كيف يعمل جهاز الهاتف المحمول (الجوال) – الجزء الثالث

الدكتور حازم فلاح سكيك 7 فبراير، 2007

1 5٬758 6 دقائق

evolution-of-the-mobile-phone

الجزء الثالث

اجيال الجوال

اعلانات جوجل

عندما نحاول ان نقتني جوال جديد فإنه ما يلفت انتباهنا هو جيل الجوال والتقنيات التي يدعمها في التعامل مع شبكات وانظمة الاتصالات العديدة المعتمدة في انحاء العالم، فهناك جوالات من الجيل الاول والجيل الثاني والثالث والرابع وقريبا الخامس، والانتقال من جيل إلى اخر يعتمد على التقنيات التكنولوجية التي ادخلت على الجوال والشبكة وفي هذا الجزء من كيف يعمل الهاتف المحمول (الجوال) سوف نتعرف على أجيال الجوال والفرق بين كل جيل وميزاته ومدى التقنيات التي استحدثت وادخلت على هذه التقنية المتطورة.

جوالات الجيل الأول جوالات النظام التناظري

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.

اعلانات جوجل

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.

ويفصل الترددات المرسلة عن المستقبلة لكل قناة صوتية عن بعضها البعض بـ 45 ميجاهيرتز لتضمن عدم حدوث تداخلات بين المرسل والمستقبل. وكل ناقل يحتوي على 395 قناة اتصال و21 قناة تبادل للبيانات تستخدم لتبادل المعلومات بين الهاتف الجوال والهاتف المنزلي.

وتطورت هذه الانظمة من الجوالات التناظرية الى ما يسمى NAMPS أي Narrowband Advanced Mobile Phone Service أي انظمة التلفونات الجوالة المتطورة ذات النطاق الضيق حيث تم ادخال تقنيات رقمية لتسمح لهذه الأنظمة بزيادة قدرتها لاجراء اتصالات اكثر بثلاث مرات لكل قناة. وبالرغم من ادخال التقنيات الرقمية لجوالات NAMPS إلا انها بقيت تعتبر تناظرية تعمل على تردد 800 ميجاهيرتز ولا تدعم العديد من الخدمات المتطور مثل البريد الالكتروني أو تصفح الانترنت.

تحول تكنولوجيا الجوال من النظام التناظري إلى الرقمي

جوالات الجيل الثاني 2G

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.

اعلانات جوجل

الجوالات الرقمية تحول الاشارة الصوتية التناظرية الصادرة عن المتحدث إلى معلومات رقمية بنظام العدد الثنائي binary والمكون من الرقمين (0 و 1) فتصبح الاشارة الصوتية عبارة عن معلومات مكونة من هذين الرقمين، ثم يتم تشفير وضغط هذه المعلومات ليسهل ارسالها بكفاءة عالية وفي فترة زمنية قصيرة. كما أن ضغط البيانات يجعل من الممكن ان يتم اجراء عدد يصل من 3 إلى 10 اتصالات مرة واحدة بالمقارنة مع مكالمة واحدة على نفس التجهيزات المستخدمة في النظام التناظري. فيمكن استخدام قناة واحدة لأكثر من مستخدم في نفس الوقت حيث تقسم الإشارة اللاسلكية إلى شرائح من البيانات تحمل كود بعنوان المستخدم للجوال. وإثناء انتقالها إلى المستقبل تتوزع الشرائح على نطاق الترددات ثم يعاد تجميعها عند الاستقبال. ويسمى هذا بالنظام العالمي للاتصالات اللاسلكية Global System for Mobile Communication GSM وسنقوم بشرحه بالتفصيل لاحقاً.

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 الترددي Frequency division multiple access (FDMA)

الوصول المتعدد بالتقسيم الزمني Time division multiple access (TDMA)

اعلانات جوجل

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 وTime 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:

FDMA وتعني انه يتم تخصيص تردد معين لكل مكالمة.

TDMA وتعني أن هذه التقنية تعتمد على الزمن حيث يتم تخصيص جزء زمني صغير من التردد لكل مكالمة.

CDMA وفيه يعطى لكل مكالمة شيفرة وحيدة تنقل على اي تردد متاح.

كما نلاحظ أن كل التقنيات الثلاثة تحتوي على الجملة multiple access والتي تعني انه أكثر من مستخدم يمكنه استخدام الشبكة في نفس الوقت.

الوصول المتعدد بالتقسيم الترددي Frequency 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 الزمني Time division multiple access (TDMA)

في هذه التقنية يمكن استخدام نفس التردد لاجراء ثلاثة اتصالات لاسلكية من خلال توزيع التردد على ثلاثة فترات زمنية، فمثلا عند اجراء ثلاثة مكالمات في نفس الوقت على نفس التردد تقوم هذه التقنية بتحويل الاشارة الصوتية التناظرية إلى اشارة رقمية وتضغطها ثم ترسلها كمجموعة خلال ثلث الفترة الزمنية للتردد والثلث الثاني يخصص للمكالمة الثانية والثلث الثالث للمكالمة الثالثة ثم تكرر الدورة وعلى هذا النحو يتم على نفس التردد اجراء ثلاثة مكالمات مختلفة.

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

وللميزات العديدة التي وفرتها تقنية TDMA لاتصالات اللاسلكية فإن انظمة الاتصالات الجوالة التي تعمل بنظام GSM أي Global System Mobile Communication تستخدم هذه التقنية كنظام تشغيل لها ولتوضيح هذه الفكرة افترض انك حصلت على جهاز كمبيوتر من نوع بنتيوم فيمكنك ان تشغله إما بنظام الويندوز أو بنظام اللينكس وهكذا الحال في جوالات من نوع GSM فهي أما تعمل بنظام تشغيل TDMA أو نظام CDMA وسيتم شرح ذلك في الجزء القادم من كيف يعمل الجوال.

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.

والشكل التالي يوضح كيف ان البيانات الصوتية الصادرة من جواليين احدهما يستخدم شيفرة مختلفة عن الشيفرة الاخرى وتحمل البيانات على نفس القناة. حيث كل مستخدم يرسل بياناته على كل النطاق الترددي للقناة على شكل رزم ترتبط مع بعضها البعض بشيفرة مميزة لكل مكالمة، وعند الطرف المستلم فإن الشيفرة المميزة تقوم بجمع هذه الرزم وفكها. ويمكن بهذه التقنية أن تجري عدة اتصالات على نفس القناة.

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

الخلاصة

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.