تحقیق مقاله طراحی شبکه موبایل

فصل اول :

نظریه سلولی

بر اساس این نظریه ناحیه ای که می خواهد تحت پوشش شبکه موبایل قرار گیرد به نواحی جغرافیایی کوچکتر با شعاع 2 تا 50 کیلومتر تقسیم می شود در هر سلول سیستم ها فرستنده گیرنده پوشش رادیویی سلول را به عهده دارند . و کانال های رادیویی با دامنه مختلف فرکانس در آن به مشترکش سرویس می دهند . فرستنده هایی که در سلولهای مجاور هم هستند از کانالهای فرکانس جداگانه استفاده می کنند تا از تداخل فرکانس جلوگیری شود اگر انرژی آنتن فرستنده و ارتفاع آن مناسب باشد می توان از کانالهای فرکانس در فاصله متناسب و دورتر بیشتر به سلول مورد نظر دوباره استفاده کرد تا در اثر فاصله و افت سیگنال شکل داخل پیش نیاید . از طرفی برای اینکه بتوان بیشترین دفعات از فرکانسهای مجدد استفاده کرد دو سلول هم کانال باید دارای کمترین فاصله کمتر باشند پس مجموع فاصله 2 سلول هم کانال باید به گونه ای باشد که تداخل هم کانالی از یک آستانه بخار بیشتر شود . این آستانه 18db انتخاب شده است . چنانچه سرامیک در ناحیه یکی از سلولها افزایش یابد می توان سلول مورد نظر را به 2 یا چند سلول با توجه به نیاز ترافیکی تقسیم کرد را تا هر چه این تعداد بیشتر شود نیاز به زیر ساختهای بیشتری برای حمل کردن سیستم مطرح می گردد و هزینه بیشتر می شود در نتیجه پوشش سلولی نوعی فعالیت پویا و دینامیک محسوب می شو د که به گروهی از سلولهای مجاور که کلیه کانالهای سیستم را بر اساس ضوابط خاص به کار می برند و در تمام ناحیه تحت پوش تکرار می شوند کلاستر می گویند .

در طراحی سلول سلول 6 ضلعی در نظر گرفته می شود زیرا اگر با فرض اینکه 2 عدد BTS با آنتن های هم جهت داشته باشیم و برای هر مشترک دوایری به مرکز BTS ها در نظر بگیریم مجموعه نقاطی وجود دارند که قدرت سیگنال رسیده از دو BTS در آنجا یکسان است و با ادامه این کار به 6 ضلعی منتظم می رسیم .

البته در دیتای واقعی به علت وجود پستی و بلندی و موقعیت جغرافیایی مناطق و همچنین وجود موانع طبیعی و مصنوعی فراوان ( کوهها و ساختمانها ) داشتن 6 ضلعی های منتظم با ابعاد یکسان امکان پذیر نمی باشد . ماکزیمم شعاع سلولها 35 کیلومتر می باشد .

تعریف انواع سلول :

طرح و راه حل های مختلفی برای پوشش رادیویی در محیط های داخلی و خروجی و کانالهای خاص وجود دارد ؛ 2 نمونه از این طرح ها میکروسلها و مایکروسلها هستند .

ماکروسل ها :

ماکروسلها معمولاً در یک توان خروجی بالاتر از میکروسل ها کار می کنند و پوشش فرکانس را برای هر دو ناحیه فضای آزاد و درون ساختمان فراهم می آورند . گروهی از ماکروسل ها فراهم می آورند می تواند در تمام جهات و یا در یک جهت خاص باشد در ماکروسل تمام جهتی انرژی رادیویی در همه جهت های افقی  منتشر می شود . دره کروسل تمام جهتی یک آنتنژسیگنال رادیویی را در همه جهات نسبت به افقی منتشر می کند . این آنتن در ارتفاعی تقریباً بینی 15 تا 46 متر نصب می شود .

میکروسل ها :

معمولاً در یک توان پایین تر از ماکروسل های کار می کنند و یک ناحه کوچک را مورد پوشش خود قرار می دهند را بی ناحیه حدود 25 درصد از یک ماکروسل می باشد . ظرفیت کانالهای یک میکروسل مرکز است از ماکروسل کمتر باشد اما ظرفیت کانال سیستم به کاربران مختلف است . میکروسل ها برای افزایش ظرفیت نواحی با ترافیک بالاتر به کار برده می شود میکروسلها هم خود انواع مختلفی دارند .

میکروسل بیرونی :

یک میکروسل بیرونی معمولاً دارای یک آتش است که در زیر یک سقف امواج به وسیله ساختمانها و بناها محدود می شود ، شکل سلول از یک الگوی خیابانی پیروی می کند . یک میکروسل بیرونی ، بخشی از بزرگراهها ، خیابانها و کوچه ها و چهار راه ها تونلها و نواحی محدود به ساختمانهای مجاور را پوشش می دهد .

میکروسل درونی :

یک میکروسل درونی که بعضی وقتها میکروسل نامیده می شود به منظور پوشش دادن قسمتهای داخلی یک ساختمان مثل راهروهای طراحی می شود آنتن یک پیکول می تواند روی دیوار با سقف قرار گیرد .

سلول چتری :

ماکروسلها و میکروسلها با هم دیگر سلولی به نام سلول چتری به وجود می آورند یک سلول چتری پوشش برای یک قسمت و یا تمام قسمتهایی که در توسط دیگر سلولها پوشش داده می شود فراهم می آورد .

نمونه هایی از سلول چتری

همان طور که بعدها مشاهده می کنیم هر سلول توسط یک BS پوشش رادیویی داده می شود . هر سلول دارای یک شماره (CQI) می باشد . در هر سلول یک کانال رادیویی به منظور انتقال اطلاعات سیگنالینگ بین شبکه ی موبایل و MS ای که در آن سلول قرار دارد در نظر گرفته می شود . کانالهای سیگنالینگ از موبایل به BS بکار می روند تا عملیات سیگنالهایی را که برای  تازه سازی وضعیت مکانی و تنظیم تماس و پاسخ گویی به پیغامهای تماسی وارده انجام می دهند . در مسیر برعکس یعنی از BS به موبایل کانال سیگنالینگ اطلاعات مربوط به پارامترهای عملیاتی ( شناسه ی معرف مکان شناسه ی سلول و …. ) ، تنظیمات تماس ، paging و تازه سازی اطلاعات را حمل می کند .

ناحیه مکانی ( LA ) : به مجموعه ای از سلولها گفته می شود . سیستم موبایل با استفاده از این تقسیم بندی نواحی می تواند مشترکینی را که در وضعیت فعال هستند را جستجو نماید . هنگامی که یک تماس برای یک MS وجود داشته باشد یک پیغام ( paging ) بین همه ی سلولهای یک LA منتشر می شود . در اصل یک LA ناحیه ای است که یک مشترک بدون اینکه نیاز داشته باشد مکان خود را به شبکه اطلاع دهد در آن حرکت می کند .

ناحیه ی تحت پوشش ms : msc/vlr در یک دیتا بیس که رجیستر موقعیت محلی (VAL) نام دارد ثبت می وشد . Msc و VLR همیشه در یک گره قرار می گیرند . بنابراین ناحیه ی تحت پوشش آنها ناحیه ی msc/vlr نامیده می شود یک ناحیه ی msc از تعدادی LA تشکیل شده است و در اصل ناحیه ی جغرافیایی تحت پوشش آن توسط یک MSC پوشش داده می شود برای هدایت کردن یک تماس به یک مشترک موبایل این تماس از مسیر MSC ای عبور داده می شود که در ناحیه ی msc/vlr ای است که مشترک موبایل در آن قرار دارد .

ناحیه ی تحت سرویس شبکه ی موبایل عمومی :

این ناحیه ، ناحیه ای جغرافیایی است که توسط یک اپراتور شبکه سرویس دهی می شود و به عنوان ناحیه ای تعریف می شود که در آن یک اپراتور پوشش رادیویی را ایجاد و امکان دستیابی به شبکه را ایجاد می کند .

ناحیه ی تحت سرویس Gsm :

به مجموعه ناحیه های جغرافیایی گفته می شود که یک مشترک می تواند به شبکه موبایل دسترسی داشته باشد . هر چقدر تعداد اپراتورهایی که بخواهند در یک شبکه با یکدیگر کار کنند بیشتر باشد ناحیه گسترش پیدا می کند .

روشهای دست یابی چند گانه به سیگنال :

در هر سیستم مخابراتی منابع محدود می باشد و نیز میزان تجیهزات و تعداد کانالهای مورد استفاده نیز محدود است . از طرفی در یک لحظه از زمان چندین نفر درخواست سرویس از شبکه را دارند . لذا به منظور استفاده بهینه سیستم باید مدیریت دقیقی روی منابع داشته باشد . لذا از تکنولوژیها و واسطه هایی هوایی استفاده شده که معروفترین آنها در زیر شرح داده شده است .

FDMA :

در این روش طیف فرکانسی موجود به چندین قسمت یا باند فرکانسی تقسیم می شوند و برای مکالمه به هر کاربر یکی از باندهای فرکانسی اختصاص داده می شود . و تا هنگامیکه تماس تلفنی کاربر برقرار باشد این باند تنها به او اختصاص دارد . مسئله مهم در این روش voice Activity می باشد یعنی کاربر تنها از 50 تا 40 درصد زمان برای مکالمه استفاده می کند و بقیه زمان برای تنفس تفکر ، …. استفاده و عملاً کانال هدر می رود . مسئله دیگر این است که در یک ارتباط ، یک باند  فرکانسی به فرد و یک باند فرکانسی به طرف مقابل او اختصاص داده می شود . و ارتباط بین این 2 از طریق 2 باند ( رفت و برگشت ) استفاده می شود . اما در حین مکالمه تنها یکی از 2 طرف صحبت می کنند و طرف دیگر گوش می دهد . پس یکی از باندها به طور بی فایده اشغال می شود .

پس در FCMA از سیستم به طور ناکارآمد استفاده می شود . در سیستم های آنالوگ مثل Apms از این روش استفاده می شد .

TDMA :

در TDMA کل باند فرکانسی در هر لحظه ای از زمان به یک کاربر اختصاص داده می شود . در قطاع های زمانی حدود 30 40 میلی ثانیه ای کاربر حق استفاده از باند فرکانسی را داراست .

در آمریکا کانال 30 کیلو هرتزی به سه قطاع زمانی تقسیم شد . لذا پهنای باند موثر هر کاربر 10 KHZ می باشد . مشکل اینجاست که با کم شدن پهنای باند حساسیت نویز افزایش می یابند . و صورت ناواضح می گردد . اما در سیستم GSM از کانالهای 200 KHZ استفاده و آن را به 8 قطاع زمانی تقسیم می کنند .

CDMA :

در این روش هر کاربر از یک نوع کد دیجیتال خاص خود ، برای برقراری ارتباط استفاده می کند . در این تکنولوژی یک کانال 1.25 کیلو هرتزی استفاده می شود . مشکل این روش این است که ظرفیت آن توسط میزان تداخل محدود می شود . و برخلاف FDMA و TDMA به خاطر پهنای باند محدودیت دارد برای رفع این مشکل از آنتن های سکتور بندی شده که موجب کاهش تداخل می شوند استفاده و ظرفیت را افزایش می دهند .

فصل دوم :

سیستم GSM

مقدمه :

سیستم GSM که به عنوان نسل سوم شبکه های موبایل معروف است با استفاده از ارسال دیجیتال و الگوریتمهای پیشرفته ی ارسال و دریافت بین سلولهای رادیویی و در نتیجه به کارگیری دوباره ی فرکانس ، استفادهای بهتری از باند فرکانسی را فراهم می سازد . این استفاده بهینه از پهنای باند امکان ارائه خدمات بیشتر به تعداد بیشتری از مشترکین را میسر می سازد . بنیادی ترین خدماتی که GSM فراهم می کند خدمات تلفنی است . GSM علاوه بر امکان حرکت عمومی ( roaming ) خدمات جدیدی نظیر ارتباط پذیری سرعت ، دورنگار ، پست صوتی ، و پیام کوتاه GSM را برای کاربران مهیا می سازد . کاربران GSM می توانند داده ها را تا سرعت 906  b/s و به سوی کاربران خدمات تلفنی ساده قدیمی ارسال و دریافت کنند . و از شبکه ی خدمات یکپارچه ای دیجیتال ISDN شبکه های داده ی عمومی سویچ بسته ای packet Switching و شبکه های داده های عمومی سویچ مداری circit Switching بهره مند باشند در GSM دستگاههای دور نگار معمولی طوری طراحی شده اند که به یک تلفن وصل شوند و از سیگنالهای آنالوگ استفاده کنند . یک دورنگار با این ویژگی می تواند با هر دورنگار آنالوگ دیگری مرتبط باشد . مشترک GSM با برخورداری از پست دورنگار می تواند پیامهای دورنگار را از طریق تلفن بسیار خود از هر دستگاه دور نگاری دریافت کند . خدمات GSM یکی دیگر از خدمات بی نظیر این شبکه می باشد که از طریق آن یک ارتباط 2 طرفه برای پیامهای کوتاه حرفی عددی تا 160 کاراکتر برقرار می شود . خدمات تکمیلی انتظار مکالمه به مشترک این اجازه را می دهد که نخستین مشترک در حال مکالمه با خود را روی خط منتظر نگه دار د و به مشترک دیگری که خواهان تماس است پاسخ دهد و یا خود تماس جدیدی برقرار کند . از خدمات دیگر این شبکه شناسایی شماره مشترک خواهان تماس caller ID می باشد .

تجزیه و تحلیل معماری GSM :‌‌

سیستم GSM به سه زیر شبکه بزرگ تقسیم می شود که عبارتند از :

1 زیر سیستم BSS که خود از 2 جزء ایستگاه سیار ( MS ) و سیستم ایستگاه پایه BSS تشکیل شده است .

2 سیستم سویچینگ و شبکه NSS که از چهار جزء مرکز سویچینگ موبایل ، GATEWAY ( دروازه ) ، ثبت کننده ی موقعیت اصلی HLR ثبت کننده موقعیت محلی VLR تشکیل شده است .

3 سیستم عملیاتی OSS : که از جزء های مرکز بهره برداری و نگهداری ( OMS ) ، مرکز صدور مجوز ( AUC ) و ثبت کننده تجهیزات ( ELR ) تشکیل شده است که در زیر به توضیح هر یک از آنها می پردازیم :

MS : یک MS توسط مشترک شبکه برای برقراری ارتباط با سیستم سلولی استفاده می شود MS می تواند یک گوشی موبایل ، یک فکس با دستیابی تلفنی با دستیابی تلفنی و یا یک کامپیوتر کتابی باشد که مجهز به مودم رادیویی است . MS دارای سه دسته متفاوت می باشد که عبارتند از :

الف : ترمینال دستی :

این نوع MS حمل می باشد آنتن روی خود آن نصب شده است و از اندازه ی کوچکی برخورد است .

ب ترمینال قابل حمل :

در این MS آنتن به گوشی متصل نیست و ممکن است که همه سطوح انرژی را که در سیستم درخواست می شود را پشتیبانی کند . هم چنین می تواند هم روی خودرو نصب شود و هم به شکل دستی استفاده شود .

ج ترمینال قابل نصب روی خودرو :

که به طور فیزیکی روی وسایط نقلیه نصب و آنتن آنها خارج از ماشین نصب می شود .

یک MS  از 2 بخش اساسی تشکیل شده است :

1 تجهیزات سخت افزاری و نرم افزاری ( ME )

2 واحد شناسایی مشترک

ساختار سخت افزاری یک MS در زیر نشان داده شده است .

صحبت آنالوگ توسط A/D به دیجیتال تبدیل می شود . سپس به سگمنت های 20 ms تبدیل شده که به کادر تحویل داده می شود تا روی آن تحلیلی انجام شود . در این زمینه بعداً در بخش مشکلات انتقال توضیح داده می شود . به این عملیات قسمت بندی گویند و این عمل نرخ بیت را از 13 kb/s به 22 kb/s می رساند .

در محل بعد عمل رمز شدن اطلاعات انجام می شود . سپس اطلاعات به فریم های 8 کاناله با نرخ 338 kb/s تبدیل می شود . روی فرم بدست آمده مدولاسیون gsmk انجام و روی سیگنالهای حمل کننده سوار و به آنتن ارسال می شود .

SIM :

سیم کارت یک کارت کوچکی الکترونیکی است که دارای حافظه می باشد . به استثناء برخی تلفنهای ورودی ms تنها و تنها وقتی می تواند عمل کند که یک سیم کارت متعبر روی آن نصب شده باشد . 2 نوع متفاوت از سیم کارت وجود دارد که عبارتند از :

 (  ID – 1 SIM ) و ( plug – in SIM ) .

ID – 1 شکل و فرم آن برای کارتهای IC استاندارد شده و اندازه ی آن به اندازه ی کارتهای اعتباری می باشد .

Pluging :

این نوع کارت شبیه مدل قبلی می باشد اما از نظر اندازه کوچکتر می باشد . و به صورت نیمه ثابت در MS ها قرار می گیرند .

اطلاعاتی که به طور دائم در حافظه ی سیم کارتها ذخیره می شوند عبارتند از :

نوع سیم کارت

مشخصات IC کارت ، شماره سریال SIM

حدود سرویس SIM و لیست سرویسهای اضافه مشترک

شناسه بین المللی مشترک موبایل

شماره شناسای شخصی PIN

کد بازگشایی سیم کارت PUK کلید تصدیق هویت

PIN :

PIN یک شماره ی 4 رقمی است که مشترک در هنگام عضویت در شبکه آنرا دریافت و هر موقع که بخواهد می تواند آنرا تغییر دهد . هنگامیکه PIN صحیح وارد شود موبایل به صورت اتوماتیک ثبت و شبکه پاسخ می دهد . چنانچه این کد 4 رقمی 3 بار متوالی اشتباه وارد شود سیم کارت قفل می گردد و به حالت تعلیق در می آید . برخی از کارت ها دارای PIN دومی می  باشند که جهت حفاظت شماره های ذخیره شده در کارت

می باشد . این عمل از دسترسی غیرمجاز به اسامی و شماره تلفن های مشخص جلوگیری می کند چنانچه سیم کارت قفل شود نیازمند کلید بازکننده شخصی یا puk خواهیم بود .

PUK :

سیم کارت قفل شده از طریق PUK باز می شود و این شماره حداکثر 10 بار می تواند تکرار شود . اگر این کد بیشتر از 10 بار اشتباه وارد شود سیم کارت به طور دائم قفل و تنها توسط تهیه کننده ی سیستم باز می شود . PUK یک شماره دائم 8 رقمی می باشد . این کد امنیت شبکه را بالا برده و باعث می شود موبایل دزدیده شده قابل استفاده نباشد .

سیستم ایستگاه پایه : base station

این سیستم از 2 قسمت ایستگاه فرستنده و گیرنده پایه ( BTS) و کنترل کننده ی ایستگاه پایه ( BSC ) تشکیل شده است .

الف : BTS :

بسته به نوع آنتن های استفاده شده در آن می تواند یک یا چندین سلول را تغذیه نماید . مثلا با سه آنتن تک جهته با زوایه ی پوشش 120 درجه می تواد سه سلول را پوشش دهد و وظیفه ی این واحد تبادل امواج رادیویی با MS و اطلاعات کنترلی و مکالمه ای با BSC است . وظایف اصلی BTS از چند قسمت متفاوت تشکیل شده است .

انجام امور مشترکین :

یعنی سازمان دهی کانال های مشترک رادیویی مورد استفاده در یک سلول است ، که در آن تقاضای کانال از طرف MS را دریافت و آن را با BSC ارسال می دارد تا در صورت امکان یک کانال ترافیکی به MS اختصاص پیدا کند . هم چنین غیر فعال کردن کانال و شروع علمیات رمز کردن را نیز انجام می دهد .

کد کردن اطلاعات رسیده از BSC برای ارسال به MS و رمزگشایی اطلاعات آمده از MS و ارسال آن به BSC مالتی پلکس کردن کانالهای منطقی و ارسال آنها روی کانال های فیزیکی .

کنترل زیر مجموعه های رادیویی که شامل تنظیم زمان ارسال اطلاعات توسط MS که مرتباً تازه شده و نتایج برای BSC ارسال می شود .

ارسال سیگنال کنترل توان خروجی برای MS تا از تداخل کاسته شده و از توان MS استفاده بهینه شود .

عمل فرستادن اطلاعات برای واحدهای بسیار و دریافت امواج رادیویی از آنها .

عیب یابی مسیر رادیویی و تشخیص اختلاف مسیر رادیویی و ارسال نتایج به BSC

سنکرون کردن اطلاعات لازم که از لینک pcm آمده و شماره فریم نیز با شمارنده ی موجود در آن عوض می شود .

set کردن پارامترهای مربوط به فرکانس ، و توان خروجی فرستنده ها و فرکانس گیرنده ها و کد رنگی BTS

ساختار یک BTS :

تعریف : به گروهی از فرستنده گیرنده ها که یک سلول را پوشش می دهند و در نتیجه روی یک آنتن می روند ‏TG می گویند . یک BTS شامل قسمتهای زیر می باشد :

الف : TRI ( مدار واسط فرستنده گیرنده ی رادیویی )

که اولاً دریچه های زمانی هر TG را که روی لینک PCM ارسال شده اند از یکدیگر جدا می کند . و دوماً برای اتصال BTS ها به صورت پشت سر هم استفاده می شوند که در این حالت اطلاعات کنترلی مربوط به BTS دوم ارسال می شوند .

ب TRX :

هر TRX در حالت دو جهته می تواند 8 مشترک را روی هشت دریچه ی زمانی سرویس دهد و شامل قسمتهای زیر است :

TRXC : ( کنترل کننده TRX ) : که مسوولیت کنترل TRX را بر عهده دارد و دارای یک سیگنالینگ دریافتی از BSC و دو کانال برای پوشش دادن 8 کانال صوتی است .

SSP : ( نقطه سرویس سویچینگ ) : که مسوولیت پردازش سیگنال های دیجیتالی را دارد و یک دریچه از هر فریم TDMA را عهده دار است پس هر TRX دارای هشت SSP است .

RTX : وظیفه ی ارسال امواج رادیویی و در  نتیجه مدولاسیون و تولید کاربرها و تقویت توان را انجام می دهد .

RRx : که وظیفه دریافت و مدولاسیون امواج رادیویی را داراست . هر RRX متعلق به یک RTX است .

ج ترمینال نگهداری محلی

د ترمینال : TRI I/O :

ه – سویچ باند پایه : ترتیب ارتباط سیستم را با RTX های مختلف تعیین می کند .

و Tining : یک فرکانس پایه را از CLICK خط PCM استخرانج کرده برای تولید کریرهای گیرنده ها و فرستنده ها و شمارش دقیق فریم های TDMA بکار می برد .

ر ترکیب کننده فرستنده : سیگنالهای آمده از TRX را ترکیب و روی آنتن می فرستد .

ژ تقویت و تقسیم کننده امواج دریافتی : سیگنالهای آمده از آنتن ها را تقویت و بین  RRX ها تقسیم می کند .