تويت
شبكات الهاتف الخلوي
الشبكة الخلوية cellular network هي شبكة اتصالات مصممة خصيصاً لتخديم أجهزة الهاتف المحمولة. وتسمح الشبكة الخلوية للمشتركين فيها بالتجوال حيثما كانوا داخل بلدهم أو خارجه (شريطة توافر خدمة التجوال الدولي) والبقاء على اتصال مع المشتركين الآخرين ومع الشبكة العامة عن طريق أجهزتهم المحمولة. تقسم كل شبكة خلوية إلى مجموعة من الخلايا (ومن هنا جاءت التسمية) ويقوم مُرسل مُستقبِل أو أكثر بتخديم كل خلية.
وقد توسع دور الشبكات الخلوية من توفير الاتصال الهاتفي، ليشمل نقل المعطيات والصور والربط بالإنترنت[ر] وإلى غير ذلك من الخدمات الحديثة.
لمحة تاريخية
صُمِّم الراديو الخلوي بدايةً بهدف تقديم خدمة الصوت إلى المركبات المتنقلة في الشوارع والطرق السريعة. وظهرت في الخمسينيات والستينيات من القرن العشرين شبكات راديوية نقالة خاصة ومتنوعة مثل الراديو النقال الذي يستخدم الحزمة الأهليةCB، والمنظومة الهاتفية النقالة المحسنةIMTS. إلا أن قلة الترددات التي كانت متوافرة آنذاك وضعف التقنيات حد كثيراً من عدد المستخدمين.
وفي السبعينيات من القرن العشرين طرحت شركة إريكسون Ericsson منظومة الهاتف النقال الشمالية NMT، وطرحت مختبرات أي تي أند تي بل AT&T Bellالمنظومة الهاتفية النقالة المتقدمة AMPS، وظهرت في اليابان منظومة MCS-L1، وتتالى ظهور منظومات وطنية في كل من ألمانيا وإيطاليا وفرنسا وغيرها.
وأقر مؤتمر إدارات الاتصالات والبريد الأوربية CEPT في عام 1982 مجموعة خاصة بالهواتف النقالة، بهدف وضع معايير للراديو الخلوي الأوربي المستقبلي، الذي عُرف باسم المنظومة الشاملة للاتصالات النقالة GSM (جي إس إم) Global System for Mobile Communication. وتعد تلك المنظومة من أكثر المنظومات الراديوية النقالة نجاحاً وتوسعاً.
بنية الشبكة الخلوية
تتألف البنية الهرمية للشبكة الخلوية من ربط المكونات الرئيسية الآتية:
ـ محطة نقالة MS وهي جهاز يُستخدم لتحقيق الاتصال عبر الشبكة الخلوية.
ـ محطة قاعدية BS وتتألف من مرسل ومستقبل راديوي يُستخدم لإرسال الإشارات واستقبالها من المحطات النقالة وإليها.
ـ مركز التحويل النقال MSC ويمثل قلب الشبكة، وهو الذي يقوم بإعداد المكالمات التي تُجرى عبر الشبكة والمحافظة عليها.
ـ مراقب المحطات القاعدية BSC ويقوم بمراقبة الاتصالات بين مجموعة من المحطات القاعدية ومركز تحويل نقال وحيد.
ـ الشبكة الهاتفية التحويلية العامةPSTN وتمثل المقطع الأرضي من الشبكة.
ولما كان قد شاع استخدام منظومة جي إس إم في كثير من البلدان فقد اعتمدت هذه المنظومة لتوضيح عمل الشبكات الخلوية. يبين الشكل (1) مخطط شبكة خلوية تعتمد على منظومة جي إس إم.
تتألف الشبكة كما هو مبين من محطات نقالة (محمولة باليد أو مثبتة على متن مركبة) تتخاطب مع منظومة جزئية للمحطات القاعدية BSS تشتمل على عدة محطات إرسال ـ استقبال قاعدية BTS وعلى مراقب محطات قاعدية. ويتم ربط المحطات القاعدية بمراقباتها عبر وصلات مكروية أو كبلية. وتُربط منظومات المحطات القاعدية الجزئية بمركز التبديل الخلوي الذي يتحكم بحركة النقل في عدد من الخلايا المختلفة.
ويملك كل مركز تبديل خلوي سجلاً لمواقع الزوار VLR تُسجل فيه المحطات النقالة الزائرة بحيث يمكن للمنظومة العثور عليهم إن اقتضت الضرورة. كما يُربط مركز التبديل الخلوي بسجل مواقع المقيمين HLRوبمركز التوثق AUC وبسجل هوية التجهيزات EIR الذي يسمح للمنظومة بالتأكد من شرعية المستخدمين والتجهيزات، ويضع حداً لاستخدام الأجهزة المسروقة أو غير المرخصة.
وتشتمل المنظومة أيضاً على مركز التشغيل والصيانة OMC ومركز إدارة الشبكةNMC. كما يتوافر للمنظومة الاتصال بالشبكات الأخرى بالشبكات الأرضية النقالة الأخرى والشبكات الهاتفية التبديلية العامة والشبكات الرقمية ذات الخدمات المتكاملةISDN.
مبدأ الشبكة الخلوية
تُقسم الشبكات الخلوية إلى خلايا، ويقوم مرسل ـ مستقبل أو أكثر بتخديم كل خلية (الشكل 2). وتتسم الاتصالات في شبكة خلوية بأنها ثنائية الاتجاه إذ يتم إرسال الرسائل واستقبالها باستخدام ترددين مختلفين (وصلة صاعدة ووصلة هابطة).
ويهدف اختيار البنية الخلوية إلى السماح بإعادة استخدام الترددات. حيث يمكن للخلايا غير المتجاورة والتي تفصلها مسافة معينة إعادة استخدام الترددات ذاتها مما يؤمن استخداماً فعالاً للموارد الراديوية المتاحة والمحدودة. ويبين الشكل 3 مثالاً على أحد التشكيلات الممكنة لبناء الشبكة الخلوية.
الجيل الأول من الشبكات الخلوية
تنتمي منظومة NMT العاملة ضمن حزم ترددية بين 450 و900 ميغاهرتز، ومنظومةAMPS العاملة ضمن الحزمة الترددية 800ـ900 ميغاهرتز، ونظيرتها الأوربيةTACS إلى الجيل الأول من الشبكات الخلوية. وتميزت جميع تلك المنظومات باعتمادها على التقانات التماثلية وعلى تقنية النفاذ المتعدد بتقسيم التردد FDMA، وعلى إدخال مبدأ إعادة استخدام الترددات. وشغلت تلك المنظومات حزماً تردديةً مختلفة في المجال من 160 إلى 900 ميغاهرتز. وقد اقتصر استخدام تلك المنظومات على نطاق البلد الواحد (باستثناءNMT) لعدم توافقها. ولم تقدم تلك المنظومات سوى خدمة الهاتف الخلوي فقط إبان الثمانينيات من القرن العشرين.
الجيل الثاني من الشبكات الخلوية
تعد منظومات GSM الأوربية وIS- 95وIS-136 الأمريكيتين وPDC اليابانية، من أشهر منظومات الجيل الثاني من شبكات الراديو النقال. وقد امتازت تلك المنظومات باعتمادها كلياً على التقانات الرقمية، وعلى النفاذ المتعدد بتقسيم التردد وبتقسيم الزمنTDMA، وباستخدامها في بلدان مختلفة، وبتوسع طيف الخدمات المقدمة ليشمل نقل المعطيات المنخفضة السرعة. وقد عانت تلك المنظومات، بسبب الإقبال الشديد، محدوديةً في السعة وفي سرعة المعطيات وانخفاضاً في جودة الاتصال مقارنة بالاتصالات السلكية، إلى جانب صعوبات تخطيط الترددات وضيق عرض الحزمة المتوافرة.
الجيل الثالث من الشبكات الخلوية
يدخل عالم الهاتف الخلوي مع منظومات الجيل الثالث عصر الوسائط المتعددة. فالتقارب الحاصل مع تقانات المعلومات، إضافة إلى الانخفاض في التكاليف، يسمح بابتكار خدمات جديدة مذهلة.
فقد أدت سرعة نقل المعطيات الحدية (9.6 كيلوبت/ثا بالنسبة للمنظومة جي إس إم) إلى تقييد خدمات المعطيات في الشبكات الخلوية نتيجة ازدياد الطلب على نقل المعطيات وتوافر خدمة الإنترنت على الشبكات الخلوية. فقام الاتحاد الدولي للاتصالات ITU ومعهد معايير الاتصالات الأوربي ETSI بوضع برامج بحث وتطوير طموحة أُطلق عليها اسم الاتصالات النقالة العالمية 2000 IMT-2000 على المستوى العالمي، ومنظومة الاتصالات النقالة العالميةUMTS على المستوى الأوربي، بهدف تحقيق نقل المعطيات إلى الأشخاص بسرعات عالية (إضافة إلى الصوت) بصرف النظر عن مكانهم أو شبكاتهم أو أجهزتهم. وخصصت لتلك المنظومات حزم ترددية جديدة حول التردد 2 غيغاهرتز، وتعتمد على تقانة النفاذ المتعدد بتقسيم الرمز عريض الحزمةWCDMA.
وقد ظهرت في الطريق نحو الجيل الثالث منظومات أُطلق عليها اسم الجيل الثاني والنصف (n2.5G) أمّنت حلولاً جزئية لمشكلتي السرعة ونقل المعطيات على الشبكات الخلوية. وكان أولها منظومة خدمة المعطيات ذات التبديل الداراتي عالية السرعة HSCSD التي سمحت برفع سرعة نقل المعطيات لتصل إلى 57.6 كيلوبت/ثا كحد أقصى. ثم منظومة الراديو الرزمي العامGPRS (General Packet Radio System) الذي أمّن التوافق مع البروتوكولات IP وX.25، واستخداماً أفضل للموارد الراديوية، ورفع سرعة النقل إلى 164 كيلوبت/ثا. وأخيراً منظومة سرعات المعطيات المحسنة لتطوير الجي إس إم EDGE الذي يسمح برفع سرعات النقل إلى 384 كيلوبت/ثا.
الآفاق المستقبلية
شهدت شبكات الراديو الخلوي وما تزال نمواً تقنياً وتجارياً كبيراً. ويُقدم الناس على الاشتراك في الهاتف الخلوي لأنه يوفر لهم خدمة مفيدة وبتكلفة زهيدة نسبياً. وقد توسع طيف الخدمات التي يقدمها الهاتف الخلوي لتشمل خدمات المعطيات ونقل الصور والربط بالإنترنت وخدمات التسلية والتجارة الإلكترونية. كما اتسعت رقعة التغطية الجغرافية بفضل التجوال الدولي.
والشبكات الخلوية في طريقها لتصبح شبكات معطيات عالية السرعة، إذ تبذل الصناعة أقصى جهدها لتسريع وتيرة تطوير تقانات الاتصالات الخلوية لتلبية الطلب المستمر على تلك الخدمات ولوضع مزيد من التطبيقات قيد الاستخدام.
وتهدف تلك الأبحاث والدراسات إلى التوصل لمنظومة اتصالات خلوي موحد وشامل يؤمن خدمات صوت ومعطيات عالية الجودة بسرعات عالية بصرف النظر عن الموقع أو الشبكة أو الطرفية. ويبين الجدول (1) الرموز الواردة في البحث.
محمد خالد شاهين
الشبكة الخلوية cellular network هي شبكة اتصالات مصممة خصيصاً لتخديم أجهزة الهاتف المحمولة. وتسمح الشبكة الخلوية للمشتركين فيها بالتجوال حيثما كانوا داخل بلدهم أو خارجه (شريطة توافر خدمة التجوال الدولي) والبقاء على اتصال مع المشتركين الآخرين ومع الشبكة العامة عن طريق أجهزتهم المحمولة. تقسم كل شبكة خلوية إلى مجموعة من الخلايا (ومن هنا جاءت التسمية) ويقوم مُرسل مُستقبِل أو أكثر بتخديم كل خلية.
وقد توسع دور الشبكات الخلوية من توفير الاتصال الهاتفي، ليشمل نقل المعطيات والصور والربط بالإنترنت[ر] وإلى غير ذلك من الخدمات الحديثة.
لمحة تاريخية
صُمِّم الراديو الخلوي بدايةً بهدف تقديم خدمة الصوت إلى المركبات المتنقلة في الشوارع والطرق السريعة. وظهرت في الخمسينيات والستينيات من القرن العشرين شبكات راديوية نقالة خاصة ومتنوعة مثل الراديو النقال الذي يستخدم الحزمة الأهليةCB، والمنظومة الهاتفية النقالة المحسنةIMTS. إلا أن قلة الترددات التي كانت متوافرة آنذاك وضعف التقنيات حد كثيراً من عدد المستخدمين.
وفي السبعينيات من القرن العشرين طرحت شركة إريكسون Ericsson منظومة الهاتف النقال الشمالية NMT، وطرحت مختبرات أي تي أند تي بل AT&T Bellالمنظومة الهاتفية النقالة المتقدمة AMPS، وظهرت في اليابان منظومة MCS-L1، وتتالى ظهور منظومات وطنية في كل من ألمانيا وإيطاليا وفرنسا وغيرها.
وأقر مؤتمر إدارات الاتصالات والبريد الأوربية CEPT في عام 1982 مجموعة خاصة بالهواتف النقالة، بهدف وضع معايير للراديو الخلوي الأوربي المستقبلي، الذي عُرف باسم المنظومة الشاملة للاتصالات النقالة GSM (جي إس إم) Global System for Mobile Communication. وتعد تلك المنظومة من أكثر المنظومات الراديوية النقالة نجاحاً وتوسعاً.
بنية الشبكة الخلوية
تتألف البنية الهرمية للشبكة الخلوية من ربط المكونات الرئيسية الآتية:
ـ محطة نقالة MS وهي جهاز يُستخدم لتحقيق الاتصال عبر الشبكة الخلوية.
ـ محطة قاعدية BS وتتألف من مرسل ومستقبل راديوي يُستخدم لإرسال الإشارات واستقبالها من المحطات النقالة وإليها.
ـ مركز التحويل النقال MSC ويمثل قلب الشبكة، وهو الذي يقوم بإعداد المكالمات التي تُجرى عبر الشبكة والمحافظة عليها.
ـ مراقب المحطات القاعدية BSC ويقوم بمراقبة الاتصالات بين مجموعة من المحطات القاعدية ومركز تحويل نقال وحيد.
ـ الشبكة الهاتفية التحويلية العامةPSTN وتمثل المقطع الأرضي من الشبكة.
 الشكل (1) بنية الشبكة الخلوية جي إس إم |
تتألف الشبكة كما هو مبين من محطات نقالة (محمولة باليد أو مثبتة على متن مركبة) تتخاطب مع منظومة جزئية للمحطات القاعدية BSS تشتمل على عدة محطات إرسال ـ استقبال قاعدية BTS وعلى مراقب محطات قاعدية. ويتم ربط المحطات القاعدية بمراقباتها عبر وصلات مكروية أو كبلية. وتُربط منظومات المحطات القاعدية الجزئية بمركز التبديل الخلوي الذي يتحكم بحركة النقل في عدد من الخلايا المختلفة.
ويملك كل مركز تبديل خلوي سجلاً لمواقع الزوار VLR تُسجل فيه المحطات النقالة الزائرة بحيث يمكن للمنظومة العثور عليهم إن اقتضت الضرورة. كما يُربط مركز التبديل الخلوي بسجل مواقع المقيمين HLRوبمركز التوثق AUC وبسجل هوية التجهيزات EIR الذي يسمح للمنظومة بالتأكد من شرعية المستخدمين والتجهيزات، ويضع حداً لاستخدام الأجهزة المسروقة أو غير المرخصة.
وتشتمل المنظومة أيضاً على مركز التشغيل والصيانة OMC ومركز إدارة الشبكةNMC. كما يتوافر للمنظومة الاتصال بالشبكات الأخرى بالشبكات الأرضية النقالة الأخرى والشبكات الهاتفية التبديلية العامة والشبكات الرقمية ذات الخدمات المتكاملةISDN.
مبدأ الشبكة الخلوية
تُقسم الشبكات الخلوية إلى خلايا، ويقوم مرسل ـ مستقبل أو أكثر بتخديم كل خلية (الشكل 2). وتتسم الاتصالات في شبكة خلوية بأنها ثنائية الاتجاه إذ يتم إرسال الرسائل واستقبالها باستخدام ترددين مختلفين (وصلة صاعدة ووصلة هابطة).
 الشكل (2) خلية جي إس إم |
 الشكل (3) مثال على بناء شبكة خلوية اعتماداً على سبع خلايا |
تنتمي منظومة NMT العاملة ضمن حزم ترددية بين 450 و900 ميغاهرتز، ومنظومةAMPS العاملة ضمن الحزمة الترددية 800ـ900 ميغاهرتز، ونظيرتها الأوربيةTACS إلى الجيل الأول من الشبكات الخلوية. وتميزت جميع تلك المنظومات باعتمادها على التقانات التماثلية وعلى تقنية النفاذ المتعدد بتقسيم التردد FDMA، وعلى إدخال مبدأ إعادة استخدام الترددات. وشغلت تلك المنظومات حزماً تردديةً مختلفة في المجال من 160 إلى 900 ميغاهرتز. وقد اقتصر استخدام تلك المنظومات على نطاق البلد الواحد (باستثناءNMT) لعدم توافقها. ولم تقدم تلك المنظومات سوى خدمة الهاتف الخلوي فقط إبان الثمانينيات من القرن العشرين.
الجيل الثاني من الشبكات الخلوية
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| الجدول (1) |
الجيل الثالث من الشبكات الخلوية
يدخل عالم الهاتف الخلوي مع منظومات الجيل الثالث عصر الوسائط المتعددة. فالتقارب الحاصل مع تقانات المعلومات، إضافة إلى الانخفاض في التكاليف، يسمح بابتكار خدمات جديدة مذهلة.
فقد أدت سرعة نقل المعطيات الحدية (9.6 كيلوبت/ثا بالنسبة للمنظومة جي إس إم) إلى تقييد خدمات المعطيات في الشبكات الخلوية نتيجة ازدياد الطلب على نقل المعطيات وتوافر خدمة الإنترنت على الشبكات الخلوية. فقام الاتحاد الدولي للاتصالات ITU ومعهد معايير الاتصالات الأوربي ETSI بوضع برامج بحث وتطوير طموحة أُطلق عليها اسم الاتصالات النقالة العالمية 2000 IMT-2000 على المستوى العالمي، ومنظومة الاتصالات النقالة العالميةUMTS على المستوى الأوربي، بهدف تحقيق نقل المعطيات إلى الأشخاص بسرعات عالية (إضافة إلى الصوت) بصرف النظر عن مكانهم أو شبكاتهم أو أجهزتهم. وخصصت لتلك المنظومات حزم ترددية جديدة حول التردد 2 غيغاهرتز، وتعتمد على تقانة النفاذ المتعدد بتقسيم الرمز عريض الحزمةWCDMA.
وقد ظهرت في الطريق نحو الجيل الثالث منظومات أُطلق عليها اسم الجيل الثاني والنصف (n2.5G) أمّنت حلولاً جزئية لمشكلتي السرعة ونقل المعطيات على الشبكات الخلوية. وكان أولها منظومة خدمة المعطيات ذات التبديل الداراتي عالية السرعة HSCSD التي سمحت برفع سرعة نقل المعطيات لتصل إلى 57.6 كيلوبت/ثا كحد أقصى. ثم منظومة الراديو الرزمي العامGPRS (General Packet Radio System) الذي أمّن التوافق مع البروتوكولات IP وX.25، واستخداماً أفضل للموارد الراديوية، ورفع سرعة النقل إلى 164 كيلوبت/ثا. وأخيراً منظومة سرعات المعطيات المحسنة لتطوير الجي إس إم EDGE الذي يسمح برفع سرعات النقل إلى 384 كيلوبت/ثا.
الآفاق المستقبلية
شهدت شبكات الراديو الخلوي وما تزال نمواً تقنياً وتجارياً كبيراً. ويُقدم الناس على الاشتراك في الهاتف الخلوي لأنه يوفر لهم خدمة مفيدة وبتكلفة زهيدة نسبياً. وقد توسع طيف الخدمات التي يقدمها الهاتف الخلوي لتشمل خدمات المعطيات ونقل الصور والربط بالإنترنت وخدمات التسلية والتجارة الإلكترونية. كما اتسعت رقعة التغطية الجغرافية بفضل التجوال الدولي.
والشبكات الخلوية في طريقها لتصبح شبكات معطيات عالية السرعة، إذ تبذل الصناعة أقصى جهدها لتسريع وتيرة تطوير تقانات الاتصالات الخلوية لتلبية الطلب المستمر على تلك الخدمات ولوضع مزيد من التطبيقات قيد الاستخدام.
وتهدف تلك الأبحاث والدراسات إلى التوصل لمنظومة اتصالات خلوي موحد وشامل يؤمن خدمات صوت ومعطيات عالية الجودة بسرعات عالية بصرف النظر عن الموقع أو الشبكة أو الطرفية. ويبين الجدول (1) الرموز الواردة في البحث.
محمد خالد شاهين