شبکه‌های موبایل چگونه کار می‌کنند؟- قسمت اول

GSM یا سیستم جهانی ارتباطات

GSM یا سیستم جهانی ارتباطات همراه دراصل از اروپا منشا گرفته و تحسین‌برانگیزترین استاندارد در بین تمامی فناوری‌های ارتباطات همراه است و در بیش از ۲۱۲ کشور جهان استفاده می‌شود. استاندارد یادشده، رومینگ بین‌الملل را بین اپراتورهای تلفن همراه بسیار رایج کرده و باعث شده است کاربران در هر بخشی از جهان قادر به استفاده از گوشی‌های موبایلشان باشند. GSM برای ایجاد ارتباطات چندسویه تا ۸ تماس در هر کانال و در باندهای ۹۰۰ و ۱۸۰۰ مگاهرتز از TDMA استفاده می‌کند. GSM نه‌تنها برقراری تماس را محقق، بلکه داده‌ها را در بیشینه سرعت ۱۴٫۴ کیلوبایت‌برثانیه منتقل می‌کند. گفتنی است در ایالات متحده، سازمان FCC طیف موجی جدیدی را در فرکانس ۱۹۰۰ مگاهرتز برای این سیستم اختصاص داده است.

GSM از زمانی‌که ابداع شده، به‌طور مداوم بهبود یافته است تا خدمات بهتری را در بازار ارائه کند. فناوری‌های جدیدتر براساس سیستم اولیه‌ی GSM توسعه یافته‌اند تا بعدها تبدیل‌به سیستم‌های پیشرفته‌تری همچون نسل 2.5G از شبکه‌های تلفن همراه شوند.

برای درک بهتر فناوری GSM لازم است تا مفاهیمی همچون شبکه‌ی سوئیچینگ مدار (Circuit switching)، سوئیچینگ بسته (Packet switching)، شبکه‌ی تلفن سوئیچ‌شده‌ی عمومی (PSTN) و تبادل‌کننده‌ی تلفن توضیح داده شود. تبادل‌کننده‌ی تلفن یا سوئیچ تلفن، یک سیستم ارتباطی است که در شبکه‌ی تلفن سوئیچ‌شده‌ی عمومی (PSTN) یا سازمان‌های بزرگ استفاده می‌شود (به‌دلیل درهم‌تنیدگی مطالب، بعدتر توضیحات لازم در مورد PSTN داده می‌شود). این فناوری، خطوط تلفن مشترکین یا مدارهای مجازی سیستم‌های دیجیتال را برای برقراری تماس بین مشترکین به‌هم وصل می‌کند. پیش‌تر وظیفه‌ی تبادل‌کننده‌ی تلفن را اپراتورهای انسانی برعهده داشتند.

درمورد شبکه‌ی سوئیچ‌شده‌ی مداری، بهترین مثال شبکه‌ی تلفنی اولیه‌ی آنالوگ است. هنگام برقراری تماس از تلفنی به تلفن دیگر، سوئیچ‌هایی در سیستم تبادل‌کننده‌ی تلفن، مدار سیمی یک‌پارچه‌ای را بین دو تلفن و تا پایان مکالمه شکل می‌دهند؛ این روند، سوئیچینگ مدار نامیده می‌شود. در این سیستم، تنها اندکی تأخیر در حین برقراری اتصال به‌وجود می‌آید. کاربران دیگر هیچ‌گاه نمی‌توانند چنین مدارهایی را مختل کنند؛ زیرا مدار تا زمان آزاد‌شدن و ایجاد اتصال جدید، از هرگونه استفاده‌ی دیگر تماس‌گیرنده‌ها مصون است.

سوئیچینگ بسته، روشی برای گروه‌بندی داده‌ها داخل بسته‌ها هنگام انتقال از یک شبکه‌ی دیجیتال است. بسته‌ها از هدِر و پِی‌لود ساخته شده‌اند. در مبحث فناوری اطلاعات، هر هدر به داده‌ی تکمیلی اشاره دارد که در ابتدای بلاک داده‌ی در حال ذخیره یا انتقال قرار دارد. هنگام انتقال داده، داده‌ای که پس از هدر منتقل می‌شود، پی‌لود نام دارد. سخت‌افزار شبکه‌ای، داده‌ی درون هدر را برای هدایت بسته به مقصدی استفاده می‌کند که پی‌لود در آن استخراج (extract) شده و توسط اپلیکیشن استفاده می‌شود. سوئیچینگ بسته، اساس اصلی ارتباطات داده در شبکه‌های رایانه‌ای سراسر جهان است. تفاوت سوئیچینگ مدار و سوئیچینگ بسته در جدول زیر آمده است:

توصیفی‌که در ابتدا برای سیستم GSM به‌کار برده می‌شد، یک شبکه‌ی دیجیتال سوئیچ‌شده در مدار با قابلیت مکالمه‌ی تلفنی کاملا دوسویه بود. این تعریف با گذشت زمان و ابتدا، اضافه‌شدن ویژگی انتقال داده‌های سوئیچ‌شده در مدار و سپس انتقال داده‌های بسته‌ای به‌کمک سرویس عمومی بسته‌های رادیویی (GPRS) و سرعت داده‌ی افزایش‌یافته برای تکامل GSM یا EDGE، ارتباطات داده را نیز شامل شد. GSM دارای چندین بخش گسسته است.ساختار این شبکه، مشتق‌شده در چندین بخش جداگانه است:

• زیرسیستم ایستگاه پایه: ایستگاه‌های پایه و کنترلرهای آن‌ها
• شبکه و زیرسیستم سوئیچینگ: بخشی از شبکه‌ی GSM که به شبکه‌ی ثابت شباهت دارد و گاهی‌اوقات تنها با نام شبکه‌ی اصلی خوانده می‌شود.
• شبکه‌ی اصلی GPRS: بخشی اختیاری است که امکان اتصال به اینترنت بسته‌محور را فراهم می‌کند
• سیستم پشتیبانی عملیات: وظیفه‌ی نگه‌داری شبکه را برعهده دارد.

زیرسیستم ایستگاه پایه (BSS) بخشی از شبکه‌ی تلفن سلولی سنتی است که مسئول رسیدگی به ترافیک داده و سیگنال‌دهی بین گوشی‌های موبایل و شبکه‌ی اصلی را برعهده دارد. درواقع، BSS کانال‌های مکالمه‌ای را کدگذاری می‌کند، کانال‌های رادیویی را به گوشی‌های موبایل اختصاص می‌دهد، پیجینگ می‌کند، دریافت و انتقال سیگنال ازطریق رابط هوایی (آنتن‌ها) را برعهده دارد و وظایف متعدد دیگری را دررابطه‌با شبکه‌ی رادیویی انجام می‌دهد.

برای توصیف شبکه و زیرسیستم سوئیچینگ، ابتدا لازم است تا با مفهوم شبکه‌ی تلفن سوئیچ‌شده‌ی عمومی (PSTN)، رومینگ و mobility management آشنا شوید. PSTN، مجموعه‌ای از شبکه‌های تلفنی سوئیچ‌شده‌ی مداری است که توسط اپراتورهای ملی، منطقه‌ای یا محلی اداره می‌شود و زیرساخت‌ها و خدمات ارتباطات عمومی را ارائه می‌دهد. PSTN شامل خطوط تلفن، کابل‌های فیبر نوری، لینک‌های انتقال ماکروویو، شبکه‌ی سلولی، ارتباطات ماهواره‌ای و کابل‌های تلفن زیر دریا است. تمامی این موارد، توسط مراکز تبادل‌کننده‌ی تلفن که پیش‌تر نیز اشاره شد به‌هم متصل هستند و درنتیجه‌ی این اتصال، می‌توانند با هم ارتباط برقرار کنند. شبکه‌ی تلفن سوئیچ‌شده‌ی عمومی، درابتدا تنها تلفن‌های ثابت را پشتیبانی می‌کرد؛ ولی حالا کاملا دیجیتالی است و شبکه‌های موبایل و سایر شبکه‌ها را شامل می‌شود.

پیش‌تر عملکرد دکل‌های مخابراتی و ایستگاه‌های پایه توضیح داده شد. هنگامی‌که تلفن همراه، خارج از شعاع پوشش شبکه‌ی خانگی باشد، قابلیت رومینگ کمک می‌کند تا این دستگاه با بهره‌گیری از ایستگاه پایه‌ی شبکه‌ی ارتباطاتی دیگری، همچنان متصل باقی بماند. Mobility management نیز یکی‌از مهم‌ترین کارکردهای شبکه‌ی GSM است. هدف تابع Mobility management، ردیابی کاربران موبایل برای ایجاد امکان تماس، ارسال پیام متنی و سرویس‌های دیگر تلفن همراه است.

شبکه و زیرسیستم سوئیچینگ (NSS) یا شبکه‌ی اصلی GSM، یکی از مولفه‌های سیستم GSM است که تماس صوتی و توابع Mobility management برای گوشی‌های موبایلی که روی شبکه‌ی ایستگاه پایه رومینگ می‌شوند را ایجاد می‌کند. این شبکه را اپراتورهای موبایل توسعه داده‌اند. NSS کمک می‌کند دستگاه‌های موبایل و در شبکه‌ی گسترده‌ترِ تلفن سوئیچ‌شده‌ی عمومی (PSTN)، تلفن‌ها با یکدیگر ارتباط برقرار کنند.

NSS در ابتدا برای شبکه‌های سوئیچ‌شده در مدار طراحی شده بود و در خدمات سنتی GSM همانند مکالمه، پیام متنی و داده‌های سوئیچ‌شده در مدار به‌کار می‌رفت. بخش یادشده بعدها، با معماری دیگری توسعه یافت تا خدمات GPRS را نیز ارائه دهد.

شبکه‌ی موبایلی 2.5G یا سرویس عمومی بسته‌های رادیویی (GPRS)

GPRS سیستم توسعه‌یافته‌ای از شبکه‌های 2G موجود، برای ایجاد قابلیت سرویس‌های بسته‌محور، هم‌زمان با افزایش سرعت و نرخ داده‌های این شبکه‌ها است. اصطلاح نسل دو و نیم (2.5G) برای توصیف سیستم‌های 2G به‌کار می‌رود که علاوه‌بر استاندارد ارتباطی سوئیچسنگ مدار (Circuit switching)، از دامنه‌ی سوئیچینگ بسته (Packet switching) استفاده می‌کنند. البته اصلاح 2.5G کاربرد رسمی ندارد. GPRS با استفاده از پایگاه داده‌ی HLR، VLR و AuC و فناوری‌های HSCSD، GPRS و EDGE داده‌ها را با سرعت ۵۶ تا ۳۸۴ کیلوبیت‌برثانیه منتقل می‌کند.

فناوری 2.5G خدماتی همچون دسترسی به پروتکل کاربردی بی‌سیم (WAP) و سرویس MMS را فراهم کرده و برای ارتباطات اینترنتی، سرویس‌هایی مانند ایمیل و شبکه‌ی بی‌سیم جهانی وب (WWW) را در اختیار کاربران قرار می‌دهد. هزینه‌ی انتقال داده در سیستم GPRS معمولا به‌ازای هر مگابایت از ترافیک منتقل‌شده محاسبه می‌شود؛ درحالی‌که قیمت ارتباطات داده به‌وسیله‌ی روش سنتی سوئیچینگ مداری، به‌ازای هر دقیقه از اتصال به شبکه است؛ حال اینکه کاربر از سیستم استفاده کند یا خیر.

 HLR ،VLR و AuC

HLR یا Home Location Register، یک پایگاه داده‌ی مرکزی شامل جزئیات هر کاربر موبایلی است که به شبکه‌ی GSM دسترسی دارد. در هر شبکه‌ی عمومی تلفن همراه، ممکن است چند HLR به‌صورت فیزیکی در محل‌های مختلف شبکه‌ی PLMN تعبیه شوند. شبکه‌ی PLMN ترکیبی از تمامی نسل‌های شبکه‌های ارتباطی است که هر اپراتور ارائه می‌دهد؛ PLMN درواقع همان PSTN بدون تلفن‌های ثابت است. VLR یا Visitor Location Register نیز پایگاه داده‌ای برای ایستگاه‌های موبایل (MS) است و اطلاعات را به مراکز تبادل‌کننده‌ی تلفن ارسال می‌کند. 

AuC یا مرکز احراز هویت (Authentication Center)، تابعی برای اعتبارسنجی هر سیم‌کارتی است که معمولا هنگام روشن‌شدن گوشی، سعی دارد به شبکه‌ی مرکزی GSM متصل شود. درصورت موفقیت‎‌آمیز بودن اعتبارسنجی، اطلاعات سیم‌کارت و کاربر آن در پایگاه داده‌ی HLR ذخیره می‌شود. همچنین یک کلید رمزگذاری نیز تولید می‌شود که متعاقباً برای رمزگذاری کلیه‌ی ارتباطات بی‌سیم (مکالمه، پیام متنی و مواردی از این‌دست) بین تلفن همراه و شبکه‌ی مرکزی GSM استفاده می‌شود.

شبکه‌ی تلفن همراه 2.75G یا EDGE (سرعت داده‌ی افزایش‌یافته برای تکامل GSM)

شبکه‌ی GPRS با معرفی رمزگذاری 8PSK به شبکه‌های EDGE تکامل یافت. EGPRS و IMT-SC، فناوری‌های دیجیتال تلفن همراهی بودند که کمک کردند سرعت انتقال داده افزایش یافته و سیستم GSM استاندارد توسعه یابد. فناوری EDGE از آغاز سال ۲۰۰۳ میلادی، درابتدا توسط اپراتور AT & T در ایالات متحده روی سیستم GSM سوار شد.  شرکت‌های دخیل در پروژه‌ی 3GPP بعدها شبکه‌ی یادشده را به‌عنوان بخشی از سیستم GSM استانداردسازی کردند و ظرفیت بالقوه‌ی EDGE‌ را تا سه‌برابر شبکه‌های GSM و GPRS افزایش دادند.

هما‌نگونه که پیش‌تر گفته شد، GSM از فناوری TDMA استفاده می‌کند که با تقسیم سیگنال‌ها به بازه‌های زمانی کوتاه، امکان استفاده‌ی کاربران بیشتری را از یک فرکانس فراهم می‌کند. حال به‌لطف روش‌های پیچیده‌تر رمزگذاری، یعنی 8PSK، شبکه‌ی EDGE در بازه‌های زمانی کوتاه مشابه‌با GSM، تا ۲۳۶٫۸ کیلوبیت‌برثانیه سرعت انتقال داده دارد. فناوری EDGE نسخه‌ای توسعه‌یافته از GSM است، ولی اجازه می‌دهد تا انتقال سریع‌تر و جمع‌وجورتری از داده‌ها و اطلاعات به‌وجود آید. همچنین شبکه‌ی EDGE، که حامل منفرد یا IMT-SC نیز نامیده می‌شود، یک فناوری رادیویی است و تاحدودی، بخشی از نسل سوم شبکه‌های ارتباطی به‌حساب می‌آید. فناوری EDGE به‌دلیل انعطاف‌پذیری بیشتر برای حمل داده‌های سوئیچ مدار و سوئیچ بسته، نسبت‌به GSM خواهان بیشتری دارد.

درمقایسه‌با GPRS، فناوری EDGE داده‌ها را در زمان کمتری منتقل می‌کند. برای مثال، یک فایل متنی ۴۰ کیلوبایتی در شبکه‌ی EDGE در عرض دو ثانیه منتقل می‌شود، حال آن‌که GPRS همان فایل را در ۶ ثانیه انتقال می‌دهد. بزرگ‌ترین مزیت فناوری EDGE این است که نیازی به صرف هزینه‌ی اضافی یا هیچ سخت‌افزار و نرم‌افزار دیگری برای استفاده از آن وجود ندارد. درواقع گوشی‌هایی که از سیستم GSM استفاده می‌کنند، فناوری EDGE را نیز پشتیبانی خواهند کرد.

جمع‌بندی