شبکه های موبایل

آشنایی با شبکه های موبایل و دیتا
هر روزه بر تعداد مشتركين اين نوع ارتباط در جهان افزوده ميشود .
تجارت ارتباطات موبايل بسرعت در CEPT ( دفاتر پست و مخابرات اروپايي ) در حال رشد و توسعه است . CEPT از طريق بازارهاي پر قدرت موبايل ، توسعة فناوري موبايل را رهبري مي نمايد و همكاريهاي جديدي در زمينة سيستمهاي استاندارد ساز ، پياده سازي و اجراي اين فناوريها بوجود آورده است .

يكي از مهمترين محصولات اين استانداردها كه در CEPT شكل گرفته است استاندارد GSM است. اين استاندارد سيستم ارتباطات موبايل سلولي ديجيتالي نسل جديد را در CEPT اروپا توسعه داده است . براي اولين بار كار استاندارد سازيGSM جهت پياده سازي اين سيستم در سال ۱۹۹۱ صورت گرفته است .
European Post offices and Telecommunication=CEPT

 

معماري GSM
در شكل بالا معماري سيستم GSM و عناصر تشكيل دهندة آنرا بهمراه رابطهاي آنها مشاهده ميكنيد . سيستم GSM از تركيب ۳ زير سيستم اصلي بوجود آمده است :
۱- زير سيستم شبكه
۲-زير سيستم راديويي
۳- زير سيستم پشتيباني و نگهداري
در سيستم GSM براي برقراري ارتباطات اپراتورهاي شبكه بامنابع مختلف و تجهيزات زير ساختار سلولي ، نه تنها رابطي هوايي بلكه چندين رابط اصلي ديگر براي مرتبط كردن قسمتهاي مختلف اين سيستم تعريف شده است ( اين رابطها را ميتوانيد در شكل بالا مشاهده نماييد.
سه رابط مهم در سيستم GSM در زير آمده است :

رابط A كه ميان MSC و BSC قرار دارد .
رابط A-bis كه ميان BSC و BTS قرار دارد .
رابط UM كه ميانBTS و MS قرار دارد .
رابط ديگري نيز بنام MAP وجود دارد كه پروتكلي استكه ميان عناصر MSC ، VLR ، HLR ، EIR و AUC رد وبدل ميشود .
۱-زير سيستم شبكه :
اين سيستم شامل تجهيزات و فانكشنهاي مربوط به مكالمات end-to-end ، مديريت مشتركين ، Mobility مي باشد و نيز مانند رابطي ميان سيستم GSM و مراكز تلفن ثابت ( PSTN ) عمل ميكند .
زير سيستم شبكه ، يك زير سيستم سوئيچينگ مي باشد كه شامل MSC ها ، VLR ، HLR ، AUC و EIR مي باشد .

در زير تعريف كوتاهي از هر يك از اين عناصر ارائه شده است :
MSC : يا مركز سرويسهاي سوئيچينگ موبايل فانكشنهاي راه اندازي مكالمه (call setup) را انجام ميدهد ، رابطي نيز با مراكز تلفن ثابت دارد و فانكشنهايي نيز مانند ارائة صورت حساب مشتركين نيز برعهده اين مركز است .
HLR : يا ثبت كنندة محل HOME يك پايگاه دادة متمركز شامل اطلاعات تمامي مشتركين ثبت شده در يك PLMN است . ممكن است در يك PLMN بيشتر از يك HLR وجود داشته باشد ولي هر مشترك مشخص تنها به يك HLR ميتواند وارد شود .
VLR : يا ثبت كنندة محل visitor يك پايگاه داده شامل اطلاعات موبايلهايي استكه در حال حاضر

در حوزة MSC ي كنترلي در حال حركت هستند . در زمانيكه يك MS به حوزة
MSC جديدي وارد ميشود ، VLR ي كه به آن MSCمتصل شده است ، اطلاعات MS مورد نظر را از HLR درخواست ميكند . HLR نيز اطلاعات MS مورد نظر را به آن MSC كه MS در حوزه اش قرار دارد ، ارائه خواهد داد . اگر يكMS بخواهد مكالمه اي برقرار نمايد VLR تمام اطلاعات مورد نياز جهت برقراري مكالمه را ارائه خواهد داد و لزومي ندارد كه در هر لحظه از HLR سوال نمايد . VLR در يك جمله ميتوان گفت ، يك HLR توزيع شده است و شامل اطلاعات دقيقي در مورد محل يك موبايل است .
AUC : يا مركز تعيين هويت به HLR متصل ميشود و وظيفة آن آماده سازي HLR بهمراه پارامترهاي تعيين هويت و كليدهاي رمزنگاري استكه اين عمليات براي اهداف امنيتي استفاده ميشوند .
EIR : يا ثبت كنندة هويت تجهيزات يك پايگاه داده استكه در آن شماره هاي بين المللي تعيين هويت تجهيزات موبايل (IMEI) ، براي هر دستگاه موبايل ثبت شده ، ذخيره ميشود .
يكي ديگر از تركيبات زير سيستم شبكه Echo Canceller استكه مسايل آزار دهنده اي ( مانند انعكاس صدا ) كه از طريق شبكة موبايل در زمان اتصال به يك مدار PSTN ايجاد ميشود را كاهش ميدهد .
شبكة IWF يا فانكشن داخل شبكه اي نيز رابطي ميان MSC و ديگر شبكه ها ( PSTN و ISDN )ميباشد .
-۲زيرسيستم راديويي
شامل تجهيزات و فانكشنهاي مرتبط با مديريت اتصالات مسير راديويي ، مانند مديريت handover ها مي باشد . اين زير سيستم شامل BSC ، BTS و MS است . MS بطور قراردادي در زير سيستم راديويي قرار گرفته و هميشه آخرين مسير يك مكالمه است و از برقراري يك مكالمه ، بهمراه زير سيستم شبكه ، جهت مديريت mobility ، محافظت ميكند .

IWF=InterWorking Function)
MS داراي قابليتهاي پايانة شبكه و همچنين پايانة كاربر است . هر سلول در سيستم GSM يك BTS با چندين گيرنده وفرستنده دارد . يك گروه از BTS ها توسط يك BSC كنترل ميشوند . پيكربنديهاي مختلفي براي BSC-BTS وجود دارد . برخي از اين پيكر بنديها براي وضعيت ترافيك بالا و تعدادي براي مناطقي با ترافيك متوسط طراحي شده اند . يك BSC فانكشنهايي چون handover و power control را نيز كنترل مينمايد .BSC و BTSبا هم بنام BSS شناخته ميشوند . BSS از ديد MSC بصورت يك رابط كه ارتباطات لازم را با MS ها در حوزه اي مشخص برقرار ميكند ، به نظر مي رسد . BSS دائما با يك مديريت كانال راديويي ، فانكشنهاي انتقال ، كنترل link راديويي و تخمين كيفيت و مهيا سازي سيستم براي handover ها ، مرتبط است . BSS ميتواند به N سلول پوشش بدهد كه N ميتواند يك يا بيشتر باشد .

زيرسيستم مركز نگهداري و پشتيباني (OMC ) شامل فانكشنهاي نگهداري و پشتيباني تجهيزات GSM ميباشد و پشتيباني رابط اپراتور شبكه را نيز برعهده دارد .
OMC به تمام تجهيزات داخل سيستم سوئيچينگ و BSC متصل ميشود . OMC در حقيقت فانكشنهاي نظارتي GSM يك كشور را انجام ميدهد ( مانند صورتحساب دادن ) و يكي ديگر از مهمترين فانكشنهاي آن هم ، فانكشن نگهداري HLR يك كشور است .
بسته به سايز شبكه هر كشور ميتواند بيشتر از يك OMC داشته باشد . مديريت سراسري و متمركز شبكه نيز توسط مركز مديريت شبكه( NMC) انجام ميپذيرد و OMC نيز مسئول مديريت منطقه اي شبكه ميباشد .
مطالب فوق شرح مختصري در مورد معماري GSM ، عناصر ، فانكشنها و رابطهاي سيستم GSM بود.

گذری کوتاه در مورد شبکه تلفن ثابت
آشنایی مقدماتی با نحوه کار شبکه تلفن ثابت(PSTN)

برای اینکه نحوه کار شبکه موبایل(PLMN) برای شما مشخص شود ابتدا توضیح مختصری در باره شبکه تلفن ثابت خواهم داد که امیدوارم
خالی از لطف نباشد.
زمانی که شما در منزل یا محل کار قصد تماس گرفتن دارید ابتدا گوشی تلفن را بر می دارید و صدای بوق خاصی را می شنوید به این معنی که شما مجاز به شماره گیری و استفاده از شبکه تلفن ثابت هستید ارتباط شما با مرکز تلفن محلی (LOCAL) خود بو سیله دو رشته سیم مسی که از درب منزل یا محل کار شما به نزدیکترین پست (POST) (همان جعبه های کو چک سرب

ی رنگ که در روی دیوار معابر نصب شده و به مقداری کابل وارد و خارج شده است)رفته است و از پست به کافو می رود(کافو ها همان کمدهای سبز رنگ است که در کنار خیابانها نصب شده است ) و از کافوها به چاله حوضچه که در زیر زمین توسط مخابرات حفر شده می رود و از آنجا به مرکز

تلفن وارد می شود.
در مرکز تلفن دو رشته سیم مسی ابتدا به سالن MDF می رود (سالن MDF سالنی است که در آن کانکتور های زیادی بر روی شلفهای ایستا نصب شده است از یک طرف به ازای هر پورت یا شماره تلفن دورشته سیم مس از سمت سوییچ به آن وارد شده است و از سمت دیر دورشته سیم مسی که از سمت مشترک(منزل یا محل کار شما) آمده به آنجا می رسد و با ارتباط این دو شما می توانیدبه سوییچ وصل شده و یا اصطلاحا بوق داشته یاشید.
لازم به ذکر است هرگاه شما با ۱۱۷ (خرابی تلفن ) تماس می گیرید به MDF همان مرکز تلفن وصل می شوید و به آنها خرابی تلفن خود را اطلاع می دهید.
سوییچ مخابراتی چیست ؟ دستگاهی است که کار مسیر یابی و مسیر دهی را انجام می دهد ودر ضمن وظیفه ثبت charging که همان مدت رمان مکالمه است را برعهده دارد و ضمنا ارائه سرویسهای مختلف اعم از انتظار مکالمه -انتقال مکالمه – نمایشگر شماره تلفن و غیره به عهده سوییچ می باشد.

سوییچهای تلفن ثابت به دو نوع آنالوگ و دیجیتال تقسیم می شود که سرویسهایی که ذکر شد صرفا در سوییچهای دیجیتال قابل ارائه می باشد.
مراکز مخابراتی بسته به تعداد مشترک در مناطق مختلف شهر ها و روستا ها ایجاد می شود و هر مرکز وظیفه ارائه سرویس به چند پیش شماره خاص در آن شهر را به عهده دارد .
حال دوباره به بحث خود باز گردیم وقتی شما شروع به شماره گیری می کنید سوییچ شماره های گرفته شده توسط شما را تجزیه و تحلیل می کند و مسیر آن را تشخیص می دهد مثلا اینکه این شماره داخل شهری است یا بین شهری و یا بین الملل توسط سوییچ مشخص شده و مسیر شما را به مرکز بعدی که هرکدام وظیفه خاصی به عهده دارند را برقرار می کند.

مثلا شما از تهران یک شماره در کرمانشاه را میگیرید( مثل ۰۸۳۱۳۲۷۲۲۲۲ ) سوییچ محلی شما با دیدن ۰ می فهمد که باید کل شماره به سوییچ بین شهری بدهد بنابراین ابتدا به سوییچ بین شهری تهران(STD) داده و سوییچ بین شهری با دیدن رقم دوم یعنی
عدد ۸ می فهمد که باید کل شماره را به سوییچ بین شهری (STD) منطقه ۸ کشور که در همدان می باشد بدهد سوییچ STD همدان با دیدن رقم سوم که ۳ می باشد شماره را به PCکرمانشاه میدهد ( PC یک نوع سوییچ بین شهری است ولی از لحاظ level پایین تر از STD می باشد PC کرمانشاه با دیدن رقم چهارم که ۱ می باشد تشخیص می دهد که شماره مربوط به شهر کرمانشاه می باشد و با توجه به پیش شماره ۳۲۷ به مرکز مربوطه تحویل داده می شود و مشترک شماره ۲۲۲۲ در مرکز ۳۲۷ زنگ می خورد.
این مسیری بود که طی زمانی خیلی کم برای تماس بین تهران و کرمانشاه باید طی شود.
برای شماره های بین الملل مسئله کمی فرق می کند بدین ترتیب که مرکز محلی بادیدن ۰۰ در ابتدای شماره تلفن کل شماره را به STD داده و STD ها هم شماره را به سوییچ بین الملل که ISC نامیده می شود می دهند و ادامه ماجرا .
شبکه موبايل چگونه کار می کند؟

در تلفن ثابت “هویت ” مشترک مشخص است ِ از کجا؟ از آنجایی که مخابرات با کشیدن دو رشته سیم مسی تا در منزل یا محل کار و دادن بوق این کار برای مشترک کرده است.پس مرحله اول در شبکه مخابرات “هویت” یا شناسایی معتبر بودن مشترک است .
“مکان” مشترک نیز دقیقا مشخص است و این دیگر نیاز به توضیح ندارد یعنی سوییچ هنگامی که کسی با این مشترک کار دارد راحت آن را پیدا کرده و به آن زنگ می زند. قسمت بعدی ” محل ثبت charging” است یعنی مشترک هرچقدر با تلفن خود به دیگران زنگ بزند هزینه آن در کجا ثبت می شود؟ جواب مشخص است – در سوییچی که به آن متصل است .
قسمت بعدی ” ارائه سرویسهای جانبی ” است مثل نمایشگر شماره تلفن و انتقال مکالمه و … که این هم در سوییچی که تلفن به آن متصل شده است انجام می گیرد.
پس به طور خلاصه شبکه تلفن ثابت مشخصات زیر را دارا می باشد:

۱- هویت یا شتاسایی مشترک
۲- مکان مشخص جهت تماس گرفته شدن با آن
۳- محل ثبت charging
4- ارائه سرویسهای جانبی
در شبکه موبایل ما یک وسیله به نام گوشی موبایل داریم که بدون سیم است و از لحاظ فیزیکی به جایی متصل نیست و هرلحظه مکان خود را تغییر می دهد و ممکن در یک روز در نقاط مختلف کشور (و حتی جهان) حرکت کند.
حالا سوال این است که چگونه باید جهار مشخصه بالا را برای آن پیاده کنیم ؟
قبل از هر چیز ذکر این مورد ضروری است که گوشی موبایل با روش بدون سیم (wireless) از طریق امواج الکترو مغناطیسی با آنتی که به آن BTS گفته می شود(در آینده مفصل در باره آن صحبت خواهیم کرد) ارتباط دارد و از طریق آن به شبکه موبایل وصل می شود(به جای دو رشته سیم مسی.
۱- تعیین هویت:
در موبایل به علت تغییر مکان مشترک (مستقل از مکان بودن) نیاز به مرکزی داریم که اطلاعات تمام مشترکین یک کشور و یا یک شرکت ارائه دهنده سرویس موبایل در آن ثبت شود تا هر وقت شبکه نیاز داشت در اختیار شبکه قرار گیرد(این کار در تلفن ثابت در همان مرکز سرویس دهنده به شما انجام می گیرد) به این مرکز HLR گفته می شود(Home Location Register) این مرکزها به صورت متمرکز در یک یا بعضا در نقاط محدودی از یک کشور ایجاد می شود.

و برای اینکه یک مشترک امکان استفاده از شبکه را داشته باشد به مشترک کارتی به نام SIM (Subscriber Identity Module) کارت داده می شود که این کارت وسیله شناسایی مشترک در شبکه است – پس اگر SIM کارت در گوشی موبایل قرا رگیرد و تعاریف مخصوص آن در HLR ثبت گردد مشترک می تواند هر کجا از کشور که برود امکان تماس گرفتن و یا تماس گرفته شدن را دارا می باشد.

۲- مکان مشترک در شبکه موبایل
هنگامی که یک مشترک در شبکه حرکت می کند با تکنیکهایی که در آینده در باره آن صحبت خواهیم کرد آخرین مکان آن در HLR ثبت می شود بنابرابن هر کس بخواهد به یک موبایل زنگ بزند آخرین مکان آن از HLR پرسیده می شود و بعد به موبایل زنگ می خورد.

۳- ثبت charging
ثبت مقدار هزینه مکالمه موبایل در آخرین سوییچی که به موبایل سرویس می دهد انجام می گیرد .
مثلا مشترکی از تهران به سمت مازندران رفته و از آنجا به مشهد می رود ودر طیمسیر چندین بار به نقاط مختلف تماس گرفته است هنگامی که در محدوده تهران بوده در سوییچهای تهران charging ثبت شده و در ملزندران در سوییچ مازندران و در مشهد هم در سوییچ مشهد ثبت می شود.
در آخر کلیه هزینه مکالمات از سراسر کشور به مرکزی در تهران که مرکز صورتحساب است

ارسال می شود و بعداز جمع بندی و محاسبه برای مشترک صورتحساب ارسال می شود(در تلفن ثابت تمام هزینه های مکالمه در مرکز سرویس دهنده ثبت می شود.
۴- ارئه سرویسهای جانبی

این سرویسها توسط آخرین سوییچ سرویس دهنده به موبایل از طریق HLR سوال می شود که چه سرویسهایی باید در اختیار مشترک گذاشته شود مثل انتفال مکالمه – انتظار مکالمه – نمایشگر شماره و .. و سپس آن سرویس ها توسط آخرین سوییچ سرویس دهنده در اختیار مشترک قرار می گیرد.(در تلفن ثابت همان سوییچ محلی که تلفن به آن وصل اشت این کار را انجام می دهد.

طراحی شبکه راديويی

همانطور که قبل از اين ذکر گرديد يکی از فرقهای عمده شبکه تلفن همراه و تلفن ثابت در بدون سيم بودن موبايل می باشد که اين باعث می شود که ما به طراحی شبکه ای باشيم تا گوشی تلفن همراه کوچک بتواند با کيفيت بسيار بالا با شبکه ارتباط بر قرار کند.
اما چگونه؟
آيا می توان مانند فرستنده های تلويزيونی در هر منطقه وسيعی يک آنتن نصب کرد ،

تا همه مشترکين يک شهر را سرويس داد يا خير.
چه چيزهايی باعث محدوديت ما در طراحی شبکه رادیویی می شود .
پهنای باند فرکانسی چه مقدار باید باشد تا با فرکانسهای دیگر تداخل نکند.
مدلاسیون چگونه باید باشد….
و خیلی سوالات دیگر .
مخابرات سلولی

در جواب سوالات نوشتار قبل بايد اين موضوع عنوان شود راه حل تمام مسائلی که عنوان شد تحت عنوان مخابرات سلولی پاسخ داده شده است .
در اين نوع ارتباط يک منطقه مانند يک شهر را به سلول های ۶ ضلعی (مانند کندو زنبور ) تقسيم می کنند و در مجاورت هر ۳ سلول يک آنتن سه جهته قرار می دهند که هر جهت وظيفه پوشش يک سلول را دارد .
البته در عمل پوشش به صورت ۶ ضلعی نيست بلکه به صورت کروی در حدود منطقه

۶ ضلعی قرار دارد.
با اين کار موبايل برای ارتباط با آنتن به توان کمتری نياز دارد و ارتباط دو طرفه (ارسال و دريافت اطلاعات) به سهولت انجام می شود.

پهنای باند فرکانسی در شبکه موبايل

آنچه که در اين جا بايد ذکر شود پهنای باند فرکانسی در شبکه موبايل می باشد.
به طور کلی ما در استاندارد GSM نسل دوم دوسري ساختار فركانسي تعريف شده داريم
۱- GSM-900
۲-GSM-1800
در مورد GSM-900 پهناي باند در دريافت (UPLINK) از ۸۹۰MHz تا ۹۱۵MHZ پهناي باند در ارسال(DOWNLINK) از ۹۳۵MHz تا ۹۶۰MHz
می باشد
در مورد GSM-1800 پهناي باند در دريافت (UPLINK) از ۱۷۱۰MHz تا ۱۷۸۵MHz
پهناي باند در ارسال(DOWNLINK) از ۱۸۰۵MHz تا ۱۸۸۰MHz می باشد
در GSM-900 كل پهناي باند چه در ارسال و چه در دريافت به ۱۲۴ كانال تقسيم مي شود و
در GSM-1800 كل پهناي باند به ۳۷۴كانال تقسيم مي شود.

در ايران ما از GSM-900 استفاده مي كنيم ودر آمريكا از GSM-1800 استفاده مي شود
نكته : در دفترچه هاي برخي گوشي هاي تلفن همراه ذكر شده كه گوشي مذكور DUAL BAND
مي باشد اين بدين معني است كه اين گوشي قابليت استفاده در هر دو نوع فركانس ذكر شده در بالا را دارد.

BTS چيست؟

در شبكه موبايل اولين بخشی كه به مستقيما با گوشی موبايل در ارتباط است به لفظ عوام آنتن موبايل و به تعبير تخصصی (Base Transceiver Station) می باشد .در شكل زير BTS نشان داده شده است .
البته شما آن را بر فراز مراكز مخابراتی و يا پشت بامها ديده ايد.
در تصوير زير پنل آنتن نمايش داده شده است البته شما ممكن است در بعضی نقاط تركيباينپنلهارامتفاوتباتصويرببينيد .
اين تفاوت در تعداد هر كدام از اين پنل ها در يك جهت می باشد در شكل زير در هر جهت يك پنل ديده می شود در ايران شما ممكن است در هر جهت دو يا سه پنل ببينيد اين تفاوت صرفا به خاطر نوع سيستم (دستگاه) استفاده شده است و هيچ ربطی به ظرفيت آنتن ندارد
اين پنلها توسط كابلهای ضخيم سياه رنگی كه به آن فيدر -FEEDER – می گويند به دستگاه BTS متصل است .فيدرها نوعی كابل درون تهی هستند و در آن يم لوله مسی قرار گرفته و موج بر می باشد .
همانطور كه می دانيد در فركانسهای بالا الكترونها از پوسته عبور می كنند برای همين برای انتقال از موج بر استفاده می شود نه سيم.
در نهايت توسط خطوط انتقال اين دستگاه به دستگاه ديگری به نام BSC كه وظيفه مديريت بين چند BTS را دارد متصل می شود.
TDMA چيست؟
همانطور كه در مباحث گذشته عنوان شد آنتنموبايلبهعنوانواسطبينگوشيموبايلباشبكهموبايلميباشد
در شبكه موبايل گزارش آخرين مكان مشترك موبايل و ارسال و دريافت شماره تلفنها و مسائلي از اين دست به عهده كانال سيگنالينگ مي باشدو رد و بدل شدن مكالمات كه هدف اصلي مي باشد به عهده كانالهاي ترافيكي مي باشد.
به طور قطع BTSوظيفه ارائه اين كانالها را به مشترك موبايل دارا مي باشد.