3. مقدمه:
در زندگی ماشینی امروز فرد انتظار دارد که از اوقات مرده خود در اتوبوس، ھواپیما، در جاده و خیابان برای انجام کار
مفید استفاده کند و این انتظار نوعی نیاز با نام ارتباطات بی سیم را به وجود آورده است تا جایی که بیشتر تحقیقات فعلی
در زمینه ارتباطات در این مقوله انجام می شود و روز به روز تکنولوژیهای جدیدی با پهنای باند و کیفیت متفاوت ارائه
می گردد. مشترک قرن 21 انتظار دارد عالوه بر استفاده از تلفن به صورت بی سیم ، بتواند از اینترنت هم با سرعت باال
برای مشا هده صفحات وب و چک کردن صندوق پستی خود استفاده کند.
در یک طبقه بندی می توان تلفن بی سیم را به دو دسته تقسیم کرد:
2- تلفن سیار
1- تلفن همراه
تلفن ھای سیار متشکل از یک گوشی سیار و یک دستگاه به عنوان Baseاست که به خط تلفن ثابت متصل می شود
البته محدوده مکانی ارتباطی این نوع تلفن کم است و به محدوده کمتر از مساحت شهر محدود می شود. عالوه بر این
تلفنھای بی سیم برای شبکه بندی به کار نمی روند.
اما تلفن ھمراه که موضوع این نوشتار خواھد بود برای انتقال داده و صوت در مقیاس وسیع به کار می رود و نوعی شبکه
اختصاصی را می توان با تکنولوژی آن ساخت که به دلیل انعطاف پذیری و سازگاری ، می توان آن را با تلفن ثابت و
شبکه اینترنت ارتباط داد.
شبکه ارتباطی موبایل که با نام شبکه سلولی یا ارتباطات سلولی شناخته می شود از سال 1982 در کشور ھای اروپایی
(فرانسه، آلمان، بریتانیا و …)گسترش یافت.
در این میان ھر کشور برای شبکه بندی از یک نوع مدوالسیون و یا پروتکل استفاده می کرد که این باعث شده بود تا
شبکه ھا به صورت اختصاصی در آید و ایجاد ارتباط شبکه یک کشور با کشور دیگر امکان پذیر نباشد.
برای همین در سال 1982 کنفرانس اروپایی پست و تلگراف ) (Ceptیک گروه تحقیقاتی را برای تحقیق و ساخت یک
استاندارد برای ارتباطات موبایل مامور کرد. این گروه GSMیا group special mobileنام گرفت و در سال 9982
سازمان استاندارد ھای ارتباطی اروپایی بانام ، ETSIبر اساس GSMتشکیل شد.
3
4. مفاهیم شبکه سلولی:
شبکه سلولی بر اساس این ایده است که منطقه ای که باید تحت پوشش شبکه موبایل قرار داده شود را به ناحیه ھایی
کوچک و متصل به ھم با نام سلول تقسیم می کنند . بهترین مثال در این مورد کندوی زنبور عسل است که به صورت
سلول سلول پهلوی هم چیده شده اند و فضای خالی بین سلولھا وجود ندارد. در شبکه واقعی موبایل ھم در صورتی که
یک سلول با سلول مجاور خود دارای فضای خالی باشد )امواج در ناحیه ای به واسطه مانع نتوانند عبور کنند ( در صورتی
که فرد در حال مکالمه از این سلول بخواھد به سلول دیگر برود و از این ناحیه عبور کند مکالمه فرد قطع خواھد شد.
سوالی که اینجا پیش می آید این است که اصوال به چه منظور عمل سلول بندی انجام می شود ؟
در پاسخ می توان این نکته را عنوان کرد که به دلیل محدودیت تعداد کانالھای ارتباطی و ھمچنین محدودیت تعداد
فرکانسھا در شبکه غیر سلولی توسعه این شبکه با مشکل جدی مواجه خواھد شد. برای ھمین با سلول بندی ناحیه تحت
پوشش این امکان به وجود می آید تا اوال بتوان از فرکانسھا مجددا استفاده کرد و ثانیا تعداد کاربران شبکه را افزایش
داد. فرضا یک شهر را در نظر بگیرید در صورتی که این شهر سلول بندی نشود فقط از یک سری فرکانس در این ناحیه
می شود استفاده کرد اما در صورت سلول بندی ، از فرکانسھایی که در یک سلول استفاده شده است در سلول دیگری
در محدوده ھمان شهر می توان استفاده کرد.
شکل 2- نمایی از یک شبکه سلولی
4
5. طول سلولھا در شهر ھا از 112 متر و در جاده ھا که حدودا تا 35 کیلومتر ھم می رسد بسته به تعداد کاربرانی که در
یک ناحیه ثابت از موبایل استفاده می کنند، متغیر است. برای مثال در بازار شلوغ و پر جمعیت یک شهر که تعداد افرادی
که از موبایل استفاده می کنند بسیار است طراح طول سلول را 112 متر انتخاب می کند و در جاده ای خلوت اما تحت
پوشش شبکه طول سلول شاید 35 کیلومتر انتخاب شود.
شکل سلولھا در طراحی (تئوری) به صورت شش ضلعی انتخاب می شود اما درعمل چون تشعشع مغناطیسی آنتن به
صورت کروی است شکل سلول به دایره نزدیک است. در ھر سلول از یک آنتن استفاده می شود ( البته گاهی در
سلولھایی با ترافیک زیاد از دو آنتن متفاوت نیز استفاده می شود).کوچک گرفتن سلول ھا عالوه بر افزایش ظرفیت و
افزایش تعداد کاربران این مزیت را نیز دارد که توان آنتن با کاهش محدوده آنتن کاھش می یابد و از آنتن ھایی با توان
کم می توان استفاده کرد.
اما معایب ساختار سلولی:
2-ھر چه طول سلولھا کمتر باشد، hand overبیشتر خواھد بود. (در ادامه توضیح داده خواھد شد.)
1-ھم پوشانی سلولھا (از نظر سطح سیگنال دریافتی)
5-تشعشع مغناطیسی : امروزه تیمھای متخصص زیادی بر روی اینکه آیا تلفن ھمراه سرطان زا است یا نه تحقیق می کنند.
بحث مشابهی ھم در مورد آنتن ھای ھر سلول وجود دارد.
4- و در نهایت پیچیدگی سیستم
شکل 1- یک شبکه سلولی
5
6. معماری شبکه : GSM
شکل 3- معماری شبکه GSM
شبکه GSMیک سیستم ارتباطی سلولی دیجیتال است که با ایده سلولی کردن منطقه جغرافیایی و استفاده مجدد از
فرکانس2 و پوشش دادن منطقه جغرافیایی بوسیله سلولها شروع بکارکرد. شبکه سلولی سیار را بعلت اینکه مشترکین تلفن
های متحرک معموأل در خشکی از آن استفاده میکنند، شبکه عمومی زمینی سیار ( )1PLMNمی نامند.
تکنیک استفاده مجدد از فرکانس با در نظر گرفتن کمترین تداخل فرکانسی در GSMبعلت کمبود فرکانس و پهنای باند
بکار گرفته می شود. معماری شبکه GSMدر شکل 5 آمده است.
Frequency Reuse
Public Land Mobile Network
6
1
2
7. شبکه GSMبه 4 قسمت اصلی تقسیم می شود که عبارتند از :
واحد سیار MS
5
زیر سیستم ایستگاه ثابت BSS
4
زیر سیستم سوئیچینگ و شبکه NSS
زیر سیستم نگهداری و پشتیبانی OSS
3
6
اینترفیسهای بین قسمتهای مختلف شبکه GSMعبارتند از:
اینترفیس Aبین MSCو BSC
7
اینترفیس Abisبین BSCو BTS
9
اینترفیس Airیا UMبین MSو BTS
( MS واحد سیار):
MSشامل دو قسمت اصلی است:
ترمینال موبایل (8)ME سیم کارت یا ماژول شناسایی مشترک (12)SIMمشترک بوسیله گوشی ) (MSقادر است مکالمه و سرویسهای دیتا را انجام دهد. MEبوسیله 22IMEIشناسایی می شود
و کد 21 IMSIبرای SIMجهت شناسایی مشترک بکار میرود.
3 Mobile Station
4 Base Station Subsystem
5 Network Switching Subsystem
6 Operation and Support Subsystem
7 Base Station Controller
8 Base Transceiver system
9 Mobile Equipment
10 Subscriber Identity Module
11 International Mobile Equipment Identity
12 International Mobile Subscriber Identity
7
8. به ھر مشترک یک سیم کارت تخصیص داده می شود تا بتواند از شبکه GSMاستفاده کند. سیم کارت ھا به طور یکتا
ساخته می شوند تا شناسایی مشترکین کامال دقیق باشد. سه کد شناسایی 24TMSI ،25 IMSIو 23 LAIدر سیم کارت ذخیره
شده اند . IMSIکد شناسایی بین الملل مشترک موبایل، TMSIکد شناسایی موقت مشترک و LAIکد شناسایی محل می
باشند.
عالوه براین ، 3 عدد که برای رمز گذاری داده در اینترفیس و امنیت به کار می رود در سیم کارت ذخیره می شود:
PIN - Personal Identity Number
PUK - PIN Unblocking Key
Ki - subscriber secret authentication key
A5 - authentication algorithm
A9 - cipher key generation algorithm
سیم کارت یک 9 CPUبیتی است با 62 کیلو بایت ROMو 631 بایت RAMکه پایه های آن در شکل زیر نشان داده
شده است.
شکل 4- پایه های سیم کارت
13 International Mobile Subscriber Identity
14 Temporary Mobile Subscriber Identity
15 Location Area Identification
8
9. : BSS
این قسمت وظیفه رادیویی سیستم را بعهده داشته و ارتباط رادیویی MSها را کنترل می کند.
BSSاز دو قسمت BSCو BTSتشکیل شده است و اینترفیس Abisرا بین BSCو BTSو همچنین اینترفیس A
را بین BSCو MSCبکار میگیرد.
شکل 3 – ساختار BSS
:BTS
BTSمسئول تبادل امواج رادیویی با واحد سیار و همچنین مسئول تبادل و کنترل اطالعات با BSCمی باشد .یک
BTSشامل فرستنده و گیرنده های مستقلی می باشد که ارتباط هوایی و رادیویی را با واحد سیار بوجود می آورد.
BTSکوچکترین واحد تامین کننده سرویس در شبکه رادیویی سیار می باشد که بوسیله امواج رادیویی می تواند منطقه
معینی از شبکه را که سلول نامیده می شود تحت پوشش قرار دهد. هر BTSبا توجه به چگالی مشترکین در سلول می
تواند از یک تا شش TRSآرایش شود . معموال برای هر BTSبا توجه به طراحی پوششی برای آن منطقه میتوان 5
سکتور در نظر گرفت.
9
10. وظایف عمده BTSعبارتند از:
اجرای پرش فرکانسی)(Frequency Hopping
رمزنگاری و رمزگشایی اطالعات روی مسیر رادیویی
گزارش کیفیت کانال ترافیکی خالی
ارسال مستقیم اندازه گیریهای توان MSبه سمتBSC
عمل همزمانی بین MSها و BTSمربوطه
آشکار سازی قطار پالس های دسترسی تصادفی رسیده از MSهای مختلف
مدیریت خط سیگنالینگ بین BSCوMS
تطبیق نرخ بیت و اجرای کد گذاری و انتقال
شکل 6 – شمایی از یک برج BTS
01
11. :BSC
BSCدر بخش رادیویی شبکه GSMقرار دارد و وظایف اصلی آن عبارتند از:
مدیریت شبکه رادیویی
مدیریت BTSها
ایجاد ارتباط باMS
مدیریت شبکه انتقال
برقراری ارتباط بین MSوMSC
BSCبرای ارتباط با استفاده BTSاز لینکهای سرعت باال (2 Tیا 2 )Eروی اینترفیس Abisاستفاده میکند. نرخ اطالعات
روی 26 kbps ، Abisو روی اینترفیس 64 kbps ، Aاست و برای سازگاری نرخ اطالعات بین دو ند BSCو ،MSC
واحدی بنام TRAUاطالعات 26 kbpsرا به 64 kbpsو برعکس تبدیل میکند.
( NSS زیرسیستم سوئیچینگ وشبکه):
وظیفه اصلی بخش NSSمدیریت بر برقراری ارتباط بین مشترکین موبایل با هم و با مشترکین دیگر از قبیل ISDNو
تلفن ثابت ) (PSTNمی باشد و قسمت های اصلی آن عبارتند از:
AUC, EIR, VLR, HLR, GMSC, MSC
MSC (Mobile Switching Centre) ----- Management of all connections
HLR (Home Location Register) -----Associated to each PLMN
VLR (Visitor Location Register) -----Associated to each MSC
GMSC (Gateway MSC) ----- providing interconnection to other networks
AUC (Authentication Center) -----provide security of network
EIR (Equipment Identity Register) -----provide absolute information of user
11
12. شکل 7 – ساختار NNS
قسمت اصلی زیر سیستم شبکه، مرکز سوئیچینگ موبایل MSCمی باشد.
وظیفه سوئیچینگ بر عهده MSCاست و بوسیله لینک 2 Eبا شبکه های ثابت و دیتا ارتباط برقرار می کند. نرخ تبادل
اطالعاتی 64kpbs ، MSCاست و وظایف اصلی آن عبارتند از:
بروز کردن مکان مشترک )(Location Updating ثبت و شناسایی مشترک )(Registration & Authentication مسیر یابی مکالمه و سوئیچینگ و کنترل مکالمات- مدیریت منابع رادیویی و Handoverهای بین BSCها
21
13. مشخصات فرکانسی ونواحی شبکهGSM
مشخصات فرکانسیGSM
GSMدر 5 باند 118 و 1192 و 1182 بکار گرفته می شود بطوریکه رنج فرکانسی هر یک از آنها در جدول آمده است.
مسیر :Downlinkمسیر سیگنالینگ از طرف BTSبه سمت MSمی باشد.- مسیر :Uplinkمسیر سیگنالینگ از طرف MSبه سمت BTSمی باشد.
جدول 2 - لیست فرکانسهای GSM
شکل 9 - فاصله فرکانسی بین مسیر Downlinkو Uplink
نواحی شبکه
کلیه شبکه های مخابراتی بمنظور سرویس دهی تماسهای ورودی نیاز به ساختار مشخصی دارند و علت این امر تغییر پذیری
و جابجایی مکانی مشترکین در شبکه موبایل می باشد.
شکل 8- نواحی شبکه GSM
31
14. سلول:
سلول کوچکترین محدوده پوششی در شبکه موبایل می باشد و بوسیله پوشش رادیویی یک سکتور BTSمشخص میشود.
روش تقسیم سلولی و تعیین شعاع سلول ها بستگی به شرایط جغرافیایی منطقه تحت پوشش و در نظر گرفتن ساختمان ها
و موانع مصنوعی، قدرت فرستنده، بهره آنتن و نوع آن و حساسیت گیرنده دارد و معموال برای پوشش رادیویی هر سلول
از آنتن های سکتورایز استفاده می کنند.
شکل 12- شبکه سلوالر با
تکنیک Frequency Reuse
ناحیه موقعیت (:)LA
ناحیه ای از شبکه می باشد که دارای چندین سلول بوده و این سلولها می توانند متعلق به یک یا چند BSCباشند . هر
MSC/VLRحاوی یک یا چند LAمی باشد .در واقع یک LAقسمتی از ناحیه سرویس دهی است که MSبدون
احتیاج به گزارش موقعیت خویش ) (Location Updatingمیتواند در آن منطقه جابجا شود . هنگام فراخوانی مشترک
سیگنال مربوطه در کل LAمربوطه به MSاز طریق BTSها پخش می شود.
ناحیه سرویس (:)MSC
ناحیه ای از شبکه که توسط یک سوئیچ سیار پوشش داده می شود و اطالعات مربوط به این مشترکین در یک VLRکه
معموال متصل به MSCاست ذخیره می گردد.
41
15. ناحیه تحت پوشش شبکه (:)PLMN
ناحیه ای از شبکه که توسط چندین مرکز سوئیچ سیار ) (MSCتحت سرویس می باشد. به هر اپراتور یک شبکهPLMN
اختصاص می دهند.
مدوالسیون در GSM
نوع مدوالسیونی که در GSMاستفاده میشود GMSKو تکنیک مدوالسیون QMSKمی باشد. GMSKیک نوع از
مدوالسیون FMدیجیتال است. دیاگرام مدوالسیون GMSKدر شکل 22 و تکنیک مدوالسیون QPSKدر شکل 12 نشان
داده شده است .نرخ داده کانال GSMبرابر با 171/955 kbpsمیباشد.
شکل 22- دیاگرام مدوالسیون GMSK
شکل 12- تکنیک مدوالسیون QPSKکه در GSMاستفاده می شود.
51
16. کانال های فیزیکی و منطقی در: GSM
در شبکه های موبایل دو نوع کانال استفاده می شود:
کانال فیزیکی کانال منطقی GSMاز کانال های منطقی برای حمل ترافیک، سیگنالینگ و ... استفاده می کند.
کانال های منطقی از زمانبندی های تعریف شده در کانالهای فیزیکی برای انجام کارهای خود استفاده می کند.
کانال فیزیکی و مشخصات آن:
برای یک کانال ترکیبی از تعداد شیار های زمانی و فرکانسهای یک کانال فیزیکی در جهت مسیر باال رونده و پایین رونده
در نظر گرفته می شود. هر کانال فیزیکی در سیستم GSMمی تواند در داخل کانال های منطقی متفاوتی در زمانهای
متفاوت نگاشت شود.
طول زمانی یک فریم 34644 میلی ثانیه است که در شکل آمده است که به 9 شیار زمانی تقسیم میشود که هر کدام از
این شیارهای زمانی بوسیله یک مشترک مستقل بکار گرفته می شود. طول زمانی یک کانال مستقیم 773 میکرو ثانیه است
که در شکل زیر تصویر کامل آن آمده است.
هر کانال فیزیکی، داده ترافیکی و کنترلی را به شکل Burstحمل می کنند.
شکل 52- تصویری ازشیارهای زمانی برای کانال فیزیکی
61
17. قطار پالس اطالعاتی است که در طی یک شیار زمانی ارسال میشود.
کانال های منطقی:
بر اساس توابعی که روی کانالها انجام می شود کانال ها به دو نوع کانال منطقی تقسیم می شوند:
کانال ترافیکی ()TCH- کانال کنترلی ()CCH
شکل 42 - ساختار کانال های منطقی
کانال های ترافیکی:
کانال های ترافیکی به دو دسته عمده کانال های صحبت و داده تقسیم می شود که هر کدام آنها از نظر نرخ ارسال به دو
نوع تقسیم می شوند:
نرخ بیت کامل )(FULL RATE- نرخ بیت نیمه )(HALF RATE
71
18. کانال های کنترلی):(CCH
این کانال ها به منظور انتقال اطالعات سیگنالینگ و یا جهات همزمانی بکار می روند و به سه دسته تقسیم می شوند:
کانال های مخابره ای ()BCH کانال های کنترل مشترک ()CCCH- کانال های کنترل اختصاصی ()DCCH
انتشار امواج رادیویی:
پالریزاسیون:
موج هایی که در هوا منتشر می شوند دارای پالریزاسیون هستند که این پالریزاسیون عمودی و افقی و دایروی می باشد.
امواج رادیویی در GSMبصورت عمودی پالریزه میشوند ولی پالریزاسیون امواج ممکن است در مسیر بعلت وجود موانع،
انعکاس، فیدینگ، ... تغییر کند که برای رفع این مشکل باید از دایورسیتی استفاده کنیم.
شکل 32- جهت انتشار امواج
81
19. شکل 62- انواع پالریزاسیون امواج
انواع انتشار:
در GSMانتشار امواج فضایی داریم که فرکانسهای باالتر از 51 MHZاز این نوع انتشار استفاده می کنند.
مشخصات این نوع انتشار عبارتند از:
فرکانسهای باالتر از )VHF,UHF,SHF( 51MHZ در تروپوسفر پائین ترین الیه اتمسفر منتشر می شود. از طریق یونسفر منعکس نمی شود. برد آن با توجه به باند انتشار در حد چند کیلومتر است.- بیشتر از طریق دید مستقیم منتشر می شود.
محاسبه افت مسیر فضای آزاد:
ناحیه موثر یک آنتن ایزوتروپیک برابر است با:
قدرت دریافتی برابر است با:
91
20. افت مسیر فضای آزاد بر حسب dbبرابر است با:
dبرحسب کیلومتر و fبرحسب مگاهرتز است.
02
21. اثر محیط روی انتشار امواج:
کلیه اثرهای محیطی در شکل زیر نشان داده شده است.
شکل 72 - اثر محیط روی انتشار امواج
12
22. پیوست:
پیوست 2: آشنایی با مودم های GSM
بدون شک بیشتر ما با مودم تلفنی آشنایی داریم که به وسیله آن می توانیم از طریق خطوط تلفن کامپیوتر خود را به اینترنت متصل
کنیم .اما تعریف علمی مودم به صورت زیر است:
مودم (مودوالتور- دمودوالتور) وسیله ای است که به کمک آن می توان اطالعات دیجیتال را از یک ماشین دیجیتال دریافت و
به صورت (معموال) موج فرکانسی تبدیل و از طریق یک بستر ) (MEDIAاین اطالعات را انتقال داد. و همچنین اطالعات
دریافتی به صورت فرکانسی از همان بستر را دریافت و به صورت اطالعات دیجیتالی قابل فهم برای ماشین تبدیل کرد.
مودم GSMرا هم می توان به صورت خالصه مانند یک مودم معمولی تصور کرد که می توان برای اتصال دو و یا چند ماشین
دیجیتال اعم از کامپیوتر و یا وسایل دیگر از آن استفاده نمود.
مودم GSMاز طریق سیم کارت خود را بعنوان یک پایانه به شبکه موبایل معرفی می کند و می تواند به عنوان یک مودم بیسیم
براحتی کامپیوتر شما را به اینترنت وصل کند و در جاهایی که خط تلفن وجود ندارد، براحتی می توان از آن استفاده نمود. با
گسترش شبکه موبایل ) (GSM/GPRSدر کشورمان به راحتی می توان از بستر این شبکه ها برای ارتباط بیسیم بین چند پایانه
استفاده کرد . از انجا که از نظر کامپیوتراین مودمها استاندارد می باشند ، کاربرها نیازی به دانستن جزییات راه اندازی سیستمها در
شبکه GSM/GPRSندارند .بطور کلی می توان از این مودمها درکابردهای زیر استفاده کرد:
ارتباط کامپیوتر به اینترنت از طریق سرویس دیتا شبکهGSM
ارتباط کامپیوتر به اینترنت از طریق سرویسGPRS
ارتباط دو کامپیوتر به هم از راه دور از طریق سرویس دیتا شبکهGSM
•ارسال و دریافت SMSاز طریق کامپیوتر برای هدفهای تجاری و تبلیغاتی و یا کنترل وسایل دیگر از راه دور
سه روش نخست در جاهایی که خط تلفن در دسترس نمی باشند بسیار کارایی دارند. همچنین بعلت ارزانی روش دوم در جاهایی
که کاربرها نمی خواهند یک خط تلفن ثابت را دایما به اینترنت مشغول کنند، نیز مناسب می باشد.
22
23. منابع:
،GSMعلیرضا چاروسایی آشنایی با ساختار شبکه موبایل (شبکه ،)GSMمجید عبیری- مقدمه ای بر ساختار شبکه GSM
- www.wikipedia.org
- www.mokhaberat88.blogfa.com
- www.noorportal.net
32