كيف يعمل الهاتف الخليوي ؟

**Comrad** · #1 (**permalink**) 04-09-2007, 09:49 AM

بسم الله الرحمن الرحيم ،

يستخدم الملايين حول العالم الهاتف الخليوي يومياً. تقدم هذه الأداة المفيدة خدمات كبيرة للمستخدم لا تقتصر على التكلم مع الطرف الآخر من أي مكان تقريباً و إنما تصل إلى تنظيم المواعيد و إرسال الرسائل القصيرة و البريد الإلكتروني.

فهم مبدأ الخلية :

إحدى أهم الحقائق المتعلقة بالهاتف الخليوي هو أنه ببساطة : جهاز راديو ! جهاز راديو معقد جداً و لكنه في النهاية مجرد جهاز راديو.

اخترع أكسندر غراهام بِل ( Alexander Graham Bell ) الهاتف عام 1876. و تعود نشأة الإتصالات اللاسلكية إلى اختراع نيكولاي تِسلا ( Nikolai Tesla ) للراديو في ثمانينات القرن التاسع عشر ، و الذي قدم بشكل رسمي على يد الإيطالي ماركوني (Guglielmo Marconi) عام 1894 . و كان من الطبيعي لهاتين التقنيتين الرائعتين أن تندمجا.

قبل اختراع الهاتف الخليوي ، كان الذي يحتاج إلى إمكانية اتصال لاسلكي يقوم بتثبيت هاتف لاسلكي - يعمل على الرديو - في السيارة. في هذا النظام يوجد هوائي رئيسي واحد في المدينة و يوفر هذا الهوائي حوالي 25 محطة
.
وجود هذا الهوائي يعني أن الهاتف الموجود في السيارة يحتاج جهاز إرسال قوي و كبير بما فيه الكفاية ليرسل لمسافة 40 إلى 50 ميلاً ( حوالي 70 كم ). كما يعني أن عدداً محدوداً فقط من الأشخاص بإمكانهم استخدامه لقلة عدد المحطات المتوفرة.

إن عبقرية النظام الخليوي تكمن في تقسم المدينة إلى " خلايا " ( Cells )، مما يسمح بإعادة استخدام واسع للترددات عبر المدينة مما يسمح للملايين من المستخدمين باستخدام الهاتف الخليوي في نفس الوقت.

هندسة الخلايا :

يتم تقسيم المدينة إلى خلايا مساحة كل منها حوالي 10 أميال مربعة ( حوالي 26 كم مربع ) لكل منها شكل سداسي منتظم كما يظهر في الشكل التالي :

لكل من هذه الخلايا محطة أساسية تضم برجاً و مبنى صغير يحوي على تجهيزات الراديو.

الترددات :

تقوم إحدى الخلايا الموجودة في نظام تماثلي باستخدام سُبع ( 1/7 ) المحطات الصوتية المزدوجة المتوفرة ، و بهذا يكون لكل خلية سلسلة معينة من الترددات التي تستخدمها بحيث لا يحدث تداخل.

** يحجز مشغل الهاتف الخليوي 832 تردد راديو لاستخدامه عبر المدينة.
** كل هاتف خليوي يستخدم ترددين - محطة مزدوجة - عند استخدامه. فيكون هناك 395 محطة صوتية لكل مشغل. ( الـ 42 تردد الباقية تسمى محطات تحكم control channels ).
** بالنتيجة ، لكل خلية 56 محطة صوتية متاحة للاستخدام.

مما يعني أنه في أي خلية ، يستطيع 56 شخص استخدام هواتفهم الخليوية في نفس الوقت. يمكن مضاعفة هذا العدد عدة مرات باستخدام نظام النقل الرقمي .

البث :

تحوي أجهزة الهاتف الخليوي على أنظمة بث منخفضة الاستطاعة، تضم معظم هذه الأجهزة قوتين مختلفتين للإشارة : 0.6 واط و 3 واط ( بينما تستخدم أجهزة الراديو المستخدمة للتراسل الشخصي إشارة باستطاعة 4 واط ).
و تقوم محطات البث أيضاً بالبث باستطاعة منخفضة. و لهذا الأمر عدة محاسن :

*** لا يصل إرسال إحدى المحطات إلى نطاق المحطات المجاورة مما يسمح بإعادة استخدام الـ 56 تردد بشكل مستمر عبر المدينة.
*** الاستهلاك المنخفض للطاقة في الهاتف الخليوي يسمح باستخدام بطاريات صغيرة الحجم مما مكن من ظهور الهاتف الخليوي القابل للحمل باليد.

تقسيم المدينة إلى خلايا يتطلب المئات من أبراج البث فيها ، و لكن مع وجود الكثير من المستخدمين فإن الكلفة لكل مستخدم تنخفض جداً.

يضم كل مُشغل للهاتف الخليوي مكتباً مركزياً يدعى " مكتب تحويل الهاتف الخليوي " ( Mobile Telephone Switching Office (MTSO) ). يقوم هذا المكتب بتحويل جميع المكالمات إلى الهواتف الأرضية.

**Nokia-Master** · #2 (**permalink**) 04-09-2007, 09:53 AM

شكرا علئ المعلومات القيمة...

**Comrad** · #3 (**permalink**) 04-09-2007, 09:55 AM

رموز الهاتف الخليوي :

تملك جميع الهواتف الخليوية رموز خاصة تستخدم لتميز الهاتف و صاحبه و مزود الخدمة.
لنفترض أنك قد قمت بتشغيل هاتفك الخليوي و هناك شخص ما يحاول الإتصال بك، هذا ما يحدث :

** عندما تضغط زر التشغيل ، و يعمل الجهاز فإنه يبحث عن SID من قناة التحكم !!
حيث أن SID تعني System Identification Code أي رمز تعريف النظام و هو رمز مكون من خمسة أرقام مخصص لكل مزود خدمة.
قناة التحكم ( control channel ) : تردد خاص يستخدمه الهاتف الخليوي " للتحدث " مع قاعدة البث عن إعداد المكالمة و تغيير محطات البث ... إلخ . و عندما لا يجد الهاتف أي قناة تحكم يعرف أنه خارج نطاق التغطية و يظهر رسالة على الشاشة تنبه إلى ذلك.

** عندما يستقبل الهاتف رمز الـ SID يقوم بمقارنته مع الرمز المخزن فيه سلفاً، فإذا حدث التطابق يعرف الهاتف أن الخلية التي يحاول الإتصال بها هي جزء من الشبكة التي يتبع لها.

** يقوم الهاتف - في الوقت ذاته الذي يستقبل فيه الـ SID - بإرسال طلب تسجيل إلى الـ MTSO ( الذي تحدثنا عنه في نهاية الجزء السابق ) ، حيث يسجل الـ MTSO مكانك ضمن الشبكة في قاعدة بياناته كي يعرف مكان تواجدك حين يرغب بتحويل مكالمة لك.

** يتسلم الـ MTSO مكالمة لك ، فيقوم بالبحث عن مكان وجودك ضمن قاعدة البيانات كي يعرف في أي خلية توجد حالياً.

** يختار الـ MTSO ثنائية ترددات كي يستخدمها هاتفك حين يستقبل المكالمة.

** يتصل الـ MTSO بهاتفك عن طريق محطة التحكم كي يخبره عن الترددات التي سيستخدمها لاستقبال المكالمة و بمجرد أن يحول الهاتف و البرج إلى الترددات المطلوبة تستقبل أنت المكالمة و تصبح كأنك تتكلم مع صديقك عبر راديو بمحطتين !

** عندما تستمر بالتقدم نحو حدود الخلية التي توجد فيها حالياً ، تلاحظ القاعدة ضعف الإشارة المستقبلة من هاتفك ، و في نفس الوقت تلاحظ قاعدة الخلية التي تتجه إليها ازدياد قوة الإشارة المستقبلة من هاتفك ( حيث أن كل قاعدة تقوم برصد كل الترددات و ليس الترددات الخاصة بها فقط ) و تقوم القاعدتان بالتصال فيما بينهما عن طريق الـ MTSO ، و في إحدى اللحظات يصل لهاتفك إشارة عن طريق محطة التحكم تخبره عن المحطتين الجديدتين التي يجب عليه التحويل لهما. و هذه العملية هي التي تنقلك من خلية إلى أخرى أثناء تجوالك.

التجوال ضمن الشبكات المتعددة :
إذا لم يتطابق الـ SID المرسل عن طريق محطة التحكم مع ذلك الموجود في هاتفك مسبقاً ، فإن الهاتف يعرف أنه
خارج نطاق شبكته الأصلية. و في هذه الأثناء يقوم الـ MTSO الخاص بالشبكة التي توجد فيها بالإتصال مع الـ MTSO الخاص بشبكتك الأصلية للتحقق من صلاحية الـ SID الموجود في هاتفك، و عندما يصل التأكيد يقوم الـ MTSO بتعقب هاتفك ضمن الخلايا التي تتجول فيها. و المدهش أن كل هذه العملية تتم خلال ثوان معدودة.

مقارنة بين الهاتف الخليوي و أجهزة الراديو المحمولة :

المقصود هنا بأجهزة الراديو المحمولة الأجهزة التي يستخدمها شرطة المرور أو الـ walkie-talkie الذي يستخدمه الهواة.

** يستخدم الـ walkie-talkie محطة واحدة للإرسال و الإستقبال و لذلك يتمكن شخص واحد فقط من التكلم في وقت واحد . بينما الهاتف الخليوي يستخدم محطة للإرسال و أخرى مستقلة للإستقبال.

** يستطيع الـ walkie-talkie أن يستخدم محطة واحدة فقط بينما يستطيع الهاتف الخليوي من استخدام أكثر من 1664 محطة.

** يمكن استخدام الـ walkie-talkie ضمن نطاق ميل واحد ( 1.6 كم ) فقط ( عند استخدام جهاز إرسال باستطاعة 0.25 واط ) بينما يمكن مفهوم الخلايا المستخدم في الهاتف الخليوي المستخدم من الإستمرار في مكالمة
واحدة أثناء الإنتقال لمئات الأميال دون إنقطاع.

عند استخدام محطة واحدة يتمكن طرف واحد فقط من التكلم كل مرة.

عند استخدام محطتين معاً كما في الهاتف الخليوي يتمكن الطرفين من التكلم بآن واحد.

**Comrad** · #4 (**permalink**) 04-09-2007, 10:01 AM

ماذا يوجد داخل الهاتف الخليوي ؟

الهواتف الخليوية أجهزة معقدة جداً و البعض الحديث منها يمكنه إجراء الملايين من العمليات الحسابية في الثانية

لضغط و فك ضغط التدفق الصوتي.

عندما نقوم بفك الهاتف الخليوي نجد الأجزاء التالية :

** لوحة إلكترونية تحوي الدارات التي تشغل الجهاز.
** هوائي.
** شاشة إظهار بالكريستال السائل ( LCD : liquid crystal display ).
** لوحة مفاتيح.
** مايكروفون.
** مكبر صوت.
** بطارية.

اللوحة الإلكترونية :

و هي أساس عمل الهاتف. و الصورة التالية هي لأحد هواتف نوكيا التقليدية :

الوجه الأمامي للّوحة الإلكترونية.

الوجه الخلفي للّوحة الإلكترونية.

نرى في الصورتين السابقتين العديد من الرقاقات التي تقوم بمهام مختلفة. رقاقة التحويل رقمي - تماثلي (digital-to-analog) و تماثلي - رقمي (analog-to-digital) تقوم بتحويل الإشارة الصوتية الصادرة من إشارة تماثلية إلى أخرى رقمية بينما تحول الإشارة الرقمية الواردة إلى أخرى تماثلية.
يقوم معالج الإشارة الرقمي ( DSP : digital signal processor ) بحسابات الإشارة بسرعة عالية.

يقوم المعالج الصغري ( microprocessor ) بالاهتمام بجميع الأوامر المتلقاة من لوحة المفاتيح و بتنظيم إشارات الأوامر و التحكم المتبادلة مع قاعدة الخلية التي توجد بها كما يقوم بإدارة باقي المهام الممكن تواجدها على اللوحة الإلكترونية.

المعالج الصغري في الهاتف الخليوي

تقوم ذاكرة ROM و ذاكرة Flash بتخزين نظام التشغيل الذي يشغل الهاتف و بتخزين باقي المعلومات المستخدمة في الهاتف كدليل الأرقام.

الإظهار و المفاتيح

لقد تطورت شاشات الإظهار في الهواتف الخليوية بشكل كبير كما تطورت مهام الهاتف نفسه حتى أصبح البعض منها يصنف ككمبيوترات محمولة صغيرة.

كرت ذاكرة Flash الموجود على اللوحة.

كرت ذاكرة Flash بعد إزالته.

مكبر الصوت ، المايكروفون و البطارية الاحتياطية.

يستخدم الهاتف الخليوي كما هو واضح في الصورة مكبر صوت و مايكرفوناً صغيراً جداً في الحجم إلا أنهما ذو أداء عالي

جداً. و تستخدم البطارية من قبل رقاقة الساعة الداخلية في الهاتف ( internal clock chip ).

AMPS :

ظهر هذا النظام عام 1983 و هو اختصار لـ Advanced Mobile Phone System و تم استخدامه في شيكاغو بالولايات المتحدة. كما يستخدم نطاق ترددات بين 824 ميغاهيرتز و 894 ميغاهيرتز للهواتف الخليوية التماثلية.

كان يخصص لكل شركة مشغلة لهذا النظام 832 تردد ، 790 للصوت و 42 للبيانات ( Data ) و كان يستخدم ثنائية من الترددات لإنشاء محطة واحدة ( تردد للإرسال و الآخر للإستقبال ).

كان عرض مجال الترددات المستخدمة للمحطات الصوتية 30 كيلوهيرتز و تم اختيار هذه القيمة لأنها تعطي صوتاً يقارب في وضوحه وضوح الصوت في الهواتف الأرضية.
كما كان يفضل بين تردد الإرسال و تردد الإستقبال 45 ميغاهيرتز لمنع التداخل بينهما.

و بذلك يكون لكل شركة مشغلة 395 محطة صوتية و 21 محطة للبيانات.

ظهرت نسخة أحدث من هذا النظام دعيت بـ Narrowband Advanced Mobile Phone Service: NAMPS . التي أدخلت ببعض التقنيات الرقمية مما سمح للنظام بتحمل ثلاث أضعاف عدد المكالمات التي كان يتحملها. إلا أنه رغم ذلك ظل يعتبر ضمن الأنظمة التماثلية و ليس الرقمية.

DynaTAC cell phone, 1983

الانتقال من التماثلي إلى الرقمي :

يستخدم الهاتف الخليوي النظمي نفس نظام الراديو الموجود في الهاتف الخليوي التماثلي إنما بطريقة أخرى. حيث أنه على العكس من الأمواج الرقمية ، فإن الأمواج التماثلية غير قابلة للضغط و المعالجة بفعالية.

بقوم النظام الرقمي بتحويل صوتك إلى الترميز الثنائي ( واحدات و أصفار ) و من ثم "يضغطه" مما يسمح لعشر مكالمات رقمية أن تشغل مكان مكالمة واحدة تماثلية.

يعتمد العديد من أنظمة الهواتف الخليوية الرقمية على الـ FSK : frequency-shift keying لإرسال و استقبال البينات عبر نظام AMPS.
يستخدم نظام FSK ترددين : أحدهما للواحدات و الآخر للأصفار و يبدل بسرعة بين الاثنين لإرسال المعلومات الرقمية و استقبالها من و إلى برج البث.
تتطلب هذه العملية تعديلاً ( modulation ) ذكياً و نظام ترميز مناسب لتحويل الإشارة التماثلية إلى رقمية و ضغطها و إرسالها و من ثم إعادة استقبالها و تحويلها من جديد مع الحفاظ على جودة صوت مناسبة.

**Comrad** · #5 (**permalink**) 04-09-2007, 10:06 AM

تقنيات الوصول الخليوي :

يوجد ثلاث تقنيات تستخدمها شبكات الخليوي لنقل المعلومات :

** Frequency division multiple access (FDMA)
** Time division multiple access (TDMA)
** Code division multiple access (CDMA)

قد تبدو الأسماء السابقة معقدة للوهلة الأولى و لكن بمعرفة بعض المبادئ البسيطة حول عمل كل منها فإن غموضها سو يزول.

الكلمة الأولى من كل من الأسماء السابقة تعبر عن المنهاج المتبع في " الوصول access "، الكلمة الثانية " تقسيم division " تخبرنا أن المكالمة سوف " تقسم " تبعاً للمنهج المتبع في التقنية :

FDMA : تضع كل مكالمة على تردد منفصل.
TDMA : تعطي كل مكالمة جزءاًَ محدداً من الوقت على تردد معين.
CDMA : تعطي كل مكالمة رمزاً ( Code ) معيناً و من ثم تقوم " بنشر " المكالمة عبر الترددات المتوفرة.

القسم الأخير من كل اسم " متعدد الوصول multiple access " يعني ببساطة أنه بإمكان أكثر من مستخدم أن يستخدم نفس الخلية .

FDMA :

تقوم هذه التقنية بتقسم الطيف إلى محطات صوتية واضحة عن طريق تقسيمه إلى " حزم متماثلة " ( uniform chunks of bandwidth ).
لكي نفهم هذه التقنية أكثر، نأخذ محطات الراديو كمثال : كل محطة راديو ترسل إشارتها على تردد معين ضمن المجال المسموح.
تستخدم الـ FDMA بشكل أساسي للنقل التماثلي ( analog transmission ). و على الرغم من مقدرتها على حمل الإرسال الرقمي إلا أنها لا تعتبر تقنية فعالة في ذلك.

في تقنية FDMA يستخدم كل هاتف تردداً مختلفاً .

TDMA :

تقوم هذه التقنية بتقسم حزمة ضيقة ( narrow band ) - عرضها 30 KHz و طولها 6.7 ميلي ثانية - إلى ثلاث شقوق زمنية ( time slots ).
تعبير " حزمة ضيقة " يعني باللغة الدارجة " محطة Channel ". تأخذ كل مكالمة ثلث واحد من الزمن، و هذا ممكن لأن بيانات الصوت قد ضغطت بعد تحويلها إلى بيانات رقمية فهي بالتالي تحتاج مساحة أقل للنقل.

و لذلك فإن الـ TDMA تمتلك سعة مقدارها ثلاثة أضعاف سعة نظام تماثلي آخر يستخدم نفس العدد من المحطات ( Channels).
و تعمل الأنظمة المعتمدة على TDMA في حزمة الترددات 800 MHz أو 1900 MHz .

تقوم تقنية TDMA بتقسم تردد واحد إلى عدة شقوق زمنية.

TDMA/GSM :

تستخدم تقنية TDMA كنظام الوصول في أنظمة GSM ( Global System for Mobile communications ). يستخدم نظام GSM التشفير (encryption) لجعل المكالمات أكثر أماناً.
يعمل نظام GSM على حزم الترددات 900 MHz و 1800 MHz في أوروبا و آسيا و على حزمة 1900 MHz في الولايات المتحدة.
و يعتبر هذا النظام قياسياً في كثير من مناطق العالم مثل أوروبا و أستراليا و غالبية آسيا و إفريقيا. و بإمكان المستخدم في أي من هذه المناطق المغطاة أن يشتري جهاز هاتف خليوي و يستخدمه في أي مكان يعتمد النظام القياسي. و لإجراء عملية الوصل مع مقدم الخدمة في أي من هذه البلدان يجب تبديل الـ SIM ( subscriber identification module ) و هي بطاقة صغيرة يمكن تركيبها و إزالتها من أجهزة الهاتف يخزن فيها جميع معلومات الإتصال و أرقام التعريف اللازمة لإجراء الإتصال مع أحد مقدمي الخدمة.

كما أن أجهزة الهاتف التي تعمل على 1900 MHz المستخدمة في الولايات المتحدة لا يمكن استخدامها في باقي العالم لعدم توافقها مع النظام المستخدم عالمياً.

حقائق :

** تم وضع أساسيات نظام GSM للهواتف الخليوية في منتصف الثمانيانات في أوروبا قبل فترة طويلة من انتشار نظام الهاتف الخليوي في الولايات المتحدة.
** من الممكن الآن أن نحدد مكان أي شخص يستخدم هاتفاً خليوياً و موجود في أي مكان على الكرة الأرضية و بدقة تصل لحدود عدة أمتار.