Comment fonctionne le cellulaire - How cell phones work

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Comment fonctionne le cellulaire

             Un téléphone cellulaire est en réalité un émetteur récepteur radio.  Un peu comme le talkie-walkie qu'on utilisait dans notre jeunesse.  À ses débuts, le téléphone mobile était installé dans une automobile à cause de sa dimension et des exigences en puissance électrique.  Il a évolué en un format portable dans les années 80 et est devenu populaire dans les années 90.

             La première démonstration d'un téléphone portable fut en 1973 par John F. Mitchell et le Dr Martin Cooper de Motorola, en utilisant des appareils pesant environs 1 Kg (2,2 livres) chaque.  De 1990 à 2011, le nombre d'utilisateurs de téléphones portables a augmenté de 12,4 millions à 6 milliards, rejoignant 87% de la population mondiale. 

             Mais comment sommes-nous capables de parler dans nos téléphones portables sans créer d'interférence avec les autres conversations?  C'est là que le mot cellulaire entre en jeu. 

             Les talkies-walkies et les radios CB fonctionnent en mode semi-duplex c'est à dire que seulement un des transmetteurs peut parler à la fois, les deux unités transmettent et reçoivent sur la même fréquence.  Les talkies-walkies n'ont qu'une fréquence et les radios CB ont 40 canaux.  Le téléphone portable fonctionne en mode duplex, c'est-à-dire que les deux émetteurs peuvent parler en même temps.  Pour ce faire, le téléphone portable doit utiliser deux fréquences simultanément.  Un fournisseur utilise normalement 800 fréquences dans une ville, il divise donc la ville en cellules.  Chaque cellule couvre environ 26 kilomètres carrés (10 miles carrés). La topographie ressemble à ceci : 

Chaque couleur représente un groupe de fréquences pour que les cellules non-adjacentes puissent utiliser les mêmes fréquences.

Les téléphones portables et les stations de bases utilisent des émetteurs de basse puissance pour que les mêmes fréquences puissent être utilisées dans les cellules non-adjacentes.  Chaque cellule à sa propre antenne et une petite cabine qui abrite l'équipement de transmission radio.  Chaque cellule est reliée au MTSO (Mobile Telephone Switching Office ou bureau d'échange téléphonique mobile) du fournisseur qui est branché aux lignes téléphoniques terrestres standards.  

       

             Chaque cellule réserve un certain nombre de fréquences pour la gestion de l'information tel que le code du fournisseur pour que votre téléphone portable puisse reconnaitre l'antenne de votre fournisseur, il reçoit aussi les informations pertinentes au sujet de votre connexion telle que la fréquence de transmission et de réception de votre appel.  Votre appareil s'ajuste selon ces instructions.   

   

             Le téléphone portable est un radio émetteur récepteur sophistiqué qui peut changer de fréquence dans une fraction de seconde.  Lorsque vous vous déplacez d'une cellule à une autre, votre appareil détecte la nouvelle antenne et se prépare à changer de fréquence.  Le fournisseur détecte la présence de votre appareil dans la nouvelle cellule et prépare le transfert de l'appel à la nouvelle cellule et puisque la fréquence sera différente, le téléphone portable et le MTSO transfèrent à la nouvelle antenne en une fraction de seconde et votre conversation se poursuit sans interruption. 

Il y a plus!

             Vous avez surement entendu parler de 2G, 3G et 4G, Le G signifie génération, ce sont donc des mises à jour de la technologie la plus récente.

1G est la génération analogique des téléphones portables utilisés dans les années 80.

2G est la première version numérique du téléphone portable.  L'avantage des connexions numériques est que l'information est convertie en format binaire, comme les enregistrements numériques, ce qui permet de compresser les données; ainsi 3 à 10 appels peuvent utiliser l'espace qu'occupait une conversation analogique.  La transmission, la compression et la reconversion en mode analogique requiert beaucoup de puissance de traitement dans le téléphone portable pour maintenir une qualité de son acceptable. 

             En 2G, il y a trois technologies impliquées:

• Frequency division multiple access (FDMA) met les appels sur des fréquences différentes.
• Time division multiple access (TDMA) assigne un certain temps à la fréquence.
• Code division multiple access (CDMA) donne un code à chaque appel et utilise plusieurs fréquences disponibles.

             FDMA est utilisé principalement pour les conversations analogiques.

             TDMA est une bande étroite de 30 kHz et de 6.7 millisecondes divisée en trois tranches de temps.  Chaque conversation reçoit un tiers du temps ce qui permet d'avoir trois conversations simultanés parce qu'elles sont numérisées et compressées.  Aussi utilisée comme technologie d'accès pour le GSM (Global System for Mobile Communication) qui crypte les conversations pour les rendre plus sécures.

             CDMA numérise et transmet en plusieurs blocs sur plusieurs fréquences de la bande passante.  Il réussit ce tour de force en assignant un code unique à chaque conversation et en les réassemblant en utilisant le code unique de chaque conversation.  Ce système permet d'avoir de huit à dix conversations sur la même fréquence.

3G est créé pour la technologie des téléphones intelligents.  Il est composé de plusieurs technologies d'accès au cellulaire.  Les plus connues sont: 

• CDMA2000 - basé sur le CDMA du 2G
• WCDMA (UMTS) - Wideband Code Division Multiple Access
• TD-SCDMA - Time-division Synchronous Code-division Multiple Access

             Les réseaux 3G ont le potentiel de fonctionner à des vitesses de 3 Mbps (ce qui veut dire que télécharger une chanson MP3 de 3 minutes prend 15 secondes).  Les téléphones 3G sont comme des petits ordinateurs.  Ils peuvent accommoder des vidéo conférences, faire de la lecture vidéo en transit et télécharger des courriels avec attaches. 

Le 4G existe depuis 2006.  Ce n'est que la prochaine étape en fonction de la vitesse de transmission.  Tous les fournisseurs utilisent une forme de 4G bâtie sur une des trois principales technologies d'accès cellulaires: LTE, HSPA+, and WiMAX.

             WiMAX est unique, car il utilise les standards de 802.16 qui est presqu'identique à votre réseau wifi à la maison.  Il peut, en principe, atteindre jusqu'à 40 Mbps mais en réalité c'est beaucoup moindre. 

             HSPA+ (High Speed Packet Access) en 3G il peut atteindre 14.4 Mbps, mais en utilisant le QAM (quadrature amplitude modulation, qui code plusieurs flux de donnés dans une même transmission, donnant l'impression d'avoir une plus grande bande passante) il peut atteindre 21 Mbps.

             LTE (Long Term Evolution) 4G LTE veut dire supporter toute vitesse supérieure au 3G.  L’industrie espère que le LTE deviendra le standard.  Il est basé sur le protocole IP standard, le même standard qui livre les pages Web sur votre ordinateur en ajoutant les données voix à la transmission. 

             Alors la prochaine fois que vous prendrai votre téléphone portable pour faire un appel, pensez à tout ce qui se passe en arrière-plan pour préparer cet appel et vous garder branché. 

Quelques liens intéressants:

Singeries 

Publicité Fiat 

Simon's cat - un moment de folie 

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English version

How cell phones work

             A cell phone is basically a radio transmitter and receiver.  A bit like the old walkie-talkies we used to play with. The first mobile phones were installed in automobiles because of their size and power requirements. They evolved into a portable format in the 1980's and became popular in the 90's.

             The first hand-held cell phones were demonstrated by John F. Mitchell and Dr Martin Cooper of Motorola in 1973, using handsets weighing around 2.2 pounds (1 kg).   From 1990 to 2011, worldwide mobile phone subscriptions grew from 12.4 million to over 6 billion, reaching 87% of the world’s population.

             But how are we able to all talk into our cell phones at the same time without interfering with other conversations?  That's where the "cell" in cell phone comes into play.

             Walkie-talkies and CBs work in what is called half-duplex mode which means only one transmitter can talk at a time; both units are transmitting and receiving on the same frequency.  Walkie-talkies have only one channel whereas CBs have 40 channels.  Cell phones work in full- duplex mode which means both transmitters can talk at the same time.  To be able to do that, cell phones must use 2 frequencies at the same time.  Typically, cell phone carriers have 800 frequencies to use in a city and divide the city into cells, with each cell covering some 10 square miles (26 square kilometers).  A typical breakdown looks like this: 

Each color represents a different set of frequencies so that non-adjacent cells can reuse the same frequencies.

Cell phones and base stations use low-power transmitters so that the same frequencies can be reused in non-adjacent cells.  Each cell consists of an antenna and a small building that houses the radio transmission equipment.  Each cell is linked to the providers Mobile Telephone Switching Office (MTSO) that connects to the land lines associated with your phone provider. 

             Each cell reserves a certain number of frequencies to transmit management information, such as the carrier code for your provider so that your phone knows what tower to track while in the cell.  It also receives information about what frequency the call sent to your phone will be using and which frequency it will be listening when you answer the call.  Your cell phone adjusts accordingly.

            

             Cell phones are sophisticated radio transmitters and receivers that can switch from one frequency to another within milliseconds.  When moving from one cell to another, your cell phone detects the new cell antenna and prepares to switch to the new antenna.  The provider also detects your phone in the new cell and prepares to switch your call to the new cell and since the frequency will be different in the new cell, the phone switches to the new frequency in a millisecond at the same time the central office switches your call to the new frequency in the new cell allowing the conversation to flow uninterrupted.

There's more!

             You've heard of 2G, 3G and 4G?  The G stands for generation: these are all iterations of the latest technology.

1G was known as the analog generation of cell phone that was used in the 1980's.  

2G was the first digital cell phone network.  The advantage of digital connections is that the conversation is converted into binary information, like in digital recordings, which enables the data to be compressed.  This compression allows 3 to 10 digital cell phone calls to occupy the same space one analog conversation would occupy.  The transmission, compression and conversion back to analog means that the phone requires a lot of processing power to keep up so as to maintain a decent voice quality. 

In 2G, there are three technologies involved:

• Frequency division multiple access (FDMA) puts each call on a separate frequency.
• Time division multiple access (TDMA) assigns a certain time on the frequency.
• Code division multiple access (CDMA) gives a code to each call and spreads it over available frequencies.

             FDMA is used mainly for analog conversations.

             TDMA is a narrow band that is 30 kHz wide and 6.7 milliseconds long and is split time-wise into three time slots.  Each conversation gets one third of the time which enables transmission of 3 conversations simultaneously because they are digitized and compressed.  It is also used as the access technology for GSM (Global System for Mobile Communication).  GSM encrypts the conversation to make them more secure.

             CDMA digitizes and spreads the conversation over the entire available bandwidth.  It does that by assigning a separate code for each conversation and reassembles it by using the unique code.  This allows eight to ten conversations to be carried out on the same frequency.

3G is intended for true Smartphone technology.  It’s comprised of several cellular access technologies.  The most common are:

• CDMA2000 - based on 2G Code Division Multiple Access
• WCDMA (UMTS) - Wideband Code Division Multiple Access
• TD-SCDMA - Time-division Synchronous Code-division Multiple Access

             3G networks have the potential to work a 3 Mbps (which means it would take 15 seconds to download a 3 minute MP3 song).  3G phones are like a small computer.  They can accommodate video conferencing, run Web streaming video and download email messages with attachments.

4G has been around since 2006.  It is only the next step in speed.  All carriers have some type of 4G network built on one of three main cellular-access technologies: LTE, HSPA+, and WiMAX.

             WiMAX is unique in the sense that it uses 802.16 wireless standards much like your Wi-Fi network at home.  Theoretically it can reach 40 Mbps but in reality it is much less than that.

             HSPA+ (High Speed Packet Access) in 3G can reach 14.4 Mbps, but by using QAM (quadrature amplitude modulation, which encodes multiple data streams into a single transmission, mimicking increased bandwidth) it can reach 21 Mbps.

             LTE (Long Term Evolution) 4G LTE means support for any speed above 3G.  The industry is hoping LTE will become the standard.  It is based on Internet Protocol (IP) standards, the same standards that deliver Web pages to your computer and adds voice data to the transmission. 

             So the next time you pick-up your cell phone to make a call, think of all of the background work being done by the phone to prepare for the call and keep your connected.

A few interesting links:

Fiat commercial

Monkey see monkey do (just for laughs)

Simon's cat - a moment of madness