آشنایی با شبکه های سلولی و انواع آن ها

آشنایی با شبکه های سلولی و انواع آن ها

شبکه‌های سلولی ابتدا برای ارائه و معرفی سرویس‌ تلفن آنالوگ طراحی شده بودند. با این وجود، از آنجایی که اولین تلفن‌های همراه در دهه 1970 برای مصرف‌کنندگان طراحی شدند، خدمات تلفن همراه به‌ طور چشمگیری تغییر کردند. علاوه بر سیگنال‌های صوتی، شبکه‌های سلولی پیام‌های متنی، صفحات وب، موسیقی و فیلم‌ها را برای گوشی‌های هوشمند و دستگاه‌های همراه ارسال می‌کنند.

برای آن‌که نوع خدمات این شبکه‌ها را خوب درک کنیم، ابتدا بهتر است به تاریخچه و نسل‌های مختلف این فناوری نگاهی داشته باشیم تا ببینیم سطح خدمات، کیفیت و بازدهی چگونه بهبود پیدا کرده است.

• نسل اول یا 1G، در دهه 1970 و 1980، آنالوگ بود.

• نسل دوم یا 2G، که در دهه 1990 ظهور پیدا کرد، از انتقال دیجیتال استفاده می‌کرد و راه را برای فرستادن پیام‌های متنی و دریافت و دانلود چندرسانه‌ای روی دستگاه‌های همراه هموار کرد. با این وجود، انتقال داده‌ها در سیستم‌های G2 از 240 کیلوبیت بر ثانیه بالاتر نرفت.

• نسل سوم یا 3G در اوایل دهه 2000 ظهور پیدا کرد. نرخ داده‌ها به 384 کیلوبیت رسید و ارتباطات داده‌ای (نه صدا) از فناوری راهگزینی بسته‌ای استفاده نمودند.

• نسل چهارم یا 4G، از شبکه‌های مبتنی بر راهگزینی بسته‌ای آی‌پی برای انتقال داده‌ها و صوت استفاده کردند. استانداردهای 4G که در سال 2008 منتشر شد، توان عملیاتی 100 مگابیت بر ثانیه را برای کلاینت‌های همراه و 1 گیگابیت بر ثانیه را برای کلاینت‌های ایستا ارائه کردند.

• نسل پنجم یا 5G که اکنون آماده‌ استفاده از خدمات آن هستیم، سعی دارد سرعت دانلود تا 20 گیگابیت در ثانیه و سرعت آپلود تا 10 گیگابیت در ثانیه را ارائه دهد.

به جز طبقه‌بندی نسل‌ها، شبکه‌های تلفن همراه نیز براساس فناوری‌های پایه‌ قادر هستند وظایف خود را انجام دهند. شبکه‌های تلفن همراه همچنین از یکی از دو فناوری صوتی رقابتی هم استفاده می‌کنند:

•  سیستم جهانی برای ارتباطات تلفن همراه (GSM) سرنام Global System for Mobile Communications یک استاندارد باز می باشد که در سراسر جهان آن را پذیرفته اند و استفاده می گردد. ارتباط دیجیتالی داده‌ها به وسیله برش‌های زمانی روی یک کانل که از دسترسی چندگانه بخش زمانی (TDMA) سرنام time division multiple access استفاده می‌کند از هم جدا می‌شوند که شباهت زیادی به فناوری تسهیم‌سازی با تقسیم زمانی (TDM) سرنام time division multiplexing دارد. فرق اساسی در این است که تقسیم سیگنال‌های TDM همگی از یک منبع یکسان (شبیه به یک روتر) انجام می‌شود، در حالی که تقسیم سیگنال‌های TDMA از طریق منابع مختلف انجام می گیرد. این فناوری در ابتدا همراه با تولید دستگاه‌های 2G معرفی شد، GSM در ابتدا فقط ارتباطات صوتی را ارائه می‌داد، سپس با تکامل سرویس بسته امواج رادیویی (GPRS) سرنام General Packet RadioServices، سرویس بسته امواج رادیویی  افزایش پیدا کرد (EGPRS) سرنام Enhanced GPRS و سرعت اطلاعات بالا رفت برای تحول جی‌اس‌ام EDGE سرنام Enhanced Data rates for GSM Evolution  خدمات داده‌ای را نیز افزود. شبکه‌های GSM نیاز دارند که یک دستگاه تلفن همراه یک سیم‌کارت (SIM) سرنام  SubscriberIdentity Module داشته باشد که کارت فوق یک مایکروچیپی را دارا می باشد که داده‌هایی در مورد مشترکی که از شبکه مخابراتی استفاده می‌کند را درون خود قرار داده است.
•   دسترسی چندگانه تقسیم کد (CDMA) سرنام Access Code Division Multiple Access متفاوت از GSM است، زیرا سیگنال را روی پهنای باند وسیع‌تری پخش می‌کند، به‌ صورتی که چندین کاربر کانال مشابهی را اشغال می‌کنند، به این فناوری طیف-گسترش یافته نیز گفته می شود. CDMA بر خلاف GSM دسترسی کامل به تمامی طیف باند مخابرانی را برای کاربران ممکن کرده و در نتیجه کاربران بیشتری در هر لحظه می توانند از شبکه استفاده نمایند. در این شبکه‌ها ارتباطات هر کاربر از طریق یک رشته دیجیتالی از اعداد تصادفی کدگذاری می‌شود. در نتیجه بسته‌ها و داده‌های صوتی به صورتی فیلتر می‌شوند که تنها افراد حاضر در مکالمه می توانند اطلاعات را دریافت کنند و به این صورت اصل محرمانگی داده‌ها را حفظ می‌کند. شبکه‌های CDMA نیاز ندارند تا یک سیم کارت درون یک دستگاه سلولی قرار بگیرد، زیرا دستگاه‌ها بر مبنای یک فهرست سفید که یک پایگاه داده از مشترکان بوده و شامل اطلاعاتی درباره مشترکان یک شرکت ارائه خدمات است، ارزیابی می‌شوند. با این حال، برخی از شبکه‌های CDMA (شبیه به Sprint’s)، هنوز هم برای دسترسی به ویژگی‌های LTE نیاز به سیم کارت دارند.

CDMA اخیرا محبوبیت بیشتری نسبت به GSM در برخی از کشورها همچون ایالات متحده پیدا کرده است، اما نسخه به‌روز شده‌ای از GSM  نیز که بعضی از قابلیت‌های CDMA را ارائه می‌ دهد به تدریج در حال محبوبیت است. در واقع، در اکثر نقاط دنیا تنها شبکه‌  GSM موجود است. گرچه روش‌ها و ویژگی‌های این دو شبکه ممکن است با هم متفاوت باشند، ولی تمام شبکه‌های تلفن همراه زیرساخت یکسانی دارند که در آن مناطق تحت پوشش را به سلول‌هایی تقسیم می‌کنند. هر سلول با یک آنتن و ایستگاه پایه سروکار دارد. در ایستگاه پایه، یک کنترل‌کننده فرکانس‌های کلاینت‌های همراه و ارتباط آن‌ها را مدیریت می‌کند. در نمودارهای شبکه، سلول‌ها به شکل شش ضلعی نمایش داده می‌شوند. سلول‌های چندگانه مرزهای خود را به شکل یک شبکه در الگوی لانه زنبوری  همان طور که در شکل زیر مشاهده می‌کنید نشان می‌دهند.

آنتن‌ها در سه گوشه هر سلول قرار گرفته اند، امواج را ساطع می کنند و به این شکل سه لبه موازی را تحت پوشش قرار می‌دهند. زمانی که یک کلاینت از یک منطقه تحت پوشش به منطقه دیگری می‌رود، دستگاه تلفن همراهش با یک آنتن متفاوت ارتباط برقرار می‌کند. در این وضعیت ارتباطش ممکن است فرکانس‌ها یا حتی حامل‌های بین سلول را تغییر دهد. انتقال، که معمولا بدون آگاهی کاربر اتفاق می‌افتد، به عنوان یک handoff شناخته می‌شود.

اندازه سلول‌ها حدودا از 1000 فوت تا 12 مایل در قطر متفاوت است. اندازه یک سلول به روش دسترسی شبکه و توپولوژی منطقه، جمعیت و میزان ترافیک سلولی بستگی دارد. یک منطقه شهری پرجمعیت و با حجم بالای داده و ترافیک صوتی ممکن است از سلول‌هایی با قطر تنها 2000 فوت استفاده کند که آنتن‌های آن در بالای دکل‌های مخابراتی نصب می گردد. از لحاظ تئوری، تقسیم یک شبکه به سلول‌های مختلف باعث پوشش هر منطقه به‌طور کامل می شود. اما عوامل مختلفی همچون میدان الکترومغناطیس، زمین، و الگوهای تابش بر کیفیت پوشش‌دهی یک منطقه تاثیرگذار می باشند.

همان‌ طور که در شکل بالا مشاهده می‌کنید، هر یک از ایستگاه‌های پایه با استفاده از یک پیوند بی‌سیم یا کابل فیبرنوری به یک مرکز سوییچینگ موبایل (MSC) سرنام mobile switching center که به آن نیز دفتر سوئیچینگ ارتباطات همراه (MTSO) می گویند، متصل می‌ گردند. MSC ممکن است درون دفتر مرکزی شرکت مخابراتی یا به شکل منفرد قرار بگیرند و از طریق یک کابل فیبرنوری یا امواج مایکروویو به دفتر مرکزی متصل شود. تجهیزات درون MSC شامل ابزارهایی برای مدیریت مشتریان همراه، نظارت بر مکان و الگوهای مصرف و سوئیچ‌های تماس‌های سلولی می باشد. در این مرکز همچنین به هر مشتری همراه یک آدرس IP تخصیص داده می‌شود. با استفاده از سرویس‌های سلولی 4G، آدرس آی‌پی سرویس‌گیرنده از یک سلول به سلول و از یک ناحیه به ناحیه دیگر ثابت باقی می‌ماند. با این حال، در سرویس‌های سلولی  3G، آدرس آی‌پی کلاینت ممکن است زمانی که کاربر از یک منطقه به منطقه دیگری حرکت می‌کند تغییر شکل می دهند. از مرکز سوییچینگ، بسته‌های ارسال شده از شبکه‌های سلولی به سمت شبکه‌های داده‌ای سیمی و به وسیله ی PSTN یا ستون فقرات خصوصی و با استفاده از فناوری‌های شبکه گسترده که در مورد آن‌ها مطالبی گفته شد انتقال پیدا می‌کنند.

شبکه‌های سلولی مفهومی پیچیده دارند که با سرعت در حال پیشرفت می باشد و روش‌های دسترسی مختلف، تکنیک‌های مختلف کدگذاری و استانداردهای در حال تغییر را برای دسترسی راحت‌تر کلاینت‌ها به شبکه‌ها ارائه می‌ کنند. ما در این مقاله قصد بررسی روش‌های مختلف رمزگذاری و دسترسی به شبکه‌های تلفن همراه را نداریم، در آن صورت، برای آن‌که بتوانید در آزمون نتورک‌پلاس موفق شوید، باید با زیرساخت‌های اولیه شبکه تلفن همراه و فناوری‌های مرتبط که اغلب برای دسترسی به شبکه‌های داده‌ای استفاده می‌شوند آشنایی داشته باشید.

•HSPA+  سرنامHigh Speed ​​Packet Access Plus در ابتدا به عنوان فناوری 3G در سال 2008 میلادی شروع به کار کرد و از MIMO و تکنیک‌های کدگذاری برای رسیدن به حداکثر سرعت 168 مگابیت در ثانیه برای ارسال و 22 مگابیت در ثانیه برای دریافت استفاده می‌کند. برای رسیدن به چنین سرعتی، HSPA+ از کانال‌های محدودی به شکل بهینه استفاده کرده و آنتن‌های بیشتری را در حالت انتقال MIMO  در اختیار می‌گیرد. با این وجود، فناوری‌های سریع‌تر و انعطاف‌پذیرتر مانند LTE موفق شدند HSPA+ را پشت سر گبذارند.

•LTE سرنام  Long-Term Evolution یک فناوری 4G است که از روش دسترسی متفاوت با HSPA+ استفاده می‌کند. در حالی که آخرین نسخه از این فناوری به نام LTE-Advanced  به لحاظ تئوری قادر است سرعت دریافت 1 گیگابیت در ثانیه و نرخ ارسال 100 مگابیت در ثانیه را فراهم کند، اما در عمل سرعت واقعی این فناوری به شکل قابل توجهی کمتر است. LTE در حال حاضر سریع‌ترین سرویس باند پهن بی سیم موجود در ایالات متحده می باشد که البته تا چند وقت دیگر جای خود را به 5G خواهد داد.