Современные средства и линии связи

Мобильная сотовая связь

Связь называют мобильной, если источник информации либо ее получатель (или оба) перемещаются в пространстве. Радиосвязь с момента возникновения была мобильной. Первые радиостанции предназначались для связи с подвижными объектами - кораблями. Ведь один из первых приборов радиосвязи А.С. Попова был установлен на броненосце "Адмирал Апраксин". И именно благодаря радиосвязи с ним удалось зимой 1899/1900 годов спасти этот корабль, затертый во льдах в Балтийском море.

Долгие годы для осуществления индивидуальной радиосвязи между двумя абонентами требовался свой отдельный канал радиосвязи, работающий на одной частоте. Одновременную радиосвязь по многим каналам можно было бы обеспечить, выделив каждому каналу определенную полоску частот. Но ведь частоты нужны и для радиовещания, телевидения, радиолокации, радионавигации, военных нужд. Поэтому и число каналов радиосвязи было весьма ограничено. Она использовалась для военных целей, правительственной связи. Так, в автомобилях, которыми пользовались члены политбюро ЦК КПСС, были установлены телефоны мобильной связи. Устанавливалась они в полицейских машинах и радиотакси. Для того чтобы мобильная связь стала массовой, понадобилась новая идея ее организации. Эту идею в 1947 году высказал Д. Ринг, сотрудник американской компании Bell Laboratories. Она заключалась в разделении пространства на небольшие участки - соты (или ячейки) радиусом 1-5 километров и в отделении радиосвязи в пределах одной ячейки от связи между ячейками. Это позволяло использовать в разных сотах одни и те же частоты. В центре каждой ячейки предлагалось расположить базовую - приемно-передающую - радиостанцию для обеспечения радиосвязи в пределах ячейки со всеми абонентами. У каждого абонента своя микрорадиостанция - "мобильный телефон" - комбинация телефона, приемопередатчика и мини-компьютера. Абоненты связываются между собой через базовые станции, соединенные друг с другом и с городской телефонной сетью.

Каждая сота должна обслуживаться базовым радиопередатчиком с ограниченным радиусом действия и фиксированной частотой. Это дает возможность повторно использовать ту же частоту в других сотах. Во время разговора сотовый радиотелефон соединен с базовой станцией радиоканалом, по которому передается телефонный разговор. Размеры соты определяются максимальной дальностью связи радиотелефонного аппарата с базовой станцией. Эта максимальная дальность является радиусом соты.

Идея мобильной сотовой связи состоит в том, что, еще не выйдя из зоны действия одной базовой станции, мобильный телефон попадает в зону действия любой соседней вплоть до наружной границы всей зоны сети.

Для этого созданы системы антенн-ретрансляторов, перекрывающих свою "соту" - область поверхности Земли. Чтобы связь была надежной, расстояние между двумя соседними антеннами должно быть меньше радиуса их действия. В городах оно составляет около 500 метров, а в сельской местности - 2-3 км. Мобильный телефон может принимать сигналы сразу от нескольких антенн-ретрансляторов, но настраивается он всегда на самый мощный сигнал.

Идея мобильной сотовой связи заключалась еще и в применении компьютерного контроля за телефонным сигналом от абонента, когда он переходит от одной сотовой ячейки к другой. Именно компьютерный контроль позволил в течение всего лишь тысячной доли секунды переключать мобильный телефон с одного промежуточного передатчика на другой. Все происходит так быстро, что абонент просто этого не замечает.

Центральной частью системы мобильной связи являются компьютеры. Они отыскивают абонента, находящегося в любой из сот, и подключают его к телефонной сети. Когда абонент перемещается из одной ячейки в другую, они передают абонента с одной базовой станции на другую, а также подключают абонента из "чужой" сотовой сети к "своей", когда он оказывается в зоне ее действия, - осуществляют роуминг (что по-английски означает "странствие" или "бродяжничество").

Принципы современной мобильной связи были достижением уже конца 40-х годов. Однако в те времена компьютерная техника была еще на таком уровне, что ее коммерческое применение в системах телефонной связи было затруднено. Поэтому практическое применение сотовой связи стало возможным только после изобретения микропроцессоров и интегральных полупроводниковых микросхем.

Первые сотовые телефоны весили больше килограмма. Сконструировал первый сотовый телефонный аппарат Мартин Купер (фирма Motorola, США). Весил это аппарат 1,15 кг и имел габариты 22,5х12,5х3,75 см (рис. 4.2). На передней панели было расположено 12 клавиш, из них 10 цифровых и две для отправки вызова и прекращения разговора. Дисплея и дополнительных функций у него не было, т.к. они увеличивают вес аппарата. Аккумулятор позволял общаться 35 минут, но заряжать его приходилось более 10 часов. На крыше 50-этажного здания в Нью-Йорке была смонтирована базовая станция, способная обслуживать не более 30 абонентов и соединять их с наземными линиями связи.

Первым этот телефон взял в руки Мартин Купер весенним утром 3 апреля 1973 года. Он набрал номер Джоэла Энгела, начальника исследовательского отдела Bell Laboratories, и произнес следующие слова: "Представь себе, Джоэл, что я звоню тебе с первого в мире сотового телефона. Он у меня в руках, а я иду по нью-йоркской улице".

Рис. 4.2. Изобретатель сотового телефонного аппарата Мартин Купер (фирма Motorola) с первым сотовым телефоном

Вес современных сотовых телефонов через 33 года, в 2006 году, составляет всего 70-100 г (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Современный сотовый телефон

В июле 1978 года начала работу Advanced Mobile Phone Service (Усовершенствованная Служба Мобильных Телефонов) или AMPS.

В декабре 1979 года в Токио начала работу первая сотовая сеть связи из 88 базовых станций. В 1984 г. сеть была расширена до масштабов всей Японии.

Эксплуатация первой в Европе системы сотовой связи стандарта NMT-450 (Nordic Mobile Telephone), предназначенной для работы в диапазоне 450 МГц, началась в 1981 году в Швеции, Исландии, Дании, Норвегии, Финляндии и Саудовской Аравии. Затем началась эксплуатация систем связи того же типа в странах Европы и Юго-Восточной Азии. В 1985 году на базе этого стандарта был разработан стандарт NMT-900 диапазона 900 МГц, позволивший увеличить абонентскую емкость системы связи. Подобные стандарты были введены в США, Франции и Великобритании.

Однако все эти стандарты являются аналоговыми и относятся к первому поколению систем сотовой связи. В них используется аналоговый способ передачи информации с помощью частотной (ЧМ) или фазовой (ФМ) модуляции - как в обычных радиостанциях. Этот способ имеет ряд существенных недостатков, главными из которых являются возможность прослушивания разговоров другими абонентами и невозможность борьбы с замиранием сигналов при передвижении абонента и под влиянием ландшафта и зданий. Перегруженность частотных диапазонов вызывала помехи при разговорах.

Поэтому к концу 1980-х годов началось создание второго поколения систем сотовой связи, основанных на базе цифровых методов обработки сигналов. В 1990 году был разработан стандарт GSM-900 для диапазона 900 МГц, который расшифровывается как Global System for Mobile Communications. А в 1991 году на основе GSM был разработан стандарт для диапазона 1800 МГц. Подобные стандарты были приняты в США и Японии.

В России аналоговые системы сотовой связи на основе стандарта NMT-450 появились с опозданием на 10 лет, но зато цифровые системы на основе стандарта GSM - с опозданием только на 3 года. Стандарты NMT и GSM утверждены в нашей стране в качестве федеральных. В Москве активнее всего развиваются сотовые сети на основе цифрового стандарта GSM, а в регионах - аналоговые сети. Системы стандарта GSM в России наиболее активно продвигают на рынке три оператора - МТС, "Билайн" и "МегаФон". Сегодня на основе этого стандарта работают уже более 70% всех сотовых телефонов в мире. России пошло на пользу опоздание с внедрением сотовой связи. У нас был сразу принят цифровой стандарт GSM. Многие современные сотовые телефоны оснащены возможностью высокоскоростного доступа в Интернет по стандарту GPRS (General Packet Radio Service).

Рис. 4.4. Зимин Дмитрий Борисович – основатель фонда Династия

Дмитрий Борисович Зимин (год.рожд. 1933,) — основатель и Почетный Президент компании "Вымпел-Коммуникации" (торговая марка — "Билайн"), основатель Фонда некоммерческих программ "Династия".

Начав в старших классах средней школы заниматься радиотехникой, вместе с учителем физики С. М. Алексеевым написал книгу "Школьная УКВ-радиостанция", которая позже была опубликована.

В 1950 году Д. Б. Зимин закончил радиотехнический факультет Московского авиационного института в 1957 году. По окончании поступил на должность инженера в проблемную лабораторию при кафедре профессора М. С. Неймана.

В 1962 году Зимин был приглашен на работу в Радиотехнический институт Академии наук СССР, возглавляемый академиком А. Л. Минцем.

Более 35 лет Д. Б. Зимин занимал руководящие посты в Радиотехническом институте (позднее РТИ имени А. Л. Минца). Он работал начальником лаборатории, затем 14 лет был начальником научного отдела, а позже — директором Центра по разработке радиотехнического оборудования.

В 1963 году Зимин защитил кандидатскую диссертацию, а в 1964 году – докторскую диссертацию.

После резкого сокращения оборонных заказов в начале 1990-х годов Д. Б. Зимин принял активное участие в реализации идей конверсии с целью создания рабочих мест для высококвалифицированных специалистов военно-промышленного комплекса. Как заместителю главного конструктора ему была поручена работа по развертыванию в институте конверсионной тематики. 6 марта 1991 года было зарегистрировано малое предприятие КБ "Импульс", организованное Д. Б. Зиминым в рамках конверсионной программы. Первой его разработкой стала система спутникового телевидения. Следующим проектом была система кабельного телевидения — АС-600. Она также была запущена в серию и уже принесла небольшой доход.

В 1991 году внимание Д. Б. Зимина привлекла новая задача — создание подвижной сухопутной связи общего назначения (официальное наименование сотовой телефонной связи в тот период). Проектную разработку системы сотовой связи он начал в 1991 году с организации группы технических экспертов внутри Радиотехнического института. На начальном этапе партнером Д. Б. Зимина была американская фирма "Plexis".

Для производства и эксплуатации оборудования сотовой связи общего назначения по инициативе Д. Б. Зимина в 1992 году было создано акционерное общество "Вымпел-Коммуникации" (АО "ВымпелКом"), где Зимин стал Президентом и Генеральным директором. Была запущена в действие и заработала пилотная станция мобильной связи стандарта AMPS, покрывавшая Садовое кольцо и имевшая начальную емкость около 200 абонентов. Под руководством Д. Б. Зимина ОАО "ВымпелКом" внесло большой вклад в развитие сотовой связи в России, организовав работы, приведшие к принятию в России стандартов мобильной связи AMPS/D-AMPS и GSM-1800 и выходу услуг сотовой связи на рынок массового потребителя.

В мае 2001 года, когда абонентская база "ВымпелКома" превысила миллион абонентов, компания вышла на прибыльность и в состав акционеров вошла группа "Альфа", Д. Б. Зимин добровольно оставил пост Генерального директора и стал Почетным Президентом ОАО "ВымпелКом".

В настоящее время Д. Б. Зимин занимается общественной работой и благотворительностью. Он принимает участие в работе ряда университетов и общественных организаций.

С 2002 года Д. Б. Зимин — основатель и президент благотворительного фонда "Династия", а с 2006 г. – член наблюдательного совета "Династии", основными задачами которого являются поддержка и популяризация российской фундаментальной науки.

Доли сотовых операторов в общероссийской абонентской базе в 2009 году: лидирует по этому показателю "МТС" (33%), за ней следует компания "ВымпелКом" (25%), на третьем месте "МегаФон" (24%), четвертую позицию занимает TELE2 (7%). Остальные операторы делят между собой 11% абонентской базы.

В США услугами сотовой телефонной связи пользуются примерно 81 миллион человек, что составляет более 31 процента от общей численности населения страны в 260 миллионов.

В странах Европы, включая Россию, этот показатель выше - примерно 33,8% всего населения. Максимальный в мире показатель - в Финляндии: 63,5% населения страны владеют сотовыми телефонами.

Число пользователей сотовой связи в России в 2000 г. составляло 3,3 млн человек, в 2001 г. - 7,8 млн, в 2002 г. - 17,7 млн, в 2003 г. - 32 млн. При этом уровень проникновения сотовой связи на конец октября 2003 г. в Москве и Московской области составляет 63%, в Петербурге и Ленинградской области - 51%, а в других регионах России - 22%.

Персональная сотовая мобильная связь пользуется все большей популярностью, особенно у молодежи. Общее число ее пользователей в мире превышает 600 миллионов абонентов.

Важным преимуществом мобильной сотовой связи является возможность пользоваться ею вне общей зоны своего оператора - роуминг. Для этого различные операторы договариваются между собой о взаимной возможности пользования своим зонами для пользователей. Абонент, покидая общую зону своего оператора, автоматически переключается на зоны других операторов даже при перемещении из одной страны в другую, например, из России в Германию или во Францию. Либо, находясь в России, пользователь может звонить по сотовой связи в любую страну. Таким образом, сотовая связь обеспечивает пользователю возможность связываться по телефону с любой страной, где бы он не находился.

Ведущие компании-производители сотовых телефонов ориентируются на единый европейский стандарт - GSM. Именно поэтому их аппаратура технически совершенна, но относительно недорога. Ведь они могут позволить себе выпускать огромные партии телефонов, находящих сбыт.

Удобным дополнением к сотовому телефону стала система коротких сообщений SMS (Short Message Service). Она используется для передачи коротких сообщений прямо на телефон современной цифровой системы GSM без применения дополнительного оборудования, только с помощью цифровой клавиатуры и экранчика-дисплея сотового телефона. Прием SMS-сообщений производится также на цифровой дисплей, которым оснащен любой сотовый телефон. SMS можно использовать в тех случаях, когда обычный телефонный разговор не является самым удобным видом связи (например, в шумном переполненном поезде). Можно послать знакомому по SMS свой номер телефона. Из-за низкой стоимости SMS является альтернативой телефонному разговору. Максимальная величина SMS-сообщения составляет 160 символов. Посылать его можно несколькими способами: звонком в специальную службу, а также с помощью своего телефона GSM с функцией отправки, с помощью Интернета. Система SMS может обеспечивать дополнительные услуги: посылать на Ваш телефон GSM курс валют, прогноз погоды и т.д. По существу, телефон GSM с системой SMS является альтернативой пейджеру.

Но и система SMS - не последнее слово в сотовой связи. В наиболее современных сотовых телефонах (например, фирмы Nokia) появилась функция Chat (в русской версии - "диалог"). С ее помощью можно общаться в режиме реального времени с другими владельцами сотовых телефонов, как это делается в Интернете. По существу, это новый вид обмена посланиями SMS. Для этого вы составляете послание своему собеседнику и отправляете его. Текст вашего послания появляется на дисплеях обоих сотовых телефонов - вашего и вашего собеседника. Потом он вам отвечает и на дисплеях высвечивается его послание. Таким образом, вы ведете электронный диалог. Но если сотовый телефон вашего собеседника не поддерживает данную функцию, то он будет получать обычные SMS-сообщения.

Появились и сотовые телефоны с поддержкой высокоскоростного доступа в Интернет через GPRS (General Packet Radio Service) - стандарт пакетной передачи данных по радиоканалам, при котором телефону не нужно "дозваниваться": аппарат постоянно поддерживает соединение, отправляет и принимает пакеты данных. Выпускаются и сотовые телефонные аппараты со встроенной цифровой фотокамерой.

По данным исследовательской компании Informa Telecoms & Media (ITM) число пользователей мобильной связи в мире в 2007 году составляет 3,3 млрд. человек.

Наконец, самые сложные и дорогие аппараты - это смартфоны и коммуникаторы, сочетающие возможности сотового телефона и карманного компьютера.

Интернет-телефония

Одним из самых современных и экономичных видов связи стала Интернет-телефония. Днем ее рождения можно считать 15 февраля 1995 года, когда фирма VocalTec выпустила свой первый soft-phone - программу, служащую для обмена голосом по сети IP. Затем Microsoft выпустил в октябре 1996 года первую версию NetMeeting. А уже в 1997 году стали вполне обычными соединения через Интернет двух обычных телефонных абонентов, находящихся в совершенно разных местах планеты.

Почему обычная междугородная и международная телефонная связь так дорога? Объясняется это тем, что во время разговора вы занимаете целый канал связи, причем не только когда вы говорите или слушаете собеседника, но и когда вы молчите или отвлекаетесь от разговора. Так происходит при передаче голоса по телефону обычным аналоговым способом.

При цифровом же способе информацию можно передавать не непрерывно, а отдельными "пакетами". Тогда по одному каналу связи можно посылать информацию одновременно от многих абонентов. Этот принцип пакетной передачи информации подобен перевозке множества писем с разными адресами в одном почтовом вагоне. Ведь не "гоняют" же один почтовый вагон для перевозки каждого письма в отдельности! Такое временное "пакетное уплотнение" позволяет намного эффективнее использовать существующие каналы связи, "сжимать" их. На одном конце канала связи информация делится на пакеты, каждый из которых, подобно письму, снабжается своим индивидуальным адресом. По каналу связи пакеты многих абонентов передаются "вперемежку". На другом конце канала связи пакеты с одним адресом снова объединяются и направляются своему адресату. Такой пакетный принцип широко используется в сети Интернет.

Через персональный компьютер можно по сети Internet посылать и получать письма, тексты, документы, рисунки, фотографии. Но точно так же работает и Интернет-телефония (IP-телефония) - телефонный разговор двух пользователей персональных компьютеров. Для этого оба пользователя должны иметь микрофоны, соединенные с компьютером, и наушники или звуковые колонки, а их компьютеры - звуковые карты (желательно для двухсторонней связи). При этом компьютер преобразует аналоговый "голосовой" сигнал (электрический аналог звука) в цифровой (комбинации импульсов и пауз), который затем передается по сетям Интернета. На другом конце линии компьютер вашего собеседника производит обратное преобразование (цифровой сигнал в аналоговый), и голос воспроизводится как в обычном телефоне. Интернет-телефония значительно дешевле междугородных и международных разговоров по обычному телефону. Ведь при IP-телефонии нужно платить только за пользование Интернетом.

Имея персональный компьютер, звуковую карту, совместимые с ней микрофон и наушники (или звуковые колонки), Вы можете с помощью Интернет-телефонии позвонить любому абоненту, у которого обычный городской телефон. При этом разговоре Вы также будете платить только за пользование Интернетом.

Перед началом пользования Интернет-телефонией абоненту - владельцу персонального компьютера необходимо установить на него специальную программу.

Для пользования услугами Интернет-телефонии вообще не обязательно иметь персональный компьютер. Для этого достаточно иметь обычный телефон с тональным набором. В этом случае каждая набранная цифра уходит в линию не в виде разного количества электрических импульсов, как при вращении диска, а в виде переменных токов разной частоты. Такой тоновый режим есть в большинстве современных телефонных аппаратов.

Для пользования Интернет-телефонией с помощью телефонного аппарата нужно купить кредитную карточку, и позвонить на мощный центральный компьютер-сервер по указанному на карточке номеру. Затем автомат сервера голосом (по выбору на русском или английском языке) сообщает команды: набрать с помощью кнопок телефонного аппарата серийный номер и ключ карточки, набрать код страны и номер своего будущего собеседника. Далее сервер превращает аналоговый сигнал в цифровой, отправляет его в другой город, страну или на другой континент в находящийся там сервер, который снова преобразует цифровой сигнал в аналоговый и отправляет его нужному абоненту. Собеседники разговаривают как по обычному телефону, правда, иногда чувствуется небольшая (на доли секунды) задержка ответа. Напомним еще раз, что для экономии каналов связи голосовая информация передается "пакетами" цифровых данных: ваша голосовая информация расчленяется на отрезки, пакеты, называемые Интернет-протоколами (IP).

TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol) - это основной интернет-протокол, или формат передачи данных в Интернете. При этом IР обеспечивает продвижение пакета по сети, а ТСР гарантирует надежность его доставки. Они обеспечивают разбивку передаваемых данных на пакеты, передачу каждого из них получателю по произвольному маршруту, а потом - сборку в правильном порядке и без потерь.

По каналу связи последовательно передаются не только ваши пакеты, но и пакеты нескольких других абонентов. На другом конце линии связи все ваши пакеты снова объединяются, и ваш собеседник слышит всю вашу речь. Для того чтобы не чувствовать задержки в разговоре, этот процесс не должен превышать 0,3 секунды. Так производится сжатие информации, благодаря которому Интернет-телефония в несколько раз дешевле обычных междугородных и тем более международных переговоров.

В 2003 году была создана программа Skype (www.skype.com), совершенно бесплатная и не требующая от пользователя практически никаких знаний ни для ее установки, ни для использования. Она позволяет разговаривать с видеосопровождением собеседникам, сидящим у своих компьютеров в разных концах света. Для того чтобы собеседники могли видеть друг друга, компьютер каждого из них должен быть снабжен web-камерой.

Вот такой длинный путь в развитии средств связи проделало человечество: от сигнальных костров и барабанов до сотового мобильного телефона, который позволяет практически мгновенно связаться двум людям, находящимся в любых точках нашей планеты.