כפי שניתן לראות באיור, כאשר הטלפון הסלולרי עובר מתא שטח אחד לשני, מועברת השיחה מתחנת בסיס 1 לתחנת בסיס 2. תהליך ההעברה נקרא העברת שיחה ובאנגלית Handoff או Handover. המתג הסלולרי מקושר מצידו לרשת הטלפון הציבורית (PSTN) וכך מאפשר שיחות מטלפון קווי לסלולרי ולהפך. פריצת הדרך המרכזית שאפשרה את פיתוח הטלפונים הסלולריים, היא זו של השימוש החוזר בתדרים - בתחנות בסיס שונות, המופרדות זו מזו גאוגרפית, כך שמספר מוגבל של תדרי שידור מאפשר כמות כמעט בלתי מוגבלת של שיחות.
היסטוריה וסיווג של המערכות הסלולריות.
הרעיון של טלפונים סלולריים אינו חדש. עוד בשנת 1947 נהגה במעבדות מחקר, הרעיון של תאים שיקושרו לטלפונים ניידים, באמצעות שימוש חוזר בתדרים, אולם הטכנולוגיה של תקופה זו לא אפשרה את מימוש הרעיון. מכשול נוסף היה סירובה של נציבות התקשורת הפדרלית (בארצות הברית) FCC, להקצות ספקטרום תדרים למערכות טלפון אלחוטי.
בשנת 1968 הציעו מעבדות בל וחברת AT&amp;T ל-FCC את התפיסה שלפיה יוקמו רשתות של רדיו טלפון נייד שיתבססו על פריסה נרחבת של תחנות שידור, שכל אחת מהן תכסה אזור שידור ברדיוס של קילומטרים ספורים ותפעל רק בחלק מן התדרים המוקצים למערכת כולה. כאשר המשתמשים יעברו מאזור כיסוי של תחנה אחת לאחרת, יתחלפו אוטומטית תדרי השידור והקליטה שלהם ורציפות התקשורת תישמר.
שני גופים עסקו בפיתוח הרעיון בארצות הברית: מעבדות בל וחברת מוטורולה. בשנת 1973 הדגימה מוטורולה את הטלפון הסלולרי הראשון, אולם היו אלה מעבדות בל שהציגו בשנת 1979 את האבטיפוס הראשון למערכת סלולרית ופרסו ב-1980 את הניסוי הראשון באזור שיקגו, ובו 2000 משתתפים. שנה לאחר מכן הוקמה בטוקיו המערכת הסלולרית המסחרית הראשונה. רק ב-1982 אישר ה-FCC להקים מערכת מסחרית בארצות הברית וזו הוקמה לבסוף בשנת 1983, 36 שנה לאחר העלאת הרעיון בפעם הראשונה.
סיווג המערכות לדורות נובע משינויים מהותיים ברשת הסלולרית. השינויים כוללים החלפת המרכיבים הטכנולוגיים של הרשת הסלולרית, ובכללם החלפה של האנטנות של הרשת ושינויי פריסה של תחנות הבסיס של הרשת. לעומתם, שדרוגים קלים יותר לטכנולוגיה מצוינים כחצאי דור או רבעי דור (לדוגמה, דור 3.5 או 2.5).
דור 0 - מערכות לא סלולריות.
המערכות הראשונות האלחוטיות היו צבאיות מבוססות מכשירי קשר ולא פעלו בשיטה הסלולרית. במערכות אלו התקשורת התבססה על ערוץ מסוים, והשימוש בו היה ב-Broadcast (הפצת התשדורת לכל מי שמכוון לאותו ערוץ, ללא הבחנה או זיהוי אישי). ערוץ השידור היה דו כיווני למחצה (Half-duplex), קרי בכל נקודת זמן השידור היה שידור חד-כיווני אל המשדר המרכזי (דיבור) או ממנו (הקשבה). מערכות אלו לא יכלו לספק את הדרישה לנהל שיחות רבות בו-זמנית. המערכות נקראו גם מערכות "לחץ על מנת לדבר" (push-to-talk system).
דור 1 - מערכות אנלוגיות.
הטלפונים הסלולריים הראשונים היו אנלוגיים, דהיינו הדיבור הועבר ברשת בצורה אנלוגית, ללא המרה לאות ספרתי. לכל מכשיר היה תדר שידור ותדר קליטה משלו ושיטת האפנון הייתה אפנון תדר (FM).
בעולם פותחו מספר מערכות סלולריות אנלוגיות:
חדירת המערכות הסלולריות הייתה מהירה מהצפוי. חיש קל התברר כי באזורים אורבניים צפופים, המערכות מגיעות תוך שנים ספורות לקצה יכולת הקיבול שלהן. החברות ומכוני המחקר ביפן, ארצות הברית ואירופה, נוכחו לדעת כי הטכנולוגיות האנלוגיות אינן טובות מספיק וכי יש צורך בתכנון דור חדש של מערכות סלולריות, שיהיו בעלות התכונות הבאות:
רוב העוסקים בנושא הגיעו למסקנה כי יש צורך לעבור ממערכות אנלוגיות למערכות דיגיטליות. יוצאת מן הכלל הייתה חברת מוטורולה, שהייתה באמצע שנות ה-80 המובילה בעולם בייצור טלפונים סלולריים. חברת מוטורולה החליטה כי ניתן להאריך את תוחלת החיים של המערכות האנלוגיות על ידי פיתוח דור נוסף, משופר, של טלפונים סלולריים אנלוגיים ופיתחה את מערכת NAMPS, שפירושו (Narrow AMPS). מערכת זו דחסה שלושה ערוצים אנלוגיים לתוך ערוץ אחד של AMPS, תוך כדי מתן יכולות דיגיטליות חלקיות - כגון הודעות קצרות וערוץ בקרה דיגיטלי.
דור 2 - מערכות דיגיטליות.
מערכת סלולרית דיגיטלית היא בעלת התכונות הבאות:
שני גופים עיקריים עסקו באפיון ופיתוח המערכות הדיגיטליות - ארגון התעשיות הסלולריות בארצות הברית CTIA וארגון התקשורת האירופי CEPT.
שיטות גישה מרובות משתמשים - הסבר.
לצורך הבנת אופן פעילותן של המערכות הסלולריות החדישות, חשוב להבין טוב יותר את ההבדל בין שיטות הגישה השונות:
מערכות TDMA אמריקניות.
ארגון תעשיית הסלולר האמריקני - CTIA, החל בסוף שנות ה-80 לתכנן מערכת סלולרית שתחליף את מערכת ה-AMPS. התוצאה היא מערכת שתוקננה בשנת 1991, שנודעה בכינוי מערכת TDMA ונודעה גם בשם Digital AMPS.
בשיטת TDMA, כל ערוץ RF של AMPS מחולק ל 3 חריצי זמן. בכל חריץ זמן משדרת תחנת הבסיס דיבור מקודד למשתמש אחר ובאופן דומה בערוץ העולה משדרים טלפונים סלולריים שונים בחריצי זמן שונים. ככלל, מגדילה מערכת ה-TDMA את הקיבול, לעומת מערכת ה-AMPS פי 3 בערך.
שני תקנים תוקננו בארצות הברית למערכות TDMA. הראשון נקרא IS-54 והשני, המתקדם יותר, IS-136.
מערכות TDMA זכו לתפוצה נרחבת בארצות הברית, בדרום אמריקה ובמדינות נוספות. חברת סלקום שהייתה המפעיל הסלולרי השני במדינת ישראל, החלה את פעולתה בשיטת TDMA בתחילת 1995.
בשנים האחרונות דועך השימוש בשיטה זו, מאחר שאינה יכולה לספק שירותי דור שלישי ורוב המפעילים שהפעילו מערכות מסוג זה עברו להפעלת מערכות GSM.
GSM או Global System for Mobile Communications הוא תקן לרשתות של טלפונים סלולריים. רשתות אלו הן הנפוצות ביותר בעולם. ב-2010 היו בעולם כחמישה מיליארד מנויי GSM. בישראל הופעלו רשתות כאלו על ידי חברות סלקום פלאפון ופרטנר (אורנג'). רשת ה-GSM עושה שימוש בטכנולוגיית גישה מרובה מבוססת זמן, TDMA (אין הכוונה לתקן ה-TDMA). לכשיצאו היו רשתות ה-GSM הרשתות היחידות בעולם שפעלו בטכנולוגיה דיגיטלית.
בעוד ארגון ה-CTIA בוחר בתקן ה-TDMA כתקן הספרתי של צפון אמריקה, הציעה חברת קוואלקום (Qualcomm) בארצות הברית, במהלך חדשני ונועז, פתרון חלופי המבוסס על שיטת ה-CDMA. מייסדי החברה ארווין ג'ייקובס ואנדרו ויטרבי טענו כי פיתחו שיטה המסוגלת להגדיל את קיבול המערכת הסלולרית פי 10–20 לעומת מערכת AMPS וזאת תוך כדי שיפור איכות הקשר, הקטנת מספר הניתוקים והקטנת צריכת ההספק של יחידות הקצה.
טכנולוגיית ה-CDMA מבוססת על עקרונות דחיסה וקידוד בהם השתמש הצבא האמריקאי במהלך מלחמת וייטנאם. החידוש בשיטה הוא בכך שהשיחות השונות מופרדות זו מזו באמצעות קידוד ולא באמצעות חלוקה בזמן (כפי שנוקטת טכנולוגיית ה-TDMA/GSM) או באמצעות חלוקת תדרים צפופה (כפי שנוקטת טכנולוגיית ה-NAMPS). שיטה זו מאפשרת קיום של מספר גדול של שיחות (כמספר הקודים האפשרי) על גבי אותו תחום תדרים ובו-זמנית, מבלי שהשיחות תפרענה אחת לשנייה.
הטכנולוגיה שפיתחה קוואלקום הייתה מורכבת למדי וחייבה שימוש באלמנטים חדשניים כגון קידוד דיבור בקצב משתנה והעברה רכה של שיחות - טכנולוגיה שבה מכשיר סלולרי קולט מידע ממספר תחנות בסיס בו זמנית, מה שמבטיח שהשיחה לא תתנתק במהלך מעבר בין תאים סלולריים. מאפיין נוסף של טכנולוגיית ה-CDMA הוא בקרת ההספק ההדוקה שבה מכשיר סלולרי משנה את הספקו באופן דינמי בכל רגע.
הופעת ה-CDMA יצרה מחלוקות קשות ופיצול בעולם הסלולרי, מצד אחד, טענו חסידי ה-TDMA ובראשם חברות נוקיה ואריקסון כי טכנולוגיית ה-CDMA מורכבת מדי, אינה עומדת בדרישות ויקרה ליישום. מצד שני, חברת קוואלקום, מוטורולה ויצרנים קוריאניים ובראשם סמסונג, טענו לעדיפות של ה-CDMA. בצפון אמריקה הופעלו ב-1995 מערכות בשיטת CDMA, בתקן שנקרא IS-95 או בשם המסחרי cdmaOne והמפעילים בעולם נחלקו לשתי קבוצות - הרוב שהלך עם מערכות GSM וה-TDMA האמריקני והמיעוט שהפעיל מערכות CDMA וזאת למרות שקיבול ה-CDMA אכן הוכח כגדול יותר.
בשנת 2004 הגיע מספר משתמשי CDMA ל-200 מיליון, ובמשך למעלה משני עשורים פעלו מערכות CDMA בקנה מידה גדול ביבשת אמריקה, באוסטרליה, סין, הודו, יפן, קוריאה ובמדינות נוספות ביניהן ישראל, שבה עברה חברת פלאפון לשימוש בטכנולוגיית CDMA במקום הטכנולוגיה האנלוגית שקדמה לה. כמו בחברות רבות בעולם, פלאפון הפסיקה את השימוש בטכנולוגיה זו ופינתה את התדרים שמשתמשים בה ב-30 ביולי 2017,
המערכות היפניות.
גם ביפן פותחו תקנים למערכות דיגיטליות, שהיו שונים הן מאלה שפותחו בארצות הברית והן מאלה שפותחו באירופה. המערכות היפניות כוללות, מלבד מפעיל הפועל ב-CDMA, שני תקנים נוספים: PDC ראשי תיבות של Personal Digital Cellular, ו-PHS - ראשי תיבות של Personal Handyphone System שהיא בעצם מערכת אלחוטית ביתית שהיא גם מערכת סלולרית ספרתית עם ניידות נמוכה. חברת NTT DoCoMo, השייכת לחברת האם NTT, היא המפעיל הסלולרי הגדול ביותר ביפן, מצטיינת בחדשנות טכנולוגית רבה והייתה הראשונה להשיק רשת דור שלישי בתקן FOMA באוקטובר 2001. DoCoMo גם אחראית לשירות ה-i-mode שבניגוד לשאר התקנים היפנים, הופץ בעולם.
תקשורת נתונים.
בתקני ה-GSM הוכנסה אפשרות להעברת נתונים בקצב אופייני של 2400 סל"ש ועד קצב מרבי של 9600 סל"ש. התפיסה הייתה, שניתן יהיה להעביר נתונים ממחשב למחשב דרך מודם ספרתי בתוך הטלפון הסלולרי. מתכנני ה-GSM לא חזו כלל את התפתחותה המהירה של רשת האינטרנט ובאמצע שנות ה-90 מצאו עצמם ספקי השירותים הסלולריים ללא כל יכולת לאספקת שירותי נתונים אטרקטיביים.