Мобильные телефоны стали вездесущей частью современной жизни. По оценкам, в настоящее время используется более пяти миллиардов мобильных телефонов, что охватывает большую часть населения мира. Однако большинство людей, использующих мобильные телефоны, не понимают, как они работают. Эта статья демонстрирует, как сочетание сложной радиотехнологии и компьютерной безопасности создает системы мобильных телефонов, которые многие считают само собой разумеющимся.
«Первое, что нужно понять, — это то, что современные возможности для мобильных телефонов по сравнению с возможностями дальней связи, сложными сенсорными интерфейсами и другими прибамбасами представляют собой не что иное, как двустороннюю радиосвязь. Поэтому, чтобы понять, как работают мобильные телефоны, нужно сначала понять, как работает радио.
Радиоантенна — это устройство, которое превращает радиоволны в электрические токи, которые затем могут быть преобразованы в звук радиоприемником. Кроме того, он может делать обратное и преобразовывать существующие электронные аудиосигналы в передаваемые радиоволны, которые могут принимать другие антенны. Когда мобильный телефон передает звук, он подает колеблющийся электрический ток на антенну мобильного телефона. Затем антенна мобильного телефона излучает соответствующие электромагнитные волны, которые также известны как радиоволны. Для приема звонков антенна мобильного телефона перехватывает электромагнитную волну определенной частоты. Его клемма затем получает незначительное количество напряжения, которое усиливается и преобразуется в звук другими компонентами.
Посредством процесса, описанного выше, антенны мобильного телефона передают сигналы в радиовышки и принимают сигналы обратно одновременно. Однако технология, которая позволила такое сложное использование радиосигналов, развивалась постепенно в течение многих десятилетий.
Самыми близкими предшественниками мобильных телефонов были радиоприемники, установленные в транспортных средствах дальнобойщиков, которые позволяли им общаться, находясь в дороге. Поскольку радиоприемники были такими большими и тяжелыми, они были непрактичны для использования потребителями. Эти системы мобильной связи имели тенденцию использовать одну центральную антенну в каждом городе, который они обслуживали. На каждой башне было доступно всего несколько десятков каналов. Поэтому система не будет работать, если слишком много людей будут пытаться использовать ее одновременно. Кроме того, поскольку система была только полудуплексной, только одна сторона могла говорить в любой момент времени. Это должно быть кратко и в одну сторону привело к некоторому интересному жаргону, но обычному человеку это было не очень удобно.
Современные мобильные телефоны, в отличие от старых портативных систем радиосвязи, используют сотовые сети. Сотовые сети также являются радиосетями, но они намного сложнее, чем простые локальные вышки, которые питали старые системы радиосвязи. В сотовой сети башни распределены по участкам земли, которые называются ячейками. Эти клетки обычно имеют шестиугольную форму, но они также могут быть квадратными или круглыми. Каждая клетка земли содержит хотя бы одну радиобашню.
Каждой ячейке также назначается ряд частот, которые соответствуют базовым радиостанциям. Другие ячейки могут использовать те же частоты, если они не являются соседними. Другими словами, использование одной и той же частоты должно быть разнесено как минимум на одну ячейку друг от друга. Это сделано, чтобы избежать помех между вызовами, сигналы которых используют одну и ту же частоту. Эта возможность повторного использования частот является ключом к мощности сотовой сети; гораздо больше людей могут звонить через сеть и на большие расстояния. В то время как системы с одним передатчиком не могут повторно использовать одну и ту же частоту, сотовые сети могут использовать одну и ту же частоту в нескольких областях для разных передач, если передачи не достаточно близки, чтобы вызывать помехи. Благодаря сотовому подходу разговоры могут передаваться через ячейки, что облегчает общение с людьми по всей стране. Кроме того, эти системы являются полнодуплексными, что означает, что телефон отправляет и получает сигнал одновременно. Это позволяет людям говорить и слушать одновременно и, таким образом, вести разговор так, как они привыкли.
Концепция сотовой сети не ограничивается мобильными телефонами, но сети мобильных телефонов являются особенно сложным видом сотовой сети. Сотовые передатчики и трубки могут изменять частоту под руководством автоматизированных компьютерных систем, которые находят оптимальные диапазоны, чтобы избежать помех. Они обычно имеют 800 различных частот, доступных для каждого кластера соседних ячеек. Из-за природы длин волн низкочастотные волны распространяются дольше, не нарушаясь атмосферным шумом. Этот принцип справедлив для сигналов мобильных телефонов. Низкочастотные кластеры лучше подходят для больших расстояний, тогда как высокочастотные лучше для плотных участков. Поэтому сигналы мобильных телефонов в сельской местности, как правило, используют относительно низкие частоты, а в городах они используют высокие частоты.
В городах каждый сотовый сайт обычно занимает полмили. В сельской местности они обычно проходят около пяти миль. Однако это не является истинным пределом приема современных мобильных телефонов. Учитывая обстоятельства, при которых отсутствуют помехи или блокировка, иногда можно получить сигнал от сотовой станции, находящейся на расстоянии 25 миль. Мобильные телефоны также имеют тенденцию использовать передатчики малой мощности, чтобы избежать помех между вызовами в компактно расположенных сотах. Каждый сотовый узел подключен к телефонным коммутаторам, что позволяет совершать звонки с сотовых телефонов в телефонную сеть общего пользования.
Много разных стандартов было установлено для того, как сети мобильной связи должны общаться и сосуществовать друг с другом. В настоящее время наиболее популярными стандартами мобильной связи являются GSM и CDMA . Новый высокоскоростной стандарт LTE внедряется в густонаселенных районах.
Чтобы противодействовать несанкционированному использованию своих сетей, поставщики мобильных телефонов ввели меры безопасности, которые не позволяют телефону принимать и передавать вызовы без определенных достоверных данных. Эти данные обычно хранятся на небольших микрочипах, называемых модулями идентификации абонента , или, для краткости, на SIM- картах. Данные, которые они несут, известны как ключ подписчика службы. Техническое название для этих данных — международный идентификатор абонента мобильной связи. Это используется для сбора информации о коде страны мобильной связи, коде мобильной сети и идентификационном номере мобильной станции телефона. Он также несет ключ аутентификации. SIM-карты чаще всего используются в телефонах, предназначенных для сетей GSM. Многие телефоны, созданные для сетей CDMA, не используют съемные карты и вместо этого встраивают информацию безопасности постоянно в память. Однако «мировые» телефоны, которые могут обрабатывать оба протокола связи, включают в себя SIM-карты.
Посылая и получая радиосигналы через обширную взаимосвязанную сеть, мобильные телефоны могут совершать звонки практически в любом месте в развитых странах на расстояниях в тысячи миль. Мобильные телефоны — это чудо современных технологий.