Зачем мир усложнял телеком: история развития связи от проводов до 1G

Дисклеймер: статья не претендует на роль исчерпывающего исторического исследования телекома. События, факты и технические примеры — мой субъективный выбор, я сознательно старался выделить те инженерные решения, которые помогают сформировать общее представление о том, как развивалась радиосвязь. Я также намеренно не рассматривал развитие связи в странах Азии. Чтобы глубже погрузиться в историю телекома, в конце статьи оставил список литературы.

Рассмотрение темы начинается с XX века, поскольку в этот период телеком перестал быть экспериментом отдельных изобретателей и начал превращаться в часть повседневной жизни. В начале XX века услуги связи в основном были проводными: телеграф, телефон. Локомотивом второго была компания AT&T, которая к концу 30-ых подключила уже около 19 миллионов терминалов в США. В остальном мире цифры были гораздо скромнее, в том числе из-за войны и разрушенной инфраструктуры: в СССР — 800 тысяч терминалов, а в Европе — около 3 миллионов.

Радиосвязь существовала, но была дорогостоящим и полуполевым экспериментом. Инженеры понимали ее значимость и важность, но не существовало сети передатчиков, массового производства технологий и интеграции с телефонной сетью.

Однако жители отдаленных районов не могли рассчитывать на провод. Сложно себе представить кабель в арктических торосах. В 1913 году в Архангельске появилась первая станция радиосвязи. В 1920 годы радио разворачивается в полноценную инфраструктуру: начинают использовать короткие волны. Радиопередатчик излучает электромагнитные колебания, которые распространяются в пространстве и принимаются антенной приемника, где превращаются в звук или телеграфный сигнал. Особенность коротких волн в том, что они взаимодействуют с ионосферой — слоем заряженных частиц высоко в атмосфере: попадая туда, волны отражаются от ионосферных слоев и возвращаются обратно к поверхности Земли.

В 1934 году для обслуживания Северного морского пути из отдельных станций, работавших по принципу «каждая с каждым» и не справлявшихся с нагрузкой, организовали систему по узловому принципу. Сформировали радиостанции третьего разряда — небольшие станции, работавшие на ограниченном расстоянии и обслуживавшие отдельные пункты экспедиции. Они группировались и прикреплялись к станциям второго разряда. Последние прикреплялись к мощным радиоузлам, способным передавать информацию на тысячи километров. Такие радиоузлы стояли в Москве, Якутске, Владивостоке. Именно эта система и помогла спасти экспедицию челюскинцев.

С льдины телеграфировали с коротковолновой станция КУБ-4, произведенной в Ленинграде. Радист парохода Эрнест Кренкель вместе с этой станцией участвовал в экспедиции «Северный полюс» 1937 года. Он пообещал свой личный приемник радиолюбителю, который первый установит с ним связь. На фотографии ниже Кренкель вручает приемник КУБ-4 В. С. Салтыкову в качестве приза в 1938 году.

Коротковолновая радиостанция КУБ-4 на дрейфующей станции «Северный полюс» в 1937 году.

Эксперименты с радиосвязью продолжились и дальше. В Детройте ставили станции-приемники на полицейские машины. Но оборудование было ненадежным, передатчик был зарегистрирован как радиостанция. Поэтому в 1922 году можно было посреди развлекательной программы услышать полицейскую сводку, а полицейская волна за шесть лет переезжала восемь раз. Передавать сообщения из автомобиля было невозможно, поэтому полицейским пришлось искать ближайший стационарный телефон. В 1928 году программу закрыли, однако ненадолго — спустя год восстановили, оснастив новыми приемниками. Опыт оказался успешным: вскоре к нему присоединились полицейские Кливленда, Индианаполиса и других городов США.

Радио с двусторонней связью (two-way radio) начало появляться в начале 40-ых. Здесь появляется два важных новшества:

1. Частотная модуляция (frequency modulation, FM) на приемнике. Разработчики системы осознали, что амплитуды принимаемых радиосигналов быстро меняются в движущемся приемнике. Это ухудшает прием АМ-сигнала, но практически не влияет на FM-сигнал.
2. Разделение приема и передачи по частоте. Чтобы послать сигнал в патрульную машину использовали 39.4 МГц, а чтобы послать обратно — 39.18 МГц.

В годы Великой депрессии — крупного экономического спада в США — Galvin Manufacturing Company переключается с выпуска бытовой радиоэлектроники на радио в машины. Так появляется линейка Motorola.

Элмер Вэйверинг писал: «Если бы кто-то купил новую машину и решил установить в нее радиоприемник, он был бы по-настоящему шокирован. Люди бы увидели, как мы сдираем новую обивку, сверлим отверстия в полу для наших батарей и сооружаем сложную электрическую систему сетью проводов». Тем не менее это был коммерческий успех, и в 1947 году имя продукта стало названием компании.

Во время Второй мировой войны потребность в одновременной связи между большим числом участников возросла. В то же время расширение гражданских сетей затормозилось — приоритет отдали фронту.

Предыдущая война уже показала необходимость радиосвязи между подвижными соединениями. Операции блицкрига продемонстрировали это особенно наглядно: быстрые прорывы и движение крупной бронетанковой техники сделали проводную связь на линии соприкосновения практически бесполезной. Тем не менее использовать эту связь везде тоже было нельзя из-за недостаточной защищенности и надежности.

Поэтому для обеспечения связи между ставками командования во время Второй мировой войны использовали защищенные прямые линии связи, которые шли в обход общей коммутации. Для самой связи применялись коаксиальные многожильные кабели. Например, в США разработали кабель L1, который имел 600 каналов тональной частоты (600 одновременно говорящих пар). Он зарывался на глубине примерно полутора метров для сохранности и поддержания температуры на уровне ~10 градусов по Цельсию.

Для связи с подразделениями разрабатывались станции, передающие в коротковолновом диапазоне, например РАФ-КВ, которая могла передавать сообщения на расстоянии до 1 000 км.

Появились и переносные станции. Они использовались для передачи информации на расстояние 1−3 км.

В США особенно популярной стало изделие уже упомянутой Galvin Manufacturing Company — переносные рации SCR-300. У нее были конкуренты, но именно эта модель оказалась в армии и получила неформальное название Walkie-talkie. Оборудование умещалось в рюкзаке и весило 16 кг.

Защита от прослушки осуществлялась несколькими способами. Сигнал в коаксиальном кабеле шел внутрь изолированных жил и не фонил наружу, поэтому просто подслушать уже было нельзя. Но от перехвата сигнала при подключении это не защищало, поэтому применялись методы шифрования.

В начале войны применялся метод А-3, который невозможно сломать без ключа. Но сам ключ равен размеру сообщения, и его можно было добыть, что и сделала немецкая разведка. В 1943 году на смену пришла система SIGSALY от уже известной нам AT&T. 55-тонное оборудование с необходимостью синхронизировать десятки источников питания, время внутри машин для передачи и многое другое. С помощью него удалось провести около трех тысяч сверхсекретных переговоров.

Для обслуживания системы была создана специальная 805 рота из 356 человек. Один терминал стоил порядка миллиона долларов, а после войны систему утилизировали.

Кроме того, обострилась проблема распределения радиоспектра — пригодная для передачи полоса была физически ограничена. В первой половине ХХ века активно использовались диапазоны от десятков килогерц до нескольких гигагерц, но основная нагрузка приходилась на диапазон 4−27 МГц (HF), критически важный для дальней связи.

По мере роста числа радиостанций (особенно в армии и авиации), начались массовые взаимные помехи. Распределение частот происходило на уровне военных ведомств внутри стран или в рамках коалиций союзников, без учета международных норм. Международный союз электросвязи (ITU, International Telecommunication Union) к тому моменту уже существовал, но принятые им регламенты опирались на ограниченное понимание спектра и технических пределов, а в условиях войны попросту игнорировались.

В послевоенный период мир становится быстрей, сложней: увеличилось количество банковских транзакций, ужесточились требования к логистике, увеличилась мобильность людей и урбанизация. Все это сильно зависит от связи. Поэтому в США, Европе и СССР — при всех различиях их политических и экономических систем — связь продолжает играть сходную системообразующую роль.

Проводная связь стала инфраструктурной основой этого периода, так как фактически гражданской радиосвязи до 1946 года не существовало. И вплоть до 1970-ых годов ХХ века эти две технологии развиваются параллельно практически не пересекаясь.

После внедрения телефонной связи и телеграфа (впоследствии телексных сетей) финансовые операции ускорились. Уже в начале 1950-х Федеральная резервная система США модернизировала свою систему телеграфных переводов Fedwire. Телеграфные и телефонные сети стали основой системы крупных платежей: средняя сумма одного банковского wire-перевода в 1953 году достигала $ 500 тысяч.

Телексные сети представляли собой глобальные системы обмена текстовыми сообщениями между организациями по выделенным каналам. Каждому участнику присваивался уникальный номер, а сами сообщения набирались на клавиатурах телетайпов и передавались по стандартизированному протоколу. Это был прообраз электронной корпоративной почты.

С конца 1960-х крупнейшие банки в США и Европе начали создавать частные электронные сети для международных расчетов. Растущий объем трансграничных переводов потребовал унификации протоколов — так появился SWIFT, напрямую выросший из телексной архитектуры, но уже с уклоном в стандартизацию, безопасность и масштабируемость.

В середине XX века потребность связи между двумя материками привела к прокладке трансатлантических кабелей. В 1956 году появляется трансатлантический телефонный кабель для передачи голоса ТАТ-1, проложенный между Обаном (Шотландия) и Кларенвиллем (Ньюфаунленд). Он содержал 36 независимых каналов передачи речи. Чуть позже, в 1959 году, прокладывают ТАТ-2, где число каналов увеличили до 87. О том, какие сложности возникали при прокладке кабелей и какие технологии использовались, можно почитать здесь.

Телефон проникает и в дома простых людей, но распространяется неравномерно. В США уже к 1960 году было ~70 миллионов телефонов, а американцы совершали около 270 миллионов звонков ежедневно.

В Европе и СССР приоритетом было восстановление разрушенного в войну. Для сравнения, если к 1960-му в США телефон был у 80% семей, то в ФРГ лишь у 14%, а в СССР — ~2,8%. При недостатке ресурсов приоритеты отдавались тяжелой индустрии, энергетике, где связь строилась быстрей.

При таком количестве абонентов задача «найди нужного» становится нетривиальной. Для соединения двух телефонов инженеры использовали автоматизированные телефонные станции (АТС). Они хоть и начали появляться в начале века, но прошли серию эволюций: от электромеханических до компьютеризованных.

Станция выше — это 1ESS (numer one electronic switching system) от AT&T, проектировалась на обслуживание 37−80 тысяч звонков в час пик, в зависимости от установленного железа. Работала на процессоре с тактовой частотой 200 кГц и меньше 1 МБ ОЗУ.

С появлением связи между странами возникла и необходимость отличать системы. Поэтому в 1960-х происходит разработка системы телефонных кодов стран. ITU в 1964 году выпускает «Красную книгу», где мир был поделен на девять зон. Странам выдавался код, состоящий из одной-трех цифр, где первая цифра — номер глобальной зоны. Советскому Союзу выдали отдельный номер +7, который сейчас сохранился за Россией и Казахстаном. Следующие цифры уже определились внутри каждой страны по-своему. Например, 9ХХ в России выделили под мобильную связь.

Координация поставок между заводами, складами и перевозчиками с внедрением телефонов резко улучшилась: фабрики могли мгновенно сообщать поставщику о нехватке сырья или готовности отгрузки, тем самым минимизируя время простоя конвейеров. На железных дорогах внедрялась диспетчерская телефонная связь, что позволяло оперативно управлять движением поездов и грузов, сокращая простои вагонов.

Автотранспортные фирмы оборудовали диспетчерские пункты телефонной (позже и радиотелефонной) связью с водителями грузовиков. Большие корпорации мыслили частными выделенными линиями («private lines»). За 1959 год доходы Bell System от услуги выделенных линий выросли на 23% — бизнес массово использовал прямые телекоммуникационные каналы между подразделениями для синхронизации производства и логистики.

Например, вместо корпораций в послевоенные годы огромная территория СССР покрывалась сетью ведомственной связи. Помимо сети общего пользования, существовали отраслевые сети: у министерства путей сообщения была своя железнодорожная связь, у энергетиков — диспетчерская сеть и т. д.

В сельском хозяйстве — колхозах и совхозах — появились телефоны для связи с районными центрами и внутрихозяйственные линии: к 1974 году уже 99,95% колхозов и 99,9% совхозов имели хотя бы один телефонный аппарат. Для сравнения, в 1940 году телефонизировано было лишь 9,2% колхозов. Внутренняя (цеховая) телефонная сеть была у 69,8% колхозов и 82,2% совхозов.

В отличие от банков и социума проводная связь лишь отчасти могла обеспечить требования мобильных перемещений. Поэтому в гражданский сектор приходят радиочастоты.

В 1946 году FCC (Федеральная комиссия по связи, Federal Communications Commission) выделила шесть каналов частной компании, и это можно считать точкой отсчета истории именно гражданских мобильных телефонов. В Сент-Луисе AT&T запускает первую станцию, которую можно было установить в машину, — car-phone. Оборудование стоило $ 2 000, что можно сравнить со стоимостью самой машины.

Большие размеры в этом случае не гарантировали надежность. Первое оборудование сильно страдало от помех, одновременно абоненты могли общаться только по трем каналам на одной «вышке». В 1955 году количество одновременных соединений удалось увеличить до 32! Сегодня же одна 4G-вышка может обработать 10−15 тысяч активных подключений в зависимости от конфигурации.

Мобильность тоже была спорная. Центральная станция могла общаться с «телефоном» в радиусе 40 километров. За пределами этой зоны сигнал не позволял передавать информацию, но оставался достаточно сильным, чтобы создавать помехи другим. Поэтому между вышками было минимум 100 километров. Для сравнения, в 4G, который развернут в России, на 1 квадратный километр может быть сто тысяч подключенных устройств.

Дозвониться было непросто — нужен был человек-оператор. АТС сюда не докатились, как и связь с большой «проводной системой». Но, несмотря на это, к 1964 году уже было 1.5 миллиона «мобильных» пользователей.

В СССР развитие автомобильной радиотелефонии началось приблизительно через десять лет после создания первых западных систем. Вдохновившись поездкой в Японию, где демонстрировали автомобильный телефон, советские руководители поставили задачу создать систему более высокого уровня автоматизации.

Так в 1958 году стартовала работа над системой «Алтай», а уже к 1970 году она действовала примерно в тридцати городах страны. Главное отличие этой системы связи — она работала без участия оператора при соединении и с прямым выходом в городскую телефонную сеть.

Система включала центральную базовую станцию и мобильные терминалы, устанавливаемые в автомобилях. Инженеры организовали связь по принципу частотного разделения: прием велся в диапазоне 150,05−150,9 МГц, передача — 174,05−174,9 МГц. Каждый разговор занимал отдельную пару частот.

Базовый радиокомплекс формировали как высокочастотный «ствол» из восьми равнодоступных радиоканалов — то есть до восьми одновременных разговоров на один комплект оборудования. По расчетам теории трафика, такой ствол в час наибольшей нагрузки обеспечивал около 175 разговоров средней длительностью до двух минут. Чтобы увеличить емкость комплекса устанавливали дополнительные стволы.

Ниже в галерее — как выглядели пульт системы «Алтай» в кабине «Волги» и приемопередатчик с блоком питания в багажнике.

Несмотря на разную культуру и историю, законы физики и потребности экономики оказались схожими: и СССР, и Европа, и США решают похожие задачи и приходят к похожим решениям.

К 1970 году мир подошел к той черте, когда по отдельности части современного мобильного телефона уже были: значительное количество абонентов в проводной сети, компьютеризированные АТС и мобильные радиоустройства для связи. Но еще существовало разделение рынков: телефонные и радиокомпании не хотели соперничать друг с другом. Одни не хотели тратить много денег на дорогое радиооборудование, вторые видели свою стратегию в радиоприемниках — больше слушателей, больше денег.

Но бизнес уже оценил перспективность рынка благодаря car-phone. Скоро на сцену выйдет IMTS, AMPS — первое поколение сетей (то самое 1G), но это уже совсем другая история, о которой я напишу в следующей части.

• Телеграфная связь XVIII века: 230 километров за 9 минут, служебные пакеты и станции оптической ретрансляции.
• Связь в Арктике: история развития радиосвязи в Советском Севере — часть 1, часть 2.
• Как одна компания построила крупнейшую телефонную сеть США (спойлер: в ней работал Страуструп — отец C++).
• The Cellphone: The History and Technology of the Gadget That Changed the World — книга Гая Клеменса о том, как кусочки телеком-пазла сложились в мобильный телефон.
• Radio Spectrum Conservation (IRE Proceedings, 1944) — доклад Дональда Финка о распределении и загрузке радиоспектра в военные годы.
• Атлантические кабели: множество историй и схем подводных телекоммуникационных трасс.
• История walkie-talkie от Motorola: от армии до современных систем связи.
• Методы шифрования голосовой связи: просто и с примерами, включая аудиофрагменты.
• Мобильная телефонная система «Алтай» В. М. Кузьмин: историе разработки, испытаний отечественной системы