Viimeisten 80 vuoden aikana televiestintäala on kasvanut valtavasti. Monet älypuhelinten harrastajat eivät todellakaan tiedä, kuinka pitkälle ala on edennyt. Siksi kirjoitimme tämän artikkelin tarkastellaksemme televiestintäteollisuuden kehitystä toisen maailmansodan jälkeen.
Toisen maailmansodan aikana Motorolan SCR-sarjan radiopuhelimet saavuttivat suurta menestystä taistelukentällä. Hän näytti maailmalle langattoman viestinnän voiman. Se sai ihmiset myös halun soveltaa niitä siviilimarkkinoille.
Ensimmäiset matkapuhelimet
Sodan jälkeen, vuonna 1946, AT & T Yhdysvalloissa liitti langattoman vastaanottimen PSTN-verkkoon (Public Switched Telephone Network). Hän käynnisti myös virallisesti MTS:n (Mobile Telephone Service) siviilikäyttöön.
MTS:ssä, jos käyttäjä haluaa soittaa puhelun, hänen on ensin löydettävä manuaalisesti ilmainen langaton kanava. Jos se vastaanottaa kanavan, se puhuu sitten operaattorin kanssa ja pyytää toista osapuolta muodostamaan toisen yhteyden PSTN-verkon kautta.
Koko puhelu käyttää half-duplex-tekniikkaa, mikä tarkoittaa, että vain yksi soittaja voi puhua kerrallaan. Puhelun aikana käyttäjän on painettava puhelimen push-to-talk-painiketta. Ei kovin kätevää, eikö?
Myös MTS:n veloitus- tai laskutusmenetelmä on hyvin alkeellinen. Operaattori kuuntelee osapuolten välistä keskustelua koko prosessin ajan. Se laskee hinnan manuaalisesti puhelun päätyttyä ja vahvistaa laskun. Tämä oli ensimmäinen kaupallinen matkaviestinjärjestelmä ihmiskunnan historiassa.
Sanoisit varmaan, että matkapuhelimet keksittiin 1970-luvulla? Miksi se oli olemassa 1940-luvulla? Älä panikoi, se "matkapuhelin" ei ole oikea matkapuhelin. Se on itse asiassa matkapuhelin. Tarkemmin sanottuna auton half-duplex radiopuhelin.
Auton matkapuhelin
Tuohon aikaan oli mahdotonta keksiä matkapuhelinta elektroniikkatekniikan ja akkujen avulla. Autoja oli kuitenkin jo tuolloin paljon.
Tuolloin "tukiasema" oli myös erittäin suuri, hieman radio- ja televisiotornin kaltainen. Hän oli ainoa kaupungissa, ja heillä oli hänet kaupungin keskustassa. Torni kattoi 40 kilometrin säteen erittäin suurella teholla.
Joulukuussa 1947 Bell Labsin tutkija Douglas H. Ring ehdotti ensimmäisen kerran ajatusta "solukkoviestinnästä". Tämä merkitsee televiestintäalan kehityksen alkua. Hän uskoo, että signaalin lähetystehon sokean lisäämisen sijaan on parempi rajoittaa signaalin lähetysaluetta ja ohjata signaalia rajoitetulla alueella (soluissa).
Siten eri solut voivat käyttää samaa taajuutta vaikuttamatta toisiinsa, mikä lisää järjestelmän kaistanleveyttä.
Vaikka ajatus matkapuhelinviestinnästä on erittäin hyvä, siihen aikaan oli monia rajoituksia. Joten Bell Labs hylkäsi sen vain heidän ideakseen.
Eurooppa ja Yhdysvallat kehittävät autopuhelinta
1950-luvulla yhä useammat maat alkoivat rakentaa autopuhelinverkkoja. Esimerkiksi vuonna 1952 Länsi-Saksa lanseerasi A-Netzin. Vuonna 1961 Neuvostoliiton insinööri Leonid Kupriyanovych keksi myös LK-1-matkapuhelimen, joka asennettiin myös autoon. Myöhemmin Neuvostoliitossa otettiin käyttöön "Altai"-autopuhelinjärjestelmä, joka kattoi yli 30 maan kaupunkia.
Vuonna 1969 Yhdysvallat esitteli parannetun MTS-autopuhelinjärjestelmän nimeltä IMTS (Parannettu MTS). IMTS tukee kaksisuuntaista tilaa, automaattista valintaa ja automaattista kanavahakua ja voi tarjota 11 kanavaa (myöhemmin 12). Tämä on laadullinen harppaus verrattuna MTS:ään.
Vuonna 1971 Suomi lanseerasi yleisen matkaviestinverkon ARP (Auto Radio Puhelin – Puhelin tarkoittaa suomeksi puhelinta). Tämä laite toimii 150 MHz:n taajuudella, mutta kytketään edelleen manuaalisesti ja sitä käytetään ensisijaisesti autopuhelinpalveluun.
Olipa kyseessä Altai, IMTS tai ARP, sitä kutsuttiin myöhemmin "0G" tai "Pre-1G" (ennen 1G) matkaviestintäteknologiaksi. Katsotaan nyt, mitä tietoliikenneteollisuudella on tarjottavanaan 1G-aikakaudella.
1G:n aikakausi tietoliikenneteollisuudessa
Puolijohdeteknologioiden kehitys tarjosi lisää mahdollisuuksia tietoliikenneteollisuuden kehitykselle. Tämä tapahtui vasta 70-luvulla. Vuonna 1973 Motorolan insinöörit Martin Cooper ja John F. Mitchell muuttivat historiaa lopullisesti. He keksivät maailman ensimmäisen todella matkapuhelimen (taskuhenkilökohtainen matkapuhelin).
Puhelimen nimeksi tuli DynaTAC (Dynamic Adaptive Total Area Coverage). Se on 22 cm pitkä, painaa 1,28 kg, puhuu 20 minuuttia ja on varustettu valtavalla antennilla.
Vuonna 1974 Yhdysvaltain liittovaltion viestintäkomissio (FCC) hyväksyi osan radiotaajuusspektristä käytettäväksi matkapuhelinverkkojen testaamiseen. Kokeilu viivästyi kuitenkin vuoteen 1977, ennen kuin se alkoi virallisesti. Tuolloin kokeiluun osallistui kaksi kilpailijaa - AT & T ja Motorola.
Yhdysvaltain kongressi vuonna 1964 "evästi" AT & T:ltä mahdollisuuden satelliittiviestinnän kaupalliseen käyttöön. Epätoivoissaan he perustivat Bell Labsiin mobiiliviestintäosaston etsimään uusia mahdollisuuksia.
1G:n kehitys on hidasta, mutta vakaata
Vuosina 1964-1974 Bell Labs kehitti analogisen järjestelmän nimeltä HCMTS (High-Volume Mobile Telephone System). Järjestelmän signaali- ja puhekanavat käyttävät FM-modulaatiota kaistanleveydellä 30 kHz ja siirtonopeudella 10 kbit/s.
Koska langattomien matkaviestinstandardien organisaatiota ei tuolloin ollut, AT&T loi oman standardin HCMTS:lle. Electronics Industry Association (EIA) nimesi tämän järjestelmän myöhemmin Interim Standard 3:ksi (IS-3).
Vuonna 1976 HCMTS muutti nimensä AMPS:ksi (Advanced Mobile Phone Service). AT & T käytti AMPS-tekniikkaa FCC-testien suorittamiseen Chicagossa ja Newarkissa.
Katsotaanpa uudestaan Motorolaa. Motorola kehitti ensin RCC-teknologian (Radio Common Carrier) ja ansaitsi paljon rahaa. Siksi he vastustivat voimakkaasti sitä, että FCC antaisi taajuudet matkapuhelinviestinnälle, jotta se ei vaikuttaisi heidän RCC-markkinoihinsa. Mutta samaan aikaan he kehittivät epätoivoisesti matkapuhelinteknologiaa ja tekivät teknisiä varauksia. Näin DynaTAC syntyi.
Kun FCC julkaisi spektrin, Motorola suoritti DynaTAC-pohjaisia kokeita Washingtonissa. Kun he vielä hitaasti kokeilivat, muut maat olivat jo ottaneet johtoaseman.
Ensimmäinen kaupallinen 1G-verkko Japanissa
Vuonna 1979 Nippon Telegraph and Telephone (NTT) lanseerasi maailman ensimmäisen kaupallisen automatisoidun matkapuhelinjärjestelmän Tokion metropolialueella. Tämä järjestelmä tunnustettiin myöhemmin maailman ensimmäiseksi kaupalliseksi 1G-verkoksi.
Järjestelmässä oli tuolloin 88 tukiasemaa, jotka tukivat täysin automaattista puhelujen vaihtoa eri solukkosolmujen välillä ilman manuaalista puuttumista. Järjestelmä käyttää FDMA-tekniikkaa, kanavan kaistanleveys on 25 kHz, se on 800 MHz taajuusalueella ja duplex-kanavien kokonaismäärä on 600.
1G Euroopassa
Kaksi vuotta myöhemmin, vuonna 1981, Pohjois-Euroopan maat, Norja ja Ruotsi loivat ensimmäisen 1G-matkaviestinverkon Euroopassa - NMT (Nordic Mobile Telephones). Tanska ja Suomi liittyivät niihin pian. NMT:stä tuli maailman ensimmäinen matkaviestinverkko, jossa on mahdollisuus kansainväliseen verkkovierailuun.
Myöhemmin NMT otettiin käyttöön Saudi-Arabiassa, Neuvostoliitossa ja joissakin muissa Baltian ja Aasian maissa.
Motorola julkaisi maailman ensimmäisen kaupallisen 1G-matkapuhelimen
Syyskuussa 1983 Motorola julkaisi maailman ensimmäisen kaupallisen matkapuhelimen, DynaTAC 8000X:n.
DynaCT 8000XTämä laite painaa 1 kg ja voi puhua yhtäjaksoisesti 30 minuuttia. Täysi lataus kestää 10 tuntia, mutta hinta on 3995 XNUMX dollaria.
1G Etelä- ja Pohjois-Amerikassa
Vuonna 1983 Yhdysvallat muisti vihdoin rakentaa oman kaupallisen 1G-verkkonsa. Americitech Mobile Communications lanseerasi 13. lokakuuta 1983 ensimmäisen AMPS-teknologiaan perustuvan 1G-verkon Yhdysvalloissa.
Tässä verkossa voidaan käyttää sekä autopuhelinta että DynaTAC 8000X:ää. FCC on varannut AMPS:lle 40 MHz kaistanleveyttä 800 MHz:n taajuusalueella. Tällä kaistanleveydellä AMPS tukee 666 duplex-kanavaa, ja yhden ylä- tai alavirran kanavan kaistanleveys on 30 kHz. Myöhemmin FCC varasi 10 MHz lisää kaistanleveyttä. Siten kaksisuuntaisten AMPS-kanavien kokonaismäärästä tulee 832.
Ensimmäisenä kaupallisena käyttövuotena Americitech myi noin 1 200 DynaTAC 8000X -matkapuhelinta ja tavoitti 200 000 käyttäjää. Viiden vuoden kuluttua käyttäjien määrä nousi 2 miljoonaan.
Nopeasti kasvava käyttäjämäärä ylittää huomattavasti AMPS-verkon kapasiteetin. Myöhemmin lisätäkseen kapasiteettia Motorola esitteli AMPS-tekniikasta kapeakaistaisen version, NAMPS:n. Se jakaa nykyisen 30 kHz:n puhekanavan kolmeen 10 kHz:n kanavaan (kanavien kokonaismääräksi tulee 2496) taajuuksien säästämiseksi ja kapasiteetin lisäämiseksi.
Iso-Britannia liittyy 1G:hen
NMT:n ja AMPS:n lisäksi toinen laajalti käytetty 1G-standardi on TACS (Total Access Communication Systems), joka julkaistiin ensimmäisen kerran Isossa-Britanniassa.
Helmikuussa 1983 Britannian hallitus ilmoitti, että kaksi yritystä, BT (British Telecom) ja Racal Millicom (Vodafonen edeltäjä), rakentaisivat AMPS-tekniikkaan perustuvia TACS-matkaviestinverkkoja.
1. tammikuuta 1985 Vodafone julkisti virallisesti TACS-palvelun (Ericssonilta ostettu laite). Tuolloin oli vain 10 tukiasemaa, jotka kattoivat koko Lontoon alueen.
Yksikanavainen TACS-kaistanleveys on 25 kHz, uplink käyttää 890-905 MHz, downlink 935-950 MHz, yhteensä 600 kanavaa käytetään puhe- ja ohjaussignaalien siirtoon.
TACS-järjestelmän on ensisijaisesti kehittänyt Motorola, ja se on itse asiassa AMPS-järjestelmän modifioitu versio. Taajuuskaistaa, kanavaväliä, taajuuden siirtoa ja signaalin lähetysnopeutta lukuun ottamatta ne ovat täysin identtisiä.
Verrattuna Pohjois-Euroopan NMT:hen TACS:n toimintaominaisuudet poikkeavat merkittävästi. NMT soveltuu pohjoisten maiden (Skandinavia) harvaan asutuille maaseutualueille. Se käyttää 450 MHz:n taajuutta (muutettiin myöhemmin 800 MHz:ksi) ja sillä on suurempi solualue.
TACS:n etuna on kaistanleveys, ei peittoetäisyys. TACS-järjestelmässä on alhainen lähetinteho ja se soveltuu maihin, joissa on suuri väestötiheys ja suurille kaupunkialueille, kuten Iso-Britannia.
Käyttäjien määrän kasvaessa TACS lisäsi myöhemmin useita taajuuskaistoja (10 MHz) ja siitä tuli ETACS (Extended TACS). Japanin NTT kehitti JTACS:n TACS:in pohjalta.
Kiina liittyy 1G-kehitykseen
On syytä huomata, että ensimmäinen Kiinan Guangzhoussa vuonna 1987 rakentama mobiilitukiasema käytti TACS-tekniikkaa, ja Motorola oli yhteistyökumppani.
AMPS:n, TACS:n ja NMT:n lisäksi 1G-teknologiaan kuuluvat myös C-Netz Saksassa, Radiocom 2000 Ranskassa ja RTMI Italiassa. Nämä menestyneet tekniikat aloittivat matkaviestinnän aikakauden. Itse asiassa tietoliikenneteollisuudessa ei ollut sellaista nimeä kuin 1G, kun sitä käytettiin. Vasta 2G-tekniikan tulon jälkeen niitä kutsuttiin 1G:ksi erottamaan ne.
2G:n aikakausi tietoliikenneteollisuudessa
Vuonna 1982 Euroopan posti- ja televiestintäkomissio perusti "matkaviestinnän asiantuntijaryhmän", joka vastaa viestintästandardien tutkimuksesta.
Tämä "mobiiliasiantuntijaryhmä", ranskankielinen lyhenne on GroupeSpécialMobile, myöhemmin tämän lyhenteen merkitys muutettiin nimellä "Global System of Mobile Communication". Tämä on se, mitä me kaikki nyt tunnemme GSM:nä.
GSM:n luomisen tarkoituksena on luoda uusi yleiseurooppalainen standardi ja kehittää yleiseurooppalainen maamatkaviestinjärjestelmä. Ne asettavat vaatimuksia taajuuksien tehokkaalle käytölle, edullisille järjestelmille, kannettaville päätelaitteille ja maailmanlaajuiselle verkkovierailulle.
Seuraavina vuosina ETSI (European Telecommunications Standardization Organisation) pystyi saattamaan päätökseen GSM 900 MHz ja 1800 MHz (DCS) eritelmien kehittämisen.
Vuonna 1991 suomalainen Radiolinja (nyt osa ELISA Oyj:tä) lanseerasi maailman ensimmäisen GSM-standardiin perustuvan 2G-verkon.
Kuten me kaikki tiedämme, 2G käyttää digitaalitekniikkaa korvaamaan 1G:n analogisen tekniikan. Tämä parantaa merkittävästi viestinnän laatua ja järjestelmän vakautta. Se tekee siitä myös turvallisemman, luotettavamman ja vähentää laitteen energiankulutusta.
GSM:n lisäksi toinen laajalti tunnettu 2G-standardi on Qualcommin lanseeraama CDMA. Tarkemmin sanottuna se on IS-95 tai cdmaOne. IS-95:stä on kaksi versiota: IS-95A ja IS-95B. Edellinen voi tukea jopa 14,4 kbps:n huippunopeuksia ja jälkimmäinen jopa 115 kbps.
IS-95:n lisäksi Yhdysvallat tuotti myös IS-54:n (Pohjois-Amerikka, digitaalinen TDMA-solukko) ja IS-136:n (1996). Itse asiassa 2G ei ole vain GSM ja CDMA. Association of Cellular Manufacturers on kehittänyt AMPS-teknologiaan perustuvan digitaalisen version nimeltään D-AMPS (Digit-AMPS). Se on itse asiassa 2G-standardi. Toinen 2G-standardi on PDC (Personal Digital Cellular) Japanista.
2.5G:n aikakausi
20-luvun lopulla, kun Internet kasvoi räjähdysmäisesti, ihmiset vaativat paljon mobiili-internet-yhteyksiä. Siten GPRS (General Packet Radio Service, General Packet Radio Service) käynnistyi.
Voimme pitää GPRS:ää GSM:n "liitännänä". GPRS:n avulla verkko voi tarjota tiedonsiirtonopeuden jopa 114 Kbps.
Ensimmäinen lause GPRS:stä tehtiin vuonna 1993. Kesti kuitenkin vielä neljä vuotta, ennen kuin sopimuksen ensimmäinen vaihe toteutui vuonna 1997. Tämä on luultavasti käännekohta matkapuhelinviestinnän ja tietoliikenneteollisuuden historiassa. Tiedonsiirtopalveluista tuli tuolloin matkaviestinnän kehittämisen pääsuunta.
Era 2.75G
GPRS-teknologian lanseerauksen jälkeen viestintäoperaattorit kehittivät myös nopeampaa tekniikkaa. Tämä tekniikka on parannettu tiedonsiirtonopeus GSM (EDGE) -kehitykseen. Tietenkin me kaikki tiedämme tai olemme kuulleet EDGE:stä jossain vaiheessa elämäämme.
EDGE:n suurin ominaisuus on, että se pystyy tarjoamaan kaksinkertaisen tiedonsiirtonopeuden kuin GPRS ilman laitteiston vaihtamista. AT&T otti käyttöön maailman ensimmäisen EDGE-verkon vuonna 2003 omaan GSM-verkkoonsa.
3G:n aikakausi tietoliikenneteollisuudessa
Vuonna 1996 Eurooppaan perustettiin UMTS (Universal Mobile Communications System) -foorumi, joka keskittyi koordinoimaan eurooppalaisten 3G-standardien alan tutkimusta. Nokian, Ericssonin ja Alcatelin edustama eurooppalainen leiri on selvästi tietoinen CDMA:n eduista. Siten he kehittivät W-CDMA-järjestelmän samanlaisilla periaatteilla.
Sitä kutsutaan W-CDMA:ksi (Wide-CDMA), koska sen kanavan kaistanleveys on 5 MHz, mikä on leveämpi kuin CDMA1,25:n 2000 MHz.
Monet ihmiset eivät ymmärrä UMTS:n ja WCDMA:n välistä suhdetta. Itse asiassa UMTS on yleistermi 3G:lle Euroopassa. WCDMA on UMTS:n toteutus ja kuuluu yleensä langattomaan liitäntäosaan. TD-SCDMA, josta puhumme myöhemmin, kuuluu myös UMTS:ään.
Voidakseen kilpailla Yhdysvaltojen kanssa Euroopan ETSI perusti myös yhdessä 3GPP:n (XNUMXrd Generation Partnership Project) Japanin, Kiinan jne. kanssa tehdäkseen yhteistyötä maailmanlaajuisten XNUMXG-matkaviestinstandardien kehittämisessä.
Sen sijaan Pohjois-Amerikan leirissä mielipiteet eroavat.
Kova kilpailu 3G:n kanssa
Lucentin ja Nortelin edustamat yritykset tukevat WCDMA:ta ja 3GPP:tä. Qualcommin kaltaiset yritykset kuitenkin muodostivat 3GPP2-organisaation Etelä-Korean kanssa kilpaillakseen 3GPP:n kanssa. He esittelivät standardin CDMA2000, joka perustuu CDMA 1X (IS-95) -standardiin.
Vaikka CDMA2000 on 3G-standardi, alkuperäinen huippunopeus ei ole suuri, vain 153 kbps. Myöhemmin, kun siirryttiin EVDO:han (EVolution Data Optimized), tiedonsiirtonopeus parani merkittävästi. Se tarjosi huippulatausnopeuden 14,7 Mbps ja maksimilähetysnopeuden 5,4 Mbps.
Tänä aikana Kiina käynnisti myös oman 3G-standardissa toimivan ehdokasohjelman (tunnetaan myös nimellä TD-SCDMA) osallistuakseen yhdessä kansainväliseen kilpailuun.
Kovan kilpailun ja pelien jälkeen International Telecommunication Union (ITU) on vihdoin vahvistanut kolme maailmanlaajuista 3G-standardia, nimittäin WCDMA Euroopassa, CDMA2000 Yhdysvalloissa ja TD-SCDMA Kiinassa.
3G:n kaupallistamisen edistymisessä Japanin NTT on jälleen edelläkävijä.
NTT Docomo avasi 1. lokakuuta 1998 Japanissa maailman ensimmäisen kaupallisen 3G-verkon (WCDMA-pohjainen).
3.75G aikakausi televiestintäteollisuudessa
UMTS:iin perustuen ETSI ja 3GPP ovat kehittäneet HSPA:n (high-speed Packet Access), HSPA+:n, kaksikanavaisen HSPA+:n ja HSPA+ Evolutionin. Näiden verkkoteknologioiden nopeus ylittää selvästi perinteisen 3G:n nopeuden, sitä kutsutaan yleisesti 3,75G:ksi.
Tämä johtuu siitä, että HSPA+:n nopeus on niin nopea, että se päihittää jopa varhaisen LTE:n ja WiMAXin. Siksi jotkin operaattorit (esimerkiksi T-Mobile Yhdysvalloissa) eivät tuolloin alkaneet heti rakentaa LTE:tä. He kuitenkin päivittivät nykyisen HSPA-verkon HSPA+:ksi. Kiina teki sitten samoin.
4G tietoliikennealalla
Vuonna 1999 IEEE Standards Committee perusti työryhmän kehittämään standardeja langattomille kaupunkiverkoille. Vuonna 2001 IEEE 802.16:n ensimmäinen versio julkaistiin virallisesti, joka muutettiin myöhemmin IEEE 802.16m:ksi. IEEE 802.16 tunnetaan myöhemmin yleisesti nimellä WiMAX (Worldwide Connection for Microwave Access).
WiMAX esitteli kehittyneitä teknologioita, kuten MIMO (moniantenni) ja OFDM (ortogonaalinen taajuusjakoinen multipleksointi). Latausnopeus on paljon suurempi, ja tämä aiheuttaa paljon painetta 3GPP:lle.
Joten UMTS:ään perustuen 3GPP laajentaa LTE:n (MIMO ja OFDM) käyttöönottoa kilpaillakseen WiMAXin kanssa. Myöhemmin se jatkoi kehittymistä LTE-Advancediksi (2009), ja nopeutta nostettiin useita kertoja.
Vuonna 2008 Kansainvälinen televiestintäliitto ITU julkaisi vaatimukset, jotka 4G-standardin tulee täyttää, ja kutsui sitä IMT-Advancediksi. Vain Kiinan teollisuus- ja tietotekniikkaministeriön käyttöön ottamat 3GPP LTE-Advanced, IEEE 802.16m ja TD-LTE-Advanced ovat todella päteviä. Toisin sanoen nämä ovat todellisia 4G-standardeja.
14. joulukuuta 2009 avattiin maailman ensimmäinen julkinen LTE-palveluverkko Tukholmassa ja Oslossa. Verkkolaitteet toimittaa Ericsson ja Huawei ja päätelaitteen Samsung.
Kovan teollisuussodan jälkeen LTE voitti lopulta WiMAXin ja sai maailmanlaajuista tukea ja tunnustusta. WiMAX menetti nopeasti virtansa ja rikkoutui kylmässä.
Era 5G
Meidän ei tarvitse puhua 5G:n kehityksestä, eihän? Jokainen meistä on uuden historian todistaja. Olemme kaikki todistamassa, kuinka Third Generation Partnership Project (3GPP) käynnisti 5G:n (IMT-2020) hallitsemaan maailmaa.
Aika lentää, aika lentää. Lähes vuosisadan kehitystyön jälkeen mobiiliverkot ovat kasvaneet tyhjästä heikoista vahvoiksi. Hän sai historian pyörän liikkeelle ja vauhditti yhteiskunnallista muutosta.
Mihin matkaviestinnän tulevaisuus menee? Odotetaan ja katsotaan!
