معرفی سیستم جهانی ارتباطات سیار) ارتباطات سلولی )

معرفی
ارتباطات سلولی تاکنون در بین سیستم های مخابراتی بکارگرفته شده، دارای بیشترین رشد و جهش بوده است امروزه درصد بسیار زیادی از مشترکین تلفنی که دائما نیز در حال افزایش می باشند از مخابرات سلولی استفاده می کنند. در دراز مدت می توان ارتباطات تلفنی دیجیتالی سلولی را روش همگانی ارتباط دانست. بازار ارتباطات موبایل با استاندارد CEPT اروپائی با رشد سریعی مواجه شده است. این رشد تحت تأثیر عوامل بازار، پیشرفت های تکنولوژیکی و

همکاریهای جدیدی در زمینه های اجرا و استاندارد سازی سیستم های جدید بوده است. استاندارد GSM که بر پایۀ CEPT اروپایی عمل می کند بر مبنای این استانداردها می باشد. سیستم جهانی ارتباطات موبایل بصورت نسل بعدی سیستم ارتباطی سلولی دیجیتالی موبایل برای CEPT اروپایی توسعه یافته است. کار استاندارد سازی در این سیستم در اوایل سال ۱۹۹۰ کامل و در سال ۱۹۹۱ پیاده سازی آن انجام شد. در سال ۱۹۹۱ کارگزاران شبکه در ۱۷ کشور که دارای استاندارد CEPT بودند تفاهم نامه ای (MOU ) را امضا و بر طبق آن سیستم GSM را قبول نمودند.

در سال ۱۹۸۷ کنفرانس گروه تخصصی موبایل تحت حمایت CEPT برگذار شد. هدف از این کنفرانس تعیین استاندارد ارتباطات سلولی برای اروپای متحد بود که باید در سال ۱۹۹۱ پیاده سازی آن آغاز می شد. در توسعه توصیه نامه های اولیه ۱۳ کشور دخیل بودند. در ابتدا ۱۸ کشور تصمیم به قبول استاندارد اولیه گرفتند. از آن زمان تاکنون GSM با گسترش همکاری کشورها، توسعه یافته است. در حال حاضر توصیه نامه های GSM برای ۲۶ کشور “کدهای رنک” را فراهم کرده است.

هنک هنگ و استرالیا نیز GSM را قبول کردند. در اروپا چندین سیستم سلولی بزرگ مانند Nordic Mobile Telephone (NMT) در کشورهای شمالی و Total Access Communication System (TACS) در انگلستان در حال کار بودند. در کشورهای دیگر اروپای غربی سیستم های موبایل مطابق جدول ۱-۱ عرضه گردید. کیفیت، ظرفیت و منطقه پوشش در هر کشور بطور گسترده ای متفاوت بوده، و تقاضا در اکثر موارد از پیش بینی های انجام گرفته فراتر رفته بود. در اکثر موارد استفاده از سیستم های تلفنی موبایل مختص داخل کشور بود و استفاده از آن ها در ارتباطات خارج کشوری غیر ممکن بود. در نتیجه برای استفاده گسترده از تلفن های سیار در تمام اروپا نیاز به یک سیستم واحد احساس می شد. GSM استاندارد دیجیتالی تلفنی موبایل برای اروپای متحد می باشد که توسط انجمن استاندارد مخابراتی اروپائی (ETSI) مشخص گردیده و در نتیجه آن، مشترکین موبایل می توانند تلفنهای سیار خود را در تمام اروپا استفاده نمایند. رشد GSM از سال ۱۹۹۱ تا سال ۱۹۹۴ در شکل ۱-۱ نشان داده شده است.

قبل از سال ۱۹۸۰ بازار ارتباطات سلولی اروپا متأثر از تعداد زیادی از استانداردهای آنالوگ ناسازگار (مانند NMT و TACS) بود که این خود باعث محدود شدن ارتباطات در تمام کشورها و نیز فقدان صرفه اقتصادی نیز می گردید. در آن زمان ارتباطات موبایل به سرعت گسترش یافت به طوریکه مبین رشد شتابدار در آینده بود. این موارد در مجموع مایه تأسف بسیار بود زیرا در سال ۱۹۹۰ برای حرکت فزاینده مشترکین در تمام اروپا و انتظار دریافت سرویس حتی در خارج از کشورها باید چاره ای اندیشیده می شد. مسئولین مخابرات اروپا برای حل مسائل فوق سه تصمیمی زیر را اتخاذ نمودند.
ابتدا در سال ۱۹۸۲ باند فرکانسی MHz 890 تا MHz 915 و MHz 935 تا MHz 960 برای استفاده از سیستم های سلولی اختصاص یافت و نسل بعدی سیستم سلولی برای اروپا با باند اختصاص یافته جدید MHz 25×۲ تشکیل گردید.

در سال ۱۹۸۵ تصمیم به پیاده سازی سیستم دیجیتالی گرفته شد و مرحله بعد انتخاب دو روش باند پهن و باند باریک بود.
در سال ۱۹۸۷، GSM به این نتیجه رسید که سیستم تلفنی دیجیتالی که بصورت TDMA کار می کند پاسخ بهینه ای برای آینده می باشد و راه حل TDMA باند باریک بدلیل چند مزیت بکار گرفته شد. بطور ویژه یک سیستم TDMA دارای مزایای زیر می باشد:
• امکان تقسیم کانال و نیز کدینگ پیشرفته صحبت که منجر به بهره طیفی بهبود یافته می شود را دارا می باشد.
• سرویس های بسیار متنوع تر از حالت آنالوگ را عرضه می کند.
• قابلیت های ISDN را داراست.

• از طرف سازندگان تجهیزات جدید قویا می گردد و این امر منجر به کمتر شدن قیمت سیستم می گردد.
• علاوه بر امکان حفاظت از اطلاعات سیستم، می توان آن ها را به طور قابل ملاحظه ای توسعه داد.
گسترش چنین سیستم هایی به مشترک امکان استفاده از گوشی خودش را در تمام اروپا می دهد. از نقطه نظر یک کاربر، سیستم متحد اروپائی با اینکه شامل چندین سیستم مختلف که توسط اپراتورهای مستقل اداره می شوند می باشد، به عنوان یک سیستم واحد انگاشته می شود.

واسط های کلیدی مهم سیستم دارای استاندارد شده تا از ظهور تعداد زیادی از واسطهای اختصاصی، که منجر به از دست رفتن معیار اقتصادی می گردند، جلو گیری گردد.

بنابر این سیستم توسط قالب های عملیاتی ساختمانی و واسط هایش مشخص گردید. این ابتکار با ملاحظه تکنولوژی، تقاضا و نیاز برای استاندارد سازی در زمان درستی رخ داد. در اروپا بین توسعه در زمینه های مخابراتی و سیاست ـ همانند هر جای دیگر ـ اثر متقابلی وجود داشت که منجر به حرکت به سوی استاندارد سازی در تمام زمینه های می شد.

گروه مطالعاتی ۸ CCIR در اواسط دهه گذشته به این نکته پی برد که سیستم های مختلف مخابراتی سیار زمینی همگانی آینده (FPLMTS) در کشورهای مختلف تحت مطالعه هستند. CCIR عمل همسان سازی پیشرفت های مختلف و تشکیل لیستی از توصیه نامه ها را به عهده داشت. گروه مطالعاتی ۸ CCIR تصمیم به تعیین گروهی ویژه به نام گروه کاری موقتی (IWP ) برای مطالعه این موضوع مهم و تعیین اهداف کلی سیستم FPLMTS که شامل انتخاب مناسب باند یا باندهای فرکانسی که معرف مشخصات لازم سیستم ها می باشند گرفت. در این سیستم باید گستره وسیعی از سرویس ها مانند صوت، داده و غیره لحاظ شده که باید سازگاری در فراگردی در داخل یا خارج کشور را دارا باشند.

 

اهداف FPLMTS
بعضی از اهداف اولیه FPLMTS در زیر بیان شده اند:
۱٫ ایجاد اسکلت برای تداوم گسترش سرویس های شبکه و دستیابی به سرویس ها و قابلیت های شبکه ثابت (PSTN/ISDN) با ملاحظه محدودیت های انتقال رادیویی، استفاده از طیف و معیارهای اقتصادی.

۲٫ اجازه به کاربران شبکه ثابت و سیار برای استفاده از سرویس ها، صرف نظر از محل (یعنی فراگردی در داخل یا خارج کشور).
۳٫ ساختاری باز که راه ساده ای برای استفاده از پیشرفت های تکنولوژیکی و کاربردهای مختلف می باشد را فراهم می کند.
۴٫ امکان همزیستی و اتصال داخلی با سیستم های موبایلی که از لینکهای ماهواره ای مستقیم استفاده می کنند را فراهم می کند.
۵٫ فراهم کردن مشخصه و شماره های PSTN/ISDN واحد برای کاربر مطابق با توصیه نامه های مناسب ITUT.
6. ارائه سرویس هایی که حدالامکان قابل دسترس در PSTN/ISDN و شبکه های عمومی دیگر بوده با ملاحظه اختلافات در مشخصه های محیط های رادیویی موبایل و شبکه ثابت.

۷٫ فراهم کردن باند فرکانسی مشترک برای ایجاد سازگاری عملیاتی مورد نظر و مؤثر بین سیستم ها. در اصل یک باند فرکانسی مشترک در بعد جهانی مورد نظر است. به طور منطقی این وضعیت باید از طریق باند سیگنالینگی مشترک و همپوشانی کافی باندهای ترافیکی فراهم گردد.
با توجه به دلایل ذکر شده برای گسترش سیستم GSM، زمینه ها، نیازمندی های عملیاتی و فنی GSM را به طور کامل توضیح می دهیم. در بخش ۱-۵ سرویس مختلف عرضه شده توسط GSM به علاوه محتویات کتاب و نتیجه گیری ها توصیف می گردند.

سابقه GSM
تعیین مشخصات سیستم GSM در اروپای غربی متحد در سازمان CEPT آغاز گردید و در آن جا کار گروهی برای تدوین توصیه نامه ها به طور رسمی در زمینه های مختلف مخابراتی پذیرفته شد. با این وجود، در هر کشور، استفاده از یک یا چند توصیه نامه برای هر سرویس معین، تصمیمی ملی و داخلی به شما می رفت.

بهر حال نیاز به تعهد بیشتری در مورد GSM احساس می شد. سیستم نیاز به دربرگیری مفهوم فراگردی بین المللی داشت و موفقیت آن در یک کشور بسته به گستردگی سیستم در کشورهای دیگر داشت. توسعه و تولید تجهیزات سیستم نیاز به سرمایه گذاری های بزرگ صنعتی داشت و فقط در صورت وجود بازارهای ملی مختلف توجیه اقتصادی داشت. در این زمینه یک تفاهم نامه در اواسط سال ۱۹۸۶ تهیه و اولین بار توسط ۱۲ کشور در سپتامبر ۱۹۸۷ امضاء گردید.

کار تعیین مشخصات سیستم GSM بعدا به ETSI، منتقل گردید. این سازمان مسؤل استانداردسازی و تفاهم نامه ها گردید و به عنوان سازمانی مناسب برای بحث درباره موضوعات عملیاتی تعیین گردید. هدف اصلی از GSM-MOU فراهم آوردن چارچوبی برای تمام اندازه گیری های اجباری می باشد که باید توسط همه امضاء کنندگان جهت اطمینان از افتتاح همه سرویس های تجاری در کشورهایشان تا سال ۱۹۹۱ صورت پذیرد. نیز کارگزاران شبکه در هر کشور باید طراحی

شبکه ها را چنان توسعه پذیر انجام دهند که مسیرهای انتقال بین کشورهای امضاء کننده هر چه سریعتر تحت پوشش سیستم های مورد نظر قرار گیرند. تا سال ۱۹۹۱ تمام شهرهای بزرگ و فرودگاه های اصلی، تا سال ۱۹۹۳ ارائه سرویس های ویژه و تا سال ۱۹۹۷ فراگردی کامل در اروپا مانند جدول ۱-۲ در اولویت کار قرار گرفتند.

جدول ۱-۲
مراحل مهم یک سیستم موبایل
سال رویداد
اواسط ۱۹۹۱ در شهرهای بزرگ
برقراری برخوانی های ناگهانی، انتقال برخوانی و استثناء برخوانی
اواسط ۱۹۹۳ فراگردی در داخل شهرهای بزرگ
ایجاد سرویس های پیام کوتاه SMS، FAX و نگهداری برخوانی
اواسط ۱۹۹۵ فراگردی در تمام اروپا
اطلاعات بلادرنگ و ایجاد انتظار مکالمه و مکالمات کنفرانسی

نیازمندی های عملیاتی در GSM
لیستی از نیازمندی های توسعه یافته عملیاتی برای GSM در زیر آمده است:
• امکان کیفیت صوتی بالا و سلامت لینک.
• بهره طیفی بالا.
• وجود سیستم های مشابه در تمام کشورها (هماهنگ سازی و استاندارد سازی در اروپا).
• امکان فراگردی داخل کشوری (فراگردی خارج کشور نیاز به استاندارد سازی واسط هوایی دارد).
• قابلیت انعطاف بالا (وجود معماری باز که منجر به امکان معرفی سرویس های جدید در آینده می گردد).
• یکپارچگی با ISDN.
• وجود قابلیت های امنیتی.
• امکان استفاده از تعدادی از خصوصیات اضافی مانند سرویس پیام کوتاه و استفاده از سیستم فاکیسمایل …
• سیستم با قبلیت معرفی آسان.
• هسته ارزان قیمت.
بعضی از نیازمندی های سیستم توسط کمیته های ارشد CEPT صریحا معین نشد و در مقابل استقلال زیادی برای سیستم GSM حاصل که در نتیجه آن کمیته توانست به بهترین شکل به مصالحه ای بین نیازمدی های ناسازگار مانند صرفه جویی طیفی، قیمت پائین و کیفیت بالای صحبت دست یابد. یک دلیل برای این انعطاف کمیته، آن بود که در آن زمان هنوز استفاده اصلی چنین سیستمی مشخص نبود. چون در اوایل ۱۹۹۰ کاربرد اصلی سیستم برای ارتباطات صوتی بود

لذا منطقی به نظر می رسید که سیستم اساسا یک سیستم صوتی انگاشته شود. ولی به تدریج نیاز برای ارائه سرویس های پیشرفته داده احساس گردید. سیستم باید دارای حداقل مشخصات سیستم های موجود نسل اول مانند مشخصات بهره طیفی هزینه دستگاه موبایل، هزینه شبکه هسته، در دسترس بودن ایستگاه های دستی، و نیز همان کیفیت ارسال صحبت و سادگی معرفی سرویس های جدید باشد. برای رقابت با سیستم نسل اول، سیستم GSM باید

حداقل در یکی از زمینه های فوق بر سیستم های نسل اول برتری داشته و به تدریج در دراز مدت این سیستم بتواند در تمام زمینه های دیگر نیز بهبود یابد.
یک سؤال مهم این بود که تا چه اندازه باید در کار تعیین مشخصات GSM جلو رفت. یعنی سیستم ها برای اینکه در تمام کشورها یکسان شوند تا چه اندازه باید مشخص گردند و مشخصات سیستم ها چقدر باید در اختیار کارگزاران و تولید کنندگان قرار گیرند. واضح است که بدون واسطهای هوایی یکسان در تمام شبکه ها، مشترکین قادر به فراگردی آزادانه بین شبکه ها نیستند. این نیازمندی، حداقل مقدار لازم برای استاندارد سازی بوده و لذا مورد توجه قرار گرفت. ممکن است بعضی از افراد مشخص شدن همه موارد در سیستم از جمله سخت افزار ایستگاه موبایل (MS) و حتی اجزاء دیگر سیستم را یک امتیاز بدانند. در هر صورت در

انتها برای اینکه در سیستم تمام جزئیات مشخص نگردد موافقت صورت گرفت و تنها واسطهای عملیاتی بین قالب های اصلی ساختمانی مشخص شدند. این عمل چندین سود داشت که از جمله آن امکان ساخت قالب های اصلی ساختمانی توسط سازندگان مختلف بود. لذا فرصت خرید هر دستگاهی که مشتری می خواست فراهم شد و موقعیتی را نیز برای رقابت حداکثر بین سازندگان فراهنم نمود.

در نتیجه اگر کاربری دستگاهی را از یک سازنده معین بخرد باید مجبور به ادامه خرید از آن مرجع نباشد. واسطهای الکتریکی برای هر دو تجهیزات مشترک و ثابت استاندارد شده اند و با استاندارد های ISDN متعارف سازگار می باشند. با معماری باز شبکه که با واسط های استاندارد شده همراه است امکان تعامل بین تجهیزات سازندگان مختلف ایجاد و در نتیجه سازگاری و تعامل بین سیستم ها و تضمین گشته و به علاوه قابلیت انعطاف پذیری کارگزار در انتخاب سازندگان تجهیزات در سطح زیر سیستم فراهم گشته است.

(Group Special Mobile or Global System for Mobile communication) GSM یعنی استاندارد مخابرات سلولی دیجیتالی جدید اروپای متحد، محدودیت های موجود در سیستم های آنالوگ را برطرف می کند. در حقیقت در اثر استفاده بهتر از فرکانس و روش های بکارگیری سلول های کوچکتر، ظرفیت ۲ تا ۳ برابر افزایش می یابد. لذا تعداد مشترکینی که قادر به سرویس گیری هیتند به طور قابل ملاحظه ای افزای می یابند. ظرفیت افزایش یافته در سیستم GSM در مقابل سیستم آنالوگ قبلی در شکل ۱-۲ نشان داده شده است. همانطور که در شکل دیده می شود ظرفیت GSM نسبت به سیستم آنالوگ نسل اول، ۲ تا ۳ برابر، افزایش می یابد. GSM استاندارد عمومی تلفنی موبایل دیجیتالی اروپای متحد می باشد که توسط ETSI تعریف شده است. با شناساندن کامل خصوصیات فراگردی GSM در اروپا، شخص می تواند یک تلفن را در سفر و در تمام اروپا استفاده و سیستم در محدوده محل خود به طور اتوماتیک، اطلاعات را تجدید کند در اینصورت ضخص قادر به ارسال و دریافت مکالمات بوده و خواهان نیاز به دانستن محل خوانده ندارد.

با شکل بندیهای مختلف فرستنده و گیرنده های پایه (BTS) و کنترل کننده های ایستگاه پایه (BSC) قابلیت انعطاف زیادی حاصل می شود. شکل بندی بهینه بر اساس نیازمندی های ترافیکی قابل انتخاب است.

همانطور که قبلا بیان گردید نیاز به سیستمی با ظرفیت های بالاتر یکی از ضروریات حرکت به سوی سیستم های سلولی دیجیتالی می باشد. این ضرورت بیشتر ناشی از دیجیتالی شدن جهانی شبکه تلفنی و پیشرفت آن به سمت ISDN می باشد. شبکه های دیجیتالی سلولی (PLMN) که تعمیم یافته PSTN و ISDN بوده از تکنیک های رادیویی دیجیتالی برای ارتباط بین سلول ها و تجهیزات ترمینال مشترک موبایل استفاده می کنند. این تکنیک ها در نهایت موجب ایجاد سرویس های زیادی که توسط شبکه دیجیتالی عرضه می شود می گردد. سیستم GSM مانند یک شبکه PSTN قویا به SS7 متکی می باشد.

نیازمندیهای فنی GSM

در این بخش ما مشخصات بیشتری از GSM را که جزئیات آن ها در فصل ۶ آمده است را بیان می کنیم. همانطور که در شکل ۱-۳ نشان داده شده است GSM هر دو روش دستیابی TDMA و FDMA را برای انتقال و آشکار سازی اطلاعات بکار می برد. در این روش ها بسته های داده در زمان ها و فرکانس های معینی بکار می روند. لذا، چنین مکالمه می توانند به طور هم زمان و با یک فرکانس با استفاده قطعات زمانی مختلف صورت گیرد. سیستم ها هم چنین بصورت فرکانس با استفاده قطعات زمانی مختلف صورت گیرد. سیستم ها هم چنین به صورت فرکانس دو طرفه عمل نموده و دارای فرکانس های ارسال و دریافت مختلف بوده و هر دو طرف ارسال (موبایل به پایه و پایه به موبایل) هم زمان می باشند.
همانطور که در بخش قبل بحث شد، دلیل اصلی طرح یک سیستم جدید در اروپا عدم سازگاری بین سیستم های مختلف آنالوگ موبایل بود. مشخصات GSM هم چنین در جدول ۱-۵ نشان داده شده است.

فاصله بین حامل ها در سیستم GSM برابر KHz200 می باشد. در سیستم GSM هشت شیار زمانی، صحبت و داده را منتقل می کنند. باید منتظر فشردگی صوت تا ۵۰ درصد مقدار فعلی و با همان کیفیت صوت باشیم.

پهنای باند سیستم GSM برابر MHz 25 و شامل ۱۲۵ حامل است که هر کدام پهنای باند KHz 200 را دارا می باشد. به علت تداخل با سیستم های دیگر اولین حامل استفاده نمی گردد و این امر موجب کاهش حامل ها به ۱۲۴ عدد می شود طرح کانال و باندهای فرکانسی به کاررفته در شکل ۱-۴ نشان داده شده اند. با هشت کانال در هر فرکانس در حدود ۱۰۰۰ کانال واقعی صحبت یا داده وجود دارد. اگر کد کننده صحبت را در نصف سرعب بکار ببریم تعداد کانال های به دو برابر یعنی حدود ۲۰۰۰ عدد افزایش می یابد. باند فرکانسی بکار رفته در لینک بالا MHz 890 تا MHz 915 (از MS به ایستگاه پایه) و برای لینک پائین MHz 935 تا MHz 960 (از پایه به MS) می باشد.