Прежде чем смартфеты стали продолжением наших рук, мобильная связь была нишевой роскошью. Она предназначалась не для обычного водителя. Она была для людей, которым буквально приходилось говорить на ходу.
Они устанавливали радиотелефоны в свои автомобили. Это были не те элегантные устройства, которые мы носим с собой сегодня. Это были громоздкие коробки с антеннами, похожими на плавники акул. Система опиралась на одну центральную вышку в каждом городе. Всего одну.
Эта вышка предоставляла, возможно, 25 каналов. Вот и всё. Двадцать пять одновременных разговоров на весь мегаполис.
Чтобы это работало, телефон в вашем автомобиле должен был иметь мощный передатчик. Он должен был передавать сигнал на расстояние 40–50 миль. Это примерно 70 километров. Оборудование было мощным. Стоимость — непомерно высокой. Пропускная способность — ничтожно малой.
Вы не могли просто взять телефон и набрать номер. Каналов просто не хватало. Если бы все одновременно попытались воспользоваться системой, сеть рухнула бы. Это была дорогая инфраструктура для крошечной доли населения.
Гениальность повторного использования частот
Сотовая система изменила всё, разбив город на маленькие ячейки.
Представьте карту. Теперь разделите её на шестиугольники. Каждый шестиугольник — это ячейка. У каждой ячейки есть своя собственная вышка с передатчиком низкой мощности. Здесь и происходит магия.
Гениальность заключается не только в покрытии. Она — в повторном использовании частот.
Поскольку каждая ячейка использует передатчики низкой мощности, одни и те же радиочастоты могут использоваться в не соседних ячейках. Вы можете вести разговор в центре Манхэттена, используя канал А. В то же время кто-то в Джерси-Сити может использовать канал А. И кто-то ещё в Куинсе тоже может его использовать.
Это позволяет широко использовать одни и те же частоты по всему городу. Внезапно миллионы людей могут одновременно пользоваться сотовыми телефонами. Сеть масштабируется. Стоимость снижается. Технология становится доступной для массового рынка.
Сравнение сотовых телефонов с гражданскими радиостанциями (CB)
Чтобы понять сложность современного сотового телефона, нужно посмотреть на то, что было до него. Сравните его с гражданским радиоприёмником (CB) или рацией.
Рация — это радиостанция двусторонней связи. Вы нажимаете кнопку. Говорите. Все, кто находится на этом канале, слышат вас. Это просто. Это ограничено. Это принцип «один ко многим».
Гражданская радиостанция (CB) аналогична. Вы выбираете канал. Вещаете. Другие пользователи CB на этом канале слушают. Если кто-то другой говорит, вы ждёте. Это общий ресурс.
Сотовый телефон отличается. Это двусторонняя приватная беседа. Но она использует тот же базовый принцип радиоволн. Разница заключается в процессе переключения (handoff).
По мере перемещения из одной ячейки в другую ваш телефон бесшовно переключается между вышками. Это происходит без обрыва разговора. Сеть управляет переключением. Пользователь даже не замечает, что это происходит.
Это касается не только разговоров. Это управление ресурсами. Каждую секунду ваш телефон связывается с ближайшей вышкой. Он проверяет уровень сигнала. Запрашивает полосу пропускания. Переключается на следующую ячейку по мере вашего движения.
Именно так сотовые сети поддерживают миллионы пользователей. Это не одна большая вышка. Это много маленьких. Это повторное использование. Это интеллектуальное управление.
Технология сложна. Результат прост. Вы просто разговариваете.
Рации и КБ-радиостанции имеют фундаментальное ограничение: они являются устройствами с полудуплексной связью. Вы не можете говорить и слушать одновременно. Обе стороны, использующие один и тот же канал КБ-радиостанции, работают на одной и той же частоте, что означает возможность передачи сигнала только одной стороной, в то время как другая ждёт. Мобильные телефоны работают по-другому. Они являются устройствами с полнодуплексной связью. Одна частота отвечает за передачу вашего голоса, а вторая, отдельная частота — за приём голоса собеседника. Вы можете говорить и слышать одновременно.
Масштаб подключения кардинально различается между этими технологиями. Обычная рация обычно предлагает только один канал. КБ-радиостанция расширяет это количество до 40 каналов. Современный мобильный телефон подключается к значительно большему пулу частот. В зависимости от сети, одно устройство может получать доступ к 1 664 каналам или более. Такое огромное количество доступных частот позволяет обслуживать значительно больше одновременных пользователей.
Дальность действия является ещё одним ключевым различием. Базовая аналоговая рация с передатчиком мощностью 0,25 ватта обеспечивает связь на расстоянии около одной мили (1,6 километра). КБ-радиостанции используют большую мощность. Их передатчики мощностью 5 ватт увеличивают дальность примерно до пяти миль (8 километров). Мобильные телефоны не полагаются исключительно на высокую мощность. Они опираются на архитектуру сотовой сети.
Мобильные телефоны работают в пределах сетки из перекрывающихся зон, называемых сотами. При движении ваш телефон переключается с одной соты на другую. Этот процесс переключения позволяет вам проехать сотни миль, сохраняя разговор. Дальность действия фактически ограничивается только покрытием сети, а не мощностью вашего портативного устройства.
В типичной аналоговой сотовой системе в США операторам выделялось около 800 частот на весь город. Для эффективного управления этим спектром инженеры делят город на более мелкие зоны. Каждая сота охватывает примерно 10 квадратных миль (26 квадратных километров). Эти зоны часто визуализируются в виде шестиугольников на сетке.
Шестиугольная модель используется не просто для наглядности. Она помогает проиллюстрировать принцип повторного использования частот. Поскольку мобильные телефоны и базовые станции используют передатчики низкой мощности, сигналы не выходят за пределы соседних зон в чрезмерной степени. Это позволяет не соседним сотам использовать одни и те же частоты. Одна группа сот может использовать частоту А, в то время как сота, находящаяся через две зоны, также использует частоту А. Это повторное использование многократно увеличивает ёмкость системы.
Каждая сота опирается на базовую станцию. Эта инфраструктура состоит из вышки и расположенного рядом здания, в котором размещается радиооборудование. Базовая станция действует как шлюз между вашим телефоном и более широкой сетью. В следующем разделе мы подробнее рассмотрим, как функционируют эти станции и управляют трафиком. Сначала важно понять, как сами соты структурированы и оптимизированы.
