راهنمای مقدماتی زیرساختهای مخابرات سلولی تلفن همراه

 

 

 

راهنمای مقدماتی زیرساختهای مخابرات سلولی تلفن همراه

 

 

مقدمه

 

در طی چند دهه اخیر، پیشرفتهای زیاد و متعددی در مخابرات بیسیم شبکه تلفن همراه رخ داده است که از زمان معرفی نسل اول تلفن همراه (1G) در اوایل دهه 80 میلادی شروع شده است. این تکامل استانداردهای مخابرات تلفن همراه، نتیجه مستقیم نیاز رو به رشد جهانی برای مشترکین بیشتر تلفن همراه و ارتباطات سیار در سراسر جهان است.

در این نوشتار، نگاهی به زیرساخت و اجزاء تشکیل دهنده فناوری تلفن همراه از نسل اول تا نسل پنجم خواهیم داشت. در پایان، هدف آن است که ساختارهایی همچون شکل زیر از نگاه بیننده ملموس‌تر و قابل فهم‌تر باشد.

 

شکل 1- ساختار نسلهای دوم (2G)، سوم (3G) و چهارم (4G) شبکه تلفن همراه

 

 

سویچینگ مداری (Circuit Switching) یا CS در مقابل سویچینگ پکت (Packet Switching) یا PS

 

قبل از شروع، لازم است که 2 مفهوم کلیدی بسیار مهم در رابطه با فهم زیرساختهای شبکه بیسیم تلفن همراه را بررسی کنیم: CS و PS. برای تعریف و توضیح بهتر تفاوتهای این دو مورد، گزیده‌ای از لینک BPASTUDIO.SCUDH.EDU در ادامه ارائه شده که این موضوع را به خوبی توصیف میکند:

 

شبکه‌های TCP/IP، اطلاعات و داده‌ها را بین میزبانها به فرم پکت (packet) مسیردهی میکنند و این پکتها درون یک لینک ارتباطی پخش میشوند که این فرآیند سوییچینگ پکت نام دارد.

سوییچینگ پکت میتواند در مقابل سوییچینگ مداری قرار گیرد که یک مدار به طور اختصاصی به یک رویداد در زمان خود تخصیص داده شده است. شبکه تلفن ثابت یک نمونه آشنا برای این نوع سوییچینگ است. یک مدار فیزیکی اختصاصی بین دو نقطه تشکیل میشود که از زمان شروع تماس تا پایان آن، برقرار باقی میماند.

سوییچینگ پکت راندمان بالاتری دارد زیرا هزینه لینک ارتباطی بین کاربرهای متعدد تقسیم میشود. زماینکه شما یک تماس از نوع سوییچ مداری برقرار میکنید، خط ارتباطی در تمام مدت زمان تماس، اشغال شده است و این مستقل از وضعیت مکالمه است که میتواند در حال صحبت یا سکوت یا انتظار باشد.

مزیت سوییچینگ پکتی آن است که عملکرد سیستم قابل پیش‌بینی است و قابل تضمین میباشد. سیل عظیمی از پکتها به صورت موقت هم نمیتوانند عملکرد سیستم را دچار افت کنند. کیفیت سرویس دهی (QoS) قابل پیش‌بینی است.

در مخابرات نامتقارن همچون ایمیل یا انتقال فایل، چنین نوسانهایی احتمالا چندان مهم نیستند، اما برای کاربردهایی همچون صوت تحت شبکه IP یا VOIP، آنها میتوانند تاخیر قابل توجه و حتی از دست دادن و تغییر کلمات ادا شده را در پی داشته باشند. چنین تاخیرهایی در کاربردهای تعاملی که کاربر متنظر پاسخ از طرف سرور است، میتواند مزاحمت ایجاد کند.

سوییچینگ مداری به طور سنتی در مخابرات تلفن ثابت استفاده شده است اما رویکرد فعلی، حرکت به سمت سوییچینگ پکت است.

 

 

نسل اول 1G

 

در دهه 80 میلادی به عنوان اولین نسل مخابرات بیسیم تلفن همراه معرفی شد. 1G بر اساس سیگنالهای آنالوگ بود و از طریق فناوری سوییچینگ مداری برای مخابره مکالمه (و نه حتی داده) ارائه شده بود.

 

 

نسل دوم 2G

 

نسل دوم شبکه سلولی تلفن همراه در 1991 تحت عنوان استاندارد سیستم جهانی برای مخابرات تلفن همراه (Global System for Mobile Communications) یا GSM راه‌اندازی شد.

تفاوت کلیدی بین 2G و 1G در استفاده از فناوری انتقال اطلاعات به صورت دیجیتال به جای سیستم آنالوگ سابق است. این نسل 2G ابتدایی، به طور مشخص برای سرویسهای صوتی با انتقال داده با سرعت کم برای پیامهای متنی یا همان SMS ارائه شده بود. به علاوه، 2G، رمزگذاری دیجیتال مکالمات تلفنی و سطوح بالاتر نفوذ سیگنال به صورت بیسیم را به لطف راندمان طیفی بیشتر، میسر کرده بود.

زیرساخت GSM با بخش ایستگاه تلفن همراه (Mobile Station) یا MS آغاز میشود، که هر کدام شامل یک واحد هویت مشترک یا SIM میشود. از طریق آنتن RF این ایستگاه، امکان ارتباط با ایستگاه انتقال و دریافت اصلی (Base Transceiver Station) یا BTS فراهم میشود.

 

شکل 2- زیرساخت GSM

 

واحد BTS شامل مجموعه گیرنده-فرستنده‌هایی است که پروتکلهای لینک ارتباطی از MS را مدیریت میکنند. پس از آن، واحد کنترل کننده ایستگاه اصلی (Base Station Controller) یا BSC را داریم. این واحد منابع رادیویی برای یک یا بیش از یک BTS را مدیریت میکند. تنظیم کانالهای رادیویی، پرش فرکانسی و پدیده دست به دست شدن (handover) را نیز انجام میدهد. BSC رابط بین تلفن همراه و مرکز سوییچینگ تلفن همراه (Mobile Switching Center) یا MSC است. دو بخش BTS و BSC در مجموع زیرسیستم ایستگاه اصلی (Base Station Subsystem) یا BSS را تشکیل میدهند.

سیستم سوییچینگ شبکه (Network Switching System) یا NSS، که مهمترین بخش آن MSC است، کار سوییچ تماسها بین تلفن همراه و سایر کاربران شبکه تلفن همراه یا ثابت را در کنار مدیریت سرویسهای تلفن همراه همچون احراز هویت کاربرها انجام میدهد. واحد NSS شامل بخشهای زیر است:

• مرکز سوییچینگ تلفن همراه MSC: مسیردهی تماسها، برپایی تماس و سوییچ کردن اصلی را انجام میدهد. MSC با چندین BSC در ارتباط است همچنان که با دیگر MSCها خود را هماهنگ میکند.
• مرکز سوییچینگ درگاه تلفن همراه (Gateway Mobile Switching Center) یا GMSC: تماسهای مشترکین را به سمت شبکه تلفن همراه و یا از طرف آن، مسیردهی میکند.
• ثبت مکان خانه ( Home Location Register) یا HLR: پایگاه داده مورد استفاده برای ذخیره و مدیریت مشترکین است. اطلاعاتی همچون مشخصات سرویس مشترکین، موقعیت مکانی و وضعیت فعالیت آنها در این بخش وجود دارد.
• ثبت مکان ملاقات کننده (Visitor Location Register) یا VLR: پایگاه داده موقتی که از طریق HLR در زمان ورود یک MS به محدوده آن، به روزرسانی میشود.
• ثبت هویت تجهیزات (Equipment Identity Register) یا EIR: پایگاه داده‌ای که شامل لیستی از تمام تجهیزات مجاز در شبکه است. در نهایت، این تجهیزات برچسب اجازه، ممانعت یا محدودیت در استفاده را دریافت میکنند.
• مرکز احراز هویت (Authentication Center) یا AUC: یک پایگاه داده محافظت شده فراهم میکند که نسخه کپی از کلید رمز مخفی قرار گرفته در کارت SIM هر مشترک را در خود ذخیره میکند.

 

 

GPRS

 

سیستم رادیویی پکتی عام (General Packet Radio System) یا GPRS یک سرویس داده مبتنی بر پکتهای داده است که توسط شبکه GSM ارائه شده و نرخ داده از 56 تا 114 کیلوبیت بر ثانیه را فراهم میکند. ترکیب این سیستم با 2G معمولا تحت عنوان 2.5G شناخته میشود و اجازه برقراری سرویسهای داده‌ای همچون نقطه دسترسی بیسیم یا WAP، انتقال مالتی مدیا یا MMS و اینترنت (ایمیل و دسترسی به شبکه جهانی وب) را میدهد.

GPRS تغییراتی در هر دو قسمت هسته مرکزی خود و شبکه دسترسی رادیویی (Radio Access Network) یا RAN نیاز دارد. در ابتدا، درون RAN به منظور جهت دهی ترافیک داده توسط BSCها به سمت شبکه GPRS، یک بخش سخت‌‍افزاری اضافی بر روی BSC نیاز بود که واحد کنترل پکت (Packet Control Unit) یا PCU نام داشت. به علاوه، یک به روزرسانی نرم‌افزاری نیز بر روی BTSها باید انجام میشد.

به طور مشابه برای هسته نیز اجزایی همچون گره پشتیبانی GPRS نیاز بود.

• گره سرویس دهی پشتیبانی از GPRS یا SGSN: مسئول احراز هویت تلفنهای همراه GPRS، ثبت تلفنهای همراه در شبکه، مدیریت تحرک (mobility) و جمع‌آوری اطلاعات مربوط به استفاده از آنتن هوایی.
• گره درگاه پشتیبانی از GPRS یا GGSN: به عنوان یک واسط و یک مسیریاب (روتر) عمل میکند. شامل اطلاعات مسیریابی برای تلفنهای همراه GPRS میشود که برای حرکت دادن پکتها به صورت تونلی از طریق شبکه آی‌پی به SGSN مربوطه است.

 

شکل 3- زیرساخت GPRS

 

 

EDGE

 

نرخهای داده بهبود یافته برای تکامل GSM یا EDGE که تحت عنوان نسل 2.75G نیز شناخته میشود، نسخه تکامل یافته GPRS است و نرخهای داده سریعتر تا 384 کیلوبیت بر ثانیه را ارائه میدهد. این افزایش سرعت از طریق روش مدولاسیون جدید و ارتقا پروتکل موجود در شبکه GSM/GPRS قابل دستیابی شده است. در حقیقت، تغییر جدیدی در زیرساخت شبکه مرکزی برای پشتیبانی از EDGE لازم نیست و تنها یک افزونه برای BSS به منظور فعالسازی سرویسهای EDGE کافی است.

 

 

3G

 

در سال 2001 میلادی راه‌اندازی شد و بر پایه استاندارد GSM به عنوان نسل سوم مخابرات تلفن همراه است. توسط گروه 3GPP تحت نام سیستم مخابرات راه دور تلفن همراه جهانی (Universal Mobile Telecommunications System) یا UMTS معرفی شده است. 3G، سرعت دانلود سریعتر نسبت به نسل قبلی خود و تا 3.1 مگابیت بر ثانیه فراهم میکند. این ویژگی امکان تماس ویدئویی و برقراری استریمهای یکپارچه ویدئو را میسر میسازد.

3G بر روی زیرساخت موجود 2G بنا نهاده شده است که بسیاری از اجزاء زیرین و پنهانی سیستم بین آنها به اشتراک گذاشته میشود. تفاوت کلیدی بین 2G و 3G درون شبکه دسترسی رادیویی RAN است که تحت عنوان شبکه دسترسی رادیویی زمینی UMTS یا UTRAN نیز شناخته میشود. در اینجا، برج رادیویی BTS توسط NodeBهایی جایگزین میشوند که از نرخهای داده بالاتر به همراه کنترلر شبکه رادیویی یا RNC پشتیبانی میکنند. یک تفاوت کوچک دیگر آن است که عبارت ایستگاه تلفن همراه یا MS به تجهیزات کاربر یا EU تغییر نام میدهد.

 

شکل 4- زیرساخت 3G

 

 

دسترسی پکت با سرعت بالا یا HSPA

 

HSPA یا 3.75G بر پایه 2 پروتکل HSDPA و HSUPA است. این پروتکلها عملکرد سیستم مخابرات راه دور 3G موجود را از طریق پروتکلهای WCDMA (دسترسی چندگانه تقسیم کد باند وسیع) گسترش و بهبود میبخشند.

• دسترسی پکت با سرعت بالا در لینک دریافت (HSDPA): به عنوان بخشی از استاندارد نسخه 5 ارائه شده توسط 3GPP، به شبکه‌های بر پایه UMTS امکان داشتن سرعتهای بالاتر تا 14.4 مگابیت بر ثانیه را میدهد. این سیستم تحت عنوان 5G نیز شناخته میشود.
• دسترسی پکت با سرعت بالا در لینک ارسال (HSUPA): به عنوان بخشی از استاندارد نسخه 6 ارائه شده توسط 3GPP، تکامل دوم شکل گرفته در UMTS است. امکان سرعتهای انتقال داده بالاتر و ظرفیت بیشتر تا 5.8 مگابیت بر ثانیه را میدهد.

 

 

دسترسی پکت با سرعت بالا تکامل یافته یا HSPA+

 

تکامل بیشتر در HSPA (نسخه 7 ارائه شده توسط 3GPP) نسخه HSPA+ را بوجود آورد که همان 3.9G است. این استاندارد امکان نرخهای داده تا 28 مگابیت بر ثانیه در مسیر دانلود (لینک دریافت) و 11 مگابیت بر ثانیه در مسیر آپلود (لینک ارسال) را فراهم کرد.

HSPA و HSPA+ هر دو از اجزاء زیرساخت شبکه یکسان و مشابه استاندارد 3G همچون RNCها، SGSNها و GGSNها بهره میبرند.

 

 

4G

 

در سال 2010 میلادی، چهارمین نسل تلفن همراه بر پایه شبکه تمام آی‌پی آغاز به کار کرد. هدف 4G فراهم کردن سرعت بالا، ارتقا امنیت و هزینه کمتر برای سرویسهای صوتی و داده بر روی IP است.

4G دو نوع فناوری LTE و WiMAX را ارائه میکند که هر دو اهداف گفته شده در پاراگراف قبلی را دنبال میکنند. هر چند که، فناوری غالب که امروزه استفاده میشود LTE است و به همین دلیل در این بخش این فناوری بررسی میشود. بر حسب سرعت انتقال داده، LTE برای مخابرات تلفن همراه با تحرک فیزیکی بالا تا 100 مگابیت بر ثانیه و با تحرک فیزیکی پایین تا 1 گیگابیت بر ثانیه را فراهم میکند.

در 4G زیرساخت کمی تغییر میکند که مربوط به هر دو بخش RAN و هسته اصلی میشود. در ابتدا، اجازه دهید نگاهی به RAN در 4G داشته باشیم. مطابق آنچه که از ابتدا مرسوم بوده است، یک NodeB حداقل عملکرد را دارد و توسط RNC کنترل میشود. هر چند که، در کنار یک eNodeB، هیچ کنترل کننده مجزایی وجود ندارد. این موضوع معماری سیستم را ساده‌تر میکند و زمان پاسخ سیستم را پایینتر می‌آورد.

 

شکل 5- زیرساخت 4G

 

 

EPC

 

در جایی که معماریهای 2G و 3G داده و صوت را از طریق دو زیرفضای (subdomain) مجزا (سوییچینگ مداری برای صوت و سوییچینگ پکتی برای داده) پردازش و جابه‌جا میکنند، 4G هسته پکت تکامل یافته (Evolved Packet Core) یا EPC را معرفی میکند. EPC، صوت و داده را بر روی معماری سرویس IP متحد کرده و با صوت نیز همچون یک کاربرد مبتنی بر IP رفتار میکند.

اجزاء کلیدی EPC عبارت است از:

• سرور مشترک خانه (Home Subscriber Server) یا HSS: پایگاه داده مرکزی که شامل اطلاعات مربوط به تمام مشترکین اپراتور شبکه میشود.
• بخش مدیریت تحرک (Mobility Management Entity) یا MME: وضعیت نشستها (session) را مدیریت میکند و یک کاربر را بر روی شبکه احراز هویت و دنبال میکند.
• درگاه سرویس دهنده (Serving Gateway) یا SGW: این بخش به شکل یک مسیریاب عمل کرده و داده‌ها را بین ایستگاه اصلی و درگاه PDN انتقال میدهد. به علاوه، SGW به سایر SGSNها و RNCها در زیرساختهای نسلهای قبل متصل میشود.
• درگاه گره داده پکت (Packet Data Node Gateway) یا PGW: همچون یک واسط بین شبکه LTE و سایر شبکه‌های داده پکتی عمل میکند، کیفیت سرویس دهی یا QoS را مدیریت کرده و بازرسی عمیق پکتها (DPI) را انجام میدهد.

 

 

VoLTE/IMS

 

صوت بر روی LTE یا VoLTE، استانداردی است برای ارائه سرویسهای صوتی و پیام متنی از طریق زیرسیستم مالتی مدیا مبتنی بر IP یا IMS که در هسته مرکزی شبکه قرار دارد. لازم به ذکر است که در نسل 2 و 3، این سرویسها از طریق سوییچینگ مداری تامین میشد ولی بر روی شبکه LTE که تنها از سوییچینگ پکت بهره میبرد، باید از طریق IMS انجام شود.

IMS یک معماری مرجع تعریف شده توسط 3GPP برای ارائه سرویسهای مخابراتی بر پایه IP است. همچنین، یک چهارچوب برای تکامل از سوییچینگ مداری کلاسیک به سیستم تلفن مبتنی بر سوییچینگ پکت فراهم میکند.

 

شکل 6- معماری مرجع هسته مرکزی IMS

 

هسته IMS شامل اجزاء متعددی میشود که بررسی آنها فراتر از اهداف این مقاله است. هر چند که، با مراجعه به شکل 6 میتوان اجزاء و نقاط اتصال بین EPC و IMS را به طور خلاصه توضیح داد:

• تابع کنترل نشست تماس (Call Session Control Function) یا CSCF: این بخش مسئول برقراری، نظارت، پشتیبانی و آزادسازی نشستهای مالتی مدیا است.
• تابع کنترل درگاه رسانه (Media Gateway Control Function): درگاه‌های رسانه را کنترل میکند، در زمان نیاز کد کننده/دیکد کننده (CODEC) را تبدیل میکند و ممکن است حتی به عنوان جایگزینی برای شبکه سوییچینگ مداری عمل کند.

 

 

5G

 

نسل 5، آخرین نسل مخابرات تلفن همراه است. این نسل در ادامه نسلهای 2، 3 و 4 برای ارائه عملکرد بالا (سرعت تا 20 گیگابیت بر ثانیه)، تاخیر کمتر و تراکم کاربر بیشتر آمده است. مهمترین کاربردهای 5G، شامل اینترنت اشیاء (IoT)، واقعیت مجازی (VR)، اتومبیلهای خودران (self-driving) و تلفن همراه باند وسیع است. 5G از چندین فناوری استفاده میکند:

• امواج میلیمتری: امواج با طول موج کوچک که از حدود 10 میلیمتر تا 1 میلیمتر تغییر میکند. این محدوده بسیار وسیع و موثری از طیف فرکانسی است که پهنای باند زیادی دارد ولی در عین حال به متغیرهای بیرونی همچون موانع مختلف (دیوارها، درختها و …) و باران بسیار حساس است.
• سلولهای با اندازه کوچک: به نوعی ایستگاههای پایه متحرک هستند که حداقل توان را نیاز دارند و در سراسر شهرها نصب میشوند تا از افت توان سیگنال جلوگیری کنند.
• فناوری آنتن چند ورودی/چند خروجی (MIMO) وسیع: سیستمهای بیسیمی را توصیف میکند که از 2 تا تعداد بیشتری فرستنده و گیرنده برای ارسال و دریافت داده با نرخ بالاتر و به طور همزمان استفاده میکند. این فناوری، بوسیله چندین آنتن بر روی یک آرایه، مفهوم گفته شده را در سطح بالایی انجام میدهد.
• شکل‌دهی بیم آنتن: سیستم سیگنالینگ ترافیک داده برای ایستگاههای پایه سلولی است که موثرترین مسیر انتقال داده را برای یک کاربر مشخص، شناسایی میکند.

اولین فاز مشخصات 5G در نسخه 15 3GPP، در آوریل 2019 میلادی به منظور تطبیق با اولین زیرساختهای تجاری نصب شده، تکمیل شده است. فاز دوم در نسخه 16، در پایان آوریل 2020 تکمیل شد.

 

 

معماری

 

جداسازی صفحات کنترل و کاربر (CUPS)

 

CUPS، تکامل بسیار مهمی درون زیرساخت 5G است. همانطور که از نام آن بر می‌آید، این بخش اجزاء کنترل و صفحه کاربر را که توسط EPC در 4G دیده میشد، به قسمتهای مجزا تقسیم میکند. به طور مثال، اجزاء PGW و SGW به المانهای صفحه کنترل و کاربر مربوط به خود یعنی PGW-C و PGW-U تقسیم میشوند. یک نمایش بصری در دیاگرام زیر نشان داده شده است.

این بخش، مزایای خود را دارد که مهمترین آن انعطاف‌پذیری در رابطه با تغییر مقیاس و تخصیص منابع به اجزاء صفحه کاربر و کنترل است.

 

شکل 7- حرکت از EPC به CUPS در معماری 5G

 

 

معماری مبتنی بر سرویس (SBA)

 

هسته اصلی شبکه 5G بر پایه چیزی است که معماری مبتنی بر سرویس یا SBA نام دارد و حول محور خدمات و سرویسهایی است که میتوانند خودشان را ثبت کنند و مشترک سایر خدمات نیز شوند. تمام اینها از طریق یک باس پیام SBI (واسط مبتنی بر سرویس) است که هر NE از طریق SBI خود ارتباط برقرار میکند.

 

شکل 8- معماری SBA در 5G

 

 

NG-RAN

 

شبکه RAN در این نسل تحت عنوان RAN نسل بعدی (NG-RAN) یا رادیوی جدید (NR) شناخته میشود. درون NG-RAN، gNodeBها یا همان فرستنده/گیرنده‌ها را داریم. به دلیل نیاز به سلولهای کوچک، شمار بیشتری از gNodeBهای کوچکتر نسبت به نسلهای قبل استفاده میشوند.

 

شکل 9- معماری 5G بر پایه نسخه 15 ارائه شده توسط 3GPP

 

 

5GCN

 

درون هسته، که شبکه هسته 5G (5GCN) نام دارد، چند تفاوت وجود دارد که مربوط به معماری (CUPS/SOA) و اجزاء آنها میشود.

در ادامه اجزاء مختلف فهرست شده‌اند:

• تابع صفحه کاربر (UFP): مشابه نقش ایفا شده توسط درگاه سرویس دهنده/پکت در سیستم 4G LTE عمل میکند. UPF از ویژگیها و تواناییهایی پشتیبانی میکند که در خدمت عملیات صفحه کاربر هستند.
• تابع تحرک و دسترسی (AMF): اغلب عملکردهای MME در شبکه 4G را انجام میدهد.
• تابع مدیریت نشست (SMF): مسئول سیگنالینگ مربوط به ترافیک داده کاربر (برقراری نشست و غیره) است.
• تابع احراز هویت سرور (AUSF): در خدمت فرآیندهای امنیتی 5G است.
• تابع انتخاب ورقه‌ای (slice) شبکه (NSSF): به همراه AMF برای کمک به انتخاب نمونه لایه یا ورقه شبکه که به دستگاه خاصی سرویس‌دهی میکند، است. لازم به ذکر است که ساختار 5G به لحاظ شبکه به صورت ورقه‌ای است که نوعی جداسازی مجازی در معماری آن را شکل میدهد.
• تابع قرارگیری در معرض شبکه (NEF): توانایی توابع شبکه مربوط به در معرض قرارگیری شبکه را فراهم میکند، همچون توانایی نظارت و تامین و اثر کارکرد مسیریابی ترافیک.
• تابع مخزن شبکه (NRF): پشتیبانی از مدیریت خدمات NF را ارائه میکند که شامل ثبت، عدم ثبت، احراز هویت و کشف میشود.
• مدیریت داده تجمیع شده (UDM): امنیت اطلاعات کاربران و همچنین اطلاعات مشترکین مربوط به این بخش است.
• تابع کنترل سیاست یا خط مشیء (PCF): قوائد کنترل توابع صفحه‌ها را فراهم میکند.
• تابع کارکرد (AF): با هسته شبکه برای تامین سرویسهایی همچون اثر کارکرد بر مسیریابی ترافیک، تعامل میکند.

 

 

 

 

منبع: www.packetflow.co.uk