Мобильная связь. 
Введение в радиоэлектронику

Мобильная связь в широком смысле этого термина, как связь между движущимися объектами, появилась сразу же с момента открытия радио. Вначале это было телеграфная связь с морскими судами. Вскоре появилась и радиотелефонная связь.

В 1921 г. подвижной телефонной радиосвязью в США воспользовалась полиция Детройта. Это была система односторонней диспетчерской связи на частоте 2 МГц для передачи информации от центрального передатчика к приёмникам, установленным на патрульных автомашинах. В 1933 г. полиция НьюЙорка начала использовать систему двусторонней подвижной телефонной радиосвязи. Широко использовалась двухсторонняя радиосвязь в авиации, на железнодорожном транспорте.

Однако долго такой связью обеспечивались только специальные подразделения. Она была симплексной, т. е. говорить приходилось по очереди, используя знакомое всем слово «приём». Это было мало похоже на всем привычный телефон с автоматическим набором номера абонента.

Первый общедоступный подвижный радиотелефон появился в 1946 г. (Сент-Луис, США; фирма «Bell Telephone Laboratories»), с рабочей частотой 150 МГц. В 1955 г. начала работать 11 -канальная система, Обе системы были симплексными. Автоматические дуплексные системы появились только в 1964 г.

В конце 50-х гг. XX века в СССР начинается разработка системы автомобильного радиотелефона «Алтай».

Система подвижной телефонной связи «Алтай» была введена в опытную эксплуатацию в 1963 году. Это была первая в мире система полностью автоматической мобильной связи. Аналогичная система в США, 1MTS (Improved Mobile Telephone Service — модернизированная мобильная телефонная служба) была запущена в опытной зоне годом позже.

Первоначально система «Алтай» работала на частоте 150 МГц. В 1970 г. она уже предоставляла услуги связи в 30 городах СССР, и для нее был выделен новый диапазон 330 МГц. Это была полноценная радиосистема телефонной связи. В ней использовалась сеть ретрансляторов. Такой вид подвижной связи называют транкинговыми системами¹.

На рис. 9.26 показана аппаратура подвижной телефонной связи системы «Алтай» разных лет.

Рис. 9.26. Промышленные образцы отечественной аппаратуры подвижной телефонной связи:

а — радиотелефон «Алтай» (1960), б — «Алтай-ЗМ» (1970).

Таким образом, к 1970 г. подвижная телефонная радиосвязь получила достаточно широкое распространение. Однако потребности быстро росли, а ограниченное число каналов в жёстко определенных полосах рабочих частот препятствовало дальнейшему расширению сети. Поэтому, нс смотря на имеющиеся технические возможности, внедрение радиотелефона во всех странах шло крайне медленно.

Выход, в конце концов, был найден и он состоял в использовании системы сотовой связи. Это позволило резко увеличить ёмкость сети за счёт повторного использования частот в системе с ячеистой структурой. Сама идея была высказана еще в конце 40-х годов XX века. Однако только через три десятка лет техника достигла уровня развития, позволявшего реализовать такую систему в полном объеме.

Сети на первом гражданском стандарте сотовой связи NMT-450 (англ. Nordic Mobile Telephony — мобильная телефония 'Система «Алтай» продолжает исправно работать в бескрайних просторах Сибири. Внешний вид современной аппаратуры мало отличается от сотового телефона.

северных стран) появились в 1981 г. в Швеции, Норвегии и Финляндии¹.

Ключевая особенность сотовой сети заключается в том, что общая зона покрытия делится на ячейки (соты), определяющиеся зонами покрытия отдельных базовых станций (БС). Соты частично перекрываются и вместе образуют единую сеть. На идеальной (ровной и без застройки) поверхности зона покрытия одной БС представляет собой круг. Из геометрии известно, что шестиугольники плотно покрывают плоскость. Поэтому сеть имеет вид сот с шестиугольными ячейками. Английское слово «cellular» (ячейка), не учитывает реальную их форму.

Базовые станции обычно располагают на крышах зданий и вышках. Будучи включенным, сотовый телефон находит сигнал БС. После этого телефон посылает станции свой уникальный идентификационный код. Телефон и станция поддерживают постоянный радиоконтакт, периодически обмениваясь пакетами информации. Если телефон выходит из поля действия базовой станции, он налаживает связь с другой БС. На рис. 9.27 показана антенна сотовой системы связи. Её конструкция, согласуясь с формой сот, имеет конфигурацию в виде равностороннего треугольника.

Рис. 9.27. Антенна базовой станции сотовой системы связи

Однако есть сведения, что несколькими месяцами раньше она была введена в строй в Саудовской Аравии.

Много лет ушло на разработку единого стандарта передачи информации. Связь телефона со станцией может идти по аналоговому протоколу (например, AMPS — Advanced Mobile Phone Service — прогрессивный мобильный телефонный сервис)^[1][2] или по цифровому протоколу (например, GSM — Groupe Special Mobile — по название группы специалистов, которая создавала стандарт2). Переход на цифровую систему существенно расширил возможности мобильной связи. По сути, после такого перехода сотовая система связи превратилась в распределенную в пространстве ЭВМ, в которой значительная часть информации и команд передается между БД и абонентами по радиоканалу.

Сотовые сети разных операторов соединены друг с другом, а также со стационарной телефонной сетью. Это позволяет абонентам одного оператора делать звонки абонентам другого оператора, с мобильных телефонов на стационарные и со стационарных на мобильные.

Дальнейшее развитие сотовой подвижной связи осуществляется в рамках создания проектов систем третьего поколения. Они отличаются унифицированной системой радиодоступа, объединяющей существующие сотовые и прочие «бесшнуровые» системы с информационными службами XXI века, и будут иметь архитектуру единой сети. В Европе такая концепция, получившая название UMTS (англ. Universal Mobile Telecommunications System -универсальная система подвижной связи). Она предусматривает объединение функциональных возможностей существующих цифровых систем связи в единую систему 3-го поколения (3G от англ, third generation) с предоставлением абонентам стандартизированных услуг подвижной связи. Работы по созданию международной системы подвижной связи общего пользования ведутся Международным союзом электросвязи. Для неё определён диапазон частот 1−3 ГГц, в котором будут выделены полосы шириной 60 МГц для стационарных станций и 170 МГц — для подвижных станций. Начало испытаний наземных компонентов системы прошло в 2000 году, а ввод спутниковой подсистемы в полосах частот 1980;2010 и 2170−2200 МГц — в 2010 году.

Наконец теперь осваивается 4-е поколение (4G от англ. Fourth generation) — поколение мобильной связи с расширснными возможностями. К этому поколению принято относить перспективные технологии, позволяющие осуществлять передачу данных со скоростью, превышающей 100 Мбит/с подвижным и 1 Гбит/с — стационарным абонентам. Новые технологии мобильной связи были официально признаны Международным союзом электросвязи на конференции в Женеве в 2012 году.

Приведенные примеры показывают, как разнообразны области использования радиоэлектроники, и какую важную роль она играет в современном обществе.

Ии одна страна Мира не может считать себя независимой без собственной радиоэлектронной промышленности, без фундаментальных теоретических и экспериментальных исследований, направленных на ее дальней шее развитие.

Радиоэлектроника в свою очередь способствует развитию смежных областей науки, техники и технологии. Делает человека более сильным. Позволяет ему покорять время и пространство.

Она расширяет информационное пространство человечества и способствует таким образом совершенствованию общественных отношений, а в конечном счете совершенствованию человека, как вершины эволюции жизни на Земле.

На вас, будущие инженеры, лежит святая обязанность преумножить то, что было сделано до вас.

• [1] Стандарт AMPS введен в США. Морально устарел, и в 1990 г. в США был разработан стандарт D-AMPS. В Европе и Азии нсраспространен.
• [2] Теперь этот стандарт известен как Global System for Mobile CommunicationsГлобальная Система Мобильной Связи.