فناوری شبکه سلولی سیار نسل سوم

 

ارائه شده در سمینار فناوری اطلاعات دانشگاه اسلامشهر بهمن  85

 

این مقاله به صورت PDF می باشد

 

حجم این مقاله در حدود 3 مگا بایت می باشد

 

تهیه شده توسط دانشجوی جوان دانشگاه اسلامشهر صادق R

 

پسوورد  این فایل ELEELE.BLOGFA    می باشد.

 

 

 

 

        فناوری شبکه سلولی سیار نسل سوم

 

 

 

 

        تهیه و تنظیم : دانشجوی رشته برق و الكترونیك دانشگاه آزاد اسلامی اسلامشهر

 

 

 

        چكیده مطالب:

 

        شبکه های نسل سوم (3G) و فراتر از آن (Beyond 3G or 3.5G):

 

شبکه‌های نسل سوم، نسلی از فن آوری بدون سیم هستند که نرخ ارسال داده بالاتری را نسبت به نسلهای قبلی، امکان‌پذیر می‌سازند. این نرخ داده بالا، شبکه‌های نسل سوم را قادر می‌سازد تا بتوانند سرویس‌های چندرسانه‌ای را علاوه بر سرویس‌های داده ارائه کنند...

        خانواده W-CDMA:

W-CDMA (UMTS): این استاندارد با استفاده از پهنای باند MHz 5 برای هر کانال، در لینک رفت (به سمت مشترک) نرخ اطلاعات Mbps 2 و در لینک برگشت (به سمت BS) نرخ اطلاعات Kbps 384 را پشتیبانی می‌کند...

        خانواده CDMA 2000:

CDMA 2000 1X: این استاندارد اولین فناوری 3G در جهان بود که با پهنای باند MHz 25/1 برای هر کانال، بصورت تجاری وارد بازار شد.

CDMA 2000 1X EV-DO: این استاندارد در سال 2002 بعنوان استاندارد بهینه شده دیتا برای CDMA 2000 تعیین شده است و به آن 1X EV فاز اول نیز گفته می‌شود، یک حامل جداگانه برای دیتا فراهم نموده است و که در لینک رفت (به سمت مشترک) نرخ اطلاعات Mbps 4/2 را پشتیبانی می‌کند...

        خانواده TD-SCDMA:

این استاندارد دارای اهداف متفاوتی نسبت به سایر استانداردهای نسل سوم شبکه سلولار است زیرادر سایر استانداردها بدلیل اینکه بر پایه استانداردهای نسل دوم شکل گرفته‌اند، لذا سعی در تقویت کردن سیستم موجود دارند، اما در طراحی TD-SCDMA نگاه متفاوتی به مسأله شده است و دلیل اصلی آن خاستگاه شرقی این فنآوری، یعنی چین است؛ گرچه اجزای شبکه آن بمنظور ارتقای GSM بهینه شده است،اما استاندارد واسط هوایی آن با استفاده از فنآوری‌های موجود از لحاظ ظرفیت و انعطاف‌پذیری بهینه شده است...

 

 

 

        مقدمه

 

 

 

تقدیم به:

 

        صاحب العصر و الزمان(عج) «بقیه ا... فی ارضه»

        روح بلند امام راحل(ره) و شهدای عزیز انقلاب

        مقام معظم رهبری و فرماندهی معزّز کل قوا

        و استاد گرانقدر استاد اتقیایی كه جوانی خود را در راه تدریس به جوانان صرف نموده اند .

 

 

 

بطور کلی اتحادیه بین‌المللی مخابرات یا ITU برای نسل سوم سیستم‌های ارتباطی سیار، پنج استاندارد را که موسوم به IMT-2000 (International Mobile Telecommunication-2000) هستند را به شرح زیر تعیین کرده است:

سه استاندارد مبتنی بر CDMA که عبارتند از: CDMA 2000، W-CDMA و TD-SCDMA.

دو استاندارد مبتنی بر TDMA که عبارتند از: FDMA/TDMA و TDMA-SC.

استانداردهای نسل سوم ارتباطات سیار سلولار می‌بایست خواسته‌های زیر را تأمین کنند:

1)         حداقل نرخ اطلاعات Mbps 2 در محیط‌های ثابت (Fixed) یا داخل ساختمان‌ها.

2)         حداقل نرخ اطلاعات Kbps 384 در محیط‌های شهری و یا در هنگام راه‌رفتن کاربر.

3)         حداقل نرخ اطلاعات Kbps 144 برای کاربرانی که دارای سرعت بالا هستند.

 

 

        فرایند تحول در نسلهای مخابرات سیار

 

 

        نمایی از فن آوری های نسل سوم:

 

 

        خانواده CDMA 2000:

CDMA 2000 1X: این استاندارد اولین فناوری 3G در جهان بود که با پهنای باند MHz 25/1 برای هر کانال، بصورت تجاری وارد بازار شد.

CDMA 2000 1X EV-DO: این استاندارد در سال 2002 بعنوان استاندارد بهینه شده دیتا برای CDMA 2000 تعیین شده است و به آن 1X EV فاز اول نیز گفته می‌شود، یک حامل جداگانه برای دیتا فراهم نموده است و که در لینک رفت (به سمت مشترک) نرخ اطلاعات Mbps 4/2 را پشتیبانی می‌کند.

CDMA 2000 1X EV-DO Rev.A: در این استاندارد، لینک رفت (به سمت مشترک) نرخ اطلاعات Mbps 1/3 و لینک برگشت (به سمت BS) حداکثر تا Mbps 8/1 قابل دسترسی است. بر اساس این استاندارد اپراتورها می‌توانند سرویس‌هایی از قبیل VOIP با کیفیت خطوط کابلی، مکالمه بلادرنگ (Push-to-Talk)، بازی‌ همزمان میان کاربران، تصویر بمحض درخواست (Video on-demand)، پیام‌های تصویری و امکان دریافت (Download) فایل‌های حجیم را ارائه کنند. این استاندارد از فناوری‌های CDMA و OFDM استفاده می‌کند.

CDMA 2000 1X EV-DO Rev.B: این نسخه از CDMA 2000، قابلیت استفاده همزمان از چند کانال را ارائه می‌دهد؛ در این قابلیت اپراتور می‌تواند چندین کانال MHz 25/1 را بطور همزمان جهت انتقال دیتا به کاربر اختصاص دهد. در اولین پیاده‌سازی این استاندارد، برای لینک رفت (به سمت مشترک) نرخ اطلاعات Mbps 3/9 و برای لینک برگشت (به سمت BS) نرخ اطلاعات Mbps 4/5 قابل حصول گشت. شایان ذکر است که این استاندارد بطور تئوری قابلیت آنرا دارد که با استفاده از چندین کانال با مجموع پهنای باند MHz 20 ، در لینک رفت (به سمت مشترک) نرخ اطلاعات بیش از Mbps 75 و برای لینک برگشت (به سمت BS) نرخ اطلاعات Mbps 27 را پشتیبانی می‌کند.

CDMA 2000 1X EV-DV: این استاندارد که به آن 1X EV فاز دوم نیز گفته می‌شود، انتظار می‌رود در لینک رفت (به سمت مشترک) نرخ اطلاعات Mbps 3 تا Mbps 5 را پشتیبانی کند.

 

 

        خانواده W-CDMA:

W-CDMA (UMTS):

 این استاندارد با استفاده از پهنای باند MHz 5 برای هر کانال، در لینک رفت (به سمت مشترک) نرخ اطلاعات Mbps 2 و در لینک برگشت (به سمت BS) نرخ اطلاعات Kbps 384 را پشتیبانی می‌کند.

 

HSDPA/HSUPA W-CDMA:

این استاندارد بر روی شبکه‌های W-CDMA  پیاده‌سازی می‌گردد. در HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) و در بهترین حالت در لینک رفت (به سمت مشترک) نرخ اطلاعات Mbps 4/14 قابل دستیابی است. همچنین در HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) در بهترین حالت و در لینک برگشت (به سمت BS) نرخ اطلاعات Mbps 76/5 قابل حصول است. شایان ذکر است با استفاده از آنتن‌های هوشمند MIMO (Multi Input-Multi Output) امکان افزایش نرخ اطلاعات در لینک رفت (به سمت مشترک) تا بیش از    Mbps 30 نیز وجود دارد.

 

        خانواده TD-SCDMA:

این استاندارد دارای اهداف متفاوتی نسبت به سایر استانداردهای نسل سوم شبکه سلولار است زیرادر سایر استانداردها بدلیل اینکه بر پایه استانداردهای نسل دوم شکل گرفته‌اند، لذا سعی در تقویت کردن سیستم موجود دارند، اما در طراحی TD-SCDMA نگاه متفاوتی به مسأله شده است و دلیل اصلی آن خاستگاه شرقی این فنآوری، یعنی چین است؛ گرچه اجزای شبکه آن بمنظور ارتقای GSM بهینه شده است،اما استاندارد واسط هوایی آن با استفاده از فنآوری‌های موجود از لحاظ ظرفیت و انعطاف‌پذیری بهینه شده است.

این استاندارد از چهار فنآوری مختلف شامل: تقسیم زمانی، تقسیم با کد، تقسیم فرکانسی و تقسیم مکانی استفاده می‌نماید(!). این استاندارد برای کاربردهای دیتا بهینه شده و علاوه بر پشتیبانی از پهنای باند متغیر در هر مسیر، قابلیت ویژه‌ای نیز در پشتیبانی از نسبت متغیر پهنای باند دارد. این استاندارد در سه باند فرکانسی MHz 410-400 برای صوت و داده بسیار محدود، MHz1805-1785 برای صوت و داده محدود و GHz 4/3-3/3 برای صوت و داده باند پهن ارائه شده است.

 

        سیرتکاملی تعداد کاربران

 

به طور مثال یک ایستگاه پایه شبکه مبتنی بر فنآوری TD-SCDMA، قابلیت پشتیبانی از 6000 مشترک صوت و 1000 مشترک داده را دارد که در یک پیاده سازی عملی نیز این عملکرد تأیید شده است.

 

 

        مقایسه سیستم های نسل 2 و 3

 

        ویژگیهای سیستم WCDMA

 

 

 

پارامترهای فنی

Frequency Band 2110-2170 MHz (DL) / 1920–1980 MHz (UL)

Channel Band Width       5 MHz

Modulation         QPSK (DL) / BPSK (UL)

Chip Rate          3.84 Mcp/s

Frequency Reuse           1

Channel Coding  Convolutional Coding / Turbo Coding

Pulse Shaping    Root Raised Cosine (roll-off = 0.22)

Max. User Data  2.3 Mb/s

Frame Length    10 ms (38400 Chips)

No. Slots/Frame 15

Spreading Factor            4 – 512 (DL)  /  4 – 256 (UL)

 

 

سرویسهای مطرح شده در سیستمهای WCDMA 

Service profile    Data Rate          Transmission Method      Sample Application

Voice    12.2 kb/s           Circuit Switched Voice Calls

Simple Message 14 kb/s Packet Data       SMS , MMS

Circuit Switched Data      14.4 kb/s           Circuit Switched E-Mail

Medium Multimedia        384 kb/s            Circuit Switched Online Gaming

High Interactive Multimedia         128 kb/s            Packet Data       Video-Call

High Multimedia 2 mb/s  Packet Data       Video-Streaming

 

 

 

 

        نمونه های کاربری

 

 

 

 

        مزایای كاربردی شبكه سلولار مبتنی بر CDMA

 

شبکه‌های نسل سوم برای کاربران، امکان ارسال و دریافت صوتِ با کیفیت و همراه با امکان تبادل اطلاعات (دیتا) را فراهم می‌کند که کلیه نیازهای فعلی سازمانی را تحت پوشش قرار خواهند داد. سرویس‌های زیر در این قالب برای کاربران متحرک قابل ارائه هستند:

ارتباط با اینترنت

ارسال و دریافت پست الکترونیک

سرویس‌های چندرسانه‌ای (Multi Media) از قبیل ارسال و دریافت تصویر، فیلم و...

امکان ارائه بازی‌های چندکاربره همزمان

قابلیت ویدئو کنفرانس

سرویس‌های بدون تأخیر همانند مکالمه بلادرنگ (Push-to-Talk) و پیام‌های تصویری بدون تأخیر (Push-to-Video)

بدلیل IP-Base بودن هسته مرکزی شبکه، امکان تعامل و همکاری میان تمام شبکه‌هایی که دارای زبان مشترک IP هستند، وجود دارد؛ لذا امکان یکپارچه‌سازی شبکه‌ها از این طریق بسیار مناسب است.

ارائه سرویس‌های مبتنی بر مکان (Location Based)

توسط شبکه، خدمات لازمی که بر اساس موقعیت جغرافیایی مشترک قابل ارائه هستند مانند: نقشه خوانی، اعلام نزدیکترین بیمارستان، اورژانس، پمپ بنزین و...، راهبری (کنترل ترافیک)، خدمات گردشگری و... به مشترکینی که عضو این سرویس هستند ارائه می گردد.

 

 

قابلیت تصویر در تصویر PiP (Picture in Picture) برای کنفرانس ویدئویی چندنفره.

با استفاده ازاین قابلیت، کلیه افرادی که در یک کنفرانس ویدئویی شرکت می کنند، امکان مشاهده تصویر زنده یکدیگر را خواهند داشت.

 

 

 

 

امکان استفاده از گوشی‌هایی که همزمان انواع شبکه‌های سلولار نظیر    GSM ، UMTS ، HSDPA  و TD-SCDMA را پشتیبانی می‌کند.

 

 

ارائه سرویس VoIP مستقل از سیستم سوئیچینگ.

نرخ اطلاعات در HSDPA W-CDMA و TD-SCDMA HSDPA بگونه‌ای است که حتی در زمره نسل سه توسعه‌ یافته قرار گرفته و به سمت نسل چهارم (4G) در حال ارتقاء هستند.

یکی از نکات بسیار مهمی که در خصوص نسل جدید شبکه‌های ارتباطی سلولار پیشنهاد شده عبارت است از Backup بودن حالت VoIP برای مشترکین؛ مزیت بالای این امر آن است که در شبکه‌های فعلی (نظیر ترانک و GSM) اگر سوئیچ اصلی شبکه منهدم شود، کل شبکه از کار می‌افتد و برای اینکه از این کار جلوگیری شود، در هر BTS یک سوئیچ کوچک قرار داده می‌شود که در اینصورت هزینه شبکه افزایش می‌یابد؛ ولی در شبکه‌های سلولار جدید، با استفاده از Gatewayهای IP هر سلول، در صورتی که سوئیچ اصلی شبکه منهدم شود، موبایل‌های مشترکینی که VoIP را پشتیبانی می‌کنند، می‌توانند بدون نیاز به سوئیچ از شبکه استفاده نمایند زیرا VoIP نیاز به سوئیچ ندارد؛ شایان ذکر است که موبایل‌هایی که هم VoIP و هم CDMA را پشتیبانی کنند در بازار وجود دارد که می‌تواند برای کاربران نظامی گزینه بسیار ارزشمند و وسیله‌ای مطمئن باشد.

 

استفاده از آنتن‌های هوشمند در شبکه نسل سوم (منحصراً شبکه مبتنی بر فنآوری    TD-SCDMA) مزیت منحصر به فرد این شبکه‌ها را اثبات می‌کند. در شبکه‌هایی که از آنتن هوشمند بهره نمی‌برند، امواج در تمام فضا منتشر می‌شوند و بخشی از آن به مشترک مورد نظر می‌رسد؛ اما در شبکه‌هایی که از آنتن هوشمند استفاده می‌کنند، ایستگاه پایه پس از پردازش‌های لازم و تعیین مکان و موقعیت مشترک مورد نظر، با تغییر الگوی تشعشعی آنتن (پترن) اطلاعات را فقط به سمت مشترک مورد نظر ارسال می‌کند (شکل زیر).

 

 

این نکته در شبکه‌هایی با کاربرد نظامی از آن جهت حائز اهمیت است که اولاً تشعشع آنتن در جهات غیر لازم کاهش یافته که نتیجه آن عدم ارسال سیگنال به سمت دشمن است و ثانیاً بدلیل تمرکز توان امواج در جهت مطلوب، ارسال با توان پائین‌تری انجام خواهد شد که ضمن صرفه‌جویی در منابع، سیگنال اصلی کمتری در جهات نامطلوب منتشر شده و پوشش بهتری نیز بدست خواهد آمد (شکل زیر).

 

 

        وضعیت کاربران شبکه های نسل سوم و فراتر از آن در دنیا:

در حال حاضر 224 اپراتور شبکه‌هایCDMA  3G در 95 کشور جهان در حال فعالیت هستند و تا تیرماه 85 (ژوئن 2006) بیش از 324 میلیون نفر کاربر شبکه‌های نسل سوم سلولار در سراسر جهان هستند.

اپراتور KDDI ژاپن پس از چهار سال از شروع به کار، 22 میلیون مشترک         CDMA 2000 دارد.

اپراتور NTT DoCoMo ژاپن بیش از 22 میلیون کاربر W-CDMA دارد.

در کره بیش از 5/36 میلیون کاربر CDMA 2000 وجود دارد که بیش از 8/12 میلیون نفر از آنها از خدمات 1X EV-DO استفاده می‌کنند.

 

در آذر 83 (دسامبر 2005) اولین شبکه HSDPA عرضه شد و در پایان دیماه 84 (ژانویه 2006) تعداد شبکه‌های آماده بکار و در حال برنامه‌ریزی HSDPA در جهان بالغ بر 50 شبکه بود.

اپراتور SKTelecom  کره جنوبی تا پایان سال 2006 در بیش از 80 شهر کره با هزینه‌ای در حدود 780 میلیون دلار، شبکه HSDPA را راه‌اندازی می‌نماید.

در حال حاضر 14 شبکه مبتنی بر HSDPA در سراسر جهان در حال بهره برداری بوده و 68 شبکه برای اجرا برنامه ریزی شده است.

در استرالیا اپراتور TELSTRA فنآوری HSDPA W-CDMA را برای ارائه خدمات صوت و داده بجای فنآوری WiMAX برگزیده است.

در جریان حادثه سونامی، شبکه TD-SCDMA در مدت زمان 3 ساعت نصب و عملیاتی شده است.

 

        سیر تکاملی فنآوری TD-SCDMA:

 

 

        نمونه ای از خدمات نسل جدید شبکه سلولار مبتنی بر فنآوری TD-SCDMA:

 

 

 

پایانه قابل حمل و نقل (Portable) شبکه TD-SCDMA:

 

 

بدون نیاز به نصب آنتن و تغذیه بیرونی

بدون نیاز به دید مستقیم (Non Line of Sight)

پشتیبانی از نرخ ارسال و دریافت Mbps 2 (حداکثر)

قابل حمل و نقل

دارای وزن 170 گرم

توان ارسالی: dBm EIRP 27

دارای خروجی اترنت (Ethernet) و USB جهت اتصال به رایانه

 

 

پایانه بی سیم رومیزی (Fixed Wireless) شبکه TD-SCDMA:

 

پیش تعریف شماره IP در گیرنده

نمایشگر شماره تماس گیرنده (Caller ID)

قابلیت انتقال تماس (Call-Forwarding)

قابلیت انتظار مکالمه (Call-Waiting)

دارای باطری داخلی

صدور فوری صورتحساب (Instant Billing)

قابلیت تعریف محدودیت تماس (Call Restriction)

امکان ایجاد شبکه های منعطف (Flexible Networking)

 

کارت PCMCIA شبکه TD-SCDMA برای رایانه های قابل حمل (Laptop):

 

ارسال و دریافت اطلاعات از Kbps 500 تا Mbps 1

قابل اتصال به تمام رایانه های قابل حمل

 

 پایانه IAD جهت ارائه سرویسهای یکپارچه صوت و دیتا در شبکه TD-SCDMA:

 

32، 64، 92 پورت خروجی صوت و 8 رابط اترنت (Ethernet)

پشتیبانی از NAT (Network Address Translator) و PPPoE (Point-to-Point Protocol over Ethernet) جهت شبکه سازی رایانه ها بدون استفاده از یک سرویس دهنده مرکزی

 پشتیبانی از پروتکل های MGCP و SIP

لینک بالا (به سمت BTS) Mbps 1

لینک پائین (به سمت مشترک) Mbps 2

پشتیانی از ارتقاء نرم افزاری از راه دور

و...

 

 

        وضعیت شبکه های سلولار نسل سوم در جهان:

 

        نمونه ای از پیاده سازی شبکه سلولار مبتنی بر فنآوری W-CDM HSDPA:

 

اپراتور Orange فرانسه با همکاری Nortel، بطور آزمایشی یک شبکه سلولار مبتنی بر فنآوری HSDPA را در قسمت مرکزی شهر لیون فرانسه برای تعداد 200 مشترک تاجر انتخاب شده، با تعداد 10 سایت اصلی (BTS) در یک مقطع زمانی سه ماهه راه اندازی نمود.

سرویس های اصلی این شبکه که به کاربران ارائه شد، عبارت بودند از: درخواست لحظه ای فیلم    (Video On demand)، تلویزیون زنده با کیفیت بالا، دفتر کاری مجازی پیشرفته، ویدئوکنفرانس، پست الکترونیک و جست و جو در اینترنت.

در نتیجه این آزمایش عملی که با پوشش تقریبی 70 کیلومتر مربع از قسمت مرکز شهر لیون شامل فضاهای داخلی و محیط بیرونی ساختمانها بود، میانگین نرخ داده Kbps 900 تا Mbps 8/1 بدست آمد.

 

            مراجع

 

سمینار معرفی شبكه  ارتباطی  سیار ، یكپارچه و عملیاتی با فناوری نسل سوم