تويت
كيف تعمل التغطية والاتصالات الخلوية ببساطة لغير المختصين؟
تعتبر الاتصالات بشتى أنواعها أحد أهم وسائل التواصل المستخدمة لدى البشر، فتعددُ الابتكارات والاختراعات في هذا المجال كان سببًا رئيسًا في تحويل العالم إلى قرية صغيرة تستطيع التواصل فيما بينها بمجرد أداء بعض الإجراءات البسيطة، وأدى تطورها إلى تسهيل حياة البشرية جمعاء، فمن دونها لم يكن للإنسان القدرة على تحقيق أي شكلٍ من أشكال التواصل بين أقصى الشرق والغرب، فإن ما نستطيع الآن إجراءه بثوان، من مكالمة أو محادثة، كان من المستحيل حدوثه لولا تطور الكبير في هذا المجال.
تقسم الاتصالات إلى قسمين، سلكيةٌ ولاسلكية، فالأولى يمكن أن تمثّل بشبكة الإنترنت العالمية أو الشبكات الواسعة والمحلية، واللاسلكية فهي تلخص بالاتصالات الفضائية والراديوية و الخلوية وغيرها. سنتحدث في هذا المقال عن الاتصالات الخلوية وكيفية عملها في ولكن يجب تعريف بعض المفاهيم الأساسية أولاً.
مفاهيم أساسية في الاتصالات
الاتصال:
يمكن القول عن أي عملية تبادلٍ المعلومات بين مرسل ومستقبل في أي وسط انتشار، سلكي أو لاسلكي، مهما كَبُرت المسافات بعملية الاتصال، ويقصد هنا بالمعلومات أي المعطيات الصوتية أو الفيديو أو خدمات الإنترنت، والبث الإذاعي أو التلفزيوني، وغيرها.
هي المنطقة الجغرافية التي تغطيها محطة قاعدية (برج التغطية) واحدة في الشبكة الخلوية. وتشكل هذه الخلية عن طريق محطة قاعدية تسمى تُعرف (BSS (Base Station Sub-System. حيث أن المستخدم ضمن الخلية يستطيع إجراء أي عملية الحصول على معلومات، مثل إجراء مكالمة، إرسال رسالة، استخدام البيانات للحصول على خدمة الإنترنت، وغيرها، من الخدمات التي تقدمها شركة الاتصالات الخلوية الموجودة ضمن المنطقة. ويجب التنويه إلى أنه كلما كَثُرت الخلايا، زاد نطاق التغطية الجغرافية، وبالتالي زاد عدد المشتركين المُخدمين في الشبكة.
التردد:
يعرّف التردد فيزيائيًا على أنه عدد مرات الاهتزاز في واحدة الزمن، وأما بالنسبة للاتصالات الخلوية، فهو يرمز إلى المجال المخصص لعمل تلك الخلية وفقًا للنظام الخلوي المستخدم، فلكل جيل شبكات خلوي مجال ترددات معينة، تختلف فيما بينها، وكلما تطور الجيل ارتفع مجاله الترددي العامل عليه، فمثلا الجيل الثاني يعمل على ضمن ترددات ما بين 900-1800 Mhz ميغا هرتز، ضمن الطيف الكهرطيسي، وأما بالنسبة للجيل الثالث فهو يعمل ضمن المجال ما بين 2110-2200 Mhz وهكذا هناك عدة فروق بين الجيلين الرابع والخامس.
وإليكم جدولاً يوضح التطور في الترددات وسرعة نقل البيانات من الجيل الأولى حتى الخامس.
مجال الترددات من الجيل الأول 1G حتى الجيل الخامس 5G.
التغطية:
يمكن تعريف التغطية على أنها أكبر مسافة يستطيع بها المستخدم أن يرسل إشارة بجودة مناسبة إلى محطة الإرسال، بمعنى آخر، أقصى مسافة يستطيع بها العميل أن يقوم باستخدام هاتفه النقّال للقيام بالخدمات المتاحة لدى الشبكة، من مكالمات، رسائل، الحصول على خدمات الإنترنت، وغيرها من الخدمات المدعومة من الشبكة الموزعة لشركة الاتصالات الخلوية.
كيف تعمل التغطية؟
تعمل التغطية عن طريق توزيعٍ مناسبٍ للإشارة الخلوية ضمن المنطقة الجغرافية المراد نشر التغطية الخلوية فيها، ويتم ذلك عبر تقسيم مناسبٍ للمجالِ الترددي المتاح في الخلايا الخلوية بما يتوافق مع حاجة المستخدمين، حيث أنه لكل مجموعة من الخلايا مجال تردديٌ محدد، مع حيزٍ من القنوات المخصصة، بحيث ألا تتساوى بين الخلايا المتجاورة فيما بينها.
يجب التنويه إلى أنه كُلما زادت عدد المستخدمين استوجب مجالاً ترددياً أوسع، وعدداً أكبر من القنوات، فكل ما سبق يتطلب تجهيزات أكثر وبالتالي كلفة أعلى لنشر التغطية ولكن هناك ما يسمى بعملية إعادة تقسيم التردد، وهي توفر الكثير من التكاليف في تخطيط وتوزيع التغطية، وتتلخص هذه العملية بالنقاط الآتية:
والشكل التالي يظهر عملية إعادة تقسيم التردد.
صورة توضح عملية إعادة تقسيم التردد.
يتبين من الشكل السابق عملية إعادة تقسيم التردد، والتي تعتبر إحدى العوامل الرئيسية في انتشار التغطية، فكما نلاحظ الخلايا الملونة بالأصفر ولِنُسميها المجموعة A ترمز إلى حزمة ترددية معينة، والخلايا الملونة بالأزرق ترمز إلى المجموعة B.
الخلية رقم 1 من المجموعة A مع الخلية رقم 1 من المجموعة B تحمل نفس القنوات ونفس التردد، وعلى نفس النسق بالنسبة للخلايا الأخرى.
وقبل أن نبدأ نتحدث عن عملية الاتصال الخلوي، يجب أن نذكر أهم البنية الأساسية التي تشكل أنظمة الاتصالات الخلوية في أي مكان في العالم، وسنذكر في هذا المقال المعمارية العامة لشبكات الجيل الثاني (GSM (Global System for Moblie Communications لكونها حجر الأساس لما وصلنا إليه من الأجيال اللاحقة.
يعتبر أي هاتف نقّال (هاتف ذكي أو عادي) يعمل وفقاً للنظام الخلوي محطة متنقلة، وهو جهاز يستعمل من قبل المشترك ليتمكن من العمل في النظام الخلوي بعد إدخال ما يسمى بالشريحة أو الـ Sim.
وتعرف الشريحة (بطاقة تعريف المشترك) على أنها بطاقة توضع في الهاتف النقّال، تحتوي على معالجٍ صغير وذاكرة مبرمجةٍ من قبل شركة الاتصالات الخلوية الموجودة في المنطقة تمكّن المشترك من تعريف نفسه على الشبكة برقم تعريف خاصٍ به.
الشكل العام للشريحة في الهاتف النقّال.
والاسم الشائع لها هو برج التغطية، وهي عبارة عن محطة اتصال لاسلكية ثابتة، موجودةٍ في مكان محدد ثابت يحدد من قبل الشركة يجري تعيينه بما يتناسب مع تلبية الخدمة الأنسب، بالاعتماد على نتائج تخطيط شبكة التغطية، وهي التي تمثل المركز الرئيسي والموزع للخلايا الموزعة من المحطات الثابتة الفرعية (BTS (Base Transmission Station، حيث يتم تغطية المساحات الجغرافية من هذه المحطة.
وهو النقطة الوصل بين جميع المحطات القاعدية الموجودة في المنطقة، والتي تصل بدورها مع المدن الأخرى عن طريق مراكز أخرى، يتم عن طريقة معالجة المكالمات وتوجيهها مع تسليم المكالمة بين الخلية والأخرى دون حدوث أي تداخل في مكالمات، كما أنه يحتوي على البنى الأساسية التي تشكل النظام الخلوي. ومنها:
وهي عبارة عن قاعدة بيانات جميع المستخدمين في الشبكة المتنقلة، يتم تخزين البيانات الأساسية المتعلقة بالعملاء، مثل المعلومات الشخصية، ورقمه التعريفي على الشبكة (رقم الهاتف أيّ 096451) وهكذا.
هي عبارة عن قاعدة بيانات في الشبكة الخلوية، ترتبط بسجل الموقع الحالي ارتباطاً وثيقاً، ولكن الفرق بينها وبين HLR هو أن محتواها يتغير بحسب معلومات المشترك وموقعه عندما يتحرك ضمن الشبكة الخلوية.
وهو المسؤول عن أخذ الاتصالات من جميع مراكز التبديل الـ MSC وتوجيهها إلى الوجهة النهائية، مثلاً من هاتف أرضي عادي إلى هاتف خلوي.
يرتبط هذا المركز مع سجل الموقع الحالي HLR، حيث يقوم بتخزين رقم التوثيق الخاص بكل مشترك الـ IMSI، وتعد البيانات الموجودة في هذا المركز ثابتة، ويضاف إليها عند الاشتراك فقط.
وهو عبارة عن قاعدة بيانات تحتوي على معلومات المطابقة للجهاز الجوال (المحطة المتنقلة)، وظيفته حماية الاتصال الهاتفي من الأشخاص غير المخولين بالتطفل على الاتصال.
وإليكم صورةً معمارية النظام السابق.
معمارية الجيل الثاني للاتصالات 2G.
كيف تتم الاتصالات الخلوية لغير المختصين؟
بعد أن شرحنا بعض المفاهيم الأساسية المتعلقة بالاتصالات الخلوية، نستطيع الآن شرح آلية الاتصال الخلوي عبر المثال التالي.
لنفترض لدينا عميلين الأول A والثاني B. يريد العميل A الاتصال بالعميل B، نقوم نحن فقط بإجراء يستغرق من الوقت ثوان قليلة، ولكن في الحقيقة إليكم ما يحصل عندما نريد القيام بمكالمة:
يقوم العميل A بطلب رقم العميل B، فيقوم الهاتف الذكي بإرسال طلب إجراء مكالمة أقرب برج أو ما تمت تسميته مسبقاً بالـ BTS، تستقبل الـ BTS الطلب وترسله إلى المحطة القاعدية المركزية BSS، ومنها إلى مركز تبديل المتنقلات MSC، وهنا يتم التحقق مع وجود الرقم في قاعدة البيانات أو سجل الموقع الحالي HLR، وعندما يتم التحقق وجود الرقم، ينقل مركز تبديل المتنقلات MSC الطلب إلى المحطة القاعدية المتصل بها العميل B ومن ثم إلى البرج المتواجد ضمن نطاقه العميل B، وبمجرد الرد على الطلب من الطرف الآخر ستكون المكالمة قد تمت وخصصت لها عرض حزمة معين.
أصبح التطور أمراً حتمياً لا بد منه في كافة المجالات، وستبقى الحاجة في عالم الاتصالات الوصول إلى أكبر عدد مستخدمين مع سرعات ومع انتشار أوسع للتغطية، مع العلم أن الشركات بدأت البحث والتطوير للوصول إلى الجيل السادس، في حين أن العالم ما زال يعاني من انتشار شبكات الجيل الخامس، ومن يدري إلى أين سنصل في هذا التطور، ومن ما قد يمكن استخدامه مستقبلاً في الاتصال.
تقسم الاتصالات إلى قسمين، سلكيةٌ ولاسلكية، فالأولى يمكن أن تمثّل بشبكة الإنترنت العالمية أو الشبكات الواسعة والمحلية، واللاسلكية فهي تلخص بالاتصالات الفضائية والراديوية و الخلوية وغيرها. سنتحدث في هذا المقال عن الاتصالات الخلوية وكيفية عملها في ولكن يجب تعريف بعض المفاهيم الأساسية أولاً.
مفاهيم أساسية في الاتصالات
الاتصال:
يمكن القول عن أي عملية تبادلٍ المعلومات بين مرسل ومستقبل في أي وسط انتشار، سلكي أو لاسلكي، مهما كَبُرت المسافات بعملية الاتصال، ويقصد هنا بالمعلومات أي المعطيات الصوتية أو الفيديو أو خدمات الإنترنت، والبث الإذاعي أو التلفزيوني، وغيرها.
هي المنطقة الجغرافية التي تغطيها محطة قاعدية (برج التغطية) واحدة في الشبكة الخلوية. وتشكل هذه الخلية عن طريق محطة قاعدية تسمى تُعرف (BSS (Base Station Sub-System. حيث أن المستخدم ضمن الخلية يستطيع إجراء أي عملية الحصول على معلومات، مثل إجراء مكالمة، إرسال رسالة، استخدام البيانات للحصول على خدمة الإنترنت، وغيرها، من الخدمات التي تقدمها شركة الاتصالات الخلوية الموجودة ضمن المنطقة. ويجب التنويه إلى أنه كلما كَثُرت الخلايا، زاد نطاق التغطية الجغرافية، وبالتالي زاد عدد المشتركين المُخدمين في الشبكة.
التردد:
يعرّف التردد فيزيائيًا على أنه عدد مرات الاهتزاز في واحدة الزمن، وأما بالنسبة للاتصالات الخلوية، فهو يرمز إلى المجال المخصص لعمل تلك الخلية وفقًا للنظام الخلوي المستخدم، فلكل جيل شبكات خلوي مجال ترددات معينة، تختلف فيما بينها، وكلما تطور الجيل ارتفع مجاله الترددي العامل عليه، فمثلا الجيل الثاني يعمل على ضمن ترددات ما بين 900-1800 Mhz ميغا هرتز، ضمن الطيف الكهرطيسي، وأما بالنسبة للجيل الثالث فهو يعمل ضمن المجال ما بين 2110-2200 Mhz وهكذا هناك عدة فروق بين الجيلين الرابع والخامس.
وإليكم جدولاً يوضح التطور في الترددات وسرعة نقل البيانات من الجيل الأولى حتى الخامس.
التغطية:
يمكن تعريف التغطية على أنها أكبر مسافة يستطيع بها المستخدم أن يرسل إشارة بجودة مناسبة إلى محطة الإرسال، بمعنى آخر، أقصى مسافة يستطيع بها العميل أن يقوم باستخدام هاتفه النقّال للقيام بالخدمات المتاحة لدى الشبكة، من مكالمات، رسائل، الحصول على خدمات الإنترنت، وغيرها من الخدمات المدعومة من الشبكة الموزعة لشركة الاتصالات الخلوية.
كيف تعمل التغطية؟
تعمل التغطية عن طريق توزيعٍ مناسبٍ للإشارة الخلوية ضمن المنطقة الجغرافية المراد نشر التغطية الخلوية فيها، ويتم ذلك عبر تقسيم مناسبٍ للمجالِ الترددي المتاح في الخلايا الخلوية بما يتوافق مع حاجة المستخدمين، حيث أنه لكل مجموعة من الخلايا مجال تردديٌ محدد، مع حيزٍ من القنوات المخصصة، بحيث ألا تتساوى بين الخلايا المتجاورة فيما بينها.
يجب التنويه إلى أنه كُلما زادت عدد المستخدمين استوجب مجالاً ترددياً أوسع، وعدداً أكبر من القنوات، فكل ما سبق يتطلب تجهيزات أكثر وبالتالي كلفة أعلى لنشر التغطية ولكن هناك ما يسمى بعملية إعادة تقسيم التردد، وهي توفر الكثير من التكاليف في تخطيط وتوزيع التغطية، وتتلخص هذه العملية بالنقاط الآتية:
- تنظم وترتب الخلايا على الشكل العنقودي.
- كل مجموعة عنقودية يخصص لها نطاق من التردد يقسم بين خلاياها.
- كل خلية تغطي مجموعةً من القنوات المتاحة.
- الخلايا التي تستخدم القنوات المُتماثلة، تسمى الخلايا المشتركة.
والشكل التالي يظهر عملية إعادة تقسيم التردد.
صورة توضح عملية إعادة تقسيم التردد.
يتبين من الشكل السابق عملية إعادة تقسيم التردد، والتي تعتبر إحدى العوامل الرئيسية في انتشار التغطية، فكما نلاحظ الخلايا الملونة بالأصفر ولِنُسميها المجموعة A ترمز إلى حزمة ترددية معينة، والخلايا الملونة بالأزرق ترمز إلى المجموعة B.
الخلية رقم 1 من المجموعة A مع الخلية رقم 1 من المجموعة B تحمل نفس القنوات ونفس التردد، وعلى نفس النسق بالنسبة للخلايا الأخرى.
وقبل أن نبدأ نتحدث عن عملية الاتصال الخلوي، يجب أن نذكر أهم البنية الأساسية التي تشكل أنظمة الاتصالات الخلوية في أي مكان في العالم، وسنذكر في هذا المقال المعمارية العامة لشبكات الجيل الثاني (GSM (Global System for Moblie Communications لكونها حجر الأساس لما وصلنا إليه من الأجيال اللاحقة.
- المحطة المتنقلة Mobile Station:
يعتبر أي هاتف نقّال (هاتف ذكي أو عادي) يعمل وفقاً للنظام الخلوي محطة متنقلة، وهو جهاز يستعمل من قبل المشترك ليتمكن من العمل في النظام الخلوي بعد إدخال ما يسمى بالشريحة أو الـ Sim.
وتعرف الشريحة (بطاقة تعريف المشترك) على أنها بطاقة توضع في الهاتف النقّال، تحتوي على معالجٍ صغير وذاكرة مبرمجةٍ من قبل شركة الاتصالات الخلوية الموجودة في المنطقة تمكّن المشترك من تعريف نفسه على الشبكة برقم تعريف خاصٍ به.
الشكل العام للشريحة في الهاتف النقّال.
- المحطة القاعدية Base Station Sub-System:
والاسم الشائع لها هو برج التغطية، وهي عبارة عن محطة اتصال لاسلكية ثابتة، موجودةٍ في مكان محدد ثابت يحدد من قبل الشركة يجري تعيينه بما يتناسب مع تلبية الخدمة الأنسب، بالاعتماد على نتائج تخطيط شبكة التغطية، وهي التي تمثل المركز الرئيسي والموزع للخلايا الموزعة من المحطات الثابتة الفرعية (BTS (Base Transmission Station، حيث يتم تغطية المساحات الجغرافية من هذه المحطة.
- مركز تبديل المتنقلات Mobile Switching Center:
وهو النقطة الوصل بين جميع المحطات القاعدية الموجودة في المنطقة، والتي تصل بدورها مع المدن الأخرى عن طريق مراكز أخرى، يتم عن طريقة معالجة المكالمات وتوجيهها مع تسليم المكالمة بين الخلية والأخرى دون حدوث أي تداخل في مكالمات، كما أنه يحتوي على البنى الأساسية التي تشكل النظام الخلوي. ومنها:
- سجل الموقع الحالي Home Location Register:
وهي عبارة عن قاعدة بيانات جميع المستخدمين في الشبكة المتنقلة، يتم تخزين البيانات الأساسية المتعلقة بالعملاء، مثل المعلومات الشخصية، ورقمه التعريفي على الشبكة (رقم الهاتف أيّ 096451) وهكذا.
- سجل الموقع الزائر Visitor Location Register:
هي عبارة عن قاعدة بيانات في الشبكة الخلوية، ترتبط بسجل الموقع الحالي ارتباطاً وثيقاً، ولكن الفرق بينها وبين HLR هو أن محتواها يتغير بحسب معلومات المشترك وموقعه عندما يتحرك ضمن الشبكة الخلوية.
- مركز بوابة التبديل المتنقلات Gate Mobile Switching Center:
وهو المسؤول عن أخذ الاتصالات من جميع مراكز التبديل الـ MSC وتوجيهها إلى الوجهة النهائية، مثلاً من هاتف أرضي عادي إلى هاتف خلوي.
- مركز التوثيق Authentication Center:
يرتبط هذا المركز مع سجل الموقع الحالي HLR، حيث يقوم بتخزين رقم التوثيق الخاص بكل مشترك الـ IMSI، وتعد البيانات الموجودة في هذا المركز ثابتة، ويضاف إليها عند الاشتراك فقط.
- سجل تطابق التجهيزات Equipment Identification Register:
وهو عبارة عن قاعدة بيانات تحتوي على معلومات المطابقة للجهاز الجوال (المحطة المتنقلة)، وظيفته حماية الاتصال الهاتفي من الأشخاص غير المخولين بالتطفل على الاتصال.
وإليكم صورةً معمارية النظام السابق.
معمارية الجيل الثاني للاتصالات 2G.
كيف تتم الاتصالات الخلوية لغير المختصين؟
بعد أن شرحنا بعض المفاهيم الأساسية المتعلقة بالاتصالات الخلوية، نستطيع الآن شرح آلية الاتصال الخلوي عبر المثال التالي.
لنفترض لدينا عميلين الأول A والثاني B. يريد العميل A الاتصال بالعميل B، نقوم نحن فقط بإجراء يستغرق من الوقت ثوان قليلة، ولكن في الحقيقة إليكم ما يحصل عندما نريد القيام بمكالمة:
يقوم العميل A بطلب رقم العميل B، فيقوم الهاتف الذكي بإرسال طلب إجراء مكالمة أقرب برج أو ما تمت تسميته مسبقاً بالـ BTS، تستقبل الـ BTS الطلب وترسله إلى المحطة القاعدية المركزية BSS، ومنها إلى مركز تبديل المتنقلات MSC، وهنا يتم التحقق مع وجود الرقم في قاعدة البيانات أو سجل الموقع الحالي HLR، وعندما يتم التحقق وجود الرقم، ينقل مركز تبديل المتنقلات MSC الطلب إلى المحطة القاعدية المتصل بها العميل B ومن ثم إلى البرج المتواجد ضمن نطاقه العميل B، وبمجرد الرد على الطلب من الطرف الآخر ستكون المكالمة قد تمت وخصصت لها عرض حزمة معين.
أصبح التطور أمراً حتمياً لا بد منه في كافة المجالات، وستبقى الحاجة في عالم الاتصالات الوصول إلى أكبر عدد مستخدمين مع سرعات ومع انتشار أوسع للتغطية، مع العلم أن الشركات بدأت البحث والتطوير للوصول إلى الجيل السادس، في حين أن العالم ما زال يعاني من انتشار شبكات الجيل الخامس، ومن يدري إلى أين سنصل في هذا التطور، ومن ما قد يمكن استخدامه مستقبلاً في الاتصال.