Мобильная связь

A. Введение

B. Первые мобильные системы

Цифровые беспроводные и сотовые технологии берут свое начало в 1940-х, когда началось коммерческое использование мобильной телефонной связи. По сравнению с бешеным темпом развития технологий сегодня, может показаться странным, что мобильная беспроводная связь не развилась дальше за последние 60 лет. Где наши видеотелефоны в часах? Было множество причин этой задержке, но наиболее важными были

Дик Трейси, в 1946, носит активируемый голосом телефон в часах.

технология, настороженность и федеральное регулирование.

Как катушка и вакуумная трубка сделали возможным раннюю телефонную сеть, революция беспроводных технологий началась только после того, как стали доступны дешевые микропроцессоры и цифровые переключатели. The Bell System, производители лучшей проводной телефонной системы в мире, перешли к беспроводным технологиям нерешительно и иногда с равнодушием. Чтобы ни произвели AT&T, это должно было работать надежно с остальной частью их сети, и это должно было иметь экономический смысл. Нечто немыслимое для них с их ограниченным (из-за малого количества частот доступных в то время) числом клиентов. Доступность частоты в свою очередь управлялась Федеральной Комиссией Связи, чьи нормы и косность составили наиболее значимые препятствия  развитию радиотелефонии, особенно с сотовым радио, задерживая эту технологию в Америке возможно на 10 лет.

Хотя в Европе и Японии, где правительства могли менее регулировать свои государственные телефонные компании, мобильная беспроводная связь пришла никак не скорее, и в большинстве случаев позже, чем в Соединенные Штаты. Японские изготовители, хотя не первые работали с сотовым радио, снабдили первый автомобиль связью, основав мобильные телефонные услуги. Их продукты сделали возможным первые четыре коммерческих сотовых  телефонных систем, сначала в Бахрейне, затем в Токио, Осаке, и позже в Мексико-Сити.

Выходя за пределы области этой статьи, радиотелеграфия предшествовал беспроводному радиотелефону. Еще до 1900 года Маркони и другие экспериментировали с первыми принципами  радио. Суда были первыми мобильными беспроводными платформами. В 1901 Маркони установил радио на борт парового грузовика Торнисрофт, таким образом произведя первую наземную мобильную связь. (Передающую данные, конечно, а не голос.) Артур К. Кларк говорит, что цилиндрическая антенна машины опускалась в горизонтальное положение перед тем, как фургон начинал двигаться.

Бессвязные эксперименты с радио продолжались в течение следующих двух десятилетий. Надежных, голосовых коммерческих радио было немного. Военные, конечно, принимали участие, хотя не обязательно с мобильными системами, как этот короткий параграф из книги 1922 года демонстрирует: "Это было большой удачей для автора, участвовать в создании беспроводной связи в 1908 и 1909, с передатчиком типа Телефункен, сделанным в Германии. Серия экспериментов проводилась для Американских Корпусов Связи, с тем, чтобы доказать целесообразность радиотелефонии для военных коммуникаций. Расстояние, которое нужно было связать, было около 18 миль, или авиалиния между Фортом Ханкок в Сенди Хук и Форт Вуд, Остров Бедлойс, около самой Статуи Свободы, осматривающей Нью-йоркский залив. Высокие холмы острова Стейтен оказались на пути, затрудняя связь между двумя точками..." 

Около 1920 началось регулярное коммерческое радиовещание; эксперименты с мобильной телефонной связью и машинами начались вскоре после этого, когда предназначенный для этого диапазон был  распределен для использования. Известно, что А.М. широковещательные станции могли прервать программу, чтобы описать проблему или криминальное происшествие, скажем, чтобы сообщить о грядущем ограблении банка. Полиция следила за сообщениями по автомобильным радио и незамедлительно реагировала. В 1921 Американские мобильные радио начали действовать на частоте 2 MHz, чуть выше современных  A.M. радио частот. Главным образом закон принуждал использовать эти частоты. Первые радио системы вызывали, используя иногда

азбуку Морзе,  выехавшие полицейские автомобили, чтобы те позвонили в их полицейский участок по проводному телефону. Полицейские и спасательные службы стояли во главе нововведений мобильного радио, следовательно, немного думали о частном, индивидуальном использовании радиотелефона. Оборудование во всех случаях было экспериментальным,  практические системы не создавались до 1940-х, и не было никакой взаимосвязи с наземными телефонными системами. Имея вышесказанное, Bell Laboratories претендуют на изобретение первой версии мобильного, голосового радиотелефона в 1924 и я не вижу ничего, что бы противоречило этому, на самом деле, фото выше с их сайта, несомненно, подтверждает это!

В 1934 Конгресс Соединенных Штатов создал Федеральную Комиссию Связи. Дополнительно к регулированию наземного межштатного телефонного бизнеса, они также начали управлять диапазоном радио. Они решали, кто какие должен получать частоты. Это дало приоритет спасательным службам, государственным агентствам, общественным компаниям, и службам, которые как они полагали, помогали наибольшему числу людей. Такие радио пользователи,  как такси или компании транспортировки аварийных машин требовали небольшой диапазон для ведения своего бизнеса. Радиотелефон, по сравнению, использовал большие блоки частот, чтобы обслуживать всего несколько людей. ФКС не определяло никаких частных или индивидуальных радиотелефонных каналов до окончания Второй Мировой Войны.

17го Июня, 1946 в Сент-Луисе, Миссури, AT&T и Southwestern Bell предоставили первые Американские коммерческие мобильные радиотелефонные услуги частным клиентам. Клиенты пользовались новым авто радиотелефоном с лицензией предоставленной FCC компании Southwestern Bell. Они обслуживались в шести каналах в 150 MHz диапазоне с 60 kHz канальным расстоянием. Сильные частотные интерференции, создававшие нечто похожее на перекрестный разговор по наземному телефону, скоро принудили Белла использовать только три канала. За редким исключением в практике Bell System, подписчик мог купить свои собственные радио установки, а не оборудование AT&T.

Упрощенная схема обслуживания радиотелефонов (Беззоновая Система)

Диаграмма выше показывает центральный передатчик обслуживающий мобильные телефоны на большой территории. Одна антенна обслуживает широкую область, например службу радио такси. Поскольку установленный на автомобиле передатчик не был таким же мощным, как и центральная антенна, то его ответный сигнал не всегда мог быть получен. Это означало, другими словами, что Вам требовались принимающие антенны, распределенные на большой территории, чтобы перенаправлять радио поток обратно на узел, обрабатывающий вызов. Этот процесс сохранения линии связи, переходящей от одной зоны к другой  был назван handoff.

1946, Служба мобильной телефонии Bell System -- Зонная Система M: мобильный телефон R: приемник.

PSTN: Общественная автоматическая телефонная сеть.

Как изображено выше, в больших городах Служба Мобильной Телефонии Bell System использовала центральный передатчик, чтобы вызывать мобильные телефоны и передавать нисходящий поток речи. Мобильные телефоны, основываясь на коэффициенте сигнала к шуму, выбирали ближайший приемник и передавали на него сигнал. Другими словами, они получали сообщения на одной частоте от центрального передатчика, а послали ближайшему приемнику на другой.

Установленные на удаленных центральных офисах, эти приемники и антенны могли также "устанавливаться в здания или монтироваться в погодоустойчивые будки или купола". Они собирали поток и передавали его на самый большой телефонный узел, где находились основное оборудование и операторы. Установленная высоко над штаб-квартирой  Southwestern Bell на 1010 по Пайн-стрит, расположенная в центре антенна мощностью в 250 ватт вызывала мобильные телефоны и передавала радиотелефонный нисходящий поток, т.е.  частоту от передатчика на  мобильный телефон. Функционирование было не слишком простым, как описывает следующее:

Текст выше сопровождал иллюстрацию в статье от 1946 в Bell Laboratories Record, в которой впервые была описана система. Он дает хорошее представление, как работала система.

20-иваттные мобильные установки не передавали прямо на центральную башню, а на один из пяти приемников, установленных по всему городу. Как только мобильное устройство подавало сигнал, открывались все пять приемников. Мобильная Телефонная Служба или MTS собирала сигналы от одного или более приемников в унифицированный сигнал, усиливая его и посылая распределительный пункт. Это сделало возможным роуминг (с английского: бродяжничество) от одного городского района к другому.

Как это работало? Представьте себе кого-то проходящего через дом с вдоль ряда телефонов со снятыми трубками. Вечеринка на другом конце линии будет слышать человека, перемещающегося из одной комнаты в другую, так как каждый телефон будет собирать часть звука. Это было самое простое использование handoff, сохраняющее переходящий вызов, когда вызывающий переходил от одной зоны в городе к другой.

Только одна сторона говорила за один раз со Службой Мобильной Телефонии или MTS. Вы нажимали кнопку телефона-трубки, чтобы поговорить, затем отпускали кнопку, чтобы слушать. (Это устраняло проблему эха, разрешение которой заняло годы, пока не была изобретена полнодуплексная связь.) Мобильное телефонное обслуживание не было симплексным, как описывают многие авторы, а  полудуплексным. Симплекс использует только одну частоту, как на передаче, так и на приемнике. В MTS базовая частота станции и мобильная частота отличались на 5 kHz. Одной из причин, чтобы действовать так, была секретность. Подслушивающие могли бы услышать только одну часть разговора. Подобно радио гражданского диапазона, вызывающий искал вручную не использующуюся частоту прежде, чем производить вызов. Но так как было всего несколько каналов, это не было большой проблемой. Это указывает величайшую проблему для стандартной радиотелефонной связи: слишком мало каналов.

Эта система предшествовала и была причиной многим разработкам сотовой связи, на самом деле, Bell Laboratories'  Д.Х. Ринг сформулировал концепцию сотовой связи годом позже в декабре,1947 во внутреннем меморандуме, созданном Рингом с незаменимой помощью от  В.Р. Янга. Янг позже вспомнил, что все элементы был известны уже тогда: сеть небольших географических областей названные сотами, передатчик низкой мощности в каждой, поток ячейки, управляемый центральной АТС, частоты, многократно использующиеся другими ячейками и так далее. Янг утверждает, что с 1947 команды Белла "верили, что средства для управления и подключения к множеству небольших ячеек будут развиваться, когда в них возникнет потребность. "Авторы в SRI International, в их многотомной истории сотовых телефонов, описывают те далекие дни так: " самое раннее письменное описание концепции сотовой связи появилось в 1947 на Техническом меморандуме Bell Labs, созданном Д. H. Рингом. Технический меморандум подробно описал многократное использование частоты в небольших ячейках, которые оставались одним из ключевых элементов разработки сотовой связи с тех пор. Меморандум также описывал handoff, заявляя "Если используется более чем одна первичная частота, должны предусматриваться средства для переключения автомобильного приемника и передатчика на другие частоты. "Ринг не размышляет, как это могло бы реализовываться, и, фактически, его  внимание было сосредоточено на том, как могли быть наилучшим образом сэкономлены частоты в различных теоретических системных разработках".

Здесь мы достигаем важной точки, та, которая иллюстрирует  важнейшее различие между стандартной мобильной телефонной связью и сотовой. Вспомните, как авторы описывали handoff, процесс, который Служба Мобильной Телефонии уже использовала. Не было большой проблемы в проведении handoff от одной зоны к другой, но иметь дело с handoff в ячеистой системе, где каждая из частот была использована много раз, было нелегко. В ячеистой системе Вы должны не только передать вызов от зоны к зоне по ходу движения мобильного устройства, но Вам нужно также переключать частоту, на которую оно настроено, поскольку частоты отличаются от ячейки к ячейке. Повторное использование частоты - критический и уникальный элемент сотовой связи, не handoff, поскольку стандартные радиотелефонные системы также используют их. Давайте обратимся снова к комментариям Янга, где он сообщает, что команда Белла верила, что сотовая связь будет развиваться, когда в ней будет необходимость.

Основные патенты на стандартный мобильный телефон handoff -: Система Связи с Контролем Перенесения Мощности, Генри Магунски, назначенный Motorola, Inc. U.S. 2,734,131 (1956) и Автоматическая Радиотелефонная Система Переключения, R.A. Чанней, назначенный Bell Telephone Laboratories, Inc. U.S. 3,355,556(1967)

Подтверждая предсказание Bell Laboratories, возникала нужда в большем числе мобильных телефонов. Росли списки очередей в каждом городе, где мобильная телефонная услуга была введена. В 1976 только 545 клиентов в Нью-Йорк-Сити имело мобильную связь Bell Systems, 3,700 же клиентов оставались на листе ожидания. По всей стране 44,000 подписчиков Белла имело мобильные устройства AT&T, но 20,000 людей просидели от пяти до десяти лет в очередях.  Несмотря на эту невероятную потребность, прошло 37 лет от введения мобильного телефона до коммерческого использования. Но всесильные руки FCC все также затормаживали развитие сотовой связи. До 1980-х они так не сделали каналы достаточно доступными; даже до 1978 беспроводные ретрансляторы Bell System делили всего 54 канала по всей стране. Сравните с 666 каналами, требовавшимися первым системам AMPS для работы.

Подведем итог. В мобильной телефонной связи канал - пара частот. Одна частота, чтобы передать и одна, чтобы получить. Это создает цепь или полный маршрут связи. Звучит достаточно просто. Радиодиапазон, тем не менее, был все еще чрезвычайно сжат. В конце 1940-х было немного пространства на нижних частотах, которые использовались большей частью оборудования. Неэффективные радио вносили еще большее уплотнение, используя диапазон частот в 60 kHz, чтобы послать сигнал, который теперь может быть послан с диапазоном в 10kHz или меньше. Но что бы Вы могли сделать со всего шестью каналами, даже не смотря на технологии? Со стандартной мобильной телефонной услугой у вас были бы пользователи, воющие от ожидания открытой частоты. Вы имели бы, вероятно, беспроводную линию, и возможно сорок подписчиков, дерущихся за каждый канал связи. Большинство мобильных телефонных систем не могли обслужить более чем 250 человек. Были и другие проблемы.

Радиоволны в нижних частотах проходят большие расстояния, иногда сотни миль, когда они пропускаются через атмосферу. Передатчики высокой мощности дали мобильным устройствам широкий рабочий диапазон, но добавили дилемму. Телефонные компании не могли многократно использовать их драгоценные несколько каналов в соседних городах, т.к. они создавали помехи своим собственным системам. Им нужно было, по крайней мере, семьдесят пять миль между системами прежде, чем они могли бы использовать частоту снова. Пока FCC держала открытие большего числа каналов для беспроводных технологий под замком, лучшая техника многократного использования частот, вероятно, помогла бы (хотя сомнительно с технологией того времени). В 1947 AT&T запустили "службу хайвэй", предложение радиотелефонов, которое предусматривало обслуживание между Нью-Йорком и Бостоном. Она работала в диапазоне от 35 до 44 MHz, и иногда вызывала интерференции с другими службами. Даже AT&T признали систему неудачной. Том Кнейтел пишет в своей “Мелодии  Телефонных Звонков” (3 издание, 1996):  

"Сервис в те далекие дни был очень примитивным, клиенту присваивался к использованию один специфический канал, и вызовы от мобильных устройств делались поднятием оператора голосом и названием вызываемого номера вслух. Мобильным устройствам были назначены отличные телефонные номера, основанные на кодированном обозначении канала на котором им разрешалось действовать. Устройство предназначенное действовать в канале 'ZL (33.66 Mhz базовая станция) могло иметь номер  ZL-2-2849. Мобильный номер YJ-3-5771 было устройством предназначенным работать с каналом YJ (152.63 Mhz). Вся беседа означала нажимание кнопки, чтобы говорить, и отпускание ее, чтобы слушать".

Страницы: 1, 2