Como funcionam os telefones celulares?

A primeira ligação feita de um telefone celular completou 40 anos no dia 3 de abril de 2013. O aparelho usado em 1973, chamado DynaTAC, foi criado por Martin Cooper, então funcionário da Motorola.

DynaTAC 8000X

Cooper saiu com o objeto, que então pesava 1,1 quilo, pelas ruas de Nova York. Em seu primeiro teste, ele ligou para a Bell Labs, uma divisão da operadora AT&T na época.

Segundo conta o engenheiro, o visual do protótipo foi escolhido em um concurso interno entre cinco designers industriais da Motorola. “Escolhi o mais simples, e esse design básico durou por quase 15 anos”, relata ele no site que leva seu nome.

Da primeira ligação até a criação do aparelho DynaTAC 8000X, o primeiro celular colocado à venda ao consumidor, foram dez anos de pesquisas, supervisionadas por Cooper.

Nos dias atuais, existem mais de 6 bilhões de celulares em uso no mundo. Para diferentes fins, com designers cada vez mais modernos, a nova geração já nasce sabendo manipular o pequeno equipamento.

Os telefones celulares fornecem uma incrível variedade de funções e novos aparelhos são lançados em um ritmo acelerado. Dependendo do modelo de telefone, você pode:

  • armazenar informações de contatos
  • fazer listas de tarefas a realizar
  • agendar compromissos e gravar lembretes
  • usar a calculadora embutida para cálculos simples
  • enviar ou receber e-mail
  • obter informações (notícias, entretenimento, cotações da bolsa) da Internet
  • jogar
  • enviar mensagens de texto
  • integrar outros dispositivos como PDAs, MP3 players e receptores de GPS

Mas… você sabe como funciona uma ligação feita de celular?

Frequências de telefone celular

No período que precedeu os telefones celulares, as pessoas que realmente necessitavam de capacidade de comunicação móvel instalavam rádio-telefones em seus carros. No sistema de radiotelefonia, havia uma torre de antena central por cidade e possivelmente 25 canais disponíveis nesta torre. Essa antena central significava que o telefone em seu carro precisava de um transmissor muito potente, com capacidade suficiente para transmitir por cerca de 70 km. Isso também significava que poucas pessoas podiam usar os rádio-telefones: não havia canais suficientes.

A engenhosidade do sistema celular está na divisão de uma cidade em pequenas células. Isso permite uma extensiva reutilização de frequência ao longo de uma cidade, de modo que milhões de pessoas possam usar os telefones celulares simultaneamente.

Uma boa maneira de compreender a sofisticação de um celular é compará-lo a um rádio faixa do cidadão ou a um walkie-talkie.

  • Full-duplex X half-duplex – tanto os walkie-talkies quanto os rádios da faixa do cidadão são dispositivos half-duplex. Ou seja, duas pessoas que se comunicam usam a mesma frequência, de modo que somente uma pessoa pode falar de cada vez. Um telefone celular é um dispositivo full-duplex. Isso significa que você usa uma frequência para falar e uma segunda frequência independente para a escuta. Ambas as pessoas podem falar ao mesmo tempo.
  • Canais – um walkie-talkie tem um só canal, enquanto um rádio faixa do cidadão possui 40 canais. Já um telefone celular comum pode se comunicar em 1.664 canais ou mais.
  • Alcance – um walkie-talkie pode transmitir a cerca de 1,6 km usando um transmissor de 0,25 watt. Um rádio faixa do cidadão, devido a sua potência muito maior, pode transmitir a cerca de 8 km, usando um transmissor de 5 watts. Os celulares operam dentro de células e podem trocar de células enquanto se movimentam entre elas. As células proporcionam um alcance incrível aos telefones celulares. Uma pessoa, utilizando um telefone celular, pode dirigir por centenas de quilômetros e manter uma conversa durante todo o tempo, graças à abordagem celular.


No rádio half-duplex, ambos os transmissores usam a mesma freqüência. Somente uma das partes pode falar de cada vez.


Em um rádio full-duplex, os dois transmissores usam freqüências diferentes, assim ambas as partes podem falar ao mesmo tempo.
Os telefones celulares são full-duplex.

 Em um sistema de telefonia celular analógico nos Estados Unidos, o provedor de telefonia celular recebe cerca de 800 freqüências para usar ao longo da cidade. O provedor divide a cidade em células. Cada célula tem dimensão típica de cerca de 26 quilômetros quadrados. As células normalmente são imaginadas como hexágonos de uma grande grade hexagonal, como esta:

frequencia
Como os celulares e as estações-base usam transmissores de baixa potência, as mesmas freqüências podem ser reutilizadas em células não adjacentes. As duas células roxas podem reutilizar as mesmas freqüências.

Cada célula tem uma estação-base, que consiste de uma torre e uma pequena construção que contém o equipamento de rádio. Falaremos mais sobre as estações-base posteriormente. Agora vamos dar uma olhada nas células que fazem o sistema celular.

Canais de telefone celular

Uma única célula em um sistema analógico utiliza um sétimo dos canais de voz duplex disponíveis. Ou seja, cada célula (das sete em uma grade hexagonal) está usando um sétimo dos canais disponíveis, de modo que tem um conjunto exclusivo de freqüências e não há colisões:

  • um provedor de telefonia celular recebe, normalmente, 832 freqüências de rádio para usar em uma cidade;
  • cada telefone celular usa duas freqüências por chamada, ou seja, um canal duplex, de modo que normalmente há 395 canais de voz por provedor. As outras 42 freqüências são usadas para canais de controle; falaremos mais sobre isso posteriormente;
  • assim, cada célula tem cerca de 56 canais de voz disponíveis.

Em outras palavras, em qualquer célula, 56 pessoas podem falar em seus celulares a qualquer momento. Os sistemas celulares analógicos são considerados tecnologia móvel de primeira geração ou 1G. Com métodos de transmissão digital (2G), o número de canais disponíveis aumenta. Por exemplo, um sistema digital baseado em TDMA pode comportar três vezes o número de chamadas de um sistema analógico – cada célula tem aproximadamente 168 canais disponíveis.

Os celulares usam transmissores de baixa potência . Muitos celulares têm duas intensidades de sinal: 0,6 Watt e 3 Watts (para comparação, a maioria dos rádios faixa do cidadão transmite com 4 Watts). A estação-base também transmite em baixa potência. Há duas vantagens nos transmissores de baixa potência:

  • as transmissões de uma estação-base e os celulares dentro de sua célula não vão muito além daquela célula. Assim, na figura acima, ambas as células roxas podem reutilizar as mesmas 56 frequências. As mesmas frequências podem ser reutilizadas extensivamente ao longo da cidade;
  • o consumo de energia do telefone celular, que normalmente é operado por bateria, é relativamente baixo. Baixa potência significa baterias pequenas, e isso possibilitou fazer telefones celulares bastante pequenos.

A abordagem celular requer um grande número de estações-base em uma cidade de qualquer tamanho. Uma grande cidade pode ter centenas de torres. Mas como muitas pessoas estão usando telefones celular, o custo para cada usuário permanece baixo. Cada provedor em cada cidade também opera uma central chamada de central de comutação de telefonia móvel (ou MTSO, a sigla em inglês). Essa central manipula todas as conexões telefônicas para o sistema telefônico baseado em terra e controla todas as estações-base naquela região.

Códigos de telefonia celular

Existem códigos especiais associados a todos os celulares. Esses códigos são usados para identificar o telefone, seu proprietário e o provedor dos serviços.

Códigos de telefone celular

  • Número serial eletrônico (ESN): um número individual de 32 bits gravado dentro do telefone quando ele é produzido.
  • Número de identificação móvel (em inglês, MIN) – um número de 10 dígitos derivado de seu número de telefone.
  • Código de Identificação do Sistema (em inglês, SID) – um número exclusivo de 5 dígitos que é designado para cada provedor pelo FCC (Comissão Federal de Comunicações), órgão que regulamenta as telecomunicações nos EUA.

Apesar de o ESN ser considerado uma parte permanente do telefone, os códigos MIN e SID são programados nele quando estiver ativado, ou quando você adquire um plano de serviços.

 Digamos que você tenha um celular, ligue-o e alguém tente falar com você. Aqui está o que acontece com a chamada:

    • Quando você liga o telefone pela primeira vez, ele ouve um SID (veja a barra lateral) no canal de controle. O canal de controle é uma freqüência especial que o telefone e a estação-base usam para falar um com o outro sobre coisas como configuração de chamadas e mudança de canais. Se o telefone não conseguir encontrar nenhum canal de controle para ouvir, ele saberá que está fora de alcance e exibirá uma mensagem dizendo que está fora de serviço.
    • Quando ele recebe o SID, o telefone o compara ao SID programado no telefone. Se os SIDs coincidirem, o telefone saberá que a célula com a qual ele está se comunicando faz parte de seu sistema home, ou doméstico.
    • Junto com o SID, o telefone também transmite uma solicitação de registro, e a central comutadora de telefonia móvel (MTSO) rastreia a localização de seu telefone em um banco de dados. Dessa maneira, a central sabe em qual célula você se encontra para, quando quiser, tocar a campainha de seu celular.
    • A MTSO recebe a chamada e tenta localizá-lo. Ela consulta seu banco de dados para ver em qual célula você se encontra.
    • A central MTSO escolhe um par de freqüências que seu telefone usará naquela célula para receber a chamada.
    • A MTSO se comunica com seu telefone pelo canal de controle para informar quais freqüências utilizar, e assim que seu telefone e a torre comutam para essas freqüências, a chamada é conectada. Agora, você está falando com um amigo por um rádio de duas vias.
    • Conforme você se move em direção à borda de sua célula, a estação-base de sua célula nota que a intensidade do sinal de seu celular está diminuindo. Enquanto isso, a estação-base na célula para a qual você se dirige (e que está ouvindo e medindo a intensidade do sinal em todas as freqüências, não apenas em seu próprio sétimo do total) observa o sinal de seu telefone aumentar de intensidade. As duas estações-base se coordenam uma com a outra via MTSO e, em algum ponto, seu telefone recebe um sinal no canal de controle ordenando que ele troque de freqüências. Esse passe (hand off) comuta seu telefone para a nova célula.

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À medida que você se desloca, o sinal é passado de célula para célula

Digamos que você esteja ao telefone e se mova de uma célula para outra, mas a célula para a qual você se move é coberta por outro provedor de serviços que não o seu. Em vez de derrubar a ligação, ela na verdade será transferida para o outro provedor de serviços.

Se o SID no canal de controle não coincide com o SID programado em seu telefone, então o telefone sabe que está em roaming. A central MTSO da célula em que você faz o roaming entra em contato com a central MTSO de seu sistema doméstico, que então verifica seu banco de dados para confirmar que o SID do telefone que você usa é válido. Seu sistema doméstico verifica seu telefone para a central MTSO local, a qual então rastreia seu telefone à medida que você se desloca ao longo de suas células. E o surpreendente é que tudo isso acontece em segundos.

A parte chata é que você pode receber uma cobrança absurda por sua chamada em roaming. Na maioria dos telefones, a palavra “roam” aparece na tela do aparelho quando você deixa a área de cobertura de seu provedor e entra na de outro. Caso contrário, será melhor estudar seus mapas de cobertura com muita atenção, pois mais de uma pessoa já foi, desagradavelmente, surpreendida pelo custo do roaming. Verifique seu contrato de serviços cuidadosamente para descobrir quanto está pagando quando estiver em roaming.

Observe que se você quiser fazer roaming internacionalmente, precisará de um telefone que funcione tanto domesticamente quanto no exterior. Países diferentes usam tecnologias de acesso celular diferentes. Mais à frente veremos mais sobre esta tecnologia.

Primeiro, vamos ter uma base sobre a tecnologia de celulares analógicos para entender como se desenvolveu esta indústria.

Rede de telefonia celular 3G

evolução dos celulares A tecnologia 3G é a mais recente nas comunicações móveis. 3G significa “terceira geração”, já que a tecnologia do celular analógico é de primeira geração e a do celular digital/PCS é de segunda geração. A tecnologia 3G se destina aos verdadeiros telefones celulares multimídia, chamados de smartphones ou telefones inteligentes, e apresenta largura de banda ampliada e taxas de transferência para acomodar aplicações baseadas na Web e arquivos de vídeo e áudio baseados no telefone

– 3G engloba diversas tecnologias de acesso digital. As mais comuns em 2005 eram:

  • CDMA2000 (em inglês) – baseada em Code Division Multiple Access (acesso múltiplo por divisão de Código) 2G
  • WCDMA (UMTS) em inglês – Wideband Code Division Multiple Access (acesso múltiplo por divisão de código de banda larga)
  • TD-SCDMA (em inglês) – Time-division Synchronous Code-division Multiple Access (acesso múltiplo por divisão de código síncrono por divisão de tempo)

As redes 3G têm velocidade de transferência potencial de até 3 Mbps (cerca de 15 segundos para o download de uma música em MP3 de 3 minutos). Para exemplificar, os telefones 2G mais rápidos podem chegar até 144 Kbps (cerca de 8 minutos para o download de uma música de 3 minutos). As altas taxas de dados do 3G são ideais para o download de informações da Internet e para o envio e recebimento de arquivos grandes de multimídia. Os telefones 3G são como minilaptops e podem acomodar aplicações de banda larga como videoconferência, recepção de sinais de vídeo da Web, envio e recepção de fax e download instantâneo de mensagens de e-mail com anexos.

É claro que nada disso seria possível sem aquelas torres que transmitem os sinais de telefone para telefone.

A seguir, um vídeo explicativo sobre as informações apresentadas!.

Fonte: How Stuff Works; Teleco.

5 opiniões sobre “Como funcionam os telefones celulares?”

  1. você teria algum artigo explicando como funciona o som do celular?
    como ouvimos, como ele capta o que falamos?

  2. Muito bom o texto, parabéns.

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