Câmpurile de radiofrecvenţă din tehnologia telefoniei mobile

Utilizarea radiaţiilor de radiofrecvenţă
Telefoanele mobile şi staţiile lor de bază transmit şi primesc semnale utilizând unde electromagnetice (cunoscute şi sub denumirea de radiaţii sau câmpuri electromagnetice sau unde radio). Radiaţia electromagnetică este emisă de numeroase surse naturale, dar şi de cele produse de om şi joacă un rol foarte important în viaţa noastră. Suntem încălziţi de radiaţiile solare sau ale unui foc electric şi putem observa acea parte a spectrului electromagnetic pe care ochiul uman o poate detecta. Toate radiaţiile electromagnetice constau în câmpuri magnetice şi electrice oscilante şi din frecvenţe, f sau v, ce reprezintă periodicitate, per secundă, la care oscilează undele. Frecvenţele sunt măsurate în herţi sau Hz, 1Hz reprezentând 1 oscilaţie pe secundă, 1 kHz sau kilohertz reprezentând 1000 Hz, 1 Mhz sau megahertz reprezentând 1 milion Hz, iar 1 Ghz sau gigahertz reprezentând 1000 de milioane Hz. Frecvenţele între circa 30 kHz şi 300 Ghz sunt folosite în mare măsură în industria telecomunicaţiilor, inclusiv pentru transmisiunile radio şi TV, şi cuprind banda de radiofrecvenţă (RF).
Undele la frecvenţe mai înalte, de până la circa 60 Ghz, sunt denumite microunde şi au o gamă variată de utilizări. Printre acestea se numără: radarul, legăturile de telecomunicaţii, comunicaţiile prin satelit, prognozele meteo şi diatermia medicală. La frecvenţe şi mai ridicate, radiaţiile iau forma de infraroşii, ultraviolete, raze X şi în cele din urmă raze gamma emise de materialele radioactive. Radiaţiile electromagnetice sunt, de asemenea, caracterizate prin lungimea de bandă (lambda), care e egală cu viteza undei (viteza luminii) divizată de frecvenţa sa.

Radiocomunicaţiile
O undă RF utilizată pentru radiocomunicaţii este denumită undă transportatoare. Informaţia pe care o transportă - voce, date etc - trebuie adăugată la unda transportatoare printr-un proces denumit modulaţie. Informaţia poate fi transmisă atât în formă analogică, cât şi digitală. De exemplu, semnalul electric dintr-un microfon, produs de o melodie, de exemplu, este un semnal analog la frecvenţe de până la 15 kHz. Aşadar, semnalul variază în timp la o scală de câteva microsecunde. Dacă semnalul este trimis printr-o transmisie analogică, mărimea sau amplitudinea unei unde transportatoare RF, la orice moment, este proporţională cu mărimea semnalului de modulare electrică la acel moment (acest lucru se numeşte modulare de amplitudine – vezi Fig. 1). Unda transportatoare variază mult mai rapid decât semnalul, astfel încât modulaţia produce o oscilaţie relativ scăzută în amplitudinea undei transportatoare. Informaţia poate fi transmisă, de asemenea, şi în formă digitală. În acest caz, doar un număr redus de simboluri sunt utilizate. Limbajul tipărit este un exemplu de informaţie digitală, de vreme ce foloseşte doar simbolurile alfabetului. Codul Morse este un alt exemplu, ce foloseşte doar două simboluri – puncte şi linii, fiind denumit sistem binar. Semnalele analogice sunt descrise printr-o cifră, care, în general, nu este număr întreg, iar primul pas este digitizarea acestuia prin rotunjirea până la cel mai apropiat număr întreg.

Transmisia digitală, de obicei binară, oferă numeroase avantaje tehnice prin sistemele de transmisie analogică. De exemplu, e mai puţin susceptibilă de distorsiuni la interferenţe şi zgomot electric şi înlocuieşte transmisia analogică în cazul radio-ului, al televiziunii, al telefoanelor mobile etc.

Compatibilitatea electromagnetică
Abilitatea sistemelor electrice şi electronice de a opera într-un mediu electromagnetic, fără efecte adverse, este cunoscută sub denumirea de compatibilitate electromagnetică (EMC). Realitatea este că toate sistemele electrice pot fi disturbate dacă sunt expuse la emisii suficient de puternice. Din această cauză, EMC este obţinută prin limitarea sau controlul emisiilor electromagnetice pentru a se asigura că sistemele electrice sunt suficient de imune la interacţiunile electromagnetice. Telefoanele mobile emit câmpuri electromagnetice şi de aceea caracteristicile radiaţiilor lor (frecvenţa, puterea etc) sunt reglementate, în strânsă corelaţie cu standardele stabilite de organizaţii precum Institutul European de Standardizare în Telecomunicaţii (ETSI). Totuşi, distanţa dintre un telefon mobil şi un sistem electric poate varia considerabil. Astfel, un proiect important de cercetare, din 1999, a arătat că viitoarele sisteme de telefonie mobilă vor avea mult mai puţine efecte adverse EMC decât sistemele perioadei ‘90.

Tehnologia telefoanelor mobile celulare - Reţelele de radiofrecvenţă celulară

Un telefon mobil trimite şi primeşte informaţii (mesaje vocale, fax, date etc) prin radiocomunicaţii. Semnalele de radiofrecvenţă sunt transmise de la telefon la cea mai apropiată staţie de bază, iar semnalele care urmează a fi primite sunt trimise de la staţia de bază către telefon la o frecvenţă uşor diferită. Odată ce semnalul ajunge la o staţie de bază poate fi transmis la principala reţea de telefonie, fie pe cablurile de telefonie sau prin legături radio la frecvenţe mai ridicate (precum 13, 23 sau 38 GHz) între o antenă la staţia de bază şi o alta la un terminal conectat la reţeaua principală de telefonie. Aceste legături de microunde radio operează la o putere, mai degrabă scăzută, şi cu razelele apropiate într-o linie directă între antene, astfel încât orice radiaţie abătută de la acestea este de o intensitate mult mai scăzută decât radiaţia de frecvenţă scăzută transmisă către telefoane.

Semnalele transmise către şi dinspre telefoanele mobile sunt, de obicei, limitate în distanţe, într-un fel în spatele liniei de privire. Acestea pot ajunge în clădiri şi după colţuri de clădiri datorită variatelor procese inclusiv reflexia şi difracţia, ce îi permite radiaţiei să se “îndoaie” în jurul colţurilor la un anumit grad. Aria de acoperire dintr-o staţie de bază este în parte guvernată de distanţa sa faţă de orizontul antenei. În actualul sistem GSM, un artefact de timp în procesarea semnalului în cadrul receptoarelor limitează distanţa maximă peste la care un telefon mobil poate fi utilizat, la circa 35 km. O reţea ideală conţine o reţea de celule hexagonale, fiecare cu câte o staţie de bază în centru (Fig. 2), însă, în practică, acoperirea fiecărei celule va îndepărta, de obicei, apreciabil de la aceasta din cauza topografiei terenului şi a disponibilităţii sit-urilor pentru staţiile de bază.

Dimensiunile celulelor sunt, în general, mai reduse decât maximum de 35 km, deoarece obstrucţionările dealurilor, clădirilor şi ale altor construcţii reduc bătaia acestora. Frecvenţele sunt reutilizate la câteva celule depărtare, iar capacitatea unei reţele (numărul apelurilor telefonice simultane ce pot fi făcute) depinde de extinderea spectrului de frecvenţă disponibil, de diametrul celulei şi de disponibilitatea sistemului în ciuda fundalului de interferenţă de la alte celule. Astfel, în oraşele mari staţiile de bază nu ar trebuie să fie amplasate la distanţe mai mari de câteva sute de metri.

Staţiile de bază funcţionează ca macrocelule, iar acele staţii de bază de dimensiuni mai mici, suplimentare, operează pe distanţe mai mici, fiind instalate în locaţii precum staţiile de tren, acolo unde densitatea utilizatorilor este ridicată (microcelule) şi în clădiri precum blocurile de birouri (picocelule). Sistemele celulare includ şi tehnologia care asigură că acele canale de frecvenţă pe care intră un utilizator, când se află în interiorul unui vehicul, se schimbă automat pe măsură ce vehiculul se mişcă de la o celulă la alta.