...jak powstały i jak działają. Część 1 - analogowa
Elektronika jest najszybciej rozwijającą się dziedziną współczesnego życia i wielokrotnie zdarza się, że nie nadążając za nią zostajemy przez nią "pogryzieni". Chcąc przybliżyć Państwu tę dziedzinę postanowiłem, korzystając z zaproszenia redakcji "Monitora", rozpocząć na jego łamach cykl artykułów na temat elektroniki. Myślę że będzie to z pożytkiem dla naszych czytelników. Tematyką będzie elektronika, a właściwie urządzenia ją zawierające i mam nadzieję, że to właśnie czytelnicy Monitora zadecydują o czym pisać.
Zacznę dzisiaj od tematu, który interesuje zapewne wielu, a mianowicie telefonów komórkowych. Telefonia komórkowa jest obecnie jedną z najszybciej rozwijających się dziedzin elektroniki, a wynika to zapewne z faktu, że telefon komórkowy jest tym urządzeniem, które pozwala nam na skuteczne pozostawanie w szybkim nurcie współczesnego życia. Aby skomunikować się ze światem nie musimy już czekać na powrót do domu, czy miejsca naszej pracy, możemy to uczynić w każdej chwili, czy to jadąc samochodem (a raczej stojąc w korku na autostradzie), czy też robiąc zakupy w supermarkecie.
Telefonia komórkowa zaczęła przybierać realne kształty w 1983 roku, kiedy to Laboratorium Bell"a opracowało standard AMPS (Advanced Mobile Phone Service), czyli zaawansowany serwis telefonów "przewoźnych". Pierwotnie na cele telefonii komórkowej FCC przyznało 666 kanałów w pasmie 800 MHz, ale w 1987 pasmo to zostało poszerzone do 832 kanałów. Wtedy też telewizja straciła 16 najwyżej położonych kanałów i zamiast 83 mamy obecnie tylko 67 kanałów do odbioru "z powietrza". Wszystkie te kanały zostały podzielone pomiędzy dwie kompanie na danym rynku, tak aby umożliwić konkurencję i nie dopuścić do monopolu i związanych z tym wysokich cen. Nawiasem mówiąc, to z tych 832 kanałów 42 zostały przeznaczone na kontrolowanie ruchu (control channels), a tylko 790 czyli po 395 na kompanię - to kanały przeznaczone do transmisji głosu (voice channels). W chwili obecnej istnieje nowe pasmo tzw. PCS i znajdujące się w paśmie 1900MHz. W paśmie tym może znajdować się do sześciu niezależnych kompanii telefonicznych i to dopiero umożliwiło tak naprawdę wolną konkurencję i drastyczną obniżkę cen za oferowane usługi.
W tym momencie nasuwa się pytanie: jeżeli mamy tylko 395 kanałów, to czy to oznacza, że tylko tyle rozmów ile mamy kanałów może być jednocześnie prowadzonych?
Oczywiście nie i właśnie sposób "rozmnożenia" liczby dostępnych połączeń nadał nazwę całemu temu systemowi: "Cellular Phone", czyli telefonia komórkowa. W systemie tym nie istnieje jeden centralny nadajnik obsługujący wszystkie telefony. Cały obsługiwany obszar został podzielony na niewielkie powierzchniowo kawałki, nazywane po angielsku "cells", czyli komórki, jak widać to na załączonej poniżej ilustracji. Taki podział umożliwia powtórne używanie tych samych kanałów w komórkach na tyle oddalonych od siebie, że nie następuje wzajemne zakłócanie się telefonów. Rozwiązanie takie ma wiele dodatkowych zalet: mała odległość od wieży nadajnika, mała moc nadajnika telefonu, a co za tym idzie mniejsze ich wymiary i waga. Oczywiście bateria nie tylko będzie mniejsza, ale także na dłużej wystarczy zawartej w niej energii. Umożliwiło to przede wszystkim wytworzenie nie tylko samochodowego, ale także kieszonkowego telefonu komórkowego. Telefon kieszonkowy nie jest tak całkowicie mniejszym bratem samochodowego. Podstawowa różnica, to fakt, że telefon samochodowy posiada więcej stopni mocy nadajnika i oczywiście większą moc maksymalną 3 waty, w odróżnieniu od 0.6 wata dla wersji kieszonkowej; wartości te dotyczą wersji analogowej, dla telefonów cyfrowych (digitalnych) są one jeszcze mniejsze.
Ograniczenie mocy w telefonach trzymanych w ręku wynikało nie tyle z limitów technologicznych (istnieją wszak ręczne radiostacje pracujące mocą 2W), co z konieczności ograniczenia mocy jaką jest napromieniowywana głowa użytkownika telefonu komórkowego. Od razu tutaj uspokoję posiadaczy krótkofalówek, że w ich przypadku częstotliwość nadajnika jest niższa niż telefonu komórkowego, w związku z czym antena jest dłuższa i wystaje prawie w całości powyżej naszej głowy. Niestety, w odwrotnej sytuacji znajdują się ci posiadacze telefonów z zakresu 1900 MHz, których telefony nie posiadają anteny. Otóż takich cudów nie ma. Antenę posiada każdy telefon, w tych telefonach nie ma po prostu zewnętrznej anteny, zaś antena znajdująca się wewnątrz obudowy znajduje się w bezpośredniej bliskości naszej twarzy gdzie zwykle trzymamy telefon podczas rozmowy. Dobrze więc jest w takim przypadku korzystać ze słuchawek, które pozwalają nam na trzymanie telefonu np. przy pasku i napromieniowywanie naszego brzucha, co jest w sumie mniejszym złem. Tak nawiasem mówiąc to, ciągle nie zostało udowodnione szkodliwe działanie promieniowania elektromagnetycznego (czyli fali radiowej) wytwarzanego przez telefony komórkowe na organizm ludzki. Analogicznie, nie została dowiedziona ich nieszkodliwość. I dlatego też FCC ustaliło dopuszczalne normy promieniowania pochłanianego przez organizm ludzki i obecnie wszystkie produkowane od ponad dwóch lat telefony muszą już spełniać te normy, tak aby zostać dopuszczone do sprzedaży.
Telefon komórkowy jest więc, jak widać, niczym więcej jak tylko bardzo mocno zaawansowaną wersją radiotelefonu. Główna różnica to konieczność przystosowania telefonu do automatycznego przełączania się pomiędzy wieżami w czasie jego przemieszczania się. Należy tutaj zauważyć, że każda wieża posiada stały zestaw kanałów, zaś telefon w czasie przemieszczania się nie tylko automatycznie zmienia swoją moc, ale także zmienia numery kanałów na których pracuje. Cały zaś proces wygląda przybliżeniu następująco: wieża cały czas mierzy natężenie odbieranego sygnału telefonu i wysyła mu polecenia zmiany emitowanej mocy, tak aby pracował on możliwie najmniejszą mocą zapewniającą jeszcze poprawną jakość transmisji. W przypadku gdy zbliżamy się do granicy zasięgu danej wieży i nie można już bardziej zwiększyć mocy telefonu, komputer nadzorujący pracę całego systemu wydaje polecenie sąsiadującym wieżom dokonanie pomiaru mocy tegoż telefonu, tak aby określić do której komórki się zbliżamy i przygotować przełączenie telefonu na tę właśnie wieżę. Sama operacja przełączania pomiędzy wieżami jest najbardziej krytyczną częścią połączenia telefonicznego i zarazem jest to moment, w którym następuje największa liczba tzw. "dropped calls", czyli utraty połączenia. Bezpośrednio przed zmianą telefon dostaje informację od starej wieży na jakim nowym kanale będzie współpracował z nową, zaś nowa wieża włącza tenże kanał. Sama zmiana powoduje przerwę w transmisji trwającą kilkaset milisekund i jak wszystko dobrze poszło prowadzimy dalszą rozmowę korzystając z nowej wieży. W tym samym czasie gdy nasz telefon zmienia wieże, centrala także przenosi nasze połączenie ze starej na nową wieżę.
Przyczyn utraty połączenia może być wiele, a oto kilka z nich. W komórce do której wjeżdżamy nie ma już wolnych kanałów - system nie może nam przydzielić żadnego kanału i rozmowa zostanie przerwana w momencie gdy już całkowicie wyjedziemy z zasięgu starej wieży. Ten problem świadczy o przepełnieniu się systemu; był on zmorą jego wersji analogowej, pojawiał się bowiem w godzinach szczytu, gdy np. wszyscy wracając z pracy po godzinie 16 utykali w korku i sięgali to telefony aby zadzwonić, że się spóźnią. W systemie cyfrowym problem ten prawie się nie zdarza. Jest to zarazem zjawisko zupełnie niezależne od samego aparatu telefonicznego i niewłaściwym byłoby doszukiwanie się w nim jakichkolwiek problemów. Natomiast uszkodzony aparat telefoniczny, i to zarówno taki ze złym nadajnikem jak i też z mało czułym odbiornikiem, przerwie połączenie jeszcze przed dojechaniem do granicy pomiędzy komórkami - po prostu straci kontakt z wieżą jeszcze wewnątrz macierzystej komórki. Aparat taki będzie nagminnie tracił połączenia, niezależnie od pory dnia, jak i miejsca. Oczywiście występują jeszcze inne czynniki mające wpływ na niewłaściwą pracę. Jednym z nich jest występowanie po prostu dziur w serwisie, jest to plaga kompani nowych na danym obszarze. Tak naprawdę to trzeba lat aby znaleźć i wykryć miejsca, gdzie ze względu na ukształtowanie terenu, czy też zabudowę fale radiowe po prostu nie docierają. A warto wiedzieć, że przy tak wysokich częstotliwościach nie ma mowy o ugięciu się fali radiowej, jak ma to miejsce w przypadku fal długich, czy nawet średnich. Możemy więc utracić połączenie pod wiaduktem, czy np. wewnątrz budynku, w którego konstrukcji znajduje się wiele stali. Można stracić połączenie w bliskiej obecności źródła silnych zakłóceń elektromagnetycznych. Sam fakt, że w danym miejscu odbiera poprawnie telefon komórkowy kolegi jeszcze o niczym nie świadczy, może właśnie posiada on telefon z kompanii, której wieża znajduje się zaraz za rogiem, a nasza jest akurat na granicy zasięgu.
Myślę, że to wprowadzenie pozwoli lepiej zrozumieć samą idee telefonii komórkowej. Opisałem w nim ogólne zasady, które w zasadzie odnoszą się do serwisu analogowego, jednakowego na terenie całych Stanów Zjednoczonych, Kanady większości krajów Ameryki Łacińskiej i Południowej, jak i Izraela. Wprowadzenie technologii cyfrowej doprowadziło do nie tylko sporego zróżnicowania systemów, ale także wielu niejasności i nieporozumień. Będę o tym pisał w następnym artykule za miesiąc. Dowiemy się wtedy o stanie aktualnym i przyszłości telefonów "digitalnych".
