1-1: معماري شبکه GSM
شبکه GSM یک سیستم ارتباطی سلولی دیجیتال است که با ایده سلولی کردن منطقه جغرافیایی و استفاده مجدد از فرکانس 1 و پوشش دادن منطقه جغرافیایی بوسیله سلولها شروع بکارکرد.شبکه سلولی سیار را به علت اینکه مشترکین تلفن هاي متحرك معمولأ در خشکی از آن استفاده میکنند ] شبکه عمومی زمینی سیار [ 2(PLMN) می نامند.
تکنیک استفاده مجدد از فرکانس با در نظر گرفتن کمترین تداخل فرکانسی در GSM بعلت کمبود فرکانس و پهناي باند بکار گرفته می شود. معماري شبکه GSM در شکل (1-1) آمده است.
شبکه GSM به 4 قسمت اصلی تقسیم می شود که عبارتنداز:
• MS3 واحد سیار
• BSS 4 زیر سیستم ایستگاه ثابت
• NSS 5 زیر سیستم سوئیچینگ و شبکه
• OSS 6 زیر سیستم نگهداري و پشتیبانی
اینترفیسهایی(Interface) بین قسمتهاي مختلف شبکه GSM عبارتند از:
• اینترفیس A بین MSC و BSC7
• اینترفیس Abis بین BSC و BTS8
• اینترفیس Um یا Airبین MS و BTS
1-1-1: MS (واحد سیار)
MS شامل دو قسمت اصلی است.
- ترمینال موبایل (ME9)
- سیم کارت یا ماژول شناسایی مشترك (SIM10)
مشترك بوسیله گوشی (MS) قادر است مکالمه و سرویسهاي دیتا را انجام دهد. ME به وسیله IMEI11 شناسایی می شود. و کد 12 IMSI براي SIM جهت شناسایی مشترك بکار میرود.
 شکل(1-1) معماري شبکه GSM
BSS :1-1-2
قسمت وظیفه رادیویی سیستم را بعهده داشته است و ارتباط رادیویی MS ها را کنترل میکند. BSS از دو قسمت BSC و BTS تشکیل شده است و اینترفیس Abis را بین BSC و BTS و همچنین اینترفیس A را بین BSC و MSC بکار میگیرد.
BTS :1-1-2-1
BTS مسئول تبادل امواج رادیویی با واحد سیار و همچنین مسئول تبادل و کنترل اطلاعات با
BSC می باشد . یک BTS شامل فرستنده وگیرنده هاي مستقلی می باشد که ارتباط هوایی و رادیویی را با واحد سیار بوجود می آورد و BTS کوچکترین واحد تامین کننده سرویس در شبکه رادیویی سیار میباشد که بوسیله امواج رادیویی می تواند منطقه معینی از شبکه را که سلول نامیده میشود تحت پوشش قراردهد و هر BTS با توجه به چگالی مشترکین در سلول می تواند از یک تا شش TRX آرایش شود. معمولا براي هر BTS با توجه به طراحی پوششی براي آن منطقه میتوان 3 سکتور در نظر گرفت.
وظایف عمده BTS عبارتند از :
• اجراي پرش فرکانسی (Frequency Hopping)
• رمزنگاري و رمزگشایی اطلاعات روي مسیر رادیویی
• گزارش کیفیت کانال ترافیکی خالی
• ارسال مستقیم اندازه گیریهاي توان MS به سمتBSC
• عمل همزمانی بین MS ها و BTS مربوطه
• آشکار سازي قطار پالس هاي دسترسی تصادفی رسیده از MS هاي مختلف
• مدیریت خط سیگنالینگ بین BSC و MS
• تطبیق نرخ بیت و اجراي کدگذاري انتقال
BSC : 1-1-2-2
BSC دربخش رادیویی شبکه GSM قرار دارد و وظایف اصلی BSC عبارتند از:
مدیریت شبکه رادیویی
مدیریت BTS ها
ایجاد ارتباط با MS
مدیریت شبکه انتقال
برقراري ارتباط با MS و MSC
BSC براي ارتباط با BTS از لینکهاي سرعت بالا (E1 یا T1) روي اینترفیس Abis استفاده میکند و نرخ اطلاعات روی Abis ، 16kbps و روي A اینترفیس ، 64kbps است و براي سازگاري نرخ اطلاعات بین دو BSC و MSC ، واحدي به نام 13 TRAU اطلاعات 16kbps را به 64kbps و برعکس تبدیل میکند.
3-1-1 : NSS (زیرسیستم سوئیچینگ وشبکه)
وظیفه اصلی بخش NSS مدیریت بر برقراري ارتباط بین مشترکین موبایل با هم و با مشترکهاي دیگر از قبیل ISDN وتلفن ثابت(PSTN14)می باشد و قسمتهاي اصلی آن عبارتند از:
• MSC15 ،GMSC16، HLR17،VLR18 ،EIR19 ، AUC20
 
شکل (2-1) : ساختار NSS شکل (3-1) : ساختار BSS
MSC 1-1-3-1(مرکز سوئیچینگ موبایل) :
قسمت اصلی زیر سیستم شبکه ، مرکز سوئیچینگ موبایل MSC میباشد .
وظیفه سوئیچینگ برعهده MSC است وبه وسیله لینک E1 با شبکه هاي ثابت و دیتا ارتباط برقرارمی کند و نرخ تبادل اطلاعاتی MSC ، 64 kpbs است و وظایف اصلی ان عبارتند از:
- بروز کردن مکان مشترك ( Location Updating)
- ثبت و شناسایی مشترك (Registration & Authentication)
- مسیر یابی مکالمه و سوئیچینگ و کنترل مکالمات
- مدیریت منابع رادیویی و Handover هاي بین BSC ها
1-2 : مشخصات فرکانسی ونواحی شبکه GSM
:1-2-1 مشخصات فرکانسی GSM
GSM ، در 3 باند 900 ،1800 ، 1900 بکار گرفته می شود بطوریکه رنج فرکانسی هریک از آنها در جدول (1-1) آمده است.
مسیر : Downlink مسیر سیگنالینگ از طرف BTS به سمت MS می باشد.
مسیر Uplink : مسیر سیگنالینگ از طرف MS به سمت BTS می باشد.
 جدول (1-1) : لیست فرکانسهاي GSM
شکل (4-1) : فاصله فرکانسی بین مسیر Downlink و Uplink
1-2-2 نواحی شبکه
کلیه شبکه هاي مخابراتی به منظور سرویس دهی تماسهاي ورودي ، نیاز به ساختار مشخصی دارند و علت این امر تغییرپذیري و جابجایی مکانی مشترکین در شبکه موبایل می باشد.
ساختار جغرافیایی در شکل (5-1) آمده است.
شکل (5-1): نواحی شبکهGSM
1-2-2-1 سلول : سلول کوچکترین محدوده پوششی در شبکه موبایل میباشد و بوسیله پوشش رادیویی یک سکتور BTS مشخص میشود و روش تقسیم سلولی و تعیین شعاع سلولها بستگی به شرایط جغرافی ایی منطقه تحت پوشش و درنظر گرفتن ساختمانها و موانع مصنوعی، قدرت فرستنده ، بهره آنتن و نوع آن و حساسیت گیرنده دارد و معمولأ براي پوشش رادیویی هر سلول از آنتنهاي سکتورایز استفاده می کنند.
شبکه سلولی در شکل (6-1)آمده است.
شکل (6-1): شبکه سلولار با تکنیک Frequency Reuse
1-2-2-2 ناحیه موقعیت (Location Area)
ناحیه اي از شبکه می باشد که داراي چندین سلول بوده و این سلولها می توانند متعلق به یک یا چند BSC باشند . هر MSC/VLR حاوي یک یا چند LA می باشد. در واقع یک LA قسمتی از ناحیه سرویس دهی است که MS بدون احتیاج به گزارش موقعیت خویش (Location Updating) میتواند درآن منطقه جابجا شود. هنگام فراخوانی مشترك سیگنال مربوط در کل LA مربوطه به MS ، از طریق BTS ها پخش می شود.
1-2-2-3 ناحیه سرویس MSC
ناحیه اي از شبکه که توسط یک مرکز سوئیچ سیار پوشش داده می شود و اطلا عات مربوط به این مشترکین در یک VLR که معمولأ متصل به MSC است ذخیره می گردد.
1-2-2-4 : ناحیه تحت پوشش شبکه (PLMN)
ناحیه اي از شبکه که توسط چندین مرکز سوئیچ سیار (MSC) تحت سرویس می باشد . و به هر اپراتور می تواند یک شبکه PLMN اختصاص می دهند.
1-3: مدولاسیون در GSM
نوع مدولاسیونی که در GSM استفاده میشود GMSK وتکنیک مدولاسیون QPSK می باشد ، GMSK یک نوع خاصی از مدولاسیون FM دیجیتال است . دیاگرام مدولاسیون GMSK در شکل(7-1) و تکنیک مدولاسیون QPSK در شکل (8-1) نشان داده شده است. نرخ داده کانال GSM برابر با kbps 270/833 میباشد.
 شکل(7-1) : دیاگرام مدولاسیون GMSK
شکل(8-1) : تکنیک مدولاسیون QPSK که در GSM استفاده می شود.
1-4 : کانال هاي فیزیکی ومنطقی در GSM
1-4-1 :کانال فیزیکی و مشخصات آن
براي یک کانال ترکیبی از تعداد شیارهاي زمانی و فرکانسهاي یک کانال فیزیکی، در جهت مسیر بالارونده و پائین
رونده 21 در نظر گرفته می شود .
هر کانال فیزیکی در سیستم GSM می تواند در داخل کانالهاي منطقی متفاوتی در زمانهاي متفاوت نگاشت شود . طول زمانی یک فریم 4.645 میلی ثانیه است که به 8 شیار زمانی تقسیم میشود که هر کدام از این شیارهاي زمانی بوسیله یک مشترك مستقل بکار گرفته می شود .
طول زمانی یک کانال مستقیم 577 میکرو ثانیه ایست که در شکل (9-1) ، تصویر کامل آن آمده است.
هر کانال فیزیکی، داده ترافیکی و کنترلی را به شکل Burst حمل می کنند .
شکل (9-1) : تصویري ازشیارهاي زمانی براي کانال فیزیکی قطار پالس اطلاعاتی است که در طی یک شیار زمانی ارسال میشود.
1-4-2 : کانالهاي منطقی
بر اساس توابعی که روي کانالها انجام میشود کانالها به دو نوع کانال منطقی تقسیم می شوند .
• کانال ترافیکی(TCH)
• کانالهاي کنترلی (CCH)
شکل (10-1) : ساختار کانال هاي منطقی
1-4-2-1 : کانالهاي ترافیکی
کانالهاي ترافیکی به دو دسته عمده کانالهاي صحبت و داده تقسیم می شوند که هرکدام آنها از نظر نرخ ارسال به دو نوع تقسیم می شوند.
نرخ بیت کامل (FULL RATE) .
نرخ بیت نیمه (HALF RATE) •
: 1-4-2-2 کانالهاي کنترلی (22 CCH)
این کانالها به منظور انتقال اطلاعات سیگنالینگ و یا جهت همزمانی بکار می روند و به سه دسته تقسیم می شوند :
کانالهاي مخابره اي (BCH)
کانالهاي کنترل مشترك (CCCH)
کانالهاي کنترل اختصاصی (DCCH)
1-4-2-2-1 : کانالهاي مخابره اي (BCH)
این کانالها به سه دسته ذیل تقسیم بندي میشوند:
کانال تصحیح فرکانسی(FCCH) •
کانال همزمان کننده(SCH) •
کانال پخش (BCCH).
بکارگیري کانالهاي منطقی در جدول (2-1) نشان داده شده است.
جدول (2-1) کانالهاي منطقی در location Updating و MTC
1-5 :انتشار امواج رادیویی
1-5-1 پلاریزاسیون
موجهایی که در هو ا منتشر میشوند داراي پلاریزاسیون هستند که این پلاریزاسیون عمودي ،افقی ، دایروي باشند . امواج رادیویی در GSM بصورت عمودي پلاریزه میشوند ولی پلاریزاسون امواج ممکن است درمسیر بعلت وجود موانع ، انعکاس، فیدینگ ، ... تغییر کند که براي رفع این مشکل باید از دایورسیتی استفاده کنیم .
جهت انتشار امواج در شکل(11-1) نشان داده شده است.
انواع پلاریزاسیون در شکل(12-1) نشان داده شده است.
جهت انتشار امواج – شکل(11-1):
انواع پلاریزاسیون امواج – شکل(12-1) :
1-5-2 :انواع انتشار
براي انتشار در GSM ما انتشار امواج فضایی داریم که فرکانسهاي باتر از MHZ300 از این نوع انتشار استفاده میکنند.
مشخصات این نوع انتشار عبارتست از:
فرکانسهاي بالاتر از 30MHZ (VHF,UHF,SHF BAND)
در تروپسفر پائین ترین لایه اتمسفر منتشر میشود.
از طریق یونسفر منعکس نمی شود .
برد آن با توجه به باند انتشار درحد چند کیلومتر است.
بیشتر از طریق دید مستقیم منتشر میشود.
: 1-5-3 محاسبه افت مسیر فضاي آزاد
ناحیه موثر یک آنتن ایزوتروپیک برابراست با Ae = λ2 / 4π :
قدرت دریافتی برابر است با :
Pr = P x Ae
Pr = (Pt / 4πd2) x (λ2 / 4π)
= Pt x (λ / 4πd)2
افت مسیر فضاي آزاد برحسب dB برابر است با :
L = 20 log ( 4πd / λ ) dB
L = 32.5 + 20 log d + 20 log f dB
در فرمول بالا D برحسب کیلومتر و f فرکانس برحسب مگاهرتز است.
1-5-4 : اثر محیط روي انتشار امواج
کلیه اثرهاي محیطی در شکل (13-1) نشان داده شده است.
طول موج امواج رادیویی GSM
براي باند 900MHZ در حدود 30cm براي باند 1800MHZ در حدود 15cm
-انعکاس از سطح صاف - تفرق- انعکاس چندگانه از سطوح سخت
 
انکسار : برخورد موج به لبه مانع و منحرف شدن از مسیر اصلی تضعیف : برخورد به موانع وکاهش قدرت سیگنال
 
چرخش پلاریزاسیون در اثر برخورد به موانع و شرایط محیطی
 شکل(13-1): اثر محیط روي انتشار امواج
1-5-5 : مدل هاتا- اکومارا براي انتشار در موبایل
Lp(urban) = 69.55 + 26.16 log(f) - 13.82 log(hb) - a(hm)+ (44.9 - 6.55 log(hb)) log(d)
a(hmضریب تصحیح براي تفاوت شهرهاي کوچک با شهرهاي بزرگ میباشد و وابسته به ارتفاع آنتن MS است .
شکل (14-1) :مدل اکومارا- هاتا
1-6 : بودجه لینک
1-6-1 : مقدمه
یکی از نکات مهم در طراحی ، پوشش مناسب براي ناحیه موردنظر است.
قدرت سیگنال در مسیر Downlink (از BTS به MS) و قدرت سیگنال در مسیر Uplink (از MS به BTS) با در نظر گرفتن افت هاي مسیر و موانع به قدري باشد که بتوان ارتباط با کیفیت برقرارکرد.
براي پوشش در مسیر Downlink باید به لول آستانه حساسیت موبایل توجه شود . این آستانه ، مقدار دامنه سیگنال دریافتی از سوي MS را براي داشتن یک حداقل کیفیت قابل قبول معین میکند.
چون سیگنال در مسیر دچار فیدینگ میشود باید یک مقدار حاشیه اطمینان در نظر بگیریم که
(Fade Margin) نامیده میشود . براي پوشش داخل ساختمان باید ، افت نفوذ ساختمان 23 را در نظر بگیریم.
براي رسیدن سیگنال مچموع افتها را باید در نظر بگیریم و بر حسب آن مقدار قدرت سیگنال ارسالی را تعیین کنیم.
Downlink 1-6-2 بودجه توان 24 درمسیر
دردیاگرام شکل(15-1) مسیر سیگنال ارسالی از BTS به MS نشان داده شده است.
BTS میتواند ازیک آنتن براي انتشار چند کاریر استفاده کند و براي این کارلازم است که کاریرها به وسیله کمباینر با هم ترکیب شوند که استفاده از کمباینر معمولأ 3db افت ایجاد میکند.
اگر بخواهیم از یک آنتن هم براي ارسال و هم دریافت استفاده کنیم لازم است که دوپلکسر را بکار بگیریم . وظیفه دوپلکسر، جداسازي و ایزولاسیون بین فرستنده و گیرنده براي جلوگیري از تداخل سیگنال در مسیر فرستنده و گیرنده ، میباشد.
 شکل (15-1): بودجه توان در مسیر Downlink
1-6-3 : بودجه توان در مسیر Uplink
بودجه توان در مسیر بالارونده دو فرق و امتیاز با بودجه توان درمسیر پائین رونده دارد که باعث میشود تا در مسیر بالارونده MS بتواند سیگنال را با توان کمتري ارسال کند.
درمسیر بالارونده (Uplink) ، افت کمباینر نداریم .
در مقصد BTS میتواند براي دریافت از تکنیک دایورسیتی استفاده کند که باعث حذف افت محوشدگی میشود.( گینی به مسیر بعنوان گین و بهره دایورسیتی اضافه میشود)
بودجه توان در مسیر بالارونده در شکل(16-1) نشان داده شده است.
شکل(16-1) : بودجه توان در مسیر Uplink
***********************************************************************************************************************************************
1Frequency Reuse
2 Public Land Mobile Network
3 Mobile Station
4 Base Station Subsystem
5 Network Switching Subsystem
6 Operation and Support Subsystem
7 Base Station Controller
8 Base Tranciver system
9 Mobile Equipment
10 Subscriber Identity Module
11 International Mobile Equipment Identity
12 International Mobile Subscriber Identity
13 Transcoder Rate Aduption Unit
14 Public Switching Telephony Network
15 Mobile Switching Center
16 Gate Mobile Switching Center
17 Home Location Register
18 Visitor Location Register
19 Equipment Identity Register
20 Authentication Center
21 Uplink & Downlink
22 Control Channel
23 penetration loss
24 Power Budget |
