Перш ніж смартфети стали продовженням наших рук, мобільний зв’язок був нішевою розкішшю. Вона призначалася не для простого водія. Вона була для людей, котрим буквально доводилося говорити на ходу.
Вони встановлювали радіотелефони у свої автомобілі. Це були не ті елегантні пристрої, які ми носимо із собою сьогодні. Це були громіздкі коробки з антенами, подібними до плавників акул. Система спиралася на одну центральну вежу в кожному місті. Усього одну.
Ця вежа надавала, можливо, 25 каналів. Ось і все. Двадцять п’ять одночасних розмов на весь мегаполіс.
Щоб це працювало, телефон у вашому автомобілі повинен мати потужний передавач. Він мав передавати сигнал на відстань 40-50 миль. Це приблизно 70 км. Обладнання було сильним. Вартість – непомірно високою. Пропускна здатність – мізерно малою.
Ви не могли просто взяти телефон та набрати номер. Каналів просто не вистачало. Якби всі одночасно спробували скористатися системою, мережа впала б. То була дорога інфраструктура для крихітної частки населення.
Геніальність повторного використання частот
Стільникова система змінила все, розбивши місто на маленькі осередки.
Уявіть карту. Тепер поділіть її на шестикутники. Кожен шестикутник – це комірка. Кожен осередок має свою власну вежу з передавачем низької потужності. Тут відбувається магія.
Геніальність полягає не лише у покритті. Вона – у повторному використанні частот.
Оскільки кожен осередок використовує передавачі низької потужності, одні й самі радіочастоти можуть використовуватися в не сусідніх осередках. Ви можете розмовляти в центрі Манхеттена, використовуючи канал А. У той же час хтось у Джерсі-Сіті може використовувати канал А. І хтось ще в Квінсі теж може його використовувати.
Це дозволяє широко використовувати ті самі частоти по всьому місту. Несподівано мільйони людей можуть одночасно користуватися стільниковими телефонами. Мережа масштабується. Вартість знижується. Технологія стає доступною масового ринку.
Порівняння стільникових телефонів із цивільними радіостанціями (CB)
Щоб зрозуміти складність сучасного телефону, потрібно подивитися на те, що було до нього. Порівняйте його з цивільним радіоприймачем (CB) або рацією.
Рація – це радіостанція двостороннього зв’язку. Ви натискаєте кнопку. Говоріть. Усі, хто на цьому каналі, чують вас. Це просто. Це обмежено. Це принцип “один до багатьох”.
Громадянська радіостанція (CB) є аналогічною. Ви обираєте канал. Віщаєте. Інші користувачі CB слухають на цьому каналі. Якщо хтось інший каже, ви чекаєте. Це загальний ресурс.
Стільниковий телефон відрізняється. Це двостороння приватна розмова. Але вона використовує той самий базовий принцип радіохвиль. Різниця полягає у процесі перемикання (handoff).
У міру переміщення з одного осередку до іншого ваш телефон безшовно перемикається між вишками. Це відбувається без урвища розмови. Мережа керує перемиканням. Користувач навіть не зауважує, що це відбувається.
Це стосується не лише розмов. Це управління ресурсами. Кожну секунду телефон зв’язується з найближчою вежею. Він перевіряє рівень сигналу. Запитує смугу пропускання. Перемикається на наступний осередок у міру вашого руху.
Саме так стільникові мережі підтримують мільйони користувачів. Це не одна велика вежа. Це багато маленьких. Це повторне використання. Це інтелектуальне керування.
Технологія складна. Результат простий. Ви просто розмовляєте.
Рації та КБ-радіостанції мають фундаментальне обмеження: вони є пристроями із напівдуплексним зв’язком. Ви не можете говорити та слухати одночасно. Обидві сторони, що використовують один і той же канал КБ-радіостанції, працюють на одній і тій же частоті, що означає можливість передачі лише однією стороною, в той час як інша чекає. Мобільні телефони працюють по-іншому. Вони є пристроями з повнодуплексним зв’язком. Одна частота відповідає за передачу вашого голосу, а друга, окрема частота за прийом голосу співрозмовника. Ви можете говорити та чути одночасно.
Масштаб підключення кардинально відрізняється між цими технологіями. Звичайна рація зазвичай пропонує лише один канал. КБ-радіостанція розширює цю кількість до 40 каналів. Сучасний мобільний телефон підключається до значно більшого частотного пулу. Залежно від мережі, один пристрій може отримувати доступ до 1664 каналів або більше. Така безліч доступних частот дозволяє обслуговувати значно більше одночасних користувачів.
Дальність дії є ще однією ключовою відмінністю. Базова аналогова рація з передавачем потужністю 0,25 Вт забезпечує зв’язок на відстані близько однієї милі (1,6 кілометра). КБ-радіостанції використовують більшу потужність. Їхні передавачі потужністю 5 ват збільшують дальність приблизно до п’яти миль (8 кілометрів). Мобільні телефони не покладаються виключно на високу потужність. Вони спираються на архітектуру мережі.
Мобільні телефони працюють в межах сітки з зон, що перекриваються, званих стільниками. Під час руху телефон перемикається з однієї стільники на іншу. Цей процес перемикання дозволяє проїхати сотні миль, зберігаючи розмову. Дальність дії фактично обмежується лише покриттям мережі, а не потужністю портативного пристрою.
У типовій аналогової стільникової системі США операторам виділялося близько 800 частот все місто. Для управління цим спектром інженери ділять місто більш дрібні зони. Кожна стільника охоплює приблизно 10 квадратних миль (26 квадратних кілометрів). Ці зони часто візуалізуються у вигляді шестикутників на сітці.
Шестикутна модель використовується не просто для наочності. Вона допомагає проілюструвати принцип повторного використання частот. Оскільки мобільні телефони та базові станції використовують передавачі низької потужності, сигнали не виходять за межі сусідніх зон надмірною мірою. Це дозволяє не сусіднім сотам використовувати одні й самі частоти. Одна група сот може використовувати частоту А, в той час як сота, що знаходиться через дві зони, також використовує частоту А. Це повторне використання багаторазово збільшує ємність системи.
Кожна стільника спирається на базову станцію. Ця інфраструктура складається з вежі та розташованої поруч будівлі, в якій розміщується радіообладнання. Базова станція діє як шлюз між вашим телефоном та ширшою мережею. У наступному розділі ми докладніше розглянемо, як ці станції функціонують і керують трафіком. Спочатку важливо зрозуміти, як самі стільники структуровані та оптимізовані.
