Telefony komórkowe
W ciemnych wiekach, tuż przed telefonami komórkowymi ludzie, którzy naprawdę potrzebowali się ze sobą mobilnie komunikować, instalowali telefony radiowe w swoich samochodach. W systemie radiotelefonicznym na miasto przypadała jedna centralna wieża antenowa i prawdopodobnie 25 kanałów dostępnych na tej wieży. Ta centralna antena oznaczała, że telefon w Twoim samochodzie potrzebował potężnego nadajnika - wystarczająco dużego, aby transmitować na odległość około 70 kilometrów. Oznaczało to również, że niewiele osób mogło korzystać z radiotelefonów - było za mało kanałów. Geniuszem systemu komórkowego jest podział miasta na małe komórki. Umożliwia to wielokrotne ponowne wykorzystanie nadawane częstotliwości na całym mieście, dzięki czemu tysiące ludzi mogą jednocześnie korzystać z telefonów komórkowych. Dobrym sposobem na zrozumienie wyrafinowania telefonu komórkowego jest porównanie go z radiem CB lub krótkofalówką.
W trybie pełnego dupleksu oba nadajniki wykorzystują różne częstotliwości, więc obie strony mogą rozmawiać w tym samym czasie. Telefony komórkowe działają w trybie pełnego dupleksu. No dobra, ale czym różni się pełny dupleks od półdupleksu? Zarówno krótkofalówki, jak i radia CB są urządzeniami półdupleksowymi. Oznacza to, że dwie osoby komunikujące się przez radio CB używają tej samej częstotliwości, więc tylko jedna osoba może rozmawiać w danej chwili. Telefon komórkowy to urządzenie pracujące w trybie pełnego dupleksu. Oznacza to, że używasz jednej częstotliwości do mówienia i drugiej, oddzielnej częstotliwości do słuchania. Obie osoby biorące udział w rozmowie mogą rozmawiać jednocześnie. No tak, ale są jeszcze kanały. Czym są kanały? Krótkofalówka ma zwykle jeden kanał, a radio CB ma ich aż 40. Typowy telefon komórkowy może komunikować się na 1664 lub więcej kanałach. Pozostaje jeszcze zasięg każdego z urządzeń. Krótkofalówka może transmitować na odległość około 1,6 kilometra za pomocą nadajnika o mocy 0,25 W. Radio CB, ponieważ ma znacznie większą moc, może transmitować na odległość około 8 kilometrów za pomocą 5-watowego nadajnika. Telefony komórkowe działają w komórkach i mogą zmieniać komórki podczas poruszania się. “Komórki” dają telefonom komórkowym niesamowity zasięg. Ktoś korzystający z telefonu komórkowego może przejechać setki kilometrów i prowadzić rozmowę przez cały czas ze względu na podejście komórkowe.
W typowym analogowym systemie telefonii komórkowej w Polsce operator telefonii komórkowej otrzymuje około 800 częstotliwości do wykorzystania w całym mieście. “Przewoźnik” rozbija miasto na komórki. Każda komórka ma zazwyczaj rozmiar około 26 kilometrów kwadratowych. Komórki są zwykle traktowane jako sześciokąty (na dużej sześciokątnej siatce). Ponieważ telefony komórkowe i stacje bazowe używają nadajników o małej mocy, te same częstotliwości mogą być ponownie wykorzystane w nieprzylegających komórkach. Dwie komórki mogą ponownie wykorzystywać te same częstotliwości. Każda komórka ma stację bazową, która składa się z wieży i małego budynku zawierającego sprzęt radiowy. Później dotrzemy do stacji bazowych. Najpierw przyjrzyjmy się „komórkom”, które tworzą system komórkowy. Pojedyncza komórka w analogowym systemie telefonii komórkowej wykorzystuje jedną siódmą dostępnych kanałów głosowych dupleksu. Oznacza to, że każda komórka (z siedmiu na sześciokątnej siatce) wykorzystuje jedną siódmą dostępnych kanałów, więc ma unikalny zestaw częstotliwości, dzięki czemu nie dochodzi do kolizji.
Telefony komórkowe - czy wiesz co znajduje się wewnątrz telefonu komórkowego?
W skali „złożoności na cal sześcienny” telefony komórkowe są jednymi z najbardziej skomplikowanych urządzeń, z których ludzie korzystają na co dzień. Nowoczesne telefony komórkowe mogą przetwarzać miliony obliczeń na sekundę w celu kompresji i dekompresji strumienia głosu. Jeśli rozłożysz podstawowy telefon komórkowy, okaże się, że zawiera on tylko kilka pojedynczych części takich jak płytka drukowana (zawierająca mózg telefonu), antena, wyświetlacz ciekłokrystaliczny (LCD), klawiatura (podobna do tej, którą znajdziesz w pilocie do telewizora), mikrofon, głośnik oraz baterię. Płytka drukowana jest sercem całego systemu. Układy konwersji analogowo-cyfrowej i cyfrowo-analogowej przetwarzają wychodzący sygnał audio z analogowego na cyfrowy, a przychodzący sygnał z cyfrowego z powrotem na analogowy.
Jeżeli chcesz dowiedzieć się więcej na temat konwersji A-do-D i D-do-A oraz jej znaczeniu dla dźwięku cyfrowego, warto poszukać odpowiednich artykułów na ten temat w wyszukiwarce Google. Wróćmy jednak do płytki. Znajdziemy na niej cyfrowy procesor sygnałowy (DSP). To wysoce dostosowany procesor zaprojektowany do wykonywania obliczeń manipulacji sygnałem z dużą prędkością. Mikroprocesor obsługuje wszystkie prace porządkowe dla klawiatury i wyświetlacza, zajmuje się kontrolą informacji pochodzących ze stacji bazowej, a także koordynuje resztę funkcji na pokładzie. Układy pamięci ROM i flash zapewniają pamięć systemu operacyjnego telefonu i konfigurowalne funkcje, takie jak katalog telefonu. Sekcja częstotliwości radiowej (RF) i mocy obsługuje zarządzanie energią i ładowanie, a także obsługuje setki kanałów FM. Wreszcie, wzmacniacze RF obsługują sygnały docierające i wychodzące z anteny.
Większość obecnych telefonów oferuje wbudowane książki telefoniczne, kalkulatory, gry, kalendarze, notatki, przeglądarki internetowe i aparaty fotograficzne, a także niezliczone aplikacje. Niektóre telefony przechowują określone informacje, takie jak kody SID i MIN, w wewnętrznej pamięci Flash, podczas gdy inne używają kart zewnętrznych, które są podobne do kart SmartMedia. To niesamowite, ale telefony komórkowe mają tak małe głośniki i mikrofony, a jednak większość z nich radzi sobie całkiem dobrze z odtwarzaniem dźwięku. Głośnik jest mniej więcej wielkości dwudziestu groszy, a mikrofon nie jest większy niż bateria od naręcznego zegarka. Niesamowite jest to, że cała ta funkcjonalność - która jeszcze 30 lat temu zajęłaby całe piętro biurowca - teraz mieści się w tak małej obudowie, która wygodnie leży w dłoni.
Telefony komórkowe - 3G, 4G, LTE
Technologia 3G pojawiła się, aby zaspokoić zwiększone zapotrzebowanie na dane. 3G oznacza „trzecią generację” - oznacza to pierwszą generację analogowej technologii komórkowej i drugą generację cyfrową / PCS. Technologia 3G jest przeznaczona dla prawdziwych multimedialnych telefonów komórkowych - zwykle nazywanych smartfonami - i oferuje zwiększoną przepustowość i szybkości transferu, aby dostosować się do aplikacji internetowych oraz plików audio i wideo z telefonu. 3G obejmuje kilka technologii dostępu komórkowego. Obejmują one CDMA2000, WCDMA (UMTS), TD-SCDMA. Sieci 3G mają potencjalne prędkości transferu do 3 Mb/s (około 15 sekund na pobranie 3-minutowego utworu MP3). Dla porównania najszybsze telefony 2G mogą osiągać prędkość do 144 Kb/s (około 8 minut na pobranie 3-minutowego utworu). Wysokie szybkości transmisji danych 3G są idealne do pobierania wszelkich informacji z internetu oraz wysyłania i odbierania dużych plików multimedialnych. Telefony 3G są jak mini laptopy i mogą obsługiwać aplikacje szerokopasmowe, takie jak wideokonferencje, odbieranie strumieniowego wideo z Internetu, wysyłanie i odbieranie faksów oraz natychmiastowe pobieranie wiadomości e-mail z załącznikami. No ale w końcu musiał nastąpić rozwój i pojawiło się 4G. Pierwszy telefon komórkowy obsługujący „4G” powstał w 2006 roku. Sieć 4G wykorzystywała technologię o nazwie WiMAX , jedno z kilku podejść do implementacji 4G. Podobnie jak poprzednie generacje, 4G nie jest znormalizowanym oznaczeniem. To po prostu kolejny krok w przyspieszeniu. Wszyscy czołowi dostawcy usług oferują obecnie pewien rodzaj sieci 4G, na różnych etapach rozwoju i zasięgu, zbudowanej na jednej z trzech głównych technologii dostępu do sieci komórkowej: LTE, HSPA + i WiMAX.
WiMAX jest nieco wyjątkowy wśród metod dostępu, ponieważ opiera się na standardach bezprzewodowych 802.16 - zwanym także bezprzewodowym szerokopasmowym internetem, który jest używany w domach i biurach. Podejście WiMAX przyjmuje drugą iterację tych standardów, 802.16e, która obsługuje dostęp mobilny, i stosuje ją w dziedzinie telefonów komórkowych. Transmisje wykorzystują multipleksowanie z ortogonalnym podziałem częstotliwości lub OFDM, metodę dzielenia danych sygnałowych na wiele kanałów w celu przyspieszenia dostarczania, a następnie łączenia wszystkich bitów z powrotem w pojedynczą jednostkę w miejscu docelowym. Transmisja WiMAX teoretycznie może przekroczyć około 40 Mb/s, ale w rzeczywistości jest to znacznie mniej. Z drugiej strony HSPA + jest ulepszeniem istniejącego od dawna podejścia do sieci komórkowej - HSPA lub szybkiego dostępu pakietowego. HSPA opiera się na infrastrukturze 3G WCDMA, która przenosi sygnały w jednym lub dwóch pasmach częstotliwości w zależności od trybu. W formie 3G, sieci HSPA osiągają szczytowe szybkości przesyłania danych 14,4 Mb/s. Używając QAM wyższego rzędu (modulacja kwadraturowa amplitudy, która koduje wiele strumieni danych w pojedynczą transmisję, naśladując zwiększoną przepustowość), nośniki mogą osiągać prędkości HSPA + do 21 Mb/s. Ulepszenia anteny mogą dodatkowo zwiększyć szybkość transmisji HSPA +. Pomimo oczywistego wzrostu szybkości, wiele osób w świecie telefonów komórkowych uważało WiMAX i HSPA + za technologie przejściowe i miało rację z chwilą pojawienia się LTE.
Od dziesięcioleci świat mobilny naciska na standardy branżowe, aby zsynchronizować technologię i umożliwić definiowalne postępy. Wielu postrzega LTE lub długoterminową ewolucję jako pierwszą realną szansę na standaryzację, ponieważ wielu czołowych operatorów podpisało się pod wykorzystaniem tej technologii. LTE jest rozwijane jako standard 4G, dlatego czasami widzisz „4G LTE”, a nie po prostu „4G”. 4G może oznaczać obsługę dowolnej prędkości powyżej 3G, natomiast 4G LTE oznacza obsługę do 86 Mb/s w oparciu o określoną technologię i infrastrukturę oprogramowania. Sieć LTE jest oparta na standardach protokołu internetowego (IP), który tak naprawdę dostarcza strony internetowe do twojego komputera i dodaje dane głosowe do strumieni transmisji. Wykorzystuje schemat zwany OFDMA lub wielokrotny dostęp z ortogonalnym podziałem częstotliwości, który jest podobny do podejścia OFDM w WiMAX. OFDMA rozdziela również bity w pojedynczej transmisji danych na wiele podnośnych, aby zwiększyć prędkość, ponownie składając ją w miejscu docelowym. Protokół LTE ma jednak dodatkową możliwość przypisywania określonych ścieżek danych do poszczególnych użytkowników w locie, optymalizując przepustowość dostępną w danym momencie. Posiadanie telefonu obsługującego wiele trybów jest więc ogromną korzyścią, ponieważ wieże LTE są w większości miast w całym kraju oraz występują na całym świecie - każdy operator telefonii w Polsce posiada na swojej stronie mapę z zasięgiem oferującym 4G LTE, a obecnie zaczynają już dostosowywać się do nowego standardu 5G.
