پروژه مخابرات بی سیم

  مقدمه  

مخابرات بی سیم در سال 1897 با اختراع تلگراف بی سیم توسط مارکنی آغاز شد و اکنون پس از گذشت بیش از یک قرن، سومین نسل از سیستم های مخابرات بی سیم یعنی سیستم های مخابرات فردی (PCS) پا به عرصه ظهور گذاشته است، اکنون فناوری های مخابرات شیار تا بدانجا پیش رفته است که کاربران اینچنین سیستم هایی با استفاده از ترمینال دستی کوچک (handset) می توانند با هر کس در هر زمان و هر مکان، انواع اطلاعات (صوت ، تصویر و دیتا) را مبادله کنند، این مقاله نگاهی اجمالی اما فنی به تاریخ و تکنیک های مهم مخابرات سیار دارد. ایجاد امکانات ارتباطی با کمترین محدودیت های مکانی و زمانی از نیازهای بشر است که از دیرباز بدان توجه می شود. در ابتدا، سیستم های مخابراتی جهت انتقال صوت و علائم الکتریکی از سیم های هادی ارتباط استفاده می کردند. با پیشرفت تکنولوژی و به کارگیری امواج الکترومغناطیسی، امکان ایجاد ارتباط بی سیم فراهم شد و قدم اول در غلبه بر مشکل ایجاد ارتباط در مکان هایی که امکان کابل گذاری وجود نداشت، یا مسافت آنها بالا بود و افت سیگنال ها مانع از برقراری ارتباط می شد، برداشته شد.

روند رو به رشد تکنولوژی و صنعت مخابرات منجر به کاربرد موج برهای نوری و سیستم های نوری شد و بدین وسیله امکان انتقال اطلاعات با پهنای باند بالا در نقاط دور فراهم شد. سیستم های مخابراتی متداول از بسترهای هدایتی سیمی به منظور حمل اطلاعات استفاده می کنند و این امر مستلزم آن است که میان مبدأ و مقصد کابل گذاری صورت گیرد. هزینه بسیار بالای پیاده سازی کابل ها، افت سیگنال در درون آنها بخصوص در مسافت های بالا، سخت بودن یا عدم امکان کابل کشی در برخی نقاط و انعطاف پذیری کم (عدم تحرک و جابه جایی) در ارائه سرویس های مختلف از جمله مسائلی است که کاربرد سیستم های مخابراتی بی سیم را موجه و در برخی موارد الزامی می کند . از جمله راه حل های پوشش کاربران در شبکه هایی که از ضعف عدم امکانات ایجاد بسترهای مخابراتی مانند خطوط دوسیمه، رنج می برند و نیاز به پیاده سازی سریع لینک های مخابراتی با هزینه مناسب دارند، استفاده از شبکه بی سیم است.

• اصول مشترک سیستم های رادیویی سیار

• در کلیه تشکیلاتی که از سرویس های رادیویی سیار بهره برداری می کنند، عموماً واحدهای سیار نیاز به برقراری ارتباط رادیویی با یک ایستگاه کنترل کننده مرکزی دارند، در این سیستم ها تعداد زیادی سیار با مرکز ثابت مربوط به خود در تماس هستند و تشکیلات مختلف باید همزمان و بدون ایجاد تداخل با یکدیگر قادر به برقراری تماس مورد نیاز باشند. در این سیستم های نیاز به آنتن هایی داریم که به صورت همه جهته و در موازات سطح زمین از ایستگاه ثابت، اطلاعات را پخش و جمع آوری نمایند و آنتن های سیار هم باید با راندمان مناسب جهت نصب روی واحد سیار باشند. در محیط های شهری امواج رادیویی باید قدرت نفوذ و انتشار از میان ساختمان های مرتفع را داشته باشند. همچنین به علت محدودیت در باندهای رادیویی، باید بتوان از باندهای رادیویی مشابه در شهرهای مختلف که در فاصله مناسبی از یکدیگر قرار دارند، به صورت مکرر استفاده کرد.

• در اکثر سیستم های عملی جهت برقراری ارتباط مناسب با واحدهای سیار لازم است تا از یک دستگاه رادیویی مرتفع جهت ارسال و دریافت پیام ها استفاده شود، اما به دلیل عملی نشدن این مسئله در اغلب اوقات، معمولاً ارتباط بین دفتر مرکزی و ایستگاه رادیویی مورد نیاز از طریق یک لینک ثانویه که می تواند ترکیبی از کابل های تلفنی داخل شهری و یک لینک رادیویی ماکروویو باشند، برقرار شده و این لینک ثانویه پیام های مرکز ثابت را جهت پخش به ایستگاه رادیویی VHF انتقال داده و پیام ها از آن نقطه برای واحدهای سیار پخش خواهد شد. از اشکالات لینک ثانویه این است که چنانچه به عللی لینک ثانویه قطع شود، شبکه سیار از کار خواهد افتاد. روش دیگر برای ایجاد پوشش رادیویی مناسب، استفاده از ایستگاه های تکرار کننده است که موجب افزایش برد عملیاتی ایستگاه مرکزی خواهد شد. در این نوع تکرار کننده ها به دلیل امکان کار همزمان فرستنده و گیرنده، فرکانس ارسال و دریافت باند از یکدیگر حداقل فاصله ای داشته باشند تا ازکاهش حساسیت گیرنده و نوسان جلوگیری به عمل آید.

• در سیستم های سیار، چون زمان دریافت پیام مشخص نیست، معمولاً گیرنده ها آماده دریافت پیام هستند. از طرف دیگر به علت تغییرات دامنه سیگنال دریافتی در سیستم های سیار که در محدوده وسیع انجام می پذیرد گیرنده باید مجهز به یک مدار کنترل کننده بهره به طور اتوماتیک (AGC) برای تثبیت قدرت سیگنال دریافتی باشند. در نتیجه در زمان هایی که پیامی دریافت نمی شود، به علت وجود نویز در سیستم ، گیرنده های FM مجهز به مداری موسوم به (Squelch  یا Mute) هستند که وجود کاربر را در سیگنال دریافتی آشکار کرده و خروجی صورتی را تنها در صورتی که وجود کاربر تشخیص داده شود، باز خواهد نمود. وجود این مدار باعث خواهد شد که در حالت انتظار برای دریافت پیام، گیرنده Mute و نویز مزاحم از گیرنده شنیده نشود.

   • استفاده از شبکه های سلولی در مخابرات سیار

سیستم مخابرات سیار مورد استفاده در یک منطقه جغرافیایی باید به گونه ای باشد که از لحاظ مخابراتی تمام منطقه را تحت پوشش قرار بدهد و اصطلاحاً هیچ نقطه کوری از دید امواج رادیویی باقی نماند. از طرف دیگر اختصاص فرکانس های کاری مورد استفاده باید به صورتی باشد که تداخل فرکانسی در سیستم ایجاد نشود. بنابراین هنگام پیاده سازی سیستم موبایل در یک منطقه جغرافیایی، منطقه مربوطه را به مناطق کوچکتری به نام سلول تقسیم بندی می کنند. آنگاه فرستنده را در سلول قرار می دهند. در این صورت سرویس دهی تنها در منطقه ای که سلول بندی شده است ممکن می شود، شبکه های سلولی دو مزیت دارند، یکی از آنها استفاده مجدد از فرکانس کاربر با رعایت فاصله جغرافیایی است. مزیت دیگر شکافتن سلول ها است. بدین معنی که در طرح اولیه شبکه سلولی مخابرات سیار، سلول را بزرگ انتخاب می کنند و در صورت افزایش مشترکان سلول را می توان به سلول های کوچکتری تقسیم کرد و اصطلاحاً سلول را شکافت، و با گذاشتن ایستگاه های پایه (BTS) اضافه، تعداد مشترک بیشتری را سرویس دهد.

• نسل های مخابرات سیار

تاریخ کامل مخابرات بی سیم به چهار دوره تقسیم می شود.

1- دوره قبل از همگانی شدن این سیستم

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 سال های 1950 شروع و تا 1960 ادامه یافت. در این دوره از مخابرات سیار برای کاربردهای پلیسی، نظامی و هواپیمایی استفاده می شد و تجهیزات ارسال و دریافت، حجیم و گران قیمت بود.

نسل اول در سال های 1970 تا 1980 بر پایه تکنولوژی آنالوگ و استفاده از مفهوم سلولی پدید آمد. ایده اساسی در مخابرات سیار سلولی (MCS ) استفاده مجدد از طیف فرکانسی در مناطقی است که به اندازه کافی از هم دورند. استفاده از مخابرات سیار سلولی موجب افزایش ظرفیت سیستم، کاهش هزینه، بهبود کیفیت سرویس و کاهش توان مورد نیاز شد، انواع مختلفی از این سیستم های آنالوگ با نام های گوناگون NEC، AMPS، NMT، Aurora، TACS و ... وجود داشت. اما مهمترین و رایج تری شکل سیستم های آنالوگ، سیستم AMPS است. سیستم AMPS در سال 1978 راه اندازی شد. این سیستم در باند فرکانسی 800 تا 900 مگاهرتز کار می کرد و دارای 666 کانال دو طرفه با پهنای باند 30kHz و مدولاسیون FM آنالوگ بود. با افزایش بیش از حد تقاضا، سیستم های آنالوگ نسل اول قادر به تأمین ظرفیت مورد نیاز برای برخی مناطق شهری نبودند. از معایب و کمبود های AMPS، مسئله ظرفیت این سیستم است. همچنین از اشکالاتی که در این سیستم ها وجود دارد ضعف امنیتی به طوری که به متقلبان مجال استفاده غیرمجاز را می دهد. این اشکالات در سیستم های دیجیتال نسل بعدی بر طرف شده است. به علاوه سیستم های دیجیتال نرخ بیت و سرعت بالاتری دارند و حجم اطلاعاتی بیشتری را می توان در کانال های آن مبادله کرد. با توجه به ظهور سیستم های دیجیتال ، سیستم AMPS چندان مورد استفاده نخواهد بود. سیستم های نسل دوم در سال های 1980 و 1990 با استفاده از تکنولوژی دیجیتال تحقق یافت. GSM اولین استاندارد MCS تمام دیجیتال در دنیا است. این سیستم در 1992 در اروپا به بهره برداری تجاری رسید. در این سیستم موبایل ها از فرکانس های 890 تا 915 مگاهرتز و ایستگاه پایه ها از فرکانس های 935 تا 960 مگاهرتز برای ارسال سیگنال استفاده می کنند. پهنای باند هر کانال رادیویی 200 کیلوهرتز است که توسط 8 کاربر استفاده می شود. به علت تقاضای روز افزون برای سرویس های MCS، تکنولوژی های جدید نظیر CDMA برای بهبود بهره برداری از طیف فرکانسی پدید آمد. CDMA یکی از پیچیده ترین سیستم های بی سیم دیجیتال در دنیای امروز است، CDMA تمامی کاربران را در فرکانس های یکسان و زمان های یکسان با کدهای مختلف مجزا می کند. پهنای باند هر کانال 23/1 مگاهرتز است. سیستم های نسل سوم، سیستم های مخابرات فردی (PCS) نامیده می شوند. PCS سیستمی است که با استفاده از آن کاربر می تواند در هرزمان و در هر مکان با هر کس به کمک یک مخابرات فردی واحد (PTN) تبادل اطلاعات نمایند. در سال های اخیر نسل سوم شبکه های رادیو سلولی شدیداً مورد توجه قرارگرفته است. سیستم های نسل سوم را گاه با 3G نشان می دهند. هم اکنون سیستم هایCDMA  باند وسیع (W – CDMA) به صورت تجاری به کار گرفته می شوند و روز به روز کاربرد آنها در مخابرات سیار بیشتر می شود. از لحاظ تاریخی CDMA به سه دوره تقسیم می شود :

1- CDMA اولیه که بیشتر در حد تئوری بود، از سال 1949 تا 1978

2- CDMA باند باریک از 1978 تا 1995

3- CDMA باند وسیع از 1995 به بعد.

نسل سوم از اواخر سال 1995 کم کم وارد عرصه مخابرات سیار شد. از مزایای عمده آن بر سیستم های نسل دوم نرخ بیت بالاتر، پشتیبانی همزمان صدا و تصویر با توجه به نرخ بیت بالا، قابلیت انعطاف پذیری بیشتر، سرویس های دسترسی چندگانه همزمان برای یک کاربر و ... است. سیستم های رادیویی سیار نقش مهمی را در فعالیت های بازرگانی، تجاری و امور مراقبتی و حفاظتی عمومی به گونه ای صنعتی و پیشرفته دارا هستند و به همین دلیل دانشمندان پیوسته در اندیشه بهینه ساختن سیستم های مخابرات سیار هستند.