شبکه های موبایل چگونه کار می کنند؟

برخلاف شبکه های موبایل در تلفن ثابت هویت مشترک مشخص است زیرا مخابرات با کشیدن دو رشته سیم مسی تا در منزل یا محل کار و دادن بوق این کار برای مشترک کرده است. پس مرحله اول در شبکه مخابرات هویت یا شناسایی معتبر بودن مشترک است. مکان مشترک نیز دقیقا مشخص است یعنی سوییچ وظیفه پیدا کردن مخاطب را برعهده دارد. و محل ثبت charging نیز در سوییچی که به آن متصل است میباشد.
ارائه سرویسها نیز مثل نمایشگر شماره تلفن و انتقال مکالمه و … در سوییچی که تلفن به آن متصل شده است انجام میگیرد.
به طور خلاصه شبکه تلفن ثابت دارای مشخصات زیر میباشد:
1 – هویت یا شناسایی مشترک
2 – مکان مشخص جهت تماس گرفته شدن با آن
3 – محل ثبت شارژینگل

پس در شبکه های موبایل با گوشیهای بی سیمی که از لحاظ فیزیکی به جایی متصل نیستند و هرلحظه مکان آنها در حال تغییر است، رو به رو هستیم.
گوشی موبایل بی سیم از طریق امواج الکترومغناطیسی به آنتی به نام BTS متصل میشود و از طریق آن به شبکه موبایل وصل میگردد.

1 – تعیین هویت

در موبایل به علت تغییر مکان مشترک نیاز به مرکزی داریم که اطلاعات تمام مشترکین یک کشور و یا یک شرکت ارائه دهنده سرویس موبایل در آن ثبت شود تا در صورت نیاز در اختیار شبکه قرار بگیرد پیشتر گفته شد که این کار در تلفن ثابت در همان مرکز سرویس دهنده انجام میگیرد به این مرکز (HLR Home Location Register)  گفته میشود. این مرکزها به صورت متمرکز در یک یا بعضا در نقاط محدودی از یک کشور ایجاد میشوند و برای اینکه یک مشترک امکان استفاده از شبکه را داشته باشد به مشترک کارتی به نام SIM (Subscriber Identity Module) کارت داده میشود که این کارت وسیله شناسایی مشترک در شبکه است . پس اگر SIM کارت در گوشی موبایل قرار گیرد و تعاریف مخصوص آن در HLR ثبت گردد مشترک میتواند هر کجا از کشور که برود به وسیله شبکه موبایل تماس بگیرد یا با او تماس گرفته شود.

2 – مکان مشترک در شبکه موبایل

هنگامیکه مشترکی در شبکه حرکت میکند، آخرین مکان آن در HLR ثبت میشود بنابرابن هر کس بخواهد به یک موبایل زنگ بزند آخرین مکان آن از HLR پرسیده میشود و بعد به موبایل زنگ میخورد.

3 – ثبت charging

ثبت مقدار هزینه مکالمه موبایل در آخرین سوییچی که به موبایل سرویس میدهد انجام میگیرد . مثلا مشترکی از تهران به سمت مازندران رفته و از آنجا به مشهد میرود ودر طی مسیر چندین بار به نقاط مختلف تماس گرفته است هنگامیکه در محدوده تهران بوده در سوییچهای تهران charging ثبت شده و در ملزندران در سوییچ مازندران و در مشهد هم در سوییچ مشهد ثبت میشود.
در آخر کلیه هزینه مکالمات از سراسر کشور به مرکزی در تهران که مرکز صورتحساب است ارسال میشود و بعداز جمع بندی و محاسبه برای مشترک صورتحساب ارسال میشود(در تلفن ثابت تمام هزینههای مکالمه در مرکز سرویس دهنده ثبت میشود)

4 – ارئه سرویسهای جانبی

این سرویسها توسط آخرین سوییچ سرویسدهنده که به موبایل از طریق HLR سوال میشود که چه سرویسهایی باید در اختیار مشترک گذاشته شود مثل انتقال مکالمه – انتظار مکالمه – نمایشگر شماره و .. و سپس آن سرویسها توسط آخرین سوییچ سرویس دهنده در اختیار مشترک قرار میگیرد.(در تلفن ثابت همان سوییچ محلی که تلفن به آن وصل است این کار را انجام میدهد) همین طور که در بالا اشاره شد، به منظور برقراری ارتباط تلفنهای ثابت و تلفنهای همراه زیر سیستمهای شبکه و زیر سیستمهای رادیویی با هم ارتباط بر قرار میکنند که در زیر به آنها اشاره شده است.

در شبکه موبایل اولین بخشی که مستقیما با گوشی موبایل در ارتباط است BTS میباشد. این بخش به لفظ عوام آنتن موبایل و به تعبیر تخصصی مخفف Base Tranceiver Station است. در شکل 1 BTS نشان داده شده است.

دلایل نصب آنتنهای BTS

تامین پوشش رادیویی در جادهها یا مناطقی که سیگنالی ضعیف دارند یکی از دلایل نصب آنتنهای BTS است .یکی دیگر از اهداف نصب آنتن BTS از بین بردن ترافیک
شبکه است .

نحوه نصب آنتنهای BTS

برای نصب آنتنهای BTS فواصل معینی در نظر گرفته میشود.این فواصل بر اساس قواعد خاصی تعیین میشوند که از جمله آنها میتوان به ظرفیت آنتن منصوبه ، تعداد مشترکین موجود در هر منطقه و کاهش تشعشات آنتن اشاره کرد .
نزدیک بودن آنتنهای BTS باعث کاهش تشعشات میشود به طوریکه در طی یک مسیر چند آنتن BTS برای پوشش دهی نصب میشود. تعداد آنتنهای BTS معمولا در مناطقی که استفاده از تلفن همراه بیشتر است زیاد میشود مثلا در شهرهای بزرگ تعداد آنتنهای BTS بیشتر از مناطق دیگر است.

شبکه سلولی در آنتنهای BTS

آنتنهای BTS یا Base Transceiver station فناوریهای گوناگونی از قبیل: GSM ، WLL WAN ، CDMA ، WiFi و WiMAX را پشتیبانی میکنند.این آنتنها در شبکه تلفن همراه که از نوع شبکه سلولی cell است، وظیفه تشکیل نقاط اتصال سلولهای 6 ضلعی این شبکه را دارند و عموما 2 نوع ارتباط برقرار میکنند، اول ارتباط با سایر آنتنها و دوم ارتباط با وسایل واقع در دامنه تحت پوشش.
بیتیاسها اغلب دارای 3 سکتور هستند که هر کدام حدود 120 درجه را پوشش میدهند که جمعا 360 درجه میشود، اما هر سکتور یا قسمت میتواند مستقل نیز نصب شود تا محلهای خاصی را پوشش دهد. بیتیاس حدود 30 کیلومتر برد دارد که برد مفید آن را در فضای باز و بدون هیچگونه ساختمان یا مانعی 20 کیلومتر تخمین میزنند و در فضای شهر با وجود ساختمانهای بلند و متعدد، برد مفید را بین 2 تا 5 کیلومتر در نظر میگیرند. اگر در فضای باز و خارج از شهر باشید، بسته به قدرت سیگنال دریافتی از بیتیاس میتوانید مکالمه داشته باشید به عبارتی دیگر در صورت داشتن شارژ کافی براحتی میتوانید از فاصله 15 کیلومتری سایت مکالمه کنید. در این مقطع میزان تشعشع و قدرت فرستنده و گیرنده اهمیت پیدا میکند.
قدرت خروجی بیتیاس به صورت manual یا دستی و قدرت خروجی گوشی به صورت خودکار تنظیم میشود تا مصرف باتری به حداقل برسد.
اجزای تشکیل دهنده BTS ها از سلو لهایی تشکیل شده اند که در هر کدام از این سلولها سه سکتور وجود دارد. اندازه سلولهای آنتنهای BTS BTS بستگی به فاصله این آنتنها دارد .سلولهای بزرگتر مربوط به آنتنهای نزدیک به هم و سلولهای کوچک مربوط به آنتن هایی است که فاصله زیادی از هم دارند .چهار TRX در هر کدام از این سکتورها فعال میشود که به ازای هر کدام از این TRX ها ارتباط همزمان بین هشت مشترک برقرار میشود .
TRX مخفف کلمه transceiver است و در آنتنهای BTS به عنوان فرستنده و گیرنده عمل میکند. هر آنتن BTS حداکثر از
توانایی ارتباط رسانی بین 96 مشترک برخوردار است . از دیگر اجزاء BTS میتوان به پنل اشاره کرد که این پنلها توسط کابل هایی به نام FEEDER به آنتنها وصل میشود
در نهایت توسط خطوط انتقال BTS به دستگاه دیگری به نام BSC که وظیفه مدیریت بین چند BTS را دارد متصل میشود.
دلیل کاهش ارتفاع آنتن:
1 – بدلیل نزدیک بودن آنتنها و رشد تعداد BTS ها برای جلوگیری از Handover های بی مورد(جابجا شدن بین آنتن ها)تمرکز تشعشع را بیشتر میکنند با این روش هر آنتن بجای آنکه در سطح شهر تا 10 کیلومتر برد داشته باشد 1 کیلومتر یا کمیبیشتر برد خواهد داشت.
به طور مثال در حال حرکت در جاده شما مدام در حال عوض کردن ایستگاه بی تی اس ارتباط گیرنده خود هستید که این تغییرات بروی ریجسیتر مربوطه ثبت میشود.زمانی که سیگنال رسیده از ایستگاه مقابل از سیگنال دریافتی ار سیگنال پشت سر قوی تر باشه قسمت گیرنده موبایل شما بروی فرکانس سیگنال قوی تر یا قوی ترین)در حالتی که از چند ایستگاه سیگنال دریافت میشه مثل داخل شهر ها( سوئیچ خواهد کرد به این عمل handover میگویند و در چند نانو ثانیه رخ میدهد و برای انسان قابل تشخیص نیست.
2 – تعداد مشترکین زیاد در محدوده BTS مذکور: اگر قرار باشد BTS مذکور برد زیادی در سطح شهر داشته باشد از شمال تا جنوب شهر باید مشترک بپذیرد واین ممکن نیست .عملا ظرفیت هر BTS با توجه به مشترکین آن منطقه تعیین میشود در نتیجه باید از تشعشع بیخودی آنتن در دیگر مناطق جلوگیری کرد ( با کاهش ارتفاع و افزایش تیلت آنتها به سمت زمین).

وظایف BTS :

1. رمزنگاری، پنهان نمودن، مالتی پلکس، مدولاسیون سیگنالهای ارسالی و دریافتی
2. تهیه سیگنال RF برای آنتن
3. همزمانی سیگنال و زمان به MS
4. تخصیص فرکانس به موبایل ) downlink and uplink )
5. کنترل پارامترهای handover بین MS و BTS که از طرف BSC تعیین میشود
6. آنالایز و اندازه گیری سیگنالهای دریافتی از MS
7. معرفی و تعیین BTS های همسایه به MS برای تصمیم گیری MS به handover
8. تخصیص کانالهای ترافیکی و سیگنالینگ به MS به دو صورت Fullrate and Halfrate
9. ارسال فرکانس به صورت Hopping اگر این پارامتر فعال باشد
10. کنترل و تعیین Timing Advance به MS
    

    BSC

    دومین مرحله بعد از آنتن موبایل BTS در شبکه دستگاه BSC است که مخفف Base Station Controller میباشد.
    BSC وظیفه کنترل چند BTS را برعهده دارد و کار آن بسیار با اهمیت میباشد؛
    تنظیم برخی از پارامترهای مهم شبکه مثل کیفیت مکالمه و تماس مطلوب، در این دستگاه تعریف میشود.
    مثلا شما در حال صحبت با گوشی موبایل خود هستید و در یک اتومبیل د رحال حرکت نشسته اید و در حال صحبت خیابانهای متعددی را پشت سر میگذارید ولی همچنان به مکالمه خود ادامه میدهید در این حالت شما از چندین آنتن موبایل گذشته اید و هر آنتن موبایل شما را به آنتن دیگر دست به دست کرده است و کانال ترافیکی شما را با خود پاک کرده و به یک آنتن دیگر تحویل داده است . این مدیریت مکالمه که در حال حرکت اتفاق میافتد به HAND OVER معروف است و وظیفه BSC مرتبط با آن BTS میباشد. و دیگر اینکه قدرت تشعشع (برد آنتن موبایل) نیز در این دستگاه تعریف میشود ، بدین صورت که از طریق BSC بر روی خروجی یک آنتن مورد نظر تضعیف گذاشته میشود که فرکانس آن با آنتنهای دیگر تداخل نکند
    در تهران چندین BSC در حال کار است و در بعضی استانها کل استان فقط با یک BSC کار میکند که این موضوع ارتیاط مستقیمیبا تعداد BTS ها دارد.
    MSC MSC مخفف Center Mobile Switch میباشد، عملکرد سوییچ موبایل تا حدودی شبیه سوییچ تلفن ثایت می باشد.

    عداد زیادی از BSC ها از طریق interfaceA_ به یک MSC متصل میشوند؛ MSC شبیه به یک مرکز تلفن دیجیتالی عمل میکند که بهطور همزمان چند شبکهی خارجی میتواند به آن دسترسی داشته باشد .
    وظیفه ی اصلی یک MSC مسیردهی مکالمات ورودی و خروجی و واگذاری کانال روی aceinterfA_ به هر USER است .
    همانطور که از اسم سوییچ پیداست اصلی ترین کار سوییچ انتخاب مسیر مناسب جهت برقراری یک مکالمه است. MSC به صورت بسیار ساده از پردازنده مرکزی ، حافظه موقت(شبیه Ram کامپیوتر) حافظه جانبی (شبیه هارد دیسک کامپیوتر) ، یونیت های واسطه که عمل سوییچینگ در آنها انجام می شود و پورتها که حکم اینترفیس سیستم را دارند، تشکیل شده است. اصلی ترین تفاوت سوییچ موبایل و سوییچ تلفن ثابت در نحوه تعریف مشترک در سوییچ است در تلفن ثابت مشترک به صورت دائم در سوییچ تعریف و سرویس های جانبی به او اختصاص داده می شود یعنی شماره مشترک همیشگی است مگر اینکه اپراتور تصمیم به حذف مشترک بگیرد اما در سوییچ موبایل وقتی مشترک وارد منطقه تحت پوشش یک سوییچ شد فورا سوییچ مربوطه اطلاعات کامل مشترک را به طور اتوماتیک از سیستمی به نام HLR در خواست می کند و کپی آن را در حافظه خود ذخیره کرده وبه سوییچ قبلی که اطلاعات مشترک درآن بوده دستور حذف اطلاعات را میدهد سپس HLR آدرس آخرین سوییچ که موبایل در آن قرار گرفته را در خود ثبت می کند . محلی که اطلاعات مشترک موبایل به طور موقت در آن ثبت میشود (VLR (Visited Location Register نام دارد موقت بودن ثبت اطلاعات در سوییچ از این بابت است که به محض خروج مشترک از منطقه تحت پوشش سوییچ اطلاعات آن از سوییچ مربوطه پاک می شود پس دیدیم که اپراتور هیچ نقشی در تعریف مشترک موبایل در سوییچ ندارد .بطور مثال وقتی شما از تهران به سمت شمال حرکت می کنید (ازمسیر چالوس) ابتدا اطلاعات سیم کارت شما در یکی از سوییچهای تهران است به محض نزدیک شدن به کرج اطلاعات شما ازیکی از سوییچهای تهران که اطلاعات شما درآن بود حذف شده ودر VLR سوییچ کرج ثبت می شوید وقتی وارد منطقه تحت پوشش استان مازندران می شوید اطلاعات شما از کرج حذف ودر سوییچ بابل ثبت میشود و الی آخر

    HLR

    HLR یا (RegistryHome Location)، یک پایگاه داده متمرکز شامل اطلاعات تمامی مشترکین ثبت شده است. HLR به طور خلاصه کار ذخیرهسازی اطلاعات مربوط به شمار زیادی از مشترکین را به عهده دارد. کلیه اطلاعات مشترکین سیار در واحدی بنام HLR ذخیره میگردد؛ این اطلاعات شامل ID مشترک، شماره مشتری، جزئیات قبض برای مشترکین دائمیو اطلاعات شارژ برای مشترکین اعتباری میباشد. در این واحد اطلاعات بسیاری از جمله پارامترهای احراز هویت ذخیره میشود.

    عداد زیادی از BSC ها از طریق interfaceA_ به یک MSC متصل میشوند؛ MSC شبیه به یک مرکز تلفن دیجیتالی عمل میکند که بهطور همزمان چند شبکهی خارجی میتواند به آن دسترسی داشته باشد .
    وظیفه ی اصلی یک MSC مسیردهی مکالمات ورودی و خروجی و واگذاری کانال روی aceinterfA_ به هر USER است .
    همانطور که از اسم سوییچ پیداست اصلی ترین کار سوییچ انتخاب مسیر مناسب جهت برقراری یک مکالمه است. MSC به صورت بسیار ساده از پردازنده مرکزی ، حافظه موقت(شبیه Ram کامپیوتر) حافظه جانبی (شبیه هارد دیسک کامپیوتر) ، یونیت های واسطه که عمل سوییچینگ در آنها انجام می شود و پورتها که حکم اینترفیس سیستم را دارند، تشکیل شده است. اصلی ترین تفاوت سوییچ موبایل و سوییچ تلفن ثابت در نحوه تعریف مشترک در سوییچ است در تلفن ثابت مشترک به صورت دائم در سوییچ تعریف و سرویس های جانبی به او اختصاص داده می شود یعنی شماره مشترک همیشگی است مگر اینکه اپراتور تصمیم به حذف مشترک بگیرد اما در سوییچ موبایل وقتی مشترک وارد منطقه تحت پوشش یک سوییچ شد فورا سوییچ مربوطه اطلاعات کامل مشترک را به طور اتوماتیک از سیستمی به نام HLR در خواست می کند و کپی آن را در حافظه خود ذخیره کرده وبه سوییچ قبلی که اطلاعات مشترک درآن بوده دستور حذف اطلاعات را میدهد سپس HLR آدرس آخرین سوییچ که موبایل در آن قرار گرفته را در خود ثبت می کند . محلی که اطلاعات مشترک موبایل به طور موقت در آن ثبت میشود (VLR (Visited Location Register نام دارد موقت بودن ثبت اطلاعات در سوییچ از این بابت است که به محض خروج مشترک از منطقه تحت پوشش سوییچ اطلاعات آن از سوییچ مربوطه پاک می شود پس دیدیم که اپراتور هیچ نقشی در تعریف مشترک موبایل در سوییچ ندارد .بطور مثال وقتی شما از تهران به سمت شمال حرکت می کنید (ازمسیر چالوس) ابتدا اطلاعات سیم کارت شما در یکی از سوییچهای تهران است به محض نزدیک شدن به کرج اطلاعات شما ازیکی از سوییچهای تهران که اطلاعات شما درآن بود حذف شده ودر VLR سوییچ کرج ثبت می شوید وقتی وارد منطقه تحت پوشش استان مازندران می شوید اطلاعات شما از کرج حذف ودر سوییچ بابل ثبت میشود و الی آخر

    این اطلاعات زمانی که مشترک جدیدی به سیستم اضافه میشود توسط provider network به دیتابیس افزوده میشود. و این دادهها توسط واحدهای MSC و VLR به وسیله ی IMSI و یا MSISDN مورد استفاده قرار میگیرند.
    HLR ، اطلاعات مشترکین و همچنین اطلاعاتی که نشانگر عدم اجازه دسترسی به سرویسهای معین است را نگهداری میکند.
    در یک جمله میتوان گفت، یک HLR توزیع شدهاست و شامل اطلاعات دقیقی در مورد محل یک موبایل است . اصلی ترین پارامترهای ذخیره شده در HLR عبارتند از:
    1 . آیدی مشترک IMSI و MSISDN 2 . VLR فعلی و موقعیت فعلی
    3 . سرویسهای جانبی ( صدای زنگ، Alert Call Missed یا هر سرویس دیگری)
    4 . وضعیت مشترک (رجیستر شده یا خیر)
    5 . کلید احراز هویت
    6 . شماره ی رومینگ مشترک

    VLR

    Register Location Visitor این واحد دارای اطلاعات و جزئیات موقتی میباشد.
    VLR شامل کپی اغلب اطلاعات ذخیره شده در HLR میباشد. و این اطلاعات تا زمانی که مشترک در یک محدوده منطقه خاص باشد، باقی میمانند. VLR پایگاه داده ای local برای مشترکین میباشد. بنابراین زمان و هزینه کمترین نسبت به HLR دارد.
    اطلاعاتی که در VLR ذخیره میشوند از قرار زیر هستند:
    1 . شناسه محل (LAI)
    2 . شناسه مشترک موقت ( TMSI )
    3 . شماره رومینگ موبایل(MSRN )
    4 . وضعیت موبایل(مشغول، آزاد؛ …)
    سلولها در شبکه مبایلی عمومیدر حوزههای جغرافیایی تلفیق شده اند. هر ناحیه دارای شناسه ( LAI ) یکتایی میباشد و هر ناحیهممکن است از 30 سلول تشکیل شده باشد.
    وقتی مشترک از محلی به محل دیگر میرود LAI او در VLR عوض میشود. و وقتی از یک VLR به VLR دیگری برود آدرس اودر HLR ذخیره میگردد
    VLR اختصاص شناسه کاربران مشترکین موبایل را کنترل میکند و HLR را مطلع میسازد. این شناسه متناوبا به روز میشود. و قابل ردیابی نیست بنابراین امنیت مکالمات را بالا میبرد.
    این شناسه در شرایط زیر ممکن است به روز شود:

    • برقراری تماس
    • ورود به LAI جدید
    • ورود به VLR جدید

    از آن جایی که ممکن است مشترکین بخواهند از خدمات سیم کارت خود خارج از کشور بهره ببرند، VLR میتواند MSRN که شماره ی رومینگ میباشد به مشترکین ارائه دهد. سپس این شماره توسط MSC برای برقرای تماس مورد استفاده قرار میگیرد.
    پایگاه داده ی VLR توسط IMSI و TMSI و MSRN مورد استفاده قرار میگیرند.

    AUC

    مرکز تأیید هویت AUC ، اعتبار شناسایی مشترک را کنترل میکند و در واقع بانک اطلاعاتی دیگری است که شامل پارامترهای تاییدیه و الگوریتمهای رمز کردنهای مختلف میباشد. الگوریتمها، در هنگام اشتراک، علاوه بر AUC در کارت الکترونیکی SIM ذخیره میگردد AUC . یا مرکز تعیین هویت به HLR متصل میشود و وظیفه آن آمادهسازی HLR به همراه پارامترهای تعیین هویت و کلیدهای رمزنگاری است که این عملیات برای اهداف امنیتی استفاده میشوند.

    EIR

    ثبت کنندة هویت تجهیزات یا Registery Identity Equipment یک پایگاه داده است که در آن شمارههای بین المللی تعیین هویت تجهیزات موبایل (IMEI) ، برای هر دستگاه موبایل ثبت شده، ذخیره میشود.
    یکی دیگر از ترکیبات زیر سیستم شبکه lerCancel Echo است که مسایل آزار دهنده ای (مانند انعکاس صدا) که از طریق شبکة موبایل در زمان اتصال به یک مدار PSTN ایجاد میشود را کاهش میدهد . شبکة IWF یا فانکشن داخل شبکه ای نیز رابطی میان MSC و دیگر شبکه ها PSTN و ISDN میباشد