اشاره
آن‌چه كه در پي مي‌آيد، ويرايش نخست اولين بخش از مقاله‌ي « آشنايي با مخابرات سلولي» از مجموعه‌ي متون آموزشي مفاهيم مهندسي مخابرات، ويژه‌ي خبرنگاران سياستي و سياست‌پژوهان صنعت مخابرات است كه در سرويس مسائل راهبردي دفتر مطالعات خبرگزاري دانشجويان ايران، تدوين شده است.
اين مقاله سعي مي‌كند مروري اجمالي بر مفاهيم اساسي فناوري مخابرات سلولي كه در واقع همان فناوري مخابرات سيار يا مخابرات بي‌سيم است، داشته باشد. در شماره‌هاي بعدي به بررسي نسل‌هاي مختلف فناوري شبكه‌هاي تلفن سيار (موبايل)، ‌فناوري‌هاي بكاررفته در آن‌ها و سيستم‌هاي مخابرات خصوصي و همچنين سرويس‌هاي MMS، GPS، Bluetooth و بهينه‌سازي شبكه‌هاي سلولي و سيستم‌هاي رادار پرداخته مي‌شود.
 
مقالات «مفاهيم مهندسي مخابرات» با ادبياتي ساده مفاهيمي تخصصي را براي خواننده توضيح مي‌دهند كه با استفاده از آن‌ها تا حدودي مي‌توان به ارزيابي سياست‌گذاري توسعه‌ي صنعتي و سياست‌گذاري توسعه‌ي علم و فناوري در اين رشته پرداخت.
سرويس مسائل راهبردي ايران، آشنايي با مفاهيم تخصصي و فني در هر حوزه را مقدمه‌ي ايجاد يك عرصه‌ عمومي براي گفت وگوي دانشگاهيان و حرفه‌مندان با مديران و سياست‌گذاران درباره‌ي سياست‌ها و استراتژي‌ها و برنامه‌ها در آن حوزه مي‌داند و اظهار اميدواري مي‌كند تحقق اين هدف، ضمن مستند سازي تاريخ فرآيند سياست‌گذاري عمومي و افزايش نظارت عمومي بر اين فرآيند، موجب طرح ديد‌گاه‌هاي جديد و ارتقاي كيفيت آن در حوزه‌هاي مختلف شود.
سريس مسائل راهبردي  ايران ضمن اعلام آمادگي براي بررسي دقيق‌تر نياز‌هاي خبرنگاران و سياست‌پژوهان محترم، علاقه‌مندي خود را براي دريافت (rahbord.isna@gmail.com) مقالات دانشجويان، پژوهشگران، حرفه‌مندان، مديران و سياست‌گذاران محترم در ارائه‌ي عناوين جديد مقالات و يا تكميل يا ويرايش آن‌ها اعلام مي‌كند.

معرفي مخابرات سلولي

مقدمه
درمخابرات سلولي منطقه مورد نظر ( به عنوان مثال يک شهر بزرگ ) به چندين منطقه کوچک‌تر تقسيم مي‌شود که به هر يك از آن‌ها يک سلول گفته مي‌شود. در هر يك از سلول‌ها يک ايستگاه فرستنده/گيرنده‌ي پايه (BTS) قرار داده مي‌شود که وظيفه برقراري ارتباط تنها با کاربران آن منطقه را برعهده دارد. همچنين ارتباط ميان ايستگاه موبايل و ايستگاه پايه در محيط سلولي به ندرت به شکل ديد مستقيم است، زيرا شرايطي مثل موانع طبيعي و ساختمان‌ها مانع از اين کار مي‌شود، بنابراين سيگنال فرستاده شده توسط فرستنده در مسيرهاي ديد غير مستقيم به گيرنده مي‌رسد و اين کار عاملي است که کارايي کانال را تنزل مي‌دهد، درنتيجه اين تاثيرها را بايد در طراحي سلولي در نظر گرفت.
براي طراحي يک سيستم تلفن بي‌سيم لازم است مقدار تلفات مسير بين فرستنده و گيرنده معلوم باشد. در طراحي يک سيستم، افت مسير را مي‌توان ازروي مدل‌هاي انتشار به‌ دست آورد. همچنين با استفاده از بودجه مسير و مدل پيش بيني شده انتشار يا اندازه‌گيري‌هاي انتشار، مي‌توان محدوده واقعي سيستم را با اين فرستنده، گيرنده و آنتن‌هاي خاص تعيين نمود.
در طراحي سلولي پارامترهاي اصلي زير در نظر گرفته مي‌شوند:

• تعداد مشترکين سيار آن منطقه با پيش بيني‌ها لازم راجع به افزايش آن در آينده
• رفتار ترافيکي مشترکين از لحاظ ميزان ومدت تقاضا براي دريافت سرويس
• کيفيت سرويس دهي قابل قبول از لحاظ ميزان مسدود شدن (Blocking)
• منطقة جغرافيايي مورد نظر

سيگنال:
در مهندسي برق به هر کميت متغيير نسبت به زمان سيگنال مي‌گويند، به طور مثال هر تغيير ولتاژ يا جريان مي‌تواند يك سيگنال تلقي شود. سيگنال‌ها اغلب توابع سطري از زمان هستند (سهمي شکل)، ولي ممکن است به صورت توابع ستوني نيز يافت شوند و نيز ممکن است توابعي از هر متغيير مستقل مربوطه‌ي ديگري باشند. اين مفهوم بسيار گسترده‌ و تعريف دقيق آن بسيار دشوار است.
 براي مثال در تئوري اطلاعات، يک سيگنال، پيغام کد‌گذاري شده‌اي است که در واقع همان ترتيب حالت‌ها و نوع كدگذاري در کانال ارتباطي است که پيغام را در بر مي‌گيرد. در يک سيستم ارتباطي يک فرستنده، پيغام را به سيگنال تبديل مي‌کند و سيگنال از طريق کانال ارتباطي به گيرنده مي‌رسد.

فرکانس:
اندازه گيري تعداد تکرار اتفاقي در واحد زمان است. براي محاسبه فرکانس بر روي يک بازه زماني ثابت، تعداد دفعات وقوع يک حادثه را در آن بازه مي شماريم و سپس اين تعداد را بر طول بازه زماني تقسيم مي کنيم.
پس از فيزيک دان آلماني هاينريش رودولف هرتز، در سيستم واحدهاي SI فرکانس با هرتز(Hz) اندازه گيري مي شود. يک هرتز به اين معني است که يک واقعه يک بار بر ثانيه رخ مي دهد. واحدهاي ديگري که براي اندازه گيري فرکانس بکار مي روند به اين شرح هستند: سيکل بر ثانيه، دور بر دقيقه (rpm). سرعت قلب توسط واحد ضربان بر دقيقه اندازه گيري مي شود.

سلول
سلول کوچکترين محدوده پوششي در شبکه موبايل است و به وسيله پوشش راديويي يک سکتور BTS مشخص مي‌شود و روش تقسيم سلولي و تعيين شعاع سلول‌ها بستگي به شرايط جغرافيايي منطقه تحت پوشش و درنظر گرفتن ساختمان‌ها و موانع مصنوعي، قدرت فرستنده ، بهره آنتن و نوع آن و حساسيت گيرنده دارد و معمولأ براي پوشش راديويي هر سلول از آنتن‌هاي سکتورايز استفاده مي کنند.

BTS يا BS : ايستگاه فرستنده و گيرنده موبايل
MS : موبايل
LOS : ديد مستقيم
NLOS : ديد غير مستقيم
RF : سيگنال راديوئي

نسبت C/L:
نسبت سيگنال مطلوب ( موج حامل ) به سيگنال ناخواسته ( تداخل ) هم کانال را نشان مي‌دهد.
ارلانگ : يک ارلانگ ميزان ترافيک توليد شده به وسيله هر کاربر زماني که او از يک کانال به مدت يک ساعت استفاده کند (اين يک ساعت معمولا ساعت شلوغي شبکه است)
Fading :
فيدينگ يا محوشدگي سيگنال در اثر عوامل ناخواسته
سوئيچينگ: عمل سويئچ زدن يا جريان چيزي را عوض كردن , در عرف عمومي بيشتر به معني تغيير دادن چيزي به كار مي رود . در مباحث مربوط به مهندسي برق به معني كليد زدن و تغيير جريان برق به كار مي رود. در معناي لغوي به راه گزيني نيزترجمه مي شود.
سوييچ مخابراتي : دستگاهي است که کار مسير يابي و مسير دهي ؛ همچنين  وظيفه ثبت charging که همان مدت زمان مکالمه است را برعهده دارد و ضمنا ارائه سرويس‌هاي مختلف اعم از انتظار مکالمه - انتقال مکالمه - نمايش‌گر شماره تلفن و غيره بر عهده‌ي سوييچ است. 
 سكتور:
هر BTS سه سكتور(جهت) دارد كه هر سكتور چهار TRX دارد . TRX مخفف Transceiver   يعني مجموع گيرنده و فرستنده مي باشد. اين به واحدي اطلاق مي شود كه وظيفه ارسال و دريافت اطلاعات را به عهده دارد.

مخابرات سلولي

از دير باز برقراري ارتباط با هم نوعان، فکر انسان را به خود مشغول نگه داشته است. درسال‌هاي بسيار دور که هنوز انسان، طبيعت و محيط اطراف خود را به خدمت نگرفته بود، تنها راه ارتباط بين ابناء بشر ابتدا استفاده از حرکت دادن دست و پا و سپس به کار بردن الفاظ ساده وابتدايي بود. با گذشت زمان و پيشرفت انسان در شناخت توانايي‌هاي خويش راه‌هاي جديدي براي برقراري ارتباط و مخابره اطلاعات توسط او يافت شد. صحبت کردن، نوشتن مطالب و متعاقب آن خواندن آن‌ها تلگراف، تلفن استفاده از امواج راديويي استفاده از ماهواره وشبکه‌هاي مختلف داده را در واقع مي‌توان از راه هاي مختلف مخابره اطلاعات برشمرد که انسان طي سال‌ها از آن‌ها استفاده کرده و مي‌کند.

مخابرات سيار که ما دراين نوشته به آن خواهيم پرداخت، به نوعي از مخابره داده‌ها مي‌پردازد که جذابيت بيشتري نسبت به ساير انواع مخابرات دارد. در مخابرات سيار به دليل استفاده از کانال‌هاي راديويي که غيرمادي(بي سيم) هستند، اين امکان وجود دارد که يک کاربر هم در هنگام حرکت و هم هنگامي که در مکان نامعلومي به سر مي‌برد بتواند با ساير کاربران ارتباط برقرار کند. البته نکته مهمي که در اينجا بايد اشاره نمود اين است که در مسير ارتباطي بين يک کاربر که از مخابرات سيار استفاده مي‌کند ويک کاربر ديگر ممکن است کانال‌هاي مادي نيز وجود داشته باشد؛ اما طبق تعريف مي‌بايست ابتداي اين مسير ارتباطي يک کانال راديويي( کانال غير مادي ) باشد. به عبارت بهتر در مخابرات سيار ارتباط بين کاربران وايستگاه‌ها‌ي پايه و مراکز سويچينگ از طريق کانال‌هاي راديويي انجام مي‌پذيرد؛ در صورتي که ارتباط داخلي بين اين ايستگاه‌هاي پايه و مراکز سويچينگ مي‌تواند از طريق هر کانالي ( چه راديويي وچه مادي ) صورت گيرد.

مخابرات سيار به دليل دادن آزادي بيشتر به کاربر، مورد توجه زيادي قرار گرفته است وتعداد متقاضيان استفاده از آن در سراسر جهان روز به روز در حال افزايش است. همين افزايش تمايل به استفاده از مخابرات سيار و همين طور محدود بودن منابع عملي و فيزيکي سبب شده است که تحقيقات فراواني براي ارائه روش‌هاي جديد صورت گيرد تا بتواند با بازدهي بيشتري از اين منابع محدود استفاده نمود. البته پيشرفت روز افزون فناوري‌هاي مختلف کمک بسياري به اين تحقيقات مي‌کند.

تا به حال سيستم‌هاي زيادي براي مخابرات سيار به صورت تجاري معرفي شده است که اغلب آنها هم اکنون نيز در حال استفاده درمناطق مختلف جهان مي‌باشند. جدول ذيل چند نمونه مهم از سيستم‌هاي تجاري مخابرات سيار را به طور خلاصه معرفي مي‌کند.

 چند نمونه از سيستم هاي تجاري مخابرات سيار

 ساده‌ترين ايده براي مخابرات سيار در واقع همان روش مورد استفاده در ايستگاه‌هاي بي‌سيم( مانند بي سيم پليس ) است، بدين صورت که يک ايستگاه مرکز در مکان مناسبي از محيط قرار داده مي‌شود که وظيفه دريافت سيگنال‌ها (که آنالوگ هستند) را از کاربران و ارسال سيگنال به سوي آنان برعهده دارد. هر کاربر از يک فرکانس حامل براي برقراري ارتباط با ايستگاه پايه استفاده مي‌کند که با فرکانس حامل ساير کاربران متفاوت است.
اين روش که سيستم‌هاي ابتدايي از آن استفاده مي‌کرده‌اند،چند مشکل اساسي دارد که موجب مي‌شود با توجه به پيشرفت‌هاي فناوري که امکان پياده کردن روش‌هاي بسيار پيچيده‌تر را نيز به ما مي‌دهد، استفاده از آن محدود به کاربرهاي بسيار خاص باشد.

اولين مشکل در سيستم پيشنهادي فوق، ظرفيت کم آن است؛ به طوري که اگر اين سيستم تنها براي انتقال داده‌هاي صوتي به کار برده شود حتي اگر کيفيت بالا نيز مورد نظر نباشد ( پهناي باند هر کانال مقدار کمي در نظر گرفته شود)، باز هم تعداد کاربراني که مي‌توانند از سيستم براي برقراري ارتباط با شبکه استفاده کنند. بسيار کم مي‌باشد علاوه بر آن به راحتي نيز نمي‌توان ظرفيت اين سيستم را افزايش داد و براي انجام آن عمل نياز به تغييرات زيادي هم بر روي ايستگاه مرکزي و هم بر روي دستگاه‌هاي کاربران خواهد بود. در ضمن براي افزايش ظرفيت اين سيستم از قرار دادن ايستگاه‌هاي اضافي نيز مي‌تواند استفاده نمود؛ زيرا، به دليل استفاده از کل باند فرکانس در يک ايستگاه، در صورت استفاده از ايستگاه‌هاي اضافي مسأله تداخل به وجود خواهد آمد که از کارايي سيستم به شدت خواهد کاست. همانطور که در بالا گفته شد براي نداشتن تداخل در اين سيستم مي‌بايست تنها از يک ايستگاه پايه استفاده نمود که با انجام اين عمل مشکل پوشش نامناسب وناقص نيز به وجود خواهد آمد. در عمل براي رفع اين مشکل و وسيع کردن منطقه‌اي که کاربران در آن بتوانند با شبکه ارتباط برقرار کنند، توان سيگنال‌ها ارسال افزايش داده مي‌شود. افزايش توان ارسالي براي ايستگاه مرکزي مشکل چنداني ايجاد نمي‌کند؛ زيرا مي‌توان تجهيزات و انرژي الکتريکي لازم را به راحتي در اختيار ايستگاه مرکزي قرار داد. ولي در دستگاه‌هاي کاربران مسأله تفاوت پيدا مي‌کند؛ زيرا افزايش توان به معني قرار دادن تقويت کننده‌هاي گوناگون و استفاده بيشتر از انرژي الکتريکي محدود باتري دستگاه مي‌باشد.

قرار دادن اين تقويت کننده‌ها وباتري‌هايي با ظرفيت بالا که بتواند توان مورد نياز را در اختيار قسمت‌هاي الکترونيکي قرار دهند، موجب بزرگ شدن اندازه دستگاه کاربران خواهد شد که استفاده از آن را بسيار محدود خواهد کرد. علاوه برآن افزايش توان براي دستگاه کاربران، از نظر بهداشتي نيز مشکل ساز مي‌باشد و براي جلوگيري از ايجاد بيماري‌هاي گوناگون در کاربر ( مانند سرطان) نبايد توان ارسالي را از مقدار مشخصي بيشتر نمود.براي رفع مسائل ظرفيت کم سيستم، پوشش نامناسب و ناقص و حجم زياد دستگاه کاربران )بدون خطرات زيست محيطي). روش‌هاي مختلفي پيشنهاد شده است که استفاده از مخابرات سلولي يک از اين روش‌ها مي‌باشدکه بدان خواهيم پرداخت.

در مخابرات سلولي منطقه مورد نظر( به عنوان مثال يک شهر بزرگ) به چند منطقه کوچک‌تر تقسيم مي‌شود که به هر کدام از آنها سلول گفته مي‌شود. به جاي آن که در کل منطقه اصلي تنها از يک ايستگاه مرکزي با توان ارسال بسيار بالا استفاده شود، در هر کدام ازسلول‌ها يک ايستگاه پايه با ابعاد و توان کمتر قرار داده مي‌شود که وظيفه برقراري ارتباط تنها با کاربران را بر عهده دارد. براي حذف مشکل تداخل نيز اساس روش کار، تقسيم باند فرکانس مورد استفاده به چندين باند کوچک‌تر واستفاده از هر کدام ازاين باندهاي کوچک‌تر در يک سلول مي‌باشد؛ به طوري که، دو سلول مجاور، از يک باند فرکانس استفاده نمي‌کنند ودر نتيجه تداخل نخواهيم داشت.

به دليل کم بودن توان هر کدام از ايستگاه‌هاي پايه، مي‌توان از يک باند فرکانسي که دريک سلول استفاده شده است در سلول‌هاي ديگري که با سلول اولي فاصله قابل قبولي دارند مجدداً استفاده نمود. با انجام اين عمل ظرفيت سيستم را مي‌توان تا حد بسيار زيادي افزايش داد.

در ضمن به دليل اين که ابعاد سلول‌ها خيلي زياد نيست و در نتيجه فاصله بين کاربران و ايستگاه‌هاي پايه نيز مقدار کمي است، کاربران مي‌تواند از گوشي‌هايي استفاده کنند که هم ابعاد کوچک و مصرف باتري کمي دارند و هم اين که براي سلامتي بي‌خطرند. پوشش مناسب دادن به منطقه مورد نظر نيز در مخابرات سلولي به راحتي امکان پذير است ومي‌توان درهر مکاني که نياز به دادن سرويس است يک سلول جديد تعريف کرد و با قرار دادن تنها يک يا چند ايستگاه پايه جديد، مناطق جديد را به مناطق زير پوشش افزود.

انتشار در محيطهاي راديويي

انتشار امواج راديويي در محيط به وسيله سه عامل جدا کننده زير شناخته مي‌¬شود:

1- افت مسير (Path Loss)
2- فيدينگ بلند مدت (Long-Term Fading)
3- فيدينگ کوتاه مدت (Short-Term Fading)

افت مسير
افت مسير حاصل از افت ذاتي در توان سيگنال وتاثير محيط بر سيگنال مي‌باشد. در طراحي يک سيستم افت مسير را مي‌توان از روي مدل‌هاي انتشار بدست آورد. از آنجايي که افت مسير تحت تاثير تعداد و موقعيت سلول‌ها است بنابراين محاسبه افت مسير يک صرفه جويي درهزينه و زمان است.

افت مسير در فضاي آزاد
افت مسير در فضاي آزاد از افت ذاتي در توان سيگنال منتشر شده در فضاي آزاد مي‌باشد

تلفات مسير در محيط‌هاي راديويي موبايل
در يك محيط انتشار راديويي واقعي افت مسير را به وسيله معادله فضاي آزاد نمي‌توان محاسبه كرد. به دليل پيچيدگي محاسبات اتلاف مسير درمحيط‌هاي واقعي مدل‌هاي انتشار مختلفي زيادي بوجود آمده است. مدل هاتا(Hata) و اكومورا(Okumura) وگسترش COST-231,2-GHz سه نمونه از اين مدل‌ها مي‌باشد. اين سه مدل را وقتي كه شرايط زير برقرار شود مي‌توان استفاده كرد:

• فرکانس سيگنال حامل , 150MHz تا 1500MHz
• ارتفاع آنتن ايستگاه BTS ,30متر تا 200 متر و براي حالت گسترش يافته :5/1 متر تا 400 متر
• ارتفاع آنتن موبايل , 1متر تا 10متر
• فاصله بين موبايل و ايستگاه BTS , 1 كيلومتر تا 20 كيلومتر و براي حالت گسترش يافته: 2 متر تا 80 كيلومتر

اختلاف درکانالهاي راديويي
ارتباط بين MS وBS در محيط سلولي بندرت به شکل ديد مستقيم (LOS) است، زيرا شرايطي مثل موانع طبيعي وساختمان‌ها مانع از اين کار مي‌شود. همچنين MS مي‌تواند در جهت مختلف وبا سرعت‌هاي متفاوت حرکت کند. در نتيجه سيگنال RF به وسيله عواملي مثل انعکاس پراکنده مي‌شود. در نتيجه باعث مي‌شود سيگنال فرستاده شده توسط فرستنده درمسيرهاي ديد غير مستقيم (NLOS) به گيرنده برسد. اين کار باعث نوسان‌هاي کوتاه مدت وبلند مدت درشدت سيگنال دريافتي (RSS) مي‌شود وعاملي است که کارايي کانال را تنزل مي‌دهد.

فيدينگ بلند مدت
فيدينگ بلند مدت، ميرايي و تضعيف سيگنال‌هاي RF به علت انسداد محيط است. معمولا موقعيت و عوارض طبيعي زمين باعث اين نوع از فيدينگ مي‌شود ولي ساختمان‌ها و عوارض مصنوعي باعث فيدينگ کوتاه مدت مي‌شود.

توزيع Log-Normal
فيدينگ بلندمدت باعث مي‌شود که شدت سيگنال دريافتي داراي توزيع Log-Normal باشد اگر اين شدت سيگنال را در يک فاصله که حداقل 40 است اندازه بگيريم. که طول موج برحسب متر است.
داده‌هاي آزمايشي باند MHZ 850 نشان مي‌دهد که واريانس درشهرها بين dB 12-8 است. درحالت کلي واريانس درمناطق شهري از مناطق روستايي بيشتر است ودر شهرها هم هر چه ارتفاع ساختمان‌ها بيشتر باشد واريانس بيشتر است.
افت مسير براي محيط‌هاي انتشار راديويي موبايل واريانس در حدودdB 12-5 (دسي بل) دارد.

فيدينگ کوتاه مدت
فيدينگ کوتاه مدت مجموع سيگنال‌هاي RF است که در گيرنده به هم مي‌رسند، که اين سيگنال‌ها درامتداد NLOS ,LOS انتشار يافته‌اند، ومعمولا ناشي از انعکاس مي‌باشد. فيدينگ کوتاه مدت علاوه برفيدينگ بلند مدت برروي سيگنال اثر مي‌گذارد. معمولا تنها ساختمان‌ها وموانع مصنوعي سبب اين نوع از فيدينگ مي‌شود.

توزيع رايلي
فيدينگ کوتاه مدت باعث مي‌شود که شدت سيگنال دريافت شده داراي توزيع رايلي باشد اگر که فقط جزء NOLS سيگنال RF وجود داشته باشد.

توزيع ريسين
فدينگ کوتاه مدت باعث مي‌شود که شدت سيگنال دريافت شده داراي توزيع ريسين باشد اگر که يک جزء قوي LOS سيگنال RF با چندين جزء NLOS سيگنال وجود داشته باشد. اين نوع از توزيع بيشتر در نواحي روستايي و داخلي ساختمان‌ها ديده مي‌شود.
فيدينگ کوتاه مدت سيگنال RF به سه دسته زير طبقه بندي مي‌شود:

1- ريسين
2- رايلي
3- گوسي

که اين طبقه بندي با توجه به نسبت شدت سيگنال LOS به شدت سيگنال NLOS دريافت شده صورت مي‌گيرد.
فيدينگ کوتاه مدت در شدت سيگنال به وسيله تکنيک‌هاي پردازش ديجيتال سيگنال قابل جبران سازي است.

منابع :
1)Mobile telecommunications standards ; Bekkers , Rubi.
2)Cell Planning for wireless communications; Catedra ,Manuel.F
3)GSM networks ;Heine, Gunnar
4) Mobile celluar Telecommunication systems; Lee, William.c.y
5)GSM system engineering ;Mehrotra. Asha

تدوين: جواد افشار جهانشاهي
دانشجوي کارشناسي ارشد مخابرات- سيستم دانشگاه شهيد بهشتي
خبرنگار سرويس مسائل راهبردي ايران

ادامه دارد....