همه چیز در مورد اساس کار تلفن همراه(موبایلها چگونه کار می کنند؟)

میلیونها نفر در سرتاسر جهان از گوشی های موبایل استفاده میکنند. همچنین گجتهایی وجود دارد که با استفاده از تلفن همراه خود میتوانید با هرکس روی کره زمین در هر نقطه ای صحبت کنید. امروزه گوشی های موبایل قادر به انجام کارهای متنوعی هستند و هر روز با سرعت زیاد و غیر قابل باوری کارکردهای جدید برای گوشی های موبایل ارائه میشود. از جمله کارکردهای گوشی های همراه بسته به مدل آن، میتوان به ذخیره کردن اطلاعات افراد در گوشی، ذخیره کردن برنامه روزانه خود تا گوشی آن را به شما یادآوری کند، استفاده از ماشین حساب خود گوشی برای محاسبات ساده، دریافت اطلاعات از اینترنت و اتصال به اینترنت، ارسال پیامک، بازی، و کارکردهایی که وسایلی همچون MP3 ها قادر به انجام آن هستند یعنی ضبط و پخش صدا، عکاسی و فیلم برداری و ... اشاره کرد.

اما آیا تاکنون از خود پرسیده اید که گوشی های موبایل چگونه کار میکنند؟ چه چیزی باعث تمایز آن از تلفنهای ثابت شهری میشود؟ عباراتی همچون PCS، GSM، CDMA و TDMA که در زمینه مخابرات بی سیم به کاربرده میشوند به چه معنی هستند؟ در این مقاله سعی داریم تا تکنولوژی که این همه قابلیت را برای ارتباطات بی سیم از طریق گوشی های موبایل فراهم میکند معرفی کنیم.
برای شروع شاید جالب ترین نکته این باشد که موبایل در واقع یک رادیو است، یک رادیوی بسیار پیچیده، اما باز هم در واقع یک رادیو است هر قدر پیچیده باشد. 
تلفن برای اولین بار توسط الکساندر گراهام بل در سال 1876 اختراع شد ولی تاریخچه مربوط به ارتباطات بی سیم(وایرلس) به اختراع رادیو توسط نیکولای تسلا در دهه 1880 میلادی بر میگردد. اگرچه به صورت رسمی ارتباطات سیار در سال 1894 توسط یک ایتالیایی جوان به نام مارکونی معرفی شد. پس از آن بود که ایده ترکیب این دو تکنولوژی و به وجود آمدن تکنولوژی ارتباطات رادیویی و وایرلس بوجود آمد.

فرکانس کار تلفن همراه
قبل از اینکه تلفن های همراه همگانی شود و به طور وسیعی در اختیار مردم قرار بگیرد، افرادی که نیاز مبرم به استفاده از ارتباطات رادیویی داشتند، تلفن های رادیویی در ماشین خود نصب میکردند. در واقع سیستم های اولیه اصلا به سبکی و کوچکی تلفن های همراه امروزی نبودند. برای درک بهتر این موضوع باید به این نکته اشاره کرد که در شهرهای آمریکا در واقع اولین قشری که از تلفن های رادیویی استفاده میکردند رانندگان تاکسی بودند که سیستم ارسال و دریافت رادیویی تلفن را در صندوق عقب ماشین خود قرار میدادند. این سیستم ها بسیار سنگین و بزرگ بودند.
در سیستم تلفن های رادیویی، یک آنتن مرکزی در هر شهر وجود داشت و تا 25 کانال در دسترس در هر شهر که آنتن مرکزی میتوانست به آنها خدمات بدهد. وجود یک آنتن مرکزی در هر شهر به این معنی بود که تلفن رادیویی شما باید به اندازه کافی بزرگ و قدرتمند باشد تا بتواند امواجی برای ارسال و دریافت در فاصله 40 تا 50 مایلی(تقریبا 70 کیلومتر) ایجاد کند. همچنین وجود یک آنتن با تقریبا 25 کانال به این معنی بود که افراد زیادی نمی توانستند از تلفن های رادیویی استفاده کنند.
شاهکار سیستم سلولار که در ارتباطات وایرلس امروزی هم استفاده میشود به این ایده برمیگردد که شهر را به سلولهای کوچکی تقسیم میکند و در هر سلول یک آنتن گیرنده قرار داده میشود. با این کار دیگر برای برقراری ارتباط بین هر تلفن همراه و ایستگاه مربوطه به توان کمتر نیاز است که این عامل باعث میشود تا بتوان ابعاد تلفن های رادیویی را بسیار کاهش داد و از تکنیک مدارهای مجتمع الکترونیکی به جای مدارهای پرقدرتی که ابعاد بزرگی داشتند استفاده کرد. همچنین با استفاده از این ایده میتوان تعداد افرادی که میتوانند از این سیستم استفاده کنند را به طور خارق العاده ای افزایش داد؛ در واقع ایده تقسیم شهر به سلولهای کوچک و ارتباط هر فرد با نزدیکترین آنتن به خود در یک سلول امکان استفاده بهینه و چندبرابر از پهنای باند فرکانسی را فراهم میکند. در نتیجه این ایده تعداد کاربران تلفن همراه به میلیونها نفر میرسد.
بهترین راه برای درک پیچیدگی تلفن های همراه مقایسه آن با رادیوهای CB و یا واکی-تاکی است.

ارتباط یک جهته و دو جهته
هر دو سیستم رادیوی CB و تاکی-واکی از سیستم ارتباط یک سویه استفاده میکنند؛ به این معنی که برای دو نفر که از این سیستمها برای ارتباط استفاده میکنند از یک کانال ارتباطی ( یک فرکانس مشخص و پهنای باند مشخی) برای دریافت و ارسال اطلاعات بین خود استفاده میکنند. در نتیجه در هر زمان تنها یک نفر میتواند از سیستم برای ارسال اطلاعات خود به سمت طرف دوم استفاده کند.
اما تلفن های همراه از سیستم ارتباطی دو کاناله یا دوطرفه استفاده میکنند. به این معنی که هر طرف یک کانال مشخص و مجزا برای ارسال اطلاعات دارد، یعنی نفر اول میتواند همزمان با نفر دوم حرف بزند. 
مقایسه کانالها بین تلفن همراه و رادیوی CB و تاکی واکی
یک تاکی-واکی به طور معمول دارای یک کانال است، در حالی که یک رادیوی CB دارای 40 کانال است. یک تلفن همراه معمولی میتواند در 1664 کانال یا بیشتر ارتباط برقرار کند.

برد موثر ارتباط: مقایسه تاکی-واکی، رادیوی CB و تلفن همراه
یک تاکی واکی با استفاده از یک فرستنده 0.25 واتی میتواند تا فاصله یک مایلی(1.6 کیلومتری) ارتباط برقرار کند. رادیوی CB به دلیل توان بالاتری که استفاده میکند میتواند با استفاده از یک فرستنده 5 واتی تا فاصله 5 مایلی(8 کیلومتری) ارتباط برقرار کند. از آنجا که همواره هر تلفن همراه در داخل یک سلول قرار دارد، در صورتی که فرد از یک سلول که در حال حاضر در آن قرار دارد خارج شود به سلول مجاور میرود و تحت پوشش آن سلول و فرستنده و گیرنده مرکزی آن سلول قرار میگیرد، این ساختار سلولی امکان ارتباط بسیار طولانی را به فرد میدهد. به عنوان مثال فردی که از یک تلفن همراه استفاده میکند میتواند در فاصله صدها مایلی و یا هزاران مایلی ارتباط برقرار کند و در تمام مدتی که حتی جابجا میشود به صحبت خود ادامه بدهد. در واقع ساختار سلولی امکان ایجاد یک ارتباط موثر در فاصله طولانی با تعداد مشترکان زیاد و با قابلیت ارتباط پایدار را فراهم میکند.
در یک سیستم ارتباط همراه آنالوگ در امریکا، فرکانس حامل مورد استفاده در ارتباطات سیار به 800 فرکانس میرسد. با استفاده از ایده تقسیم شهر به سلولهای کوچک معمولا شهر به تعدادی سلول شش ضلعی تقسیم میشود که در هر سلول میتوان از فرکانس هایی که در سلولهای مجاور خود استفاده نشده استفاده کرد. نکته قابل توجه اینجاست که به دلیل توان کم برای ارسال و دریافت اطلاعات در هر سلول در صورتی که یک فرکانس در دو سلول غیر مجاور مورد استفاده قرار گیرد هیچگونه تداخلی در ارتباط آنها در سلول خود بوجود نمی آید. یعنی با کاهش توان فرستنده ها و گیرنده ها در شهر که با کوچک تر شدن سلولها امکان پذیر است امکان استفاده از تمام فرکانسهایی که در سلولهای مجاور مورد استفاده قرار نگرفته اند وجود دارد، به این کار استفاده مجدد از فرکانس در ارتباطات سیار میگویند. در ایالات متحده ابعاد هر کدام از این سلولها برای برقراری ارتباطات سیار آنالوگ برابر است با 10 مایل مربع یا 26 کیلومتر مربع.
هر سلول دارای یک ایستگاه مرکزی است که از بر روی دکل مخابراتی قرار گرفته است و دربرگیرنده تجهیزات ارتباطات رادیویی است.