Мобильная связь
Е. Н. Шильников
«Слышь, дед, я позвонила Никитке, думала позвать его на блины, а то уж худой он очень, а он мне и говорит: «Бабуля, я сейчас не в Москве, а далеко отсюда — в Китае. Так что к вам в Ершовские выселки никак не смогу приехать. А там Пост начнется…»
— Ну и что? — спросит сегодняшний читатель, — в чем тут «фишка»? Что, во время Великого поста блинов есть нельзя?
Для нашего читателя, уже привыкшего к возможностям связи по мобильному телефону по всему миру, разговор бабушки из маленького села, затерянного где-то в глуши Мещерского края, с внуком, уехавшим за тридевять земель в Китай, не вызовет никакого изумления — банальная ситуация, ничего особенного.
А вот лет семь тому назад, когда я привел некую подобную картину развития мобильной связи в статье в «Компьютерре» о перспективах информационных технологий (1), журнал получил негодующие отклики: «не стоит, мол, столь солидному компьютерному изданию заниматься фантастическими измышлениями». Правда, я тоже тогда еще не мог представить, что все мультимедийные средства смогут поместиться в маленький мобильник, и потому вдобавок предположил некий стационарный терминал.
И уж тем более можно быть абсолютно уверенным, что сорок лет тому назад, в 1967 году, когда Мартин Купер, американский инженер из компании «Моторола», впервые предложил организовать систему связи в виде распределенных в пространстве сот, ни он сам, да и никто из его коллег и предположить не мог, что через 30 лет весь мир будет повсеместно пользоваться такой связью. Да и как можно было такое представить, когда первый сотовый телефон, изготовленный этой компанией в 1973 году, весил больше килограмма, его надо было заряжать не менее 10-ти часов, для того чтобы он проработал в течение двадцати минут. Да и качество связи было не ахти какое — сплошные шумы и пропадание сигнала. И даже получив в следующем 1974 году лицензию на построение такой системы, «Моторола» основное свое внимание затем еще лет 20 уделяла развитию спутниковой системы связи(2).
Но как потом оказалось, именно это предложение Мартина Купера кардинальным образом решило самую сложную проблему, над которой много лет бились во всем мире инженеры и многие фирмы, работающие в области связи и информационных технологий, — так называемую «проблему последней мили».
Дело в том, что связь и информация должны быть каким-то образом подведены к массовому пользователю. В прежнее время (если не уходить в глубь веков к фельдъегерям и голубиной почте) доступ к пользователю обеспечивался проводами: к каждому телефону, телеграфу, факсу надо было тянуть отдельный провод. Это еще хорошо для большого города, где за счет скопления на небольшой площади можно было сразу телефонизировать большое количество квартир, офисов и т. д. А в деревнях, с учетом наших российских расстояний и соответствующих дорог? Вот и получилось, что за все годы советской власти было телефонизировано всего 0,2% всего сельского населения СССР.
С трансляцией радиопередач и телевидения было проще — народу нужно было только принимать одинаковые для всех радиосигналы, а потому, чем мощнее были передатчики и чем выше были антенны, тем больше территории и людей можно было охватить таким обслуживанием. Вот и строились и соревновались между собой во всем мире телевизионные башни, кто выше, как символы прогресса и строительного мастерства.
Но совсем иначе обстояло дело с развитием информационных сетей, в том числе и телефонной связи, где требовалась персональная двусторонняя связь. В этом случае для каждого потребителя нужно было организовать отдельную линию связи. Причем, именно до человека, а не до квартиры, где он живет, или офиса, где он работает, то есть строить для каждого пользователя беспроводную линию — выделять отдельный радиоканал. А для радиоканала нужно выделять некую радиочастоту, которая имеет определенную полосу и которую надо размещать среди других в диапазоне радиочастот. Вот это и стало той самой «проблемой последней мили».
Чтобы представить суть проблемы, возьмем для примера речевую связь. Для качественной (когда можно распознать, кто именно говорит) передачи речи по радиоканалу в аналоговом виде требуется не менее 3,2 кГц полосы на прием и столько же на передачу, то есть надо иметь два таких радиоканала. Между этими каналами необходимо оставлять защитные промежутки в частотном диапазоне, не менее чем в 2,7 раза шире полосы полезного сигнала с каждой стороны, чтобы эти сигналы не перекрывали друг друга (почти по 10 кГц). Поэтому в стандарте на аналоговую телефонную связь было принято выделять по 30 кГц на передачу и столько же на прием. Таким образом, для организации, например, всего тысячи таких телефонных каналов потребовалось бы выделять не менее 60 МГц в полосе радиочастот. Что сопоставимо с передачей десятка телевизионных программ.
Тем более, что к тому времени, когда стали думать о развитии информационного обслуживания, свободных радиочастот не осталось. Все радиодиапазоны были уже полностью до последнего герца распределены между теле- и радиовещанием, авиацией и морским флотом, космическими системами, научными организациями и т. д., да и военные во всех странах забрали себе значительные куски частот. А потребности все возрастали. Тот, кто знаком с нормативными документами Международного союза связи по распределению радиочастот, может подтвердить: все частоты — начиная от единиц килогерц («сверхдлинные волны») и вплоть до сотен гигагерц («крайне высокие частоты») — застолблены и расписаны с точностью до долей герца.
Отсутствие, как говорят, радиочастотного ресурса и стало проблемой «последней мили», — проблемой, которая оставалась многие годы камнем преткновения для множества интересных проектов в области персонального доступа к источникам информации (включая Интернет) и которая была предметом горячих обсуждений на множестве международных конференций. Каких только не было предложений и технических решений! Но все они разбивались и оказывались несостоятельными или из-за их технической сложности, или из-за недопустимой стоимости, или из-за экологической опасности для людей.
Пока не была взята в основу идея Мартина Купера о построении сотовой связи(3). Идея пространственного разделения радиосистем. Что было полной противоположностью прежнему опыту радиоинженеров, которые старались охватить своими сигналами как можно большее пространство, чтобы передавать свои теле- и радиосигналы наибольшему числу абонентов. В сотовой связи все наоборот: чем уже зона охвата радиостанцией пространства, тем больше можно подключить абонентов! Потому что вне зоны первой такой радиостанции можно установить другую, которая будет работать на тех же частотах, что и первая, и они не будут мешать друг другу, если их разнести и ограничить по мощности радиосигнала. Следовательно, при этом не надо ставить мощные передатчики, как на самих радиостанциях, так и в абонентских устройствах — то есть в мобильных телефонах! И значит, они будут меньше потреблять энергии и, следовательно, дольше работать! И эти мобильные телефоны можно делать совсем маленькими! Не то что те первые прототипы, которые ни в какой карман не лезли.
Структура сотовых сетей теоретически очень напоминает пчелиные шестиугольные ячейки, покрывающие заданную территорию. В каждой соте ставятся базовые приемопередающие станции (БС), зона действия которых специально ограничена заданными пространствами. Каждая БС использует набор приемо-передатчиков, работающих на разнесенных по частоте каналах (как правило, таких каналов от 4 до 16 в каждой БС). Эти частоты подбираются так, чтобы они не совпадали с частотами других, соседствующих БС, которые окружают первую БС (см. рис. 1). Поэтому соседние соты не создают помех друг другу. В удаленных же сотах снова можно использовать частоты первой БС. Таким образом, получается, что сеть сотовой связи может иметь Q=(N/7)*K одновременно действующих частотных каналов, где N — общее число выделенных для всей сотовой сети частотных каналов, а К — число БС (сот) в данном городе (районе, территории).
Кроме того, в каждой соте можно использовать направленные антенны, которые могут формировать диаграммы направленности сигналов так, чтобы они не перекрывали друг друга, например, как это показано на следующем рисунке. И тогда можно и в пределах одной соты использовать одни и те же частоты в неперекрывающихся антенных секторах.
А уж сделать так, чтобы абонентский аппарат, то бишь мобильный телефон сам автоматически выбирал свободную частоту и автоматически переключался на другие частоты при переходе из соты в соту, не составляло особой технической сложности, благо это было уже хорошо освоено в других радиосистемах, в основном военного назначения.
Такое построение успешно решает еще одну немаловажную проблему: неравномерное распределение людей, пользующихся мобильной связью. Очень просто: там, где людей больше (на станциях, стадионах, в центральных районах города, в метро) — там устанавливают больше, но маленьких сот, а там, где людей мало — там можно ставить меньше, но более мощные БС, покрывающие большие территории. А сами БС можно объединять кабельными или радиорелейными линиями, через которые передаются групповые каналы и коммутируются звонки так, как это происходит на районных АТС обычной проводной телефонной сети. С которой, естественно, также организуется двусторонняя связь для того, чтобы передать звонок с мобильного телефона на обычный стационарный телефон и наоборот. Вот и весь «секрет». Ставь базовую станцию, что на крыше здания, что в тоннеле метро, что на невысокой вышке, и мобильная связь обеспечена с достаточно большим количеством индивидуальных каналов.
В этом контексте стоит заметить, что одной из наиболее сложных задач в построении сетей сотовой связи является наиболее эффективный выбор местоположения БС и формирование диаграмм направленности ее антенн. Это делается и с помощью расчетов, и с помощью натурных испытаний и выбора наилучшего результата для каждого конкретного случая. Эти работы время от времени повторяются уже на установленных станциях, потому что условия распространения сигналов могут измениться, например, из-за вновь построенного в этой зоне здания или из-за потребности увеличения количества каналов из-за увеличения числа абонентов в данном районе (например, из-за открытия там большого магазина).
В больших городах с многомиллионным населением таких каналов надо много, очень много(4). Свободных же частот в приемлемом радиодиапазоне (200–3000 МГц) нет. Вот и получается, что основным и самым дорогим ресурсом в системах радиосвязи является радиочастотный ресурс (так в Великобритании пять лицензий на сотовую связь были проданы на общую сумму более 35 млрд долларов, а в Германии эта сумма достигла 50 млрд долларов — это только за право пользования этими частотами!). Но сотовые операторы в накладе не остаются: количество пользователей возрастает с каждым днем и можно ожидать, что вскоре каждый житель Земли будет пользоваться этой связью(5).