От 0G до 5G, взлеты и ​​падения технологий мобильной связи

2021-01-17
Во время Второй мировой войны рации Motorola серии SCR добились больших успехов на поле боя, продемонстрировав миру волшебное очарование беспроводной связи, а также пробудили у людей желание применить их на гражданском рынке.
 
SCR-300
 
После войны, в 1946 году, компания AT&T в США подключила беспроводной приемопередатчик к коммутируемой телефонной сети общего пользования (PSTN) и запустила услугу мобильной телефонной связи MTS (Mobile Telephone Service) для гражданского использования.
 
В MTS, если пользователь хочет позвонить, он должен сначала вручную найти неиспользуемый беспроводной канал, а затем поговорить с оператором, попросив другую сторону установить соединение через сеть PSTN.
 
Вызов использует полудуплекс, то есть только один абонент может говорить. Во время разговора пользователь должен нажать на телефоне переключатель «нажми и говори».
 
Оператор, кстати, мог прослушивать разговор между двумя сторонами на протяжении всего процесса, вручную рассчитывать стоимость и выставить счет.
 
Хотя сейчас MTS выглядит совсем иначе, это действительно первая коммерческая система мобильной связи в истории человечества.
 
А разве мобильные телефоны не были изобретены в 1970-х годах? Почему они существовали в 1940-х?
 
Телефон на базе MTS, - это не мобильный телефон, а мобильный автомобильный телефон. Точнее, автомобильная полудуплексная ручная рация.
 
Система MTS (1946)
 
При нынешних электронных и аккумуляторных технологиях было невозможно изобрести мобильный телефон. Уметь делать автомобильный телефон - это уже очень хорошо.
 
Огромный приемопередатчик сигнала в багажнике автомобиля
 
В то время «базовая станция» также была очень большой, немного похожей на радио- и телебашню, единственная в городе, расположенная в центре, с радиусом действия 40 километров и чрезвычайно высокой мощностью.
 
В декабре 1947 года исследователь Bell Labs Дуглас Х. Ринг (Douglas H. Rein) первым выдвинул идею «сотов».
 
Он считал, что вместо того, чтобы вслепую увеличивать мощность передачи сигнала, лучше ограничить дальность передачи сигнала и управлять им в пределах ограниченной области.
 
Таким образом, разные соты могут использовать одну и ту же частоту, не влияя друг на друга, увеличивая пропускную способность системы.
 
 
Хотя идея сотовой связи очень хороша, она была ограничена технологиями и не могла быть реализована. 
 
В 1950-х годах все больше стран начали строить автомобильные телефонные сети. Например, в 1952 году Западная Германия (Федеративная Германия) запустила A-Netz.
 
В 1961 году советский инженер Леонид Куприянович изобрел мобильный телефон ЛК-1, который также устанавливали на автомобили. Позже в Советском Союзе была внедрена автомобильная телефонная система «Алтай», охватывающая более 30 городов страны.
 
 
В 1969 году Соединенные Штаты представили улучшенную автомобильную телефонную систему MTS под названием IMTS.
 
IMTS поддерживает полнодуплексный режим, автоматический набор номера и автоматический поиск каналов и могла предоставлять 11 каналов (позже 12), что являлось качественным скачком вперед по сравнению с MTS.
 
Мобильный телефон IMTS (Motorola)
 
В 1971 году Финляндия запустила общественную сеть мобильной телефонной связи ARP (Auto Radio Puhelin, puhelin означает телефон по-фински), которая работает в диапазоне частот 150 МГц с ручным переключением, в основном для автомобильных телефонных служб.
 
Будь то Altai, IMTS или ARP, позже ее назвали технологией мобильной связи «0G» или «Pre-1G».
 

1G

 
В 1970-е годы, с развитием полупроводниковой технологии, появились условия для рождения мобильных телефонов.
 
В 1973 году инженеры Motorola Мартин Купер и Джон Ф. Митчелл изобрели первый в мире по-настоящему мобильный телефон (карманный персональный мобильный телефон).
 
Он назывался DynaTAC (Dynamic Adaptive Total Area Coverage), был в высоту 22 см, весил 1,28 кг и обеспечивал 20 минут разговора.
 
Первое поколение DynaTAC
 
В 1974 году Федеральная комиссия по связи (FCC) одобрила часть радиочастотного спектра для использования при тестировании сотовых сетей. Однако эксперимент был отложен до 1977 года.
 
В то время в эксперименте участвовали два соперника - AT&T и Motorola.
 
В 1964 году Конгресс США "лишил" AT&T возможности коммерческого использования спутниковой связи. В отчаянии они сформировали в Bell Labs отдел мобильной связи, ища новые возможности.
 
Между 1964 и 1974 годами Bell Labs разработала аналоговую систему под названием HCMTS (High-Volume Mobile Telephone System). Сигнальные и голосовые каналы системы используют модуляцию FM с полосой пропускания 30 кГц, а скорость передачи составляла 10 кбит / с.
 
Поскольку в то время не существовало организации по стандартизации беспроводных мобильных систем, AT&T установила собственный стандарт для HCMTS. Позже Ассоциация электронной промышленности (EIA) назвала эту систему Временным стандартом 3 (IS-3).
 
В 1976 году HCMTS сменила название на AMPS (Advanced Mobile Phone Service).
 
AT&T использует технологию AMPS для проведения испытаний FCC в Чикаго и Ньюарке.
 
А что Motorola?
 
Motorola разработала технологию RCC (Radio Common Carrier) и заработала много денег. Поэтому категорически возражала против предоставления FCC спектра для сотовой связи. Но в то же время отчаянно развивала технологии сотовой связи и делала технические резервы. Так родилась компания DynaTAC.
 
Позже, Motorola провела в Вашингтоне испытания на базе DynaTAC.
 
Пока эти двое все еще медленно экспериментировали, другие страны уже взяли инициативу в свои руки.
 
В 1979 году компания Nippon Telegraph and Telephone (NTT) запустила первую в мире коммерческую автоматизированную систему сотовой связи в столичном районе Токио. Позже эта система была признана первой в мире коммерческой сетью 1G.
 
В то время в системе было 88 базовых станций, поддерживающих полностью автоматическое переключение вызовов между разными сотовыми узлами без ручного вмешательства.
 
Система использует технологию FDMA, полоса пропускания канала составляет 25 кГц, она находится в полосе частот 800 МГц, а общее количество дуплексных каналов составляет 600.
 
Два года спустя, в 1981 году, Норвегия и Швеция, создали первую в Европе сеть мобильной связи 1G - NMT (Nordic Mobile Telephones). Вскоре к ним присоединились Дания и Финляндия. NMT стала первой в мире сетью мобильной связи с возможностью международного роуминга.
 
Позднее NMT ввели Саудовская Аравия, Россия и некоторые другие страны Балтии и Азии.
 
Телефон NMT (производства Ericsson)
 
В 1983 году Соединенные Штаты, оглядываясь назад, наконец вспомнили о создании собственной коммерческой сети 1G.
 
В сентябре 1983 года Motorola выпустила первый в мире коммерческий мобильный телефон DynaTAC 8000X, который весил 1 кг и позволял разговаривать в течение 30 минут. Полная зарядка занимала 10 часов, а цена была 3995 долларов США.
 
DynaTAC 8000X
 
13 октября 1983 года компания Americitech Mobile Communications (от AT&T) запустила первую сеть 1G в США, основанную на технологии AMPS.
 
В этой сети можно использовать автомобильный телефон или DynaTAC 8000X.
 
FCC выделила полосу пропускания 40 МГц для AMPS в полосе частот 800 МГц, которая поддерживала 666 дуплексных каналов, а полоса пропускания одного восходящего или нисходящего канала составляет 30 кГц. Позже FCC выделила дополнительную полосу пропускания 10 МГц. Таким образом, общее количество дуплексных каналов AMPS увеличилось до 832.
 
За первый год коммерческого использования Americitech продала около 1 200 мобильных телефонов DynaTAC 8000X, набрав 200 000 пользователей. Спустя пять лет количество пользователей стало 2 миллиона.
 
Быстро растущее число пользователей намного превышало возможности сети AMPS. Позже для увеличения емкости Motorola представила узкополосную версию технологии AMPS, а именно NAMPS. Она делила существующий голосовой канал 30 кГц на три канала 10 кГц (общее количество каналов становится 2496).
 
Помимо NMT и AMPS, еще одним широко используемым стандартом 1G является TACS (Total Access Communication Systems), который впервые был запущен в Великобритании.
 
В феврале 1983 г. британское правительство объявило, что две компании, BT (British Telecom) и Racal Millicom (предшественник Vodafone), построят сети мобильной связи TACS на основе технологии AMPS.
 
1 января 1985 года компания Vodafone официально запустила услугу TACS (оборудование, приобретенное у Ericsson). На тот момент на всей территории Лондона было всего 10 базовых станций.
 
Ширина полосы одного канала TACS составляла 25 кГц, восходящая линия связи 890-905 МГц, нисходящая 935-950 МГц, всего 600 каналов для передачи голосовых и управляющих сигналов.
 
Система TACS фактически являлась модифицированной версией системы AMPS. За исключением разницы в полосе частот, разносе каналов, сдвиге частоты и скорости передачи сигналов между ними, они былиполностью идентичны.
 
По сравнению с NMT в Северной Европе рабочие характеристики TACS значительно отличались. NMT подходила для малонаселенной сельской местности в странах Северной Европы (Скандинавия). Частота 450 МГц (позже изменена на 800 МГц) с большим диапазоном ячеек.
 
Преимущество TACS - это пропускная способность, а не расстояние покрытия. Система TACS имела низкую мощность передатчика и подходила для стран с высокой плотностью населения и большой городской территории, таких как Великобритания.
 
По мере увеличения числа пользователей TACS позже добавила несколько полос частот (10 МГц) и стала ETACS (Extended TACS). Японская NTT разработала JTACS на основе TACS.
 
Стоит упомянуть, что первая базовая станция мобильной связи, построенная Китаем в Гуанчжоу в 1987 году, использовала технологию TACS, а партнером была Motorola.
 
 
Первая базовая станция Китая (Гуанчжоу)
 
Помимо AMPS, TACS и NMT, технология 1G также включала C-Netz в Германии, Radiocom 2000 во Франции и RTMI в Италии. Эти процветающие технологии возвестили о наступлении эры мобильной связи. (На самом деле в то время не существовало такого названия, как 1G. Только после появления технологии 2G их назвали 1G, чтобы отличать.)
 

2G

 
В 1982 году Европейская комиссия по почте и электросвязи учредила «Мобильную экспертную группу», которая отвечала за изучение стандартов связи.
 
Эта группа, французское сокращение - GroupeSpécialMobile, позже значение этой аббревиатуры было изменено на «Глобальная система мобильной связи» (Global System for Mobile communications), является известной GSM.
 
Целью создания GSM является установление нового общеевропейского стандарта и развитие общеевропейской системы наземной мобильной связи. 
 
В последующие годы Европейская организация по стандартизации электросвязи (ETSI) завершила разработку спецификаций GSM 900 МГц и 1800 МГц (DCS).
 
В 1991 году финская компания Radiolinja запустила первую в мире сеть 2G на основе стандарта GSM.
 
Как мы все знаем, 2G использует цифровую технологию для замены аналоговой 1G, значительно улучшая качество связи и стабильность системы, делая ее более безопасной и надежной, а также снижая потребление энергии оборудованием.
 
Помимо GSM, еще одним широко известным стандартом 2G является CDMA, запущенный Qualcomm. Если быть точным, это IS-95 или cdmaOne.
 
Есть две версии IS-95, IS-95A и IS-95B. Первая может поддерживать максимальную скорость передачи данных до 14,4 кбит / с, а вторая - до 115 кбит / с.
 
Помимо IS-95, Соединенные Штаты также производили IS-54 (Северная Америка, цифровая сотовая связь TDMA) и IS-136 (1996).
 
На самом деле 2G - это не только GSM и CDMA.
 
Ассоциация производителей сотовой связи (Cellular Telephone Industries Association) разработала цифровую версию AMPS, основанную на технологии AMPS, под названием D-AMPS (Digit-AMPS), которая фактически является стандартом 2G. В 1990 году компания PDC (Personal Digital Cellular), запущенная в Японии, также принадлежит стандарту 2G.
 

2,5G

 
В конце 20 века, появился большой спрос на мобильный доступ в Интернет. Таким образом, начали появляться GPRS (General Packet Radio Service).
 
Мы можем рассматривать GPRS как «плагин» GSM. С помощью GPRS сеть может обеспечивать скорость передачи данных до 114 Кбит / с.
 
Впервые GPRS был предложен в 1993 году, а первая фаза соглашения была представлена ​​в 1997 году. Ее появление - поворотный момент в истории сотовой связи. Потому что это означало, что услуги передачи данных начали расти и стали основным направлением развития мобильной связи.
 

2,75G

 
После внедрения технологии GPRS операторы связи также разработали более быструю технологию, получившую название Enhanced Data-rate for GSM Evolution (Повышенная скорость передачи данных для GSM Evolution), то есть EDGE.
 
Буква E, часто встречающаяся на сигнале мобильного телефона, - это EDGE.
 
Самая большая особенность EDGE заключается в том, что она может обеспечить вдвое большую скорость передачи данных по сравнению с GPRS без замены оборудования. Первая в мире сеть EDGE была развернута AT&T в 2003 году в ее собственной сети GSM.
 

3G

 
В 1996 году в Европе был создан форум UMTS (Универсальная мобильная телекоммуникационная система), который сосредоточился на координации исследований в области европейских стандартов 3G. 
 
Европейский лагерь, представленный Nokia, Ericsson и Alcatel, четко осознает преимущества CDMA, поэтому они разработали систему W-CDMA с аналогичными принципами.
 
W-CDMA (Wide-CDMA), потому что полоса пропускания канала достигает 5 МГц, что шире, чем 1,25 МГц CDMA2000.
 
Многие люди не понимают разницы между UMTS и WCDMA. Фактически, UMTS - это общий термин для обозначения 3G в Европе. WCDMA является реализацией UMTS и обычно относится к части беспроводного интерфейса. TD-SCDMA, о котором мы упомянем позже, также принадлежит к UMTS.
 
Чтобы иметь возможность конкурировать с Соединенными Штатами, европейский ETSI также совместно с Японией и Китаем учредил 3GPP (проект партнерства третьего поколения) для совместной разработки глобального стандарта мобильной связи третьего поколения.
 
Компании, представленные Lucent и Nortel, поддерживают WCDMA и 3GPP. А другая часть сил, представленная Qualcomm, объединилась с Южной Кореей, чтобы сформировать организацию 3GPP2, чтобы конкурировать с 3GPP. Введенный ими стандарт - это стандарт CDMA2000, разработанный на основе CDMA 1X (IS-95).
 
Хотя CDMA2000 является стандартом 3G, пиковая скорость в начале была невысока, всего 153 кбит / с. Позже, благодаря эволюции к EVDO (EVolution Data Optimized), скорость передачи данных была значительно улучшена до 14,7 Мбит / с.
 
В этот период Китай также запустил свою собственную программу кандидатов на стандарты 3G (также известную как TD-SCDMA) для совместного участия в международном конкурсе.
 
Международный союз электросвязи ITU, наконец, подтвердил три глобальных стандарта 3G, а именно: WCDMA в Европе, CDMA2000 в США и TD-SCDMA в Китае.
 
Что касается коммерческого прогресса 3G, японская NTT снова была в лидерах. 1 октября 1998 года NTT Docomo запустила первую в мире коммерческую сеть 3G (на основе WCDMA) в Японии.
 

3,75G

 
На основе UMTS, ETSI и 3GPP разработали HSPA (высокоскоростной пакетный доступ), HSPA +, двухканальный HSPA + и HSPA + Evolution (Evolved HSPA +). Скорость этих сетевых технологий явно превышает скорость традиционного 3G, в народе его называют 3,75G.
 
Именно потому, что скорость HSPA + настолько высока, что даже превосходит ранние LTE и WiMAX. Поэтому в то время некоторые операторы (например, T-Mobile в США) не сразу начали строительство LTE, а модернизировали существующую сеть HSPA до HSPA +. В то время у China Unicom были похожие идеи.
 

4G и 5G

 
В 1999 году Комитет по стандартам IEEE учредил рабочую группу для разработки стандартов беспроводных городских сетей. В 2001 году была официально выпущена первая версия IEEE 802.16, которая позже была преобразована в IEEE 802.16m.
 
IEEE 802.16, позже стала широко известна как WiMAX (всемирное соединение для микроволнового доступа).
 
WiMAX предоставила передовые технологии, такие как MIMO и OFDM (мультиплексирование с ортогональным частотным разделением), а скорость загрузки была значительно увеличена, что оказало сильное давление на 3GPP.
 
Поэтому на основе UMTS, 3GPP активизировала внедрение LTE, чтобы конкурировать с WiMAX. Позже она продолжила развиваться в LTE-Advanced (2009), а скорость была увеличена в несколько раз.
 
В 2008 году Международный союз электросвязи ITU издал требования, которым должен соответствовать стандарт 4G, и назвал его IMT-Advanced. 
 
14 декабря 2009 года первая в мире общедоступная сервисная сеть LTE (под названием 4G) была открыта в Стокгольме, столице Швеции, и Осло, столице Норвегии. Сетевое оборудование от Ericsson и Huawei, а пользовательский терминал - от Samsung.
 
После ожесточенной отраслевой войны LTE окончательно победила WiMAX и получила всемирную поддержку и признание. 
 
В будущем 3GPP запустит 5G (IMT-2020), чтобы доминировать в мире. Мне не нужно больше рассказывать об этой истории, верно? Каждый из вас - ее свидетель.
 
 
Время летит. Спустя почти столетие сети мобильной связи выросли с нуля до невообразимых масштабов. 
 
Каким будет будущее мобильной связи, подождем и увидим!