تلفن های همراه چگونه کار می کنند؟

فناوری های انقلابی بسیاری در قرن بیستم، زندگی انسان ها را متحول کردند: هواپیما، رادیو، تلویزیون، فناوری هسته ای، ماهواره ها، موتورهای جت، کامپیوتر و اینترنت باعث تبدیل جهان امروزی به چیزی بسیار متفاوت از یک قرن پیش شده اند. با این حال هیچکدام از این فناوری های سرنوشت ساز به اندازه اختراع ارتباطات سیار یا همان تلفن های همراه همه ابعاد زندگی و کار ما را تحت تاثیر قرار نداده اند.

تلفن های همراه که حدود 40 سال پیش اختراع شدند، امروزه حدود 8 میلیارد مشترک دارند و به عنوان اصلی ترین راه ارتباطی و مهم ترین ابزار دسترسی به اطلاعات برای بخش اعظم جمعیت کره زمین شناخته می شوند. ولی آیا تا حالا از خودتان پرسیده اید میلیاردها تماس روزانه و هزاران ترابایت تبادل داده بین گوشی های همراه چگونه انجام می شود؟ تماس با یک دستگاه در حال حرکت چطور برقرار می شود و چگونه می توان بدون هیچ اتصال فیزیکی همیشه در دسترس بود؟ آنتن های تلفن همراه چه وظیفه ای دارند و چرا در همه جای شهر دیده می شوند؟

در این مقاله شما می توانید با ساز و کار عملکرد تلفن های همراه آشنا شوید.

معجزه ارتباط بی سیم

هر چند تلفن های همراه و خطوط تلفن ثابت یک کار را انجام می دهند، اما طرز کار آنها هیچ شباهتی به هم ندارد. خطوط ثابت همانطور که از نامشان پیدا است، با استفاده از سیم های فیزیکی ارتباط برقرار می کنند. در واقع اگر ایستگاه های تقسیم، مرکزهای فیبر نوری و ارتباطات ماهواره ای را در نظر نگیریم، طرز کار خطوط ثابت درست مثل همان تلفن های اسباب بازی است که با دو قوطی کنسرو و یک نخ در زمان کودکی می ساختیم؛ صدای شما در نهایت با عبور از یک سیم به مقصد می رسد. مزیت اساسی تلفن های همراه و دلیل اصلی همه گیر شدن آنها نیاز نداشتن به این اتصال فیزیکی و استفاده از امواج رادیویی برای ارسال و دریافت صدا و داده است.

وقتی با تلفن همراه خود صحبت می کنید، میکروفون گوشی شما بالا و پایین ها یا تغییرات فرکانس صدای شما را تبدیل به یک سیگنال الکتریکی با فرکانس متناظر می کند. یک تراشه در گوشی، این سیگنال ها را به رشته کدهای عددی تبدیل می کند و سپس این رشته های عددی به صورت یک موج رادیویی از آنتن گوشی مخابره می شوند. این امواج در محیط با سرعت نور منتشر شده و به نزدیکترین آنتن تلفن همراه می رسند.

آنتن های تلفن همراه که اسم فنی آنها BTS است و در همه جای شهرها و جاده ها دیده می شوند، این سیگنال ها را گرفته و برای مرکز کنترل یا Base Station خود که وظیفه هماهنگی و مدیریت همه ارتباطات در یک سلول یا منطقه جغرافیایی بخصوص در شبکه تلفن همراه را بر عهده دارد، ارسال می کنند. به همین دلیل به تلفن همراه، Cellular Phone یا تلفن سلولی هم گفته می شود. وقتی شما از گوشی خود با شماره دیگر از همان شبکه (مثل همراه اول به همراه اول) تماس می گیرید، تماس شما به نزدیکترین مرکز اصلی به مشترک مورد نظر هدایت شده و از آنجا برای او ارسال می شود. اگر این تماس با یک شماره در شبکه ای دیگر (مثل همراه اول به ایرانسل) باشد راه کمی طولانی تر خواهد بود، چون ممکن است تماس برای انتقال اول به شبکه کل تلفن منتقل و از آنجا به مقصد هدایت شود.

آنتن های تلفن همراه دقیقاً چه کار می کنند؟

گرچه تلفن های همراه از امواج رادیویی برای برقراری ارتباط استفاده می کنند، اما روش های بسیار پیشرفته تر و طرز کار کاملاً متفاوتی برای انجام کار خود دارند. به نظر منطقی می رسد که تلفن های همراه برای ارتباط با هم، مثل بی سیم های واکی تاکی از فرستنده – گیرنده برای ارسال مستقیم پیام استفاده کنند. ولی استفاده از فرستنده – گیرنده های رادیویی به این سبک یک مشکل بزرگ ایجاد می کند و آن هم محدودیت تعداد تماس های ممکن روی یک فرکانس مشخص در یک منطقه جغرافیایی است، چرا که با بالاتر رفتن تعداد دستگاه ها اختلال و تداخل تماس ها اجتناب ناپذیر خواهد بود.

نکته اصلی اینجا است که در هر تلفن همراه یک فرستنده و گیرنده رادیویی برای ارسال و دریافت امواج تعبیه شده که البته توان و در نتیجه برد بسیار محدودی دارد. هر گوشی تنها با نزدیکترین آنتن به خود (با قوی ترین سیگنال دریافتی) ارتباط برقرار می کند و برای حفظ عمر باتری از حداقل انرژی ممکن برای این کار استفاده می کند. این یک ضعف نیست، بلکه بخشی از طراحی شبکه تلفن همراه است تا بتوان از فرکانس های رادیویی در مناطق نزدیک به هم استفاده کرد. کافی است تلفن همراه بتواند با نزدیکترین آنتن و مرکز کنترل در محدوده خود ارتباط برقرار کند. کار آنتن های تلفن همراه و مرکز کنترل آنها دریافت این سیگنال های ضعیف ارسالی از ده ها و صدها مشترک تلفن همراه و هدایت آنها به مقصد مورد نظر است. همچنین برد محدود فرستنده گوشی به این معنی است که این امواج ارتباطات در فرکانس پایین ارسال شوند و با امواج رادیویی فرکانس بالا اختلاف پیدا نکند.

به همین دلیل هم این آنتن های تلفن همراه بسیار بزرگ و پُر قدرت هستند تا بتوانند امواج فرکانس پایین را دریافت کنند. همچنین این ضعیف بودن امواج ارسالی از گوشی ها به این معنی است که می توان از محدوده های فرکانسی یا کانال های مشابه در مناطق جغرافیایی نزدیک به هم استفاده کرد و مسئله اشباع فرکانس های ارتباطی به وجود نخواهد آمد. به علاوه، اگر این آنتن ها نبودند، گوشی های همراه باید آنتن های بسیار بزرگ و منبع تغذیه های بسیار سنگینی می داشتند و این قدر حجیم و دست و پاگیر می شدند که احتمالاً دیگر قابل جابجایی توسط یک فرد نبودند.

چرا شبکه به سلول های مختلف تقسیم می شود؟

همانطور که گفتیم شبکه تلفن همراه از سلول های به هم چسبیده تشکیل شده و گوشی ها به صورت مستقیم با هم تماس نمی گیرند، اما چرا این زحمت را به خودمان می دهیم؟ چرا از یک شبکه یکپارچه استفاده نکنیم؟ دلیل اصلی این کار امکان استفاده مجدد از فرکانس های یکسان است.

فرض کنید در یک منطقه چند مشترک تصمیم به برقراری تماس بگیرند. اگر همه این گوشی ها با یک فرکانس رادیویی اقدام به برقراری تماس کنند، سیگنال ها با یکدیگر قاطی شده و تشخیص آنها از یکدیگر ممکن نخواهد بود. یک راه حل، استفاده از یک فرکانس بخصوص برای هر تماس است، اما این راه حل هم تنها برای تعداد محدودی مشترک کاربرد دارد و در فضاهایی مثل شهرهای بزرگ که گاه چند میلیون کاربر اقدام به تماس گرفتن می کنند نمی توان ده ها میلیون فرکانس منحصر به فرد برای ایجاد ارتباط امن تخصیص داد و در واقع این روش، ظرفیت شبکه را محدود می کند. راه حل تقسیم منطقه به سلول های مجزا با آنتن ها و مرکز کنترل مستقلی است که با ایجاد مجموعه ای از شش ضلعی های نامرئی به هم پیوسته کل منطقه را پوشش داده و تمام تماس ها و ارتباطات محدوده خود را مدیریت می کنند. به این ترتیب می توان تماس های همزمان بسیار بیشتری برقرار کرد، چرا که همه سلول ها از یک مجموعه فرکانس یکسان و مشابه با سلول های دیگر استفاده می کنند و تماس مشترکان می تواند به سادگی بین آنها دست به دست شود.

همچنین وجود چند شبکه در یک منطقه مشکلی ایجاد نمی کند، زیرا با تعریف محدوده های فرکانسی مشخص برای هر شبکه می توان بدون ایجاد اختلال در شبکه های دیگر اقدام به برقراری تماس کرد. هرچه تعداد این سلول ها در شبکه بیشتر باشد قابلیت برقراری تماس های همزمان بیشتر می شود. به همین دلیل در مناطق شهری بزرگ تعداد زیادی از این آنتن ها در فواصل نزدیک به هم دیده می شوند، ولی در جاده های بین شهری ممکن است در فواصل بسیار طولانی از هم آنها را ببینید.

منابع

مقاله علمی و آموزشی «تلفن های همراه چگونه کار می کنند؟»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری، ترجمه و نگارش هیئت تحریریه علمی پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. در این راستا مقاله خشایار مریدپور، به عنوان منبع اصلی مورد استفاده قرار گرفته است.