Николай Симонов - Несостоявшаяся информационная революция. Условия и тенденции развития в СССР электронной промышленности и средств массовой коммуникации. Часть I. 1940–1960 годы
В этом документе был подробно описан критический и уникальный элемент сотовой связи – многократное использование радиочастоты в небольших ячейках. Это – один из ключевых элементов технологии сотовой связи, отличающий ее от других видов подвижной (мобильной) радиосвязи: спутниковой и радиально-зоновой.
Техническая суть проблемы такова. Допустим, что территорию, например, штата Калифорния, необходимо полностью обеспечить устойчивой подвижной телефонной радиосвязью, которой могли бы воспользоваться многочисленные владельцы авто первой в мире автомобильной державы. Для этого, в первую очередь, следовало установить по всей территории штата базовые приёмопередающие станции. Каждая базовая станция имеет высокую мачту-антенну для передачи (приема) радиосигнала на максимально возможное расстояние. Зона покрытия станции на ровной поверхности – круг. Чем больше площадь круга (зоны покрытия), тем меньше требуется базовых станций. Каждый работающий мобильный радиотелефон принимает и передает базовой станции собственный уникальный идентификационный код, по которому она его опознает в качестве абонента, находящегося в зоне действия сети.
В мобильной радиосвязи канал – пара частот. Одна частота, чтобы передать и одна, чтобы получить. Это создает цепь или полный маршрут связи. При совершении звонка от одного абонента (владельца мобильного телефона) к другому выделяется определённый диапазон частот. Если в штате Калифорния десять тысяч человек будут звонить одновременно, то потребуется пять тысяч отдельных радиодиапазонов, что практически невозможно реализовать. Однако можно использовать отдельные диапазоны повторно. Главное, чтобы они не повторялись в зоне покрытия одной станции. Таким образом, если сеть имеет в своём распоряжении 100 диапазонов радиочастот и располагает 100 базовыми станциями, то потенциально она может обеспечить 100 × 100 = 10 000 одновременных разговоров.
Систему радиосвязи, изложенную в докладе Bell Labs, впоследствии стали называть «cellular» («ячеистой» или «клеточной»). В русском варианте она называется сотовой, наверное, из-за того, что форма зоны покрытия базовой станции, составленная из перекрывающихся границ между другими зонами соседних базовых станций (их шесть), напоминает пчелиные соты.
В различных стандартах сотовой связи, естественно, имеются свои особенности. Но алгоритмы их работы в основе своей очень похожи. Если абоненту сети сотовой связи нужно позвонить, он нажимает соответствующую клавишу на своем телефоне, что аналогично снятию трубки. Во время набора номера радиотелефон занимает тот свободный канал, уровень сигнала в котором особенно велик. По мере удаления абонента от данной базовой станции и перемещения его в зону действия другой базовой станции, уровень сигнала падает, и качество разговора ухудшается.
Суровые математические расчеты сообщают о том, что максимально возможное расстояние между сотовым телефоном и базовой станцией может составлять 35 км. Это связано с работой технологии TDMA – каждой базовой станции выделяется тайм-слот в 0,577 миллисекунд (точнее говоря, работает отношение 15/26), за это время станция должна успеть ответить соте. Скорость распространения радиоволн конечна и хорошо известна – 300 тыс. км/с, максимальное расстояние вычисляется как простое перемножение времени на скорость. Вот так и получаются эти самые 35 км.
В действительности ячейки никогда не бывают строгой геометрической формы. Реальные границы ячеек имеют вид неправильных кривых, зависящих от условий распространения и затухания радиоволн, т. е. от рельефа местности обслуживаемой территории, плотности застройки и других факторов. Кроме того, в пределах зоны уверенного приема часто имеют место области, в которых прием сигнала невозможен (теневые зоны). Соответственно положение базовой станции лишь приблизительно совпадает с центром ячейки, который сложно определить однозначно.
Одним из самых ранних примеров использования сотовой радиосвязи считается система MTS, разработанная AT&T, и впервые испытанная 17 июня 1946 г. в Сент-Луисе (штат Миссури). В том же году компания запустила «службу хай-вэй», которая обслуживала автолюбителей, курсирующих между Нью-Йорком и Бостоном. Сервис выглядел довольно примитивно: абоненту присваивался один специальный канал, и вызовы совершались через телефониста-оператора, которому сообщался номер вызываемого абонента. Во время телефонного разговора приходилось нажимать кнопку, чтобы говорить, и отпускать ее, чтобы слушать. Базовые станции работали в диапазоне от 35 до 44 МГц, который оказался несовместимым с некоторыми радиоэлектронными устройствами военного и гражданского назначения, и вскоре проект был закрыт. Сотовая связь возродится 40 лет спустя, но уже на основе принципиально иной электроники – с использованием компьютеров, специального программного обеспечения и цифровых телекоммуникационных технологий.
Выдающуюся роль в развитии мобильной радиосвязи сыграл американский инженер и изобретатель Ал Гросс (1918–2000), который с детства был энтузиастом-радиолюбителем. В 1938 г. он изобрел и запатентовал портативное радиоприемное устройство, которое назвал хорошо известным теперь именем walkie-talkie, то есть что-то вроде «иду-говорю». Очень скоро walkie-talkie попал в поле зрения американской разведывательной конторы, предшественника нынешнего ЦРУ, – US Of ce of Strategic Services. Эта военизированная организация мобилизовала Гросса на службу, и вскоре аналоги walkie-talkie («Joan» и «Eleanor») успешно использовались разведчиками, работавшими во время II Мировой войны за линией фронта.
В 1949 г. Ал Гросс изобрел и запатентовал пейджер (от англ. page – «мальчик-слуга»), предназначив этот приборчик для срочного вызова больничных врачей к пациентам. Но оказалось, что медикам совсем не хочется, чтобы их в любой момент могли вызвать в реанимацию. Один врач так прямо и сказал изобретателю: «Тут рядом с больницей, где я работаю, есть поле для гольфа. Неужели Вы думаете, что я…» Тогда Гросс вынужден был трансформировать пейджер в устройство для электронного замка, которым запираются и открываются двери гаража (англ. garage door opener). В одном из последних интервью, опубликованном в газете Arizona Republic Newspaper, он сказал, что родился слишком рано, когда из изобретений и патентов невозможно было извлечь сколь-нибудь существенную выгоду. «Если бы я родился на 35 лет позже, Билл Гейтс стоял бы далеко позади меня».
Ключевой момент становления современной электроники и электронной промышленности – создание радиолокации, которую не без основания считают «одним из чудес XX века».
Радиолокационные станции (РЛС), обладая беспредельной дальностью действия, не зависящей от времени суток и погодных условий, помогают решать самые разнообразные и сложнейшие военные и народнохозяйственные задачи. Как пишет М. М. Лобанов, «по тонкости и остроумию применяемых приемов радиолокация превосходит все, что радиотехника дала в последующем радиосвязи, радионавигации, телевидению, кибернетике и т. п.»[4]
Пионером практической радиолокации в Германии стал ученый-физик Рудольф Кюхнольд (1933 г.), в США – инженер Лоуренс Хайленд (1930 г.), в Англии – профессор Роберт Уотсон-Уатт (1935 г.), в СССР – военный инженер Павел Ощепков (1934 г.).
Слово «радар» вошло в научно-техническую литературу и речевой обиход, благодаря не вполне корректному техническому отчету американского морского ведомства (The United States Navy). В 1936 г. в США была разработана первая радиолокационная станция для обнаружения надводных кораблей, работавшая на частоте 200 МГц. В апреле 1937 г. ее протестировали на борту четырехтрубного эсминца «Лири» водоизмещением 1090 тонн. В официальном техническом отчете эта РЛС получили название RADAR – сокращенное обозначение от «Radio Detection And Ranging» (в переводе на русский, «прибор для радиопеленгации и дальнометрия»). В 1942 г. в погоне за немецкой субмариной U-275 «Лири» не устоял перед атакой акустической торпеды, и стал третьим американским эсминцем, потопленным в ходе Битвы за Атлантику.
Самое раннее упоминание об использовании волн Герца (так когда-то называли радиоволны) для отслеживания движущихся объектов относится к 1904 г., когда служащий компании Siemens Христиан Хюльсмейер (Christian Hlsmeyer) из Дюссельдорфа изобрел, собрал, испытал и даже запатентовал устройство, которое назвал «телемобилоскоп» (германский патент № 165546). Согласно патентной заявке, это был «аппарат, излучающий и принимающий волны Герца и предназначенный для обнаружения находящегося на их пути металлического тела, например поезда или корабля, и предупреждения о его появлении». Понадобилось тридцать лет, прежде чем идея применения радиоволн для обнаружения самолетов и кораблей смогла быть претворена в реальную электронную аппаратуру.
