«История развития информационных сетей» (150

Syncom-3 использовался для трансляции Олимпийских игр 1964 г. в Токио.

После запуска Syncom-3 20 августа 1964 г. представители 11 государств под эгидой США подписали соглашение о создании международного консорциума спутниковой связи «Интелстат». 6 апреля 1965 г. консорциум запустил первый спутник Intelstat-I (его символично назвали «ранней пташкой»). Это был первый коммерческий телекоммуникационный спутник. Оснащенный двумя транспондерами (транспондер – комплект приемопередающего оборудования на один канал) для работы в канале шириной 25 МГц, он поддерживал одновременно один телевизионный и 480 голосовых каналов. Сегодня в консорциум «Интелстат» входят 134 государства, он обеспечивает 2/3 всех международных телефонных разговоров, кроме того поддерживает другие телекоммуникационные приложения. Современный спутник Intelstat-VI обладает пропускной способностью 80 тыс. голосовых каналов.

23 апреля 1965 г. с третьей попытки был выведен на орбиту и начал успешно работать первый отечественный спутник связи «Молния-1», тем самым было положено начало эксплуатации региональных ССС и спутниковых группировок на высокоэллиптических орбитах.

Так зарождались современные ССС. С тех пор в течение 40 лет этот процесс стремительно развивается. О каждом отдельном направлении ССС можно писать книгу.

Многие важнейшие свойства ССС напрямую зависят от высоты и типа орбит КА, а также от числа спутников в составе орбитальной группировки. Высоты орбит не могут быть произвольными. Первое ограничение связано с тем, что наша планета окружена двумя облаками ионизированных частиц, так называемыми поясами Ван-Аллена. Эти частицы удерживаются благодаря магнитному полю Земли. Пояса Ван-Аллена расположены в экваториальной плоскости. Первый пояс – на высотах от 1,5 до 4 тыс. км, его «толщина» около 600 км. Второй пояс Ван-Аллена расположен на высотах 13–19 тыс. км и занимает области порядка 500 км по обе стороны от плоскости экватора, «толщина» – 1000 км. Уровень ионизационного излучения в области поясов Ван-Аллена – порядка 10 тыс. имп./с, что по крайней мере на порядок выше чем в прилегающих зонах. Очевидно, что КА в этих районах лучше не использовать. Поэтому выделяют четыре основные градации высот орбит: низкоорбитальные группировки (LEO– low earth orbit) с высотами порядка 500–2000 км, средневысотные

11

группировки (MEO – medium earth orbit) с высотами 5–15 тыс. км

(между первым и вторым поясами Ван-Аллена), геостационарные орбитальные группировки (GEO) на фиксированной высоте 36 тыс. км и орбитальные группировки на высокоэллиптических орбитах (НЕО). В последнем случае орбита представляет собой сильно вытянутый эллипс с Землей в одном из его фокусов. Высоты в апогее (наивысшей точке), как правило, составляют порядка 7–70 тыс. км, в перигее – 400–500 км. Каждая из этих орбитальных позиций обладает своими достоинствами и недостатками.

О важности GEO еще в 1945 г. писал Артур Кларк. Как и следует из названия, период обращения спутника на этой орбите строго соответствует периоду вращения Земли. Нетрудно заметить, что возможна всего одна такая орбита, расположенная в экваториальной плоскости Земли. Простейший расчет показывает, что ее радиус 42 164 км (или высота 35 768 км от поверхности Земли), соответственно, протяженность 264 790 км. КА на геостационарной орбите неподвижно висит над заданной точкой Земли, поэтому GEO еще называют геосинхронной орбитой. Очевидно, что трех спутников на GEO достаточно, чтобы по крайней мере один из них был в зоне прямой видимости в любой точке Земли. Неудивительно, что с 1964 г. нашлось немало желающих разместить свои спутники на GEO. Проблема в том, что близко расположенные спутники, работающие в одинаковых частотных диапазонах, будут мешать работе друг друга. Ситуацию нужно было урегулировать, для чего и был организован Международный комитет по регистрации частот (IFRB – International Freguency Registration Board). Эта организация занимается вопросами распределения позиций (точек стояния) на GEO. Стандартный шаг

точек стояния – 1 . Однако допускается интервал 0,5 , если частотный диапазон соседних спутников существенно различен. Таким образом, возможно не более 720 точек стояния. В одной точке стояния разрешено располагать несколько спутников, если они принадлежат одной стране или компании.

Достоинства КА на GEO связаны с их неподвижностью относительно Земли и хорошей видимостью. В результате отпадает необходимость перестройки антенны наземных станций, нет изменения частот в связи с эффектом Доплера.

Напомним, в телефонии задержка распространения сигнала не должна превышать 250 мс, иначе она становится заметной. С задержками 500–600 мс не справятся никакие системы компенсации эхосигнала. Высокая орбита существенно повышает требования к мощности передатчиков и чувствительности приемников, к размерам приемо-

12

передающих антенн. Для того чтобы спутник постоянно находился в определенной точке геостационарной орбиты, требуется периодическая коррекция его полета. Наконец, чтобы вывести спутник на высокую орбиту, нужен достаточно мощный носитель. Долгое время в

СССР не могли вывести спутник на геостационарную орбиту именно из-за проблем с мощными ракетами-носителями. США имели преимущество не только из-за более чем десятилетнего технологического опережения в создании мощных носителей, но и из-за лучшего географического расположения (ближе к экватору) стартовой позиции. Использование же мощного носителя неизбежно приводит к удорожанию запуска и всей ССС в целом, тем более что срок жизни КА ограничен (у современных КА 10–15 лет).

Еще один недостаток КА на GEO – в полярных районах (в ши-

ротах выше 76,5 ) они становятся практически невидимыми. По крайней мере, для России наличие связи в этих областях достаточно актуально. Альтернативой в данном случае может стать так называемая высокоэллиптическая орбита.

Эллиптические орбиты характеризуются углом наклона плоскости орбиты к плоскости экватора, координатами узлов орбиты (точек ее пересечения с плоскостью экватора) и эксцентриситетом (отношением большой и малой осей эллипса). Первым спутником связи на эллиптической орбите стал американский Relay-1, запущенный 13 декабря 1962 г. (хронологически второй активный ретранслятор на орбите). Апогей его орбиты достигал 7,4 тыс. км, перигей – 1,3 тыс. км.

Период обращения КА на эллиптических орбитах выбирается кратным суткам. Так, у отечественной ССС «Молния» высота орбиты в апогее достигает 40 тыс. км, в перигее – 460 км, наклонение –

63,5 , период обращения КА 12 ч. Скорость движения КА в апогее значительно ниже, чем в перигее, поэтому время его видимости в требуемом регионе существенно больше, чем у спутника на круговом обороте. КА ССС «Молния» виден с территории России 8–10 ч, т.е. всего трех спутников достаточно для обеспечения непрерывной связи. Отметим, что из-за неоднородности гравитационного поля Земли на-

клонение эллиптической орбиты может быть только 63,4 (и симметрично ей 116,6°). Иначе обеспечить стабильное положение орбиты КА проблематично. Также следует учитывать, что КА на НЕО неизбежно пересекают пояса Ван-Аллена. Еще один недостаток, свойственный всем негеостационарным ССС, – доплеровское смещение частоты из-за различной с точки зрения земного наблюдателя скорости движения спутника, а в случае НЕО у КА существенно различается еще и собственная скорость.

13

Средневысокие орбиты располагаются между первым и вторым поясами Ван-Аллена на высотах 5–15 тыс. км. Зона охвата таких КА существенно меньше, чем у КА на геостационарных или высокоэллиптических орбитах. Кроме того, время пребывания в зоне радиовидимости наземной станции у КА на МЕО составляет 1,5–2 ч. Поэтому для организации глобальных ССС необходимо порядка 10 КА. Из наиболее известных ССС (проекты) на МЕО можно назвать региональную систему ICO (10 активных КА + 2 резервных, высота орбиты

10 355 км, наклонение 45 ) и глобальные системы «Ростелестат-В» (24 КА, высота орбиты 10 360 км, наклонение 82 ) и Spaceway NGSO (20 КА, высота орбиты 10 352 км, наклонение 55 ).

Конечно, увеличение числа спутников в орбитальной группировке и постоянное их местоположение – это существенные недостатки ССС на МЕО по сравнению с геостационарными группировками. Однако они же превращаются в достоинства. Прежде всего, существенно сокращаются задержки распространения сигнала (максимум 130 мс), что позволяет использовать такие ССС для задач телефонии. Кроме того, если в группировке несколько спутников, по крайней ме-

ре один из них виден под углом больше 30 , а это весьма существенно для уменьшения влияния рельефа земной поверхности. Благодаря данной особенности, а также более низким орбитам существенно снижаются требования к мощности/чувствительности приемопередающей аппаратуры.

Период обращения спутников на орбитах высотой 10 350 км составляет 6 ч, при этом в тени Земли КА пребывает лишь несколько минут. Следовательно, их солнечные батареи (основной источник энергии) практически постоянно питают бортовую сеть, что существенно упрощает систему обеспечения электроэнергией и продлевает срок жизни КА до 10–15 лет – практически такой же, как у спутников на GEO (в первую очередь, за счет минимального числа циклов перезарядки аккумуляторных батарей).

Низкими считаются орбиты, лежащие ниже первого пояса ВанАллена, т.е. с высотами 500–2000 км. Как правило, это круговые ор-

биты с наклонением 0 (экваториальные), 90 (полярные) и малонаклонные орбиты. Достоинства низкоорбитальных спутниковых группировок очевидны – на один-два порядка меньшее по сравнению с МЕО и GEO расстояние до ретранслятора. В результате требования к мощности наземных передатчиков и параметрам антенн снижаются настолько, что наземные абонентские станции могут уже почти не отличаться от сотовых телефонов. Именно низкоорбитальные ССС Iridium и Globalstar стали первыми глобальными системами спутниковой

14

персональной телефонии. Низкая высота также обеспечивает малые задержки распространения, порядка десятков миллисекунд. Однако плата за низкие орбиты – необходимость достаточно большого числа КА в составе орбитальной группировки. Это естественно, поскольку на орбитах высотой 500–2000 км период обращения составляет 1,5–2 ч. В сочетании с малой зоной радиопокрытия это приводит к тому, что в течение одного витка КА вокруг Земли абонентская станция находится в зоне радиовидимости его транспондера несколько минут. Поэтому в состав орбитальных группировок низкоорбитальных ССС входит от 48–70 КА (288 в ССС Teledesic). Еще один минус – на столь низких орбитах КА примерно треть времени находится в тени Земли, что требует частых перезарядок аккумуляторных батарей. На орбитах ниже 700 км плотность атмосферы еще достаточно высока, поэтому требуется постоянная коррекция орбиты КА. Выше же 1500 км КА оказываются в первом поясе Ван-Аллена, что сокращает время жизни электронной аппаратуры даже при использовании специальных защитных средств. В результате срок жизни КА на LEO составляет 5–7 лет.

Приведем основные этапы развития космических систем связи, которые показывают, что использование их в глобальном масштабе весьма реально в ближайшем будущем:

–середина 1960-х гг.: запуск первых спутников связи, начало коммерческого использования спутников-ретрансляторов для многоканальной связи, передачи телепрограмм и т.п.;

–1970-е гг.: создание систем подвижной спутниковой связи, спутникового телевещания коллективного пользования;

–1980-е гг.: зарождение технологии VSAT (Very Small Aperture Terminal) – технологии малых спутниковых терминалов, устанавливаемых прямо у пользователей, – и непосредственного спутникового телевизионного вещания;

–конец 1990-х гг.: мир на пороге качественных изменений, связанных с предстоящим началом эксплуатации глобальных спутниковых систем связи;

–начало XXI в.: внедрение малых спутниковых телефонных аппаратов, совместимых со стандартами сотовых сетей, позволит охватить бесперебойной связью всю нашу планету.

В скором будущем спутниковая связь может качественно изменить всю индустрию телекоммуникаций и оказать влияние на привычный уклад жизни.

Эта прежде малодоступная связь станет обычной и откроет новые возможности для образования, науки и предпринимательства.

15

3. История развития сотовой связи

Первая система радиотелефонной связи, предлагавшая услуги всем желающим, начала функционировать в 1946 г. в г. Сент-Луис (США). Радиотелефоны, применявшиеся в этой системе, использовали обычные фиксированные каналы. Если канал связи был занят, то абонент вручную переключался на другой – свободный. Аппаратура была громоздкой и неудобной в использовании.

С развитием техники системы радиотелефонной связи совершенствовались: уменьшались габариты устройств, осваивались новые частотные диапазоны, улучшалось базовое и коммутационное оборудование, в частности, появилась функция автоматического выбора свободного канала – транкинг (trunking). Но при огромной потребности в услугах радиотелефонной связи возникали и проблемы.

Главная из них – ограниченность частотного ресурса: количество фиксированных частот в определенном частотном диапазоне не может увеличиваться бесконечно, поэтому радиотелефоны с близкими по частоте рабочими каналами создают взаимные помехи.

Ученые и инженеры разных стран пытались решить эту проблему. И вот в середине 1940-х гг. исследовательский центр Bell Laboratories американской компании AT&T предложил идею разбиения всей обслуживаемой территории на небольшие участки, которые стали называться сотами (от англ. cell – ячейка, сота). Каждая сота должна была обслуживаться передатчиком с ограниченным радиусом действия и фиксированной частотой. Это позволило бы без взаимных помех использовать ту же самую частоту повторно в другой соте.

Тем не менее прошло более тридцати лет, прежде чем такой принцип организации связи был реализован на аппаратном уровне. Причем все эти годы разработка систем сотовой связи велась в различных странах мира по разным направлениям.

Еще в конце 1970-х гг. начались работы по созданию единого стандарта сотовой связи для пяти североевропейских стран: Швеции, Финляндии, Исландии, Дании и Норвегии, – который получил назва-

ние NMT-450 (Nordic Mobile Telephone) и был предназначен для ра-

боты в диапазоне 450 МГц. Эксплуатация первых систем сотовой связи этого стандарта в Европе началась в 1981 г. Но еще на месяц раньше системы началась эксплуатация сотовой связи стандарта NMT-450 в Саудовской Аравии.

16

Сети на основе стандарта NMT-450 и его модифицированных версий стали широко использоваться в Австрии, Голландии, Бельгии, Швейцарии, а также в странах Юго-Восточной Азии и Ближнего Востока. На базе этого стандарта в 1985 г. был разработан стандарт NMT-900 (диапазон 900 МГц), который позволил расширить функциональные возможности системы и значительно увеличить ее абонентскую емкость.

В 1983 г. в США, в районе г. Чикаго, после ряда успешных полевых испытаний началась коммерческая эксплуатация сети на осно-

ве стандарта AMPS (Advanced Mobile Phone Service), разработанного

висследовательском центре Bell Laboratories.

В1985 г. в Великобритании был принят в качестве националь-

ного стандарт TACS (Total Access Communications System), разрабо-

танный на основе американского стандарта AMPS. В 1987 г. в связи с резким увеличением в Лондоне числа абонентов сотовой связи была расширена рабочая полоса частот. Новая версия этого стандарта сотовой связи получила название ETACS (Enhanced TACS).

Во Франции в отличие от других европейских стран в 1985 г. был принят стандарт Radiocom-2000. С 1986 г. в скандинавских странах начал применяться стандарт NMT-900.

Все перечисленные выше стандарты являются аналоговыми и относятся к первому поколению систем сотовой связи. Аналоговыми эти системы называются потому, что в них используется аналоговый способ передачи информации с помощью обычной частотной (ЧМ) или фазовой (ФМ) модуляции, как и в обычных радиостанциях. Этот способ имеет два серьезных недостатка: существует возможность прослушивания разговоров другими абонентами, отсутствуют эффективные методы борьбы с замираниями сигналов из-за окружающего ландшафта и зданий или вследствие передвижения абонентов.

Использование различных стандартов сотовой связи и большая перегруженность выделенных частотных диапазонов стали препятствовать ее широкому применению. Ведь иногда по одному и тому же телефону из-за взаимных помех не могли разговаривать даже абоненты, находящиеся в двух соседних странах (особенно в Европе).

Увеличить количество абонентов можно было лишь двумя способами: расширив частотный диапазон (как это было сделано в Великобритании – ETACS) или перейдя к рациональному частотному планированию, позволяющему гораздо чаще использовать одни и те же частоты.

Использование новейших технологий и научных открытий в области связи и обработки сигналов позволило к концу 1980-х гг. подойти

17

к новому этапу развития систем сотовой связи – созданию систем второго поколения, основанных на цифровых методах обработки сигналов.

С целью разработки единого европейского стандарта цифровой сотовой связи для выделенного в этих целях диапазона 900 МГц в 1982 г. Европейская конференция администраций почт и электросвязи (СЕРТ) – организация, объединяющая администрации связи 26 стран, – создала специальную группу Group Special Mobile. Аббревиатура GSM и послужила названием нового стандарта (позднее в связи с широким распространением этого стандарта во всем мире GSM стали расшифровывать как Global System for Mobile Communications). Ре-

зультатом работы этой группы стали опубликованные в 1990 г. требования к системе сотовой связи стандарта GSM, в котором используются самые современные разработки ведущих научно-технических центров. К ним, в частности, относятся временное разделение каналов, шифрование сообщений и защита данных абонента, использование блочного и сверточного кодирования, новый вид модуляции –

GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying).

В 1989 г., за год до появления технического обоснования GSM, британский Департамент торговли и промышленности DTI (Department of Trade and Industry) опубликовал концепцию «Подвижные телефоны», которая после внесения дополнений и изменений получила название «Сети персональной связи» – PCN (Personal Communication Networks). Целью реализации концепции было создание конкуренции между основными участниками рынка подвижной радиосвязи, чтобы к 2000 г. их абонентами стало около 15 % населения страны.

Америка провозгласила свою концепцию «Услуги персональной связи» – PCS (Personal Communication Services). Ее целью был 50 %-й

охват населения страны к 2000 г. Для реализации этой концепции Федеральная комиссия связи США выделила три частотных участка в диапазоне 1,9–2,0 ГГц (широкополосные PCS) и один участок в диапазоне 900 МГц (узкополосные PCS).

В 1990 г. американская Промышленная ассоциация в области связи TIA (Telecommunications Industry Association) утвердила нацио-

нальный стандарт IS-54 цифровой сотовой связи. Этот стандарт более известен под названием D-AMPS или ADC. В отличие от Европы в США не были выделены новые частотные диапазоны, поэтому система должна была работать в полосе частот, общей с аналоговым стандартом AMPS.

Одновременно с этим американская компания Qualcomm начала активную разработку нового стандарта сотовой связи, основанного на

18

технологии шумоподобных сигналов и кодовом разделении каналов, – CDMA (Code Division Multiple Access).

В1991 г. в Европе появился стандарт DCS-1800 (Digitall Cellular System 1800 МГц), созданный на базе стандарта GSM. Великобритания сразу же приняла его в качестве основы для разработки упоминавшейся концепции PCN, что стало началом победоносного шествия этого стандарта по континентам земного шара.

Вразвитии сотовой связи от Европы и США не отставала и Япония. В этой стране был разработан собственный стандарт сотовой свя-

зи JDC (Japanese Digital Cellular), близкий по своим показателям к американскому стандарту D-AMPS. Стандарт JDC был утвержден в 1991 г. Министерством почт и связи Японии.

В1992 г. в Германии началась коммерческая эксплуатация первой системы сотовой связи стандарта GSM.

В1993 г. в США после ряда успешных испытаний Промышленная ассоциация в области связи TIA приняла стандарт CDMA как внутренний стандарт цифровой сотовой связи, назвав его IS-95. В сентябре 1995 г. в Гонконге была начата коммерческая эксплуатация первой сети стандарта IS-95.

В1993 г. в Великобритании началась эксплуатация первой сети DCS-1800 One-2-One, которая насчитывает уже более 500 тыс. абонентов.

Что такое сотовая связь, Россия узнала лишь на закате перестройки. В Санкт-Петербурге, а затем и в Москве появились системы стандарта NMT-450i (модифицированная версия стандарта NMT-450). Принятие в 1994 г. концепции развития сетей сухопутной подвижной связи стало мощным катализатором дальнейшего развития сотовой связи в национальном масштабе. И несмотря на то, что с внедрением стандартов NMT и AMPS наша страна отстала лет на десять, провозглашение стандартаGSM вкачествеодногоиздвухфедеральныхстандартов(NMT иGSM) сократилоэтотвременнойразрывпримернодотрехлет.

Стандарты 2G на протяжении многих лет были основными при построении систем мобильной связи. Именно GSM дал большой толчок к появлению сетей сотовой связи по всему миру. Однако со временем набор услуг, которые могли предложить стандарты 2G, оказался недостаточным. Кроме того, применяющиеся в данном стандарте технологии передачи данных перестали удовлетворять пользователей сети по скорости. Эти факторы привели к появлению систем третьего поколения (3G), которые позволяют осуществлять связь, обмен ин-

19

формацией и предоставляют различные развлекательные услуги, ориентированные на беспроводное оконечное устройство (терминал). Развитие подобных услуг началось уже для систем 2G, но для поддержки этих услуг система должна характеризоваться высокой емкостью и пропускной способностью радиоканалов, а также совместимостью между системами для того, чтобы предоставлять прозрачный доступ по всему миру.

Примером системы 3G является Универсальная система мобильной связи (UMTS). Данный стандарт позволяет предоставлять абонентам скорости передачи данных до 2 Мбит/с. Технология HSDPA (3.5G) дает скорость уже до 14 Мбит/с. Таким образом, пользователи сети могут получать широкий перечень мультимедийных услуг (высококачественное видео, игры, загрузка файлов больших объемов). Однако даже такая скорость передачи данных будет удовлетворять потребности пользователя сети лишь до некоторой степени. В связи с этим началась разработка стандарта четвертого поколения, который позволит расширить возможности на долгое время.

В таблице представлены основные вехи в истории развития сотовой связи.

Таким образом, менее чем за 30 лет технологии сотовой связи совершили значительный скачок. Теперь абонент уже не ощущает географической привязанности и может пользоваться высококачественными телекоммуникационными услугами, где бы он ни находился.

20