To mark our 150th year, we’re revisiting the Popular Science stories (both hits and misses) that helped define scientific progress, understanding, and innovation—with an added hint of modern context. Explore the Notable pages and check out all our anniversary coverage here.
Jusqu'à ce que Heinrich Hertz découvre des vagues radio en 1887, le vaste et invisible spectre électromagnétique était un désert silencieux, ponctué par les rafales statiques de la nature.Mais Hertz a déclenché une nouvelle ère qui comblerait rapidement ce vide avec des ondes radio bas de gamme, des micro-ondes de milieu de gamme et des rayons gamma haut de gamme (imagerie médicale).Malgré l'étendue du spectre sans fil, une petite tranche (environ 500 MHz - 3.5 GHz) a été jalonné comme aucun autre: comme la science populaire l'a rapporté en janvier 1978, il s'avère être la plage optimale pour propager les signaux vers et depuis les appareils mobiles, comme les téléphones itinérants.
La rareté a motivé l'innovation du réseau mobile depuis que les premières fréquences ont été mises de côté par la FCC dans les années 40.Même si la taille des téléphones mobiles s'est rétréci de la taille des caisses dans les années 50 et 60 à la taille d'une brique dans les années 70, la pincée était moins de facteur de forme téléphonique que celle de l'utilisation inefficace du spectre.Jusqu'à la fin des années 70, chaque nouveau téléphone mobile qui a été mis en ligne dans une ville nécessitait sa propre fréquence dédiée, la façon dont une station de radio locale nécessite sa propre chaîne.Comme John Mason l'a rapporté: «Parce que les canaux radio sont si limités, il y a de longues listes d'attente dans la plupart des villes pour le service de téléphone mobile."
En 1974, pour répondre à la demande refoulée, la FCC a publié plus de spectre mais a insisté pour que les entreprises trouvent une meilleure façon de l'utiliser.Comme l'explique Mason avec Geeky Precision, Cellular Technology tire son nom de sa conception, déploiement.Plus que toute autre technologie, cellulaire (conçu pour la première fois en 1948 mais pas pratiquement pratique avant les années 1970) a ouvert la voie à l'ère mobile.
Depuis les années 70, la FCC a continué à libérer le spectre.Une simple fraction de la tranche de disque mobile s'est vendue pour plus de 20 milliards de dollars lors d'une vente aux enchères de novembre 2021 (le 3.Bande 45 GHz).Les réseaux cellulaires continuent de viser plus haut sur le spectre, rétrécissant les cellules pour surmonter les limitations de propagation et fournir plus de données.La technologie 5G d'aujourd'hui sera capable d'atteindre jusqu'à 40 GHz pour atteindre des vitesses de livraison de données flamboyantes.
“Traveling Telephone–new technology expands mobile/portable service" (John Mason, January 1978)
Il y a un bouton étiqueté Snd sur le Pulsar II à l'aspect futuriste de Motorola.Je l'ai poussé et un nombre stocké dans sa mémoire de micro-ordinateurs a commencé à marcher, chiffre par chiffre, à travers l'affichage du combiné à LED rouge.Ce téléphone de voiture incroyable se souvient non seulement de 10 numéros de téléphone souvent utilisés, mais appelle l'un d'eux à la presse d'un bouton.
Plus tôt, dans l'usine du groupe de communications de Motorola à l'extérieur de Chicago, j'avais décroché un téléphone portable dynatac (dynamique adaptatif total de la zone), tapé un numéro sur son clavier tactif et appelé mon bureau de New York.L'équipement électronique à l'usine a réparé mon appel directement dans le réseau téléphonique.Un opérateur téléphonique mobile / portable n'était pas nécessaire.Des téléphones mobiles et portables avancés sont déjà utilisés dans tout le pays.Motorola commercialise son Pulsar II de 890 $ (moins d'émetteur-récepteur) pour les systèmes de 150 et 450 MHz;Ses portables Dynatac ne sont pas encore disponibles, bien que d'autres téléphones portables compacts soient vendus et loués.
Mais alors que le matériel de fantaisie pour les appels téléphoniques sur le pouce est facilement disponible, les fréquences radio nécessaires pour transporter le volume lourd d'aujourd'hui des appels mobiles / portables ne sont pas disponibles.Parce que les canaux radio sont si limités, il y a de longues listes d'attente dans la plupart des villes pour le service de téléphonie mobile.
Selon les experts en communication, un remède à cette congestion, selon les experts en communication, est un mélange des dernières technologies informatiques et RF et le concept de cellules radiotéléphones et de réutilisation de fréquence.Les deux téléphones que j'ai utilisés sont des exemples de cette nouvelle technologie.
Le concept est simple.Un système de téléphonie mobile conventionnelle utilise un émetteur central de haut niveau et un récepteur sensible desservant toutes les unités mobiles de la région.Ainsi, une seule fréquence peut être utilisée par une seule unité mobile à la fois.Dans une arrangement cellulaire, l'émetteur / récepteur central de haute puissance n'est pas utilisé.Au lieu de cela, de nombreux émetteurs / récepteurs plus petits que chaque couverture ne couvrent que quelques miles carrés sont installés. Now, a given frequency can be used simultaneously by mobile units in several differentRégions or “cells" without interfering with each other.Le résultat: beaucoup plus d'appels peuvent être passés sur une bande de fréquences donnée, et beaucoup de ces personnes sur la liste d'attente pour les téléphones portables peuvent obtenir un service.
Bien que le système soit simple en principe, il est extrêmement compliqué dans la pratique.Comment décidez-vous quelle unité mobile obtient la fréquence à laquelle à quel moment?Et comment vous assurez-vous que deux cellules adjacentes n'utilisent pas la même fréquence simultanément - une situation qui pourrait éventuellement provoquer des interférences?La réponse est un système compliqué de contrôle de l'ordinateur.Alors que les détails varient d'un système à l'autre et même dans les systèmes - plus à ce sujet plus tard - c'est la façon dont une configuration typique pourrait fonctionner.
Dans le système désormais prévu par Motorola pour la région de Washington-Baltimore, toute la région serait divisée en cinq cellules hexagonales, chacune avec un rayon de 11 miles (voir diagramme).
L'antenne de base servant certaines cellules hexagonales a six antennes de transmission et de réception en forme de V, divisant chacune de ces zones en six cellules plus petites.
What happens when you’re driving around and somebody calls your number? “The system first has to locate a mobile unit in order to assign a proper channel in the proper cell," says Motorola group product manager Andrew Daskalakis.
Pinpacher et surveiller votre emplacement est accompli avec des ordinateurs neuf seront finalement utilisés dans le système de développement de Washington-Baltimore.
Ordinateur dans votre coffre
Pour un appel entrant, les données informatiques sur les canaux de signalisation spéciaux sont rayons sur tous les émetteurs de cellules.Un micro-ordinateur puissant intégré à l'émetteur-récepteur de taille de pain à pain dans votre coffre de voiture reconnaît votre code mobile.Votre ordinateur transmet ensuite un signal qui indique instantanément à un ordinateur de base dans quelle cellule vous êtes.
Ensuite, pour déterminer à quelle distance vous êtes de l'antenne cellulaire, l'ordinateur principal envoie une tonalité de six kHz à votre mobile.Ce ton déclenche un transpondeur qui retransmet le ton au récepteur de la station de base.En comparant les différences de phase entre le ton transmis et reçu, la distance entre la base à votre voiture est calculée.
En utilisant ces informations de distance et la force du signal de votre ordinateur, l'ordinateur de base peut augmenter la puissance de votre émetteur mobile vers le haut ou vers le bas. “It takes care of the portable-in-the-high-building problem, and the mobile-on-a-high hill problem," says Daskalakis.Les téléphones itinérants à ces altitudes peuvent transmettre beaucoup plus loin que la normale, interférant avec d'autres cellules.
Le chat de chit inaudible entre les ordinateurs - codé en rétroaction pour empêcher les erreurs de statique ou de décoloration - ne prend qu'une fraction de seconde.Votre mobile est automatiquement réglé sur un canal vocal. Once you’re “linked up," the main computer actuates the “ringer" in your mobile.
Après avoir répondu à votre appel et pendant que vous conduisez, l'ordinateur principal scanne périodiquement votre mobile pour surveiller votre emplacement.Si vous passez à l'endroit où un autre émetteur-récepteur cellulaire offrirait une meilleure réception, l'ordinateur de base vous change instantanément. A similar “handshake" between computers occurs just before the dial tone when you place a call.
Le système qui vient d'être décrit allait être opérationnel par étapes.Dans les zones moins fortement peuplées, un système moins compliqué serait adéquat.Là, la section récepteur de la station de base utiliserait plusieurs antennes pour diviser la cellule en six secteurs en forme de tarte.Ces antennes de réception à haut gain peuvent ramasser des signaux à partir de téléphones portables de faible puissance (un watt).Mais une seule antenne de transmission omnidirectionnelle pourrait couvrir toute la cellule.Un autre système cellulaire commence maintenant une opération expérimentale à Chicago.Il est exploité par l'Illinois Bell et, bien que les principes soient les mêmes, il diffère quelque peu dans les détails de fonctionnement du système Motorola.Le système de Chicago, par exemple, aura initialement 10 cellules, chacune avec un rayon de huit miles de son émetteur central.La couverture cellulaire recouvrera une région de 2100 milles carrés à Chicago.
This eight-mile cell system, however, is less sophisticated than the setup originally proposed by American Telephone & Telegraph Co.Ce système, présenté en 1971 à la FCC, a spécifié des cellules de rayon de quatre milles, avec des antennes directionnelles à des coins alternatifs de chaque cellule hexagonale (voir diagramme).Avec des cellules de quatre milles, la réutilisation en fréquence serait possible dans les cellules à 18 miles de l'autre.
Dans le système en cours de construction, la réutilisation de fréquence n'est possible que dans deux cellules, à environ 48 miles de distance.Les systèmes mobiles conventionnels ont généralement une distance de réutilisation supérieure à 100 miles.
“We’re authorized to serve 2500 customers," says James Troe of Bell Laboratories’ telephone service trial department, which is setting up the new system. “We’re sizing the system and channel capacity to accommodate that level," he said, to explain why AT&T is building a less costly system.
Des cellules plus petites viendraient plus tard pour répondre à la demande croissante.Les entreprises peuvent étendre les systèmes cellulaires pour desservir des dizaines ou des centaines de milliers - simples en ajoutant plus d'émetteurs, en rétrécissant la taille des cellules et en réutilisant les fréquences plus souvent.
Alors que le système de Bell Illinois est essentiellement compatible avec la configuration de Washington-Baltimore, il existe quelques différences.Un portable Motorola Dynatac, par exemple, ne fonctionnerait pas adéquatement dans le système initial de Chicago, qui manque d'antennes de réception à haut gain sectorielles, bien qu'un téléphone de voiture Dynatac.
La volonté de développer des systèmes qui utilisent efficacement les systèmes radio.À cette époque, les téléphones portables fonctionnaient dans les bandes de 35, 150, 450 MHz.
En 1974, après de vastes audiences et des retards, la FCC a mis de côté une tranche de fréquences UHF de 806 MHz à 947 MHz de cette bande dite de 900 MHz a été allouée aux sociétés mobiles terrestres privées, à l'utilisation de la fonction publique et aux services publics tels que le téléphoneLes entreprises et les opérateurs communs radio (RCC) qui exploitent désormais un service de téléphone et de pocket [PS, juillet 1977] dans les bandes de fréquence conventionnelles de 35, 150 et 450 MHz.
Lorsque la FCC a alloué une partie de la bande 900 MHz pour l'utilisation du téléphone mobile, il a également spécifié que les entreprises intéressées à utiliser le groupe devraient concevoir des systèmes pour répondre aux demandes de service croissantes.
Mais bien que la décision de base ait été prise en 1974 et que l'équipement soit prêt, aucun système de ce type n'est actuellement opérationnel (le système de Chicago est désormais à un test limité, mais n'est pas encore disponible pour le public).Un facteur principal bloquant l'autorisation finale: les 700 petits RCC qui exploitent une grande partie du service de radiotephone et de pagination du pays ne veulent pas que la concurrence.Presque n'importe qui peut se lancer dans les affaires et servir une zone locale tant qu'il n'a besoin que d'une seule émission centrale et de l'emplacement.Mais les nouveaux systèmes, qui nécessiteraient de nombreuses stations de base ainsi que des réseaux de contrôle informatique complexes, coûteraient plus cher que la plupart des RCC ne pourraient se permettre.Ainsi, les RCC ont protesté vigoureusement lors des audiences de la FCC, déposé des affaires et obstruant autrement le mouvement.
Bell opère maintenant à Chicago sous une licence expérimentale.Motorola, qui a signé un contrat avec un Baltimore RCC, American Radio Telephone Service, a reçu l'approbation de la FCC pour aller de l'avant et construire son système de Washington-Baltimore proposé.
Pendant ce temps, certains experts - et certains RCC - soutiennent que les cellules ne sont pas vraiment le moyen le plus efficace d'étendre le service de téléphone itinérant.Ils recommandent plusieurs concepts alternatifs tels que l'utilisation de signaux vocaux numérisés.
Autres technologies
Un consortium de trois RCC a déposé une demande pour essayer cette technique à Washington, D.C.Région.Cette application, bien sûr, est en concurrence devant la FCC avec l'application Motorola.Le concept non cellulaire RCC, qui a été développé sur papier par Harris Corp., nécessite un site d'émetteur extrêmement puissant (375 kW).Les signaux vocaux seraient numérisés et rayés comme des éclats d'impulsions dans des paquets;Chaque paquet est codé pour des mobiles séparés.
Un autre concept connu sous le nom de spectre à propagation reçoit l'attention parmi les experts en communication.Utilisés largement par les militaires, les signaux de spectre à propagation sont très immunisés contre le brouillage et l'interception.Imaginez que chaque station FM a diffusé son signal sur toute la bande FM de 88 MHz à 108 MHz.Chaque station, cependant, coderait sa sortie afin qu'un filtre spécial dans votre ensemble FM puisse décoder son signal.
Pour les communications téléphoniques mobiles, les technologies de filtrage semi-conducteur et électronique récemment développées pourraient permettre à tout le monde du pays d'avoir un circuit de décodage à spectre à propagation unique pour un téléphone itinérant.
While you can expect to hear about various technologies for mobile systems in coming years, AT&T executive vice-president Thomas Nurnberger thinks expansion of the Chicago cellular system concept “will make it possible in the future for virtually anyone on the move to have a telephone in cars or temporary locations." Nurnberger cites the boom in CB radios as evidence of a pent-up national need for two-way communication that AT&T thinks can be satisfied with cellular technology.
Certains texte ont été modifiés pour correspondre aux normes et style contemporains.
