آشنایی با ساختار شبکه های GSM

 در این مطلب به بررسی کامل ساختار شبکه های gsm میپردازیم.

امروزه میلیون‌ها نفر در سراسر جهان از تلفن‌های سلولی (همراه) استفاده می‌کنند . در واقع تلفن‌‌های همراه نوع پیشرفته رادیو تلفن‌های دهه 1880 هستند که در آن زمان روی خودروها نصب و استفاده می‌شد . این سامانه دارای یک یا چند دکل آنتن مرکزی برای هر شهر بود وهر دکل می‌توانست تا 25 کانال ارتباطی را تا شعاع 40 الی 50 مایل پوشش دهد . اما به علت محدودیت کانال‌های ارتباطی امکان مشترک شدن برای همه وجود نداشت. تلفن همراه سامانه ای سلولی است زیرا مناطق تحت پوشش آن به سلول‌های تقریباً 6 گوش تقسیم بندی می شود. بدین ترتیب کل فضای مورد نظر تحت پوشش سلول‌های مختلف قرار می‌گیرند .

در مرکز هر سلول یک دکل آنتن به نام (BTS) نصب می‌شود و بر حسب ظرفیت هر سلول تعداد مشترکان تغییرمی کند.معمولاً هر سلول آ‌نالوگ قادر است تا 56 کانال رادیویی را پشتیبانی کند به عبارت دیگر هر سلول می‌تواند همزمان مکالمه‌ی 56 نفر با تلفن همراه را در محدوده‌ی تحت پوشش خود اداره نماید . اما این ظرفیت در روش‌های ارتباطی دیجیتالی امروزه افزایش یافته است . برای مثال درسامانه ی دیجیتالی TDMA می توان تا سه برابر ظرفیت آنالوگ یعنی تقریباً 168 کانال را پوشش داد.

تلفن همراه یک سامانه ی کم توان رادیویی است . اکثر تلفن های همراه دارای دو سطح توان خروجی 0.6 وات و 0.3 وات هستند. به همین ترتیب ایستگاه‌های مبنای هر سلول نیز با توان کم کار می‌کنند. عملکرد با توان کم دارای دو مزیت است:

1-تبادل سیگنال‌ در محدوده‌ی هر سلول بین ایستگاه و گوشی با آنتن همان سلول انجام می‌پذیرد و سیگنال‌ها از حیطه‌ی سلول فراتر نرفته بنابر این هر گوشی فقط با یک دکل آنتن ارتباط برقرار می‌سازد و از این جهت کانال‌های BTS‌های دیگر برای یک نفر اشغال نخواهد شد.

2- مصرف انرژی باتری گوشی تلفن بهینه و نسبتاً کم می‌شود.

شبکه‌ی سلولی همچنان که گفته شد نیازمند نصب دکل‌های زیادی است. یعنی یک شهر بزرگ ممکن است دارای هزاران دکل جهت پوشش سرتاسری باشد و هزینه‌ی سنگینی را در بر دارد، ولی از جهتی که امکان استفاده از این سامانه برای تعداد زیادی از مردم را فراهم می‌آورد هزینه‌ی لازم به مرور جبران خواهد شد.

جابجایی سلولی
هر تلفن یک کد شناسه‌ی مختص خود دارد. این کد‌ها جهت شناسایی مالک تلفن و شرکت خدمات دهنده است. هنگامی‌که گوشی روشن می‌شود، منتظر دریافت سیگنال‌ از یک کانال کنترل می‌ماند. این کانال یک کانال ارتباطی مخصوص جهت ارتباط گوشی و نزدیک‌ترین ایستگاه BTS است. اگر تلفن به هر دلیلی نتواند چنین سیگنالی را دریافت و شناسایی نماید، پیغام خارج از محدوده « No Service» خواهد داد. در صورت دریافت این سیگنال گوشی آماده‌ی برقراری ارتباط می‌شود. کاربر چه در حال صحبت و چه در حال آماده باش حرکت و جابجایی داشته باشد، ممکن است از حیطه‌ی یک سلول خارج و وارد محدوده‌ی سلول دیگر شوید. سامانه‌های سلولی می توانند بدون قطع ارتباط تلفنی، آن را از سلولی به سلول دیگر هدایت نماید.

سامانه ‌های آنالوگ اولیه در سال 1983 با عنوان (سامانه پیشرفته تلفن متحرک) Amps مجوز ایجاد خود را از کمیسیون فدرال ارتباطات آمریکا دریافت نموده و با بسامد 824 الی 894 مگاهرتز آغاز به کار کردند. این تلفن‌ها دارای 832 کانال به صورت جفت بودند، 790 کانال برای انتقال صوت و 42 کانال جهت تبادل داده، در واقع هر جفت بسامد (یکی جهت ارسال و دیگری جهت دریافت) در این سامانه ‌ها تشکیل یک کانال ارتباطی را می‌دادند که پهنای باند هر کانال نیز برابر 30 کیلوهرتز تعیین شده بود.

نسل جدید
تلفن‌‌های سلولی دیجیتالی مشابه نوع آنالوگ اما متفاوت از آن کار می‌کنند و قادر به ایجاد کانال‌های ارتباطی بیشتر و با کیفیت مطلوب‌تری هستند. این سامانه ‌ها اطلاعات مورد تبادل را به صورت 0 و 1 و فشرده شده ارسال و دریافت میکنند به این دلیل حجم سیگنال اشغالی در شبکه‌ی دیجیتالی توسط هر گوشی برابر 1/3 تا 1/10 سامانه آنالوگ است.

فناوری دسترسی سلولی

سه نوع روش معمول جهت انتقال اطلاعات توسط شبکه‌های تلفن سلولی عبارتنداز:

- دسترسی چند‌گانه‌ی تقسیم بسامدی (FDMA): که هر تماس را برروی یک بسامد مجزا قرار می‌دهد.

- دسترسی چندگانه‌ی تقسیم زمانی (TDMA): هر تماس را به بخشی از یک زمان روی یک بسامد واگذار می‌کند.

- دسترسی چندگانه‌ی تقسیم کدی (CDMA): که به هر تماس یک کد منحصر اختصاص داده و به کل طیف پخش می‌کند. در قسمت اول هر یک از این سه روش عبارت «دسترسی چندگانه» را می‌بینیم، این بدین مفهوم است که هر سلول امکان برقراری ارتباط بیش از یک نفر را در یک زمان فراهم می‌آورد.

1- FDMA: در این روش کل طیف بسامد به چندین کانال تقسیم می‌شود، این روش اکثراً جهت سامانه‌های آنالوگ به کار می رود ولی قابلیت طراحی به صورت دیجیتال را نیز دارد، اما جهت سامانه ‌های دیجیتالی کارآیی موثر نخواهد داشت.

2- TDMA: از یک پهنای باند نازک 30khz کیلوهرتز و به طول 6.7 میلی‌ثانیه جهت تقسیم زمان به سه بخش استفاده می‌کند. هر مکالمه 1/3 حجم زمانی معمول را در این حالت اشغال نموده و موجب فشرده‌سازی و افزایش بهره‌وری می‌گردد و باعث افزایش تعداد کانال‌های هر سلول خواهد شد. این سامانه در باند‌های 900 و 1800 مگاهرتز در اروپا و آسیا و نیز 1900 مگاهرتز در آمریکا مورد استفاده قرار دارد. متأسفانه باند 1900 GSM)) که در آمریکا کاربرد دارد با سامانه ‌های جهانی همساز نیست.

3- CDMA: یک تفاوت کلی با سامانه TDMA دارد. در این روش بعد از تبدیل سیگنال‌ها به دیجیتال آن‌ها را بر روی کل پهنای باند موجود انتشار می‌دهند و همچنین به هر تماس و سیگنال‌ یک کد منحصر به فرد اختصاص می‌دهند. در این حالت گیرنده‌ نیز جهت بازیابی اطلاعات از کد مشابه مختص هر تلفن استفاده می‌نماید. بازده‌ی این سامانه 8 الی 10 برابر سامانه ‌های آنالوگ (AMPS) است و ظرفیت را به میزان چشم‌گیری افزایش خواهد داد.

---

ویکی پدیا :

GSMیک اختصار پذیرفته شده برای استاندارد «سیستم بین‌المللی ارتباطات همراه» محسوب می‌شود که در اصل از عبارتی فرانسوی گرفته شده‌است وو همانندPALM و Mobiletex GPRS، HICAP از محبوبترین و رایجترین استانداردهای تلفن همراه در سراسر دنیا به شمار می‌رود.

این استاندارد در حال حاضر توسط بیش از ۲ میلیارد نفر در ۲۱۲ کشور استفاده می‌شود که در نوع خود یک رقم باورنکردنی است و باعث می‌شود تا کاربران با استفاده از قابلیت Roaming یا امکان حضور همزمان در دو نقطهٔ متفاوت ارتباطی، بتوانند از گوشی همراه خود در هر شهر و کشوری استفاده کنند. این استاندارد با نمون ههای مشابه قبلی خود تفاوتهایی عمده دارد و از جملهٔ آنها می‌توان به کیفیت دیجیتالی برقراری مکالمات با تلفن همراه اشاره کرد که به عبارتی یک سیستم نسل دوم تلفن همراه تلقی می‌شود.

از دیدگاه اکثر مصرف کنندگان و کاربران، مزیت اصلی و عمدهٔ GSM در افزایش کیفیت برقراری تماسهای تلفنی و همچنین کاهش نرخ مکالمات و نیز سرویسهای جانبی مثل پیام کوتاه یا SMS است.

همچنین از دید اپراتورهای شبکه، مزیت و برتری این استاندارد، امکان به کارگیری لوازم و تجهیزات جانبی گوشیهای همراه با مارکهای مختلف در یک مجموعه‌است چرا که طراحی باز این استاندارد به عملکرد چندوجهی ارتباطی کاربر کمک می‌کند.

گسترش گوشی‌های سلولی تلفن همراه در اوایل ده هی هشتاد میلادی در اروپا، رو به زوال نهاد. عدم وجود استانداردسازی‌های

تکنولوژیکی، سران اجلاس وزرای ارتباطات و فناوری اطلاعات کشورهای اروپایی را در سال ۱۹۸۲ با هدف توسع هی یک استاندارد واحد برای گوشی‌های همراه که در سراسر قاره، قابل استفاده باشد، وادار ساخت تا به ساخت گروه ویژهٔ تلفن همراه (GSM) مبادرت ورزند.

شبکه GSM یک سیستم ارتباطی سلولی دیجیتال است که با ایده سلولی کردن منطقه جغرافیایی و استفاده مجدد از فرکانس ۱ و GSM شبکه

پوشش دادن منطقه جغرافیایی بوسیله سلولها شروع بکارکرد.شبکه سلولی سیار را به علت اینکه مشترکین تلفن‌های متحرک معمولأ در خشکی از آن استفاده می‌کنند شبکه عمومی زمینی سیار PLMN می‌نامند.

سلول

سلول کوچکترین محدوده پوششی در شبکه موبایل می‌باشد و بوسیله پوشش رادیویی یک سکتور BTS مشخص می‌شود و روش تقسیم سلولی و تعیین شعاع سلولها بستگی به شرایط جغرافی ایی منطقه تحت پوشش و درنظر گرفتن ساختمانها و موانع مصنوعی، قدرت فرستنده، بهره آنتن و نوع آن و حساسیت گیرنده دارد و معمولأ برای پوشش رادیویی هر سلول از آنتنهای سکتورایز استفاده می‌کنند.

شبکه GSM به ۴ قسمت اصلی تقسیم می‌شود که عبارتنداز: واحد سیار MS

زیر سیستم ایستگاه ثابت BSS

زیر سیستم سوئیچینگ و شبکه NSS

زیر سیستم نگهداری و پشتیبانی OSS

اینترفیسهایی(Interface)بین قسمتهای مختلف شبکه GSM عبارتند از :

اینترفیس A بین BSC و MSC

اینترفیس Abis بین BTS و BSC

اینترفیس Um یا Air بین Air BTS و MS

MS (واحد سیار)

MS شامل دو قسمت اصلی است.

‐ترمینال موبایل (ME)

‐سیم کارت یا ماژول شناسایی مشترک (SIM)

مشترک بوسیله گوشی (MS)قادر است مکالمه و سرویسهای دیتا را انجام دهد ME به وسیله IMEI شناسایی می‌شود. و کد IMSI برای SIM جهت شناسایی مشترک بکار می‌رود.

این قسمت وظیفه رادیویی سیستم را بعهده داشته‌است و ارتباط رادیویی MSها را کنترل می‌کند BSS از دو قسمت BTS و BSC تشکیل شده‌است و اینترفیس Abis را بین BTS و BSC و همچنین اینترفیس A را بین MSC و BSC بکار می‌گیرد.

BTS مسئول تبادل امواج رادیویی با واحد سیار و همچنین مسئول تبادل و کنترل اطلاعات با BSC می‌باشد. یک BTS شامل فرستنده وگیرنده‌های مستقلی می‌باشد که ارتباط هوایی و رادیویی را با واحد سیار بوجود می‌آورد و BTS کوچکترین واحد تامین کننده سرویس در شبکه رادیویی سیار می‌باشد که بوسیله امواج رادیویی می‌تواند منطقه معینی از شبکه را که سلول نامیده می‌شود تحت پوشش قراردهد و هر BTS با توجه به چگالی مشترکین در سلول می‌تواند از یک تا شش TRX آرایش شود. معمولاً برای هر BTS با توجه به طراحی پوششی برای آن منطقه می‌توان ۳ سکتور در نظر گرفت.

وظایف عمده BTS عبارتند از :

•اجرای پرش فرکانسی

•رمزنگاری و رمزگشایی اطلاعات روی مسیر رادیویی

•گزارش کیفیت کانال ترافیکی خالی

•ارسال مستقیم اندازه گیریهای توان MS به سمت BSC

•عمل همزمانی بینذ MSها و BTS مربوطه

•آشکار سازی قطار پالس‌های دسترسی تصادفی رسیده از MSهای مختلف

•تطبیق نرخ بیت و اجرای کدگذاری انتقال

BSC دربخش رادیویی شبکه GSM قرار دارد و وظایف اصلی BSC عبارتند از :

مدیریت شبکه رادیویی

مدیریت BTSها

ایجاد ارتباط باMS

مدیریت شبکه انتقال

برقراری ارتباط با MSC و MS

BSC برای ارتباط با BTS از لینکهای سرعت بالا(E۱ یا ۱ T)روی اینترفیس Abis استفاده می‌کند.برای سازگاری نرخ اطلاعات بین دو MSC و BSC واحدی به نام TRAU اطلاعات ۱۶kbps را به ۶۴kbps و برعکس تبدیل می‌کند. 

وظیفه اصلی بخش NSS مدیریت بر برقراری ارتباط بین مشترکین موبایل با هم و با مشترکهای دیگر از قبیل ISDN وتلفن ثابت می‌باشد و قسمتهای اصلی آن عبارتند از :

AUC، EIR، VLR، HLR، GMSC، MSC

قسمت اصلی زیر سیستم شبکه، مرکز سوئیچینگ موبایل MSC می‌باشد.

وظیفه سوئیچینگ برعهده MSC است وبه وسیله لینک E۱ با شبکه‌های ثابت و دیتا ارتباط برقرارمی کند و نرخ تبادل اطلاعاتی kpbs ۶۴، MSC است و وظایف اصلی ان عبارتنداز :

‐بروز کردن مکان مشترک

‐ثبت و شناسایی مشترک

‐مسیر یابی مکالمه و سوئیچینگ و کنترل مکالمات

‐مدیریت منابع رادیویی و Handoverهای بین BSCها