В первой части этого материала мы углубимся в историю сотовой связи, расскажем про SIM-карты и эволюцию поколений сотовых сетей
XXI век точно нельзя представить без современных мобильных телефонов и сотовых сетей. Мы обращаемся к ним не просто ежедневно, а сотни и тысячи раз в день. Практически каждый раз, когда просто смотрим на свой смартфон или используем его любым возможным образом, полагаемся именно на сотовые сети, которые соединяют нас с тысячами таких же зевак. Скорее всего, и этот материал вы подгрузили через них и сейчас читаете в общественном транспорте или просто на улице.
Современные смартфоны впечатляют своей производительностью, экранами с миллионами разных цветов, громкими динамиками и камерами на десяток-второй мегапикселей. Но без доступа к сотовым сетям они превращаются в дорогие игровые консоли, фотоаппараты и медиаплееры. Далеко не каждый понимает, как устроена мобильная связь. Именно поэтому мы решили рассказать о ней на страницах нашего сайта. Это первая часть материала, которая введёт вас в курс дела.
Сотовая связь стала новым витком развития технологий
Сотовую связь по праву считают одним из главных изобретений человечества — круче только интернет или какое-нибудь колесо. Корни знаковой технологии достигают 20-х годов. Тогда некоторые американские полицейские участки использовали телефонную радиосвязь диапазона 2 МГц, чтобы передавать информацию о преступниках на приёмники в машинах патрульных. Её внедрили в 1921, а в 1933 году снабдили возможностью двустороннего общения.
Американская полицейская машина с 1920-х. Источник: baltimorecitypolicedept.org
В 1934 году Федеральная комиссия связи США разрешила использовать четыре канала в диапазоне частот 30–40 МГц для телефонной связи, и до 1940 года ей начали пользоваться больше десятка тысяч полицейских машин в разных районах страны.
В 1949 году элементы, напоминающие современную сотовую связь, использовались для работы службы такси в американском Детройте. В оговорённых местах водители могли переключаться на конкретные каналы для общения с диспетчерами.
Американское такси из середины прошлого века. Источник: coachbuilt.com
Многие считают прообразом мобильной связи именно эти технологии, но они сильно отличалась от современных по принципу работы. А вот концепция сотовой сети, которую мы знаем сейчас, начала разрабатываться в 1946 году учёными из объединения Bell Labs. Она оказалась принципиально новым витком нашего технологического развития, поэтому реальные перспективы её внедрения стали появляться лишь спустя почти 30 лет — в начале 70-х. Тогда для неё удалось придумать актуальную архитектуру.
Американские инженеры предложили идею разделения территории на ячейки, в каждой из которых должна была быть расположена передающая сигнал станция. Но для её тестирования не было подходящего принимающего оборудования.
Здесь в игру вступила Motorola. В 1973 году один из ведущих инженеров компании Мартин Купер представил миру первый прототип мобильного телефона. Чтобы продемонстрировать работу новой технологии, он прямо с улицы совершил звонок руководству конкурентной компании и похвастал своими успехами. Это впечатлило всех, и компания тут же инвестировала в перспективный проект более 100 миллионов долларов. Начали появляться первые базовые станции.
Первый мобильный телефон Motorola DynaTAC 8000. Источник: news18.com
Первым мобильником стал Motorola DynaTAC 8000, который получил сертификат FCC 21 сентября 1973 года. Он весил более 700 граммов, работал от одного заряда 30 минут, а заряжался около 10 часов. Ах да, стоил такой «динозавр» порядка 4000 долларов, но это не помешало ему стать популярным. Именно с помощью него впервые можно было позвонить, не пользуясь услугами операторов связи. Кстати, это и первое мобильное устройство, которое мог поднять один человек.
В 1974 году Федеральная комиссия связи США дала добро на использование полосы частот в 40 МГц в диапазоне 800 МГц (в 1986 году её расширили на 10 МГц) для мобильной связи. А в 1978 в Чикаго стартовали испытания сотовой сети для опытов с базой в две тысячи абонентов. Именно этот год можно считать началом практического применения нового типа связи. А вот коммерческое использование мобильной связи в США началось в 1983 году. Тогда в Чикаго мобильную связь уже могли использовать почти все.
Распространение мобильной связи в Америке обеспечил всемирно известный сейчас оператор AT&T. Он добился от властей лицензирования необходимых частот и построил первую сеть, которая охватила самые крупные американские города.
В Канаде мобильные сети начали использовать в 1978 году. А Японии их запустили в 1979, в Швеции, Дании, Норвегии и Финляндии — в 1981, в Испании и Англии — в 1982. До 1997 года сотовая связь уже охватила 140 стран мира.
Сотовыми сети называют из-за принципа расстановки вышек
Почему же связь называется именно сотовой? Ответ, и это внезапно, очень прост — вся территория её покрытия делится на равномерные шестиугольники, похожие на пчелиные соты. В центре каждого сектора находится базовая станция.
Винтажная схема сотовой сети. Источник: mos-mtk.net
Форма шестиугольника была выбрана из-за того, что именно она позволяет обеспечить одинаковые расстояния между вышками. Это положительно сказывается на качестве и стабильности сотовой связи и лишает базовые станции дополнительных нагрузок. Вышки сотовой связи активно общаются друг с другом, и в каждом из подобных шестиугольников абоненты получают одинаковые сигналы, которые позволяет нам не чувствовать разрывов соединения.
Шестиугольные ячейки напоминают пчелиные соты, поэтому и связь в итоге называют сотовой. Кстати, это название всё больше отходит на второй план — чтобы не усложнять, его заменяют понятием «мобильная».
SIM-карты предназначены для идентификации абонентов
Несколько десятков лет назад SIM-карт ещё не было. Тогда для идентификации мобильных телефонов в сотовой сети операторы использовали только присвоенные им на заводе номера ESN. Сначала даже казалось, что это на 100% правильное решение, но на практике всё было иначе. Когда абонент менял телефон, ему нужно было ехать в офис оператора, чтобы его зарегистрировать. Эта было дорого и стоило денег.
Наглядная история эволюции SIM-карт. Источник: honeywellaidc.com
Нужно было что-то, что смогло бы отделить абонента от его оборудования. Так в 1991 году и появились модули Subscriber Identity Module или SIM-карты. Впервые они появились с приходом 2G. Они представляли собой полноценные компьютеры с процессорами, постоянной и оперативной памятью и модулем шифрования. Первые были размером с визитку, но быстро уменьшились в габаритах, а скоро вообще станут встроенными и перезаписываемыми — мы уже на пороге этого.
Мобильному телефону остался только номер IMEI (International Mobile Equipment Identity). Да, он участвует в работе системы на стороне сотового оператора, но к абоненту не привязан никаким образом. Эта схема исправно работает почти 30 лет.
На каждой SIM-карте хранятся серийный номер ICCID и PIN- и PUK-коды, ключи, идентификаторы и так далее. Важнее всего — международный номер абонента IMSI и уникальный ключ идентификации пользователя под названием KI. Когда мобильный регистрируется в сети оператора, он использует именно IMSI и KI. Когда SIM-карта установлена в телефон, смартфон или другой гаджет, она по факту становится частью телефона и связующим звеном с поставщиком услуг — мы уже рассказывали про это.
За 40 лет мы увидели пять поколений сотовых сетей
Каждое поколение сотовой связи несёт в себе значительные улучшения в сравнении с предыдущим. Это и частотность, и шифрование, и битрейт, и характер обслуживания пользователей. Сегодня мы стоим уже на пороге пятого.
Сеть первого поколения первоначально запустили в Японии в 1979 году. Популярность в Европе и США она получила уже в начале 80-х. Это единственная аналоговая сеть связи, и все последующие уже были цифровыми. 1G занимала частоты 800 и 900 МГц, поддерживала только голосовые звонки и работала отвратительно. Качество звука было ужасным, а вызовы можно было легко перехватить с помощью FM-демодулятора. Роуминг тогда ещё не придумали, а скорость сети составляла 2,4 Кбит/с.
Эволюция мобильных телефонов от 1G и дальше. Источник: linkedandloaded.com
Со временем и простым пользователям, и коммерческим организациям этого оказалось мало — мир начал переходить на цифровую передачу данных. В числе её преимуществ оказались хороший звук, защита от прослушки и более высокая скорость.
Сеть второго поколения в коммерческую эксплуатацию впервые запустила компания Radiolinja. Это случилось в Финляндии в 1991 году. Новый стандарт связи дал абонентам SMS, роуминг, конференц-связь. Максимальная скорость 2G составляла 50 Кбит/с.
SIM-карта оператора Radiolinja того времени. Источник: colnect.com
После старта второго поколения мир высоких технологий переживал настоящую революцию. Всё больше пользователей интересовались мобильным интернетом. Благодаря нему со временем появились стандарты GPRS и EDGE (2.5G) — они передавали данные на скорости от 115 Кбит/с до 384 Кбит/с соответственно. Это позволило абонентам проверять свою электронную почту прямо с мобильника, что ранее казалось чем-то совершенно невозможным. Дальше было только больше.
Сеть третьего поколения не заставила себя долго ждать. Это было связано с активным внедрением технологии UMTS — универсальных мобильных телекоммуникационных систем, которые поддерживали видеовызовы.
Первый европейский телефон с 3G — Nokia 6650. Источник: wikipedia.org
Именно тогда начали появляться различные приложения для чатов, электронной почты, видеосвязи и социальных сетей, веб-браузеры стали более быстрыми и функциональными. Их ввели в коммерческую эксплуатацию в 2001 году. В 3G повысилась эффективность использования частотного спектра за счёт улучшения сжатия звука во время разговора. Поэтому в одном и том же диапазоне частот могло происходить намного больше вызовов одновременно.
Сеть четвёртого поколения была разработана как улучшенная версия более старых сетей. Этот стандарт предлагает ещё более высокую скорость передачи данных и поддерживает все современные мультимедийные сервисы.
Все данные, включая голосовые вызовы, могут передаваться с помощью IP-пакетов. Для увеличения пропускной способности входящей и исходящей линии используются совершенно новые технологии вроде WiMax. Скорость передачи данных у этого стандарта сети благодаря ему поднимается до 1 Гбит/с. Главным недостатком 4G остаётся только недостаточное внедрение в большинстве стран мира. Обычно в больших городах сеть уже работает, а в маленьких нет.
Сеть пятого поколения обещает значительное улучшение передачи данных, меньшую задержку при соединении и другие улучшения. Полноценная эксплуатация стандарта начнётся в течение следующих нескольких лет.
Новый стандарт связи будет бережнее относиться к заряду аккумулятора. Максимальная скорость 5G будет достигать 35 Гбит/с, что в 35 раз быстрее, чем у четвёртого поколения. Значительно уменьшится задержка — это даст возможность обрабатываться тяжёлые операции на удалённых производительных серверах и моментально передавать на мобильные устройства. Тогда необходимость в их невероятной производительности отпадёт везде, где будет покрытие сотовой сети.
Во второй части вы узнаете о сотовой связи ещё больше
Мы разделили материал «Как устроена сотовая связь» на две части. Это первая, и здесь мы копнули в её историю, рассмотрели развитие мобильных сетей по поколениям и прикинули их дальнейшие перспективы в недалёком будущем.
В следующей части мы поговорим про базовые станции, которые находятся в центре пресловутых сот. Мы расскажем, что они собой представляют, могут ли быть опасными для нашего с вами здоровья, а ещё почему не всегда исправно работают.
