سیستم های مخابراتی تلفن های همراه
مخابرات بی سیم در سال 1987 با اختراع تلگراف بی سیم توسط " مارکنی " آغاز شد و اکنون پس از گذشت بیش از یک قرن سومین نسل از سیستم های مخابرات بی سیم یعنی سیستم های مخابرات فردی یا PCS ( Personal Communication System ) پا به عرصه ظهور گذاشته است . اکنون فناوری های مخابرات سیار تا به آنجا پیش رفته است که کاربران این چنین سیستم هایی با استفاده از یک ترمینال دستی کوچک ( Handset ) می توانند با هر کس در هر زمان و هر مکان ، انواع اطلاعات ( صوت ، تصویر ، دیتا ) را مبادله کنند این ارتباط که به صورت سیار است مستلزم دستگاه ها و سیستم هایی می باشد که هم به عنوان گیرنده فعالیت کنند و هم فرستنده .
در کلیه تشکیلاتی که از سیستم های رادیویی سیار بهره برداری می کنند عموما واحدهای سیار نیاز به برقراری ارتباط رادیویی با یک ایستگاه کنترل کننده مرکزی دارند . در این سیستم ها تعدا زیادی کاربر سیار با مرکز ثابت مربوط به خود در تماس هستند و تشکیلات مختلف باید بطور همزمان و بدون ایجاد تداخل با یکدیگر قادر به برقراری تماس مورد نیاز باشند . در این سیستم ها نیاز به آنتن هایی داریم که به صورت همه جهته و در موازات سطح زمین از ایستگاه ثابت ، اطلاعات را پخش و جمع آوری نمایند و آنتن های سیار هم پایه با راندمان مناسب جهت نصب روی واحد سیار باشند . در محیط های شهری امواج رادیویی باید قدرت نفوذ و انتشار از میان ساختمان های مرتفع را داشته باشند . همچنین به دلیل محدودیت در باند های رادویی باید بتوان از باندهای رادویی مشابه در شهرهای مختلف که در فاصله مناسبی از یکدیگر قرار دارند به صورت مکرر استفاده کرد .
در اکثر سیستم های عملی ،جهت برقراری سیستم های عملی جهت برقراری ارتباط مناسب با واحدهای سیار لازم است تا از یک دستگاه رادیویی مرتفع جهت ارسال و دریافت پیام ها استفاده شود ، اما به دلیل عملی نشدن این مسئله غالبا ارتباط بین دفتر مرکزی و ایستگاه رادیویی مورد نیاز از طریق یک واسط صورت می گیرد . در سیستم های سیار چون زمان دریافت پیام مشخص نیست ، معمولا گیرنده ها آماده دریافت پیام هستند . در این راستا باید شبکه ای طراحی شود که تمام نیازهای فوق را بر آورده سازد .
شبکه های سلولی
سیستم های مخابراتی سیار مورد استفاده در یک منطقه جغرافیایی باید به گونه ای باشد که از لحاظ مخابراتی تمام منطقه را تحت پوشش قرار دهد و اصطلاحا هیچ نقطه کوری از دید امواج رادیویی باقی نماند . از طرف دیگر اختصاص فرکانس های کاری مورد استفاده باید به صورتی باشد که تداخل فرکانسی در سیستم ایجاد نشود . بنابراین هنگام پیاده سازی یک سیستم موبایل در یک منطقه جغرافیایی ، منطقه مربوطه را به مناطق کوچکتری به نام سلول تقسیم می کنند . آنگاه فرستنده را در داخل سلول قرار می دهند . در این صورت سرویس دهی تنها در منطقه ای که سلول بندی شده است میسر می شود . شبکه های سلول دو مزیت دارند :
1) استفاده مجدد از فرکانس کاربر با رعایت فاصله جغرافیایی :
یعنی اینکه در محدوده سلول های مختلف از یک فرکانس کاری می توان استفاده کرد و لزومی ندارد فرکانس های متعدد تعریف کنیم .
2) شکافتن سلول ها :
به این معنی که در طرح اولیه شبکه سلولی مخابرات سیار ، سلول را بزرگ انتخاب می کنند و در صورت افزایش مشترکان سلول را می توان به سلول های کوچکتری تقسیم کرد و در اصطلاح سلول را شکافت و با گذاشتن پست های فرستنده- گیرنده اضافه ، تعداد مشترکان را افزایش داد .
تاریخ کامل مخابرات بی سیم به چهار دوره تقسیم می شود :
1. دوره قبل از همگانی شدن این سیستم
2. سیستم های آنالوگ نسل اول
3. سیستم های دیجیتال نسل دوم
4. سیستم های دیجیتال نسل سوم (PCS )
دوره های ماقبل از همگانی شدن سیستم های مخابرات بی سیم از سال های 1950 شروع شده و تا سال 1960 ادامه یافت در این دوره از مخابرات سیار برای کاربردهای پلیسی ، نظامی و هواپیمایی استفاده می شد و تجهیزات ارسال و دریافت ، حجیم و گران قیمت بود .
نسل اول در سال های 1970 تا 1980 بر پایه تکنولوژی آنالوگ و استفاده از مفهوم سلولی پدید آمد . ایده اساسی در مخابرات سیار سلولی MCS ( Mobile Cellular System ) استفاده مجدد از طیف فرکانسی در مناطقی است که به اندازه کافی از هم دورند . استفاده از مخابرات سیار سلولی ، باعث افزایش ظرفیت سیستم ، کاهش هزینه ، بهبود کیفیت سرویس و کاهش توان مورد نیاز شد . انواع مختلفی از این سیستم های آنالوگ با نام های گوناگون TACS , Aurora , NMT , AMPS , NEC و ... وجود داشت . اما مهمترین و رایج ترین شکل سیستم های آنالوگ ، سیستم AMPS است . سیستم AMPS در سال 1978 راه اندازی شد . این سیستم در باند فرکانسی 800 تا 900 مگاهرتز کار می کرد و دارای 666 کانال دو طرفه با پهنای باند 30 کیلو هرتز و مدولاسیون FM ، آنالوگ بود . با افزایش بیش از حد تقاضا، سیستم های آنالوگ نسل اول قادر به تامین ظرفیت مورد نیازبرای برخی مناطق شهری نبودند . از معایب و کمبودهای AMPS مساله ظرفیت این سیستم است . همچنین از اشکالاتی که در این سیستم ها وجود دارد ضعف امنیتی آن ها است . به طوری که به متقلبان مجال استفاده غیر مجاز را می دهد . این اشکالات در سیستم های دیجیتالی نسل بعد بر طرف شده است . به علاوه سیستم های دیجیتال نرخ بیت و سرعت بالاتری دارند و حجم اطلاعاتی بیشتری را می توان در کانال های آن مبادله کرد . با توجه به ظهور سیستم های دیجیتال سیستم AMPS چندان مورد استفاده نخواهد بود . سیستم های نسل دوم در سال های 1980 و 1990 با استفاده از تکنولوژی دیجیتال تحقق یافت . COSM اولین استاندارد GSM تمام دیجیتال در دنیاست . این سیستم در سال 1992 در اروپا به بهره برداری تجاری رسید . در این سیستم موبایل از فرکانس های 890 تا 915 مگاهرتز و پست های ارسال و دریافت از فرکانس های 935 تا 960 مگاهرتز برای ارسال سیگنال استفاده می کنند . پهنای باند هر کانال رادیویی 200 کیلوهرتز است که توسط 8 کاربر استفاده می شود . به علت تقاضای روز افزون برای سرویس های MSC ، تکنولوژی های جدیدی نظیر COMA برای بهبود بهره برداری از طیف فرکانسی پدید آمد . CDMA یکی از پیچیده ترین سیستم های بی سیم دیجیتال در دنیای امروز است . CDMA تمامی کاربران را در فرکانس های یکسان و زمان های یکسان با کدهای مختلف مجزا می کند . پهنای باند هر کانال 23.1 مگاهرتز است . سیستم های نسل سوم ، سیستم های مخابرات فردی ( PCS ) نامیده می شوند . PCS سیستمی است که با استفاده از آن کاربر می تواند در هر زمان و هر مکان و با هر کس به کمک یک مخابرات فردی واحد ( PTN ) تبادل اطلاعات نمایند . در سال های اخیر نسل سوم شبکه های رادیویی سلولی شدیدا مورد توجه قرار گرفته است . سیستم های نسل سوم را گاه با 3G نشان می دهند . در کشور ما شبکه موبایلی که موجود است از نوع نسل دوم یعنی GSM می باشد . البته اگر کمی در مورد تفاوت های نسل های شبکه های مخابراتی دقیق تر شویم می توانیم بگوییم که شبکه های سلولی نسل دوم مانند GSM که فقط برای انتقال صوت مورد استفاده قرار می گیرند ، ذاتا دارای فناوری سوئیچ مداری هستند و شبکه های نسل 2.9 مانند GPRS ، مدل گسترش یافته شبکه های نسل دوم هستند که از فناوری سوئیچ مداری برای انتقال صوت و از سوئیچ بسته ای برای تبادل داده استفاده می کنند . در واقع منظور از بسته همان Data می باشد . در واقع نسل 2.5 تا 2.5G بر پایه نسل دوم برای مکالمه استفاده می شود . اما نسل بعدی که نسل سوم یا 3G می باشد از فناوری WCDMA یا همان ( Wide band Code Division Multiple Accesses ) برخوردار است که خود این فناوری از فناوری CDMA نشات گرفته است . اما برای نسل سوم که روی فرکانس 2000 مگاهرتز است یک استاندارد اروپایی به نام UMTS وجود دارد که گاهی به جای WCDMA از آن استفاده می کنند و مخفف عبارت Universal Mobile Telecommunication Systems است به معنی سیستم جهانی مخابرات سیار از راه دور . در نسل سوم مخابرات سیار امکان ارسال و دریافت فایل های چند رسانه ای یا Multimedia وجود دارد و سرعت ارسال و دریافت اطلاعات در نسل دوم و نسل 2.5 است . البته شایان ذکر است که بین نسل 2.5 و 3 فناوری های PCS و DCS در فرکانس های 1800 و 1900 نیز بکار گرفته شدند . (Digital Cellular System & Personal Communication System ) بعد از نسل سوم نوبت به نسل چهارم یا 4G رسید که می خواست مشکلات و نارسایی های نسل سوم را جبران کند چون نسل سوم دچار تردیدها و ضعف هایی است که باعث شده در بسیاری از کشورها هنوز مورد توجه واقع نشود . شبکه های نسل 4 یا 4G نامی است که به سامانه های سیار مبتنی بر IP که دسترسی را از طریق یک مجموعه از واسطه های رادیویی تامین می کنند ، داده شده است . این شبکه ها مبتنی بر فناوری سوئیچ بسته ای هستند و بطور کلی مبتنی بر مجموعه پروتکل IP در هر دو بخش با سیم و بی سیم هستند . ( IP2 Internet Protocol ) از خصوصیات شبکه های 4G تبدیل چندین شبکه رادیویی مانند GPRS , WA , HIPERLAN وBluetooth به یک شبکه واحد است . با این ویژگی کاربران خواهند توانست به خدمات مختلف دسترسی پیدا کرده و پوشش بیشتری داشته باشند ، در ضمن راحتی استفاده از یک وسیله واحد را نیز تجربه کنند و از طرف دیگر یک صورت حساب را با کاهش کل هزینه دسترسی داشته و دسترسی بی سیم قابل اعتمادی را حتی در صورت از دست دادن یک یا چند شبکه داشته باشند . در حال حاضر نسل چهارم یا 4G ، یکی از ابتکارات مراکز( Research & Development Center ) برای حل مشکلات و محدودیت های 3G است که نتوانسته به وعده های خود در زمینه عملکردها و خروجی ها عمل کند .
برای آشنایی بیشتر با سیستم های مخابراتی GSM بلاک دیاگرام یک سیستم GSM را در شکل زیر می بینیم :
برای آشنایی بیشتر با این بلاک دیاگرام به معرفی قسمت های مختلف و اختصار هر کدام می پردازیم :
1) : BSS ( Base Station Subsystem )
بخشی در مخابرات که زیر سیستم ایستگاه پایه که خود شامل BSC و BTS است .
2) : BSC ( Base station Controller )
ایستگاه پایه کنترل کننده
3) : BTS ( Base Transceiver Station )
پست ارسال و دریافت که به شکل دکل مانند دیده می شوند .
4) : MSC ( Mobile Switching Center )
مرکز سوئیچینگ موبایل که وظیفه ارتباط اطلاعات کاربر با BSS را دارد .
5) : HLR ( Home Location Register )
یک پایگاه دامنه ای جهت نگهداری و مدیریت اطلاعات مشترکین اعم از موقعیت اسم و سایر اطلاعات دائمی کاربر.
6) : VLR ( Visitor Location Register )
اطلاعات موقعیت مکانی کاربر به صورت موقت و لحظه ای در آن ثبت می گردد . هماهنگی بین HLR و VLR و MSC است . فرض کنید که یک کاربر وارد یک MSC جدید می شود ، VLR اطلاعات موقعیت کاربر را به MSC داده و MSC آن را با HLR تطبیق می دهد .
7) : EIR ( Equipment Identity Register )
این قسمت محل مربوط به نگهداری اطلاعات در مورد گوشی های موقتی اطلاعات محرمانه و ... می باشد که در صورت تماس با گوشی این اطلاعات نیز چک می شود .
8) : AUC ( Authentication Center )
مرکز تصدیق اطلاعات . می توان این بخش را بخش امنیت نامید و عملکرد آن را اینگونه توجیه کرد . بخشی که محرمانه بودن تماس ها را کنترل می کند .
9) : MS ( Mobile Station )
پست سیار . بخشی از GSM که مورد استفاده کاربر است و شامل اطلاعات ME Mobile Equipment ) تجهیزات سیار ) و اطلاعات ( Subscriber Identity Module ) که اطلاعات سیم شامل کد IMSI International Mobile Subscribers Identity ) شناسنامه بین المللی کاربر سیار ) که یک کد در نهایت 15 رقمی است که به شکل زیر می باشد :
3 رقم 3/2 ارقام بقیه ارقام MCC MNC MISN
MCC : Mobile Country Code کد کشور شبکه سیار
MNC : Mobile Network Code کد شبکه سیار
MSIN: Mobile Station Identification Number شماره شناسایی ایستگاه شبکه سیار
گزینه دیگری که در SIM کارت ذخیره می شود شماره تلفن خود کاربر است و اما ME یا همان تجهیزات موبایل که شامل اطلاعات فنی و مدل گوشی و کد IMEI است که به صورت زیر است :
IMEI ( International Mobile Equipment Identity )
شناسنامه بین المللی تجهیزات موبایل
1 رقم 6 رقم 2 رقم 6 رقم S SNR FAC TAC
TAC : Type Approval Code کد تصویب شده نوع گوشی که دو رقم اول آن کشور سازنده است .
FAC : Final Assembly Code کد کارخانه سازنده گوشی
SNR : Serial Number شماره سریال
S : Spare Digit این کد به همین اسم کد Spare معروف است .
اما وقتی صحبت از سیستم سلول می کنیم این سیستم مربوط به نحوه قرارگیری BTS ها است و شکل سلول ها عمدتا به صورت زیر است :
این سلول ها که به سلول های منظم یا SECTORAL معروفند در غالب شهرها و مناطق تشکیل دهنده سلول های سیستم جهانی مخابرات سیار (GSM ) هستند اما در برخی مناطق که زمین دارای پستی و بلندی و ارتفاع است ، BTS ها سلول های بی قاعده و بدون شکل که به OMINI معروفند را تشکیل می دهند .
همانطور که قبلا گفته شد یکی از خواص این نوع سیستم های مخابراتی اینست که از یک فرکانس می توان بارها در سلول های مختلف استفاده کرد . اکنون نحوه عملکرد این سیستم های مخابراتی را به طور ساده شرح می دهیم . فرض کنید که یک کاربر یا یک MS در محیط یک سلول باشد . هر BTS ، 45 کانال خالی برای ساپورت کردن 45 کاربر دارد یعنی به عبارتی یک سلول که دارای 6 BTS است ، دارای 270 کانال برای ساپورت کردن 270 کاربر است . نتیجه ای که می توان از این مطلب گرفت از خواص مخابرات سلولی است . اگر بخواهیم تعداد کاربران را در یک منطقه افزایش دهیم سلول ها را کوچکتر می کنیم و در مناطقی که تعداد کاربران کمتر است سلول ها بزرگترند .
به این ترتیب می توان تعدا کاربران را افزایش داد . اکنون کاربری که در یک BTS قرار گرفته است تصمیم به برقراری تماس می کند . به محض ارسال سیگنال به یک BTS ،این BTS سیگنال پیام را به BSC مربوط به خود ارسال می کند و این BSC از طریق مرکز سوئیچینگ یا MSC اطلاعات این گوشی و سیم کارت مورد استفاده را چک می کند که این اطلاعات داخل HLR ، VLR ، EIR و AVC که قبلا توضیح داده شدند ذخیره می شود و در صورت صحت و سلامت تمامی اطلاعات تماس برقرار می شود و از طریق مرکز سوئیچینگ ، اگر این تماس با یک گوشی موبایل دیگر بود به یک BSC دیگر متصل شده و تماس برقرار می شود و اگر با تلفن ثابت بود به همان بخش متصل می شود . اکنون که با برقراری تماس آشنا شدیم با یک پدیده جالب دیگر در مخابرات سلولی آشنا می شویم یعنی حرکت از داخل یک سلول به سلول دیگر . به شکل زیر دقت کنید :
فرض کنید که یک کاربر در مرز سلول قرار گرفته باشد و بخواهد از یک سلول به سلول دیگر حرکت کند . همانطور که قبلا گفته شد هر سلول دارای 270 کانال خالی است که برای تحت پوشش قرار گرفتن 270 کاربر طراحی شده است و در حالت عادی فقط یک کاربر از مرز یک سلول به سلول دیگر وارد می شود . بخش سینی سایزر گوشی و مدار PLL که قبلا تا حدودی توضیح داده شدند ، یک کانال خالی در سلول جدید پیدا کرده و به آن متصل می شوند . در این مواقع معمولا یک اختلال کوچک در تماس ممکن است برقرار شود . مثل قطع و وصل شدن لحظه ای یا یک صدای بسیار کوتاه . اما حالت بعدی نبود کانال خالی در سلول جدید است . در این حالت که ممکن است بارها برای ما پیش آمده باشد ، یکی از دلایلی است که در حین مکالمه تماس قطع می شود و یکی از دلایل این مسئله می تواند وارد شدن از یک سلول به سلول دیگر باشد . اما موضوع جالب دیگری که اینجا می توان راجع به آن توضیح داد نوشته شدن اسم منطقه ای که در آن قرار داریم روی صفحه تلفن همراه است . همانطوری که تاکنون توضیح داده شد ، هر کاربری که در یک سلول قرار دارد به یکی از کانال های خالی یک BTS موجود در آن سلول متصل است و نام BTS که به آن متصل هستیم در صفحه LCD تلفن همراه ما دیده می شود که اکثرا نام این BTS نام منطقه ای است که این آنتن BTS در آن واقع شده است . نحوه فعال کردن این اطلاعات در گوشی های مختلف مطابق جدول زیر است :
مدل گوشی مسیر فعال کردن اطلاعات BTS Sonny Ericsson Menug Messaging gSetting gArea infog Cell information gon SAMSUNG Messageg Broad cast messageg Channel gAll channel reciveg on NOKIA(Symbian) Settingg Networkg Cellinfo Displayg on NOKIA Phone Settingg Networkg Cellinfo Displayg on
نکاتی که در این بخش گفته شد برای دانستن اینکه یک گوشی تلفن همراه از نظر مخابراتی چگونه کار می کند ، کافیست و مطالب بیش از این دارای پیچیدگی، و غیر ضروری می باشد .
