Три поколения сотовой связи

Несмотря на то, что история сотовой связи насчитывает лишь немногим более 25 лет, за этот период с ней успели произойти до­вольно существенные изменения, и не только количественные, но и качественные, которые продолжаются и в настоящее время. Это дает основание говорить, с известной степенью условности, о трех поколениях систем сотовой связи:

• первое поколение — аналоговые системы, уходящие в про­шлое;
• второе поколение — цифровые системы сегодняшнего дня;
• третье поколение — универсальные системы мобильной связи недалекого будущего.

Все первые системы, или, как еще говорят, стандарты, сото­вой связи были аналоговыми. К ним относятся:

• AMPS (Advanced Mobile Phone Service — усовершенствованная мобильная телефонная служба, диапазон 800 МГц) — широко используется в США, Канаде, Центральной и Южной Амери­ке, Австралии; известен также как «североамериканский стандарт»; это наиболее распространенный стандарт в мире, обслуживающий почти половину всех абонентов сотовой свя­зи (вместе с цифровой модификацией D-AMPS, речь о кото­рой впереди); используется в России в качестве региональ­ного стандарта (в основном — в варианте D-AMPS), где он также является наиболее распространенным;
• TACS (Total Access Communications System — общедоступная система связи, диапазон 900 МГц) — используется в Англии, Италии, Испании, Австрии, Ирландии, с модификациями ETACS (Англия) и JTACS/NTACS (Япония); это второй по рас­пространенности стандарт среди аналоговых; еще недавно, в 1995 г., он занимал и общее второе место в мире по ве­личине абонентской базы, но в 1997 г. оттеснен на четвертое место более быстро развивающимися цифровыми стандар­тами;
• NMT 450 и NMT 900 (Nordic Mobile Telephone — мобильный телефон северных стран, диапазоны 450 и 900 МГц соответ­ственно) — используется в Скандинавии и во многих других странах; известен также как «скандинавский стандарт»; тре­тий по распространенности среди аналоговых стандартов мира; стандарт NMT 450 является одним из двух стандартов со­товой связи, принятых в России в качестве федеральных (второй — цифровой стандарт GSM 900);
• С-450 (диапазон 450 МГц) — используется в Германии и Пор­тугалии;
• RTMS (Radio Telephone Mobile System — мобильная радиоте­лефонная система, диапазон 450 МГц) — используется в Ита­лии;
• Radiocom 2000 (диапазоны 170, 200, 400 МГц) — используется во Франции;
• NTT (Nippon Telephone and Telegraph system — японская сис­тема телефона и телеграфа, диапазон 800…900 МГц — в «трех вариантах) — используется в Японии.

Во всех аналоговых стандартах применяются частотная моду­ляция для передачи речи и частотная манипуляция для передачи информации управления (или сигнализации — signaling). Для пере­дачи информации различных каналов используются различные уча­стки спектра частот ~ применяется метод множественного доступа с частотным разделением каналов (Frequency Division Multiple Access — FDMA), с полосами каналов в различных стандартах от 12,5 до 30 кГц. С этим непосредственно связан основной недоста­ток аналоговых систем — относительно низкая емкость, являющаяся прямым следствием недостаточно рационального использования выделенной полосы частот при частотном разделении каналов. Этот недостаток стал очевиден уже к середине 80-х годов, в самом начале широкого распространения сотовой связи в ведущих стра­нах, и сразу же значительные силы были направлены на поиск бо­лее совершенных технических решений. В результате этих усилий и поисков появились цифровые сотовые системы второго поколения. Переход к цифровым системам сотовой связи стимулировался так­же широким внедрением цифровой техники в связь в целом и в значительной степени был обеспечен разработкой низкоскорост­ных методов кодирования и появлением сверхминиатюрных инте­гральных схем для цифровой обработки сигналов.

Вместе с тем переход к цифровым системам натолкнулся и на известные трудности.

В США аналоговый стандарт AMPS получил столь широкое распространение, что прямая замена его цифровым оказалась пра­ктически невозможной. Выход был найден в разработке двухре- жимной аналого-цифровой системы, позволяющей совмещать ра­боту аналоговой и цифровой систем в одном и том же диапазоне. Работа над соответствующим стандартом была начата в 1988 г. и закончена в 1992 г.; стандарт получил наименование D-AMPS, или IS-54 (IS — сокращение от Interim Standard, т.е. «промежуточный стандарт»). Его практическое использование началось в 1993 г. В Европе ситуация осложнялась наличием множества несовместимых аналоговых систем («лоскутное одеяло»). Здесь выходом оказалась разработка единого общеевропейского стандарта GSM (GSM 900 — диапазон 900 МГц). Соответствующая работа была начата в 1982, г., к 1987 г. были определены все основные характеристики систе­мы, а в 1988 г. приняты основные документы стандарта. Практичес­кое применение стандарта началось с 1991 г. Еще один вариант цифрового стандарта, по техническим характеристикам схожий с D-AMPS, был разработан в Японии в 1993 г.; первоначально он на­зывался JDC, а с 1994 г. — PDC (Personal Digital Cellular — буквально «персональная цифровая сотовая связь»).

Но на этом развитие цифровых систем сотовой связи не ос­тановилось.

Стандарт D-AMPS дополнительно усовершенствовался за счет введения нового типа каналов управления. Дело в том, что цифровая версия IS-54 сохранила структуру каналов управления аналогового AMPS, что ограничивало возможности системы. Новые чисто цифровые каналы управления введены в версии IS-136, ко­торая была разработана в 1994 г. и начала применяться в 1996 г. При этом была сохранена совместимость с AMPS и IS-54, но по­вышена емкость канала управления и заметно расширены функ­циональные возможности системы. Стандарт GSM, продолжая со­вершенствоваться технически (последовательно вводимые фазы 1, 2 и 2+), в 1989 г. пошел на освоение нового частотного диапазона 1800 МГц. Это направление известно под названием системы пер­сональной связи. Отличие последней от исходной системы GSM 900 не столько техническое, сколько маркетинговое при тех­нической поддержке: более широкая рабочая полоса частот в сочетании с меньшими размерами ячеек (сот) позволяет строить сотовые сети значительно большей емкости, и именно расчет на массовую систему мобильной связи с относительно компактными, легкими, удобными и недорогими абонентскими терминалами был заложен в основу этой системы.

Соответствующий стандарт (в ви­де дополнений к исходному стандарту GSM 900) был разработан в Европе в 1990 — 1991 гг. Система получила название DCS 1800 (Digital Cellular System — цифровая система сотовой связи; перво­начально использовалось также наименование PCN — Personal Communications Network, что в буквальном переводе означает «сеть персональной связи») и начала использоваться с 1993 г. В 1996 г. было принято решение именовать ее GSM 1800. В США диапазон 1800 МГц оказался занят другими пользователями, но была найде­на возможность выделить полосу частот в диапазоне 1900 МГц, которая получила в Америке название диапазона систем персо­нальной связи (PCS — Personal Communications Systems), в отличие от диапазона 800 МГц, за которым сохранено название сотового (cellular). Освоение диапазона 1900 МГц началось с конца 1995 г.; работа в этом диапазоне предусмотрена стандартом D-AMPS (версия IS-136, но аналогового AMPS в диапазоне 1900 МГц уже нет), и разработана соответствующая версия стандарта GSM («американский» GSM 1900 — стандарт IS-661).

Все перечисленные выше цифровые системы второго поко­ления основаны на методе множественного доступа с временным разделением каналов (Time Division Multiple Access — TDMA). Одна­ко уже в 1992 — 1993 гг. в США был разработан стандарт системы сотовой связи на основе метода множественного доступа с кодо­вым разделением каналов (Code Division Multiple Access — CDMA) — стандарт IS-95 (диапазон 800 МГц). Он начал применяться с 1995 — 1996 гг. в Гонконге, США, Южной Корее, причем в Южной Корее — наиболее широко, а в США начала использоваться и версия этого стандарта для диапазона 1900 МГц. Направление персональной связи нашло свое преломление и в Японии, где в 1991 — 1992 гг. была разработана и с 1995 г. начала широко использоваться сис­тема PHS диапазона 1800 МГц (Personal Handyphone System — бук­вально «система персонального ручного телефона»).

Таким образом, основными цифровыми стандартами сотовой связи можно считать следующие:

• D-AMPS (Digital AMPS — цифровой AMPS; диапазоны 800 МГц и 1900 МГц); иногда употребляется наименование NA TDMA — «североамериканский TDMA»;
• GSM (Global System for Mobile communications — глобальная система мобильной связи, диапазоны 900, 1800 и 1900 МГц) — это уже второй по распространенности стандарт мира, об­служивающий более четверти всех абонентов;
• CDMA (Code Division Multiple Access — множественный дос­туп с кодовым разделением каналов, диапазоны 800 и 1900 МГц).

Что касается систем мобильной связи третьего поколения, то ведущаяся по ним работа еще далека от завершения, и их окончательный облик пока не определен. Можно, однако, утвер­ждать, что сотовая связь будет продолжать развиваться, включая качественное совершенствование, и интегрироваться с другими ви­дами подвижной связи, с расширением масштабов связи, вплоть до глобального. Мы вернемся к этому вопросу позже, позна­комившись предварительно с такими видами связи, как мобильная спутниковая связь и беспроводной телефон. В после­дующих разделах мы рассмотрим подробнее и многие другие из затронутых здесь вопросов, в том числе методы множественного доступа и цифровой обработки сигналов, характеристики основных стандартов и современного рынка сотовой связи, а также прогнозы и перспективы ее дальнейшего развития.