شبکه های موبایلی چگونه کار می کنند؟ (بخش دوم)

در این مقاله، انواع شبکه‌های ارتباطی بی‌سیم 4G ،3.75G ،3.5G و 3G و کارکردشان توصیف و شبکه‌های پرکاربردی چون WCDMA ،LTE و وایمکس واکاوی شده‌اند.

در بخش اول مقاله‌ی «شبکه‌های موبایلی چگونه کار می‌کنند» توضیح داده شد که دکل‌های مخابراتی چگونه سیگنال‌های تلفن همراه را ردیابی و دریافت، بین شبکه‌ی PLMN و PSTN و دستگاه‌های تلفن همراه ارتباط برقرار و در نهایت داده‌ها را جابه‌جا می‌کنند. کارکرد و انواع شبکه‌های ارتباطی بی‌سیم 0G ،0.5G ،1G ،2G 2.5G و 2.7G توصیف و شبکه‌های پرکاربردی چون EDGE، GSM و GPRS واکاوی شد. آن‌چه در ادامه آورده شده است، مختصری از بخش اول مقاله و بررسی شبکه‌های 3G ،3.5G ،3.7G ،4G است.

پایه‌ و اساس شبکه‌های ارتباطی بی‌سیم، امواج الکترومغناطیسی و به‌ویژه امواج رادیویی است. هنگامی‌که کاربر از گوشی خود پیامی را می‌فرستند یا به اینترنت متصل می‌شود یا حتی گوشی خود را روشن می‌کند، سیگنال‌های رادیویی به دستگاه فرستنده‌ و‌ گیرنده در ایستگاه پایه ارسال و سیگنال‌هایی دریافت می‌شود. در سیستم‌هایی همچون GSM، این داده‌ها کدگذاری شده و با استفاده از بخش عمده‌ای از سیستم با نام شبکه و زیرسیستم سوئیچینگ (NSS)، با دستگاه‌های دیگر یا شبکه‌ی اینترنت تبادل می‌شوند.

در نسل‌های 0G ،0.5G و 1G تنها امکان مکالمه وجود داشت؛ اما در شبکه‌های جدیدتر، امکان اتصال به اینترنت، ارسال پیام متنی و پیام چندرسانه‌ای وجود دارد. شبکه‌های 2G برای ایجاد ارتباط، از فناوری‌های دسترسی همراه دیجیتال (digital mobile access technology) همچون TDMA و CDMA بهره می‌بردند. GSM به‌عنوان پرکاربردترین استاندارد، 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.

پیش‌تر تفاوت شبکه‌ی سوئیچسنگ مداری (Circuit switching) و سوئیچینگ بسته‌ای (Packet switching) گفته شد. در سیستم GSM، شبکه‌ی سوئیچسنگ مداری امکان تماس دوسویه و انتقال داده‌های سوئیچ‌شده در مدار را ایجاد می‌کند. حال آن‌که سرویس عمومی بسته‌های رادیویی یا شبکه‌ی GPRS مربوط‌به شبکه‌ی 2.5G علاوه‌بر استاندارد ارتباطی سوئیچسنگ مدار (Circuit switching)، از دامنه‌ی سوئیچینگ بسته‌ای (Packet switching) استفاده می‌کند تا هم‌زمان با افزایش سرعت و نرخ داده‌های این شبکه‌ها، قابلیت سرویس‌های بسته‌محور را هم ایجاد کند.

درنهایت با معرفی رمزگذاری 8PSK، شبکه‌ی GPRS به شبکه‌های EDGE تکامل یافت و نسل 2.75G ایجاد شد. 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 کیلوبیت‌درثانیه 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.

شبکه‌ی ارتباطی 3G

3G، سومین نسل از استاندارد گوشی‌های موبایل و جلوتر از فناوری 2G و پشت سر نسل چهارم از شبکه‌های ارتباطی قرار گرفته است. درابتدا اتحادیه‌ی بین‌المللی ارتباطات از راه دور (ITU)، فناوری 3G را به‌عنوان طرحی برای پیاده‌سازی باند فرکانس جهانی در ۲۰۰۰ مگاهرتز تنظیم کرد. این طرح، استاندارد ارتباطی واحدی برای تمامی کشورها در سراسر جهان ایجاد می‌کرد و استاندارد تلفن همراه بین‌الملل (IMT-2000) نام داشت. تکامل فناوری 3G در سیستم‌های CDMA، منجربه استاندارد CDMA 2000 شد.

همچنین، تکامل سومین نسل از سیستم GSM منجر به پیدایش شبکه‌های IS-136 و PDC و پیشرفت این شبکه‌ها، باعث ایجاد CDMA با پهنای باند بالا یا WCDMA شد. درواقع WCDMA مبتنی‌بر GSM است. درنهایت می‌توان گفت، فناوری‌های اصلی نسل سوم از شبکه‌ی ارتباطات، CDMA 2000 و WCDMA هستند. فناوری 3G به اپراتورها امکان می‌دهد علاوه‌بر دستیابی به ظرفیت بیشتر شبکه با افزایش نرخ داده‌های منتقل‌شده در پهنای باند، طیف گسترده‌تری از خدمات پیشرفته‌تر را برای کاربران مهیا کنند؛ خدماتی همچون تلفن مکالمه‌ای بی‌سیم در مناطق گسترده، تماس صوتی، داده‌های بی‌سیم در پهنای باند وسیع، تلویزیون موبایلی، GPS و امکان کنفرانس ویدئویی. در زیر پیشرفت‌های نسل سوم ارتباطات بی‌سیم درقیاس‌با فناوری 2.5G آورده شده است:

• جریان صوتی و ویدئویی پیشرفته
• چندین برابر سرعت داده‌ی بیشتر
• پشتیبانی از ویدئوکنفرانس
• وب‌گردی با سرعت بیشتر
• تلویزیون اینترنتی

مجموعه استانداردهای CDMA 2000

پیش‌تر گفته شد که در نسل دوم ارتباطات، سیستم CDMA فناوری IS-95 را شامل می‌شد. حال با بررسی جنبه‌های مختلف این فناوری، می‌‌توان درک درستی از شبکه‌ی CDMA 2000 داشت. IS-95 اولین فناوری سلولی دیجیتالی، برپایه‌ی CDMA بود که کوالکام آن‌را توسعه داد. در قسمت اول مقاله، گفته شد که CDMA به هر کاربر کد خاصی را اختصاص می‌دهد تا کاربران به‌صورت چندسویه باهم ارتباط برقرار کنند. اگر دقیق‌تر باشیم، CDMA یا دسترسی چندگانه‌ی تقسیم کد (code division multiple access)، سیستم رادیویی دیجیتالی است که جریان‌های بیت‌ها را انتقال می‌دهد. این سیستم به چندین گیرنده‌ی رادیویی امکان می‌دهد تا فرکانس‌های یکسانی را به اشتراک بگذارند.

برخلاف سیستم رقیب، TDMA که در GSM استفاده می‌شود، در CDMA تمام دستگاه‌های رادیویی در تمامی مدت می‌توانند فعال باشند، زیرا ظرفیت شبکه دقیقا محدود به تعداد دستگاه‌های رادیویی نیست. از آن‌جایی که در CDMA، تعداد پایینی از سایت‌های سلولی از تعداد بیشتری تلفن همراه پشتیبانی می‌کنند، استانداردهای برپایه‌ی این سیستم نسبت‌به استانداردهای TDMA مقرون‌به‌صرفه هستند. استانداردهای IS-95، یک رابط هوایی را توصیف می‌کند که مجموعه‌ای از پروتکل‌ها برای استفاده بین شبکه و واحدهای موبایل است. IS-95 ساختاری سه‌لایه‌ای دارد؛ لایه‌ی اول فیزیکی، لایه‌ی دوم مربوط به کنترل دسترسی محیط (MAC) و کنترل دسترسی لینک‌ها (LAC) و لایه‌ی سوم، ماشین پردازش تماس‌ها است.

MAC، LAC و QoS

کنترل دسترسی محیط (MAC)، لایه‌ای برای کنترل سخت‌افزاری است که مسئولیت انتقال داده درون سیم‌ها، فیبر نوری و شبکه‌های بی‌سیم را برعهده دارد. درواقع، MAC دسترسی چندگانه در محیط ارسال‌و‌دریافت داده‌ها را کنترل می‌کند. هدف از زیرلایه‌ی LAC نیز، سیگنال‌دهی به لایه‌ی سوم باتوجه‌به مشخصات رادیویی کانال فیزیکی است. در شبکه‌های ارتباطی سوییچ‌شده‌ی بسته‌ای، کیفیت خدمات (QoS) به اولویت‌بندی ترافیک و مکانیسم‌های کنترل ذخیره منابع اشاره دارد.

در بحث مربوط‌به شبکه‌های نسل سوم، CDMA2000 با فناوری UMTS‌ مقایسه می‌شود؛ مجموعه‌ای رقیب از استانداردهای شبکه‌ی 3G که در اروپا، ژاپن و چین استفاده می‌شود. نام CDMA2000، مجموعه‌ای از استانداردها است که مراحل تکامل این فناوری را نمایش می‌دهند. این استانداردها عبارت‌اند از:

• تماس صوتی: CDMA2000 1xRTT و 1X Advanced
• انتقال داده: CDMA2000 1xEV-DO که خود شامل Release 0 ،Revision A ،Revision و UMB است.

1X

CDMA2000 1xRTT استاندارد رابط هوایی بی‌سیم CDMA2000 است. عنوان «1X» به‌مفهوم فناوری انتقال سیگنال رادیویی یک‌به‌یک در پهنای باند امواج رادیویی مشابه IS-95 است؛ کانال‌های رادیویی ۱٫۲۵ مگاهرتزی دوسویه. 1xRTT با افزودن تعامدی ۶۴ کانال ترافیک اضافی علاوه‌بر ۶۴ کانال موجود در IS-95 به سیگنال‌های ارسالی از شبکه به گوشی‌های موبایل، ظرفیت شبکه را دوبرابر می‌کند. تعامدی، یعنی اینکه ۶۴ سیگنال جدیدتر بر سیگنال‌های پیشین عمود هستند. برای درک بهتر، به شکل زیر دقت کنید:

استاندارد 1X از بسته‌ی داده‌هایی با سرعت ۱۵۳ کیلوبیت‌برثانیه پشتیبانی می‌کند؛ ولی در دنیای واقعی و اکثر کاربری‌های تجاری، تنها ۸۰ تا ۱۰۰ کیلوبیت‌برثانیه سرعت دارد. این استاندارد درمقایسه‌با IS-95، برای استفاده‌ی بهتر از سرویس‌های داده در لایه‌ی دوم تغییراتی را در بخش‌های MAC و LAC و QoS داشته است؛ لایه‌ی دوم IS-95، تنها متمرکز روی انتقال بهتر داده و مکالمه در کانال سوئیچ‌شده‌ی مدار بود.

1xEV-DO

1xEV-DO که اغلب به عناوین EV-DO یا EV مخفف می‌شود، یک استاندارد ارتباط از راه دور برای انتقال بی‌سیم داده‌ها ازطریق سیگنال‌های رادیویی، معمولاً برای دسترسی به اینترنت با پهنای باند بالا است. این استاندارد از تکنیک‌های دسترسی چندگانه همچون CMDA و TMDA، برای افزایش بهره‌وری فردی هر کاربر و کل سیستم استفاده می‌کند. بسیاری از ارائه‌دهندگان خدمات موبایل در سراسر جهان، به‌ویژه اپراتورهایی که پیش‌تر از شبکه‌های CDMA استفاده کرده‌اند، استاندارد 1xEV-DO را به‌کار می‌برند.

1X Advanced

1X Advanced تکامل‌یافته‌ی 1X، با چهاربرابر ظرفیت بیشتر و ۷۰ درصد پوشش بهتر در شبکه است.

مجموعه استاندارد UMTS

UMTS یا سیستم جهانی ارتباطات همراه، یکی از فناوری‌های نسل سوم از شبکه‌های موبایلی است. W-CDMA فناوری پشت استاندارد UMTS است که نوع پهنای باند بالا از شبکه‌ی گسترده‌ی ارتباطات 3G بوده و از دسترسی چندگانه‌ی CDMA بهره می‌برد. UTMS با استفاده از چیدمان ترکیبی از سلول‌ها شامل ماکروسل‌ها (سلول‌های تحت پوشش دکل مخابراتی) و پیکوسل‌ها (سلول‌های تحت پوشش ایستگاه‌های پایه‌ی کوچک همچون ساختمان)، طیف گسترده‌ای از ترافیک را کنترل می‌کند. اندازه‌ی سلول‌ها نیز در سیستم UTMS بسیار مهم است. برای پیاده‌سازی UMTS، برخلاف فناوری EDGE نیاز به ایستگاه‌های پایه‌ی جدید و اختصاص فرکانس‌های جدید است.

اگرچه UTMS حداکثر سرعت انتقال داده‌ی ۱۹۲۰ کیلوبیت‌برثانیه را پشتیبانی می‌کند، ولی کاربران در شبکه‌های واقعی سرعت انتقال داده‌ی ۳۸۴ کیلوبایت را تجربه خواهند کرد. بااین‌حال چنین سرعتی بسیار بالاتر از ۹٫۶ کیلوبیت‌برثانیه برای شبکه‌های سوئیچ‌شده‌ی مدار و ۱۴٫۴ کیلوبیت‌برثانیه سرعت انتقال داده در سیستم GSM‌ است. برای بررسی نحوه‌ی کارکرد شبکه‌های UTMS، لازم است تا حداقل چندین مبحث کلیدی واکاوی شود؛ بخش کاربردی همراه GSM یا MAP، شبکه‌ی اصلی GPRS و مدل مرجع ارتباط سامانه‌های باز (OSI).

مدل مرجع ارتباط سامانه‌های باز (OSI)

OSI یک مدل مفهومی است که عملکردهای ارتباطی یک سیستم ارتباطی یا محاسباتی را بدون درنظرگرفتن ساختار داخلی و فناوری اصلی آن، توصیف و استانداردسازی می‌کند. هدف مدل مذکور، ایجاد قابلیت تعامل‌پذیری سیستم‌های ارتباطی متنوع با پروتکل های ارتباطی استاندارد است. OSI یک سیستم ارتباطی را به لایه‌های انتزاعی مختلف تقسیم می‌کند. نسخه‌ی اصلی از مدل یادشده هفت لایه دارد. هر لایه توسط لایه‌ی بالایی خود مورد استفاده قرار می‌گیرد و از لایه‌ی پیشین خود استفاده می‌کند.

شبکه‌ی اصلی GPRS

پیش‌تر در بخش اول گفته شد که بسته‌های داده‌ها از هدِر و پِی‌لود ساخته شده‌اند و هر هدر به داده‌ی تکمیلی اشاره دارد که در ابتدای بلاک داده‌ی در حال ذخیره یا انتقال قرار دارد. درواقع آن‌چه در هدر قرار دارد، آدرس آی‌پی است. پروتکل اینترنت یا آی‌پی که پروتکل اصلی ارتباطات در مجموعه پروتکل اینترنت برای انتقال داده‌ها در مرزهای شبکه است، وظیفه دارد بسته‌ها را از هاست مبدأ به هاست مقصد صرفاً براساس آدرس‌های IP موجود در هدرهای بسته تحویل دهد.

شبکه‌ی اصلی GPRS، بخش اصلی سیستم GPRS است که به شبکه‌های موبایلی 2G ،3G و WCDMA اجازه می‌دهد بسته‌های IP را به شبکه‌های خارجی مانند اینترنت انتقال دهند. سیستم GPRS بخشی از شبکه و زیرسیستم سوئیچینگ GSM است. شبکه‌ی اصلی GPRS، روند Mobility management (در بخش اول مقاله توضیح داده شد) و انتقال را برای خدمات بسته‌ی آی‌پی در سیستم‌های GSM و WCDMA فراهم می‌کند.

بخش کاربردی همراه GSM یا به‌اختصار MAP

MAP یک پروتکل است که لایه‌ی هفتم مدل مفهومی OSI یعنی لایه‌ی کاربرد (Application) را برای گره‌های مختلف (دستگاه‌های الکترونیکی متصل به شبکه همچون گوشی موبایل) در شبکه‌های اصلی تلفن همراه GSM و UMTS و شبکه‌های اصلی GPRS برای ارتباط با یکدیگر به منظور ارائه خدمات به کاربران فراهم می‌کند.

رابط‌های هوایی

UTMS سه نوع دسترسی چندگانه (رابط هوایی)، MAP و خانواده‌ی GSM از رمزگذاری گفتاری را ترکیب می‌کند. رابط‌های هوایی که UTRA (دسترسی رادیویی زمینی UTMS) نیز نامیده می‌شوند، بخشی از استانداردهای IMT-2000 هستند. انواع این رابط‌ها W-CDMA و TD-CDMA و TD-SCDMA هستند. درحال‌حاضر، محبوب‌ترین رابط هوایی W-CDMA است و در این مطلب به‌دلیل کمبود فرصت، تنها این نوع توضیح داده می‌شود.

W-CDMA

W-CDMA، یک استاندارد مخابراتی است که در شبکه‌های ارتباطی موبایل 3G یافت می‌شود. این سرویس از خدمات معمولی صوتی، متنی و MMS تلفن‌های همراه پشتیبانی می‌کند، اما همچنین می‌تواند داده ها را با سرعت بالا حمل کند. W-CDMA به اپراتورهای تلفن همراه امکان می‌دهد کاربری‌های با پهنای باند بالاتری از جمله دسترسی به اینترنت با پهنای باند بالا را ارائه دهند. W-CDMA از تکنیک مدولاسیون با نام DS-CDMA استفاده می‌کند که کانال‌های عریض ۵ مگاهرتزی را در اختیار اپراتورها قرار می‌دهد. فرایند گنجاندن سیگنال حاوی اطلاعات در سیگنالی دیگر را مدولاسیون می نامند.

DS-CDMA تکنیک مدولاسیونی است که در آن، توانِ سیگنال ارسالی، عمداً در یک بازهٔ فرکانسیِ بزرگ (معمولاً چندین مگاهرتز) پخش می‌شود. تکنیک یادشده در درجه‌ی اول برای کاهش تداخل سیگنال‌ها استفاده می‌شود.

درمقابل، همان‌گونه که پیش‌تر گفته شد، استاندارد رقیب CDMA2000 از کانال‌های رادیویی ۱٫۲۵ مگاهرتزی دوسویه استفاده می‌کند. سیستم‌های W-CDMA به‌دلیل استفاده از طیف گسترده‌ی امواج رادیویی، بسیار مورد انتقاد بوده‌اند. فرکانس‌هایی که در ابتدا برای سیستم‌های یادشده تعریف شده بود، ۱۸۸۵ تا ۲۰۲۵ مگاهرتز از گوشی موبایل به ایستگاه پایه و ۲۱۱۰ تا ۲۲۰۰ مگاهرتز از ایستگاه پایه به موبایل بود. در ایالات متحده، همان‌گونه که پیش‌تر از فرکانس ۱۹۰۰ مگاهرتز استفاده می‌شد، حالا نیز از فرکانس‌های ۱۷۱۰ تا ۱۷۵۵ و ۲۱۱۰ تا ۲۱۵۵ مگاهرتز استفاده می‌شود. درهمین‌حال، کشورهای دیگر به‌صورت گسترده‌ای از فرکانس‌های دیگر استفاده می‎‌کنند.

با اینکه W-CDMA همانند CDMA2000 از تکنیک DS-CDMA استفاده می‌کند، اما شبکه‌ی یادشده تنها نسخه‌ای با پهنای باند عریض‌تر از CDMA2000 نیست. درواقع، W-CDMA با طراحی جدید خود، از بسیاری جهات متمایز از CDMA2000 است. از دیدگاه مهندسی، W-CDMA توازن متفاوتی از هزینه‌ها، ظرفیت، بازدهی و تراکم ایجاد می‌کند. همچنین نوید کاهش هزینه‌ها در گوشی‌های هوشمندی را می‌دهد که ویدئوهای آنلاین را نمایش می‌دهند. به‌علاوه، فناوری یادشده ممکن است برای استقرار در شهرهای متراکم اروپا و آسیا مناسب باشد.

W-CDMA با مجموعه‌ی کامل ویژگی‌هایی که دارد، پروتکل مفصلی از چگونگی ارتباط تلفن همراه‌با ایستگاه پایه، نحوه‌ی تعدیل سیگنال‌ها و چگونگی ساخت دیتاگرام‌ها را ارائه می‌دهد.

HSPA

دسترسی پرسرعت بسته (HSPA)، تلفیقی از دو پروتکل موبایلی دسترسی پرسرعت به بسته‌ی Downlink به‌اختصار HSDPA و دسترسی پرسرعت به بسته‌ی Uplink یا به‌اختصار HSUPA است که با بهره‌گیری از پروتکل‌های W-CDMA، عملکرد شبکه‌های 3G را توسعه داده و بهبود می‌بخشد.

اولین شبکه‌ی HSPA، در بهترین حالت ۱۴ مگابیت‌برثانیه سرعت بارگیری و ۵٫۷۸ مگابیت‌برثانیه سرعت بارگذاری داشت. همچنین، تأخیر را کاهش داده بود و درقیاس‌با WCDMA، ظرفیت را در سیگنال‌هایی که از ایستگاه‌های پایه به دستگاه‌های موبایل می‌روند ۵ برابر و در سیگنال‌هایی که از دستگاه‌های موبایل به ایستگاه‌های پایه ارسال می‌شوند ۲ برابر افزایش داده بود.

شبکه‌ی ارتباط بی‌سیم 3.5G یا HSDPA

دسترسی پرسرعت به بسته‌ی Downlink (سیگنال‌هایی که از ایستگاه‌های پایه به دستگاه‌های موبایل می‌روند) یا به‌اختصار HSDPA، یک پروتکل تلفن همراه است که با ایجاد امکان انتقال پرسرعت‌تر داده‌ها، باعث تکامل شبکه‌های 3G مبتنی‌بر UMTS شد. HSDPA یک سرویس داده‌ی بسته‌محور در مسیر Downlink سیستم W CDMA با سرعت انتقال داده‌ی ۸ تا ۱۰ مگابیت (۲۰ مگابیت برای سیستم‌های MIMO) در پهنای باند ۵ مگاهرتزی است. 

پیاده‌سازی‌های HSDPA شامل کدگذاری و مدولاسیون تطبیقی ​​(ACM)، سیستم‌های MIMO (عبارت اختصاری چند ورودی - چند خروجی)، تکنیک درخواست خودکار ترکیبی (HARQ)، روش جست‌و‌جوی سریع سلول و به‌کارگیری طرح پیشرفته‌ی دریافت‌کننده است.

کدگذاری و مدولاسیون تطبیقی ​​(ACM)

ACM اصطلاحی است که در ارتباطات بی‌سیم مورد استفاده قرار می‌گیرد تا تطبیق مدولاسیون، کدگذاری و سایر پارامترهای سیگنال و پروتکل را با شرایط موجود در لینک رادیویی مشخص کند (به‌عنوان مثال پاتلوکس، تداخل ناشی از سیگنال‌های دریافت‌شده از فرستنده‌های دیگر، حساسیت گیرنده و غیره).

MIMO

یک فناوری انتشار امواج در سیستم‌های مخابراتی بی‌سیم است، بدین صورت که از چند آنتن در فرستنده و گیرنده استفاده می‌شود. سیگنال‌های دریافت‌شده‌ی آنتن‌ها در گیرنده با هم ترکیب می‌شوند تا خطا به حداقل رسیده و سرعت انتقال اطلاعات افزایش پیدا کند. درواقع، MIMO با برقراری ارتباط بین آنتن‌ها امکان ارسال و دریافت هم‌زمان سیگنال‌ها (بارگیری و بارگذاری) از دستگاه موبایل را فراهم می‌کند.

HARQ

HARQ ترکیبی از تکنیک مورد استفاده برای کنترل خطاها در انتقال داده روی کانال‌های دارای نویز و غیرقابل‌اعتماد (FEC) و تکنیک مشابه ARQ است. 

شبکه‌ی ارتباط بی‌سیم 3.7G یا HSUPA

شبکه‌ی ارتباط بی‌سیم 3.7G به فناوری‌هایی فراتر از شبکه‌ی موبایلی 3G اشاره دارد. دسترسی پرسرعت به بسته‌ی Uplink (سیگنال‌هایی که از دستگاه‌های موبایل به ایستگاه‌های پایه ارسال می‌شوند) یا به‌اختصار HSUPA از مسیر Uplink سیستم W CDMA در UMTS استفاده می‌کند. فناوری ارتباط موبایلی HSUPA مستقیما در ارتباط‌با HSDPA بوده و هر دو آن‌ها باهم تعریف می‌شوند. HSUPA انتقال داده از هر کاربر به کاربری دیگر همچون ایمیل و گیمینگ آنلاین را با سرعت و توازن بیشتری انجام می‌دهد. HSUPA داده‌ها را با سرعت ۱٫۴ مگابیت‌برثانیه و در نسخه‌های جدیدتر، با سرعت ۵٫۸ مگابیت‌برثانیه منتقل می‌کند.

+HSPA یا دسترسی پرسرعت به بسته‌ی تکامل‌یافته

+HSPA یا HSPA تکامل‌یافته، استاندارد بی‌سیمی از سیستم WCDMA برای ارتباطات پهن‌باند است. در شبکه‌ی +HSPA، افزونه‌هایی به شبکه‌ی HSPA موجود اضافه شده است. HSPA تکامل‌یافته، برای بارگیری و بارگذاری، داده‌ها را به‌ترتیب با سرعت‌های ۴۲٫۲ و ۵۶ مگابیت‌برثانیه منتقل می‌کند. شبکه‌ی یادشده از فناوری‌هایی همچون MIMO استفاده می‌کند.

نسل چهارم از شبکه‌های ارتباطی بی‌سیم یا 4G

چهارمین نسل از سرویس‌های بی‌سیم، سیستمی توسعه‌یافته از شبکه‌ی 3G و درحال‌حاضر، گسترده‌ترین و پرسرعت‌ترین سرویس بی‌سیم جهان است. یک سیستم 4G باید قابلیت‌های تعریف‌شده‌ی اتحادیه‌ی بین‌المللی ارتباطات از راه دور در استاندارد IMT Advanced را فراهم کند. این الزامات درحال‌حاضر شامل دسترسی به اینترنت وب موبایل اصلاح‌شده، تلفن IP (براساس پروتکل اینترنت)، سرویس‌های گیمینگ، تلویزیون موبایلی با رزولوشن بالا، ویدئوکنفرانس و تلویزیون سه‌بعدی است. استانداردهای تعریف‌شده برای اینترنت موبایلی نسل چهارم، LTE و  WiMAX را شامل می‌شوند.

استاندارد LTE (تکامل بلندمدت) برای اولین‌بار در شهر اسلو، پایتخت نروژ و شهر استکهلم سوئد مستقر شد و از آن زمان در اکثر نقاط جهان استقرار یافته است. بااین‌حال، بحث این است که آیا نسخه‌های اولیه‌ی فناوری یادشده از نسل 4G بودند یا خیر؟  اتحادیه‌ی بین‌المللی ارتباطات از راه دور در استاندارد IMT Advanced، الزامات زیر را برای شبکه‌های 4G لازم‌الاجرا می‌داند:

• مبتنی‌بر یک شبکه‌ی سوئیچ‌شده‌ی بسته‌ی آی‌پی‌محور باشد.
• سرعت انتقال داده در این سیستم، تقریبا ۱۰۰ مگابیت‌برثانیه یا ۱۲٫۵ مگابایت‌برثانیه برای دستگاه‌های موبایل و درصورت ثابت‌بودن گیرنده و سرور تا ۱ گیگابیت‌برثانیه باشد.
• قادر به استفاده و اشتراک پویای منابع شبکه، برای پشتیبانی هم‌زمان از تمامی کاربران در هر سلول باشد.
• از پهنای باند مقیاس‌پذیر کانال ۵ تا ۲۰ مگاهرتز استفاده کند. به‌صورت دلخواه می‌توان پهنای باند را تا ۴۰ مگاهرتز نیز بالا برد.
• بیشترین راندمان طیف فرکانسی هر لینک در سیگنال‌های downlink، حداقل ۱۵ بیت‌برثانیه‌بر هرتز و در سیگنال‌های Uplink، حداقل ۶٫۷۵ بیت‌برثانیه‌بر هرتز است (این میزان بیت خالص (نرخ اطلاعات مفید به استثنای کدهای تصحیح خطا) یا حداکثر توان تقسیم‌شده توسط پهنای باند در هر یک هرتزِ یک کانال ارتباطی یا یک لینک داده است)).

استاندارد LTE (تکامل بلندمدت)

در مبحث ارتباطات از راه دور، LTE استانداردی برای ارتباطات بی‌سیم با پهنای باند بالا برای دستگاه‌های موبایلی و ترمینال‌های داده، مبتنی‌بر سیستم‌های GSM/EDGE و UMTS/HSPA است. استاندارد یادشده، سرعت و ظرفیت انتقال داده را با استفاده‌ی هم‌زمان از رابط رادیویی متفاوت و همچنین توسعه هسته‌ی شبکه، افزایش داده‌ است. LTE مسیر پیشرفتی برای اپراتورهایی است که هم از شبکه‌های GSM/UMTS و هم CDMA2000 استفاده می‌کردند. به‌دلیل کثرت فرکانس‌های مورد استفاده برای شبکه‌ی LTE در کشورهای مختلف، تنها گوشی‌های با قابلیت پشتیبانی از تمامی باندها، توانایی استفاده از شبکه‌ی یادشده در تمامی کشورها را دارند.

هدف LTE افزایش ظرفیت و سرعت شبکه‌های داده‌ی بی‌سیم، با استفاده از تکنیک‌ها و مدولاسیون‌های پردازش دیجیتال سیگنالی بود که در اوایل این هزاره توسعه یافتند. هدف دیگر LTE، طراحی مجدد و ساده‌سازی معماری شبکه برپایه‌ی سیستم پروتکل اینترنت (IP) با کاهش چشم‌گیر تأخیر در انتقال داده درقیاس‌با فناوری 3G بود. رابط بی‌سیم این نسل از فناوری‌های ارتباطی، بسیار متفاوت از شبکه‌های 2G و 3G است؛ ازاین‌رو باید روی طیف رادیویی جداگانه‌ای اجرا می‌شد. این شبکه جایگزینی برای فناوری‌های GSM ،UMTS و CDMA2000 است که نسبت‌به سیستم HSPA، چهاربرابر ظرفیت داده و مکالمه‌ی بیشتری دارد.

بخش اعظم استاندارد LTE به‌روزرسانی از 3G UMTS به آن‌چیزی است که درنهایت فناوری ارتباطات موبایلی 4G نام گرفته است. بخش بزرگی از این به‌روزرسانی برای ساده‌سازی سیستم انجام شده است؛ زیرا تمامی ارتباطات بی‌سیمی که پیش‌تر در شبکه‌ی ترکیبی سوییچینگ مداری و بسته‌‌ای UMTS انجام می‌گرفت، حالا روی معماری سیستمی تماما مبنتی‌بر آی‌پی صورت می‌پذیرد. رابط هوایی شبکه‌ی LTE، ای UTRA نام دارد و ویژگی‌های اصلی آن در زیر آمده است:

• بسته‌به نوع تجهیزات مورد استفاده توسط کاربران، بیشترین نرخ بارگیری تا ۲۹۹٫۶ مگابیت‌برثانیه و نرخ بارگذاری حداکثر ۷۵٫۴ مگابیت‌برثانیه است. ۵ کلاس ترمینال مختلف برای این سیستم تعریف شده است؛ از یک کلاس صدامحور تا کلاس سطح بالایی که از بالاترین نرخ انتقال داده پیشتیبانی می‌کند. همه‌ی ترمینال‌ها می‌توانند پهنای باند 20 مگاهرتزی را پردازش کنند.
• تاخیرهای پایین در انتقال داده (کمتر از ۵ میلی‌ثانیه برای بسته‌های آی‌پی کوچک در شرایط بهینه)، تأخیر کم برای هندآف (در بخش اول مقاله توضیح داده شد) و زمان تنطیم اتصال درقیاس‌با فناوری‌های دسترسی پیشین.
• پشتیبانی بهتر از دستگاه‌های موبایل. برای مثال بسته‌به باند فرکانس، از دستگاه‌هایی که با سرعت ۳۵۰ کیلومتر بر ساعت یا ۵۰۰ کیلومتر بر ساعت پشتیبانی می‌کند.
• FDMA هشت‌گانه برای داده‌هایی که بارگیری (Downlink) می‌شوند، دسترسی چندگانه‌ی FDMA یک‌گانه برای داده‌هایی که بارگذاری (Uplink) می‌شوند برای صرفه‌جویی در توان مصرفی.
• پشتیبانی از تمامی فرکانس‌هایی که درحال‌حاضر سازمان ITU در سیستم‌های 3G تعریف کرده است.
• انعطاف‌پذیری طیف فرکانس‌ها: پهنای باند در کانال‌های هرسلول به‌صورت ۱٫۴ مگاهرتز، ۳ مگاهرتز، ۵ مگاهرتز، ۱۰ مگاهرتز، ۱۵ مگاهرتز و ۲۰ مگاهرتز استانداردسازی شده است. WCDMA تنها از پهنای باند ۵ مگاهرتزی استفاده می‌کند که سبب بروز مشکلاتی در کشورهایی می‌شود که به‌صورت رایج از محدوده‌ی فرکانس یادشده در استانداردهایی مانند GSM و CDMA استفاده می‌کنند.
• پشتیبانی از سلول‌هایی با شعاع پوشش‌دهی ده‌ها متر (پیکوسل‌ها) تا ۱۰۰ کیلومتر (ماکروسل‌ها). در باندهایی با فرکانس پایین که در مناطق روستایی مورد استفاده قرار می‌گیرند، شعاع پوشش‌دهی بهینه ۵ کیلومتر، شعاع پوشش‌دهی با عملکرد معقول ۳۰ کیلومتر، شعاع پوشش‌دهی با عملکرد قابل‌قبول ۱۰۰ کیلومتر است. در مناطق شهری، باندهایی با فرکانس بالا مانند ۲٫۶ گیگاهرتز برای پهنای باند ارتباطات همراه پرسرعت استفاده می‌شود و پوشش‌دهی سلول‌ها یک کیلومتر و کمتر است.
• در هر سلول با پهنای باند ۵ مگاهرتزی، حداقل از ۲۰۰ کاربر پشتیبانی می‌کند.
• معماری شبکه ساده‌سازی شده
• پشتیبانی از کارکرد هم‌زمان با استانداردهای پیشین همانند GSM / GPRS یا UMTS که مبتنی‌بر WCDMA است. کاربران می‌توانند با استفاده از استاندارد LTE تماس یا انتقال داده را در یک منطقه شروع کنند و در صورت فقدان پوشش‌دهی شبکه، عملیات را بدون هیچ‌گونه اقدامی با استفاده از GSM / GPRS یا UMTS مبتنی بر W-CDMA یا حتی شبکه‌های CDMA یا CDMA2000 ادامه دهند.
• رابط رادیویی سوییچ‌شده‌ی بسته

استاندارد LTE با شبکه‌ی تماما مبتنی‌بر آی‌پی تنها از سوییچینگ بسته پشتیبانی می‌کند. تماس‌های صوتی در سیستم GSM ،UMTS و CDMA2000 سوییچ‌شده‌ی مدار هستند، بنابراین برای تطبیق با LTE اپراتورها باید شبکه‌ی تماس صوتی‌شان را بازمهندسی کنند. سه روش برای حل چنین مشکلی وجود دارد. اولی اینکه در شبکه‌ی LTE سرویس‌های داده به‌خوبی کار کنند و هنگام تماس، دامنه‌ی سوئیچ‌شده‌ی مدار فعال شود. روش دوم نیز مانند روش اول است؛ اما گوشی شبکه‌ها را عوض می‌کند. در روش سوم، تنها هنگام استفاده از اپلیکیشن‌هایی مانند گوگل‌تاک و اسکایپ حالت LTE فعال می‌شود. باند‌های فرکانس LTE در سراسر جهان از ۴۵۰ تا ۳۷۰۰ مگاهرتز را شامل می‌شوند.

LTE Advanced

LTE Advanced استاندارد ارتباطات موبایلی و به‌روزرسانی از سیستم استاندارد LTE (تکامل بلندمدت) است. باتوجه به اینکه استاندارد اولیه‌ی LTE توانایی پاسخگویی به الزامات استاندارد IMT-Advanced را نداشت، LTE Advanced برای ارائه‌ی خدماتی در سطح استاندارد یادشده توسعه یافت. برای مثال، LTE اولیه توانایی دستیابی به سرعت انتقال داده‌ی یک گیگابیت‌برثانیه در گیرنده‌های ثابت را نداشت. درواقع، در ابتدا کارگروه 3GPP فناوری LTE را در لیست شبکه‌های 4G قرار نداد. بعدها IMT خواستار موارد زیر در نسل جدید LTE شد:

• بهبود مستمر فناوری و معماری رادیویی LTE
• الزامات عملکردی و موارد پیش‌بینی‌شده برای کار با فناوری‌های رادیویی قدیمی‌تر.
• پشتیبانی از نسل پیشین (LTE بتواند در شبکه‌ی LTE Advanced کار کند یا بالعکس). هر استثنایی را 3GPP مشخص می‌کند.
• درنظر گرفتن تصمیمات کنفرانس WRC-07 مبنی‌بر اطمینان از اینکه LTE Advanced با طیف جغرافیایی موجود، برای کانال‌های بالاتر از ۲۰ مگاهرتز وفق پیدا می‌کند.

تفاوت LTE و LTE Advanced در جدول زیر آمده است:

WiMAX یا تعامل جهانی برای دسترسی مایکروویو

IEEE 802.16 مجموعه‌ای از استانداردهای حاکم بر شبکه‌ی استاندارد‌محور کلان‌شهری (MAN) است. برای فراهم‌آوردن هم‌نوایی و قابلیت همکاری جهت اجرای این استاندارد، گروه تعامل جهانی برای دسترسی مایکروویو یا به‌اختصار وایمکس (WiMax) شکل گرفت. امروزه به‌تمامی استانداردهای این حوزه، وایمکس گفته می‌شود. گروه استاندارد یادشده، برای ایجاد سرویس‌های بی‌سیم پهن‌باند برای کسب‌کارها و مشتریان در مقیاس کلان‌شهرها شناخته می‌شود. وایمکس یک فناوری استاندارد‌محور متکی‌بر راه‌حل‌های اختصاصی است. محدوده‌ی پوشش‌دهی وایمکس ۷۰ کیلومتر و سرعت انتقال داده در آن، ۱۰۰ مگابیت‌برثانیه است.

وایمکس طراحی شده است تا با پوشش‌دهی فراتر از فناوری‌های پیشین همچون وای‌فای، دسترسی به اینترنت پرسرعت را برای لپ‌تاپ‌ها و دستگاه‌های حمل‌شدنی فراهم کند. وایمکس مبتنی‌بر استاندارد IEEE 802.16e سال ۲۰۰۵ و مصوب ماه دسامبر همین سال و بهبودیافته از استاندارد 802.16 سال ۲۰۰۴ است. بنابراین جزئیات این دو استاندارد باید با هم درنظر گرفته شود. آن‌چه در زیر آمده است، بخشی از بهبود‌های صورت‌گرفته در استاندارد جدیدتر است:

• پشتیبانی از هندآف نرم و سخت بین ایستگاه‌های پایه، بدین معنی که در این استاندارد می‌توان فرکانس کانال را تغییر داد یا فرکانس تمامی ایستگاه‌های پایه را یکی کرد. قابلیت مذکور، یکی از مهم‌ترین جنبه‌های استاندارد IEEE 802.16e سال ۲۰۰۵ و اساس کار وایمکس موبایلی است.
• پشتیبانی از تکنیک درخواست خودکار ترکیبی (HARQ) و طرح‌های متنوع از آنتن‌های پیشرفته
• فناوری MIMO و سیستم‌های آنتن تطبیق‌پذیر
• زیرکانال‌سازی متراکم‌تر و درنتیجه، نفوذ بهتر سیگنال‌ها در داخل ساختمان‌ها

فرمت استاندارد IEEE 802.16e-۲۰۰۵ که به‌صورت متداول و غیرصحیحی وایمکس موبایل نامیده می‌شود، سیستم بی‌سیم پهن‌باندی است که همگرایی شبکه‌های پهن‌باند تلفن همراه و ثابت را از طریق یک فناوری دسترسی رادیویی پهن‌باند با محیط غالبا گسترده و معماری شبکه‌ی انعطاف‌پذیر، امکان‌پذیر می‌سازد. وایمکس موبایل از برنامه‌های هندآف بهینه‌ای پشتیبانی می‌کند که با تاخیری کمتر از ۵۰ میلی‌ثانیه، کاربردهای بلادرنگی همچون اجرای مکالمه‌ها با بهره‌گیری از پروتکل اینترنت (VoIP) را بدون هیچ کاهشی در کیفیت سرویس میسر می‌کند.

از دیدگاه تئوری، وایمکس مشابه‌با فناوری وای‌فای است؛ اما با سرعت‌های انتقال داده‌ی بالاتری در مسافت‌های طولانی‌تر، کاربران بیشتری را پوشش می‌دهد. شبکه‌ی وایمکس به‌صورت بالقوه‌ای می‌تواند مناطق روستایی و حومه‌ی شهرها که هنوز اینترنت پهن‌باند ندارند را پوشش دهد. سیستم وایمکس از دو بخش تشکیل شده است:

• دکل وایمکس: کارکردی مشابه‌با دکل مخابراتی دارد و منطقه‌ای به وسعت ۸ کیلومتر مربع را پوشش می‌دهد.
• گیرنده‌ی وایمکس: گیرنده و آنتن وایمکس می‌تواند یک جعبه‌ی کوچک، کارت حافظه‌ی کامپیوتر شخصی یا سیستم دسترسی وای‌فایی باشد که این روزها داخل لپ‌تاپ‌ها تعبیه می‌شود.

دکل وایمکس می‌تواند ازطریق کابل و اتصال مسقیم با پهنای باند بالا به اینترنت متصل باشد. همچنین، این سازه می‌تواند به‌صورت مستقیم (line-of-sight) و ازطریق لینک مایکروویو، به دکل‌های وایمکس دیگر متصل شود. اتصال به دکل‌های دیگر و نیز خود پوشش ۸ کیلومتر مربعی هر دکل، اجازه می‌دهد تا مناطق دورافتاده‌ی روستایی نیز تحت پوشش شبکه‌ی یادشده باشند.

نوعی سرویس وای‌فای باعنوان non-line-of-sight نیز وجود دارد که در آن، آنتن کوچک درون کامپیوتر به دکل وایمکس متصل می‌شود. در این حالت، وایمکس از دایره‌ی فرکانس‌های پایین‌تر ۲ تا ۱۱ گیگاهرتز استفاده می‌کند. انتقال داده‌ها در طول موج‌های پایین‌تر، به‌راحتی با اجسام مسدود نمی‌شود و امواج قادر به دور زدن موانع هستند. همچنین سرویس مستقیمی وجود دارد که یک آنتن دیش ثابت روی پشت‌بام قرار گرفته و به دکل وایمکس متصل می‌شود. اتصال مستقیم قدرتمندتر و پایدارتر است؛ درنتیجه قادر به ارسال داده‌های بیشتری با خطاهای کمتر است. در این روش از فرکانس‌های بالاتری تا ۶۶ گیگاهرتز استفاده می‌شود که تداخل کمتر و پهنای باند بیشتری دارند.

وایمکس از OFDM به‌عنوان لایه‌ای فیزیکی استفاده می‌کند. در بحث ارتباطات، سیستم دسترسی چندگانه‌ی ثابت متعامد یا OFDM نوعی مدولاسیون دیجیتال و روشی برای رمزگذاری داده‌های دیجیتال در فرکانس‌های چندگانه‌ی حامل‌ها است. OFDM اجازه می‌دهد تا مقادیر بزرگی از داده‌های دیجیتال روی بخشی از طیف امواج رادیویی با راندمان بهتری از فناوری‌های بی‌سیم موجود منتقل شوند. OFDM با تقسیم سیگنال‌های رادیویی به چندین سیگنال کوچک، داده‌ها را به‌صورت هم‌زمان در سیگنال‌های مختلف به گیرنده منتقل می‌کند.

یک سیستم برپایه‌ی OFDM، قادر است در شرایط ایده‌آل ۷۲ مگابیت‌برثانیه داده را به‌صورت فشرده از کانالی با گستره‌ی ۲۰ مگاهرتز منتقل کند. نکته‌ی اصلی در فناوری OFDM، فرکانس‌های مختلف است که می‌توانند داده‌ها به‌صورت کاملا جدا از یکدیگر ارسال و دریافت کنند. مدولاسیون OFDM که نوع تغییریافته‌ی FDM است، سیگنال‌ها را به‌صورت تعامدی (پیش‌تر توضیح داده شد) ارسال می‌کند. به‌طور معمول، در سیستم‌های بی‌سیم امواج رادیویی از فرستنده به گیرنده به شیوه‌ای مشابه‌با پرتوهای نوری ارسال می‌شوند. ممکن است برخی از پرتوها مستقیما به گیرنده برسند و برخی دیگر، از لابه‌لای درختان، درون ساختمان‌ها و خودرو‌ها عبور کنند. درهر‌حال موانع باعث تداخل ساختاری یا تضعیف قدرت سیگنال‌ها می‌شوند.

اگر هم‌زمان با وجود موانع، سرعت انتقال داده‌ها در کانال پایین باشد، ممکن است سیگنال تا ۱۰۰۰ برابر ( ۳۰ دسی‌بل) تضعبف شود. در همین‌حال اگر یک کانال داده‌ها را با سرعت بسیار بیشتری از بین موانع منتقل کند، تنها برخی از فرکانس‌ها تضعیف می‌شوند و نوسان کانال تغییر می‌یابد. در این موارد تنظیم‌کننده‌های پیچیده‌ای با اندازه‌گیری میزان تغییرات، آن‌ها را بی‌درنگ تصحیح می‌کنند. مزیت ویژه‌ی OFDM این است که طیف فرکانس را به کانال‌های زیادی تقسیم می‌کند که هم‌پوشانی دارند و سرعت انتقال داده آن‌قدر کم می‌شود که دیگر نیازی به تنطیم‌کننده نیست.

وایمکس ثابت با به‌اشتراک‌گذاری تمامی کانال‌ها به‌صورت هم‌زمان (TDMA)، پاسخگوی تعداد کثیر کاربران است. همچنین وایمکس ثابت از فرکانس‌های متفاوتی برای بارگیری و بارگذاری داده استفاده می‌کند؛ به‌گونه‌ای که هر یک از این فرآیندها به‌طور مستقلی انجام‌پذیر هستند. قابلیت مذکور، تقسیم فرکانس دوسویه یا FDD نام دارد. فناوری دیگری که در سیستم وایمکس گنجانده شده، آنتن‌های هوشمند است. OFDM برای تکنیک‌های آنتن‌های هوشمند، بسیار مناسب‌تر از شبکه‎های 3G حال‌حاضر است. آنتن‌های هوشمند می‌توانند پوشش، دامنه یا توان یک ایستگاه پایه را افزایش دهند.

سه باند فرکانس ۲٫۵، ۳٫۵ و ۵ گیگاهرتزی برای این استاندارد تعریف شده است.  

جمع‌بندی

در این بخش از مقاله، مروری بر فناوری‌های 3G ،3.5G ،3.75G و 4G داشتیم. تکنیک‌های به‌کاررفته در هرکدام از فناوری‌ها، نرخ انتقال داده، پهنای باند و فرکانس‌های مورد استفاده شرح داده شد؛ اما به‌دلیل گستردگی مفاهیم و تعاریف، بسیاری از مباحث جانبی بررسی نشدند. در بخش بعدی مقاله، فناوری 5G به‌صورت جامع بررسی خواهد شد و تمامی فناوری‌های بی‌سیم ارتباطی با هم مقایسه می‌شوند.