پایان نامه مروری بر سیستم های نسل اول

پیشگفتار

امروزه سیستم های رادیویی سیار نقش مهمی در فعالیتهای بازرگانی، تجاری، امور مراقبتی و حفاظت عمومی و زندگی روزمره عموم افراد ایفا می‏کنند. این سیستمها موجب کاهش هزینه، صرفه جویی در انرژی و افزایش راندمان در زمینه‏های مختلف می شوند.

          در ایران، نیز از سال 1992 بهره‏برداری از سیستم های مخابرات سیار آغاز شده است. سیستم کنونی مخابرات سیار در کشورمان، سیستم GSM ( نسل دوم) می‏باشد و استفاده از سیستمهای WCDMA (نسل سوم) در آینده از جمله طرحهای شرکت مخابرات کشورمان می‏باشد. با این حال منبع جامع و مختصری از این سیستمها و استانداردهای مربوط در دسترس نیست.

در مورد سیستمهایی مانند GSM وCDMA و بطور کلی در هر سیستم بی‏سیم دیگری، شاید مشکلترین قسمت در فهم و یادگیری اولیه سیستم، وجود انبوهی از لغات انحصاری، تخصصی و فنی و اختصارات ویژه این سیستمها است.

        در این تحقیق سعی شده که با ترجمه و گردآوری و سازماندهی و تفصیل مطالب پراکنده‏ای که در کتب و مقالات مخابراتی مربوطه آمده است ( که  از جدیدترین کتب و مقالات  موجودمی‏باشد)، مجموعه‏ای تهیه شود که علاوه بر تشریح کامل ساختار کلی مهمترین سیستمهای مخابرات سیار موجود، بسیاری از اصطلاحات و اختصارات مربوط به این استانداردها نیز بطور واضح بیان شوند. در اینجا، ساختار نسلهای موبایل ( اول، دوم و سوم) و مقایسه آنها با هم و علل گرایش به سیستم های نسل سوم مورد بررسی قرار گرفته است و مطالعه آن می‏تواند برای محققان سودمند و برای مبتدیان راه‏گشا باشد.

فصل 1

معرفی سیستمها و شبکه‏ های سلولی مخابرات سیار

1-1-سیستم های مخابرات سیار

 1-1-1- مقدمه

سیستم های رادیویی سیار نقش مهمی را در فعالیتهای بازرگانی، تجارتی و امور مراقبتی و حفاظتی عمومی بگونه‏ای صنعتی و پیشرفته دارا می‏باشند. نیاز به این سیستمها و درخواستهای فراوان برای آن توسط بخشهای مختلف لزوم ایجاد مقررات خاص رادیویی و اختصاص بخش معینی از طیف امواج رادیویی را برای این سیستمها در کشورهای مختلف ایجادکرده است. باندهای رادیویی150 و450 [1] مگاهرتز،همچنین باندرادیویی حدود900  مگاهرتز برای سرویسهای رادیوتلفنی سیار سلولی (GSM900) و باندПΙ  (175-225 مگاهرتز)  برای سیستم‏های رادیویی سیار ترانکی اختصاص داده شده‏اند. باند 1800 مگاهرتز برای سیستم سلولی دیجیتال DCS1800  و باند1900 مگاهرتز برای  PCS1900  آمریکایی استفاده میشود. علاوه براین به نظر می‏رسدکه به علت افزایش تقاضا درآینده شاهد اختصاص باندهای دیگری برای این سرویسها باشیم[2].

عصر مخابرات بی سیم در سال1897 با اختراع تلگراف بی سیم توسط مارکنی آغاز شد و اکنون پس از گذشت یک قرن سومین نسل از سیستم های مخابرات بی سیم یعنی سیستمهای مخابرات فردی ((PCS[3] پا به عرصه ظهور می‏گذارد. کاربران چنین سیستمی با استفاده از یک ترمینال دستی کوچک (handset ) خواهند توانست با هرکس، در هر زمان و از هر مکان، انواع اطلاعات (صوت و تصویر و دیتا) را مبادله نمایند0

تاریخ کامل مخابرات بی سیم به چهار دوره زیر قابل تقسیم است :

1 دوره قبل از همگانی شدن این سیستم ها

2 سیستم های آنالوگ (نسل اول )

3 سیستم های دیجیتال نسل دوم

4 سیستم های دیجیتال نسل سوم (PCS)

دوره قبل از همگانی شدن سیستم های مخابرات بی سیم از سالهای 1950 شروع و تا 1960 ادامه یافت. دراین دوره از مخابرات سیار برای کاربردهای پلیسی، نظامی، کشتیرانی، هواپیمایی استفاده می‏شدوتجهیزات ارسال و دریافت ،حجیم،پرمصرف وگران قیمت بود0

نسل اول در سال های  1970 تا1980  بر پایه تکنولوژی آنالوگ واستفاده از مفهوم سلولی برای مصارف عمومی پدید آمد0 ایده اساسی در مخابرات سیار سلولی[4] (MCS)، استفاده مجدد از طیف فرکانسی در مناطقی است که به  اندازه کافی از هم دورند ودر نتیجه میزان تداخل هم کانال[5]  ناچیزخواهد بود. استفاده از مخابرات سیارسلولی موجب افزایش چشمگیر ظرفیت سیستم،کاهش هزینه، بهبودکیفیت سرویس وکاهش توان موردنیاز شد0

سیستم AMPS [6]  در سال 1978 راه اندازی شد. این سیستم در باندفرکانسی 800 تا900  مگاهرتز کار می‏کرد و دارای 666 کانال دوطرفه با پهنای باند 30KHZ و مدولاسیون  FM  آنالوگ بود. با افزایش بیش از حدتقاضا،سیستم های آنالوگ نسل اول قادربه تامین ظرفیت مورد نیازبرای برخی ازمناطق شهری نبودند، درهمین زمان تکنیکهای مخابرات دیجیتال به رشد لازم جهت کاربردهای تجاری رسیدند.

سیستم های نسل دوم درسالهای  1980 و1990  با استفاده از تکنولوژی دیجیتال تحقق یافت. GSM [7]، اولین استاندارد MCS  تمام دیجیتال در دنیاست. این سیستم درسال 1992  در اروپا به بهره برداری تجاری رسید وحدوداً  دو سال بعد در ایران نصب شد. در این سیستم موبایل ها از فرکانس های 890  تا 915  مگاهرتز و ایستگاه پایه‏ها(BS) [8]  از فرکانسهای  935 تا960 مگاهرتز برای ارسال سیگنال استفاده می‏کنند. پهنای باند هر کانال رادیویی200 کیلوهرتز است که توسط 8 کاربر مورد استفاده قرار می‏گیرد، بنابراین جمعاً 2000 کانال دو طرفه موجود است0

به علت رشد حیرت آور تقاضا برای سرویسهایMCS، تکنولوژیهای جدیدی نظیرCDMA [9] برای بهبود بهره برداری از طیف فرکانسی پدید آمد. در CDMA جدایی کانالها با استفاده از کدهای متعامد صورت می‏گیرد. پهنای باند هر کانال 23/1 مگاهرتز بوده و ترمینالهای دستی بکار رفته در آن می‏توانند در سیستم AMPS نیز کار کنند.

 امروزه سرویس سیستم های ماهواره ای با تامین پوشش در منطقه‏ای که سیستم های زمینی از لحاظ فیزیکی یا اقتصادی قادر به تامین سرویس نیستند (مثلاً پوشش هواپیماها، کشتی‏ها و...) مکمل سیستمهای مخابرات زمینی هستند. در سالهای آینده انواع سیستمهای مخابرات سیار زمینی و ماهواره‏ای و همچنین شبکه های سیمی با یکدیگر یکپارچه خواهند شد تا بتوانند انواع سرویسهای صوتی، تصویری و دیتا را به صورت مجتمع به کاربران واقع در تمام نقاط دنیا عرضه کنند. این سیستم ها نسل سوم به شمار می‏آیند و سیستمهای مخابرات فردی (PCS) نامیده می‏شوند. بنا بر تعریف FCC [10]، PCS سیستمی است که با استفاده از آن کاربر می‏تواند در هر زمان و در هر مکان با هر کس به کمک یک مخابرات فردی واحد[11] (PTN) تبادل اطلاعات نماید. شکل 1-1 روند تکاملی سیستمهای مخابرات بی‏سیم را نشان می‏دهد.

1-1-2- اصول سیستم های رادیویی موبایل

سیستمهای رادیویی موبایل علی‏رغم تنوع زیاد سرویسها و مطالب فنی، دارای اصول و پارامترهای مشترکی هستند که در این قسمت اشاره مختصری به این نکات خواهیم داشت.

فرکانسهای بهره برداری و نوع مدولاسیون

در کلیه تشکیلاتی که از سرویسهای رادیویی سیار بهره برداری میکنند، عموماً واحدهای سیار نیاز به برقراری ارتباط رادیویی با یک ایستگاه کنترل کننده مرکزی دارند. در این سیستمها تعداد زیادی سیار با مرکز ثابت مربوط به خود در تماس هستند و معمولاً تشکیلات مختلف می‏بایستی همزمان و بدون ایجاد تداخل با یکدیگر قادر به برقراری تماس مورد نیاز باشند. در این سیستمها نیاز به آنتن‏هایی داریم که به صورت همه جهته[12] و در موازات سطح زمین از ایستگاه ثابت، اطلاعات را پخش و یا جمع آوری نمایند و آنتن‏های سیار نیز بایستی با راندمان مناسب و ابعاد منطقی[13] جهت نصب روی واحد سیار باشد. در محیطهای شهری امواج رادیویی باید قدرت نفوذ و انتشار از میان ساختمانهای بلند و مرتفع را داشته باشند. همچنین بعلت محدودیت در باندهای رادیویی، باید بتوان از باندهای رادیویی مشابه در شهرهای مختلف که دارای فاصله مناسبی از یکدیگر هستند به صورت مکرر استفاده نمود.

باتوجه به موارد فوق، باندهای رادیوییVHF (150 مگاهرتز) وUHF (450 و900 مگاهرتز) با فرستنده‏های با قدرت 30 تا 100 وات و با آنتنهایی با گین صفر تا شش dB  که بصورت همه جهته کار می‏کنند، در سیستم های رادیویی سیار جهت انتقال صحبت، فراخوانی[14]، انتقال دیتا و مکالمات تلفنی استفاده می‏شود. همچنین جهت صرفه جویی در عرض باند، از کانالهای رادیویی با عرض باند 5/ 12، 25 ،30 و یا50 کیلوهرتز استفاده می‏شود. نوع مدولاسیون در سیستمهای آنالوگ عموماً ‏ FMبوده است، ولی امروزه با پیشرفت تکنولوژی از انواع مدولاسیون های دیجیتال استفاده می‏شود.

حالتهای مختلف عملیاتی و بهره برداری در این سیستمها بصورت زیر می‏باشند:

Single Frequency Simplex : دراین سیستم ها ارتباط ثابت به سیار[15] و سیار به ثابت[16] با یک فرکانس و بصورت ترتیبی برقرار می‏شود (Semi Duplex )

Simplex Two Frequency : در این سیستم ارتباط ثابت به سیار و سیار به ثابت باز هم بصورت ترتیبی اما از طریق دو فرکانس صورت می‏گیرد.

Duplex : دراین سیستم ها ارتباط ثابت به سیار و سیار به ثابت به طور همزمان وبااستفاده از دو فرکانس جداگانه برقرار می‏شود

در سیستمهای Simplex، واحد سیار به صورت PTT [17]عمل می‏کند. در صورتی که فرکانسهای دریافت و ارسال مشابه باشند. سیستم دارای این حسن است که واحدهای سیار نیز در شرایطی که با توجه به موقعیت زمین و ساختمانها در برد رادیویی یکدیگر هستند، با یکدیگر تماس مستقیم خواهند داشت ودارای این عیب نیزهست که ترافیک کانال بعلت امکان کاربرد فوق زیاد خواهد شد. در صورتیکه فرکانسهای دریافت و ارسال مشابه نباشند، ارتباط واحدهای سیار با ایستگاه مرکزی برقرارخواهد بود. اغلب جهت کاهش تداخل از این نوع سیستم استفاده می‏شود و معمولاً باندهای ارسال و در یافت با یک فاصله از یکدیگر قرار دارند.

در سیستم های Duplex، فرستنده و گیرنده به طور همزمان قادر به کار کردن هستند و لذا واحدهای سیار نیاز به دوآنتن جداگانه و یا یک دوطرف کننده[18] خواهند داشت. این سیستم در انتقال کانالهای تلفنی ضروری می‏باشد و تقریباً در کلیه سیستمهای رادیو تلفنی سلولی، نوع ارتباط بصورت Duplex خواهد بود.  

در اکثر سیستمهای عملی جهت برقراری ارتباط مناسب با واحدهای سیار لازم است تا از یک ایستگاه رادیویی مرتفع جهت ارسال و دریافت پیامها استفاده نمود. اما معمولاً ایستگاه مرکزی و تشکیلات در موقعیتی قرار دارد که دارای شرایط مناسب رادیویی نمی‏باشد. لذا در این نوع سیستم ها معمولاً ارتباط ما بین دفتر مرکزی وایستگاه رادیویی مورد نیاز از طریق یک لینک ثانویه که می‏تواند ترکیبی از کابلهای تلفنی داخل شهری و یک لینک رادیویی ماکروویو باشد، برقرار شده و این لینک ثانویه پیامهای مرکز ثابت را جهت پخش به ایستگاه رادیویی VHF انتقال داده و پیامها از آن نقطه برای واحدهای سیار پخش خواهد شد.

روش دیگر برای ایجاد پوشش رادیویی مناسب، استفاده از ایستگاههای تکرارکننده[19] می‏باشد که موجب افزایش برد عملیاتی ایستگاه مرکزی خواهد شد. در این نوع تکرارکننده بدلیل امکان کار همزمان بخش فرستنده و گیرنده، فرکانس ارسال و دریافت باید از یکدیگر حداقل فاصله ای داشته باشند تا از کاهش حساسیت گیرنده و نوسان جلوگیری بعمل آید (شکل 1-3 ).

یکی از اشکالات سیستم با لینک ثانویه نیز آنست که چنانچه به عللی لینک ثانویه قطع شود، شبکه سیار از کار خواهد افتاد، ولی سیستم شکل3-1 به علت عدم وابستگی به لینک ثانویه دچار این نوع مشکل نخواهد شد.

در سیستمهای سیار (مانند رادیوهای دستی)، هیچ یک از مراکز ثابت و سیار از زمان دریافت پیام اطلاعی ندارند و لذا در این سیستمها معمولاً  گیرنده ها درحالت معمولی روشن بوده و آماده دریافت پیام می‏باشند. از طرف دیگر به علت تغییرات دامنه سیگنال دریافتی در سیستمهای سیار که در یک محدوده وسیع انجام می‏پذیرد، گیرنده می‏بایستی مجهز به یک مدار کنترل کننده بهره بطور اتوماتیک (AGC) برای تثبیت قدرت سیگنال دریافتی باشد. در نتیجه در زمان‏هایی که پیامی دریافت نمی‏شود به علت وجود نویز در سیستم، گیرنده‏هایFM مجهز به مداری موسوم به(Mute یاSquelch) هستند که وجودکاریر را درسیگنال دریافتی آشکارکرده وخروجی صوتی را تنها درصورتی که وجود کاریر تشخیص داده شود باز خواهد نمود. بنا براین وجود این مدار باعث خواهد شد تا در حالت انتظار برای دریافت پیام، گیرنده Mute شده و نویز مزاحم از گیرنده شنیده نشود. از وجود همین مدار جهت ایجاد امکانات احضار انتخابی[20] در سیستم‏های رادیویی سیار استفاده می‏شود.

1-1-3- سیرتکاملی روشهای احضارگیرنده سیار

1-1-3-1- سیستمCTCSS1: در ساده‏ترین سیستم احضار انتخابی که به سیستمCTCSS معروف است، فرستنده همواره کاریر را که با یک سیگنال تن که در زیر باند صحبت(300-3400هرتز) قرار دارد مدوله کرده و ارسال می‏کند. گیرنده‏ها در این سیستم وجود این تن را همراه با کاریر تشخیص داده و با دریافت این تن مدار Mute  باز شده، گیرنده پیام دریافتی را پخش خواهد نمود. به عنوان مثال دو ایستگاه A و B را در نظر می‏گیریم که  مجهز به امکاناتCTCSS  بوده و تن اختصاص داده شده به ثابت A برابر77هرتز  و تن اختصاص داده شده به ثابت B برابر125هرتز باشد. در این صورت هرگاه که بی‏سیم های ثابت و سیار در شبکه A با یکدیگر صحبت کنند، علی‏رغم آنکه فرکانس کاریر دو شبکه A  وB  مساوی هستند، گیرنده های B از حالتMute  خارج نخواهند شد.

تن های استانداردشده برای استفاده در سیستمهایCTCSS در باند67- 250 هرتز قرار دارند.یکی از اشکالاتی که در این سیستمها به نظر می‏رسد آنست که چنانچه شبکه B  همزمان با کار شبکهA  در صدد گرفتن تماس باشد، در اینصورت صدای او در شبکه A  نیز شنیده خواهد شد. لذا در این سیستمها، بی‏سیم‏ها مجهز به چراغ اشغال کانال(Busy ) خواهند بود وهر اپراتور قبل از ارسال پیام، بایستی از آزاد بودن کانال اطمینان داشته باشد.

1-1-3-2- سیستم احضار انتخابی

در این نوع سیستمها ،مرکز ثابت جهت انتخاب سیار مورد نظر، کد مربوط به آن مرکز را قبل از ارسال پیام پخش کرده و فقط گیرنده‏ای که مجهز به مدار کدبردار با این کد باشد، از حالت Mute خارج شده و آماده دریافت پیام خواهد شد. دو سیستم معروف از این نوع ZVE1  و   CCIR نام دارند.

1-1-3-3- سیستم های شماره گیری[21]

با توجه به امکانات احضار انتخابی در شبکه رادیویی سیار و شماره‏گیری تلفن در یک شبکه تلفن اختصاصی، می‏توان ارتباط مشترکین شبکه سیار با شبکه تلفن را از طریق اپراتوری که در مرکز ثابت شبکه رادیویی قرارگرفته تامین نمود. همچنین با توجه به شناخت نحوه ارسال کد در شبکه سیار و ارسال سیگنالینگ در شبکه تلفن، می‏توان تبدیل این دو سیستم کدبندی و سیگنالینگ را به کمک رابط[22] مناسب به صورت اتوماتیک انجام داده و امکان تماس واحد سیار با دستگاه تلفن را فراهم نمود.

تا مدتهای طولانی موضوع ارتباطات تلفنی ازطریق کابلهای تلفنی وانتقال مکالمات صوتی از طریق سیستم های سیار دو مطلب کاملاً جداگانه از یکدیگر بود و بهمین دلیل رشد و توسعه این دو سیستم بدون ارتباط با یکدیگر و با استفاده از استانداردها، مقررات و تکنولوژیهای جداگانه انجام می‏شد. جهت اتصال این دوشبکه به یکدیگر در اولین مرحله،

این امکان ازطریق ایستگاه ثابت و بصورت غیراتوماتیک و از طریق اپراتور و دستگاه رابطی به نامPatch Phone  عملی گردید. بعدها، با استفاده ازتکنیکها، استفاده اشتراکی از کانالهای رادیویی و ارتباط به صورت اتوماتیک در سیستمهای رادیو تلفنی سیار، متداول گردید و سپس شبکه‏های رادیو تلفنی سلولی بوجود آمد.

1-1-4- استفاده اشتراکی از کانالهای رادیویی

در اوایل پیدایش سیستمهای سیار، ابتدا موسوم بود که به هر تشکیلات و یا سازمانی که خواستار چنین سیستمی بود، یک کانال رادیویی تخصیص می‏یافت. اما به مرور مشکل کمبود طیف فرکانسی بروز نمود. با بررسی‏های آماری مشخص گردید که مشترکین شبکه‏های اختصاصی در درصد کمی از زمان در حال بهره برداری از کانال تخصیص داده شده هستند و لذا واگذاری دائمی یک کانال رادیویی به یک مشترک و یا سازمان مناسب نبود. در این زمان استفاده از کانالهای رادیویی بصورت اشتراکی پیشنهاد شد. در این روش اختصاص کانال به یک مشترک، برای یک مدت زمان محدود تا پایان زمان مورد نیاز برای ارتباط بوده و پس از پایان تماس کانال تخصیص داده شده آزاد و در اختیار سایر مشترکین قرارخواهد گرفت. این تکنیک، به تکنیک ترانکینگ[23] موسوم گردیده است.

(شکل ها در فایل اصلی قابل مشاهده است)