فصل 1

 

 

معرفي سيستمها و شبكه‏هاي سلولي مخابرات سيار

 

 

1-1-سيستمهاي مخابرات سيار

 

1-1-1- مقدمه

سيستمهاي راديويي سيارنقش مهمي را در فعاليتهاي بازرگاني، تجارتي و امور مراقبتي و حفاظتي عمومي بگونه‏اي صنعتي و پيشرفته دارا مي‏باشند. نياز به اين سيستمها و درخواستهاي فراوان براي آن توسط بخشهاي مختلف لزوم ايجاد مقررات خاص راديويي و اختصاص بخش معيني از طيف امواج راديويي را براي اين سيستمها در كشورهاي مختلف ايجادكرده است. باندهاي راديويي150و450 [1] مگاهرتز،همچنين باندراديويي حدود900 مگاهرتز براي سرويسهاي راديوتلفني سيار سلولي (GSM900) و باندПΙ (175-225 مگاهرتز) براي سيستم‏هاي راديويي سيار ترانكي اختصاص داده شده‏اند. باند 1800 مگاهرتز براي سيستم سلولي ديجيتال DCS1800 و باند1900 مگاهرتز براي PCS1900 آمريكايي استفاده ميشود. علاوه براين به نظر مي‏رسدكه به علت افزايش تقاضا درآينده شاهد اختصاص باندهاي ديگري براي اين سرويسها باشيم[2].

عصر مخابرات بي سيم در سال1897 با اختراع تلگراف بي سيم توسط ماركني آغاز شد و اكنون پس از گذشت يك قرن سومين نسل از سيستم هاي مخابرات بي سيم يعني سيستمهاي مخابرات فردي ((PCS[3] پا به عرصه ظهور مي‏گذارد. كاربران چنين سيستمي با استفاده از يك ترمينال دستي كوچك (handset ) خواهند توانست با هركس، در هر زمان و از هر مكان، انواع اطلاعات (صوت و تصوير و ديتا) را مبادله نمايند0

تاريخ كامل مخابرات بي سيم به چهار دوره زير قابل تقسيم است :

1ــ دوره قبل از همگاني شدن اين سيستم ها

2ــ سيستم هاي آنالوگ (نسل اول )

3ــ سيستم هاي ديجيتال نسل دوم

4ــ سيستم هاي ديجيتال نسل سوم (PCS)

دوره قبل از همگاني شدن سيستمهاي مخابرات بي سيم از سالهاي 1950 شروع و تا 1960 ادامه يافت. دراين دوره از مخابرات سيار براي كاربردهاي پليسي، نظامي، كشتيراني، هواپيمايي استفاده مي‏شدوتجهيزات ارسال و دريافت ،حجيم،پرمصرف وگران قيمت بود0

نسل اول در سال هاي 1970 تا1980 بر پايه تكنولوژي آنالوگ واستفاده از مفهوم سلولي براي مصارف عمومي پديد آمد0 ايده اساسي در مخابرات سيار سلولي[4] (MCS)، استفاده مجدد از طيف فركانسي در مناطقي است كه به اندازه كافي از هم دورند ودر نتيجه ميزان تداخل هم كانال[5] ناچيزخواهد بود. استفاده از مخابرات سيارسلولي موجب افزايش چشمگير ظرفيت سيستم،كاهش هزينه، بهبودكيفيت سرويس وكاهش توان موردنياز شد0

سيستم AMPS [6] در سال 1978 راه اندازي شد. اين سيستم در باندفركانسي 800 تا900 مگاهرتز كار مي‏كرد و داراي 666 كانال دوطرفه با پهناي باند 30KHZ و مدولاسيون FM آنالوگ بود. با افزايش بيش از حدتقاضا،سيستم هاي آنالوگ نسل اول قادربه تامين ظرفيت مورد نيازبراي برخي ازمناطق شهري نبودند، درهمين زمان تكنيكهاي مخابرات ديجيتال به رشد لازم جهت كاربردهاي تجاري رسيدند.

سيستم هاي نسل دوم درسالهاي 1980 و1990 با استفاده از تكنولوژي ديجيتال تحقق يافت. GSM [7]، اولين استاندارد MCS تمام ديجيتال در دنياست. اين سيستم درسال 1992 در اروپا به بهره برداري تجاري رسيد وحدوداً دو سال بعد در ايران نصب شد. در اين سيستم موبايل ها از فركانس هاي 890 تا 915 مگاهرتز و ايستگاه پايه‏ها(BS) [8] از فركانسهاي 935 تا960 مگاهرتز براي ارسال سيگنال استفاده مي‏كنند. پهناي باند هر كانال راديويي200 كيلوهرتز است كه توسط 8 كاربر مورد استفاده قرار مي‏گيرد، بنابراين جمعاً 2000 كانال دو طرفه موجود است0

به علت رشد حيرت آور تقاضا براي سرويسهايMCS، تكنولوژيهاي جديدي نظيرCDMA [9] براي بهبود بهره برداري از طيف فركانسي پديد آمد. در CDMA جدايي كانالها با استفاده از كدهاي متعامد صورت مي‏گيرد. پهناي باند هر كانال 23/1مگاهرتز بوده و ترمينالهاي دستي بكار رفته در آن مي‏توانند در سيستم AMPS نيز كار كنند.

امروزه سرويس سيستم هاي ماهواره اي با تامين پوشش در منطقه‏اي كه سيستم هاي زميني از لحاظ فيزيكي يا اقتصادي قادر به تامين سرويس نيستند (مثلاً پوشش هواپيماها، كشتي‏ها و...) مكمل سيستمهاي مخابرات زميني هستند. در سالهاي آينده انواع سيستمهاي مخابرات سيار زميني و ماهواره‏اي و همچنين شبكه هاي سيمي با يكديگر يكپارچه خواهند شد تا بتوانند انواع سرويسهاي صوتي، تصويري و ديتا رابه صورت مجتمع به كاربران واقع در تمام نقاط دنيا عرضه كنند. اين سيستم ها نسل سوم به شمار مي‏آيند و سيستمهاي مخابرات فردي (PCS) ناميده مي‏شوند. بنا بر تعريف FCC [10]،PCS سيستمي است كه با استفاده از آن كاربر مي‏تواند در هر زمانو در هر مكان با هر كس به كمك يك مخابرات فرديواحد[11] (PTN) تبادل اطلاعات نمايد. شكل 1-1 روند تكاملي سيستمهاي مخابرات بي‏سيم را نشان مي‏دهد.

 

شكل1-1-روند تكاملي سيستمهاي مخابرات بي‏سيم

 

1-1-2- اصول سيستم هاي راديويي موبايل

سيستمهاي راديويي موبايل علي‏رغم تنوع زياد سرويسها و مطالب فني، داراي اصول و پارامترهاي مشتركي هستند كه در اين قسمت اشاره مختصري به اين نكات خواهيم داشت.

× فركانسهاي بهره برداري و نوع مدولاسيون

در كليه تشكيلاتي كه از سرويسهاي راديويي سيار بهره برداري ميكنند، عموماً واحدهاي سيارنياز به برقراري ارتباط راديويي با يك ايستگاه كنترل كننده مركزي دارند. در اين سيستمها تعداد زيادي سيار با مركز ثابت مربوط به خود در تماس هستند و معمولاً تشكيلات مختلف مي‏بايستي همزمان و بدون ايجاد تداخل با يكديگرقادر به برقراري تماس مورد نياز باشند. در اين سيستمها نياز به آنتن‏هايي داريم كه به صورت همه جهته[12] و در موازات سطح زمين از ايستگاه ثابت، اطلاعات را پخش و يا جمع آوري نمايند و آنتن‏هاي سيار نيز بايستي با راندمان مناسب و ابعاد منطقي[13] جهت نصب روي واحد سيار باشد. در محيطهاي شهري امواج راديويي بايد قدرت نفوذ و انتشار از ميان ساختمانهاي بلند و مرتفع را داشته باشند. همچنين بعلت محدوديت در باندهاي راديويي، بايد بتوان از باندهاي راديويي مشابه در شهرهاي مختلف كه داراي فاصله مناسبي از يكديگرهستند به صورت مكرر استفاده نمود.

باتوجه به موارد فوق، باندهاي راديوييVHF (150 مگاهرتز) وUHF (450 و900 مگاهرتز) با فرستنده‏هاي با قدرت 30 تا 100 وات و با آنتنهايي باگين صفر تا شش dB كه بصورت همه جهته كار مي‏كنند، در سيستم هاي راديويي سيار جهت انتقال صحبت، فراخواني[14]، انتقال ديتا و مكالمات تلفني استفاده مي‏شود. همچنين جهت صرفه جويي در عرض باند، از كانالهاي راديويي با عرض باند 5/ 12، 25 ،30 و يا50 كيلوهرتز استفاده مي‏شود. نوع مدولاسيون در سيستمهاي آنالوگ عموماً‏ FMبوده است، ولي امروزه با پيشرفت تكنولوژي از انواع مدولاسيون هاي ديجيتال استفاده مي‏شود.

حالتهاي مختلف عملياتي و بهره برداري در اين سيستمها بصورت زير مي‏باشند:

× Single Frequency Simplex : دراين سيستم ها ارتباط ثابت به سيار[15] و سيار به ثابت[16] با يك فركانس و بصورت ترتيبي برقرار مي‏شود(Semi Duplex )

× Simplex Two Frequency : در اين سيستم ارتباط ثابت به سيار و سيار به ثابت باز هم بصورت ترتيبي اما از طريق دو فركانس صورت مي‏گيرد.

×
Duplex : دراين سيستم ها ارتباط ثابت به سيار و سيار به ثابت به طور همزمان وبااستفاده از دو فركانس جداگانه برقرار مي‏شود[17].

 

 

شكل1-2

در سيستمهاي Simplex، واحد سيار به صورت PTT [18]عمل مي‏كند. در صورتي كه فركانسهاي دريافت و ارسال مشابه باشند. سيستم داراي اين حسن است كه واحدهاي سيار نيز در شرايطي كه با توجه به موقعيت زمين و ساختمانها در برد راديويي يكديگر هستند، با يكديگر تماس مستقيم خواهند داشت وداراي اين عيب نيزهست كه ترافيك كانال بعلت امكان كاربرد فوق زياد خواهد شد. در صورتيكه فركانسهاي دريافت و ارسال مشابه نباشند، ارتباط واحدهاي سيار با ايستگاه مركزي برقرارخواهد بود. اغلب جهت كاهش تداخل از اين نوع سيستم استفاده مي‏شود و معمولاً باندهاي ارسال و در يافت با يك فاصله از يكديگر قرار دارند.

در سيستم هاي Duplex، فرستنده و گيرنده به طور همزمان قادر به كار كردن هستند و لذا واحدهاي سيار نياز به دوآنتن جداگانه و يا يك دوطرف كننده[19] خواهند داشت. اين سيستم در انتقال كانالهاي تلفني ضروري مي‏باشد و تقريباً در كليه سيستمهاي راديو تلفني سلولي، نوع ارتباط بصورت Duplex خواهد بود.

در اكثر سيستمهاي عملي جهت برقراري ارتباط مناسب با واحدهاي سيار لازم است تا از يك ايستگاه راديويي مرتفع جهت ارسال و دريافت پيامها استفاده نمود. اما معمولاً ايستگاه مركزي و تشكيلات در موقعيتي قرار دارد كه داراي شرايط مناسب راديويي نمي‏باشد. لذا در اين نوع سيستم ها معمولاً ارتباط ما بين دفتر مركزي وايستگاه راديويي مورد نياز از طريق يك لينك ثانويه كه مي‏تواند تركيبي از كابلهاي تلفني داخل شهري و يك لينك راديويي ماكروويو باشد،برقرار شده و اين لينك ثانويه پيامهاي مركز ثابت را جهت پخش به ايستگاه راديويي VHF انتقال داده و پيامها از آن نقطه براي واحدهاي سيار پخش خواهد شد.

روش ديگر براي ايجاد پوشش راديويي مناسب، استفاده از ايستگاههاي تكراركننده[20] مي‏باشد كه موجب افزايش برد عملياتي ايستگاه مركزي خواهد شد. در اين نوع تكراركننده بدليل امكان كار همزمانبخش فرستنده و گيرنده، فركانس ارسال و دريافت بايد از يكديگر حداقل فاصله اي داشته باشند تا از كاهش حساسيت گيرنده و نوسان جلوگيري بعمل آيد (شكل 1-3 ).

 

 

شكل1-3

 

يكي از اشكالات سيستم با لينك ثانويه نيز آنست كه چنانچه به عللي لينك ثانويه قطع شود، شبكه سيار از كار خواهد افتاد،ولي سيستمشكل3-1 به علت عدم وابستگي به لينك ثانويه دچار اين نوع مشكل نخواهد شد.

در سيستمهاي سيار (مانند راديوهاي دستي)، هيچ يك از مراكز ثابت و سيار از زمان دريافت پيام اطلاعي ندارند و لذا در اين سيستمها معمولاً گيرنده ها درحالت معمولي روشن بوده و آماده دريافت پيام مي‏باشند. از طرف ديگر به علت تغييرات دامنه سيگنال دريافتي در سيستمهاي سيار كه در يك محدوده وسيع انجام مي‏پذيرد، گيرنده مي‏بايستي مجهز به يك مدار كنترل كننده بهره بطور اتوماتيك (AGC) براي تثبيت قدرت سيگنال دريافتي باشد.در نتيجه در زمان‏هايي كه پيامي دريافت نمي‏شود به علت وجود نويز در سيستم، گيرنده‏هايFM مجهز به مداري موسوم به(Mute ياSquelch) هستند كه وجودكارير را درسيگنال دريافتي آشكاركردهوخروجي صوتي را تنها درصورتي كه وجود كارير تشخيص داده شود باز خواهد نمود. بنا براين وجود اين مدار باعث خواهد شد تا در حالت انتظار براي دريافت پيام، گيرنده Mute شده و نويز مزاحم از گيرنده شنيده نشود. از وجود همين مدار جهت ايجاد امكانات احضار انتخابي[21] در سيستم‏هاي راديويي سيار استفاده مي‏شود.

 

 

1-1-3- سيرتكاملي روشهاي احضارگيرنده سيار

 

1-1-3-1- سيستمCTCSS1: در ساده‏ترين سيستم احضار انتخابي كه به سيستمCTCSS معروفاست،فرستنده هموارهكارير را كه با يك سيگنال تن كه در زير باند صحبت(300-3400هرتز) قرار دارد مدوله كرده و ارسال مي‏كند. گيرنده‏ها در اين سيستم وجود اين تن را همراه با كارير تشخيص داده و با دريافت اين تن مدار Mute باز شده، گيرنده پيام دريافتي را پخش خواهد نمود. به عنوانمثال دو ايستگاه A و B را در نظر مي‏گيريم كه مجهز به امكاناتCTCSS بوده وتن اختصاص داده شده به ثابت A برابر77هرتز و تن اختصاص داده شده به ثابت B برابر125هرتز باشد. در اينصورت هرگاهكه بي‏سيمهاي ثابت و سيار در شبكه A با يكديگر صحبت كنند، علي‏رغم آنكه فركانس كارير دو شبكه A وB مساوي هستند، گيرنده هاي B از حالتMute خارج نخواهند شد.

تن هاي استانداردشده براي استفاده در سيستمهايCTCSS در باند67- 250 هرتز قرار دارند.يكي از اشكالاتي كه در اين سيستمها به نظر مي‏رسد آنست كه چنانچه شبكه B همزمان با كار شبكهA در صدد گرفتن تماس باشد، در اينصورت صداي او در شبكه A نيز شنيده خواهد شد. لذا در اين سيستمها، بي‏سيم‏ها مجهز به چراغ اشغال كانال(Busy ) خواهند بود وهر اپراتور قبل از ارسال پيام، بايستي از آزاد بودن كانال اطمينان داشته باشد.

1-1-3-2- سيستم احضار انتخابي

در اين نوع سيستمها ،مركز ثابت جهت انتخاب سيار مورد نظر، كد مربوط به آن مركز را قبل از ارسال پيام پخش كرده و فقط گيرنده‏اي كه مجهز به مدار كدبردار با اين كد باشد، از حالت Mute خارج شده و آماده دريافت پيام خواهد شد. دو سيستم معروف از اين نوع ZVE1 و CCIR نام دارند.

1-1-3-3- سيستم هاي شماره گيري[22]

با توجه به امكانات احضار انتخابي در شبكه راديويي سيار و شماره‏گيري تلفن در يك شبكه تلفن اختصاصي، مي‏توان ارتباط مشتركين شبكه سيار با شبكه تلفن را از طريق اپراتوري كه در مركز ثابت شبكه راديويي قرارگرفته تامين نمود. همچنين با توجه به شناخت نحوه ارسال كد در شبكه سيار و ارسال سيگنالينگ در شبكه تلفن، مي‏توان تبديل اين دو سيستم كدبندي و سيگنالينگ رابه كمك رابط[23] مناسب به صورت اتوماتيك انجام داده و امكان تماس واحد سيار با دستگاه تلفن را فراهم نمود.

تا مدتهاي طولاني موضوع ارتباطات تلفني ازطريق كابلهاي تلفني وانتقال مكالمات صوتي از طريق سيستم هاي سيار دو مطلب كاملاً جداگانه از يكديگر بود و بهمين دليل رشد و توسعهاين دو سيستم بدون ارتباط با يكديگر و با استفاده از استانداردها، مقررات و تكنولوژيهاي جداگانه انجام مي‏شد. جهت اتصال اين دوشبكه به يكديگر در اولين مرحله،

اين امكان ازطريق ايستگاه ثابت و بصورتغيراتوماتيك و از طريق اپراتور و دستگاه رابطي به نامPatchPhone عملي گرديد. بعدها، با استفاده ازتكنيكها، استفاده اشتراكي از كانالهاي راديويي و ارتباط به صورت اتوماتيك در سيستمهاي راديو تلفني سيار، متداول گرديد و سپس شبكه‏هاي راديو تلفني سلولي بوجود آمد.

 

1-1-4- استفاده اشتراكي از كانالهاي راديويي

در اوايل پيدايش سيستمهاي سيار، ابتدا موسوم بود كه به هر تشكيلات و يا سازماني كه خواستار چنين سيستمي بود، يك كانال راديويي تخصيص مي‏يافت.اما به مرور مشكل كمبود طيف فركانسي بروز نمود. با بررسي‏هاي آماري مشخص گرديد كه مشتركين شبكه‏هاي اختصاصيدر درصد كمي از زمان در حال بهره برداري از كانال تخصيص داده شده هستند و لذا واگذاري دائمي يك كانال راديويي به يك مشترك و يا سازمان مناسب نبود. در اين زمان استفاده از كانالهاي راديويي بصورت اشتراكي پيشنهاد شد. در اين روش اختصاص كانال به يك مشترك، براي يك مدت زمان محدود تا پايان زمان مورد نياز براي ارتباط بوده و پس از پايان تماس كانال تخصيص داده شده آزاد و در اختيار ساير مشتركين قرارخواهد گرفت. اين تكنيك، به تكنيك ترانكينگ[24] موسوم گرديده است.

 

 

1-1-5-دستيابي چند گانه و مفاهيم CDMA[25] , FDMA[26], TDMA[27]
در استانداردهاي مختلف سيستم‏هاي مخابرات سيار براي كاربرد بهينه از طيف فركانسي موجود، در پاسخگويي به متقاضيان و كاهش امكان بلوكه كردن[28] مكالمات از روشهاي دستيابي چندگانه استفاده مي‏‏شود. بدين معني كه چندين كاربر مختلف مي‏توانند همزمان در حال مكالمه باشند. در اين راستا از سه تكنيك FDMA , TDMA و يا CDMA استفاده مي‏‏شود. در TDMA از روش تقسيم زماني، در FDMA از روش تقسيم فركانسي و در CDMA از روش تقسيم بوسيله كد بندي استفاده مي‏شود.

1-1-5-1- تكنيك TDMA

در سيستمهاي TDMA يك قاب زماني به كانالهاي مختلف تقسيم مي‏شود و هر كاربر از يك كانال براي ارسال سيگنال خود استفاده مي‏كند. در اينجا براي كانال‏بندي، تقسيمات بر روي باند فركانسي مطرح نيست و هر مكالمه مي‏‏تواند بر روي سراسر باند فركانسي موجود فرستاده شود(شكل1-4).

 

 

شكل1-4

بعنوان مثال در سيستم هاي ديجيتال[29] NA – TDMA از روش دستيابي چند‏گانه TDMA استفاده مي‏‏شود. بدين صورت كه هر فريم زماني 40 ميلي ثانيه اي به 6جز زماني 67/6 ميلي‏ثانيه‏اي تقسيم مي‏شود. مطابق شكل 1-5 در اولين جز زماني سمبلي از مكالمه A فرستاده مي‏شود. درجز زماني بعدي سمبلي از مكالمهB فرستاده مي‏شود. درسومينجز زماني سمبلي از مكالمهC و در نيمه بعدي فريم اين عمل تكرار مي‏گردد. بدين ترتيب بر روي هر كارير سه كاربر مي‏توانند بطور همزمان مخابره داشته باشند. در گيرنده نيز با توجه به فاصله زماني ميان سمبلهاي هر مكالمه سمبلهاي مكالمات مختلف از يكديگر جدا شده و به منظور آشكارسازي در كنار يكديگر چيده مي‏شوند.

 

شكل1-5

 

 

بعنوان نمونه‏اي ديگر از سيستم هايي كه از اين روش استفاده مي‏كنند، مي‏توان سيستم GSM را نام برد. كه در آن هر فريم زماني بطول 615/6 ميلي ثانيه‏ به 8جز زماني تقسيم مي‏شود و در هرجز زماني اطلاعات مربوط به يك كاربر فرستاده مي‏شود. بنابراين روي هر كارير، 8 كاربر مي‏توانند مكالمه همزمان داشته باشند.

1-1-5-2-تكنيكFDMA

درFDMA پهناي باند به كانالهاي مختلف تقسيم شده و هركاربر از يك كانال براي ارسال داده‏هاي خود استفاده مي‏كند(شكل1-6 ). از سيستمهايي كه بطورخالص از اين روش استفاده مي‏كند سيستم AMPS مي‏‏باشد كه درآن پهناي باند به فاصله‏هاي30 كيلوهرتزي تقسيم شده است. علاوه براين، گاهي همين فاصله هاي30 كيلوهرتزي نيز به سه قسمت يا بيشتر تقسيم مي‏گردد كه سيستم AMPS باند باريك (NAMPS) [30] نام دارد. البته در سيستمهاي NA-TDMA و GSM نيز تقسيم فركانسي صورت مي‏گيرد، به طوريكه در NA-TDMA تقسيمات KHZ 30 و در GSM تقسيمات KHZ200 را داريم و مفهوم TDMA در اين پهناي باند 30 ويا 200 كيلو هرتزي اعمال ميگردد بدين ترتيب، اين سيستم ها از هر دو تكنيك TDMA و FDMA استفاده مي‏كنند.

 

 

 

 

 

 

 

 

شكل1-6

 

1-1-5-3-تكنيك CDMA

در اين روش هيچگونه تقسيم باند فركانسي و يا تقسيم زماني صورت نمي‏گيرد، بلكه در اين سيستم‏ها به هركاربر كد خاصي اختصاص مي‏‏يابد وكاربرهاي مختلف از همه باند فركانسي وهمه زمانها مي‏توانند براي ارسال داده‏هاي خود استفاده كنند(شكل1-7).

 

 

 

 

 

 

شكل1-7

 

1-2- شبكه هاي سلولي مخابرات سيار

 

1-2-1- كليات طرح سلولي شبكه‏ها

سيستممخابرات سيار مورد استفاده در يك منطقه جغرافيايي بايد به‏ گونه‏اي باشد كه ازلحاظ مخابراتي تمام منطقه را تحت پوشش قراردهد و اصطلاحاً هيچ نقطه كوري از ديد امواج راديويي باقي نماند. از طرف ديگر اختصاص فركانس هاي كارير مورد استفاده بايد به صورتي باشد كه تداخل فركانسي در سيستم ايجاد نگردد. به دلايل مذكور هنگام پياده سازي سيستم موبايل در يك منطقه جغرافيايي، منطقه مربوطه را به مناطق كوچكتري به نام سلول[31] تقسيم‏بندي مي‏كنند. آنگاه فرستنده را در سلول قرار مي‏دهند. در اينصورت سرويس‏دهي تنها درمنطقه اي كه سلول‏بندي شده است ممكن مي‏گردد. لازم بذكر است كه اگر بخواهيم درجاده‏هاي خارج از شهر ارتباط داشته باشيم بايد جاده‏ها را نيز سلول بندي كنيم. در اين صورت مي‏توانيم از سلولهاي بزرگتر ويا سلولهاي طولي استفاده كنيم.

شبكه هاي سلولي دو مزيت عمده دارند. يكي از آنها استفاده مجدد از فركانس كارير[32] با رعايت فاصله جغرافيايي است. مزيت ديگر شكافتن سلولها[33] است. بدين معني كه در طرح اوليه شبكه سلولي مخابرات سيار، سلول رابزرگ انتخاب مي‏كنند و در صورت افزايش تعداد مشتركين مي‏توان سلول را به سلول هاي كوچكتري تقسيم كردواصطلاحاً سلول را شكافت. در نتيجه با گذاشتنBTS هاي اضافه، تعداد مشترك بيشتري را مي‏توان سرويس داد.

1-2-2- شكل سلول ها در طرح اوليه

شكل سلول ها در طرح اوليه به نوع آنتن ها و قدرت خروجي مورد استفاده توسط هر BTS بستگي دارد. معمولاً دو نوع آنتن استفاده مي‏شود. آنتنهاي همه‏جهته كه در تمامي جهات قدرت فرستنده منتشر مي‏گردد و ديگري آنتن هاي جهتي[34]كه بصورت چندتايي بطوريكه مجموعاً همه جهات را پوشش دهند، در كنار هم استفاده مي‏گردد. حال دو BTS با آنتن هاي همه‏جهتهرا در نظر مي‏گيريم. ناحيه تحت پوشش هر يك سطح يك دايره خواهد بود. مرز ناحيه پوششي آنها مجموعه نقاطي هستند كه قدرت سيگنال رسيده از دو BTS يكسان باشد. طبق شكل1-8،اين مرز يك خط مستقيم خواهد بود.

 

شكل1-8

اگر استدلال فوق را براي BTS هاي همسايه انجام دهيم، مرز نواحي پوشش بصورت يك شش‏ضلعي منتظم خواهد بود كه طرح اوليه سلول مي‏باشد. البته بايد توجه داشت كه در يك منطقه جغرافيايي، انتشار امواج راديويي به ناهمواريهاي زمين بستگي دارد و نقشه واقعي سلولها بصورت شش ضلعي منتظم نيست.

1-2-3-نحوه توزيع فركانس

سرويس‏هاي مخابرات سيار سلولي بعلت استفاده مجدد از طيف فركانسي يكسان در سلولهايي كه به اندازه كافي هم دورند نقطه عطفي در افزايش ظرفيت سيستمهاي مخابرات بي‏سيم به شمار مي‏آيند. استفاده از اين سيستمها در سالهاي اخير رشد بسيار سريع داشته است. همانطور كه قبلاً ذكر شد يك سيستم مخابرات سلولي شامل تعدادي ايستگاه پايه (BS) است كه هر كدام قسمتي از ناحيه سرويس‏دهي را پوشش مي‏‏دهند و هر يك از نواحي سلول ناميده مي‏شوند و بنا به فرض سلول ها را به شكل شش‏ضلعيهاي منتظم با آنتنهاي همه‏جهته در نظر مي‏گيريم.

1-2-3-1-تداخل

اكنون انواع تداخل را شرح داده، سپس نحوه توزيع و تكرار فركانس را با هدف داشتن كمترين ميزان تداخل مطرح مي‏‏نماييم. تداخل در سيستم هاي راديويي سيار بعلت كاركردن همزمان چندين ايستگاه راديويي در يك منطقه به وقوع مي‏‏پيوندد. بعلت استفاده مشترك اين ايستگاهها از يك فركانس و يا از فركانس كانالهاي مجاور و محدوديت در اختصاص فركانس جداگانه به ايستگاههاي مختلف، اين اشكال ايجاد شده و به بعنوان عامل اصلي محدودكننده كيفيت و عملكرد سيستم خواهد بود. عامل ديگري كه در درجه بعدي اهميت، كيفيت سيستم را محدود مي‏‏كند، نويز مي‏‏باشد. بطور عمده دو نوع تداخل در سيستمهاي سيار داراي اهميت هستند. يكي تداخل هم‏كانال و ديگري تداخل با كانال‏مجاور[35].

 

× تداخل هم كاناله

اين نوع تداخل هنگاميكه چندين ايستگاه در يك ناحيه، از يك فركانس و كانال مشترك راديويي استفاده مي‏‏كنند، بوجود مي‏آيد. بخاطر محدوديت تعداد فركانسها و استفاده هر چه بهتر از فركانسهاي واگذار شده، اين نوع تداخل اجتناب ناپذير است و مي‏‏بايستي شرايط را در يك سيستم طوري طراحي نمود تا مزاحمت اين نوع تداخل به حداقل كاهش يابد.

فرض كنيد كه در يك سيستم راديو موبايل سلولي، هر سلول داراي پوششي در شعاع R بوده و فاصله سلولهاي با فركانس مشترك برابر D باشد. در اينصورت نسبت با نام ضريب كاهش تداخل هم‏كانال[36] بعنوان يك كليد براي طراحي اين نوع سيستمها مورد استفاده قرار مي‏‏گيرد. اين پارامتر را مي‏‏توان براي نسبتهاي مختلف سيگنال به تداخل(C/ I ) محاسبه كرد. معمولاً در سيستم هاي راديويي سلولي اين نسبت را حداقل 18 dB (1/63) در نظر مي‏‏گيرند و مي‏‏بايست نامساوي زير برقرار شود:

در نتيجه

با نتيجه بدست آمده، اگر شعاع هر سلول مثلاً 6 كيلومتر باشد فاصله دو سلول با فركانس مشترك بايد حداقل 28 كيلومتر باشد.

 

× تداخل باكانال مجاور

اين تداخل به علت استفاده از دو فركانس مختلف اما نزديك بهم در دو ايستگاه با فاصله كم پيش مي‏‏آيد و كنترل بيشتري مي‏توان روي آن داشت. فيلتر ورودي گيرنده و مشخصات گيرندگي آن كمك ارزنده‏اي در اين مورد خواهد نمود. با كمك فيلترهاي مذكور و اختلاف فاصله دو ايستگاه نسبت به گيرنده مورد نظر، نسبت قدرت كارير به قدرت تداخل همجوارC/A[37] افزايش يافته و به بهبود كيفيت كمك خواهد نمود. چنانچه مشخصه فيلتر ورودي گيرنده را با a نشان دهيم. مقادير مختلف برحسب نسبت فاصله دو ايستگاه تا واحد سيار طبق معادله زير بدست مي‏‏آيد :

در شكل1-9 معادله فوق به ازاء مقادير مختلفa ترسيم گرديده است. درGSM معمولاً از آنتنهايي با a= 6 dB / dec استفاده مي‏شود.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شكل1-9

 

1-2-3-2-الگوي تكرار فركانس

با توجه به آنچه تا كنون ذكر شد، يك كانال راديويي خاص كه در سلولي با شعاع R مورد استفاده قرار گرفته است، مي‏تواند در سلولهاي ديگري كه به فاصله D ازسلول اول قرار دا رند، دوباره به كار رود، به شرط آنكه نسبت D/R به اندازه‏اي انتخاب شود كه ميزان تداخل هم كانال از حد معيني كمتر باشد.

در شكل1-10 سلولهايي كه با تا مشخص شده‏اند تشكيل يك خوشه[38] هفت سلولي (7=K)مي‏‏دهند. تمامي‏‏كانالهاي راديويي در اين خوشه قرار مي‏گيرند و همين كانالها مجددا"درهر يك ازخوشه‏هاي مجاور بكار مي‏‏رود. به عنوان مثال سلول هايي كه با و و و و مشخص شده‏اند از كانال هاي يكساني استفاده مي‏‏كنند و حداكثر فاصله ممكن را از يكديگر را دارند.

 

 

شكل1-10

در ساختار متشكل از شش ضلعيهاي منتظم داريم:

در رابطه فوق D فاصله دو سلول هم كانال R شعاع سلول ها و K تعداد سلولهاي يك خوشه است. براي محاسبه پارامتر C/I (نسبت قدرت سيگنال مورد نظر دريافتي به قدرت سيگنال ناخواسته دريافتي) ،فرض مي‏كنيم كه توان دريافتي متناسب با است كه در آن d فاصله فرستنده تا موبايل است و برابر مقدار ثابتي است. نسبت كارير به تداخل از رابطه تقريبي زير بدست مي‏‏آيد:

اگررا مساوي چهار در نظر بگيريم، با توجه به روابط فوق C/I= 18.66 ,D/R=2.5 بدست مي‏‏آيد. هرچه تعداد سلولهاي موجود دريك خوشه (K) بيشتر شود C/I افزايش مي‏‏يابد و در نتيجه كيفيت ارتباطات بهتر مي‏‏شود. اما تعداد كانالهاي راديويي موجود در يك خوشه ثابت است؛ بنابراين اگر ابعاد سلولها تغييري نكند با افزايشK تعداد كانالهاي اختصاص يافته به واحد سطح منطقه تحت پوشش، كاهش مي‏‏يابد. بعنوان مثال تعداد كانالهاي موجود در واحد سطح براي K = 12 ، تعداد كانالهاي موجود در واحد سطح براي K = 7 است؛ بنابراين با افزايش K و ثابت ماندن ابعاد سلولها، ظرفيت سيستم در واحد سطح منطقه تحت پوشش كاهش مي‏‏يابد . انتخاب K بايد به نحوي باشد كه مصالحه‏اي ميان ظرفيت و كيفيت سيستم پديد آيد. در عمل بعلت اينكه شكل سلولها به حالت دايره اي نزديك نيست و نمي‏‏توان ايستگاههاي پايه را دقيقاً در محل مورد نظر قرارداد، مقدار C/I واقعي از مقدار محاسبه شده كمتر است؛ بنابراين لازم است كه طراحي با توجه به بدترين حالت صورت گيرد تا دستيابي به C /I مطلوب تضمين شود.

روش ديگر براي كاهش تداخل هم كانال استفاده از آنتن هاي جهتدار است. با استفاده از سه آنتن جهتدار كه هر كدام يك قطاع 120 درجه را پوشش مي‏‏دهند توان تداخل در سلولهاي همكانالي كه خارج ازدهانه آنتن واقع مي‏‏شوند بسيار كاهش مي‏‏يابد . نسبت C/I براي سيستمي‏‏با سكتورهاي 120 درجه حدود 16 برابر حالت معمولي و براي سكتورهاي با زاويه 60 درجه خيلي بيشتر از اين مقدار است .

كارآمدترين روش افزايش ظرفيت كوچكتر كردن سلولهاست كوچك كردن سلولها به روش تقسيم سلولي[39] صورت مي‏‏گيرد. دراين روش فاصله بين ايستگاههاي پايه مجاور نصف و تعداد ايستگاههاي پايه در محدوده پوشش سيستم چهار برابر مي‏‏شود. بنابراين مساحت سلولهاي جديد مساحت سلولهاي قبلي و تعداد كانالها در واحد سطح منطقه تحت پوشش چهار برابر خواهد شد. به اين ترتيب ضمن افزايش ظرفيت، كاهش تداخل نيز خواهيم داشت لازم بذكر است كه بدليل كوچك شدن شعاع سلولR)) تنها مساله اي كه اين روش را محدود مي‏‏كند محدوديت در بنا كردن تعداد بسيار ايستگاه BS است .

1-2-3-3- تخصيص كانال [40]

يكي ديگر از مسائل مهم در طراحي سيستمهاي مخابراتي سيار تخصيص كانال به هريك از سلولهاست. متداولترين روش، تخصيص كانال ثابت[41] (FCA) ، در سيستمهايي نظير GSM و AMPS است. در اين روش كانالهاي موجود به دسته هاي مجزا تقسيم مي‏‏شوند و بطور دائمي‏‏ به سلولها اختصاص مي‏‏يابند. هدف در اين روش حداقل نمودن تداخل هم كانال (افزايش C/I ) و تداخل ناشي از كانال مجاور ( افزايش C/A ) است. براي اين منظور دسته كانالهاي هم فركانس در بيشترين فاصله ممكن از يكديگر قرار مي‏‏گيرند وكانالهايي كه فركانس نزديك بهم دارند در سلولهاي مجاور بكار گرفته نمي‏‏شوند. نحوه تخصيص فركانسها با توجه به شكل1-11 بهتر مشخص مي‏‏شود.

 

شكل1-11-نحوه تخصيس فركانسها در سيستم AMPS

شكل مذكور براي سيستم AMPS با فاصله فركانسي 30KHZ براي هر كارير طراحي شده است. طبق توضيحي كه در ادامه آورده مي‏‏شود تعداد 124 كارير از شكل فوق براي سيستم كنوني( TDMA ) مورد استفاده قرار مي‏‏گيرد. براي از بين بردن تداخل در استفاده مجدد از فركانسهاي مشابه بايد حداقل فاصله‏اي كه بين دو سلول هم فركانس تعيين مي‏‏شود رعايت گردد كه در اينصورت تداخل به حداقل مي‏‏رسد. چنانچه فرضا از 21 گروه فركانسي استفاده كرده باشيم كه در سه گروه A, B, C و از1 تا 7 تقسيم بندي شده اند (مطابق شكل 1-11)، مشاهده مي‏‏گردد فركانسهاي مشابه كاملاً از هم فاصله دارند و اين فاصله ( 21 كانال ) در تمام ماتريس رعايت شده است . با توجه به محدوده فركانسهاي UPLINK , DOWNLINK در GSM پهناي باند كل سيستم MHZ25مي‏‏باشد. از آنجاييكه فاصله فركانسي بين هر دو كارير KHZ200 در نظر گرفته شده است، لذا تعداد 124 فركانس كارير در يك الگوي تخصيص فركانس طبق شكل 1-11 قابل استفاده مي‏‏باشد. نهايتا تعداد كل كانالهاي مورد استفاده در يك الگوي فركانسي برابر 922 (992 = 8* 124 ) كانال مي‏‏باشد.

يكي از مشكلات FCA عدم سازگاري با تغييرات بار ترافيكي است. اگر در سلولي بار ترافيكي بيش از حد پيش بيني شده افزايش يابد، احتمال بلوكه شدن مكالمات در آن سلول به حد غير قابل قبولي مي‏‏رسد؛ درحاليكه ممكن است سلولهاي مجاور بار ترافيكي بسيار كمي‏‏داشته باشند. در حاليكه اگر از روش تخصيص كانال قرضي[42] (BCA) استفاده شود، در حالت فوق الذكر، سلول پرترافيك مي‏‏تواند از سلولهاي كم‏ترافيك مجاورش كانال قرض بگيرد. روش BCA تا حدي سيستم را با تغييرات بارترافيكي سازگار مي‏‏كند. روش ديگر تخصيص ديناميك كانالها[43] (DCA) مي‏‏باشد. در اين روش تمامي‏‏كانالها مي‏‏توانند در همه سلولها استفاده شوند. روشDCA با تغييرات بارترافيكي نيز سازگار است و مي‏‏تواند در مناطق كه بارترافيكي زياد است، كانالهاي بيشتري را در اختيار كاربران قرار دهد. مهمترين مشكل DCA پيچيدگي زياد آن است. DCA در سيستم DECT بكار مي‏‏رود.

 

 

1ـ اين فركا نسها براي راديوهاي دستي سيار بكار ميرود

.[2]هم اكنون در سيستم هاي WCDMA(نسل سوم ) كه در حال گسترش است،با ند فركانسي در حدود2 گيگاست

[3] personal communication system

[4] Mobile Communication System

[5] Co-channal Interference

[6] Advanced Mobile Phone Services

[7] Group Special Mobile

[8] Base Station

[9] Code Division Multiple Access

[10] Federal Communication Commission

[11]Personal Telecommunication Number

[12]omnidirectional:گاه براي كاهش inter ference از چندين آنتن جهتدار به جاي يك آنتن همه جهته استفاده مي‏شود .

[13]ابعاد آنتن تا حد زيادي توسط فركانس كاري تعيين مي شود. درفركانسهاي بالاتر نياز به آنتن كوچكتري خواهيم داشت

[14] Paging

[15].اصطلاحاً مسير ارتباطي ثابت به سيار را Forward link مي‏گويند.

[16]. اصطلاحاً مسير ارتباطي سيار به ثابت راReverse link مي‏گويند.

[17]. در سيستمهاي ساده اي كه بحث مي‏شود زماني كه فرستنده مركز ثابت در حال ارسال پيام ميباشد ،كليه بي سيمهاي سيار قادر به دريافت پيام مي‏باشند .(راديو دستي سيار )

[18] Press To Talk

[19] Duplexor

[20] Repeater

[21] Selective Calling

1 Continious Tone Controlled Sequelch System

[22] Dailling System

[23] Interface

[24] Trunking

[25]Code Division Multiple Access

[26]Frequency Division Multiple Access

[27]Time Division Multiple Access

[28]Blocking

[29]North American-TDMA

[30]Narrow band AMPS

[31] Cell

[32] Frequency reuse

[33] Cell splitting

[34] directional

[35]Adjacent –Channel Interference

[36]Cochannel Reduction Factor

[37]Carrier to Adjacent

[38]Cluster

[39]Cell Splitting

[40]Channel Assignment

[41]Fixed Channel Assignment

[42]Borrowing Channel Assignment

[43]Dynamic Channel Assignment