Zanim smartfony stały się przedłużeniem naszych rąk, łączność mobilna była niszowym luksusem. Nie był przeznaczony dla przeciętnego kierowcy. To rozwiązanie było przeznaczone dla osób, które dosłownie musiały rozmawiać w drodze.
Zainstalowali w swoich samochodach radiotelefony. Nie były to eleganckie urządzenia, które dziś nosimy przy sobie. Były to nieporęczne pudełka z antenami przypominającymi płetwy rekina. System opierał się na jednej centralnej wieży w każdym mieście. Tylko jeden.
Wieża ta zapewniała około 25 kanałów. To wszystko. Dwadzieścia pięć jednoczesnych rozmów na terenie całej metropolii.
Aby to zadziałało, telefon w Twoim samochodzie musiał mieć mocny nadajnik. Miał transmitować sygnał na odległość 40–50 mil. To około 70 kilometrów. Sprzęt był potężny. Koszt jest zaporowo wysoki. Przepustowość jest znikoma.
Nie można było po prostu podnieść telefonu i wybrać numeru. Po prostu nie było wystarczającej liczby kanałów. Gdyby wszyscy próbowali korzystać z systemu w tym samym czasie, sieć uległaby załamaniu. Dla niewielkiej części populacji była to kosztowna infrastruktura.
Geniusz ponownego wykorzystania częstotliwości
System komórkowy zmienił wszystko, dzieląc miasto na małe komórki.
Wyobraź sobie mapę. Teraz podziel go na sześciokąty. Każdy sześciokąt jest komórką. Każda komórka ma własną wieżę nadajnika małej mocy. To tutaj dzieje się magia.
Geniusz nie tkwi tylko w powłoce. Chodzi o ponowne wykorzystanie częstotliwości.
Ponieważ każda komórka wykorzystuje nadajniki małej mocy, te same częstotliwości radiowe mogą być używane w komórkach niesąsiadujących ze sobą. Możesz rozmawiać w centrum Manhattanu, korzystając z kanału A. W tym samym czasie ktoś w Jersey City może korzystać z kanału A. Ktoś inny w Queens też może z niego korzystać.
Dzięki temu te same częstotliwości mogą być szeroko stosowane w całym mieście. Nagle miliony ludzi mogą korzystać z telefonów komórkowych w tym samym czasie. Sieć się skaluje. Koszt maleje. Technologia staje się dostępna na rynku masowym.
Porównanie telefonów komórkowych z radiem obywatelskim (CB)
Aby zrozumieć złożoność współczesnego telefonu komórkowego, należy przyjrzeć się temu, co było wcześniej. Porównaj to z cywilnym radiem (CB) lub walkie-talkie.
Walkie-talkie to dwukierunkowa stacja radiowa. Naciskasz przycisk. Mówić. Wszyscy na tym kanale Cię słyszą. To proste. To jest ograniczone. Jest to zasada jeden do wielu.
Radio obywatelskie (CB) jest podobne. Wybierasz kanał. Prowadzisz transmisję. Inni użytkownicy CB na tym kanale słuchają. Jeśli ktoś inny się odezwie, poczekaj. To jest zasób udostępniony.
Telefon komórkowy jest inny. To jest dwustronna prywatna rozmowa. Ale wykorzystuje tę samą podstawową zasadę fal radiowych. Różnica polega na procesie przekazania.
Gdy przechodzisz z jednej komórki do drugiej, Twój telefon płynnie przełącza się między wieżami. Dzieje się to bez przerywania rozmowy. Sieć steruje przełączaniem. Użytkownik nawet nie zauważa, że coś takiego się dzieje.
Nie dotyczy to tylko rozmów. To jest zarządzanie zasobami. Co sekundę Twój telefon komunikuje się z najbliższą wieżą. Sprawdza poziom sygnału. Żąda przepustowości. Przełącza do następnej komórki podczas przesuwania.
W ten sposób sieci komórkowe obsługują miliony użytkowników. To nie jest jedna wielka wieża. To dużo maluchów. To jest ponowne użycie. To jest inteligentne sterowanie.
Technologia jest złożona. Wynik jest prosty. Po prostu rozmawiasz.
Krótkofalówki i radia KB mają zasadnicze ograniczenie: są urządzeniami półdupleksowymi. Nie da się jednocześnie mówić i słuchać. Obie strony korzystające z tego samego kanału radiowego KB działają na tej samej częstotliwości, co oznacza, że tylko jedna strona może nadawać, podczas gdy druga czeka. Telefony komórkowe działają inaczej. Są to urządzenia full duplex. Jedna częstotliwość odpowiada za transmisję Twojego głosu, a druga, osobna częstotliwość odpowiada za odbiór głosu Twojego rozmówcy. Można mówić i słyszeć jednocześnie.
Skala łączności różni się znacznie pomiędzy tymi technologiami. Zwykłe walkie-talkie zwykle oferuje tylko jeden kanał. Radio KB poszerza tę liczbę do 40 kanałów. Nowoczesny telefon komórkowy łączy się ze znacznie większą pulą częstotliwości. W zależności od sieci jedno urządzenie może uzyskać dostęp do 1664 lub więcej kanałów. Tak ogromna liczba dostępnych częstotliwości pozwala na obsługę znacznie większej liczby jednoczesnych użytkowników.
Zasięg to kolejna kluczowa różnica. Podstawowe analogowe walkie-talkie z nadajnikiem o mocy 0,25 W zapewnia komunikację na odległość około jednej mili (1,6 km). Radia KB zużywają więcej energii. Ich 5-watowe nadajniki zwiększają zasięg do około pięciu mil (8 kilometrów). Telefony komórkowe nie opierają się wyłącznie na dużej mocy. Opierają się na architekturze sieci komórkowej.
Telefony komórkowe działają w siatce nakładających się obszarów zwanych komórkami. Kiedy się poruszasz, telefon przełącza się z jednej komórki na drugą. Ten proces przełączania pozwala podróżować setki mil, utrzymując rozmowę. Zasięg jest w rzeczywistości ograniczony jedynie zasięgiem sieci, a nie mocą urządzenia przenośnego.
W typowym analogowym systemie komórkowym w USA operatorom przydzielono około 800 częstotliwości dla całego miasta. Aby efektywnie zarządzać tym widmem, inżynierowie dzielą miasto na mniejsze strefy. Każda komórka zajmuje powierzchnię około 10 mil kwadratowych (26 kilometrów kwadratowych). Strefy te są często przedstawiane jako sześciokąty na siatce.
Model sześciokątny służy nie tylko przejrzystości. Pomaga to zilustrować zasadę ponownego wykorzystania częstotliwości. Ponieważ telefony komórkowe i stacje bazowe korzystają z nadajników małej mocy, sygnały nie przemieszczają się nadmiernie poza sąsiednie obszary. Dzięki temu niesąsiadujące komórki mogą używać tych samych częstotliwości. Jedna grupa komórek może korzystać z częstotliwości A, podczas gdy komórka znajdująca się dwie strefy dalej również wykorzystuje częstotliwość A. To ponowne wykorzystanie zwielokrotnia wydajność systemu.
Każda komórka jest obsługiwana przez stację bazową. Infrastruktura ta składa się z wieży i sąsiedniego budynku, w którym mieści się sprzęt radiowy. Stacja bazowa działa jako brama między telefonem a szerszą siecią. W następnej sekcji przyjrzymy się bliżej, jak te stacje działają i zarządzają ruchem. Najpierw ważne jest, aby zrozumieć, w jaki sposób same komórki są zbudowane i zoptymalizowane.
