شبکه‌های موبایل چگونه کار می‌کنند؟- قسمت سوم

استاندارد LTE (تکامل بلندمدت)

در مبحث ارتباطات از راه دور، LTE استانداردی برای ارتباطات بی‌سیم با پهنای باند بالا برای دستگاه‌های موبایلی و ترمینال‌های داده، مبتنی‌بر سیستم‌های GSM/EDGE و UMTS/HSPA است. استاندارد یادشده، سرعت و ظرفیت انتقال داده را با استفاده‌ی هم‌زمان از رابط رادیویی متفاوت و همچنین توسعه هسته‌ی شبکه، افزایش داده‌ است. LTE مسیر پیشرفتی برای اپراتورهایی است که هم از شبکه‌های GSM/UMTS و هم CDMA2000 استفاده می‌کردند. به‌دلیل کثرت فرکانس‌های مورد استفاده برای شبکه‌ی LTE در کشورهای مختلف، تنها گوشی‌های با قابلیت پشتیبانی از تمامی باندها، توانایی استفاده از شبکه‌ی یادشده در تمامی کشورها را دارند.

هدف LTE افزایش ظرفیت و سرعت شبکه‌های داده‌ی بی‌سیم، با استفاده از تکنیک‌ها و مدولاسیون‌های پردازش دیجیتال سیگنالی بود که در اوایل این هزاره توسعه یافتند. هدف دیگر LTE، طراحی مجدد و ساده‌سازی معماری شبکه برپایه‌ی سیستم پروتکل اینترنت (IP) با کاهش چشم‌گیر تأخیر در انتقال داده درقیاس‌با فناوری 3G بود. رابط بی‌سیم این نسل از فناوری‌های ارتباطی، بسیار متفاوت از شبکه‌های 2G و 3G است؛ ازاین‌رو باید روی طیف رادیویی جداگانه‌ای اجرا می‌شد. این شبکه جایگزینی برای فناوری‌های GSM ،UMTS و CDMA2000 است که نسبت‌به سیستم HSPA، چهاربرابر ظرفیت داده و مکالمه‌ی بیشتری دارد.

بخش اعظم استاندارد LTE به‌روزرسانی از 3G UMTS به آن‌چیزی است که درنهایت فناوری ارتباطات موبایلی 4G نام گرفته است. بخش بزرگی از این به‌روزرسانی برای ساده‌سازی سیستم انجام شده است؛ زیرا تمامی ارتباطات بی‌سیمی که پیش‌تر در شبکه‌ی ترکیبی سوییچینگ مداری و بسته‌‌ای UMTS انجام می‌گرفت، حالا روی معماری سیستمی تماما مبنتی‌بر آی‌پی صورت می‌پذیرد. رابط هوایی شبکه‌ی LTE، ای UTRA نام دارد و ویژگی‌های اصلی آن در زیر آمده است:

• بسته‌به نوع تجهیزات مورد استفاده توسط کاربران، بیشترین نرخ بارگیری تا ۲۹۹٫۶ مگابیت‌برثانیه و نرخ بارگذاری حداکثر ۷۵٫۴ مگابیت‌برثانیه است. ۵ کلاس ترمینال مختلف برای این سیستم تعریف شده است؛ از یک کلاس صدامحور تا کلاس سطح بالایی که از بالاترین نرخ انتقال داده پیشتیبانی می‌کند. همه‌ی ترمینال‌ها می‌توانند پهنای باند 20 مگاهرتزی را پردازش کنند.
• تاخیرهای پایین در انتقال داده (کمتر از ۵ میلی‌ثانیه برای بسته‌های آی‌پی کوچک در شرایط بهینه)، تأخیر کم برای هندآف (در بخش اول مقاله توضیح داده شد) و زمان تنطیم اتصال درقیاس‌با فناوری‌های دسترسی پیشین.
• پشتیبانی بهتر از دستگاه‌های موبایل. برای مثال بسته‌به باند فرکانس، از دستگاه‌هایی که با سرعت ۳۵۰ کیلومتر بر ساعت یا ۵۰۰ کیلومتر بر ساعت پشتیبانی می‌کند.
• FDMA هشت‌گانه برای داده‌هایی که بارگیری (Downlink) می‌شوند، دسترسی چندگانه‌ی FDMA یک‌گانه برای داده‌هایی که بارگذاری (Uplink) می‌شوند برای صرفه‌جویی در توان مصرفی.
• پشتیبانی از تمامی فرکانس‌هایی که درحال‌حاضر سازمان ITU در سیستم‌های 3G تعریف کرده است.
• انعطاف‌پذیری طیف فرکانس‌ها: پهنای باند در کانال‌های هرسلول به‌صورت ۱٫۴ مگاهرتز، ۳ مگاهرتز، ۵ مگاهرتز، ۱۰ مگاهرتز، ۱۵ مگاهرتز و ۲۰ مگاهرتز استانداردسازی شده است. WCDMA تنها از پهنای باند ۵ مگاهرتزی استفاده می‌کند که سبب بروز مشکلاتی در کشورهایی می‌شود که به‌صورت رایج از محدوده‌ی فرکانس یادشده در استانداردهایی مانند GSM و CDMA استفاده می‌کنند.
• پشتیبانی از سلول‌هایی با شعاع پوشش‌دهی ده‌ها متر (پیل‌ها) تا ۱۰۰ کیلومتر (ماکروسل‌ها). در باندهایی با فرکانس پایین که در مناطق روستایی مورد استفاده قرار می‌گیرند، شعاع پوشش‌دهی بهینه ۵ کیلومتر، شعاع پوشش‌دهی با عملکرد معقول ۳۰ کیلومتر، شعاع پوشش‌دهی با عملکرد قابل‌قبول ۱۰۰ کیلومتر است. در مناطق شهری، باندهایی با فرکانس بالا مانند ۲٫۶ گیگاهرتز برای پهنای باند ارتباطات همراه پرسرعت استفاده می‌شود و پوشش‌دهی سلول‌ها یک کیلومتر و کمتر است.
• در هر سلول با پهنای باند ۵ مگاهرتزی، حداقل از ۲۰۰ کاربر پشتیبانی می‌کند.
• معماری شبکه ساده‌سازی شده
• پشتیبانی از کارکرد هم‌زمان با استانداردهای پیشین همانند GSM / GPRS یا UMTS که مبتنی‌بر WCDMA است. کاربران می‌توانند با استفاده از استاندارد LTE تماس یا انتقال داده را در یک منطقه شروع کنند و در صورت فقدان پوشش‌دهی شبکه، عملیات را بدون هیچ‌گونه اقدامی با استفاده از GSM / GPRS یا UMTS مبتنی بر W-CDMA یا حتی شبکه‌های CDMA یا CDMA2000 ادامه دهند.
• رابط رادیویی سوییچ‌شده‌ی بسته

• استاندارد LTE با شبکه‌ی تماما مبتنی‌بر آی‌پی تنها از سوییچینگ بسته پشتیبانی می‌کند. تماس‌های صوتی در سیستم GSM ،UMTS و CDMA2000 سوییچ‌شده‌ی مدار هستند، بنابراین برای تطبیق با LTE اپراتورها باید شبکه‌ی تماس صوتی‌شان را بازمهندسی کنند. سه روش برای حل چنین مشکلی وجود دارد. اولی اینکه در شبکه‌ی LTE سرویس‌های داده به‌خوبی کار کنند و هنگام تماس، دامنه‌ی سوئیچ‌شده‌ی مدار فعال شود. روش دوم نیز مانند روش اول است؛ اما گوشی شبکه‌ها را عوض می‌کند. در روش سوم، تنها هنگام استفاده از اپلیکیشن‌هایی مانند گوگل‌تاک و اسکایپ حالت LTE فعال می‌شود. باند‌های فرکانس LTE در سراسر جهان از ۴۵۰ تا ۳۷۰۰ مگاهرتز را شامل می‌شوند.

  LTE Advanced

  LTE Advanced استاندارد ارتباطات موبایلی و به‌روزرسانی از سیستم استاندارد LTE (تکامل بلندمدت) است. باتوجه به اینکه استاندارد اولیه‌ی LTE توانایی پاسخگویی به اامات استاندارد IMT-Advanced را نداشت، LTE Advanced برای ارائه‌ی خدماتی در سطح استاندارد یادشده توسعه یافت. برای مثال، LTE اولیه توانایی دستیابی به سرعت انتقال داده‌ی یک گیگابیت‌برثانیه در گیرنده‌های ثابت را نداشت. درواقع، در ابتدا کارگروه 3GPP فناوری LTE را در لیست شبکه‌های 4G قرار نداد. بعدها IMT خواستار موارد زیر در نسل جدید LTE شد:

  • بهبود مستمر فناوری و معماری رادیویی LTE
  • اامات عملکردی و موارد پیش‌بینی‌شده برای کار با فناوری‌های رادیویی قدیمی‌تر.
  • پشتیبانی از نسل پیشین (LTE بتواند در شبکه‌ی LTE Advanced کار کند یا بالعکس). هر استثنایی را 3GPP مشخص می‌کند.
  • درنظر گرفتن تصمیمات کنفرانس WRC-07 مبنی‌بر اطمینان از اینکه LTE Advanced با طیف جغرافیایی موجود، برای کانال‌های بالاتر از ۲۰ مگاهرتز وفق پیدا می‌کند.

  تفاوت LTE و LTE Advanced در جدول زیر آمده است:

  فناوری	LTE	LTE Advanced
  سرعت انتقال داده هنگام بارگیری	۳۰۰ مگابیت‌برثانیه	۱۰۰۰ مگابیت‌برثانیه
  سرعت انتقال داده هنگام بارگذاری	۷۵ مگابیت‌برثانیه	۵۰۰ مگابیت‌برثانیه
  پهنای باند بارگیری	۲۰ مگاهرتز	۱۰۰ مگاهرتز
  پهنای باند بارگذاری	۲۰ مگاهرتز	۴۰ مگاهرتز
  قابلیت حمل و جابه‌جایی گیرنده	بهینه‌ برای سرعت‌های پایین‌تر از ۱۵ کیلومتر برساعت سرعت‌های مناسب داده تا سرعت ۱۲۰ کیلومتر بر ساعت تا سرعت ۳۵۰ کیلومتر بر ساعت هم‌چنان متصل به شبکه می‌ماند	مشابه LTE
  پوشش	عملکرد کامل تا ۵ کیلومتر	مشابه LTE
  ظرفیت	تا ۲۰۰ نفر در پهنای باند ۵ مگاهرتز	سه‌برابر بیشتر از LTE
  ظرفیت در مناطق هموار	حداقل ۲۰۰ کاربر در هر سلول در پهنای باند ۵ مگاهرتز	حداقل ۳۰۰ کاربر در هر سلول در پهنای باند ۵ مگاهرتز
  فناوری MIMO	۳۲۶ مگابیت‌برثانیه با چهار خروجی و چهار ورودی و ۱۷۲ مگابیت‌برثانیه با دو خروجی و دو ورودی	۴۰ برابر سریع‌تر از فناوری 3G

  WiMAX یا تعامل جهانی برای دسترسی مایکروویو

  

  IEEE 802.16 مجموعه‌ای از استانداردهای حاکم بر شبکه‌ی استاندارد‌محور کلان‌شهری (MAN) است. برای فراهم‌آوردن هم‌نوایی و قابلیت همکاری جهت اجرای این استاندارد، گروه تعامل جهانی برای دسترسی مایکروویو یا به‌اختصار وایمکس (WiMax) شکل گرفت. امروزه به‌تمامی استانداردهای این حوزه، وایمکس گفته می‌شود. گروه استاندارد یادشده، برای ایجاد سرویس‌های بی‌سیم پهن‌باند برای کسب‌کارها و مشتریان در مقیاس کلان‌شهرها شناخته می‌شود. وایمکس یک فناوری استاندارد‌محور متکی‌بر راه‌حل‌های اختصاصی است. محدوده‌ی پوشش‌دهی وایمکس ۷۰ کیلومتر و سرعت انتقال داده در آن، ۱۰۰ مگابیت‌برثانیه است.

  وایمکس طراحی شده است تا با پوشش‌دهی فراتر از فناوری‌های پیشین همچون وای‌فای، دسترسی به اینترنت پرسرعت را برای لپ‌تاپ‌ها و دستگاه‌های حمل‌شدنی فراهم کند. وایمکس مبتنی‌بر استاندارد IEEE 802.16e سال ۲۰۰۵ و مصوب ماه دسامبر همین سال و بهبودیافته از استاندارد 802.16 سال ۲۰۰۴ است. بنابراین جزئیات این دو استاندارد باید با هم درنظر گرفته شود. آن‌چه در زیر آمده است، بخشی از بهبود‌های صورت‌گرفته در استاندارد جدیدتر است:

  • پشتیبانی از هندآف نرم و سخت بین ایستگاه‌های پایه، بدین معنی که در این استاندارد می‌توان فرکانس کانال را تغییر داد یا فرکانس تمامی ایستگاه‌های پایه را یکی کرد. قابلیت مذکور، یکی از مهم‌ترین جنبه‌های استاندارد IEEE 802.16e سال ۲۰۰۵ و اساس کار وایمکس موبایلی است.
  • پشتیبانی از تکنیک درخواست خودکار ترکیبی (HARQ) و طرح‌های متنوع از آنتن‌های پیشرفته
  • فناوری MIMO و سیستم‌های آنتن تطبیق‌پذیر
  • زیرکانال‌سازی متراکم‌تر و درنتیجه، نفوذ بهتر سیگنال‌ها در داخل ساختمان‌ها

  فرمت استاندارد IEEE 802.16e-۲۰۰۵ که به‌صورت متداول و غیرصحیحی وایمکس موبایل نامیده می‌شود، سیستم بی‌سیم پهن‌باندی است که همگرایی شبکه‌های پهن‌باند تلفن همراه و ثابت را از طریق یک فناوری دسترسی رادیویی پهن‌باند با محیط غالبا گسترده و معماری شبکه‌ی انعطاف‌پذیر، امکان‌پذیر می‌سازد. وایمکس موبایل از برنامه‌های هندآف بهینه‌ای پشتیبانی می‌کند که با تاخیری کمتر از ۵۰ میلی‌ثانیه، کاربردهای بلادرنگی همچون اجرای مکالمه‌ها با بهره‌گیری از پروتکل اینترنت (VoIP) را بدون هیچ کاهشی در کیفیت سرویس میسر می‌کند.

  از دیدگاه تئوری، وایمکس مشابه‌با فناوری وای‌فای است؛ اما با سرعت‌های انتقال داده‌ی بالاتری در مسافت‌های طولانی‌تر، کاربران بیشتری را پوشش می‌دهد. شبکه‌ی وایمکس به‌صورت بالقوه‌ای می‌تواند مناطق روستایی و حومه‌ی شهرها که هنوز اینترنت پهن‌باند ندارند را پوشش دهد. سیستم وایمکس از دو بخش تشکیل شده است:

  • دکل وایمکس: کارکردی مشابه‌با دکل مخابراتی دارد و منطقه‌ای به وسعت ۸ کیلومتر مربع را پوشش می‌دهد.
  • گیرنده‌ی وایمکس: گیرنده و آنتن وایمکس می‌تواند یک جعبه‌ی کوچک، کارت حافظه‌ی کامپیوتر شخصی یا سیستم دسترسی وای‌فایی باشد که این روزها داخل لپ‌تاپ‌ها تعبیه می‌شود.

  دکل وایمکس می‌تواند ازطریق کابل و اتصال مسقیم با پهنای باند بالا به اینترنت متصل باشد. همچنین، این سازه می‌تواند به‌صورت مستقیم (line-of-sight) و ازطریق لینک مایکروویو، به دکل‌های وایمکس دیگر متصل شود. اتصال به دکل‌های دیگر و نیز خود پوشش ۸ کیلومتر مربعی هر دکل، اجازه می‌دهد تا مناطق دورافتاده‌ی روستایی نیز تحت پوشش شبکه‌ی یادشده باشند.

  

  نوعی سرویس وای‌فای باعنوان non-line-of-sight نیز وجود دارد که در آن، آنتن کوچک درون کامپیوتر به دکل وایمکس متصل می‌شود. در این حالت، وایمکس از دایره‌ی فرکانس‌های پایین‌تر ۲ تا ۱۱ گیگاهرتز استفاده می‌کند. انتقال داده‌ها در طول موج‌های پایین‌تر، به‌راحتی با اجسام مسدود نمی‌شود و امواج قادر به دور زدن موانع هستند. همچنین سرویس مستقیمی وجود دارد که یک آنتن دیش ثابت روی پشت‌بام قرار گرفته و به دکل وایمکس متصل می‌شود. اتصال مستقیم قدرتمندتر و پایدارتر است؛ درنتیجه قادر به ارسال داده‌های بیشتری با خطاهای کمتر است. در این روش از فرکانس‌های بالاتری تا ۶۶ گیگاهرتز استفاده می‌شود که تداخل کمتر و پهنای باند بیشتری دارند.

  وایمکس از OFDM به‌عنوان لایه‌ای فیزیکی استفاده می‌کند. در بحث ارتباطات، سیستم دسترسی چندگانه‌ی ثابت متعامد یا OFDM نوعی مدولاسیون دیجیتال و روشی برای رمزگذاری داده‌های دیجیتال در فرکانس‌های چندگانه‌ی حامل‌ها است. OFDM اجازه می‌دهد تا مقادیر بزرگی از داده‌های دیجیتال روی بخشی از طیف امواج رادیویی با راندمان بهتری از فناوری‌های بی‌سیم موجود منتقل شوند. OFDM با تقسیم سیگنال‌های رادیویی به چندین سیگنال کوچک، داده‌ها را به‌صورت هم‌زمان در سیگنال‌های مختلف به گیرنده منتقل می‌کند.

  یک سیستم برپایه‌ی OFDM، قادر است در شرایط ایده‌آل ۷۲ مگابیت‌برثانیه داده را به‌صورت فشرده از کانالی با گستره‌ی ۲۰ مگاهرتز منتقل کند. نکته‌ی اصلی در فناوری OFDM، فرکانس‌های مختلف است که می‌توانند داده‌ها به‌صورت کاملا جدا از یکدیگر ارسال و دریافت کنند. مدولاسیون OFDM که نوع تغییریافته‌ی FDM است، سیگنال‌ها را به‌صورت تعامدی (پیش‌تر توضیح داده شد) ارسال می‌کند. به‌طور معمول، در سیستم‌های بی‌سیم امواج رادیویی از فرستنده به گیرنده به شیوه‌ای مشابه‌با پرتوهای نوری ارسال می‌شوند. ممکن است برخی از پرتوها مستقیما به گیرنده برسند و برخی دیگر، از لابه‌لای درختان، درون ساختمان‌ها و خودرو‌ها عبور کنند. درهر‌حال موانع باعث تداخل ساختاری یا تضعیف قدرت سیگنال‌ها می‌شوند.

  اگر هم‌زمان با وجود موانع، سرعت انتقال داده‌ها در کانال پایین باشد، ممکن است سیگنال تا ۱۰۰۰ برابر ( ۳۰ دسی‌بل) تضعبف شود. در همین‌حال اگر یک کانال داده‌ها را با سرعت بسیار بیشتری از بین موانع منتقل کند، تنها برخی از فرکانس‌ها تضعیف می‌شوند و نوسان کانال تغییر می‌یابد. در این موارد تنظیم‌کننده‌های پیچیده‌ای با اندازه‌گیری میزان تغییرات، آن‌ها را بی‌درنگ تصحیح می‌کنند. مزیت ویژه‌ی OFDM این است که طیف فرکانس را به کانال‌های زیادی تقسیم می‌کند که هم‌پوشانی دارند و سرعت انتقال داده آن‌قدر کم می‌شود که دیگر نیازی به تنطیم‌کننده نیست.

  وایمکس ثابت با به‌اشتراک‌گذاری تمامی کانال‌ها به‌صورت هم‌زمان (TDMA)، پاسخگوی تعداد کثیر کاربران است. همچنین وایمکس ثابت از فرکانس‌های متفاوتی برای بارگیری و بارگذاری داده استفاده می‌کند؛ به‌گونه‌ای که هر یک از این فرآیندها به‌طور مستقلی انجام‌پذیر هستند. قابلیت مذکور، تقسیم فرکانس دوسویه یا FDD نام دارد. فناوری دیگری که در سیستم وایمکس گنجانده شده، آنتن‌های هوشمند است. OFDM برای تکنیک‌های آنتن‌های هوشمند، بسیار مناسب‌تر از شبکه‎های 3G حال‌حاضر است. آنتن‌های هوشمند می‌توانند پوشش، دامنه یا توان یک ایستگاه پایه را افزایش دهند.

  سه باند فرکانس ۲٫۵، ۳٫۵ و ۵ گیگاهرتزی برای این استاندارد تعریف شده است.  

  جمع‌بندی

  فناوری	GSM/GPRS	(WCDMA(U MTS و CDMA2000	HSPA HSPDA HSUPA	+HSPA	LTE	LTE Advanced	وایمکس
  سرعت انتقال داده هنگام بارگیری	۱۴٫۴ تا ۲۱۷ کیلوبیت‌برثانیه	۱۹۲۰ کیلوبیت‌برثانیه (عملی ۳۸۴ کیلوبیت‌برثانیه )	از ۱۴ مگابیت‌برثانیه در سیستم‌های قدیمی‌تر تا ۲۰ مگابیت‌برثانیه در سیستم‌های نوین	۴۲ مگابیت‌برثانیه	۳۰۰ مگابیت‌برثانیه	۱۰۰۰ مگابیت‌برثانیه	۴۶ مگابیت‌برثانیه
  سرعت انتقال داده هنگام بارگذاری	۱۴٫۴ تا ۱۰۸٫۸ کیلوبیت‌برثانیه	۱۲۸ کیلوبیت‌برثانیه	۵٫۸ مگابیت‌برثانیه	۱۱٫۵ مگابیت‌برثانیه	۷۵ مگابیت‌برثانیه	۵۰۰ مگابیت‌برثانیه	۴ مگابیت‌برثانیه
  خدمات	مکالمه‌ی دیجیتال و داده‌ی بسته‌ای	مکالمه‌ی دیجیتال کیفیت بالا و انتقال داده	مکالمه‌ی دیجیتال کیفیت بالا و انتقال داده و استریمینگ ویدئو	مکالمه‌ی دیجیتال کیفیت بالا و انتقال داده و استریمینگ ویدئو	دسترسی پویا به اطلاعات، گجت‌های پوشیدنی، استریمینگ HD و رومینگ بین‌الملل	دسترسی پویا به اطلاعات، گجت‌های پوشیدنی، استریمینگ HD و رومینگ بین‌الملل	دسترسی پویا به اطلاعات، گجت‌های پوشیدنی، استریمینگ HD و رومینگ بین‌الملل
  تأخیر	۶۰۰ میلی‌ثانیه	۱۵۰ میلی‌ثانیه	۱۰۰ میلی‌ثانیه	۵۰ میلی‌ثانیه	کمتر از ۱۰ میلی‌ثانیه	کمتر از ۱۰ میلی‌ثانیه	کمتر از ۵۰ میلی‌ثانیه
  نوع دسترسی	TDMA / FDMA	WCDMA / CDMA	WCDMA	WCDMA	OFDMA / SC-FDMA	OFDMA / SC-FDMA	OFDMA
  پهنای باند	۲۰۰ کیلوهرتز	۵ مگاهرتز	۵ مگاهرتز	۵ مگاهرتز	۱٫۴ تا ۲۰ مگاهرتز	۱٫۴ تا ۲۰ مگاهرتز	۲٫۵ تا ۵ مگاهرتز
  سوئیچینگ	مدارـبسته	مدارـبسته	مدارـبسته	مدارـبسته	بسته	بسته	بسته
  شبکه‌ی مرکزی	PSTN	شبکه‌ی بسته	شبکه‌ی بسته	شبکه‌ی بسته	تماما آی‌پی	تماما آی‌پی	شبکه‌ی بسته
  هندآف	عمودی	عمودی	عمودی	عمودی	افقی	افقی	ـ

شبکه‌های موبایل چگونه کار می‌کنند؟- قسمت سوم

شبکه‌های موبایل چگونه کار می‌کنند؟-قسمت دوم

شبکه‌های موبایل چگونه کار می‌کنند؟- قسمت اول