شبکه تلفن همراه از ۱G تا ۵G

شبکه تلفن همراه از ۱G تا ۵G

نسل های شبکه تلفن همراه مجموعه پیشرفت های سخت افزاری و نرم افزاری هستند که با به وجود آمدن مخابرات موبایل (متحرک) به وجود آمده اند. اگر بخواهیم نسل های تلفن همراه را از بعد از به وجود آمدن اولین شبکه تلفن همراه معرفی کنیم، باید از نسل اول تلفن همراه یا ۱G شروع کنیم.

پس از آن با پیشرفت تکنولوژی و افزایش نیاز بشر، نسل های شبکه تلفن همراه دیگری به وجود آمدند که عبارتند از: نسل دوم تلفن همراه (یا ۲G)، نسل سوم تلفن همراه (یا ۳G)، نسل چهارم تلفن همراه (یا ۴G) و نسل پنجم تلفن همراه (یا ۵G). نسل های شبکه تلفن همراه نظیر ۲٫۵G و ۲٫۷۵G و ۳٫۵G و ۳٫۷۵G و ۴٫۵G هم به وجود آمدند که در ادامۀ این نوشته به آنها نیز خواهیم پرداخت. در این نوشته نسل صفر تلفن همراه مورد بحث ما نیست.

امروزه نه تنها برای عموم مردم بلکه برای اکثر دانشجویان رشته های مهندسی، سامانۀ ارتباطات رادیویی و اصطلاحات عمومی و کاربردی مانند نسل های شبکه تلفن همراه، به صورت کامل شفاف سازی نشده است. از آنجا که این حوزه بسیار گسترده است و هر یک از اصطلاحات و استانداردها را می توان در یک کتاب معرفی کرد، لذا در این نوشته به بررسی نسل های شبکه تلفن همراه در حد مورد نیاز آموزش ماژول های SIM800 پرداخته ایم. هدف از این نوشته آشنایی با اصطلاحات و استانداردهای موجود در سایت «SIMCOM» در قسمت «Wireless Modules»، به منظور شناخت بیشتر و انتخاب آگاهانۀ ماژول مورد نظر است.

تعریف چند واژه و عبارت مرتبط با نسل های شبکه تلفن همراه

پیش از ورود به معرفی نسل های شبکه تلفن همراه و آشنایی با شبکه های موبایل، لازم دانستیم چند واژه و عبارت را تعریف کنیم.

امواج رادیویی

فرکانس رادیویی (RF) به فرکانس هایی در بازۀ ۳ کیلوهرتز تا ۳۰۰ گیگاهرتز گفته می شود. هر یک از وسایل ارتباط رادیویی که توسط نهادها، شرکت ها و سازمان های دولتی و یا عموم مردم مورد استفاده قرار می گیرد، از بازه ای مخصوص استفاده می کند. برای مثال محدودۀ اختصاصی رادیو FM بین ۸۷ مگاهرتز تا ۱۰۸ مگاهرتز است و فرستنده های رادیو FM مجاز هستند فرکانس کانال های خود را در این محدوده قرار دهند.

یا محدودۀ اختصاصی ناوبری رادیویی هوانوردی در باند VHF بین ۱۰۸ مگاهرتز تا ۱۱۷٫۹۷۵ مگاهرتز است. برای دست یابی به محدوده های فرکانسی اختصاص داده شده به کاربردهای مختلف، یک فایل PDF با عنوان «جدول تخصیص فرکانس امواج رادیویی جمهوری اسلامی ایران» در پیوست این نوشته قرار داده ایم.

رادیو

به فناوری یا دستگاهی گفته می شود که صدا، پیام یا سیگنال ها را به وسیله امواج رادیویی منتقل می کند.

ارتباطات رادیویی

ارسال و دریافت سیگنال های رادیویی با استفاده از انواع روش های مدولاسیون را ارتباطات رادیویی گویند.

ایستگاه فرستنده و گیرنده BTS یا Base Transceiver Station

هر ارتباط رادیویی برای پیاده سازی نیازمند یک سری بسترهای سخت افزاری است. یکی از بسترهای سخت افزاری مورد نیاز نسل های شبکه تلفن همراه، BTS است. BTS که به معنی پایگاه استقرار فرستنده و گیرنده است، از اجزای زیر تشکیل شده است: فرستنده (Transmitter)، گیرنده (Receiver)، تقویت کنندۀ قدرت (Power Amplifier)، ترکیب کننده، مالتی پلکسر، آنتن، سیستم های نظارت و توسعه، واحد کنترل و واحد گیرنده باند پایه است.

موبایل

موبایل در لغت به معنای “متحرک” است و ما نیز در این نوشته این لغت را به معنای “متحرک” به کار می بریم و نه به معنای “گوشی تلفن همراه”.

روش های دسترسی به کانال (Channel Access Methods)

روش های دسترسی به کانال به روش های استفاده از پهنای باند مشترک توسط چند سیستم مخابراتی است. انواع مختلف روش دسترسی به کانال وجود دارد که ما سه مورد از آنها را نام می بریم:

• روش FDMA (Frequency-Division Multiple Access) یا دسترسی چندگانه با تقسیم فرکانس. در این روش، پهنای باند اختصاص یافته به سیستم های مخابراتی، به چند بخش تقسیم می شوند و هر سیستم مخابراتی در محدودۀ فرکانسی خود به تبادل اطلاعات می پردازد. اگر بخواهیم مثالی برای تفهیم روش FDMA بزنیم، این است که چند نفر به طور همزمان در کانال هایی با محدوده های فرکانسی مختلف با یکدیگر صحبت می کنند.
• روش TDMA (Time-Division Multiple Access) یا دسترسی چندگانه با تقسیم زمان. در این روش در هر لحظه از زمان، محدودۀ فرکانسی مشترک به یک سیستم مخابراتی اختصاص داده می شود. به این لحظه از زمان اصطلاحاً شیار زمانی گفته می شود و هر سیستم مخابراتی در شیار زمانی خود به تبادل اطلاعات در آن محدودۀ فرکانسی می پردازد. اگر بخواهیم روش TDMA را طی یک مثال تفهیم کنیم، این است که چند نفر به طور همزمان توسط یک کانال با یکدیگر صحبت می کنند اما در لحظه ای از زمان کانال در اختیار یک فرستنده و گیرنده قرار می گیرد و در زمانی دیگر، کانال در اختیار فرستنده و گیرندۀ دیگری قرار می گیرد. سرعت اختصاص یافتن کانال به فرستنده ها و گیرنده ها، به قدری زیاد است که گیرنده (شنونده) متوجه نمی شود که در زمان هایی، کانال در اختیار خودش و فرستنده نبوده است.
• روش CDMA (Code-Division Multiple Access) یا دسترسی چندگانه با تقسیم کد. در این روش اطلاعات هر فرستنده کد می شود و اطلاعات همۀ فرستنده ها با اشغال محدودۀ فرکانسی به طور همزمان فرستاده می شود.

نسل های شبکه تلفن همراه، نسل اول تلفن همراه یا ۱G

نسل اول شبکه تلفن همراه یا نسل اول تلفن همراه را که آن را با نام ۱G (1st Generation) می شناسیم، آنالوگ بود. شروع به کار راه اندازی شبکه ای به منظور ارتباط موبایل (متحرک)، برای اولین بار در دهه ۱۹۶۰ در کشورهای اسکاندیناوی یعنی سوئد، نروژ و فنلاند و همچنین دانمارک شروع شد که در اواخر این دهه، اولین ارتباط نقطه به نقطه از راه دور به کار گرفته شد.

پس از آن کشورهای اسکاندیناوی، اولین شبکه تلفن متحرک را با نام Nordic Mobile Telephone (یا NMT) راه اندازی کردند. سپس آمریکا نیز این کار را انجام داد. ژاپن هم با بهره گیری از NMT در اسکاندیناوی و آمریکا، سیستم سیار خود را با نام HCMS عرضه و در ادامه سیستم NTT را با قابلیت اتصال به شبکه برقرار کرد.

انواع دیگر از شبکه آنالوگ از جمله AMPS در آمریکا، TACS در انگلستان، Radiocom 2000 در فرانسه و RTMI در ایتالیا ساخته شدند. اینها نسل اول شبکه همراه بودند. ارتباط تلفنی در این نسل می تواند در فرکانس ۱۵۰ مگاهرتز یا بالاتر مدوله شده و به برج های رادیویی فرستاده شود. روش تخصیص فرکانس نسل اول تلفن همراه FDMA بود.

نسل های شبکه تلفن همراه، نسل دوم تلفن همراه یا ۲G

تکامل نسل های شبکه تلفن همراه موجب به وجود آمدن نسل دیجیتال این نوع شبکه شد. این سیستم مزایای بیشتری از جمله سرعت بالاتر انتقال اطلاعات، اطلاعات رمز گذاری شده و افزایش تعداد مشترکان را به همراه داشت. درسال ۱۹۸۵ موسسۀ ETSI (مخفف European Telecommunications Standards Institute) متشکل از هفده کشور اروپایی در صدد طراحی و ابداع یک استاندارد مشترک برای ایجاد شبکه سلولی تاسیس شد. در ابتدا هدف استاندارد سازی تلفن سیار دیجیتال به صورت همگانی بوده است. این استاندارد GSM (Global System for Mobile Communication) نام گرفت.

در سال ۱۹۸۷، سیزده کشور اروپایی یادداشت تفاهمی تحت عنوان MoU (Memorandum of Understanding) امضا کردند، پیرو این تفاهم نامه، تمامی اعضا می بایست که استاندارد GSM را رعایت می کردند.هم چنین در این سال ها، سیستم های موبایل زمینی و ماهواره ای یکپارچه شدند و در نتیجه انواع مختلفی از دسترسی بی سیم به صورت جهانی، شامل سرویس های موجود در شبکه مخابراتی ثابت و سرویس های موبایل، عملی شد. در نسل دوم تلفن همراه، به جای استفاده از روش FDMA از روش های TDMA و CDMA استفاده شد.

در این برهه از زمان، پروتکل ها و موسسات دیگری نیز در رابطه با ارتباطات به وجود آمده که خارج از بحث ما  است. اما در این قسمت چند استاندارد که به عنوان نسل دوم شبکه تلفن همراه ساخته شدند، آورده می شود:

• استاندارد GSM (مبتنی بر TDMA): مورد استفاده در سراسر دنیا؛
•  IS-95 (مبتنی بر CDMA): مورد استفاده در آمریکا و بخش هایی از آسیا؛
• استاندارد PDC یا JDC(مبتنی بر TDMA): مورد استفاده در ژاپن؛
•  iDEN (مبتنی بر TDMA): مورد استفاده در آمریکا و کانادا؛
• استاندارد IS-136یا D-AMPS (مبتنی بر TDMA): مورد استفاده در آمریکا.

نسل های شبکه تلفن همراه، نسل های ۲٫۵G و ۲٫۷۵G تلفن همراه

با ادامه روند پیشرفت در شبکه های سلولی نسل دوم، به منظور برقراری امکان ارسال و دریافت اطلاعات یا داده را روی شبکه تلفن همراه، یک سری ملحقات از جمله GPRS و EDGE بر روی نسل دوم افزوده شد. این دو استاندارد، یک ارزش افزوده بر روی شبکه GSM هستند.  و به منظور استفاده از این استانداردها نیاز به بستر سخت افزاری جدیدی نبوده. و می توان با یک سری بروز رسانی ها، از همان آنتن های GSM استفاده کرد.

در نسل ۲٫۵ که به آن GPRS (General Packet Radio Service) گفته می شود، داده ها به صورت بسته (Packet) فرستاده می شوند. با استفاده از GPRS، قابلیت ارسال پیام تصویری (MMS) و خدمات اینترنت، به شبکه های سلولی اضافه شد. این دو قابلیت باعث به وجود آمدن نسل جدید به نام ۲٫۵G شد. سرعت اولیه در GPRS بسیار پایین بوده است. سرعت آن به مرور زمان افزایش یافته و امروزه سرعت در حالت دانلود به ۱۷۱کیلوبیت برثانیه می رسد.

قبل از ورود به نسل سوم تلفن همراه، فناوری دیگری به نام EDGE (Enhanced Data GSM Evolution) یا EGPRS (Enhanced GPRS) در سال ۲۰۰۳ به وجود آمد که به دلیل نزدیکی به نسل سوم، به صورت غیر رسمی، ۲٫۷۵G نام گذاری شده است. هدف از به وجود آمدن این فناوری، افزایش سرعت بود. یکی از مزیت های EDGE این است که همانند GPRS نیاز به ایستگاه پایه (آنتن مرکزی) جداگانه نداشته و با همان آنتن های شبکه های نسل دوم نیز سازگار  است. این فناوری در گوشی تلفن همراه به اختصاری E نشان داده می شود. در این فناوری می توان به سرعت ۲۳۶٫۸ کیلوبیت برثانیه دست یافت.

نسل های شبکه تلفن همراه، نسل سوم تلفن همراه یا ۳G

با گذر زمان و افزایش سطح انتظارات و نیازهایی همچون ارسال و دریافت فایل های چندرسانه ای حجیم، استفاده از ویدئو کنفرانس، نیاز به دریافت اطلاعات در هنگام حرکت، انجام بازی های آنلاین و بسیاری از موارد دیگر، باعث ساخت نسل سوم تلفن همراه با رویکرد مالتی مدیا شد. در نسل سوم تلفن همراه، فناوری های مختلفی در کشورهای متفاوت به وجود آمد.

استاندارد UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) که در سال ۲۰۰۱ توسط سازمان ۳GPP (3rd Generation Partnership Project) معرفی شد، فراگیرتر از سایر رقبا همچون WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) است. در نسل سوم تلفن همراه، سرعت دریافت تا ۴۲ مگابیت برثانیه قابل دسترسی است. امنیت در این نسل بالاتر رفته و ژاپن اولین کشوری بود که از سال ۲۰۰۱ به صورت گسترده و تجاری از ۳G استفاده کرد. پیشرفت های ۳G نسبت به نسل قبل را می توان به صورت زیر خلاصه گفت:

• اتصال به شبکه اینترنت با سرعت بالا و درحین حرکت؛
• برقراری تماس تصویری؛
• دانلود ویدئو، امکان دریافت کلیپ های تصویری بر روی گوشی تلفن همراه؛
• امکان دریافت تصاویر تلویزیونی بر روی گوشی های تلفن همراه؛
• ارائه انواع محتوای دیجیتال بر بستر شبکه تلفن همراه.

این استاندارد که باتوجه به سرعت بالا نسبت به ۲G، نیاز به تغییر برخی زیرساخت ها در کشور داشت، در ۱۳۸۹ وارد ایران شد.

نسل های شبکه تلفن همراه، نسل ۳٫۵G و ۳٫۷۵G تلفن همراه

با پیشرفت و نزدیک شدن به نسل چهارم، فناوری هایی جدیدی شکل گرفت که تحت عنوان نسل های ۳٫۵G و ۳٫۷۵G نام گذاری شدند. نسل ۳٫۵، فناوری HSPA (High-Speed Downlink Packet Access) است که می تواند حداکثر سرعت ۷٫۲ مگابیت بر ثانیه دست یابد. نسل ۳٫۷۵، فناوری HSPA+ است که می تواند حداکثر سرعت ۸۴ مگابیت بر ثانیه را به ارمغان آورد. هر دوی این فناوری ها توسط ۳GPP ارائه شدند. در گوشی های تلفن همراه این دو فناوری با علامتهای H و H+ نمایش داده می شوند.

نسل های شبکه تلفن همراه، نسل چهارم تلفن همراه یا ۴G

در نسل چهارم تلفن همراه، هدف افزایش ظرفیت، سرعت، کیفیت سرویس و مناطق تحت پوشش و همچنین کاهش هزینه است. یکی از استانداردهای ارائه شده برای ۴G، استاندارد LTE (Long Term Evolution) است که توسط ۳GPP ارائه شده است. از استانداردهای دیگر در این نسل، UBM (Ultra Mobile Broadband) و WIMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) هستند. که برای WIMAX دو نسخه WIMAX1 و WIMAX2 ارائه شده است. این دو استاندارد نسبت به LTE محبوبیت کمتری دارند.

هدف ۴G رسیدن به سرعت ۱۰۰ مگابیت برثانیه در حال حرکت و ۱ گیگابیت برثانیه در حالت سکون است که در مقایسه با نسل قبلی تفاوت چشمگیری محسوب می شود. از دیگر ویژگی های مهم نسل چهارم شبکه تلفن همراه این است که مکالمه صوتی نیز باید همانند داده به صورت بسته ارسال شود که به آن VoIP یا VoLTE (Voice on LTE)گفته می شود.

نسل های شبکه تلفن همراه، نسل ۴٫۵ تلفن همراه

در راه رسیدن از ۴G به ۵G، فناوری هایی جدیدی به وجود آمدند. از جمله LTE-A (LTE Advanced) و MIMO (Multiple Input – Multiple Output) که عملکرد بهتری نسبت به ۴G دارند. همراه اول، اولین اپراتور ارائه دهنده نسل ۴٫۵G تلفن همراه کشور بوده است. دو برتری ۴٫۵G در مقایسه با ۴G عبارتند از :

• میانگین سرعت دانلود در ۵Gدر حدود ۲ تا ۳ برابر بیشتر از ۴Gاست؛
• پشتیبانی از فناوری اینترنت اشیا باند باریک یا NB-IoT (Narrow Band IoT).

نسل های شبکه تلفن همراه، نسل پنجم تلفن همراه یا ۵G

نسل آینده از شبکه های تلفن همراه، نسل پنجم تلفن همراه یا ۵G است که احتمالاً در سال های نزدیک فراگیر خواهد شد. در نسل پنجم تلفن همراه، سرعت انتقال ۲۰ گیگابیت بر ثانیه هدف گذاری شده که افزایش چشمگیری خواهد بود. همچنین علاوه بر افزایش سرعت، فناوری هایی نوین به منظور کاهش مصرف توان در ساعات کم مصرف و همچنین بهبود پشتیبانی از ارتباطات ماشین به ماشین و بدون دخالت انسان (اینترنت اشیا)، با هزینه، مصرف باتری و تأخیر کمتر از نسل چهارم خواهد بود.

جمع بندی

1. نسل های شبکه تلفن همراه مجموعه پیشرفت های سخت افزاری و نرم افزاری هستند که با به وجود آمدن مخابرات موبایل (متحرک) به وجود آمده اند.
2. تنها نسل اول شبکه تلفن همراه آنالوگ بود. نسل های دوم تا پنجم همگی دیجیتال هستند.
3. شروع به کار راه اندازی شبکه ای به منظور ارتباط موبایل، برای اولین بار در دهه ۱۹۶۰ در کشورهای اسکاندیناوی یعنی سوئد، نروژ و فنلاند و همچنین دانمارک شروع شد.
4. درسال ۱۹۸۵ موسسۀ ETSI متشکل از هفده کشور اروپایی در صدد طراحی و ابداع یک استاندارد مشترک برای ایجاد شبکه سلولی تاسیس شد. این استاندارد GSM نام گرفت.
5. نسل های شبکه تلفن همراه شامل نسل دوم تلفن همراه، نسل سوم تلفن همراه و نسل چهارم تلفن همراه، دارای پیشرفت هایی شدند که نام آنها به ترتیب عبارت از ۵G و ۲٫۷۵G و ۳٫۵G و ۳٫۷۵G و ۴٫۵G است.
6. ۳GPP یکهمکاری بین گروه های انجمن استاندارد ارتباطات راه دور (ETSI) بوده است. در ابتدا حوزۀ فعالیت ۳GPPمربوط به نسل سوم تلفن همراه بود اما در ادامه حوزه فعالیت آن گسترش یافته و حتی امروزه در استانداردهای نسل ۵G نیز نقش دارد.
7. از ویژگی های مهم نسل چهارم شبکۀ تلفن همراه این است. که مکالمه صوتی نیز باید همانند داده به صورت بسته ارسال شود که به آن VoIPیا VoLTE (Voice on LTE)گفته می شود.
8. دو برتری ۵G در مقایسه با ۴G عبارتند از : اول: میانگین سرعت دانلود در ۴٫۵Gدر حدود ۲ تا ۳ برابر بیشتر از ۴Gاست. دوم: پشتیبانی از فناوری اینترنت اشیا باند باریک یا NB-IoT (Narrow Band IoT).
9. در نسل پنجم تلفن همراه، سرعت انتقال ۲۰ گیگابیت بر ثانیه هدف گذاری شده که افزایش چشمگیری خواهد بود.