تحقیق مقاله سیستم های رادیویی موبایل

در اوایل دهه 70، اندیشه سیستم های رادیویی موبایل مبتنی بر سلول (Cell) در “آزمایشگاههای بل” آمریکا شکل گرفت. اما چنین سیستمهایی تا یک دهه بعد برای استفاده تجاری عرضه نشدند. در خلال اولین سالهای دهه 80، سیستمهای تلفن سلولی آنالوگ با رشد سریعی در اروپا بویژه در کشورهای اسکاندیناوی و انگلستان مواجه شدند. این سیستمها از باندهای فرکانسی 800 مگاهرتز (806 تا 902 مگاهرتز) و 9/1 گیگاهرتز (1850 تا 1990 مگاهرتز) استفاده می کنند. فرکانسهای 9/1 گیگاهرتز به PCS (سرویسهای ارتباط شخصی) اختصاص دارند اما بسیاری از سیستمهای سلولی، چنین فرکانسی را بعنوان مجموعه قابلیتهای PCS در سرویس Voice-Centric بکار می‌برند.

سیستمهای سلولی قدیمی و نسل اول از نوع آنالوگ بودند که با فرکانسهای 800 مگاهرتز کار می کردند. بعداً و با توسعه سیستمها فرکانسهای 8/1 گیگاهرتز و در قسمتهایی از شمال آمریکا، فرکانسهای 9/1 گیگاهرتز مورد استفاده قرار گرفتند.

حدود ده سال بعد با اولین موبایل دیجیتالی در شبکه های سوئیچینگ- مدار، نسل دوم پدیدار شد. این سیستمها از کیفیت بهتر صدا، ظرفیت بیشتر، نیاز به نیروی برق کمتر و قابلیتهای برقراری ارتباط جهانی برخوردار بودند. این سیستمها هم با فرکانسهای 800 مگاهرتز و هم با باندهای PCS کار می کردند. سیستمهای موبایل سلولی از سه روش متفاوت برای به اشتراک گذاردن طیف RF (امواج رادیویی) استفاده می کنند:

- دسترسی چندگانه تقسیم فرکانس (FDAM)

- دسترسی چندگانه تقسیم زمان (TDMA)

- دسترسی چندگانه تقسیم کد (CDMA)

از سه روش فوق، TDMA و CDMA روشهای غالب و رایج می باشند.

با پیشرفت سریع، کار به جایی رسید که به دلیل عدم و جود قوانین استاندارد شده، هر شرکت سیستم خاص خود را بوجود آورد. عواقب نامطلوب این اتفاق، بوجود آمدنه بازاری چند پاره بود که هر قطعه فرضی از تجهیزات آن، تنها در محدوده مرزی کشور سازنده کار می کرد. به منظور غلبه بر این مشکل، در سال 1982، کنفرانس پست و مخابرات راه دور اروپا (CEPT) گروه ویژه موبایل (GSM) را تشکیل داد تا یک سیستم رادیویی موبایل سلولی یکسان را در سطح کل اروپا ایجاد نماید. سیستم استاندارد می بایست معیارهای مشخصی را دارا باشد که عبارت بودند از:

- کارآیی طیف فرکانس

- برقراری ارتباط و تغییر آن بصورت بین‌المللی

- هزینه های کم برای سیستم موبایل و ایستگاههای اصلی

- کیفیت صوتی خوب

- سازگاری با سیستمهای دیگر از قبیل ISDN (سرویسهای شبکه مجتمع دیجیتالی)

- امکان پشتیبانی از سرویسهای جدید

مقرر شد که سیستم GSM با استفاده از تکنولوژی دیجیتال ایجاد گردد. متعاقب آن مخفف GSM به مترادف عبارت “سیستم جهانی برای ارتباطات موبایل” تبدیل شد. در سال 1989 مسئولیت رسیدگی مشخصات استاندارد GSM از CEPT به “موسسه استانداردهای مخابراتی اروپا” (ETSI) واگذار شد.

فاز اول مشخصات GSM، یکسال بعد منتشر گردید، اما استفاده تجاری از سیستم تا اواسط سال 1991 شروع نشد. در سال 1995 مشخصات فاز دوم تا سطح پوشش نواحی شهری توسعه یافت و تا آخر همان سال نزدیک به 120 شبکه در حدود 70 ناحیه جغرافیایی در حال کار بودند.

با شروع هزاره جدید و عبور از موانع متعددی در این مسیر، پیشرفتهای مهمی در حرکت بسوی سرویسهای به اصطلاح نسل سوم 3G صورت گرفت:

- تعداد مشترکین GSM در تمام دنیا به مقدار تخمینی 165 میلیون نفر بالغ شد.

- اولین شبکه های GPRS یعنی گامی اساسی به سوی شبکه های 3G بوجود آمد.

- اولین سیستمهای آزمایشگاهی WAP دراروپا در حال راه اندازی بودند.

- تا سال 2001 وعده همکاری یکپارچه میان سیستمها، یعنی دنیای بی سیم و دنیای کامپیوتر/ اینترنت و سرویسهای جدید موجود (نظیر Video on Demand)، از هر زمان دیگری به حقیقت نزدیکتر شد.

GSM

شبکه GSM را می توان به چهار بخش اصلی تقسیم کرد:

- ایستگاه موبایل که بوسیله مشترک حمل می شود.

- سیستم فرعی، ایستگاه اصلی رادیوئی را با “ایستگاه موبایل” کنترل می کند.

- سیستم فرعی شبکه و سوئیچینگ، یعنی بخش اصلی مرکز سوئیچینگ سرویسهای موبایل و سیستمی که تماسها را بین موبایل و سایر شبکه های موبایل یا ثابت کاربران سوئیچ می کند. زیر- سیستم فوق، کار مدیریت سرویسهای موبایل از قبیل تایید مجوزها را نیز برعهده دارد.

- سیستم فرعی عملیات و پشتیبانی که بر روند درست عملیات و کار شبکه نظارت دارد.

اتحادیه مخابرات بین‌المللی (ITU) که (علاوه بر کارهای دیگر) بر تخصیص طیف فرکانسهای رادیویی که به باندهای 915-850 مگاهرتز برای ارسال (از ایستگاه اصلی) اختصاص دارد، مدیریت می کند. این فرکانس برای دریافت در شبکه های موبایل اروپا، مقدار 960-935 مگاهرتز (از ایستگاه اصلی به ایستگاه موبایل) می باشد. بدلیل اینکه از اوایل دهه 1980 این محدوده فرکانسی، از قبل توسط سیستمهای آنالوگ روز مورد استفاده قرار گرفته بود، CEPT برای حفظ 10 مگاهرتز بالایی هر باند برای شبکه GSM تحت توسعه، پیش‌بینی های لازمه را انجام داد و نهایتاً کل پهنای باند 25*2 مگاهرتز به GSM اختصاص یافت.

به دلیل اینکه طیف فرکانس رادیویی یک منبع محدود اشتراکی میان تمامی کاربران است، برای تقسیم پهنای باند در میان حداکثر کاربران، ابداع یک روش خاص ضروری بود. روش انتخاب شده بوسیله GSM، ترکیبی از FDMA و TDMA می باشد. قسمت FDMA، تقسیم فرکانس پهنای باند 25 مگاهرتزی به 124 فرکانس حامل است که پهنای باند هر کدام 200 کیلوهرتز می باشد. سپس به هر ایستگاه اصلی، یک یا چند فرکانس حامل اختصاص پیدا می کند.

سپس با استفاده از یک طرح TDMA، هر کدام از این فرکانسهای عامل از نظر زمانی به هشت شکاف تقسیم می شوند. یک شکاف زمانی برای ارسال و یکی برای دریافت در موبایل مورد استفاده قرار می گیرد. دلیل این جداسازی آن است که واحد موبایل عمل دریافت و ارسال را بصورت همزمان انجام ندهد، واقعیتی که صنعت الکترونیک را ساده می کند.

منحصر بفرد بودن تکنولوژی GSM ناشی از این واقعیت است که کاربران باید “کارتهای ماژول شناسایی مشترک” (سیم کارت) را در دستگاه موبایل دستی خود نصب نمایند. این کارتها، تراشه های کوچکی هستند که توسط تامین کنندگان خدمات GSM تحویل می شوند. “سیم کارتها” حاوی اطلاعات مهمی از قبیل یک شماره تلفن و کلیه مختصات صورتحساب مشترک می باشد که می تواند شماره تلفنها را در خود ذخیره کند.

این قابلیت کاربران را قادر می سازد تا فقط با بیرون آوردن سیم کارت از یک گوشی موبایل GSM و قرار دادن آن در دیگری، دستگاه تلفن دستی خود را عوض کنند. در نتیجه کاربران می توانند حتی در صورت تعویض دستگاه موبایل نیز همان شماره تلفن قبلی خود را داشته باشند. ضمناً کاربران می توانند به مناطق یا کشورهایی سفر کنند که شبکه GSM در آنجا از فرکانس متفاوتی استفاده می کند، سپس یک تلفن موبایل اجاره کرده و سیم کارت خود را در آن نصب کنند. با اینکار می توانند کلیه پیامهای تلفنی و پیامهای کوتاه SMS را با استفاده از شماره معمول خود دریافت کنند.

سیستم تلفن GSM مورد استفاده با یک کامپیوتر شخصی “نت بوک” Card PC دارای یک سیستم جامع Plug-and-Play برای برقراری ارتباطات می باشد. قابلیتهای مبادله اطلاعات و فاکس با سرعت 9600 بیت در ثانیه به همراه امکانات ویژه ای مانند تغییر خطوط بین‌المللی و سرویس پیامهای کوتاه (SMS). کاربران موبایل را قادر می‌سازد به هنگام مسافرت در کشورهای مختلف به شکلی ساده و مطمئن، تماس برقرار نمایند. به خاطر داشته باشید که قابلیتهای تبادل اطلاعات اتوماتیک نیستند وتامین کنندگان خدمات GSM باید امکانات آنرا فراهم کنند تا کاربران موبایل بتوانند از این مزایا بهره مند شوند.

سرویسهای مبادله اطلاعات می تواند “شروع از موبایل” (Mobile Originated) و یا “منتهی به موبایل” (Mobile Terminated) باشد. مفهوم “شروع از موبایل” (MO) آن است که کاربران می توانند با استفاده از شبکه GSM اطلاعات را از یک مکان دور ارسال نمایند و “منتهی به موبایل” (MT) بدان معنی است که کاربران می توانند با استفاده از شبکه GSM، فاکس و یا پیامهای کوتاه خود را توسط نت بوک دریافت کنند.

تماسهایی که با سیستمهای نسل دوم GSM قابل دسترس در اواخر سال 1999 (چه بصورت صوتی و یا اطلاعاتی) برقرار می شدند، تنها یک شکاف زمانی را اشغال نموده و در نتیجه سرعت انتقال اطلاعات فقط به 6/9 کیلوبیت بر ثانیه می رسید. از نظر تئوری می توان چند شکاف زمانی را برای کسب سرعتهای بالاتر به یکدیگر ملحق کرد، درست به همان روشی که یک زوج از خطهای ISDN برای دو برابر کردن توان عملیاتی به یکدیگر متصل می شوند. ظهور “سوئیچینگ مدار اطلاعات پرسرعت” (HSCSD) که نیازمند ضمیمه ای برای معرفی یک پروتکل جدید ارتباط رادیویی به GSM استاندارد بود، امکان استفاده از هر هشت شکاف زمانی برای دستیابی به سرعت انتقال اطلاعات تا حد 76 کیلوبیت بر ثانیه را فراهم نمود.

در سال 1993 اولین قرار داد تغییر سرویس دو طرفه به امضاء رسید که دسترسی متقابل را بین شبکه های GSM خارجی امکان پذیر می کرد. این امکان، کاربران موبایل را از نگرانی در مورد بوق tone شماره گیری کشورهای خارجی، کدهای دسترسی، کد کشورها و ناهمگونی رابطهای اتصال دهنده، خلاص کرد، زیرا به محض آنکه کاربر تلفن خود را روشن کرده وارد شبکه می شد، خود سیستم آنها را پیدا می‌کند. کاربران می توانند تماس تلفنی برقرار کرده، نامه های الکترونیکی خود را خوانده و اطلاعات بروز رسانی شده بانک اطلاعاتی را دریافت کنند، درست مانند اینکه در منزل خود قرار دارند.

سیستم جابجایی خدمات فاکس، اطلاعات و SMS اولین بار در سال 1995 عرضه شد. SMS که اساساً برای نشان دادن انتظار پیام صوتی مورد استفاده قرار گرفته بود، با همین روش، در حالت ارتباط دو طرفه کار می کند. متعاقباً این قابلیت به یک سیستم کاملاً عملی در پیام رسانی موبایل تحول پیدا کرد که امکان مرور، ورود به شبکه، ارسال و دریافت پیامهای کوتاه SMS با طول 160 کاراکتر را بر روی کامپیوترهای قابل حمل فراهم می کرد.

در انتهای هزاره، تقریباً 700 شبکه موبایل GSM در بیش از 100 کشور در اروپا، آمریکای شمالی/ مرکزی/ جنوبی، ایسلند، آسیا، آفریقا و استرالیا مشغول فعالیت بودند. علاوه بر آن، ظهور Roaming (پرسه زنی) GSM ماهواره ای باعث گسترش خدمات به مناطقی شد که امکان پوشش زمینی آنها وجود نداشت. در ماورای کل سیستم، جهت تضمین عملکرد منسجم آن، قراردادها و تفاهم نامه های متعدد بین‌المللی برای ارائه خدمات “Roaming” به امضاء رسیدند که استانداردهای GSM و فازهای مختلف اجرای آنرا در تمام دنیا مشخص می کرد.

اما سیستم “اطلاعات سوئیچینگ مدار” روش خودخواهانه ای برای بکارگیری منابع محدود است. بویژه زمانیکه کاربران از برنامه های کاربردی پیچیده ای مانند مرورگرهای وب استفاده می کنند. سوئیچینگ بسته های اطلاعاتی، به شکلی که در شبکه های اینترنت و خطوط اصلی یا Backbone اینترنت بکار می روند، برای فراهم آوردن امکانی جهت به اشتراک گذاشتن منابع میان چند کاربر بطور همزمان، تکنولوژی بسیار مناسبتری می باشد. سرویس بسته رادیویی عمومی (GPRS)، نوع ارتقاء یافته‌ای از شبکه های موبایل GSM است که یک لایه “Packet-Switched” را به سیستم اضافه می کند و ارائه سرعت انتقال اطلاعات مابین 21 و 100 کیلوبیت بر ثانیه از آن انتظار می رود. مهمتر آنکه، GPRS امکان شارژ هزینه برحسب حجم اطلاعات انتقالی بجای مدت زمان اتصال را برای شرکت خدمات موبایل فراهم می کند. از نظر تئوری، معنای این گفته آن است که کاربران از طریق موبایل می توانند بصورت دائمی به اینترنت متصل باشند، اما فقط بابت دسترسی به نامه های الکترونیکی یا درخواست صفحات وب جدید هزینه پرداخت کنند.

GPRS

مشکلاتی که مراجع استاندارد صنایع بین‌المللی در مسیر تایید کلی استانداردها با آنها مواجه بوده اند، منجر به تاخیر در بکارگیری سیستمهای بیسیم 3G گردید. برای کم کردن اثر این تاخیر، سرویس GPRS بعنوان مرحله میانی معرفی می گردد تا بتوان اطلاعات سریع را به شکلی موثر از طریق زیر ساختارهای شبکه بیسیم GSM انتقال داد.

GPRS سرویس حامل اطلاعات مبتنی بر انتقال بسته های اطلاعاتی، برای شبکه‌های GSM و TDMA می باشد. این سرویس بعنوان اولین گام مهم به سوی نسل سوم، توسط شرکتهای مختلفی در اطراف دنیا منتشر شد. GPRS سرعت انتقال اطلاعات بیشتری را در اختیار کاربران می گذارد و مخصوصاً برای ترافیکهای ناگهانی اینترنت و اینترانت مناسب است و انتقال اطلاعات موبایل را از هر زمان دیگری سریعتر، ارزانتر و کاربر پسندتر ساده تر می کند. با تجهیزات موبایلی که قابلیت GPRS در آنها فعال شده، کاربران می توانند همیشه به “اینترنت موبایل” متصل باشند، تا برای مثال به محض رسیدن نامه های الکترونیکی آنها را دریافت کنند. ضمناً این سرویس به کاربران اجازه می دهد در هنگام ارسال و دریافت تماسهای اطلاعاتی، بطور همزمان تماسهای تلفنی خود را جواب دهند.

GPRS قابلیت اتصال IP “end-to-end” را دارد که می توان توسط اینترفیسهائی به TCP/IP و X.25 برای ارتباط با شبکه های LAN شرکتی، تامین کنندگان خدمات اینترنت (ISPها) و LAN خود شرکتهای اپراتور موبایل، از آن استفاده کرد. GPRS تقریباً حالت اتصال فوری دارد و شارژ صورتحساب را به جای مدت اتصال، براساس حجم انتقال اطلاعات امکان پذیر می سازد. بعنوان تکنولوژی انتقال بسته های اطلاعاتی، GPRS فقط هنگامی از منابع شبکه و پهنای باند استفاده می کند که در واقع اطلاعات در حال ارسال می باشند. این قابلیت باعث می شود از پهنای باند رادیویی موجود، حداکثر بهره وری مفید گرفته شود. محدوده اطلاعات مورد پشتیبانی با استفاده از فقط یک شکاف TDMA معادل 4/14 کیلوبیت بر ثانیه و هنگام بکارگیری هر هشت شکاف حدود 115 کیلوبیت بر ثانیه و بیشتر را شامل گردد.

GPRS صرفاً با افزودن گره های بسته بندی داده‌ها در شبکه های GSM/TDMA و ارتقاء گره های موجود، قابل پیاده سازی است. این کار باعث فراهم آمدن مسیر روتینگ برای انتقال اطلاعات میان ترمینال موبایل و یک گره پل ارتباطی یا gateway می گردد. گره مورد اشاره، امکان همکاری با شبکه های بسته های اطلاعاتی خارجی را برای دسترسی به اینترنت و اینترانت بوجود می آورد و ممکن است برای گره‌های موجود GSM/TDMA به هیچگونه ارتقاء سخت افزاری نیاز نداشته باشد یا فقط با تغییر چند قطعه سخت افزار عملی گردد. بین سالهای 2000 و 2002، ارتقاء سیستمهای موجود GSM، GPRS و TDMA به گونه ای برنامه ریزی شد که سرعت انتقال اطلاعات با استفاده از یک شکاف واحد برای HSCSD، معادل 4/38 کیلوبیت در ثانیه و برای GPRS، معادل 60 کیلوبیت در ثانیه، امکانپذیر باشد. این مقدار با اتصال شکافهای چندگانه زمانی، به 284 کیلوبیت در ثانیه می رسید. این بهینه سازیها که به “انتقال بهینه شده اطلاعات برای ارتقاء GSM” (EDGE) شهرت یافتند، معرف آخرین گام از تحول صعودی ارتباطات اطلاعاتی در محدوده استاندارد GSM می باشند. چنین گامی، شرکتهای سرویس دهنده ای که دارای شبکه های نسل دوم هستند را قادر می سازد تا با استفاده از زیر ساختهای فعلی شبکه، سیستم خود را با فرکانسهای موجود به سرویسهای نسل سوم ارتقاء دهند. به همین دلیل، سرویسهای EDGE گاهی بعنوان سرویسهای نسل 5/2 نیز شناخته می شوند.

GPRS قابلیتی ایده آل برای سرویسهای پروتکل نرم افزار کاربردی بیسیم (WAP) می باشد. WAP بر روی GPRS باعث صرفه جوئی در هزینه، هم برای سرویس دهنده های موبایل و هم برای مشتریان می گردد، چرا که منابع رادیوئی GPRS تنها در زمان انتقال پیامها مورد نیاز خواهند بود. برای کاربر نهائی، این قابلیت یعنی اینکه باید فقط بابت مدت زمانی که بارگذاری (دریافت) اطلاعات طول می کشد هزینه پرداخت نماید. برنامه های نرم افزاری یا محتوای WAP برای تجهیزات thin-client مانند تلفنهای موبایل، بهینه شده وfuture proof هستند تا بتوانند هم با سیستمهای نسل 5/2 و هم با نسل سوم و شبکه های  دیگر کار کنند. ضمناً GPRS نشاندهنده استفاده مفید از منابع، دسترسی فوری، تحویل سریع اطلاعات و مدلهای پرداخت هزینه به روشهای خلاقانه می باشد. در نتیجه، سرویسهای WAP و GPRS ترکیب مناسبی برای کاربران نهایی موبایل، شرکتهای عامل، سرویس دهنده ها، شرکتها و همچنین برنامه نویسان برنامه های کاربردی، ارائه می کنند. تا اواسط سال 2001، بهای زیاد پرداخت شده برای مجوزهای نسل سوم در خلال سال 2000 (معادل 220 میلیارد پوند فقط در کشور انگلستان)، نزول جهانی در بخش تکنولوژی بطور کلی و شکست شرکتها در برقراری روابط عمومی مناسب که بویژه منجر به تخریب اساسی جایگاه WAP گردید، همه و همه صنعت مخابرات را تحت فشار زیادی قرار داد تا حدی که مرز بحران را به عدم اطمینان رساند. از آنجائیکه هنوز قسمتهای زیادی از دنیا امکان دسترسی به تکنولوژی نسل سوم را نداشتند، سیستم GPRS بعدی از اهمیت بسیار زیادی برخوردار بود.