Як працюють мобільні телефони?

1. Мобільні телефони використовують бездротову технологію
2. Як мобільний телефон викликає подорожі
3. Як допомагають стільникові телефони
4. Що роблять клітини
5. Як стільниковий телефон керує викликами
6. Простий виклик
7. Роумінг дзвінка
8. Типи мобільних телефонів
9. Світ мобільних телефонів
10. Мобільні телефони та мобільний широкосмуговий доступ
11. Чи пошкоджують ваш мобільний телефон ваше здоров'я?
12. Ризик раку?
13. Дізнатися більше
14. Новини

від Кріс Вудфорд . Останнє оновлення: 5 травня 2019.

Ходячи і розмовляючи, працюючи в поїзді, завжди в контакті, ніколи без дотику - мобільні телефони різко змінили спосіб життя і роботи. Ніхто не знає точно, скільки маленьких пластикових телефонів є у світі, але найкраще припустити, що вони закінчилися 7,9 мільярдів підписок . Це більше, ніж населення планети! У країнах, що розвиваються, де масштабні наземні мережі (звичайні телефони дротові до стіни) мало і далеко між ними, понад 90 відсотків телефонів, що використовуються, є мобільними телефонами. Мобільні телефони (також відомі як стільникові телефони і, головним чином, в Європі, як мобільні телефони або мобільні телефони) радіо Телефони, які направляють свої виклики через мережу щогл, пов'язаних з головною телефонною мережею. Ось як вони працюють.

Фото: Більшість людей зараз використовують смартфони як свої мобільні телефони, які фактично є невеликими комп'ютерами з вбудованими стільниковими мережами. Зараз мережі швидше і здатні обробляти більші обсяги трафіку, смартфони використовуються як портативні комунікаційні центри, здатні робити все, що можна робити з телефоном, цифровою камерою, MP3-плеєром, GPS "sat nav", і портативним комп'ютером.

Мобільні телефони використовують бездротову технологію

Фото: Мобільні телефони, як раніше. Даний Nokia починається з початку 2000-х років і має висувну клавіатуру. Хоча він має камеру і кілька інших основних функцій, він не має нічого подібного до обчислювальної потужності сучасного смартфона. Такі телефони іноді називаються "кишеньковими пристроями" або "телефонними апаратами", щоб відрізнити їх від iPhone та інших смартфонів.

Незважаючи на те, що вони виконують ту ж саму роботу, наземні лінії та мобільні телефони працюють абсолютно по-іншому. Наземні лінії несуть дзвінки електричний кабелі. Виріжте все супутників , волоконно-оптичні кабелі, перемикаючі офіси та інші розмазування, а також наземні лінії не набагато відрізняються від іграшкових телефонів, які ви могли б зробити з шматка струни і пари запечених бобів. Слова, про які ви говорите, в кінцевому підсумку проходять через пряме, дротове з'єднання між двома телефонами. Що відрізняється від мобільного телефону, це те, що він може відправляти і приймати дзвінки без будь-яких провідних з'єднань. Як це зробити? З допомогою електромагнітні радіохвилі для передачі та прийому звуків, які звичайно подорожують вниз дротами.

Чи сидите ви вдома, гуляєте по вулиці, за кермом автомобіль або катаючись у поїзді, ви купаєтеся в морі електромагнітних хвиль. Телевізор і радіо програми, сигнали від радіокеровані автомобілі, бездротові телефонні дзвінки, і навіть бездротові дверні дзвінки - все це працює за допомогою електромагнітного енергії : хвилясті структури електрика і магнетизм що zip та zap невидимо через космос у швидкості світла (300.000 км або 186.000 миль за секунду). Мережі мобільних телефонів є найпоширенішим джерелом електромагнітної енергії в світі навколо нас.

Як мобільний телефон викликає подорожі

Коли ви говорите в мобільний телефон, крихітний мікрофон у телефоні перетворює звуки вашого голосу вгору та вниз у відповідний шаблон електричних сигналів. A мікрочіп всередині телефону ці сигнали перетворюються на рядки чисел. Цифри упаковані в радіохвилі і вийшли з телефону антени (в деяких країнах антена називається антеною). Радіохвилі проносяться по повітрю зі швидкістю світла, поки вона не досягне найближчого стовбура стільникового телефону.

Фото: Інженери ремонтують щогли мобільного телефону. Фото Brien Aho люб'язно надано ВМС США.

Щогла приймає сигнали і передає їх на свою базову станцію, яка ефективно координує те, що відбувається всередині кожної локальної частини мережі мобільного телефону, яка називається осередком. З базової станції виклики переадресовуються до місця призначення. Дзвінки, зроблені з мобільного телефону на інший мобільний телефон у тій самій мережі, подорожують до місця призначення, перенаправляючись до базової станції, найближчої до телефону призначення, і, нарешті, до самого телефону. Дзвінки, зроблені на мобільний телефон у іншій мережі або на наземній лінії, слідують більш тривалий шлях. Можливо, вони повинні бути перенаправлені в головну телефонну мережу, перш ніж вони зможуть досягти кінцевого пункту призначення.

Як допомагають стільникові телефони

На перший погляд, мобільні телефони дуже схожі на двосторонні радіостанції рації , де кожна людина має радіо (містить як відправника, так і одержувача), що відскакує повідомлення вперед і назад, як тенісисти, які повертають м'яч. Проблема з радіоприймачами така, що ви можете використовувати стільки їх у певній області, перш ніж сигнали від однієї пари абонентів почнуть втручатися в ті з інших пар абонентів. Ось чому мобільні телефони є набагато складнішими і працюють по-іншому.

Телефонний апарат мобільного телефону містить радіопередавач, що передає радіосигнали з телефону, і радіоприймач для прийому вхідних сигналів від інших телефонів. Радіопередавач і приймач не дуже потужні, що означає, що мобільні телефони не можуть надсилати сигнали дуже далеко. Це не вада - це свідома риса їхнього дизайну! Все, що потрібно зробити для мобільного телефону, це спілкування з місцевою мачтою та базовою станцією; те, що базова станція повинна зробити, це підібрати слабкі сигнали з багатьох мобільних телефонів і направити їх далі до місця призначення, саме тому що щогли є величезними, потужними антенами (часто встановленими на пагорбі або високій будівлі). Якби ми не мали щогли, то були б потрібні стільникові телефони з величезними антенами і гігантськими джерелами живлення - і вони були б занадто громіздкими, щоб бути мобільними. Мобільний телефон автоматично спілкується з найближчою камерою (той, що має найсильніший сигнал) і використовує якнайменше потужність для того, щоб зробити це (що робить її батарею якомога довше і зменшує ймовірність того, що вона заважатиме іншим телефонам поблизу) .

Що роблять клітини

Так навіщо турбуватися про клітини? Чому мобільні телефони не розмовляють один з одним безпосередньо? Припустимо, що кілька людей у ​​вашому регіоні хочуть використовувати свої мобільні телефони одночасно. Якщо їхні телефони надсилатимуть і приймати дзвінки так само, використовуючи один і той же тип радіохвиль, сигнали будуть втручатися і битися разом, і неможливо буде сказати один виклик від іншого. Один із способів обійти це - використовувати різні радіохвилі для різних викликів. Якщо кожен телефонний дзвінок використовує дещо іншу частоту (кількість підйомних хвиль в радіохвилі за одну секунду), дзвінки легко зберігати окремо. Вони можуть подорожувати по повітрю, як різні радіостанції, які використовують різні хвилі.

Це прекрасно, якщо тільки кілька людей дзвонять відразу. Але припустимо, що ви перебуваєте посеред великого міста, і мільйони людей відразу закликають. Тоді вам знадобиться стільки ж мільйонів окремих частот, що більше, ніж зазвичай доступні. Рішення полягає в тому, щоб розділити місто на менші площі, кожен з яких обслуговується своїми мачтами та базовою станцією. Ці області є те, що ми називаємо клітинами, і вони виглядають як клаптик невидимих ​​шестикутників. Кожна клітина має свою базову станцію і щогли, і всі виклики, зроблені або отримані всередині цієї клітини, проходять через них. Клітини дозволяють системі обробляти багато інших викликів одночасно, оскільки кожна клітина використовує той же набір частот, що і її сусідні клітини. Чим більше осередків, тим більше число викликів, які можна зробити відразу. Ось чому міські райони мають набагато більше клітин, ніж сільські райони, і чому клітини в міських районах значно менші.

Як стільниковий телефон керує викликами

Це зображення показує два способи роботи комірок.

Простий виклик

Якщо телефон у камері А викликає телефон у камері B, виклик не проходить безпосередньо між телефонами, а від першого телефону до щогли А та його базової станції, потім до щогли Б та його базової станції, а потім до другий телефон.

Роумінг дзвінка

Мобільні телефони, які переміщуються між клітинами (коли люди йдуть або їдуть), регулярно посилають сигнали до та з сусідніх мачт, так що мережа мобільного телефону завжди знає, яка мачта найближча до якого телефону.

Якщо пасажир автомобіля здійснює дзвінок, а автомобіль проїжджає між камерами C, D і E, телефонний дзвінок автоматично "передається" (передається від стільника до осередку), тому виклик не переривається.

Ключ до розуміння осередків полягає в тому, щоб зрозуміти, що мобільні телефони та щогли, з якими вони спілкуються, призначені для передачі радіохвиль лише в обмеженому діапазоні; що ефективно визначає розмір клітин. Варто також зазначити, що ця картина є спрощенням; точніше сказати, що щогли сидять на перетинах клітин, але трохи легше зрозуміти речі, як я їх показав.

Типи мобільних телефонів

Використовуються перші мобільні телефони аналог технології. Це дуже, як випікають бобів телефони можуть працювати теж. Коли ви розмовляєте по запеченому бобу, ви можете голосувати, коли ваш рядок вібрує вгору і вниз (так швидко, що ви його не бачите). Вібрації йдуть вгору-вниз, як ваш голос. Іншими словами, вони є аналогією вашого голосу - і саме тому ми називаємо цю аналогову технологію. Деякі наземні лінії все ще працюють сьогодні.

Більшість мобільних телефонів працюють за допомогою цифрових технологій: вони перетворюють звуки вашого голосу на зразок чисел (цифр), а потім пропускають їх по повітрю. Використання цифрових технологій має багато переваг. Це означає, що мобільні телефони можуть використовуватися для передачі та отримання комп'ютеризованих даних. Ось чому більшість мобільних телефонів тепер можуть надсилати та отримувати текстові (SMS) повідомлення, Web сторінок, Музичні файли MP3 та цифрові фотографії. Цифрова технологія означає, що дзвінки на мобільний телефон можуть бути зашифровані (зашифровані за допомогою математичного коду), перш ніж вони покинуть телефон відправника, тому підслуховувачі не можуть їх перехопити. (Це була велика проблема з попередніми аналоговими телефонами, які кожен міг перехопити за допомогою мініатюрного радіоприймача, який називається сканером.) Це робить цифрові стільникові телефони набагато більш безпечними.

Світ мобільних телефонів

Мобільні телефони різко змінили спосіб зв'язку світу. На початку 1990-х років лише один відсоток населення світу володів мобільним телефоном; нині, у все більшій кількості країн люди витрачають більше часу на свої мобільні телефони ніж на своїх стаціонарних лініях. Відповідно до ITU-T у 2001 році лише 58% населення світу мали доступ до мережі мобільних телефонів (2G); до 2015 року - до 98%. До кінця 2018 року їх було більше 7,9 мільярдів мобільних телефонів - трохи більше, ніж кількість людей на планеті. Мобільні телефони також мають великий стрибок у доступі до Інтернету. Наприкінці 2016 року мобільний (смартфон і планшет) Інтернет-трафік пройшов трафік на робочому столі вперше. До кінця 2017 року 56% людей у ​​світі мали широкосмуговий доступ до Інтернету на основі стільникових телефонів, що в чотири рази більше, ніж у традиційного дротового широкосмугового доступу (всього 13%).

Діаграма: Підписки на мобільні телефони: Найбільш різке зростання мобільних телефонів відбулося в країнах, що розвиваються, які зараз складають майже 80% підписок. Джерело: Зроблено з використанням даних 2018 року Міжнародний союз телекомунікацій (МСЕ) .

Мобільні телефони також використовуються різними людьми по-різному. Ще на початку 2000-х років мобільні телефони використовувалися виключно для голосових розмов і надсилання коротких "текстів" (текстові повідомлення, також відомі як SMS-повідомлення). Багато людей володіли мобільним телефоном виключно для випадкового використання; і це все ще залишається популярною причиною володіння телефоном (відповідно до FCC близько 70 відсотків усіх викликів 911 екстрених викликів у США виробляються з мобільних телефонів). Сьогодні смартфони є скрізь, і люди використовують їх для надсилання електронної пошти, перегляду веб-сторінок, завантаження музики, соціальних медіа та запуску всіх видів програм. Де старомодні мобільні телефони повністю спиралися на пристойний сигнал з мережі мобільних телефонів, смартфони стрибають вперед і назад, за необхідності, між звичайними мережами і Wi-Fi . Де старі мобільні телефони були буквально "мобільні телефони" (бездротові стаціонарні лінії), сучасні смартфони по суті кишенькові комп'ютери, які просто трапляються для здійснення телефонних дзвінків.

Мобільні телефони та мобільний широкосмуговий доступ

Якщо ви хочете дізнатися, як мережі мобільних телефонів перейшли від суто голосових мереж до важливої ​​частини Інтернету, див. широкосмугового та мобільного широкосмугового . Він також охоплює всі ті, що заплутують акроніми, такі як FDMA, TDMA, CDMA, WCDMA і HSDPA / HSPA.

Чи пошкоджують ваш мобільний телефон ваше здоров'я?

Фото: простий, сучасний мобільний телефон Nokia 106. Такі нові телефони в цілому працюють на меншій потужності, ніж старі, виробляючи менше електромагнітного випромінювання і (теоретично) менше ризику для здоров'я.

Люди задавали це питання майже з моменту появи мобільних телефонів - і дебати посилилися протягом останнього десятиліття. Чому це навіть питання? Як ми виявили вище, мобільні телефони спілкуються за допомогою радіохвиль, і ми всі купалися в масових дозах цих речей, оскільки радіо та телебачення стали популярними на початку 20-го століття. Але довгохвильові радіохвилі, що використовуються в ефірі, дуже відрізняються від короткохвильових, високочастотних, високоенергетичних радіохвиль на протилежному кінці електромагнітний спектр . Взагалі кажучи, чим менше довжина хвилі радіохвиль, тим небезпечніше для нашого здоров'я. Саме тому ми дбаємо про безпеку мікрохвильові печі і Рентгенівські апарати .

Проблема з мобільними телефонами полягає в тому, що вони використовують хвилі, які знаходяться на кордоні між більш безпечними, довгохвильовими радіохвилями і ненадійними короткохвильовими хвилями. Хоча хвилі, які вони використовують, визначаються як мікрохвилі, вони довші хвилі, менша частота і менші хвилі енергії, ніж ті, що використовуються в мікрохвильових печах. Якщо мікрохвильова піч може виробляти, можливо, 1000 ват потужності приготування їжі, мобільний телефон робить частки ват не більше, ніж у тисячі разів, іншими словами.

Ризик раку?

Так що мобільні телефони "готують ваш мозок" або "дають вам рак"? Дуже важко відповісти на це запитання. Довести зв'язок між «факторами ризику» навколишнього середовища та різними видами раку дуже важко, коли люди піддаються багатьом різним ризикам протягом свого життя, а рак може розвиватися років або навіть десятиліттями в майбутньому; мобільні телефони все ще є відносно новою технологією, так що даних не існує. Навіть якщо ми можемо покласти цифри на загальний ризик, який представляють телефони для різних груп людей, це насправді не говорить нам багато про ризик, який ви, я чи будь-яка інша особа може зіткнутися з використанням нашого телефону; це не так епідеміологія працює.

Яка найкраща здогадка щодо безпеки мобільних телефонів? У 2010 році велике міжнародне дослідження більш ніж 5000 випадків пухлини головного мозку під назвою Interphone (координується Міжнародним агентством з дослідження раку, IARC, в Ліоні) показало, що не існує підвищеного ризику пухлин головного мозку для середнього використання мобільних телефонів, хоча й дуже важких користувачів стільникових телефонів (30 хвилин на день протягом десяти років), здається, більше ризикували. У травні 2011 року Всесвітня організація охорони здоров'я також опублікувала свою думку про те, що електромагнітні поля, що виробляються мобільними телефонами, "можливо канцерогенні для людей", що означає, що існує "надійний" зв'язок, але "шанс, упередженість або змішання не можна виключати з достатньою довірою . Через два місяці команда «експертних» вчених з Інституту ракових досліджень дійшла висновку: «Хоча залишається деяка невизначеність, тенденція до накопичення доказів все більше проти гіпотези, що використання мобільних телефонів може викликати пухлини головного мозку у дорослих». Позиція менш визначена для використання мобільних телефонів у дітей та підлітків, хоча зараз проводиться низка досліджень. ВООЗ планує переглянути докази можливого впливу електромагнітних полів на здоров'я до кінця 2016 року, але на момент останнього оновлення цієї статті (травень 2019 р.) Поки що не повідомляє про свої результати.

Дізнатися більше

Дослідження та дослідження

• Мобільні телефони та ризик розвитку раку : Національний інститут раку, 9 січня 2019 р. Відмінний виклад останнього стану досліджень, включаючи посилання на більш ніж 50 останніх наукових праць.
• Риск раку від радіації мобільних телефонів невеликий, дослідження показують Дениз Граді. New York Times, 2 лютого 2018 року. Нові дослідження уряду США підтверджують думку про те, що помірне використання мобільних телефонів є безпечним.
• На CDC, дебати за рекомендаціями щодо ризику мобільного телефону Денні Хакіма. Нью-Йорк Таймс. 1 січня 2016 року.
• Електромагнітні поля та охорона здоров'я: мобільні телефони : Всесвітня організація охорони здоров'я, Факт-лист № 193, жовтень 2014 року.
• Дослідження міжмережевих досліджень стосується використання мобільних телефонів та ризику розвитку раку мозку : Міжнародне агентство з дослідження раку, прес-реліз № 200, 17 травня 2010 року.
• Експерт незалежних панелей Відгуки мобільного телефону посилання на пухлини головного мозку : Інститут досліджень раку (ICR), 2 липня 2011 року. [Архів за допомогою машини Wayback]
• Міжнародний проект ЕМП Проект Всесвітньої організації охорони здоров'я, присвячений вивченню впливу електромагнітного випромінювання на здоров'я та навколишнє середовище.

Новини

Практичні поради

Хто винайшов мобільні телефони?

Фото: оригінальна конструкція радіотелефонної системи Мартіна Купера (стільниковий телефон), подана в якості патентної заявки в 1973 році. Зверніть увагу на те, як мобільна частина утворює цілком окрему систему (показану блакитним кольором, праворуч), яка зв'язується з існуючою загальною мережею (на ліва червона). Окремі мобільні телефони (бірюзові на крайньому правому) спілкуються зі своїми найближчими щоглами і базовими станціями, використовуючи радіохвилі (жовті зигзаги). Надання патентів люб'язно надано Патентним відомством США.

Як ми дісталися від наземних ліній до мобільних телефонів? Ось коротка історія:

• 1873: британський фізик Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879) опублікував теорію електромагнетизму, пояснюючи, як електрика може робити магнетизм і навпаки. Дізнайтеся більше про його роботу в нашій основній статті магнетизм .
• 1876: Шотландський винахідник Олександр Грехем Белл (1847–1922) розробив перший телефон, живучи в Сполучених Штатах (хоча є певні суперечки щодо того, чи був він насправді оригінальним винахідником). Пізніше Белл розробив те, що називається "фотофон", який би посилав і приймав телефонні дзвінки за допомогою світлових променів. Оскільки він був задуманий як бездротовий телефон, він був дійсно далеким предком сучасного мобільного телефону.
• 1888: німецький фізик Генріх Герц (1857–1894) зробив перші електромагнітні радіохвилі у своїй лабораторії.
• 1894: британський фізик сер Олівер Лодж (1851–1940) послав перше повідомлення за допомогою радіохвиль в Оксфорді, Англія.
• 1899: італійський винахідник Гуглельмо Марконі (1874–1937) посилав радіохвилі через Ла-Манш. До 1901 року Марконі послав радіохвилі через Атлантику, від Корнуолла в Англії до Ньюфаундленду. Марконі згадують як батька радіо, але піонери, такі як Герц і Лодж, не менш важливі.
• 1906: американський інженер Реджинальд Фессенден (1866–1932) став першою людиною, яка передала людський голос за допомогою радіохвиль. Він послав повідомлення 11 миль від передавача на Брант-Рок, штат Массачусетс, до суден з радіоприймачами в Атлантичному океані.
• 1920-ті: Аварійні служби почали експериментувати з громіздкими радіотелефонами.
• 1940-ті: мобільні радіотелефони стали популярними в аварійних службах і таксі.
• 1946: AT&T і Southwestern Bell представили свою систему мобільного зв'язку (МТС) для відправлення радіозв'язку між транспортними засобами.
• 1960-ті: Bell Laboratories (Bell Labs) розробили мобільні телефони Metroliner на поїздах.
• 1973: Martin Cooper (1928–) Motorola зробив перший телефонний дзвінок, використовуючи свій 28-футовий прототип DynaTAC.
• 1975: Купер та його колеги отримали патент на свою радіотелефонну систему. Їх оригінальний дизайн показаний у творі, який можна побачити тут.
• 1978: аналогова система мобільних телефонів (AMPS) була введена в Чикаго Іллінойс Белл і AT&T.
• 1982: Європейські телефонні компанії погодилися зі світовим стандартом для роботи мобільних телефонів, який отримав назву Groupe Speciale Mobile, а пізніше Global System for Mobile (GSM) телекомунікації.
• 1984: Motorola DynaTAC стала першим у світі комерційним мобільним телефоном. Погляньте на a малюнок Мартіна Купера і його DynaTAC .
• 1995: у США були прийняті GSM і подібна система під назвою PCS (Personal Communications Services).
• 2001: GSM охопив понад 70% світового ринку мобільних телефонів.
• 2000-ті: були запущені мобільні телефони третього покоління (3G і 3.5G), які забезпечують більш швидкі мережі, доступ до Інтернету, завантаження музики та багато інших просунутих функцій на основі цифрових технологій.
• 2007: iPhone компанії Apple революціонізував світ мобільних телефонів, упаковуючи те, що фактично є мініатюрним комп'ютером, керованим сенсорним екраном, в гаджет, як і звичайний мобільний телефон.
• 2011: Всесвітня організація охорони здоров'я опублікувала думку, що мобільні телефони "можливо канцерогенні" для людей.
• 2013: Мобільні телефони святкують свій 40-річний ювілей.
• 2017: Підписки на мобільний телефон досягають 7,7 мільярда. Майже 80 відсотків з них знаходяться в країнах, що розвиваються.