كل ماهو جديد في عالم الحواسيب و الشبكات و البرامج و الاتصالات و التكنولوجيا: كيف يعمل الهاتف المحمول أو البايل (الجوال) ؟

الأحد، 22 أبريل 2012 الرئيسية علوم و تكنولوجيا في العالم كيف يعمل الهاتف المحمول أو البايل (الجوال) ؟

طارق الزعبي المدير

الجنسية	تونسي
العمر	15 سنة
الموقع	مدون متقن

كيف يعمل الهاتف المحمول أو البايل (الجوال) ؟

من المدهش أن تعرف أن جهاز الجوال هو جهاز يشبه في عمله جهاز الراديو، ولكن راديو بدرجة عالية من الدقة والتعقيد. أخترع التلفون العادي بواسطة العالم الاكسندر جراهام بل Alexander Graham Bell في 1876، والاتصالات اللاسلكية تطورت نتيجة لاختراع وتطور اجهزة الراديو الذي اخترع بواسطة العالم نيكولاي تسلا Nikolai Tesla في 1894. ومن الجدير بالذكر أنه من الطبيعي أن تتحد وتندمج فكرة الهاتف والراديوا معا.

هذا بالنسبة لتلفونات الراديو، أما في نظام تلفون الجوال فإن المدينة تقسم إلى خلايا صغيرة cells وفي كل خلية يوجد محطة ارسال (أنتينا)، وبهذه الطريقة يمكن اعادة استخدام نفس التردد على كل المدينة وبالتالي فإن الملايين من الأفراد يمكنهم استخدام الجوال في نفس الوقت،

تقسيم المدينة إلى خلايا Cells ادى إلى تسمية الجوالات بالانجليزية Cell Phone أي الجوال الخلوي وهذا هو الاساس في التسمية، أما كلمة المحمول والجوال فهي دلالات على قابلية التحدث من أي مكان في العالم.

لفهم دقيقة لفكرة عمل الجوال سوف نقوم بمقارنة الجوال مع بعض الأجهزة اللاسلكية مثل جهاز CB radio ووهو اختصار لما يعرف باسم جهاز راديو موجة المدينة (City Band Radio) وللتعرف أكثر على هذا الجهاز اطلع على الموقع التالي على الانترنت http://en.wikipedia.org/wiki/Cb_radio

CB Radio

كما سوف نقارن الجوال بجهاز أخر معروف أكثر لنا وهو أو جهاز walkie-talkie وهو جهاز يعمل بنظام راديو ارسال واستقبال. وستجد المزيد عن هذا الجهاز على الموقع التالي على شبكة الإنترنت http://en.wikipedia.org/wiki/Walkie-talkie

Walkie-Talkie

عناصر المقارنة بين جهازي CB radios و Walkie-Talkie وجهاز الجوال هي

طريقة الاتصال Duplex
القناوات Channels
المدى Range

كلأ من جهازي CB radios و Walkie-Talkie يعتبران أجهزة ذات half-duplex، حيث أن في أجهزة CB Radio يتم الاتصال بين شخصين باستخدام نفس التردد، لذا فإن شخص واحد فقط يستطيح التحدث والأخر يستمع. أما الجوال فيعمل بنظام full-duplex وهذا يعني أن هناك تردد مخصص للحديث وتردد اخر مختلف للاستماع مما يعني أن كلأ الشخصين يمكنهما التحدث في نفس الوقت.

إن مصطلح كلمة "Duplex" يعني امكانية ارسال واستقبال البيانات بين الأجهزة الإلكترونية باستخدام الصوت. ولمزيد من المعلومات عن هذا المصطلح تجده على الموقع التالي

http://telecom.hellodirect.com/docs/Tutorials/DuplexExplained.1.080801.asp

يوجد في أجهزة walkie-talkie قناة واحدة للاتصال بينما في أجهزة CB radio يوجد 40 قناة للاتصال. ولكن في أجهزة الجوال يتعامل مع أكثر من 1664 قناة

اتصال بين سائقي شاحنتين يستخدما نظام راديوا يعمل على تردد واحد (half-duplex) حيث يتحدث أحدهما والأخر يستمع،

في أجهزة الراديو التي تعمل بنظام full-duplex فإن الشخصين المتحدثين يستخدما ترددات مختلفة مما يسمح لهما التحدث في نفس الوقت

ولتوضيح فكرة تقسيم المدينة إلى خلايا فسوف نستعين بالشكل التوضيحي أدناه، حيث تقسم المدينة إلى خلايا كل خلية بمساحة 26 كيلومتر مربع وتأخذ شكل سداسي ا لأضلاع كما في الشكل. كل خلية من الخلايا التي قسمت إليها المدينة تحتوي على محطة تقوية تحتوي على برج يحمل معدات ارسال راديو.

وبسبب أن أجهزة الجوال ومحطات الارسال تعمل بقدرة منخفضة فإن نفس الترددات يمكن ان تستخدم في الخلايا البعيدة مثل الخليتين المميزتين باللون الداكن الموضحتين في الشكل أعلاه.

ملاحظة: أنظمة الهواتف الخلوية التي تعمل بالنظام التناظري analog تسمى بتكنولوجيا جوال الجيل الأول first-generation mobile technology ويرمز لها بالرمز 1G. ونظام الهواتف الخلوية التي عملت بالنظام الرقمي تسمى تكنولويجا الجيل الثاني 2G حيث ازدادت عدد القنوات المتوفرة للاستخدام بحوالي ثلاثة اضعاف أي أصبح 168 قناة متوفرة للاتصال في نفس الوقت للخلية الواحدة. وسوف نشرح تطور تكنولوجيا الجوال وأجياله المعروفة بالاختصارات TDMA, CDMA, GSM لاحقاً.

مزايا اتصالات الجوال عن الأنظمة القديمة للاتصالات اللاسلكية

يستخدم الجوال قدرة منخفضة تصل ما بين 0.6 إلى 3 وات فقط وهذا أقل بما هو مستخدم في CB radio حيث كانت القدرة 4 وات. كما أن محطات الارسال تعمل بطاقة منخفضة ايضا، مما يعني أن:

أن منطقة التغطية للترددات بين محطة الارسال والجوال لن تزيد عن مساحة الخلية السداسية الشكل وهذا يجعل اعادة استخدام نفس الترددات في خلايا اخرى ممكن. أي 56 شخص لكل خلية يمكنهم التحدث مع بعضهم البعض في نفس الوقت باستخدام نفس الترددات.

في النهاية فإن عدد كبير من محطات الارسال توجد في كل مدينة تستخدم هواتف الجوال وقد يصل عدد هذه المحطات بالمئات ويتحكم بها محطة مركزية للتحويلات تعرف باسم Mobile Telephone Switching Office (MTSO). تعمل هذه المحطة على الحكم في المحطات المنتشرة في المدينة (الخلايا) وتعمل ايضا على ربط كل الاتصالات من الهواتف الجوالة مع الهواتف الأرضية التي تعمل بنظام الاتصال التقليدي.

التلفون المحمول يمتلك شيفرات خاصة مرتبطة به ويعمل من خلالها. تستخدم هذه الشيفرات لتعريف جهاز الجوال، ومالكه، ومزود الخدمة او الشركة التابع لها.

مكتب التحويلات Mobile Telephone Switching Office (MTSO) وهو عبارة عن كمبيوتر في محطة الارسال الخاصة بالجوال ويتحكم في كل نظام الجوال ويتعقبه ويقيس قوة الاشارة التي تصل لجوالك ويعطي الأمر للانتقال الى خلية اخرى عندما تضعف الإشارة، كما ويربط كل محطات التقوية الموجودة في كل الخلايا التابعة لمحطة المركزية ومن مهامه ايضا حساب قيمة الفاتورة لمكالماتك

بينما تنتقل اثناء الاتصال فإن الاشارة تتحول من خلية إلى أخرى دون أن ينقطع الاتصال ويقوم بذلك ويشرف عليه مكتب التحويلات MTSO وهو الصندوق الاسود المبين في الرسم

والأن سوف نقوم بدراسة وشرح تركيب جهاز الجوال

يعتبر جهاز الجوال من اكثر الاجهزة التقنية تعقيداً من ناحية تكدث الدوائر الالكترونية فيه على مساحة صغيرة ويقوم جهاز الجوال باجراء الملايين من الحسابات كل ثانية اثناء ضغط الموجات الصوتية التي يرسلها واعادة فك الموجات الصوتية التي يستقبلها لتتمكن من الحديث والاستماع الى من تتصل بهم.

مكونات واجزاء الجوال

اذا ما قمنا بالنظر إلى مكونات جهاز الجوال كما هو في الصورة أعلاه فإن الجوال يحتوي على الاجزاء التالية:

اللوحة الإلكترونية للجوال وعلى اليمين الواجهة الأمامية وعلى اليسار الواجهة الخلفية

اللوحة الالكترونية قلب نظام الجوال وترى فيها عدة قطع تشبه قطع الكمبيوتر chips ومن هذه القطع الكمبوترية ما يقوم بتحويل الاشارة التناظرية الى رقمية وأخرى تقوم بتحويل الاشارة الرقمية إلى تناظرية حيث تعمل على تحويل الاشارة الصوتية وتترجمها إلى اشارة رقمية وتعمل القطعة الاخرى على استقبال الاشارة الرقمية التي تحتوي على شيفرة الصوت وتترجمها وتحولها إلى اشارة تناظرية. ويقوم بعمل التحويل والترجمة ميكروبروسسور خاص بنظام التعامل مع الاشارات الرقمية ويعرف باسم digital signal processor ويختصر DSP وهو ميكروبروسسور عالى الكفاءة ويقوم بانجاز الحسابات المتعلقة بالتحويل بين الاشارات التناظرية والرقمية بسرعة عالية جداً.

ويعمل الميكروبروسسور على الربط بين لوحة المفاتيح وشاشة العرض من خلال الاوامر التي تعضيها للجوال بواسطة لوحة المفاتيح ويظهر كل ما تقوم به على شاشة العرض، كما يعمل على ارسال بعض الأوامر التي تتطلب تنفيذها من محطة الجوال الرئيسية ويستقبل المعلومات منها ويفهمها ويعرضها لك باللغة التي اخترتها مسبقاً.

ميكروبروسيسور الجوال

كما تحتوي اللوحة الالكترونية على ذاكرة عشوائية والتي تعرف باسم ROM في مصطلحات الكمبيوتر وتحتوي ايضا على ذاكرة فلاش لتعطي مساحة اكبر لتخزين نظام تشغيل الجوال والعديد من البرامج المساعدة مثل برنامج ادارة دليل الاتصالات وبرنامج الاجندة وتنظيم المواعيد.

تحتوي اللوحة الالكترونية ايضا على مولد امواج الراديو RF الذي يتعامل مع المئات من ترددات قنوات FM وتحتوي على قسم الطاقة الكهربية المسؤول عن ادارة الطاقة الكهربية واعادة الشحن. كما تحتوي اللوحة الالكترونية على مكبر امواج الراديو التي تتعامل مع الاشارات المرسلة والمستقبلة من والى الجوال عبر الانتينا.

شاشة العرض LCD

تطورت شاشات العرض كثير من حيث دقة العرض والالوان والمساحة لتتماشى من التطور الحادث على الجوال وعلى الخدمات التي نحصل عليه منها حيث الجوالات الحديثة اصبحت تحتوي على دليل هاتف وعلى الة حاسبة وعلى العديد من الالعاب الالكترونية كما اصبح الجوال يستخدم لارسال واستقبال الرسائل الاكترونية وكذلك لتصفح الانترنت وهذا يتطب الجودة العالية والدقة والوضوح واللوان الزاهية والمساحة الكبيرة لشاشة العرض. وفكرة عمل شاشات العرض هذه قد سبق شرحها في موضوع منفصل بعنوان كيف تعمل شاشات البلورات السائلة LCD.

المكان المخصص لشريح الجوال

بعض انواع الجوالات تحتوي على المعلومات الخاص بشيفرة الجوال مثل SID و MIN مخزنة على ذاكرة فلاشية داخلية أو على شريحة الجوال الخارجية والتي تشبه كثيراً شريح الذكية SmartMedia.

صورة توضح بعض أجزاء الجوال: من اليمين البطارية الداخلية والميكروفون والسماعة

تتحتوي اجهزة الجوال على سماعة وميكرفون باحجام صغيرة جداً وكفاءة عالية كما توجد بطارية صغيرة لتغذية الساعة الداخلية للجوال بالطاقة الكهربائية.

وبالحديث عن الجوال وكل مكوناته هذه فإنه لو وجد الجوال من 30 عام لكانت هذه المكونات تشغل حيز كبير يصل الى مساحة غرفة بتسع كل ماذكر من ميكروبروسسور ومزود الطاقة الكهربائية والسماعة والميكرفون وشاشة العرض. ولكن شكرا للتقدم العلمي والتقنيات الصناعية المذهلة التي جعلت من كل هذه الأجهزة تتجمع في جهاز واحد اسمه الجوال ولايزيد عن حجم كف اليد.

مراجع

كل ما ترغب في الاستفسار عنه عن الجوال والمصطلحات وماذا تعني تجدها على هذا الموقع

http://www.tech-faq.com/

معلومات عن تركيب الجوال

http://www.cellular.co.za/in-fone.htm

موقع مؤسسة الاتصالات الدولية FCC

http://www.fcc.gov/

موقع الاتحاد الدولي للاتصالات

http://www.itu.int/home/index.html

في العام 1983 ظهر التلفونات الجوالة بنظام التناظري analog وسميت بـ Advanced Mobile Phone System والتي تكتب اختصاراً AMPS أي انظمة التلفونات الجوالة المتطورة والتي حصلت على الاعتماد من مؤسسة الاتصالات الدولية FCC وأول ما استخدمت في ولاية شيكاغو الامريكية. استخدمت جوالات AMPS مدى من الترددات بين 824 ميجاهيرتز و894 ميجاهيرتز. وعملت الحكومة الامريكية كل ما في وسعها لدعم شبكة هواتف لاسلكية جديدة وتنافس شبكة التلفونات السلكية من حيث التكاليف والاسعار بالنسبة للمستخدم، فخصصت لذلك مزود خدمة للشبكة اللاسلكية ووضعته في كل مكان وسمي بمزود الخدمة المحلي، ويتكون كل مزود خدمة من ناقلين سمي الاول A والثاني B.

تم تخصيص 832 تردد مختلف للناقلين A و B منهم 790 تردد للصوت و42 تردد للبيانات. وتكونت كل قناة اتصال من ترددين واحد للارسال والثاني للاستقبال. واختيرت الترددات باتساع 30 كيلوهيرتز وذلك لضمان نقل الصوت بجودة الاتصال السلكي حيث ان الترددات السمعية.

فكرة عمل الجيل الأول من الجوالات

اعتمدت فكرة عمل جوالات الجيل الأول على ترددات راديوية متغيرة بطريقة مستمرة لنقل أصوات المستخدمين. حيث يتيح ذلك الاتصال المتعدد لأكثر من هاتف خلوي بمحطة الإرسال ويستخدم كل جوال تردد مختلف كما هو موضح في الشكل بالأشرطة الملونة حيث كل لون يعبر عن تردد مخصص لمكالمة واحدة، ويشير الانقطاع في تلك الأشرطة إلى أن استخدام تلك القنوات لا يكون بشكل دائم.

تحول تكنولوجيا الجوال من النظام التناظري إلى الرقمي

تعتبر جوالات الجيل الثاني 2G هي اول جوالات تعمل بالنظام الرقمي والتي بدأ استخدامها في التسعينات من القرن الماضي، ويستخدم جوال الجيل الثاني نفس تكنولوجيا الراديو كما في التلفون الجوال التناظري (جوال الجيل الأول) ولكن تستخدم بطريقة مختلفة، ففي النظام التناظري لا تستخدم كل امكانيات الاشارة المتبادلة بين الجوال والشبكة التابع لها. حيث انه من غير الممكن ان يتم ضغط وتشفير الاشارة التناظرية مثل الاشارة الرقمية. ولكن في الاشارة الرقمية يتم ضغط واعادة معالجة الاشارة مما يسمح بزيادة عدد القنوات لنفس المدى الترددي المستخدم.

ولكن قبل ان نشرح نظام GSM سوف نقوم بشرح التقنيات المستخدمة لتشغيل الجيل الثاني من الجوالات. وهناك ثلاث تقنيات مختلفة تستخدم في جوالات الجيل الثاني لنقل المعلومات الرقمية من الجوال إلى الشبكة والعكس هي:

الوصول المتعدد بالتقسيم التردديFrequency division multiple access (FDMA)

الوصول المتعدد بالتقسيم الزمنيTime division multiple access (TDMA)

الوصول المتعدد بالنظام الكودي Code division multiple access (CDMA)

والمصطلح الإنجليزي لكل تقنية من التقنيات الثلاثة يشرح نفسه فهذه التسمية العلمية اشتقت من فكرة عملها. فمثلا لو اخذنا الكلمة الاولى من كل تقنية وهي Frequency و Time و Code فنجد انها تشير إلى التقنية المستخدمة لطريقة الدخول اإلى الشبكة في تناقل المعلومات، فالاولى يعتمد على التردد والثانية تعتمد على الزمن والثالثة تعتمد على الشيفرة. أما الكلمة الثانية division فهي تشير إلى أن طريقة فصل المكالمات يعتمد على طريقة الدخول الى الشبكة، ونستنتج من ذلك اننا من خلال فهمنا للمصطلح الانجليزي يمكننا أن نوصف كل تقنية على النحو التالي:

الوصول المتعدد بالتقسيم التردديFrequency division multiple access (FDMA)

في كل محطة اتصال جوال توجد محطة ارسالة راديوية ترسل الاشارة بترددات مختلفة خلال النطاق المخصص من المدى الترددي. وتعتمد تقنية FDMA على تقسيم هذا المدى الترددي إلى عدة قنوات ترددية أصغر كما في الشكل الموضح حيث تم تخصيص مدى ترددي مقداره 45 ميجاهيرتز وكل محطة ارسال تستخدم تردد مختلف لارسال الاشارات بطريقة تناظرية للاتصال وتدعم نقل البيانات الرقمية، ولكن لا تعتبر هذه التقنية فعالة للاتصالات الرقمية.

في تقنية FDMA كل جوال يستخدم تردد مختلف

الوصول المتعدد بالتقسيم الزمنيTime division multiple access (TDMA)

شرح توضيحي لنظام TDMA

يخصص لكل مستخدم حيز زمني متكرر كما هو موضح في تعاقب تكرار الالوان في الشريط الأول مثلاً، ويمثل كل شريط قناة ذات تردد محدد وعلى نفس التردد تجد ثلاثة الوان مختلفة تتكرر خلال الزمن، يمثل كل لون مكالمة مرسلة وبهذا يمكن على نفس التردد ارسال ثلاثة مكالمات في نفس الوقت.

ويوضح الشكل ادناه النطاقات الزمنية المستخدمة لكل جوال لارسال البيانات الصوتية من خلال تخصيص فترة زمنية تقدر بـ 6.7ms وبمدى ترددي قدره 30 كيلوهيرتز ترسل على نفس قناة اتصال واحدة تعمل على تردد محدد.

يقسم التردد في تقنية TDMA إلى فترات زمنية

الوصول المتعدد بالنظام الكودي Code division multiple access (CDMA)

تستخدم تقنية CDMA وسيلة مختلفة تماما عن تقنية TDMA فهذه التقنية تقوم بعد عملية التحويل (من التناظري إلى الرقمي) بنشر البيانات الرقمية المضغوطة على ما هو متوفر في النطاق الترددي، أي ان البيانات ترسل في صورة حزم أو رزم على ترددات متفرقة متاحة للاستخدام خلال اي فترة زمنية.

شرح توضيحي لنظام CDMA

بدلاً من إرسال البيانات على قنوات مخصصة وترددات محددة فإنه هذه التقنية تقوم بتقسيم المعلومات والبيانات إلى حزم (رزم) ثم ترسلها على أحد القنوات المتاحة. كما هو موضح بالشكل وكل لون من الوان المربعات يعود إلى حزم صادرة من جوال محدد ترسل على نطاقات ترددية مختلفة ثم يعاد تجميعها عند الاستقبال، وبهذه الطريقة اجراء عدد كبير من المكالمات على نفس النطاق الترددي في نفس اللحظة.

في تقنية CDMA كل مكالمة تحول الى بيانات رقمية وتقسم إلى رزم ترتبط مع بعضها البعض بشيفرة مميزة.

تعرفنا في هذا الجزء على فكرة عمل الجيل الأول والجيل الثاني للاتصالات اللاسلكية والتقنيات المختلفة المستخدمة لكل جيل، وفي الجزء الرابع سوف نشرح فكرة نظام الاتصالات العالمي GSM ونستكمل شرح الجيل الثالث من الجوالات اللاسلكية.