Эндрю Уэзеролл - Компьютерные сети. 5-е издание

Люди сейчас хотят звонить, а также использовать телефон для просмотра электронной почты и веб-серфинга буквально везде: в автомобиле, самолете, бассейне, во время пробежки в парке. Следовательно, имеется огромный интерес к беспроводной телефонии. В следующих параграфах мы рассмотрим подробности, касающиеся этой темы.

Мобильные телефоны используются в широкой области передачи голоса и данных.

На данный момент существует уже три разных поколения мобильных (сотовых) телефонов.Эти поколения называют 1G, 2Gи 3G.

1. Аналоговая голосовая связь.

2. Цифровая голосовая связь.

3. Цифровая голосовая связь и обмен данными (Интернет, электронная почта и т. д.).

(Мобильные телефоны не следует путать с беспроводными телефонами, состоящими из базовой станции и одной или нескольких переносных трубок. Они предназначены для использования внутри жилья или в непосредственной близости от него. Их никогда не объединяют в сети, поэтому в дальнейшем мы их рассматривать не будем.)

Хотя большая часть нашего обсуждения будет посвящена техническому устройству этих систем, нельзя не отметить тот интересный факт, что огромное влияние на процесс развития технологий этого типа оказали политические и экономические решения. Первая мобильная система была предложена американской компанией AT&T, которая, с согласия комиссии FCC, установила мобильную связь на всей территории Соединенных Штатов. В результате целая страна обрела единую (аналоговую) систему связи, и мобильный телефон, купленный, например, в Калифорнии, успешно работал в Нью-Йорке. А в Европе все получилось наоборот: когда туда пришла мобильная связь, каждая страна бросилась разрабатывать собственные системы, в результате чего проиграли все.

Однако Европа чему-то научилась на своих ошибках, и с появлением цифровых систем государственные телефонные службы объединились, чтобы создать единый стандарт (GSM), так что любой европейский мобильный телефон мог работать везде в Европе. К тому времени в США государство вышло из бизнеса, связанного со стандартизацией, поэтому новые цифровые мобильные системы стали заботой коммерческих структур. Это привело к тому, что разные производители стали выпускать разнотипные мобильные телефоны, и в США появились две основные абсолютно несовместимые цифровые мобильные телефонные системы и еще несколько небольших систем.

Несмотря на изначальное лидерство США, Европа сейчас обошла Штаты по популярности мобильной связи. Наличие единой системы, которая работает где угодно в Европе и с любым провайдером, является одной из причин, но есть и другая. Второе отличие США от Европы заключалось в скромном вопросе телефонных номеров. В США не различаются номера мобильных и стационарных телефонов. Поэтому нет никакой возможности узнать, набирая номер, например, (212) 234-5678, попадете вы на городской телефон (дешевый или вообще бесплатный звонок) или на сотовый (дорогой звонок). Чтобы люди не нервничали каждый раз, гадая, куда они звонят, телефонные компании заставили абонентов сотовой связи платить за входящие звонки. Но многих такое решение отпугнуло — люди стали бояться потратить большую сумму денег на один только прием входящих звонков. В Европе у мобильных телефонов номер начинается с особого кода (обычно это число в районе 800-900), поэтому его сразу можно узнать. Значит, можно установить обычное правило, принятое в телефонии: платит звонящий (за исключением международных звонков, где платят оба).

Третий фактор, оказавший большое влияние на популярность мобильных систем, — это широкое распространение телефонов с предоплатой разговоров (до 75 % в некоторых регионах). Их можно купить во многих магазинах, и это не сложнее, чем купить цифровой фотоаппарат. Они могут быть заряжены, например, на 20 или 50 евро, а при снижении баланса до нуля их можно «перезарядить» с помощью секретного PIN-кода. Теперь такие мобильные телефоны есть у любого подростка, и родители могут быть на связи со своим чадом, не опасаясь при этом, что он самостоятельно наговорит по телефону на кругленькую сумму. Если мобильный телефон используется лишь эпизодически, то это обходится практически бесплатно, поскольку почти всегда можно найти тариф, на котором отсутствует абонентская плата или плата за входящие звонки.

2.7.1. Мобильные телефоны первого поколения: аналоговая передача речи

Однако хватит о политике и бизнесе. Поговорим о технологиях. Начнем наше рассмотрение с самых первых из них. Мобильные радиотелефоны эпизодически применялись в морском судоходстве и военной связи во время первых десятилетий XX века. В 1946 году в Сент-Луи была установлена первая система автомобильных телефонов. Она имела один большой передатчик, расположенный на крыше высокого здания, и единственный канал приема и передачи данных. Чтобы начать разговор, нужно было нажать на кнопку, которая включала передатчик и отключала приемник. Такие системы, известные как тангентные, существовали в некоторых городах в конце 50-х годов. CB-радио, системы, используемые в такси и полицейских машинах, часто используют эту же технологию.

В 1960-х годах появилась усовершенствованная система мобильной телефонной связи( IMTS, Improved Mobile Telephone System). Она также использовала мощный (200 Вт) передатчик, установленный на вершине горы, но уже имела два частотных канала: один для отправки, другой — для приема данных. Поэтому микрофонная кнопка уже была не нужна. Благодаря разделению входящих и исходящих каналов пользователи мобильных телефонов не могли слышать чужие разговоры (в отличие от тангентных систем, используемых в такси).

IMTS поддерживала 23 канала в диапазоне от 150 до 450 МГц. Из-за небольшого числа каналов пользователям часто подолгу приходилось ждать освобождения линии. К тому же из-за сильной мощности передатчика смежные системы должны были располагаться на расстоянии нескольких сотен километров друг от друга во избежание интерференции сигналов. В общем, из-за низкой емкости эта система была признана непрактичной.

Усовершенствованная мобильная телефонная связь (AMPS)

Все изменилось с появлением системы усовершенствованной мобильной телефонной связи (AMPS, Advanced Mobile Phone System), изобретенной компанией Bell Labs и впервые установленной в США в 1982 году. Она также использовалась в Англии, где называлась TACS, и в Японии — под именем MCS-L1. Несмотря на то что такая система формально перестала использоваться в 2008 году, мы все же ее рассмотрим, чтобы понять контекст систем 2G и 3G, которые ее улучшили.

В любой мобильной телефонной системе географический регион охвата делится на соты (отсюда иногда применяемое название — «сотовые телефоны»). В AMPS размер сот составляет обычно от 10 до 20 км; в цифровых системах соты еще мельче. Каждая сота работает на своих частотах, не пересекающихся с соседними. Лежащая в основе телефонной системы AMPS идея разбиения территории на относительно небольшие ячейки и использования одних и тех же частот в различных (но не соседних) ячейках дает этой системе значительно большие возможности по сравнению с более ранними системами. В то время как в системе IMTS на территории диаметром 100 км для каждого звонка требовалась своя частота, система AMTS в той же области могла состоять из ста десятикилометровых сот и поддерживать от 5 до 10 звонков на одной и той же частоте в сильно удаленных друг от друга ячейках. Кроме того, небольшие размеры сот означают меньшую мощность, требующуюся для передатчиков, а значит, и меньшую стоимость устройств.