كيف يعمل الهاتف المحمول الجوال

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



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



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




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





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.



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.

<blockquote class="postcontent restore " align="right">





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.




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.



الوصول المتعدد بالتقسيم الزمنيTime division multiple access (TDMA)


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.


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.


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.







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.


لمزيد من المعلومات عن TDMA و CDMA اطلع على هذين الموقعين
http://en.wikipedia.org/wiki/Time_division_multiple_access
http://en.wikipedia.org/wiki/CDMA
</blockquote>

<blockquote class="postcontent restore " align="right">










تعتبر تكنولوجيا الجيل الثالث من الجوال احدث
انظمة الاتصالات اللاسلكية، فقد سبق وان شرحنا أن جوالات التي تعمل
بالنظام التناظري analog هي جوالات الجيل الأول والجوالات التي تعمل بنظام الرقمي digital هي جوالات الجيل الثانيز. أما جوال الجيل الثالث فيعد جوال الوسائط المتعددة multimedia cell phone. وتسمى هذه الجوالات بالجوالات الذكية smartphones
ويمتاز بقدرته على تبادل البيانات بسرعة كبيرة ليساعد المستخدم لتصفح
الأنترنت بسرعة كبيرة كما يمكن ارسال واستقبال الرسائل الصوتية
والفيديو.



تقنية الوصول المتعدد بالتقسم الكودي المتزامن مع التقسيم الزمني TD-SCDMA أي Time-division Synchronous Code-division Multiple Access.



وتقنيات الجيل الثالث هذه تعمل على سرعة نقل بيانات كبيرة تصل إلى 3Mbps
(بمعنى انك تحتاج إلى 15 ثانية لتحميل مقطوعة موسيقية مدتها 3 دقائق
على جوالك) وبالمقارنة فإن اسرع جوالات الجيل الثاني لا يعملبأكثر من 144Kpbs
(أي أنك تحتاج إلى 8 دقائق لتحميل مقطوعة موسيقية مدتها 3 دقائق)
ولهذا فإن جوالات الجيل الثالث تعتبر جوالات الوسائط المتعددة لدعمها
نقل البيانات بسرعات كبيرة وتواصلها مع شبكة الانترنت وتحميل الافلام
وتبادل البريد الالكتروني والفاكس.





من الممكن أن تجد جوال من مواصفاته أنه جوال tri-mode
أشارة إلى أن الجوال بعمل بثلاثة تقنيات متعددة وهنا من الممكن أن تكون
خدعة قد يقصد بها أحياناً أن الجوال يدعم تقنيتين رقميتين CDMA وTDMA وتقنية تناظرية AMPS.
وهذا ممتاز ولكن قد تعني أيضا أن الجوال يعمل بتقنية رقمية واحدة
بترددين وتقنية تناظرية، وهذا في الحقيقة من ناحية تقنية جوال تقنيات
متعددة ثنائي dual mode.

يمكنك عزيزي القارئ ان تطلع على الموقع التالي www.gsmarena.com
والذي يزودك بمواصفات الجوال وستجد أن من اول المواصفات التي تحدد
الجوال هي الجيل الذي ينتمي له الجوال والترددات والنطاقات التي يدعمها.


الجوال مثله مثل باقي الأجهزة الإلكترونية له بعض العيوب والمشاكل منها:



















</blockquote>

وكثيراً ما نسمع ونقرأ في
الاخبار عن المضار الصحية للجوال على الانسان وخصوصاً ان الجوال يستخدم
بجوار الدماغ مباشرة وهو الجزء الأكثر حساسية في جسم الانسان، وهذا
يعني ان الاشارات الراديوية التي يتبادلها الجوال مع محطة الارسال خلال
المحادثة التلفونية تعرض أغشية الدماغ مباشرة لطاقة هذه الأشعة. وفي
الحقيقة هناك الكثير من التجارب العلمية التي تخبرنا مرة بأن استخدام
الجوال ضار وتجارب علمية اخرى تأتي لنا بأخبار مفادها ان الجوال لا مضار
من استخدامه على صحة الانسان وكلا الطرفين يقدم أدلته من خلال التجارب
والأبحاث العلمية التي قام كل طرف باجرائها والحقائق التي استند عليها.
في هذا المقال سوف نلقى
الضوء على هذا الموضوع في محاولة لتوضيح الاختلاف وشرح كيف يصدر الجوال
الاشعاع الكهرومغناطيسي، وكيف نقوم بتحديد مستوى الاشعاع، وستجد في
نهاية المقال عزيزي القارئ انك قادراً على أن تحكم على مدى خطورة أو
سلامة استخدام الجوال.
مصدر الاشعاع
عند التحدث عبر الجوال فإن جهاز الارسال في
الجوال يقوم باستقبال الاشارة الصوتية الصادرة عن المتحدث ويقوم
بتحويلها وبتشفيرها ثم تحميلها على موجة جيبية متصلة كما هي موضح في
الشكل ادناه. (في مقالات اخرى قادمة سوف نقوم بشرح فكرة عمل الراديو
وارسال الصوت واستقباله)







[/center] يستخدم الجوال مرسل transmitter
ذو طاقة ضعيفة فعلى سبيل المثال في السيارات المزودة باجهزة الجوال
اللاسلكي تصل طاقة الارسال فيها إلى 3 وات، في حين أن الجوال اليدوي
الذي نستخدمه فإن طاقة الارسال فيه تتراوح بين 0.75
إلى 1 وات فقط. ويكون موضع المرسل في داخل الجوال حسب الشركة المصنعة
ولكن في الأغلب يكون بجوار الانتينا كما هو في الشكل اعلاه.
الأمواج الراديوية التي تحمل الاشارات الصوتية
المشفرة عبارة عن أشعة كهرومغناطيسية تنتشر بواسطة الانتينا. ووظيفة
الانتينا في أي جهاز ارسال هو بث أمواج الراديو التي يصدرها المرسل في
الفراغ. وفي حالة الجوال يتم التقاط تلك الامواج مرة اخرى عبر الاننينا
من قبل أجهزة الاستقبال في ابراج محطات الجوال لتوجيهها إلى الجوال
الذي تم الاتصال معه.
الأشعة الكهرومغناطيسية
الاشعة الكهرومغناطيسية تنتشر في الفراغ بسرعة ثابتة هي سرعة الضوء وقيمتها 3x108m/s
وهي سرعة كبيرة جداً بدليل ان الاشعة الكهرومغناطيسية تستطيع ان تلف
محيط الكرة الارضية 7 مرات بمجرد ان تنتهي من نطق كلمة واحد. وتنتقل
هذه الاشعة في الفراغ وتنقل الطاقة من المصدر source إلى المستقبل receiver. وقد تم اكتشاف هذه الاشعة على مراحل حيث كان العالم هيرتز Hertz 1887
أول من عمل في هذا المجال وكان في ذلك الوقت فقط اشعة الراديو والاشعة
المرئية ومن ثم تم اكتشاف باقي الطيف الكهرومغناطيسي من خلال الملاحظات
والظواهر الفيزيائية العديدة.

كما يجب ان نعلم أن الاشعة الكهرومغناطيسية لهاطاقة تتناسب طردياً مع التردد وعكسيا مع الطول الموجي من خلال المعادلة


نستنتج من ذلك أنه كلما زاد التردد ازدادت طاقة الأشعة الكهرومغناطيسية، وعليه فإن طاقة أشعة جاما أكبر ما يمكنفي الطيف الكهرومغناطيسي وكما نعلم أن جسم الانسان يتحمل طاقة اقصاها طاقة الطيف المرئي وتعتبر طاقة الطيف فوق الازرق ultra-violet ضارة وتسبب حرق لخلايا الجسم وكذلك طاقةاشعة اكس تستطيع اختراق جلد البشري والتعرض لها يسبب خطورة كبيرة.
من المعلومات السابقة التي تحدثنا عنها في
الاجزاء السابقة نستطيع ان نحدد المدى الذي تستخدمه شبكة الاتصالات
اللاسلكية من الأشعة الكهرومغناطيسية والتي في منطقة الميكروويف الموضحة
في الشكل أدناه.



نلاحظ من الشكل السابق للطيف الكهرومغناطيسي أن أشعة الميكروويف تقع في
مدى الترددات الأقل من تردد الضوء المرئي وهذا يعني ان طاقة أشعة
الميكروويف أقل من طاقة الضوء المرئي كما أنها تقع ضمن المنطقة المحددة
بالأشعة الغير مؤينة non-ionizing radiation.

مخاطر الاشعة المنبعثة من الجوال على الانسان
كل الهواتف المحمولة تبعث قدراً من الاشعة
الكهرومغناطيسية التي تحدثنا عنها سابقاً، والابحاث التي يقوم بها
العلماء تعتمد على تحديد الكمية التي لو تعرض لها الدماغ فإن هذه الاشعة
تصبج غير أمنة للانسان، وكذلك تحديد مخاطر تعرض الانسان لتلك الأشعة
الصادرة من أجهزة الجوال على المدى الزمني البعيد.
يمكن تقسيم الاشعة الكهرومغناطيسية إلى نوعين هما:
اشعة مؤينة Ionizing radiation
وهي تلك الاشعة التي تحتوي على قدر من الطاقة كافي لانتزاع الذرات
والجزيئات من الخلايا الحية، وتعتبر اشعة جاما واشعة اكس من الاشعة
المؤينة. وهذا الاشعة بدون شك تسبب اضراراً على الخلايا الحية.
اشعة غير مؤينة Non-ionizing radiation
وهي اشعة امنة ولا تشكل خطر على الانسان. ولكن تسبب ارتفاع درجة حرارة
الجزء من الجسم الذي يتعرض لها. ومن هذه الاشعة امواج الراديو والضوء
المرئي وامواج الميكروويف.
الابحاث العلمية اثبتت عدم وجود اية مخاطر
للاشعة المنبعثة عن الجوال على صحة الانسان، ولكن هذا لا يعني انه لا
يوجد اي ضرر من استخدام الجوال، فالاشعة الصادرة من الجوال هي من نوع
اشعة الراديو RF
وقد ثبت التأثير الضار لاشعة الراديو المركزة على خلايا الانسان، حيث
ان لهذه الاشعة القدرة على تسخين الخلايا التي تتعرض لها بنفس فكرة
امواج الميكروويف التي تستخدم في الافران لتسخين الاطعمة. وبالتالي فإن
الضرر من هذه الاشعة يكمن في الاثر الحراري الذي تحدثه تلك الاشعة في
الخلايا التي لا تستطيع تبديد الحرارة الزائدة بسهولة مثل الخلايا
الموجودة في العين، حيث ان معدل تدفق الدم فيها قليل. هذا بالاضافة الى
التأثير على المدى الزمني البعيد والعلماء والباحثون حتى هذه اللحظة لا
يجزمون بنفي او اثبات ضرر اشعة الجوال على جسم الانسان، وبعض الدراسات
ربطت بين الامراض التي يصاب بها الانسان واستخدامه للجوال ومن هذا
الامراض هي السرطان وورم الدماغ والصداع والضعف العام الزهيمر.


ان
التقليل من مخاطر الجوال على صحة الانسان والاثار الضارة التي من الممكن ان
تسببها لنا تطمس في ظل التنافس الشديد بين الشركات لدرجة اننا لا نفكر
بمخاطر هذه التقنيات على حياتنا بقدر سعينا لامتلاك الاحدث دائماً، وفي
اغلب النشرات العلمية التي تخفف من مخاطر الجوال على الانسان فإنها تكون
صادرة من الشركات المصنعة للجوال، ولهذا يتطلب منا الحذر والتقنين قدر
الامكان من التحدث لفترات زمنية طويلة ومنع الاطفال تماماً عن استهدامه
وهذه بعض النصائح والارشادات للتقليل من مضار الاشعة الصادرة عن الجوال.