תקשורת סלולרית

תקשורת סלולרית היא טכנולוגיית תקשורת המאפשרת שימוש בטלפון סלולרי - טלפון אלחוטי נייד (למעשה מכשיר רדיו דו-כיווני המסוגל בו-זמנית לשדר ולקלוט גלי מיקרו) שניתן להפעילו באזורים נרחבים, בטכנולוגיה המתבססת על פרישת תחנות בסיס סלולריות במרחב. המילה סלולרי נובעת מהמילה cell (תא, באנגלית). המשמעות היא, שבכל תא כזה יש תחום נתון של תדרים, המאפשרים לנהל מספר שיחות בו זמנית. אם המכשיר איננו נמצא בתחום, תהיה ירידה ברמת הקליטה וכדי שתהיה אפשרות להמשיך בניהול השיחה, תחנת הקליטה הקרובה לתחום, תקצה תדר מבין התדרים העומדים לרשותה. 
בחוקי מדינת ישראל קרויה תקשורת סלולרית בשם תקשורת תאית או שירותי רט"ן ומכשיר הטלפון הסלולרי קרוי רט"ן - רדיו טלפון נייד, אך כמעט ולא נעשה שימוש במונחים אלה מחוץ לחקיקה ולרגולציה של משרד התקשורת. 
התקשורת הסלולרית והטלפון הסלולרי, שהתחילו להימכר באמצע שנות ה-80 של המאה ה-20, גרמו לאחת המהפכות הגדולות ביותר בתולדות התקשורת. הם הביאו לשינויים מרחיקי לכת, בעיקר במישור החברתי, כאשר באמצעותם תיתכן אינטראקציה רחבת היקף במגוון אפשרויות - שיחות טלפון, מסרונים (SMS), גלישה באינטרנט ותרמו תרומה מכרעת להפיכת העולם כולו לכפר גלובלי. לפי הערכות של ה-ITU, כ-95% מאוכלוסיית העולם נמצאת תחת כיסוי של תקשורת סלולרית דור 2, וכ-69% תחת כיסוי של דור 3. צ'ינה סלולר נחשבת לחברת הסלולר הגדולה בעולם, ודווח שבאמצע שנת 2014 שירתה מעל ל-790 מיליון מנויים.

עקרונות התקשורת הסלולרית

התקשורת הסלולרית מבוססת על כך, שבניגוד לרשת רדיו רגילה, שני מכשירי טלפון ניידים אינם מדברים ביניהם ישירות, אלא דרך רשת של תחנות בסיס סלולריות שכל אחת מהן מכסה תא שטח קטן יחסית (באנגלית: cell). כל טלפון מתקשר עם תחנת הבסיס הקרובה אליו. תחנות הבסיס מקושרות ברשת קווית או אלחוטית למתג סלולרי הקרוי MSC. המתג אחראי לניתוב השיחות מן התא המתאים ואליו. 
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&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).

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.

CDMA

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, שלא תם עד היום הזה. 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.
כיום מופעלות 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. פלאפון תפסיק את השימוש בטכנולוגיה זו ותפנה את התדרים שמשתמשים בה ב-30 ביולי 2017. בעולם יש כיום (תחילת 2004) כ-200 מיליון משתמשי CDMA.

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.

רשת CDMA 2000

זהו תקן נוסף בדור השלישי וחשוב לשים לב לא לבלבל בינו לבין שיטת CDMA. התקן מהווה התפתחות של תקן הדור השני IS-95. התקן מנוהל על ידי הארגון 3GPP2. בין המערכות הנשענות על תקן זה נמצאות 1xRTT, 1xEV-DO, 1xEV-DV. הקצבים המתקבלים במערכות אלה נעים בתחום שבין 144Kbps ל-3Mbps.ברשת זו רוחב הסרט הוא 3.75MHZ, פי 3 מהרוחב הרגיל ועל כן קצב העברת הנתונים גדול יותר והרשת מהירה יותר.

TD-SCDMA

זהו תקן פחות מוכר המפותח בסין על ידי החברות דטנג, סימנס והאקדמיה הסינית לטכנולוגיות תקשורת (CATT).

UMTS-TDD

תקן נוסף המוכר גם בשמות (TDD (Time Division Duplexing ו-TD-CDMA. אחד היתרונות ששיטה זו מקנה היא אסימטריה משתנה של יחסי העלאה-הורדה.

שירותי ערך מוסף

שירותי ערך מוסף הם שירותים שמספקת רשת סלולרית מלבד השירות הבסיסי של שיחות טלפון. באמצעות שירותי הערך המוסף חברות הסלולר מגדילות את הכנסותיהן מחד (באמצעות דמי מנוי לשירותים אלו, או כחלק ממהלך שיווקי המציג את שירותי הערך המוסף כיתרונות של החברה אל מול מתחרותיה), ומגדילות את השימוש של הלקוחות ברשת. לדוגמה, הוספת תא קולי מאפשרת למנויים להתקשר אל התיבה כדי להאזין להודעות, ובזכות ההודעה אפשרי שהמנוי יבצע שיחה נוספת אל משאיר ההודעה - בכך התקיימו 2 שיחות טלפון נוספות, שלא היו מתקיימות בהיעדר התא הקולי. בעקבות שירותי ערך מוסף מוצלחים נדרשות חברות הסלולר לעיבוי ותגבור קיבולת הרשתות, טיוב הכיסוי והקניית 'חכמה' וגמישות מרבית לרשתות על מנת לאפשר השקה מהירה של שירותים חדשים, יכולות פרסונליזציה (אריזת השירותים) למשתמש הבודד ויצירת בידול מובחן בין המפעילים המתחרים ראש בראש. כל זאת, כמובן, לצד דרישה בלתי מתפשרת להוזלת עלויות מימון ותפעול רשת, שילוב טכנולוגיות חדשניות כמו שירותי ענן, קישוריות אדירה בין מכונות – M2M, ומתן גמישות תפעולית למפעילים.

תיבות קוליות

הרעיון בתיבה קולית הוא שלכל מנוי יש הגדרות מגוונות ברשת הסלולרית. הגדרות אלו כוללות גם הפניות שיחה, כלומר לאן המנוי מעוניין להפנות את השיחה אם הוא אינו עונה, אינו זמין, תפוס וכו' (נקרא גם עקוב אחרי). אם למנוי יש הגדרת העברה לתא קולי והוא לא עונה, או אינו זמין, הרי שהרשת הסלולרית תנסה לאפשר למנוי לענות. אם לא ענה אחרי זמן מסוים שהוגדר מראש (יכול להיות על ידי המנוי או על ידי הרשת, תלוי בטכנולוגיה) תעביר הרשת הסלולרית את השיחה למכונת התאים הקוליים. מכונת התאים הקוליים היא סדרה של מחשבים, שמשמשים לאגירת ההודעות, ו"מעליהם" מכונה שיודעת להפוך את השיחה הקולית לקובץ. גודל הקבצים הוא מצומצם מאוד על מנת לאפשר למנויים קיבולת גדולה ככל האפשר, או לחלופין לאפשר למפעיל הסלולרי מספר מנויים גדול יותר על אותה מכונת תאים קוליים. מכונת תאים קוליים אחת תכלול בדרך כלל בין 10 ל-20 מחשבים שונים. חלקם הגדול ישמש לאגירת הודעות, ואילו השאר משמשים כמקשרים שונים לתכונות שונות (תרגום הודעה לקובץ, שליחת SMS אם התקבלה הודעה וכו'). חברת קומברס הישראלית היא הספקית המובילה בשוק התאים הקוליים.