Az ábra olyan kétirányú rendszert mutat, amelyben két lézerforrás található
7. A mobiltelefon-rendszer
7.1. Első generációs (1G) mobiltelefonok: analóg beszédátvitel
Eleget beszéltünk már a mobiltelefonok politikai és piaci vonatkozásairól. Most vegyük szemügyre a műszaki megoldásokat, a legkorábbi rendszerrel kezdve. A mozgó rádiótelefonokat elvétve már a 20. század korai évtizedeiben is használták a katonai és a hajózási távközlésben. 1946-ban telepítették az első autótelefon-rendszert St. Louisban. Ez a rendszer egy magas épület tetejére felszerelt egyetlen adót használt és egyetlen csatornája volt, amelyet adásra és vételre egyaránt használtak. Mielőtt a felhasználó beszélni kezdett, meg kellett nyomnia egy gombot, amely bekapcsolta az adót, és kiiktatta a vevőt. Ezeket az úgynevezett átkapcsolásos
rendszereket (push-to-talk system) számos városban telepítették az 1950-es évek végén. A CB-rádiók, a taxik és a tv-műsorokban látható rendőrök gyakran élnek ezzel a műszaki megoldással.
Az 1960-as években telepítették az IMTS-t(Improved Mobile Telephone System – javított mobiltelefon-rendszer), amely szintén egy nagy teljesítményű (200 wattos) adót használt, amelyet egy domb tetején helyeztek el. Ennek a rendszernek már két frekvenciája volt, egy az adáshoz és egy a vételhez, így az átkapcsológombra már nem volt szükség. Mivel az egyes mobiltelefonoktól eredő kommunikáció befelé másik csatornán haladt, mint a kifelé haladó jelek, a mobilok felhasználói nem hallhatták egymást (a taxikban használatos átkapcsolásos rendszerrel ellentétben).
Az IMTS 23 csatornát támogatott, amelyek a 150-től 450 MHz-ig terjedő sávon voltak szétszórva. A csatornák kis száma miatt a felhasználóknak gyakran kellett hosszan várniuk a tárcsahang megjelenésére. A domb tetején felállított adótorony nagy adási teljesítményéből kifolyólag pedig a szomszédos rendszereknek több száz kilométerre kellett lenniük egymástól az interferencia elkerüléséhez. Mindent összevetve, a korlátozott kapacitás volt az oka, hogy a rendszer a gyakorlatban kevéssé volt használható.
7.1.1. A fejlett mobiltelefon-rendszer (AMPS)
Az AMPS (Advanced Mobile Phone System – fejlett mobiltelefon-rendszer) megjelenésekor mindez megváltozott. Ezt a rendszert a Bell Labs fejlesztette ki, és először az Egyesült Államokban telepítették 1982-ben. TACS néven Nagy-Britanniában is használták, továbbá Japánban is, ahol MCS-L1 volt a neve. Bár az AMPS-t 2008 óta lényegében nem használják, ennek ellenére megvizsgáljuk a rá épülő 2 és 3G-s rendszerek jobb megértése érdekében.
Minden mobiltelefon-rendszerben cellákra (cell) osztják a földrajzi területet (innen ered az angol „cell phone”
név is). Az AMPS-ben a cellák átmérője általában 10 és 20 km között van, a digitális rendszerekben ennél kisebb. Minden cella egy olyan frekvenciahalmazt használ, amelynek egyik elemét sem alkalmazzák a szomszédjai. A viszonylag kis cellák használata és a frekvenciák újrahasználása a közeli (de nem szomszédos) cellákban az a két kulcsfontosságú ötlet, amely a cellás rendszereket sokkal nagyobb kapacitásúvá teszi az előző rendszereknél. Míg egy 100 km-es átmérőjű IMTS-rendszer egyetlen hívást tud kezelni minden frekvencián, egy AMPS-rendszernek akár 100 különálló, 10 km-es cellája lehet ugyanezen a területen, és így 10–15 beszélgetést kezelhet minden frekvencián, egymástól távoli cellákban. A cellás rendszer így legalább egy nagyságrenddel megnöveli a rendszer kapacitását, de a cellák méretének csökkentésével a kapacitás akár több nagyságrenddel is megnövelhető. Mindezen felül a kisebb cellaméret azzal is jár, hogy kisebb adóteljesítményre van szükség, amely kisebb és olcsóbb adókhoz, illetve telefonokhoz vezet.
A frekvencia-újrahasznosítás ötletét a 2.45.(a) ábra szemlélteti. A cellák a valóságban többé-kevésbé kör alakúak, de a hatszög alakú cellákat könnyebb modellezni. A 2.45.(a) ábrán a cellák körülbelül azonos méretűek és hét cellából álló egységekbe vannak csoportosítva. Minden betű egy frekvenciacsoportot jelöl. Figyeljük meg, hogy az egyes frekvenciacsoportok körül olyan, nagyjából két cella széles tartományok vannak, ahol az adott frekvenciát nem használják újra! Ezek biztosítják a kellő távolságot és a kismértékű interferenciát.
Fontos kérdés, hogy hol tudjuk megfelelő magasságban elhelyezni a bázisállomás-antennákat. Mivel nehéz ilyen helyeket találni, és a római katolikus egyház az egész világon jelentős számú lehetséges antennahellyel rendelkezik, amelyek ráadásul ugyanannak a szervezetnek a kezelésben is vannak, ezért néhány telekommunikációs szolgáltató egyezséget kötött az egyházzal.
Amikor egy adott területen belül a felhasználók száma akkorára növekszik, hogy az már túlterheli a rendszert, csökkentik a teljesítményt, és a túlterhelt cellákat kisebb mikrocellákra (microcell) bontják fel annak érdekében, hogy a 2.45.(b) ábrán is látható módon többször lehessen újrahasználni a frekvenciákat. A telefontársaságok néha ideiglenes mikrocellákat is telepítenek a nagy sportesemények, rockkoncertek és más olyan helyek körzetébe, ahol nagyszámú mobilhasználó gyűlik össze néhány órára. Az ideiglenes mikrocellákat műholdas kapcsolatra képes hordozható adókkal valósítják meg.
2.45. ábra - (a) A frekvenciákat nem használják újra a szomszédos cellákban. (b) Több
felhasználó kiszolgálása kisebb cellák alkalmazásával
Minden cella közepén található egy bázisállomás, amellyel a cellában tartózkodó összes telefon kapcsolatban van. A bázisállomás egy számítógépből és egy antennából, valamint az ahhoz kapcsolódó adóvevőből áll. A kisebb rendszerekben minden bázisállomás összeköttetésben áll egyetlen MTSO-nak (Mobile Telephone Switching Office – mobiltelefon-kapcsolóállomás) vagy MSC-nek (Mobile Switching Centre – mobil-kapcsolóközpont) nevezett eszközzel. A nagyobb rendszerekben több MSC-re is szükség lehet, amelyek közül mindegyik egy második szintű MSC-hez csatlakozik, és így tovább. Az MSC-k a telefonhálózatban használatos helyi központok megfelelői, és legalább egy telefonhálózati helyi központtal összeköttetésben is állnak. Az MSC-k a bázisállomásokkal, egymással és a vezetékes telefonhálózattal egy csomagkapcsolt hálózaton keresztül kommunikálnak.
Az egyes mobiltelefonok minden pillanatban logikailag egy bizonyos cellához tartoznak, és az adott cella bázisállomásának irányítása alatt állnak. Amikor egy mobiltelefon fizikailag elhagyja a cellát, és a cella bázisállomása azt veszi észre, hogy a telefon jele gyengülni kezd, megkérdezi a szomszédos bázisállomásokat, hogy ők mekkora teljesítményt észlelnek a telefon felől. Amikor a válasz megérkezik, a bázisállomás átadja a telefon felügyeletét annak a cellának, amelyik a legerősebb jelet veszi tőle, vagyis ahol a telefon éppen tartózkodik. A telefon ezután értesítést kap az új főnökéről, és felkérik arra, hogy váltson csatornát, ha éppen hívása van folyamatban (mivel a régit nem használja a szomszédos cellákban). Ez az átadásnak (handoff) nevezett folyamat körülbelül 300 ms-ig tart. A csatornakiosztást a rendszer agya, az MSC végzi, a bázisállomások tulajdonképpen csak rádiós átjátszóállomások.
7.1.2. Csatornák
Az AMPS FDM-et használ a csatornák elválasztásához. A rendszer 832 duplex csatornát használ, amelyek szimplex csatornapárokból állnak. A módszer neve FDD (Frequency Division Duplex – frekvenciaosztásos kettőzés). A 832 szimplex adási csatorna 824 MHz és 849 MHz között helyezkedik el, a 832 szimplex vételi csatorna pedig 869 MHz és 894 MHz között kapott helyet. Minden egyes szimplex csatorna 30 kHz sávszélességű.
A 832 csatornát négy kategóriába osztják. A vezérlési csatornákat (bázistól a mobil felé) a rendszer felügyeletére használják. A hívási csatornák (bázistól a mobil felé) azt a célt szolgálják, hogy a mobilfelhasználókat értesítsék a beérkező hívásokról. A hozzáférési csatornák (kétirányú) a hívások felépítéséhez és a csatornák kiosztásához szükségesek. Végül az adatcsatorna (kétirányú) a beszéd, a faxok és az adatok továbbítására szolgál. Mivel a szomszédos cellákban nem lehet az azonos frekvenciákat használni és 21 csatorna vezérlési célra van fenntartva minden egyes cellában, így az egy cellában használható beszédcsatornák száma sokkal kisebb mint 832, általában 45 körül mozog.
7.1.3. Híváskezelés
Az AMPS-ben minden mobiltelefon rendelkezik egy 32 bites gyári számmal és egy 10 számjegyű hívószámmal, amelyeket PROM-ban tárol. A hívószám egy 10 biten tárolt 3 jegyű körzetszámból és egy 24 bites, 7 számjegyű előfizetői számból áll. Amikor a telefont bekapcsolják, végigkeresi a 21 előre beprogramozott vezérlési csatornát, hogy megtalálja a legerősebb jelet. A telefon ezután szétküldi a 32 bites gyári számát és a 34 bites telefonszámát. Az AMPS az összes vezérlési információhoz hasonlóan ezt a csomagot is digitális formában, többszörözve és hibajavító kóddal ellátva viszi át, de maguk a beszédcsatornák analóg továbbításúak.
Amikor a bázisállomás meghallja a bejelentkezést, jelenti az új előfizető megérkezését az MSC-nek, amely feljegyzi ezt a tényt, és tájékoztatja az előfizető saját MSC-jét a felhasználó pillanatnyi tartózkodási helyéről.
Normál működés során a telefon nagyjából 15 percenként bejelenti magát.
Hívás kezdeményezéséhez a felhasználónak be kell kapcsolnia a mobiltelefont, be kell billentyűznie a hívott fél számát, és meg kell nyomnia a „küldés” gombot. A telefon ekkor a hozzáférési csatornán elküldi a hívott fél számát, valamint a saját azonosítóját. Amennyiben ezen a csatornán ütközés történik, a telefon később újra próbálkozik. Amikor a bázisállomás megkapja a kérést, tájékoztatja róla az MSC-t. Ha a hívó az MSC üzemeltetőjének (vagy egyik partnerének) egyik előfizetője, akkor az MSC keres egy üres csatornát a hívás számára. Amennyiben talál egy üres csatornát, a számát visszaküldi a vezérlési csatornán. A mobiltelefon ekkor automatikusan a kiválasztott beszédcsatornára vált, és addig vár, amíg a hívott fél felveszi a telefont.
A bejövő hívások másképp működnek. Először is, minden olyan telefon folyamatosan figyeli a hívási csatornát, amelyen éppen nincsen hívás folyamatban, hogy érzékelhesse a neki szánt üzeneteket. Amikor egy mobiltelefonra valaki hívást kezdeményez (akár vezetékes telefonról, akár egy másik mobiltelefonról), egy olyan csomag érkezik a hívott fél saját MSC-jéhez, amely a hívott fél hollétét hivatott kideríteni. Az MSC ezután egy másik csomagot küld a telefon pillanatnyi cellájában elhelyezett bázisállomásnak, amely erre egy
„14-es egység, jelentkezz!”-hez hasonló adást küld szét a hívási csatornán. A hívott telefon „Jelen”-nel válaszol a hozzáférési csatornán. A bázisállomás ekkor valami olyasmit mond, hogy „14-es egység, hívásod van a 3-as csatornán.”. Amikor ezt az üzenetet megkapja, a hívott telefon átvált a 3-as csatornára, és csengetési hanggal jelez a hívott félnek (esetleg egy olyan dallammal, amelyet a tulajdonos valakitől születésnapi ajándékba kapott).