Роль радио в создании современной информационной инфраструктуры

Н. А. Кузнецов, В. И. Нейман

В отличие от большинства событий, которым посвящаются юбилейные мероприятия, радио – подлинно международное научно-техническое достижение, которое несправедливо было бы привязывать к какой-либо одной конкретной исторической дате или отдельной личности. Влияние этого события на нашу цивилизацию оказалось грандиозным. И нельзя не выделить некоторые исторические рубежи и не отметить вклад многих поколений ученых и инженеров, профессионалов и любителей, работников культуры, которые посвятили себя служению на этом увлекательном и очень важном поприще. Усилиями огромной армии тружеников была сформирована так называемая информационная инфраструктура, которую в последние годы ставят по важности в один ряд с промышленностью и сельским хозяйством и которая сделала наш труд во сто крат более продуктивным, а нашу жизнь – несравненно более комфортной. Именно радио явилось одной из решающих вех в становлении этой инфраструктуры и современном научно-техническом прогрессе.

Авторы статьи – академик РАН, лауреат Государственной премии, директор Института проблем передачи информации РАН Н. А. Кузнецов и доктор технических, наук профессор, главный научный сотрудник ИППИ В. И. Нейман рассматривают роль радио в совершенствовании средств связи и информатизации, прослеживая их развитие от регистрации колебаний эфира до виртуальной реальности.

Штрихи к истории слияния проводной связи и радио

Идеи передачи информации с помощью колебаний эфира впервые были высказаны в 1761 г. одним из величайших математиков всех времен петербургским академиком Леонардом Эйлером (1707–1783), который изложил в популярной форме свои воззрения в письмах немецкой принцессе [1, 2]. Это были не досужие мечты фантазера или предвидения писателя-фантаста, а серьезный обзор научных знаний с некоторыми прогнозами, вытекавшими из глубокого понимания законов и путей развития фундаментальной науки.

Однако потребовалось целое столетие, чтобы эти идеи получили в 1861 г. строгое теоретическое подтверждение в трудах Дж. К. Максвелла (1831–1879, Великобритания) [3] и в 1888 г. экспериментальную проверку в лаборатории Г. Герца (1857–1894, Германия) [4]. Именно названные фундаментальные работы, как известно, открыли путь к практическому использованию радио, и по этому пути пошли многие энтузиасты в разных странах. Выдающийся вклад в работы, непосредственно связанные с радио, внесли Э. Бранли (1844–1940, Франция), К. Ф. Браун (1850–1918, Германия), Г. Маркони (1874–1937, Италия), А. С. Попов (1859–1906, Россия), Н. Тесла (1856–1943, Австро-Венгрия, впоследствии Югославия, ныне Хорватия) и другие изобретатели.

Наибольший успех выпал на долю Г. Маркони, который, наряду с изобретательской деятельностью, проделал большую опытно-конструкторскую работу и организовал серийное производство радиоаппаратуры. В 1909 г. он совместно с Брауном был удостоен Нобелевской премии по физике.

Нельзя не отметить также выдающуюся роль в развитии радио, которую сыграли тысячи радиолюбителей и практиков в разных странах. Особенно важным был вклад радиолюбителей в открытие и исследование законов распространения коротких волн. В числе выдающихся представителей многотысячной армии первых тружеников на поприще радио достойное место занимают американец родом из Минска Д. Сарнов (1891–1971), который 12 апреля 1912 г. принял трагический сигнал бедствия с тонущего "Титаника", а впоследствии предложил идею радиовещания ("музыкальный ящик, принимающий радиопередачи") и возглавил Радиокорпорацию Америки, и наш знаменитый соотечественник Э. Т. Кренкель (1903–1971), более десятка лет проработавший радистом на советских полярных станциях, в том числе в 1937–1938 гг. на первой дрейфующей станции "Северный полюс", и один из первых осуществивший радиосвязь на коротких волнах.

Среди огромного разнообразия применений радио наиболее важное – в области связи; его роль в развитии средств связи проявилась во многих областях, начиная от непосредственного создания аппаратуры радиосвязи и радиовещания и до развития элементной базы и разработки теории сигналов и цепей, что нашло применение как в области радио, так и проводной связи. Особенно большое значение для развития радиотехники и связи имело изобретение в 1904 г. вакуумного диода (Дж. А. Флеминг, 1849–1945, Великобритания) и трехэлектродной лампы – триода (Ли де Форест, 1873–1961, США). Эти изобретения сыграли решающую роль в создании электровакуумной элементной базы, которая получила широчайшее распространение и определила пути совершенствования радиотехники и электросвязи в первой половине нашего столетия вплоть до изобретения в 1947 г. транзисторов и наступления эпохи микроэлектроники.

В 1956 г. изобретатели транзисторов американцы Дж. Бардин, У. Браттейн и В. Шокли были удостоены Нобелевской премии по физике. Затем последовала целая серия Нобелевских премий, которые присуждались за работы в области физики твердого тела и микроэлектроники, оказавшие решающее влияние на создание современной элементной базы. Отметим здесь лишь работу по квантовой электронике, за которую в 1964 г. были удостоены Нобелевской премии наши соотечественники академики Н. Г. Басов и A. M. Прохоров и американец Ч. Таунс, а также вторую Нобелевскую премию по физике Дж. Бардина, полученную им в 1972 г., в составе другого авторского коллектива, за разработку теории сверхпроводимости.

Середина двадцатого века отмечена на только революционными изменениями элементной базы, но и новыми достижениями фундаментальной науки, положившей начало современной теории связи и открывшей пути развития цифровой техники передачи информации. Среди основоположников этого направления достойное место занимают В. А. Котельников [5] и К. Шеннон [6].

Хотя на протяжении большей части столетия проводная связь и радиоотрасли рассматривались во всем мире как два самостоятельно развивающихся направления, они всегда тесно взаимодействовали, а в наши дни практически слились в единое научно-техническое направление. После изобретения в 1837 г. телеграфа (наиболее удачная из первых систем была создана С. Морзе; 1791–1872, США) и в 1876 г. телефона (А. Г. Белл, 1847–1922, Великобритания – Канада – США) развитие средств проводной связи шло по пути создания сетей и совершенствования услуг связи. Основным же направлением развития радио стало освоение новых диапазонов волн и сред передачи.

От затухающих колебаний в первых передатчиках, от искровых, дуговых и машинных генераторов, работавших в диапазонах длинных и средних волн, радиотехника прошла замечательный путь последовательного освоения коротких, ультракоротких (метровых), дециметровых, сантиметровых, миллиметровых, микрометровых диапазонов волн и, наконец, нанометрового диапазона, с возвращением к проводным линиям, но теперь уже не с металлическими, а стекловолоконными проводниками. Наземные сети связи были дополнены спутниковыми и радиорелейными каналами, а кабели с медными проводниками все больше вытесняются волоконно-оптическими. Таким образом, современные сети электросвязи – это результат совместного взаимообогащающего развития проводной связи и радиотехники.

В отличие от многих других областей современной цивилизации, техника связи требует особенно пристального внимания к вопросам регламентирования и стандартизации. Хотя всемирная телефонная сеть не является единой в организационном отношении, она отличается замечательным техническим единством, без которого было бы просто невозможно устанавливать соединения между абонентами, находящимися в разных концах земного шара.

Такое единство – результат международного сотрудничества, история которого берет начало еще в 1825 г., когда была созвана первая Парижская конференция европейских правительственных делегаций по телеграфной связи. Читателя не должна смущать кажущаяся нестыковка дат: делегатам было о чем договариваться и до появления электрического телеграфа, так как территории ряда европейских стран были покрыты сетями сигнальных башен оптического телеграфа. В 1865 г. на Парижской конференции был официально учрежден Международный телеграфный союз, который в 1932 г. получил название "Международный союз электросвязи" (МСЭ). Это одна из старейших международных организаций, с 1947 г. специализированное учреждение Организации Объединенных Наций, членами которого являются более 180 государств.

С 1965 по 1993 гг. конкретными вопросами обеспечения технического единства средств связи занимались постоянные органы МСЭ – Международный консультативный комитет по телеграфии и телефонии (МККТТ) и Международный консультативный комитет по радио (МККР). Хотя каждый из этих органов занимался стандартизацией, их специфика, вытекавшая из особенностей проводной связи и радио, способствовала формированию в каждом из этих комитетов своих традиций и своей культуры. Например, исследовательские комиссии МККТТ специализировались в основном на услугах связи независимо от сред передачи, тогда как комиссии МККР, наоборот, занимались больше средами передачи.

Как известно, в 1993 г. в работе МСЭ произошли исторически важные изменения, главное из которых – решение о слиянии комиссий МККТТ и МККР в 15 новых комиссий, которые работают при новом общем органе – Секторе стандартизации связи. Важнейшими областями стандартизации признаны широкополосные цифровые сети с интеграцией служб (B-ISDN), интеллектуальные сети (Intelligent Networks -IN), сети обслуживания средств связи (Telecommunications Management Networks – TMN) и универсальная персональная связь (Universal Personal Telecommunications – UPT). Предполагается, что полное слияние комиссий МККТТ и МККР будет происходить постепенно, ввиду больших различий в концепциях и во всей их деятельности. Этот факт необходимо подчеркнуть, поскольку проблема заключается не просто в реформировании учреждения, а в фундаментальном изменении взаимоотношений между проводной связью и радиоотраслями.

За прошедшие сто лет развития радио вписано много ярких страниц в историю цивилизации. И те новые формы, которые радио принимает в своем единении с проводной связью, характеризуют важный поворотный этап и способствуют дальнейшему совершенствованию передачи информации на нашей планете.

Из всей богатой событиями истории радио в нашей стране остановимся на наиболее близкой авторам теме – вкладе Института проблем передачи информации (ИППИ) Российской Академии наук, в работах которого сегодня органически объединены теоретические разработки в области передачи информационных сигналов независимо от направляющей среды.

Возвращаясь к личности А. С. Попова, подчеркнем, что он был не только изобретателем системы радиосвязи, но и крупным педагогом и организатором радиотехнического образования в России. Будучи ректором Петербургского электротехнического института, профессор А. С. Попов непосредственно участвовал в организации учебного процесса и подготовке радиоинженеров и способствовал превращению впоследствии этого учебного заведения, называвшегося в советскую эпоху ЛЭТИ, в одну из крупнейших в нашей стране кузницу кадров радиоспециалистов.

Из окончивших институт в начале века вспомним здесь лишь выпускника 1909 г. В. И. Коваленкова (1884–1960), который был одним из организаторов научных исследований проблем связи в Академии наук СССР, и выпускника 1913 г. И. Г. Фреймана (1890–1929), ставшего профессором ЛЭТИ и подготовившего плеяду замечательных ученых. Среди учеников И. Г. Фреймана академик А. А. Харкевич (1904–1965) и член-корреспондент АН СССР В. И. Сифоров (1904–1993), занимавшие в разное время пост директора ИППИ АН СССР.

Наступление эпохи цифровой техники и вклад ИППИ РАН

В 1948 г. член-корреспондент АН СССР В. И. Коваленков совместно с Г. В. Добровольским (1908–1956) и И. А. Овсеевичем организовали в Москве Лабораторию по разработке научных проблем проводной связи Академии наук СССР. Момент организации Лаборатории совпал с периодом зарождения современной теории связи. Начало ему положила в 1948 г. классическая работа К. Шеннона "Математическая теория связи", которая, по определению академика А. Н. Колмогорова, "явилась исключительным примером соединения глубины отвлеченной математической мысли с широким и в то же время совершенно конкретным пониманием больших проблем техники" [6].

Лаборатория объединила около 40 научных сотрудников, которые, наряду с традиционными проблемами теории связи (теории сигналов и цепей; распространения электромагнитных колебаний по кабелям и волноводам; передачи речи; анализа и синтеза систем коммутации), приступили к исследованиям в новых областях – теории информации и общей теории дискретных автоматов, которые составляли два базовых раздела зарождавшейся тогда кибернетики и открывали пути создания цифровой техники связи.

При Лаборатории была открыта аспирантура, а также докторантура, первыми выпускниками которой были известные ученые в области техники электросвязи А. Ф. Белецкий, И. И. Гроднев, И. Е. Ефимов, К. Е. Кульбацкий, П. М. Курочкин, М. А. Сапожков, В. Л. Тюрин. Инициатором организации исследований в области теории информации и ее применений был А. А. Харкевич, который сменил В. И. Коваленкова на посту директора Лаборатории после его ухода на пенсию.

В работе Шеннона [6] были доказаны фундаментальные теоремы о потенциальных возможностях передачи информации по каналам связи и сформулированы основные направления реализации этих возможностей. Существо сформулированных идей, как известно, сводится к тому, что до передачи сообщения необходимо осуществить кодирование источника информации с целью максимально возможного устранения избыточности, а затем закодировать полученное сообщение так, чтобы наилучшим образом запятить его от искажений в канале, введя для этого специальную избыточность, которая определяется правилами кодирования канала. Тем самым работа Шеннона положила начало новому, очень широкому направлению научных исследований, которое охватывает как общие и математические аспекты процессов передачи информации, так и конкретные исследования свойств различных каналов связи и помех, а также источников сообщений. Сочетание традиционных задач Лаборатории в области изучения сетей связи, коммутации и управления с этим новым направлением составило единый комплекс актуальных проблем развития связи.

Вскоре Лаборатория получила название Лаборатории систем передачи информации, а 29 декабря 1961 г. было принято постановление Президиума Академии наук СССР "О реорганизации Лаборатории систем передачи информации АН СССР в Институт проблем передачи информации АН СССР". Этим же постановлением директором ИППИ был назначен А. А. Харкевич.

В работах А. А. Харкевича [7], В. И. Сифорова [8], Э. Л. Блоха (1915–1980) и других сотрудников созданного института получили обоснование и развитие фундаментальные положения теории передачи информации по каналам связи и были заложены теоретические основы и принципы создания современных цифровых систем связи. Наряду с изучением общих и математических вопросов теории передачи информации, которые включают, в частности, методы кодирования сигналов, важное место в Институте занимают исследования методов передачи речи и изображений, т. е. методы кодирования наиболее важных источников передаваемых сообщений.

Уже в начале 60-х гг., когда этими работами непосредственно руководил А. А. Харкевич, стало ясно, что успех в создании эффективных систем передачи речи и изображений непосредственно связан с пониманием механизмов их восприятия человеком, что может быть достигнуто лишь в результате всесторонних фундаментальных исследований, с привлечением представителей разных наук, в том числе физиологов. Поэтому, по инициативе Харкевича, вскоре после создания Института, в его состав была переведена из Института биологической физики АН СССР лаборатория биофизики зрения во главе с Н. Д. Нюбергом (1899–1967). Получены существенные результаты в понимании механизмов зрительного восприятия, что способствовало грамотной постановке и решению задач передачи, обработки и распознавания изображений. Одним из наиболее наглядных примеров важности результатов исследований в этой области, выполненных не только в нашей стране, но и за рубежом; является их использование при создании высококачественных систем цветного телевидения. Хотя надо отметить, что в современных телевизионных системах, оснащенных микропроцессорной техникой, реализованы еще далеко не все возможности, которые подсказывает фундаментальная наука.

Традиционная проблематика Института охватывает теорию сетей связи, задачи управления и коммутации, теорию телетрафика. Еще в начале 60-х гг. А. А. Харкевич выдвинул концепцию Единой автоматизированной сети связи страны, имея в виду интеграцию различных видов связи в общегосударственной цифровой сети, построенной на единой технической основе. Хотя эта идея была на словах горячо одобрена руководящими органами страны, а ее осуществление трижды записывалось в Директивы ЦК КПСС по очередным пятилетним планам, фактически ее заболтали и спустили на тормозах. Так, впрочем, проваливали и предложения в области информатизации страны, выдвигавшиеся другими выдающимися учеными АН СССР А. И. Бергом и А. Д. Сахаровым.

Наглядным контрпримером может послужить опыт Франции, которая в конце 50-х гг. находилась приблизительно в таких же стартовых условиях, что и Советский Союз, и в которой тоже была выдвинута аналогичная концепция развития электросвязи. Однако там с самого начала был взят государственный курс на всемерное развитие научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, создание мощной электронной промышленности и широкомасштабное производство элементной базы и аппаратуры. В результате сегодня Франция – одна из лидирующих стран мира в области связи.

Весьма прискорбно, что многие научные разработки ИППИ остались на бумаге или были использованы зарубежными коллегами в своих странах. Серьезного большого спроса на продукцию ИППИ нет и сегодня, так как и сейчас не существует единой общегосударственной программы информатизации страны. Большие трудности возникают в связи с "утечкой мозгов" и недостаточным финансированием. Однако коллектив Института надеется на изменение положения дел и продолжает, несмотря на существующие сегодня трудности, фундаментальные исследования по всем упомянутым здесь направлениям.

Еще более важным, чем слияние проводной связи и радио, и многоплановым является процесс слияния средств радио и связи с вычислительной техникой, что прежде всего определяется общей элементной базой. Создание микропроцессоров открыло замечательные возможности управления все усложняющимися процессами передачи, распределения и обработки информации. Микропроцессор становится неотъемлемой частью аппаратуры связи и позволяет осуществить такие услуги, которые были невозможны без цифровой техники. Другая важная общность связи и вычислительной техники – математическое обеспечение, в том числе системное (управляющее функционированием системы в целом, работой протоколов, доступом пользователей) и прикладное (служащее для непосредственной обработки информации). Наконец, слияние происходит в ходе развития самой вычислительной техники от задач вычислений к задачам обработки текстов и к услугам "мультимедиа".

Автоматическая обработка текстов коренным образом изменяет издательское дело: средства вычислительной техники позволяют в течение нескольких дней выпускать печатную продукцию при получении от авторов рукописей на носителях, с которых считывается текст. При этом автору даже не нужно везти рукопись – он может ее передать по сети связи. Само написание рукописи или любая другая творческая работа может выполняться коллективом авторов, находящихся на значительном расстоянии друг от друга с помощью услуг связи, получивших название "мультимедиа" и интегрирующих передачу речи, данных, видео с соблюдением требований интерактивной связи и эффекта присутствия.

Кроме чисто производственного аспекта, современное программное обеспечение, в сочетании с интегрированной системой передачи информации, позволяет создавать эффекты "виртуальной реальности" (или псевдореальности), т. е. моделировать реальность техническими средствами в интересах приложений в искусстве, индустрии развлечений и в других областях.

Таким образом, развитие средств связи в мире проходит по двум взаимосвязанным направлениям. Первое, традиционное, ориентировано по масштабам времени на восприятие человека. Второе, более новое, направление – решение задач взаимодействия вычислительных машин и систем, и здесь масштабы времени определяются желанием пользователя получать файлы из удаленных ЭВМ с такой же скоростью, с какой он переписывает их с магнитного диска собственной ЭВМ в оперативную память.

Сторонники первого направления ("связисты"), стремясь учесть потребности второго направления ("вычислителей"), создали разнообразные средства передачи данных по телефонным сетям общего пользования, а также специализированные сети передачи данных с коммутацией каналов или пакетов. Однако скорости передачи, которые предоставляют связисты, не всегда удовлетворяют вычислителей, и последние создают собственные сети (уже первые локальные вычислительные сети были рассчитаны на скорость передачи 10 Мбит/с).

В результате в области информационных средств возникли две технические культуры, различающиеся не только подходами, но и терминологией (как на русском, английском, так и на других языках). Например, то, что связисты называют "цифровыми системами передачи", вычислители называют "системами передачи данных", хотя у связистов "передача данных" – это лишь один из конкретных видов услуг, предоставляемых сетью связи. Связисты говорят "разделение", или "уплотнение", каналов, "абонентские устройства", вычислители – соответственно "мультиплексирование", "терминалы" и т. д. до бесконечности.

Процесс сближения этих направлений, резкое повышение скоростей передачи и усложнение процессов обработки информации и управления выдвигают новые требования к фундаментальной науке. В числе новых тем, разрабатываемых в ИППИ, – исследования статистических методов обработки информации и управления, искусственный интеллект, компьютерная лингвистика. Одной из важных проблем современной международной телефонной связи является преодоление языкового барьера, сильно ограничивающего возможности общения людей. Решением могло бы стать создание автоматических переводчиков; хотя на этом пути много трудностей, работы в области теории языковой коммуникации и лингвистических процессоров в ИППИ ведутся усиленно, и полученные результаты позволяют надеяться на возможность скорого решения этой проблемы.

Большое внимание Институт продолжает уделять теоретическим задачам создания цифровых сетей с интеграцией служб, в том числе широкополосным ЦСИС с асинхронной передачей, телетрафику, помехоустойчивому кодированию и криптографии. Эти задачи включают, прежде всего, математические аспекты развития систем связи и информационной структуры современного общества.

В целом ИППИ РАН располагает высококвалифицированными научными кадрами и готов к сотрудничеству с отраслевыми научно-исследовательскими и опытно-конструкторскими организациями с целью развития сетей связи и информатики в нашей стране.

Некоторые применения радио в современных сетях связи

Успехи микроэлектроники и создание новой элементной базы коренным образом изменили аппаратуру связи. Микроэлектроника вместе с цифровой техникой позволили воплотить в жизнь те идеи, развитию которых положили начало работы В. А. Котельникова и К. Шеннона. Практические задачи использования нового оборудования и устройств связи возникают лишь после того, как на них появляется этикетка с указанием цены. И именно микроэлектроника позволила Создать удовлетворяющую современным требованиям технику, обеспечивающую предоставление разнообразных услуг связи при приемлемой стоимости.

После изобретения телефона историю развития услуг связи на основе телефонных сетей можно условно разбить на три периода: 1) период создания средств коммутации; 2) период развития сетей и 3) период решения задач доступа к сетям и услугам [9]. Для каждого из них характерна своя главная задача, решение которой логически ведет к следующему этапу. За разработкой автоматических телефонных станций последовали расширение и совершенствование сетей, а после создания всемирной телефонной сети начали решаться задачи доступа абонентов к сетям и услугам.

Проблема доступа, в свете сооружения цифровых сетей с интеграцией служб, имеет очень много аспектов – от стандартизации интерфейсов до применения сетевого искусственного интеллекта. Однако едва ли не главной проблемой последнего десятилетия века стала проблема беспроводного доступа к сетям связи. Здесь-то и потребовались результаты фундаментальных исследований, в том числе выполненных в ИППИ, и весь мировой опыт создания систем радиосвязи. Речь идет о доступе к услугам не только телефонной связи, но и факсимильной связи, передачи данных, электронной почты.

Важнейшие применения беспроводного доступа к сетям (заимствовано из [9])

На рис. 1 показаны важнейшие применения беспроводного доступа на сетях связи США, причем названия услуг приводятся в виде перевода терминов, принятых Федеральной комиссией по связи США. Особенно широкое распространение получают подвижные системы сотовой связи. Количество подвижных телефонов в мире к 2000 г. будет исчисляться многими десятками миллионов. А значит, в течение текущего десятилетия предполагается ввести такое их количество, какое на стационарных сетях было введено почти за столетие. Это можно сделать только на основе цифровой техники, и созданные для этой цели системы связи могут послужить наглядным примером практического использования результатов фундаментальной науки.

На рис. 2 приводится график фактического развития подвижной связи в Западной Европе с оценкой перспективы [10], который наглядно показывает тенденцию перехода на цифровые системы. Рис. 3 иллюстрирует распределение частот, используемых для различных систем беспроводного доступа в США, Западной Европе и Японии (по данным компании AT&T, США). Чтобы представить уровень современного развития систем радиосвязи, оперируя конкретными цифрами и фактами, сошлемся в качестве примера на сотовую систему цифровой подвижной связи GSM [10]. Как видно из рис. 3, система работает в диапазоне около 900 МГц, а две полосы показывают разнесение частот передачи подвижного аппарата (левая полоса) и приема (правая полоса) на 45 МГц для исключения переходных помех.

График развития подвижной связи в Западной Европе (заимствовано из [10])

Работа передатчика ведется на заданной частоте в одном из восьми фиксированных канальных интервалов путем кратковременных вспышек продолжительностью около 600 мкс. Из них по 28 мкс в начале и в конце вспышки отводятся на устанавливающиеся процессы, в ходе которых мощность излучения изменяется на 70 дБ в ту и другую стороны. Полезное время вспышки продолжительностью 546, 12 мкс служит для передачи 148 двоичных разрядов. После вспышки в течение семи канальных интервалов передатчик "молчит", и за это время в одном из канальных интервалов на ту же антенну может быть принят входящий сигнал (в цифровых линиях проводной связи подобный метод передачи получил название "пинг-понг").

Если вспомнить, что за 1 мкс радиоволны проходят всего 300 м, а расстояние от подвижного аппарата до базовой станции может достигать 30 км, задержка распространения вспышки может достигать 100 мкс. Такая задержка серьезно влияет на работу базовой станции, поскольку переданная вспышка частично попадает в соседний канальный интервал. Поэтому базовая станция может посылать команды подвижному аппарату на опережение передачи вспышки, чтобы сигнал поступал в своем канальном интервале.

Другая регулировка со стороны базовой станции относится к излучаемой мощности подвижного передатчика. В результате измерения уровня принимаемого сигнала на базовой станции формируется решение и передается команда на регулировку мощности, что важно для уменьшения расхода батарейки. Из изложенного ясно, что в физическом канале, образуемом регулярной последовательностью вспышек, организуется целая группа логических (виртуальных) каналов, специализированных для передачи информации абонента (речь или данные), а также для сигнализации и для управления.

Распределение волн дециметрового диапазона: БТ-1 – бесшнуровые стационарные телефоны первого поколения; БТ-2 -бесшнуровые стационарные телефоны второго поколения; УПС – услуги персональной связи; DECT – Европейская система цифровых бесшнуровых телефонов

В системе подвижной радиосвязи используются новейшие достижения теории кодирования, модуляции и фильтрации сигналов с учетом специфических особенностей системы, прежде всего, – отражения волн и, как следствие, многопутевого их распространения. С одной стороны, это явление полезно, так как позволяет радиоволнам огибать препятствия и распространяться за зданиями, в гаражах и тоннелях. С другой же стороны, многопутевое распространение является причиной таких неприятных для радиосвязи явлений, как растянутая задержка сигнала, релеевские замирания (паразитная амплитудная модуляция сигнала) и эффект Допплера (паразитная частотная модуляция сигнала).

Не вдаваясь в подробности техники выравнивания сигналов, отметим лишь принцип ее реализации. Он состоит в делении информационного кадра, передаваемого во время вспышки, на три части, разделенные "флагами". В середине кадра располагается специальная легко распознаваемая последовательность 26 разрядов, по которой производится выравнивание принятого кадра, а до и после этой последовательности располагаются по 57 информационных разрядов.

Серьезное достижение создателей системы GSM – речевой кодек, принятый в результате международного конкурса. Известно, что стандартный аналого-цифровой интерфейс речевого сигнала с частотой дискретизации 8 кГц квантует каждый отсчет по 8192 уровням и кодирует его 13-разрядным двоичным числом. В результате исходный цифровой поток, передающий речевой сигнал, имеет скорость 104 кбит/с. В широко применяемой аппаратуре цифровой передачи ИКМ для проводных линий связи используется цифровое компандирование с преобразованием 13-разрядного отсчета в 8-разрядный, с соответствующим понижением скорости передачи до 64 кбит/с. В описываемой системе первичная скорость понижается в 8 раз и достигает 13 кбит/с. Кроме того, аппаратура предусматривает возможность удвоения числа каналов путем дальнейшего снижения скорости передачи речи до 6,5 кбит/с после создания еще более эффективного кодека.

В существующем кодеке применяется кодирование с линейным предсказанием и регулярным импульсным возбуждением, при котором производятся анализ и обработка каждого блока по 160 отсчетов (2080 разрядов), соответствующего отрезку речи продолжительностью 20 мс. В результате анализа находятся восемь коэффициентов фильтрации и возбуждающий сигнал для цифрового фильтра. Такой фильтр напоминает цифровую копию органов речи человека, которые настраиваются с помощью восьми параметров и после возбуждения дают звук.

В дополнение к указанному анализу применяется долгосрочный анализ, который позволяет охватить долгие гласные. Сущность его состоит в запоминании в передатчике последовательностей по 15 мс, с которыми сравнивается текущая последовательность. По каналу передаются только разность между текущей и наиболее близкой к ней, ранее переданной последовательностью и ее указатель.

Наконец, речевой кодек содержит обнаружитель речи, который прерывает передачу в периоды молчания. Информация о паузах передается специальными кадрами, которые вызывают подачу говорящему абоненту "комфортного" шума, создающего иллюзию наличия канала.

Получающиеся в результате кодирования источника 260 разрядов (из 2080 разрядов после 8-кратного сжатия) поступают затем для кодирования канала. По важности эти 260 разрядов делятся на три категории. Наиболее важные 50 разрядов несут информацию о параметрах фильтрации, амплитуде блока и параметрах долгосрочного предсказания. Следующая категория, содержащая 132 разряда, несет информацию об указателе и импульсе регулярного возбуждения. Остальные 78 разрядов относятся к третьей категории.

Для кодирования канала применяется блоковый циклический код, обнаруживающий ошибки, и сверточный код, исправляющий ошибки. Блоковый код добавляет к 50 разрядам высшей категории три проверочных разряда, и при обнаружении ошибки все 260 разрядов сбрасываются, а потерянная информация заменяется экстраполированной по предыдущему кадру. Сверточный код (r=0,5 и К=5) охватывает первую категорию, включая три добавочных разряда, а также вторую категорию, добавляя к ним еще четыре разряда. На выходе кодера получаются 189x2 = 378 разрядов, к которым добавляются незащищенные 78 разрядов третьей категории. Полученные 456 разрядов составляют ровно 8 подблоков по 57 разрядов, размещаемые в четырех вспышках.

Изложенного достаточно для получения представления об уровне современной техники цифровой обработки сигналов, хотя можно было бы еще остановиться на применяемых в этой же системе методах кодирования канала при передаче данных. Для удобства передачи полученная последовательность нулей и единиц путем дифференциального кодирования преобразуется в биполярную последовательность, которая и управляет модулируемым параметром (в данном случае фазой) высокочастотных колебаний, изменяя его в ту и другую стороны. В целях минимального использования ширины полосы фазовая манипуляция осуществляется не резкими скачками фазы, а плавным ее изменением путем раскачивания частоты в пределах 67,7 кГц (гауссова манипуляция с непрерывной фазой).

Для быстрейшего получения сигнала ответа станции при включении подвижного абонента вхождение в связь осуществляется по специальному виртуальному каналу случайного множественного доступа с особым форматом вспышки.

Нетрудно представить, что разработка и изготовление подобных технических средств были бы невозможны без соответствующей измерительной техники, которая создавалась и совершенствовалась в процессе развития радиотехники. Все описанные функции аппаратуры подвижной радиосвязи реализованы микроэлектронными средствами, в том числе высокочастотными микросхемами, в результате чего современный подвижный аппарат удается разместить в корпусе размерами не более 4x6x14 см при весе не более 300 г.

Рассмотренный пример иллюстрирует уровень развития современных систем радиосвязи, но не сферу их распространения. Средства беспроводного доступа обеспечивают дополнительные удобства абоненту лишь в пределах территорий, на которых действуют стационарные сети. Однако за пределами таких территорий находятся не только моря и океаны, но и регионы со слабым развитием наземных сетей. Поэтому важным дополнением наземных сетей являются спутниковые системы связи, которые также предоставляют мобильные услуги и в которых используются аналогичные принципы действия. Особенно важное значение спутниковые системы имеют для развития связи на транспорте. Из таких систем одной из наиболее эффективных является международная система "Инмарсат", которая создавалась как система связи морских судов, но в настоящее время значительно расширила свои функции и предоставляет услуги любым подвижным объектам. Однако это далеко не единственная система. Достаточно отметить, что только подвижной спутниковой связью для воздушного транспорта занимаются пять консорциумов, среди которых Skyphone. Многочисленные компании занимаются подвижной спутниковой связью для грузового автотранспорта.

От вспышки искрового передатчика начала столетия, переносившей с помощью затухающих колебаний один символ азбуки Морзе, мы пришли к вспышке современного радиопередатчика с временным разделением, переносящей в диапазоне дециметровых волн сотню двоичных разрядов в течение долей миллисекунды. Воистину человечество не зря прожило столетие. Радио прочно вошло в наш быт и в наше сознание, объединив человечество прочными узами средств передачи информации.

Литература

1. Euler L. Letters a une princesse d'Allemagne sur divers sujets de physique et de philosophie. T. 1–3. – SPb.: 1768–1772.
2. Эйлер Л. Письма о разных физических и философических материях, писанные к некоторой немецкой принцессе, с французского языка на российский переведенные Степаном Румовским, Т. 1–3. – СПб.: 1768–1777.
3. Maxwell J. C. A treatise on electricity and magnetism, v.1–2. Oxford, 1873.
4. Hertz H. R. Gesammelte Werke, Bd. 1–3. Leipzig, 1894–1895
5. Котельников В. А. Теория потенциальной помехоустойчивости. – М.: Госэнергоиздат, 1956.
6. Шеннон К. Работы по теории информации и кибернетике. – Пер. с англ, с предисловием А. Н. Колмогорова. – М.: Издательство иностранной литературы, 1963. – 830 с.
7. Харкевич А. А. Избранные труды. В трех томах. – М.: Наука, 1973.
8. Сифоров В. И. Радиоприемные устройства, изд. 5. – М.: Воениздат, 1954. – 804 с.
9. Calhoun G. Wireless access and local telephone network. Boston: Artech House, 1992. – 597 p.
10. Redl S., Weber М. D-Netz-Technik und Messpraxis. – Munchen: Franzis, 1993. – 278 s.

Статья опубликована в журнале "Электросвязь" №1, 1995 г., стр. 10.
Перепечатывается с разрешения редакции.