История сотовой телефонии

Есть удивительные идеи, которые позволяют выйти за, казалось бы, непреодолимые природные ограничения.

Первые коммерчески доступные сотовые телефоны весили около килограмма

Три десятилетия назад Мартин Купер, инженер из Motorola, запатентовал конструкцию первого сотового телефона, и теперь часто именно его называют отцом этого великого изобретения. Действительно, 17 октября 1973 года Купер подал заявку на «систему радиотелефонии» (radio telephone system) и получил US Patent Number 3 906 166 через два года, 16 сентября 1975 года. Однако от получения патента и первых экспериментов до демонстрации практических результатов путь оказался неблизким. Реальная первая коммерческая модель сотового телефона была представлена на суд публики только через десять лет. А сам Купер, отдав 30 лет компании Motorola, как это принято среди ветеранов из числа ученых и инженеров такого масштаба, достигнув преклонного возраста, основал свою собственную небольшую фирму ArrayComm, где продолжает работать над отдельными вопросами распространения сигнала в сотовой телефонии. Никоим образом не отрицая личной заслуги Купера, надо признать: он не может быть признан единственным изобретателем сотовой связи. Перед нами типичное проявление феномена памяти человечества. Люди склонны преувеличивать роль отдельной личности как в истории общества, так и в истории науки и техники. В конце концов, так ли критично, кто именно сделал тот или иной шаг — ведь не будь Христофора Колумба, Америка все равно была бы открыта, не будь Игоря Сикорского, кто-то иной сконструировал бы вертолет. Иногда, — разумеется, не всегда — история идей и их метаморфозы оказываются даже интереснее персональных историй творцов. Есть удивительные идеи, которые позволяют выйти за, казалось бы, непреодолимые природные ограничения. Это утверждение можно в полной мере отнести к изобретению сотовой телефонии.

Предпосылки

В 1910 году Ларс Эрикссон предпринял попытку сделать первый мобильный телефон, устанавливаемый в автомобиле; правда, поначалу этот аппарат подключался к придорожным проводам

На пути к общедоступной мобильной связи непреодолимым ограничением выступала конечная пропускная способность эфирного радиоканала. Это такое же природное ограничение, как конечность скорости света. Правда, чем выше несущая частота, тем больше и пропускная способность канала, например: в длинноволновом радиодиапазоне может работать несколько станций, в средневолновом — дюжина, а в довольно узком, выделенном для радиовещания диапазоне УКВ-FM их может быть еще больше. В поисках новых возможностей осваиваются более и более высокие несущие частоты, например, эфирное телевидение перебралось в дециметровый диапазон. Лазерный луч может стать носителем гораздо большего числа каналов, чем эфир, кроме того, в отличие от эфира, имеющегося в единственном числе, количество ниток кабеля можно увеличивать, поэтому кабельная связь не имеет видимого предела для роста пропускной способности. Полоса частотного диапазона, которая может быть выделена для мобильной связи, конечна, она может занимать небольшую часть эфирного пространства, следовательно, в ней можно разместить только заданное число каналов, причем для каждого из них нельзя выделить полосу частот, которая была бы уже определенного минимума без потери качества. Кроме того, известно, что волны ультракороткого диапазона распространяются в зоне прямой видимости. С одной стороны, это ограничение, а с другой — шанс, о котором речь пойдет ниже.

Вследствие описанных ограничений радиодиапазон был и остается одним из самых нормируемых ресурсов во всех странах. Это означает, что массовый выход в радиодиапазон для всех желающих, если действовать напрямую, принципиально невозможен. Любая мобильная связь до появления сотовой строилась именно напрямую; задача решалась «в лоб» с использованием центральной диспетчерской, оборудованной достаточно высокой антенной, чтобы абоненты находились в зоне прямой видимости. Поэтому телевизионные башни сейчас используются не столько для передачи телевизионного канала (уж его-то разумнее передавать по кабелю), сколько для многочисленных антенн ведомственной связи. Лет 20 тому назад появились такого рода телефоны в автомобилях. В нашей стране их принадлежность была вполне определенной, но и в западных странах телефон в автомобиле был малодоступен. Может быть, по этой причине тогда появилась мода на антенны-хлысты, устанавливаемые на обычные автомобили. Они были метра три длиной, функционально бессмысленные, но уравнивавшие, хотя бы внешне, обывателя с власть имущими. Качество связи из-за ограничений на частотную полосу по определению оставалось плохим, а зона действия определялась высотой антенны.

Мобильная телефония, досотовый период

Никоим образом не отрицая личной заслуги Мартина Купера, надо признать: он не может быть признан единственным изобретателем сотовой связи

Тем не менее мобильная связь развивалась. Где взять точку отсчета в ее истории? С Попова и Маркони? С работ физиков, открывших электромагнитное излучение? Так, оглядываясь все дальше назад, можно дойти и до античной Греции и первой теории электричества. Сегодняшняя доступность на бытовом уровне затмевает то обстоятельство, что сотовая телефония — это квинтэссенция человеческой мысли, накопленная за столетия. Возможно, первой практической точкой отсчета можно признать работы Эдвина Армстронга. В 1935 году он предложил использовать УКВ-диапазон и метод частотной модуляции Frequency Modulation (FM) для радиовещания, что позволило поднять качество, поскольку частотная модуляция меньше подвержена помехам и полоса шире, а следовательно, можно передавать более широкий спектр звука. Первой станцией, вышедшей в эфир в FM-диапазоне, была W47MV (ныне WSM-FM). Это случилось 31 декабря 1941 года. Но к тому же возможности FM оказались находкой и для радиосвязи, особенно в условиях сражений на полях Второй мировой войны.

Выдающуюся роль в создании средств мобильной радиосвязи сыграл Ал Гросс, который с детства был энтузиастом-радиолюбителем. Гросс первым смог вывести мобильную радиосвязь в метровый и дециметровый диапазоны (VHF и UHF, частота свыше 100 МГц). В 1938 году он соорудил мобильное устройство, которое окрестил хорошо известным теперь именем walkie-talkie, то есть что-то вроде «иду-говорю». Очень скоро этот нехитрый прибор попал в поле зрения американской разведывательной конторы, предшественника нынешнего ЦРУ, — US Office of Strategic Services. Эта военизированная организация мобилизовала Гросса на свою службу, и вскоре аналоги «уоки-токи» успешно использовались разведчиками, работавшими за линией фронта, с их помощью агенты связывались с пролетающими самолетами и при этом не пеленговались немцами. Пеленгаторы помешали не только Штирлицу и радистке Кэт, но стали средством для обнаружения реальных разведчиков, которые работали в коротковолновом диапазоне. После войны Гросс создал основы для служебного и гражданского радио, и начиная с 1948 года радиотелефоны появились у различного рода служб. Гросс сделал чрезвычайно много, в том числе и для космической связи, получил массу почетных титулов, но случилось так, что не он предложил самое главное — идею сотовой связи.

Однако Гросс не был первым на пути к беспроводной связи; хронологически раньше он начался в Швеции. Владельцы популярных ныне телефонов Ericsson вряд ли догадываются, что компания, выпускающая эти аппараты, названа так по имени Ларса Магнуса Эрикссона, который в 1876 году основал электромеханическую мастерскую в Стокгольме, где вскоре начал производить аппаратуру для телефонии. Ему удалось выиграть в конкурентной борьбе с компанией Bell право на контракт по телефонизации шведской столицы. Примечательно, что в 1910 году он предпринял попытку сделать первый мобильный телефон, устанавливаемый в автомобиле; правда, поначалу этот аппарат подключался к придорожным проводам. Эрикссон был вынужден иметь с собой комплект, состоящий из длинных жердей, чтобы закидывать концы проводов на давно оставшиеся в прошлом придорожные телефонные линии. Но уже спустя десять лет начались эксперименты по радиотелефонии, и была создана скандинавская компания Svenska Radio Aktiebolaget (SRA), появление которой может объяснить нынешние успехи в мобильной связи. В США полиция Детройта приступила к радиофикации патрульных автомобилей в 1921 году. В 1928 году братья Гэлвин создали компанию Galvin Manufacturing Corporation, теперь всемирно известную как Motorola, что еще раз свидетельствует о глубине корней нынешних сотовых телефонов. Понятно, что нужно было каким-то образом управлять распределением эфира, в Америке этим занялись несколько ведомств, в том числе Федеральная комиссия по коммуникациям. Начались коммерческие работы по внедрению мобильной связи с применением централизованных диспетчерских, наподобие тех, которые до сих пор используются для служебной связи.

Сотовая телефония, первые шаги

Первым, причем в довольно неожиданной форме, идею сотовой связи предложил сотрудник Федеральной комиссии по коммуникациям Джек Джетт. В 1945 году он опубликовал статью «Позвони мне по воздуху» (Phone Me By Air) в газете... Saturday Evening Post. В несерьезной газетной публикации он предложил идеи технологии разделения частот и коммутации, которые легли в основу современной сотовой телефонии. В том же году наблюдался аналогичный эпизод. Ванневар Буш опубликовал гениальную по предвидению статью о будущем компьютинга в полулитературном Atlantic Monthly; может быть, это специфика послевоенной Америки? То, что мы сегодня называем сотовой сетью, Джетт назвал системой малых зон. Он сумел превратить дистанцию распространения высокочастотного сигнала в зоне прямой видимости, считавшуюся обычно недостатком, в достоинство. Исключительно короткая дистанция распространения сигнала позволяет в пределах страны сосуществовать тысячам зон, имеющим не более десяти километров в диаметре, внутри которых могут использоваться одни и те же частоты. Гражданский диапазон 460-470 МГц может вместить от 70 до 100 каналов, с учетом распространения по стране это возможность для подключения миллионов потенциальных пользователей.

Ал Гросс сделал чрезвычайно много, в том числе и для космической связи, получил массу почетных титулов, но случилось так, что не он предложил самое главное — идею сотовой связи

Вскоре, в 1947 году, в Bell Laboratories идея Джетта получила инженерную интерпретацию, здесь родился термин «сота» (cell). Во внутреннем меморандуме сотрудник Bell Labs Дон Ринг сформулировал концепцию сотовой телефонии, ее развил Уильям Янг, это именно он предложил строить сети маломощных передатчиков, каждый из них использует один и тот же диапазон частот (frequency re-use), при этом они управляются из одного центра, осуществляющего коммутацию передачи между сотами. Почти два десятилетия идея сотовой связи пролежала под сукном, в этом нет ничего удивительного, отсутствовала необходимая элементная база, нужно было создать транзисторы, интегральные схемы, микропроцессоры, чтобы появились приборы связи, обеспечивающие качество по приемлемой цене. Только в январе 1969 года Bell System реализовала первую коммерческую сеть с повторным использованием частоты; шесть каналов на частоте 450 МГц располагались в окрестностях Филадельфии.

В 70-х годах с появлением соответствующих поддерживающих технологий начинается бум мобильной связи в разных странах. Поначалу это были служебные сети, а в 1978 году первая коммерческая сеть заработала в Бахрейне, она состояла всего из двух сот и имела 250 абонентов. В том же году в США заработала Advanced Mobile Phone Service (AMPS). В Европе сотовая связь появилась в 1981 году в лице Nordic Mobile Telephone System (NMT 450), распространившей свое влияние на четыре Скандинавские страны: Данию, Швецию, Норвегию и Финляндию. Из названия следует, что работал стандарт на частоте 450 МГц. С 1985 года Великобритания использовала Total Access Communications System (TACS) на частоте 900 Мгц, Германия — C-Netz, Франция — Radiocom 2000, а Италия — RTMI/RTMS. В итоге на континенте имелось девять несовместимых стандартов, и уже тогда стали задумываться о едином общеевропейском цифровом стандарте с облегченным роумингом. В то время как Америка усиленно продвигала аналоговую связь, европейцы поставили на цифровую. У американцев к 1988 году было на руках около 2 млн. аналоговых трубок, и эта инсталляционная база делала туманными цифровые перспективы.

Европейская идея материализовалась в группе Groupe Speciale Mobile, которая разработала стандарт Global System for Mobile Communications, или просто GSM. Разработка GSM началась в 1982 году представителями 26 стран, это был один из первых шагов к единой Европе. В 1991 году была опубликована окончательная спецификация GSM 900/1800. Первый американский цифровой стандарт IS-54 был опубликован в марте 1990 года. Он получил дальнейшее развитие в стандарте IS-136 и сейчас охватывает примерно половину всего мобильного бизнеса в стране.

На этом романтическая часть истории заканчивается и начинается серьезный бизнес и развитие технологий, но самое интересное еще впереди.

Этапы большого пути

1940: Актриса Хейди Ламар и композитор Джоржд Антейл предложили использовать широкополосную радиосвязь для управления торпедами.

1940: Компания Motorola разработала первое облегченное карманное устройство для приема и передачи радиосигнала, названное «handie-talkie».

1946: Компания AT&T представила первую коммерческую службу для мобильных телефонов.

1962: Системы широкополосной радиосвязи используются для организации защищенных коммуникаций во время Карибского кризиса.

1970: С помощью AlohaNet компьютеры на Гавайских островах были объединены в первую сеть на базе технологий радиосвязи.

1973: Сотрудник Motorola Мартин Купер разработал первый работающий прототип карманного сотового телефона. Последующие десять дет он потратил на то, чтобы добиться рыночного признания этого устройства.

1983: Компания Ameritech представила первую в США коммерческую службу сотовой связи.

1991: В Европе и США были развернуты и запущены в эксплуатацию сети цифровой сотовой связи.

1993: Компания Nokia предложила технологию обмена текстовыми сообщениями между сотовыми телефонами.

2000: Компании начинают предлагать поддержку Bluetooth в мобильных телефонах и карманных компьютерах.