تلفن‌های همراه چطور كار می‌كنند؟
چیزی مثل جادو
فناوری‌های انقلابی بسیاری در قرن بیستم، زندگی انسان‌ها را متحول كردند: هواپیما، رادیو، تلویزیون، فناوری هسته‌ای، ماهواره‌ها، موتورهای جت، رایانه و اینترنت باعث تبدیل جهان امروزی به چیزی بسیار متفاوت از یك قرن پیش شده‌اند. با این حال هیچ‌‌كدام از این فناوری‌های سرنوشت‌ساز به اندازه اختراع ارتباطات سیار یا همان تلفن‌های همراه همه ابعاد زندگی و كار ما را تحت تاثیر قرار نداده‌اند. تلفن‌های همراه كه حدود 40 سال پیش اختراع شدند، امروزه حدود هشت میلیارد مشترك دارند و به‌عنوان اصلی‌ترین راه ارتباطی و مهم‌ترین ابزار دسترسی به اطلاعات برای بخش اعظم جمعیت كره زمین شناخته میشوند. ولی آیا تا حالا از خودتان پرسیده‌اید میلیاردها تماس روزانه و هزاران ترابایت تبادل داده بین گوشی‌های همراه چطور انجام می‌شود؟ تماس با یك دستگاه در حال حركت چطور برقرار می‌شود و چطور می‌توان بدون هیچ اتصال فیزیكی همیشه در دسترس بود؟ آنتن‌های تلفن‌همراه چه وظیفه‌ای دارند و چرا در همه‌جای شهر دیده میشوند؟ اگر سوالاتی از این دست دارید و هنوز دنبال جواب آنها نرفته‌اید، گزارش این هفته را بخوانید تا با تمام زیر و بم عملكرد گوشی‌های همراه آشنا شوید.
خشایار مریدپور
معجزه ارتباط بی‌سیم
هرچند تلفن‌های همراه و خطوط تلفن ثابت یك كار را انجام می‌دهند، اما طرز كار آنها هیچ شباهتی به هم ندارد. خطوط ثابت همان‌طور كه از نامشان پیداست، با استفاده از سیم‌های فیزیكی ارتباط برقرار می‌كنند. درواقع اگر ایستگاه‌های تقسیم، مركزهای فیبر نوری و ارتباطات ماهواره‌ای را درنظر نگیریم، طرز كار خطوط ثابت درست مثل همان تلفن‌های اسباب‌بازی است كه با دو‌قوطی كنسرو و یك نخ در زمان كودكی می‌ساختیم: صدای شما در نهایت با عبور از یك سیم به مقصد می‌رسد. مزیت اساسی تلفن‌های همراه و دلیل اصلی همه‌گیر شدن آنها نیاز نداشتن به این اتصال فیزیكی و استفاده از امواج رادیویی برای ارسال و دریافت صدا و داده است.
وقتی با تلفن‌همراه خود صحبت می‌كنید، میكروفون گوشی شما بالا و پایین‌ها یا تغییرات فركانس صدای شما را تبدیل به یك سیگنال الكتریكی با فركانس متناظر می‌كند. یك تراشه در گوشی، این سیگنال‌ها را به رشته كدهای عددی تبدیل می‌كند و سپس این رشته‌های عددی به‌صورت یك‌موج رادیویی از آنتن گوشی مخابره میشوند. این امواج در محیط با سرعت نور منتشر شده و به نزدیك‌ترین آنتن تلفن‌همراه می‌رسند.
آنتن‌های تلفن‌همراه كه اسم فنی آنها BTS است و در همه جای شهرها و جاده‌ها دیده میشوند، این سیگنال‌ها را گرفته و برای مركز كنترل یا Base station
خود كه وظیفه هماهنگی و مدیریت همه ارتباطات در یك سلول یا منطقه جغرافیایی به‌خصوص در شبكه تلفن‌همراه را برعهده دارد، ارسال می‌كنند. به همین دلیل به تلفن‌همراه Cellular Phone یا تلفن سلولی هم گفته می‌شود. وقتی شما از گوشی خود با شماره دیگر از همان شبكه (مثل همراه اول به همراه اول) تماس می‌گیرید، تماس شما به نزدیك‌ترین مركز اصلی به مشترك مورد نظر هدایت شده و از آنجا برای او ارسال می‌شود. اگر این تماس با یك‌شماره در شبكه‌ای دیگر (مثل همراه اول به ایرانسل) باشد راه كمی طولانی‌تر خواهد بود، چون ممكن است تماس برای انتقال اول به شبكه كل تلفن منتقل و از آنجا به مقصد هدایت شود.
آنتن‌های تلفن‌همراه دقیقا
چه كار می‌كنند؟
گرچه تلفن‌های همراه از امواج رادیویی برای برقراری ارتباط استفاده می‌كنند، اما روش‌های بسیار پیشرفته‌تر و طرز كار كاملا متفاوتی برای انجام كار خود دارند. به‌نظر منطقی می‌رسد كه تلفن‌های همراه برای ارتباط با هم، مثل بی‌سیم‌های «واكی‌تاكی» از فرستنده ـ گیرنده برای ارسال مستقیم پیام استفاده كنند. ولی استفاده از فرستنده ـ گیرنده‌های رادیویی به این سبك یك مشكل بزرگ ایجاد می‌كند و آن هم محدودیت تعداد تماس‌های ممكن روی یك فركانس مشخص در یك منطقه جغرافیایی است، چرا كه با بالاتر رفتن تعداد دستگاه‌ها اختلال و تداخل تماس‌ها اجتناب‌ناپذیر خواهد بود.
نكته اصلی اینجاست كه در هر تلفن‌همراه یك فرستنده و گیرنده رادیویی برای ارسال و دریافت امواج تعبیه شده كه البته توان و درنتیجه برد بسیار محدودی دارد. هر گوشی تنها با نزدیك‌ترین آنتن به خود (یا قوی‌ترین سیگنال دریافتی) ارتباط برقرار می‌كند و برای حفظ عمر باتری از حداقل‌انرژی ممكن برای این كار استفاده می‌كند. این یك ضعف نیست، بلكه بخشی از طراحی شبكه تلفن‌همراه است تا بتوان از فركانس‌های رادیویی در مناطق نزدیك به هم استفاده كرد. كافی است تلفن‌همراه بتواند با نزدیك‌ترین آنتن و مركز كنترل در محدوده خود ارتباط برقرار كند: كار آنتن‌های تلفن‌همراه و مركز كنترل آنها دریافت این سیگنال‌های ضعیف ارسالی از ده‌ها و صدها مشترك تلفن‌همراه و هدایت آنها به مقصد مورد نظر است. همچنین برد محدود فرستنده گوشی به این معنی است كه این امواج ارتباطات در فركانس پایین ارسال شوند و با امواج رادیویی فركانس بالا اختلاف پیدا نكند.
به همین دلیل هم این آنتن‌های تلفن‌همراه بسیار بزرگ و پرقدرت هستند تا بتوانند امواج فركانس پایین را دریافت كنند. همچنین این ضعیف بودن امواج ارسالی از گوشی‌ها به این معنی است كه می‌توان از محدوده‌های فركانسی یا كانال‌های مشابه در مناطق جغرافیایی نزدیك به هم استفاده كرد و مساله اشباع فركانس‌های ارتباطی به‌وجود نخواهد آمد. به‌علاوه، اگر این آنتن‌ها نبودند، گوشی‌های همراه باید آنتن‌های بسیار بزرگ و منبع تغذیه‌های بسیار سنگینی می‌داشتند و این‌قدر حجیم و دست‌و‌پاگیر می‌شدند كه احتمالا دیگر قابل جابه‌جایی توسط یك فرد نبودند.
هرچند تلفن‌های همراه و خطوط تلفن ثابت یك كار را انجام می‌دهند، اما طرز كار آنها هیچ شباهتی به هم ندارد. خطوط ثابت همان‌طور كه از نامشان پیداست، با استفاده از سیم‌های فیزیكی ارتباط برقرار می‌كنند. درواقع اگر ایستگاه‌های تقسیم، مركزهای فیبر نوری و ارتباطات ماهواره‌ای را درنظر نگیریم، طرز كار خطوط ثابت درست مثل همان تلفن‌های اسباب‌بازی است كه با دو‌قوطی كنسرو و یك نخ در زمان كودكی می‌ساختیم: صدای شما در نهایت با عبور از یك سیم به مقصد می‌رسد. مزیت اساسی تلفن‌های همراه و دلیل اصلی همه‌گیر شدن آنها نیاز نداشتن به این اتصال فیزیكی و استفاده از امواج رادیویی برای ارسال و دریافت صدا و داده است.
وقتی با تلفن‌همراه خود صحبت می‌كنید، میكروفون گوشی شما بالا و پایین‌ها یا تغییرات فركانس صدای شما را تبدیل به یك سیگنال الكتریكی با فركانس متناظر می‌كند. یك تراشه در گوشی، این سیگنال‌ها را به رشته كدهای عددی تبدیل می‌كند و سپس این رشته‌های عددی به‌صورت یك‌موج رادیویی از آنتن گوشی مخابره میشوند. این امواج در محیط با سرعت نور منتشر شده و به نزدیك‌ترین آنتن تلفن‌همراه می‌رسند.
آنتن‌های تلفن‌همراه كه اسم فنی آنها BTS است و در همه جای شهرها و جاده‌ها دیده میشوند، این سیگنال‌ها را گرفته و برای مركز كنترل یا Base station
خود كه وظیفه هماهنگی و مدیریت همه ارتباطات در یك سلول یا منطقه جغرافیایی به‌خصوص در شبكه تلفن‌همراه را برعهده دارد، ارسال می‌كنند. به همین دلیل به تلفن‌همراه Cellular Phone یا تلفن سلولی هم گفته می‌شود. وقتی شما از گوشی خود با شماره دیگر از همان شبكه (مثل همراه اول به همراه اول) تماس می‌گیرید، تماس شما به نزدیك‌ترین مركز اصلی به مشترك مورد نظر هدایت شده و از آنجا برای او ارسال می‌شود. اگر این تماس با یك‌شماره در شبكه‌ای دیگر (مثل همراه اول به ایرانسل) باشد راه كمی طولانی‌تر خواهد بود، چون ممكن است تماس برای انتقال اول به شبكه كل تلفن منتقل و از آنجا به مقصد هدایت شود.
آنتن‌های تلفن‌همراه دقیقا
چه كار می‌كنند؟
گرچه تلفن‌های همراه از امواج رادیویی برای برقراری ارتباط استفاده می‌كنند، اما روش‌های بسیار پیشرفته‌تر و طرز كار كاملا متفاوتی برای انجام كار خود دارند. به‌نظر منطقی می‌رسد كه تلفن‌های همراه برای ارتباط با هم، مثل بی‌سیم‌های «واكی‌تاكی» از فرستنده ـ گیرنده برای ارسال مستقیم پیام استفاده كنند. ولی استفاده از فرستنده ـ گیرنده‌های رادیویی به این سبك یك مشكل بزرگ ایجاد می‌كند و آن هم محدودیت تعداد تماس‌های ممكن روی یك فركانس مشخص در یك منطقه جغرافیایی است، چرا كه با بالاتر رفتن تعداد دستگاه‌ها اختلال و تداخل تماس‌ها اجتناب‌ناپذیر خواهد بود.
نكته اصلی اینجاست كه در هر تلفن‌همراه یك فرستنده و گیرنده رادیویی برای ارسال و دریافت امواج تعبیه شده كه البته توان و درنتیجه برد بسیار محدودی دارد. هر گوشی تنها با نزدیك‌ترین آنتن به خود (یا قوی‌ترین سیگنال دریافتی) ارتباط برقرار می‌كند و برای حفظ عمر باتری از حداقل‌انرژی ممكن برای این كار استفاده می‌كند. این یك ضعف نیست، بلكه بخشی از طراحی شبكه تلفن‌همراه است تا بتوان از فركانس‌های رادیویی در مناطق نزدیك به هم استفاده كرد. كافی است تلفن‌همراه بتواند با نزدیك‌ترین آنتن و مركز كنترل در محدوده خود ارتباط برقرار كند: كار آنتن‌های تلفن‌همراه و مركز كنترل آنها دریافت این سیگنال‌های ضعیف ارسالی از ده‌ها و صدها مشترك تلفن‌همراه و هدایت آنها به مقصد مورد نظر است. همچنین برد محدود فرستنده گوشی به این معنی است كه این امواج ارتباطات در فركانس پایین ارسال شوند و با امواج رادیویی فركانس بالا اختلاف پیدا نكند.
به همین دلیل هم این آنتن‌های تلفن‌همراه بسیار بزرگ و پرقدرت هستند تا بتوانند امواج فركانس پایین را دریافت كنند. همچنین این ضعیف بودن امواج ارسالی از گوشی‌ها به این معنی است كه می‌توان از محدوده‌های فركانسی یا كانال‌های مشابه در مناطق جغرافیایی نزدیك به هم استفاده كرد و مساله اشباع فركانس‌های ارتباطی به‌وجود نخواهد آمد. به‌علاوه، اگر این آنتن‌ها نبودند، گوشی‌های همراه باید آنتن‌های بسیار بزرگ و منبع تغذیه‌های بسیار سنگینی می‌داشتند و این‌قدر حجیم و دست‌و‌پاگیر می‌شدند كه احتمالا دیگر قابل جابه‌جایی توسط یك فرد نبودند.