Страница 5 из 22
В 1930-е годы, наперекор «великой депрессии», начинается «золотая эра» ламповой электроники. Этот период также называют «золотым веком радиовещания». В США объем продаж ламповых радиоприемников с нескольких тысяч дорогостоящих «радио-музыкальных ящиков» (англ. Radio Music Boxes) вырос в 1929 г. до 4,2 млн. шт. (из них четверть – автомобильные) при средней цене $110 (средний заработок рабочего промышленности в то время составлял $30 в неделю).[3] Спрос настолько опережал предложение, что изготовление простейших радиоустройств с намоткой катушек на коробках из-под завтрака и конденсаторов из упаковочной фольги цветочных магазинов стало национальным увлечением американской молодежи. В 1930 г. более 6 тыс. радиостанций вели передачи, прием которых осуществлялся 12 миллионами радиоприемных устройств.
В декабре 1933 г. Эдвин Армстронг запатентовал FM-радио, в котором, в отличие от AM-радио, используется не амплитудная, а частотная модуляция радиоволн. FM-радио позволяло уменьшить влияние помех в радиоэфире от атмосферного электричества и действующего электрооборудования. После вступления США во II мировую войну Армстронг бесплатно передал свои патенты на частотную модуляцию военному министерству. Важный подарок американским вооруженным силам, особенно после того как командование поняло, что переговоры германской армии, работающей на АМ, они могли легко глушить, а ЧМ в то время была неподавляема.
Армстронг доказал, что радиоволны, модулированные частотно, в отличие от радиоволн, модулированных амплитудно, могут проникать через ионосферу. Это проложило путь к радиосвязи в космосе и дало астрономам новый измерительный инструмент.
Все изобретения Армстронга быстро принимались промышленностью, но, зачастую, с нарушением его патентных прав. Известно, что после многолетних судебных тяжб с «Radio Corporation of America» он трагически покончил жизнь самоубийством.
В Европе всех перещеголяли немцы, первыми на практике реализовавшими лозунг: «Радио в каждый дом!» Общее количество радиоприемников, выпускавшихся с 1933 г. по программе Gemeinschaftserzeugnis, составляло не менее 2 млн. шт. в год. Курировал программу лично рейхсминистр пропаганды Йозеф-Пауль Геббельс.
Во всем мире радио было признано новой массовой культурой и активно развивающейся индустрией.
После того как телефон и радиоприемник стали привычными и совершенно необходимыми бытовыми приборами, была решена техническая задача создания радиоаппаратуры для связи с транспортными средствами. Первый радиотелефон с двусторонней связью AT&T запатентовала в 1925 г. С 1934 г. в США начинается развитие подвижной радиотелефонной связи (для нее было выделено 4 канала в диапазоне 30–40 МГц), которой имели право пользоваться спасательные службы, государственные учреждения, полиция и диспетчерские службы такси.
Авторы американской многотомной истории мобильных телефонов из Stanford Research Institute утверждают, что самое раннее описание концепции сотовой радиосвязи, которой сейчас во всем мире пользуются миллиарды людей, появилось в 1947 г. в «Техническом меморандуме» Bell Telephone Laboratories (Bell Labs) – научного подразделения AT&T.
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.
3
Электроника: прошлое, настоящее, будущее/Пер. с английского под ред. В. И. Сифова.-М.:Мир, 1980. С. 20.