапазон в 330 МГц. К Олимпиаде-80 сеть покрывала 114 городов СССР. Она стала основным средством связи для советских и международных журналистов, освещавших соревнования. После Олимпийских игр и до развала СССР «Алтаем» пользовалось около 25 тысяч абонентов. Для высшего руководства страны и спецслужб существовал вариант «Алтая» — «Роса», дополненный средствами шифрования.
Поколение зеро
К началу 1960-х в Европе и Америке сложилась ситуация, которую современные историки технологий называют «досотовой эпохой», «поколением зеро» или 0G. В это время существовало несколько основных систем мобильной беспроводной радиосвязи: с использованием Push-to-talk («Нажми, чтобы говорить»), созданная совместными усилиями компаний Motorola и Bell Systems система Mobile Telephone Service (MTS), пришедшая ей на смену в 1964-м Improved Mobile Telephone Service (IMTS), ставшей полностью автоматической, и, наконец, Advanced Mobile Telephone System (AMTS). Почти все они обслуживали громоздкие автомобильные телефоны, состоящие из монтируемого в багажнике приемо-передаточного устройства и собственно телефонного аппарата с индикаторами, наборным диском и трубкой.
Параллельно в США развивалась технология Radio Common Carrier, одобренная Федеральной комиссией по связи. Она предполагала множество отдельных каналов для несущих сигналов, работала на спаренных частотах 152/158 или 454/459 МГц и просуществовала до начала 1980-х годов, пока развитие AMPS не сделало её полностью устаревшей.
Главной особенностью RCC было отсутствие такого привычного нам сейчас сервиса как роуминг. Одни системы позволяли пользователям из сопредельных систем звонить, используя их ресурсы, другие нет. Не существовало и каких-либо общих технических стандартов и параметров радиооборудования. Таким образом, абонент из Калифорнии мог успешно звонить в своём штате и, например, Аризоне, но в Техасе и Пенсильвании его телефон просто не мог функционировать. Кроме того, роуминг не развивался из-за отсутствия биллинговых систем, позволяющих учитывать тарифы других сетей и делать взаиморасчёты.
Другой большой проблемой, впрочем, серьезно подтолкнувшей развитие сотовой телефонии, являлось прерывание звонков. В то время любой мобильный телефон во время звонка должен был находиться внутри зоны, обслуживаемой одной базовой станцией. Если он пересекал её границы, то автоматическое обслуживание прерывалось и разговор обрывался. Только в 1970 году инженер из Bell Labs Амос Джоэл придумал технологию «бесшовной» передачи мобильного телефона от соты к соты без прерывания текущего звонка.