نسلها و فناوری های شبکه موبایل

نسل‌ها  و فناوری‌های شبکه‌های تلفن‌همراه

مقدمه :

رشد سامانه‌های تلفن سیار، افزایش کاربران اینترنت و بالا رفتن انتظار و نیازهای کاربران مثل تقاضای دسترسی به اینترنت با کیفیت بالا از طریق سامانه‌های بی‌سیم، منجر به طراحی سامانه‌هایی شده است که بتوانند این نیازها را برآورده کنند. کاربران خدمات مخابراتی در آینده، ترجیح می‌دهند که خدمات مشابهی را که از شبکه‌های ثابت دریافت می‌کنند از یک محیط بی‌سیم نیز در اختیار داشته باشند. البته انتظار نمی‌رود که کاربران تمایل داشته باشند که عملکرد بهتر را قربانی حرکت پذیری بیشتر نمایند زیرادر هرصورت از ابزارهای مخابراتی ساکن هم استفاده خواهند کرد. بنابراین بهترین راه‌کار این است‌که سامانه‌های بی‌سیم با شبکه‌های ثابت نیز مجتمع شده باشد، به همین منظور شبکه‌های بی‌سیم به سرعت در حال تکامل و حرکت به سمت شبکه‌های تماما" IP  هستند.

شبکه‌های نسل 1 ، 2 و 5/2 :

امروزه شبکه‌های گوناگون بی‌سیم با ویژگی‌های مختلف درحال ارائه خدمات به مشترکان هستند که هریک از آنها مزایا و معایب خاص خود را دارند. (اولین سامانه مخابرات سلولی جهان در سال 1983 در آمریکا با نام AMPS شروع به کار کرد؛ این سامانه که آنالوگ بود به تدریج در اکثر مناطق جهان مورد استفاده قرار گرفت و از آن به عنوان نسل اول مخابرات سیار یاد می‌شود). شبکه‌های تلفن همراه GSM که در سال 1990 در اروپا آغاز به کار کرد نسل دوم مخابرات سیار بودند. در این شبکه‌ها زمان برقراری تماس با شبکه تا چندین ثانیه طول می‌کشد و سرعت آن به Kbps 6/9 محدود است. اما درGPRS زمان دسترسی، کمتر از یک ثانیه است و سرعت انتقال داده‌ها تا مرز kbps170 نیز می‌رسد. همچنین سرعت انتقال داده‌ها درEDGE (یکی دیگر از شبکه‌های گسترش‌یافته GSM)، به kbps370 ارتقاء یافته است. در نسل سوم سرعت انتقال اطلاعات به2 تا Mbps 10 و در نسل چهارم به ٢٠ تا Mbps١٠٠ خواهد رسید. به همین دلیل از دیدگاه کاربران شبکه‌های GSM، سرعت انتقال داده بسیار پایین، برقراری تماس بسیار دشوار و زمان آن طولانی است.از نظر فنی مشکل از اینجا ناشی می‌شود که خدمات بی‌سیم موجود براساس سوئیچینگ مداری کار می‌کنند.

 شبکه‌های سلولی نسل دوم مانندGSM، که فقط برای انتقال صوت مورد استفاده قرار می‌گیرند، ذاتا" دارای فناوری سوئیچ مداری هستند و شبکه‌های نسل 5/2 مانند GPRS، مدل گسترش یافته شبکه‌های نسل دوم هستند که از فناوری سوئیچ مداری برای انتقال صوت و از سوئیچ بسته‌ای برای تبادل داده استفاده می‌کنند.

 در بخش رابط هوایی سوئیچینگ مداری، در کل طول تماس، یک کانال ترافیکی کامل به مشترک اختصاص داده می‌شود. این در حالی است که در موارد ترافیک خوشه‌ای نظیر اینترنت، این کار بسیار ناکارآمد است. ولی در سامانه‌های سوئیچینگ بسته‌ای، یک کانال تنها در زمان مورد نیاز به کاربر اختصاص داده می‌شود و بلافاصله بعد از هر ارسال بسته‌ای، آزاد می‌گردد بنابراین کاربران مختلف می‌توانند از یک کانال فیزیکی بطور مشترک استفاده کنند. فناوری بسته‌ای GPRS برمبنای سامانه GSM موجود برای رفع این مشکل ابداع شده است بنابراین کاربران GPRS از سرعت دسترسی و نرخ داده بالاتری برخوردار می‌شوند.

نکته دیگر اینکه در سامانه‌های مبتنی بر سوئیچینگ مداری، کارکرد بر اساس مدت زمانی که کاربر به شبکه متصل است، محاسبه می‌شود چراکه پهنای باند فقط برای کاربر اختصاص داده شده است، بنابراین یک کاربر حتی برای زمانی که اطلاعاتی مبادله نمی‌کند هم باید هزینه بپردازد. به همین دلیل این خدمات برای بیشتر مشترکین هزینه بسیار بالایی درپی دارد. اما در GPRS که مبتنی بر سوئیچینگ بسته‌ای است، کارکرد بر اساس حجم اطلاعات مبادله شده محاسبه می‌شود و مشترک می‌تواند مدت زیادی بدون اینکه بسته‌ای ارسال یا دریافت کند متصل باقی بماند و فقط هزینه مربوط به بسته‌های ارسالی و دریافتی را بپردازد زیرا فناوری سوئیچ بسته‌ای، پهنای باند را بیشتر مورد استفاده قرار داده و به بسته‌های هر کاربر اجازه رقابت برای بدست آوردن پهنای باند را می‌دهد بنابراین خدمات مختلف GPRS مثل  دسترسی به پست الکترونیکی، وِب و سایر خدمات داده ای در کنار خدمات صوتی برای کاربران مقرون‌به‌صرفه‌تر خواهد بود. با این تفاصیل، می‌توان گفت که حرکت به سمت استفاده از سوئیچ  بسته‌ای و به تبع آن شبکه‌های IP یک امر طبیعی است.

شبکه‌های نسل 3 و 4:

 شبکه‌های نسل سوم مانند UMTS قصد داشتند مشکلات متعددی را که نسلهای 2 و 5/2 با آن روبرو شده بودند برطرف کنند. همان طوری که گفتیم، از جمله این مشکلات، سرعت‌های پایین ارسال، قیمت زیاد و وجود فماوری ‌های ناهمخوان و سازگارناپذیر (TDMA/CDMA) در کشورهای مختلف است. بنابراین، به منظور فعال‌سازی استفاده از خدمات چندرسانه‌ای جدید، حتی پهنای باندها نیز باید با کمترین هزینه نسبت به سامانه‌های پیشین ارائه شوند.

 انتظاراتی که از نسل 3 وجود داشت، افزایش پهنای باند بهKb/s 128 در ماشین‌ها وMb/s  2 در کاربردهای ثابت بود. ولی در واقعیت، خروجی نسل سوم نه روشن بود و نه مشخص. البته یک قسمت از این مشکل به استفاده تامین کنندگان و ارائه دهندگان شبکه‌ها از استانداردهای مجزا برای نگهداری و پشتیبانی سامانه‌ها برمی‌گردد زیرا بدنه این استانداردها باعث ایجاد تفاوت‌هایی در فناوری واسط‌های هوایی می‌شود. در ضمن سوالات مالی متعددی هم وجود دارد که باعث تردید در مرغوبیت شبکه‌های نسل 3 می‌شود و این نگرانی وجود دارد که در بسیاری از کشورها، نسل 3 مورد توجه واقع نشود. این نگرانی‌ها در نهایت باعث ایجاد رقابت و تمایل به استفاده از فناوری‌های‌ بی‌سیم ‌نسل چهارم شد. شبکه‌های نسل چهارم یا G4، نامی است که به سامانه‌های سیار مبتنی‌برIP که دسترسی را از طریق یک مجوعه از واسطه‌های رادیویی تامین می‌کنند، داده شده است.  این شبکه‌ها متکی بر فناوری‌های سوئیچ بسته‌ای هستند و به طور کلی مبتنی بر مجموعه پروتکل IP در هر دو بخش شبکه‌های باسیم و بی‌سیم هستند. شبکه G4 برقراری بهترین خدمات اتصال فراگشت  بی‌سیم را تعهد می‌کند و از طرف دیگر چندین واسط دسترسی رادیویی مانند:HIPERLAN ،WA ، GPRS وBLUETOOTH   را به یک شبکه واحد که کاربر از آن استفاده می‌کند تبدیل خواهد کرد.

 با این ویژگی، کاربران خواهند توانست به خدمات مختلف دسترسی پیدا کرده و پوشش بیشتری داشته باشند در ضمن، راحتی استفاده از یک وسیله واحد را نیز تجربه کنند. از طرف دیگر یک صورتحساب را با کاهش کل هزینة دسترسی داشته و دسترسی بی‌سیم قابل اعتمادی را حتی در صورت از دست دادن یک یا چند شبکه، داشته باشند. در حال حاضر G4 یکی از ابتکارات مراکز R&D برای فائق آمدن بر محدودیت‌های موجود و برطرف کردن مشکلات G3 است که نتوانسته به وعده‌های خود در زمینه عملکردها و خروجی های مختلف عمل کند.

جایگاه مدیریت حرکت پذیری در شبکه‌های بی‌سیم:

بحث مدیریت حرکت‌پذیری به‌واسطه تامین یک ارتباط مستمر برای گره‌هایی که نقطه اتصال خود به شبکه را تغییر می‌دهند، مطرح شده است. با توجه به رشد روزافزون پایانه‌های همراه و احتیاج به جابه‌جایی بین شبکه‌های بی‌سیم با فناوری‌های مختلف، پشتیبانی از حرکت‌پذیری (در یک ‌شبکه و بین شبکه‌های ‌مختلف) تبدیل به یکی از خدمات موردنیاز و ضروری برای شبکه‌های تجاری و نظامی شده است. بنابراین در سالهای اخیر، تلاشهای زیادی در جهت توسعه طرح‌های مدیریت حرکت پذیری موجود و ارایه روش‌های جدید با در نظر گرفتن استانداردهایی از جملهIETF  ، 3GPP و IEEEانجام گرفته و روشهای متفاوتی برای محیط های مختلف پیشنهاد شده است که این روش‌ها برای همسازی بین درجه‌های مختلف حرکت‌پذیری گره‌ها، مشخصات ترافیکی و احتیاجات Qos طراحی شده‌اند.

شبکه‌های بی‌سیم، حرکت پذیری و IP :

از آنجایی کهIP با هدف حرکت‌پذیری طراحی نشده بود، مشکلات زیادی برای پیاده‌سازی شبکه‌های بی‌سیم تماما" IP به وجود آمد. اولین مشکل این بود که در داخل یک شبکه IP یک آدرس IP هم برای شناسایی گره و هم برای شناسایی محل آن استفاده می‌شود. بنابراین وقتی که یک گره سیار در داخل یک شبکه حرکت می‌کند، آدرس IP آن باید تغییر کند که این مشکل در طرح‌های متعددی از جمله MIP عنوان شده است.

طرح‌MIP سازوکاری را پیشنهاد می‌کند که در آن به گره‌های سیار اجازه می‌دهد که نقطه اتصال خود و در نتیجه آدرس IP خود را در داخل شبکه تغییر دهند. البته باید توجه داشت وقتی که MIP طراحی شد، شبکه های بی‌سیم تماما" IP در نظر گرفته نشده بودند و برخی از سازوکار‌هایی که به وسیله MIP استفاده می‌شود، مناسب این گونه شبکه‌ها نیست. به عنوان مثال قابل پیش بینی بود که صدا به عنوان یک سرویس مهم در شبکه‌های بی‌سیم باند پهن همچنان مطرح باشد و به منظور پشتیبانی مناسب صدا بر روی IP ، شبکه باید تاخیر کم و تغییرات تاخیر کم را بر بسته‌های صدا داشته باشد که این تاخیرهای کم حتی در صورتیکه کاربرتلفن همراه قصد فراگشت داشته باشد نیز باید تامین شود (یعنی وقتی که از یک ایستگاهBS به ایستگاه دیگری می‌رود) بنابراین گره سیار باید قادر باشد که به‌سرعت، آدرس IP خودش را در حین انجام فراگشت تغییر دهد.

در حال حاظر رهیافت‌های زیادی برای پشتیبانی مناسب حرکت‌پذیری در شبکه‌های IP پیشنهاد شده است که به عنوان پروتکل‌هایMicro Mobility شناخته می‌شوند البته گاهی اوقات مشخصات و ویژگی‌های ناهمگن آنها، بدست ‌آوردن یک تصویر کلی از مشکلات را به ‌سختی امکان‌پذیر می‌سازد.

سناریوهای آینده شبکه‌های بی‌سیم:

سناریوهای منطقی و معقولی که دور نمای مخابرات در سال 2010 را توصیف می‌کنند، برمبنای موضوعات مختلف فنی، اقتصادی و سیاسی موجود طراحی شده‌اند. براساس این گرایش ها، سه سناریوی پویا به نام‌های: «برادر بزرگتر از شما در مقابل برادران کوچکتر محافظت می‌کند», «همه چیز پیش می‌رود» «محاسبة بسته‌ای», ارائه شده که تلویحاً موضوعات اصلی را در نظر داشته و در راستای معیارهای مطرح شدة آنها حرکت می کنند.

البته با توجه به اینکه انتظار نمی‌رود فناوری منابع تغذیه در دهة بعد پیشرفت زیادی داشته باشند، بنابراین مصرف توان در سامانه‌ها باید کاهش پیدا کند. در مجموع اگر تمامی عامل های محدود کننده را بتوان کنار گذاشت، هیچ محدودیت و نگرانی اساسی دیگری در مورد ظرفیت کاربرهای بی‌سیم و تأمین پهنای‌باند مورد نیاز کاربرها وجود نخواهد داشت. به‌ عنوان نمونه با محدود کردن سرمایه گذاری‌های زیرساخت (مثلاً درمورد تعداد نقاط دسترسی بی‌سیم به شبکه‌های ثابت) تأثیر طیف کم شده و مصرف توان در صورت نامساعد بودن شرایط انتشار، افزایش می‌یابد.