گسترش روزافزون شبکه های مخابراتی بی سیم و بالاخص شبکه های بی سیم موبایل در دهه های گذشته نیاز به شناخت و درک صحیح از اصول پایه و نحوه عملکرد این شبکه ها را امری الزامی می سازد. حتی اگر شما صرفا یک کاربر ساده شبکه سراسری موبایل باشید کسب اطلاعاتی حداقلی از اصول حاکم بر زیرساخت های مخابراتی که هر روزه در مکالمات تلفنی خود از آن ها استفاده می کنید مطمئنا مفید خواهد بود. این مقاله قصد دارد مفاهیمی همچون سیستم سلولی شبکه های موبایل، روش های دستیابی چندگانه و استاندردهای اصلی ارتباط بی سیم در شبکه های موبایل از قبیل CDMA و GSM و تاثیر هر یک بر کیفیت خدمات اپراتورهای تلفن همراه را به زبانی ساده و قابل فهم برای عموم تشریح کند.
سیستم موبایل به نوعی از مخابرات گفته می شود که در آن کاربرها هنگام ارتباط می توانند جابجایی فیزیکی داشته یاشند. دستگاه های پی جو، تلفن همراه سلولی و تلفن بی سیم از این قبیل سیستم ها هستند. همین قابلیت تحرک است که مخابرات RF را چنین قدرتمند و فراگیر کرده است. فرستنده گیرنده ای که کاربر همراه خود دارد موبایل، پایانه یا گوشی همراه نامیده می شود.پیچیدگی زیرساخت های بی سیم غالبا لازم می دارد که مخابره ی موبایل غالبا از طریق یک واحد ثابت و نسبتا گران موسوم به پایگاه یا ایستگاه ثابت (همان دکل های BTS که در سطح شهر گسترده شده اند) صورت گیرد. هر گوشی همراهی اطلاعات را به پایگاه فرستاده و از پایگاه دریافت می کند. این کار از طریق دو کانال رادیویی صورت می گیرد که کانال پیشرو یا لینک پایین رو (downlink) یا کانال پسرو یا لینک بالارو (uplink) نامیده می شود. گوشی های همراه در مقایسه با ایستگاه ثابت از فناوری به مراتب پیچیده تری برخوردارند و بازار بسیار گسترده تری نیز دارند.
سیستم سلولی
اولین سوالی که در مورد سیستم های مخابراتی موبایل ذهن را درگیر می کند این است که چگونه صدها هزار کاربر یک شهر شلوغ در یک طیف فرکانسی محدود (برای GSM این طیف برابر 25 مگاهرتز حول 900 مگاهرتز است که در ادامه بیشتر توضیح داده می شود) با هم ارتباط برقرار می کنند؟ برای پاسخ به این سوال ابتدا یک حالت ساده را در نظر می گیریم: در یک کشور هزاران ایستگاه رادیویی FM در باند 88-108 مگاهرتز کار می کنند بدون اینکه با یکدیگر تداخلی داشته یاشند. علت امکان چنین کاری این است که اگر دو ایستگاه به حد کافی از هم دور باشند می توانند فرکانس حامل مشترکی به کار برند (کاربرد مجدد فرکانس) بدون اینکه تداخل زیادی پیش بیاید. به عبارت دیگر کاربردهای مختلف از فرستنده های تلویزیونی و ماهواره ای گرفته تا WiFi و بی سیم پلیس برای اجتناب از تداخل فرکانسی و خراب شدن سیگنال، هریک در فرکانس مشخصی از طیف رادیویی فعالیت می کنند که به این امر تخصیص فرکانسی یا Frequency allocation گفته می شود.
حال اگر بخواهیم در منطقه مشخص از یک فرکانس برای کاربردهای مختلفی استفاده کنیم باید کاربردهای دارای فرکانس یکسان از نظر جغرافیایی حداقل فاصله مشخصی با یکدیگر داشته باشند تا سیگنال های مجاور بر روی یکدیگر تاثیری نداشته باشند. از این رو حداکثر توان ارسالی هر کاربرد باید میزان مشخصی داشته باشد تا در منطقه جغرافیایی کاربرد مجاور که از همان فرکانس استفاده می کند به اندازه کافی تضعیف شده و قابل شناسایی نباشد که به آن کنترل توان یا Power Control گفته می شود. (زیرا همان طور که می دانیم یک سیگنال مخابراتی با طی مسافت و تحت تاثیرعوامل و موانع محیطی تضعیف می شود). از این روست که ایستگاه رادیویی FM شبکه استانی مازندران و شبکه استانی خوزستان می توانند هر دو در فرکانس یکسانی فعالیت داشته باشند و به لطف کنترل توان ارسالی هر یک و بعد مسافت اثری بر یکدیگر نخواهند داشت. لذا حداقل فاصله بین دو ایستگاه دارای فرکانس حامل یکسان به توان فرستنده ایستگاه ها بستگی دارد.
در مخابره موبایل مفهوم کاربرد مجدد فرکانس در یک ساختار سلولی پیاده می شود که در آن هر سلول به صورت یک شش ضلعی است و شش سلول دیگر در اطراف یک سلول قرار دارند. اگر سلول مرکزی فرکانس f1 را به کار برند شش سلول همسایه ان نباید آن فرکانس را به کار برند ولی سلول های غیر همسایه می توانند این فرکانس را به کار برند. در عمل انتساب فرکانسی موثرتری وجود دارد که در آن مطابق شکل ... کاربرد مجدد فرکانس در دسته های 7 سلولی میسر می شود. البته باید توجه کنید که در عمل هر سلول یک دسته فرکانس به کار می برد نه یک فرکانس تنها. گوشی های واقع در هر سلول از یک پایگاه سرویس می گیرند و تمام پایگاه ها توسط دفتر کلیدزنی تلفن موبایل (MTSO) کنترل می شود.
دست گردانی (Hand off)
وقتی یک تلفن همراه از سلول A به سلول B می رود چه رخ می دهد؟ چون سطح توانی که از پایگاه سلول A دریافت می شود برای حفظ ارتباط کافی نیستف گوشی همراه باید از پایگاه سلول B سرویس بگیرد و چون سلول های مجاور یک دسته فرکانس یکسانی به کار نمی برند کانال نیز باید تعویض شود. این فرایند که دست گردانی نامیده می شود توسط MTSO صورت می گیرد. وقتی سطح توان دریافت شده از پایگاه A از یک آستانه معین کمتر شود MTSO گوشی را به پایگاه سلول B تحویل می دهد به این امید که آن پایگاه به حد کافی به گوشی نزدیک باشد. احتمال شکست این راهبرد زیاد است و باعث قطع ارتباط می شود.
برای بهبود فرآیند دست گردانی در نسل دوم سیستم های سلولی، گوشی همراه سطح سیگنا دریافتی از پایگاه های مختلف را اندازه می گیرد و به این ترتیب عمل دست گردانی را هنگامی صورت می دهد که تلفات مسیر پایگاه دوم نسبتا کم باشد.
روش های دستیابی چندگانه
کانال مخابراتی که برای برقراری ارتباط بین فرستنده و گیرنده مورد استفاده قرار می گیرد می تواند هوا (مخابرات بی سیم)، یک رشته سیم، کابل کواکسیال یا فیبر نوری باشد. برای اینکه حداکثر استفاده از کانال ارتباطی برده شود و بیشترین تعداد کاربران بتوانند از آن استفاده کنند سازوکارهایی موسوم به روش های دستیابی چندگانه مورد استفاده قرار می گیرند که در اینجا بطور مختصر به شرح هر یک می پردازیم.
مالتی پلکس تقسیم زمان و تقسیم فرکانس
از آنجا که اغلب واحدهای یک سیستم مخابراتی (مانند گوشی های موبایل یا ایستگاه ثابت) بصورت فرستنده-گیرنده کار می کنند، ساده ترین حالت دستیابی چندگانه مشکل ارتیاط دو طرفه با یک فرستنده گیرنده است. چیزی که اصطلاحا داپلکسینگ نامیده می شود. برای مثال در واکی- تاکی های قدیمی کاربر می بایست هنگام حرف زدن کلید talk را فشار می داد تا مسیر گیرنده از کار بیفتد. با رها کردن این کلید مسیر فرستنده از کار می افتاد و کاربر می توانست به حرف های طرف مقابل گوش دهد. این شکل ساده ای از روش تقسیم زمان که TDD یا time division duplexing نامیده می شود. در این روش برای مسیر ارسال و دریافت از یک باند فرکانسی مشترک استفاده می شود ولی زمانی که به ارسال یا دریافت اختصاص می یابد می تواند توسط کاربر تعیین شود.
یک روش دیگر ارتباط دوطرفه استفاده از دو باند فرکانسی متفاوت برای مسیرهای ارسال و دریافت است. این روش تقسیم فرکانس یا FDD یا Frequency Division Duplexing نام دارد. در این روش برای جدا کردن دو مسیر از فیلترهای میان گذر استفاده می شود تا ارسال و دریافت همزمان میسر شود. فیلتر به قطعه یا مداری الکترونیکی گفته می شود که می تواند محدوده خاصی از طیف فرکانسی را عبور داده و باقی آن را تضعیف کرده و مانع عبور شود یعنی خاصیت انتخاب فرکانسی (Frequency Selection) دارد. در واقع در این روش فرکانس های مورد استفاده فرستنده-گیرنده برای ارسال و دریافت سیگنال متفاوت است. چون دو فرستنده گیرنده این چنینی نمی توانند مستقیما با هم ارتباط برقرار کنند (بدلیل متفاوت بودن فرکانس های ارسال و دریافت) سیگنال ارسال شده برای اینکه بتواند توسط گیرنده دیگری دریافت شود باید در بین راه به باند دیگری که برای دریافت مورد استفاده قرار میگیرد منتقل شود. در شبکه های بیسیم این تبدیل توسط پایگاه ثابت صورت می گیرد.
دست یابی چندگانه تقسیم فرکانس
در بخش پیشین مساله ارتباط دو طرفه با یک فرستنده گیرنده بوسیله استفاده از داپلکسینگ حوزه زمان یا فرکانس مرتفع گردید. اما حال فرض کنید تعداد زیادی فرستنده-گیرنده می خواهند از کانالی استفاده کنند. برای اجتناب از ایجاد تداخل بین عملکرد ارتباطی هر یک با فرستنده-گیرنده دیگر نیز باید راهکاری اندیشید که یکی از آن ها می تواند دستیابی چندگانه تقسیم فرکانس یا FDMA باشد که طی آن باند فرکانسی به تعداد زیادی کانال تقسیم شده و هرکدام به یک کاربر اختصاص پیدا می کند.
این روش، تکنیک رایج مورد استفاده در سیستم های مخابراتی رادیویی و تلویزیونی است. البته در این حوزه کانال های اختصاص یافته با گذشت زمان تغییر نمی کنند و پس از قطع ارتباط کانال می تواند برای کاربری دیگر باز شود.
FDMA علیرغم سادگی، نقطه ضعفی ذاتی دارد: ماکزیمم تعداد کاربران همزمان توسط نسبت کل باند فرکانسی موجود (که در GSM برابر 25 MHz است) به پهنای هر کانال (که در GSM برابر 200 Khz است) تعیین می شود که ظریت کافی برای مناطق شلوغ را به دست نمی دهد.
دستیابی چندگانه تقسیم زمان TDMA
در یک روش دیگر دستیابی چندگانه یک باند فرکانسی به چند کاربر اختصاص داده می شود ولی در زمان های متفاوت. این روش که به دستیابی چندگانه تقسیم زمان TDMA معروف است در شکل زیر نشان داده شده است. در هر شکاف زمانی کانال در اختیار یک کاربر قرار می گیرد و در شکاف بعدی کاربر دیگری به ارسال سیگنال مشغول می شود. این دست به دست شدن کانال معمولا به حدی سریع انجام می شود که قطع ارتباط کاربران چندان محسوس نباشد و یا برقراری ارتباط را مختل نکند.
اما ممکن است این سوال پیش بیاید که داده (صدای) تولید شده توسط کاربر در زمانی که شکاف او فعال نیست چه می شود؟ بدین منظور باید داده ها در زمان عدم دسترسی به کانال ذخیره شوند و از آن جا که برای ذخیره سازی داده باید بصورت دیجیتال باشد فرستنده باید سیگنال آنالوگ ورودی را به کمک مبدل A/D به دیجیتال تبدیل کند. دیجیتالی شدن داده امکان فشرده سازی و کدگذاری گفتار را نیز فراهم می کند.
دستیابی چندگانه تقسیم کد CDMA
مباحث صورت گرفته در مورد FDMA و TDMA نشان داد برای اینکه تعدادی فرستنده-گیرنده بطور مشترک از کانالی استفاده کنند داده فرستاده شده توسط هر کاربر باید یا در حوزه فرکانس و یا در حوزه زمان از سایرین متمایز شود تا تداخل سیگنال روی ندهد. اما روش دیگری نیز برای نیل به این مقصود وجود دارد که برای درک بهتر آن از یک تمثیل استفاده می کنیم. فرض کنید در یک مهمانی افراد متعددی در حال حرف زدن با یکدیگر هستند برای اینکه هم شنوایی به حداقل برسد و هر دسته و گروه بدون مزاحت ناشی از صدای دیگران به مکالمه بپردازند، دسته های مختلف می توانند با صداهای زیر و بم متفاوت از یکدیگر به صحبت بپردازند (FDMA)، یا هر دسته تنها در زمان های خاصی حرف بزنند (TDMA). اما در عوض این دو روش می توان از دسته های مختلف خواست تا با زبان های مختلف به صحبت بپردازند.
در دستیابی چندگانه تقسیم کد دقیقا این شیوه به کار گرفته می شود و در شروع ارتباط به هر زوج فرستنده-گیرنده یک کد خاص اختصاص داده می شود و داده ارسالی توسط هر فرستنده به کمک کد نظیر آن ترجمه شده و سپس بر روی کانال فرستاه می شود. در این حالت هر گیرنده همه داده های موجود در کانال را دریافت می کند اما فقط داده ارسال شده توسط فرستنده نظیر آن، برایش قابل درک و فهم خواهد بود. در حقیقت کد اختصاص یافته به گیرنده همچون کلیدی برای گشودن قفل داده های دریافتی بر روی کانال عمل می کند و از انجا که این کلید فقط به یک قفل می خورد لذا داده های دریافت شده از سایر فرستنده ها برای گیرنده مذکور بی معنی و غیر قابل درک خواهد بود.
اما اگر به بازار تلفن های همراه و شبکه های بی سبم موبایل علاقه مند باشید ممکن است با اصطلاحاتی همچون CDMA و GSM رو به رو شده باشید و برایتان جای سوال باشد که این موارد چه تاثیری بر روی کیفیت خدمات شبکه و استفاده شما از آن دارند؟ برای پاسخ به این سوال ابتدا باید با تعریف و مفهوم استاندارد بی سیم آشنا شویم.
استانداردهای بی سیم
برقراری مکالمه یا ارسال داده در سیستم های مخابراتی امروزی با انجام عملیات پیچیده در حوزه های آنالوگ و دیجیتال همراه است. لذا طراحی و پیاده سازی یک سیستم مخابراتی نیازمند تعریف و برآورده کردن پارامترها و معیارهای مختلفی است. یک استاندارد بی سیم عملیات اصلی و مشخصات حاکم بر طراحی فرستنده-گیرنده ای که درصدد برقراری ارتباط تحت آن استاندارد می باشند را تعریف می کند. GSM، WCDMA، Bluetooth و IEEE802.11a/b/g مثال هایی از استانداردهای بی سیم هستند که هر یک برای کاربردی خاص طراحی و تعریف شده اند و از نظر معیارهایی همچون فرکانس کاری و نحوه کانال بندی، نرخ ارسال داده، سازوکار داپلکسینگ آنتن (TDD یا FDD)، نوع مدولاسیون مورد استفاده، توان خروجی فرستنده، حساسیت گیرنده و... با یکدیگر تفاوت دارند.
GSM
GSM مخفف عبارت Global System For Mobile Communication است و اگر در کشوری به جز ایالات متحده یا روسیه زندگی می کنید شبکه موبایلی که شما از آن استفاده می کنید به احتمال قریب به یقین از این فناوری بهره می برد. GSM دو باند فرکانسی حول 900 و 1800 مگاهرتز دارد که به ترتیب GSM900 و GSM1800 خوانده می شوند. این استاندارد از FDD استفاده می کند لذا هنگامی که با موبایل خود صحبت می کنید صدای شما و مخاطبتان بر روی فرکانس های متفاوتی در حال ارسال و دریافت است. از سوی دیگر GSM از دستیابی چندگانه تقسیم زمان نیز بهره می برد که بدین معنی است که داده و یا صوت ارسال شده توسط شما و سایر کاربران شبکه هریک در شکاف زمانی متفاوت اما بر روی کانال فرکانسی مشترکی در حال ارسال است. لازم به ذکر است طول این شکاف های زمانی به حدی کوچک است که شما و سایر کاربران متوجه قطع ارتباط لحظه ای نمی شوید. برای تشخیص اینکه کدام کاربران به شبکه متصل هستند هر مشترک از یک سیم کارت استفاده می کند.
سیم کارت ها یکی از ویژگی های کلیدی یک شبکه GSM محسوب می شوند. سیم کارت شما به نوعی بیانگر هویت شما به عنوان یکی از کاربران شبکه است. در واقع سیم کارت به شبکه اعلام می کند شما به چه سرویس ها و خدماتی دسترسی دارید و اطلاعات نوع سرویس اشتراکی شما مانند دائمی و یا اعتباری بودن سیم کارت، میزان شارژ موجود، طرح های مورد استفاده و... در سیم کارت ذخیره می شود. به علاوه اینکه اطلاعات دفترچه تلفن مخاطبان شما نیز می تواند در آن نگه داری شود.
CDMA
این استاندارد غالبا در مناطقی از ایالات متحده و روسیه به کار گرفته می شود گرچه در این کشورها استاندارد GSM نیز مورد استفاده قرار می گیرد. این فناوری طی جنگ جهانی دوم و توسط نیروهای متفقین برای جلوگیری از خرابکاری رادیویی نازی ها ابداع شد. CDMA نیز همانند GSM از FDD استفاده می کند اما سازوکار کد گذاری شرح داده در بالا باعث می شود تعداد کاربران بیشتری بتوانند همزمان از باند فرکانسی استقاده کنند.
تلفن های متصل به یک شبکه CDMA سیم کارتی ندارند اما درعوض هر تلفن طوری ساخته و طراحی شده است که تنها قادر به استفاده از شبکه اپراتور خاصی است. این بدین معنی است که در صورت استفاده از این استاندارد تلفن شما به شبکه اپراتور مذکور گره خورده است و اگر بخواهید از اپراتوردیگری استفاده کنید باید تلفن همراه خود را عوض کنید.
لازم به ذکر است هر دو استاندارد مورد اشاره یعنی GSM و CDMA مشخصات فنی دقیق و تعریف شده دیگری نیز همچون توان خروجی فرستنده، نرخ داده، حساسیت گیرنده، نوع مدولاسیون مورد استفاده و ... دارند که طرح آن ها خارج از چاچوب و اهداف این مرقومه است و صرفا باعث پیچیدگی مبحث خواهد شد.
آیا این استانداردها نسبت به یکدیگر برتری دارند؟
در پاسخ باید گفت این استانداردها الزاما برتری خاصی نسبت به یکدیگر ندارند و مهم ترین عامل موثر بر کیفیت مکالمه شما اطمینان پذیری و امنیت خود شبکه ای است که از آن استفاده می کنید و نه نوع استاندارد استفاده شده برای مخابره اطلاعات. البته به هنگام انتخاب یکی از این دو نوع استاندارد باید به چند نکته توجه داشت. به عنوان مثال تلفن های CDMA به اپراتور خود قفل شده اند و نمی توان آن ها را در شبکه دیگری مورد استفاده قرار داد. اما در مورد تلفن های GSM چنین نبوده و می توان آن ها را در هر شبکه و کشوری مورد استفاده قرار داد.
شبکه های مبتنی بر CDMA می توانند در شراسط برابر تعداد کاربر بیشتری را نسبت به GSM پوشش دهند. علاوه بر این CDMA زیرساختی است که همه شبکه های 3G بر آن استوار هستند. گرچه هم اکنون نوع سومی از شبکه های بی سیم به سرعت در حال رشد و گسترش است و از نظر کیفیت در حال پشت سر گذاشتن همه رقباست. این فناوری که کمپانی های مهم تولید تلفن همراه و اپراتورها یکی پس از دیگری در حال به کارگیری آن در شبکه های خود هستند LTE نام دارد و به نوعی نمونه تکامل یافته GSM محسوب می شود. این فناوری جدید از کیفیت صدای بسیار بالایی برخوردار است و علاوه بر آن به عنوان پایه و اساس شبکه های پرسرعت 4G عمل می کند.
به عنوان جمع بندی مبحث باید گفت اینکه اپراتور شما اسما از چه نوع فناوری اعم از GSM، CDMA و یا LTE استفاده می کند چندان اهمیتی ندارد زیرا کیفیت خدمات و قابلیت های یک شبکه صرفا به زیرساخت مورد استفاده بستگی نداشته و میزان پوشش کشوری، تعرفه های مکالمه و دیتا و قابلیت اطمینان پذیری شبکه به مراتب از اهمیت بالاتری برخوردارند. بنابراین همواره به دنبال اپراتوری باشید که خدمات ارائه شده توسط آن نیازهای شما را بهتر برآورده کرده و با بودجه شما سازگاری بیشتری دارد.
