دانلود مقاله بررسی انواع تداخل و راهکارهای مقابله با آن در نسلهای مختلف شبکههای مخابرات سیار

چکیده

با توجه به حجم و پراکندگی مطالب در خصوص پدیده تداخل در شبکههای مختلف مخابرات سیار، در این مقاله سعی داریم تا حد امکان به بررسی تداخل و راهکارهای مقابله با آن در نسلهای مختلف شبکههای مخابرات سیار به صورت هرچه منسجمتر بپردازیم. لذا در این راستا پس از مروری بر هر یک از نسلهای مرسوم مخابرات سیار اعم از نسل ۲، ۲٫۵ و ۳ و معرفی مهمترین استاندارد هر نسل از باب عمومیت بیشتر و بیان ویژگیهای بارز تکنولوژی مورد نظر، به بررسی تداخل و راهکارهای مهم مقابله با آن در شبکه مورد نظر خواهیم پرداخت.

واژههای کلیدی مخابرات سیار، انواع تداخل ، GSM، GPRS، WCDMA، CCI، .ACI

-۱ مقدمه

از دیرباز تاکنون به مـوازات پیشـرفت تکنولـوژی و روی کـار آمـدن نسلهای جدید شبکههای مخابرات سیار و با توجه به لزوم بـه اشـتراک گذاشتن طیف فرکانسی موجود در شبکههـای مـذکور، همـواره مسـئله تداخل در شبکههای تلفن همراه به عنوان عـاملی اجتنـابناپـذیر حـائز اهمیت بوده و هست. به همین منظور تلاشهـای بسـیاری در خصـوص ارائه راهکارهایی مناسب برای مقابله با این عامل ناخواسـته و در جهـت بهینهسازی هرچه بهتر شبکههای مخابرات سیار مد نظر بوده است.
در این مقاله سعی داریـم بـا توجـه بـه حجـم و پراکنـدگی مطالـب در خصوص مسئله تداخل در شبکههای مختلـف مخـابرات سـیار، تـا حـد امکان به بررسی تداخل و راهکارهای مقابله با آن در نسلهـای مختلـف شبکههای مخابرات سیار به صورت هرچه منسجمتر بپردازیم. لذا در این راستا پس از مروری بر هر یک از نسلهای مرسوم مخابرات سیار اعم از نسل ۲، ۲٫۵ و ۳ و معرفی مهمترین استاندارد هر نسل از باب عمومیـت بیشتر و بیان ویژگیهای بارز تکنولوژی مورد نظر، به بررسـی تـداخل و راهکارهای مهم مقابله با آن در شبکه مورد نظر خواهیم پرداخت.

سیار نسل (۱۲G) 2 برای نخستین بار به صورت دیجیتال مطرح گردیدند. از جمله سیستمهای مخابرات سیار نسل ۲ میتوان به
۲GSM، ۳D-AMPS، ۴PCS، ۵PDS، ۶ADC و ۷PDC اشاره نمود
[۱] که در بین آنها، GSM به دلیل برخورداری از مقبولیت بیشتر، مهمترین استاندارد شبکههای مخابرات سیار نسل ۲ محسوب گردید. در ادامه پس از آشنایی با شبکه GSM، به بررسی تداخل و راهکارهای مقابله با آن در شبکه مذکور خواهیم پرداخت.

-۳ آشنایی با شبکه GSM

شبکه GSM از تکنیک دسترسی چندگانه تقسیم زمانی (۸TDMA) و از مدولاسیون ۹GMSK استفاده مینماید. این شبکه در باندهای فرکانسی ۹۰۰، ۱۸۰۰ و ۱۹۰۰ مگا هرتز عمل مینماید که در بین باندهای مذکور، باند ۹۰۰ مگا هرتز از عمومیت بیشتری برخوردار گردیده است. محدوده فرکانسی باند مذکور، در مسیرهای بالارونده۱۰ و پایینرونده۱۱ به ترتیب به شرح ذیل میباشد .[۱]

● محدوده ۸۹۰ MHz الی ۹۱۵ MHz

-۲ مروری بر شبکههای مخابرات سیار نسل ۲ ۱ Second Generation
پیرو کاستیها و محدودیتهای شبکههای مخابرات سیار نسل اول ۲ Global System for Mobile Communications
3 Digital AMPS
که در آنها از تکنیک انتقالآنالوگ برای حمل ترافیک که غالباً به ۴ Personal Communication Services
5 Personal Digital Cellular
صورت صوت بود استفاده میشد، در سال ۱۹۹۰ شبکههای مخابرات ۶ American Digital Cellular
7 Personal Digital Communication
8 Time Division Multiple Access
9 Gaussian Minimum Shift Keying
10 Uplink
11 Downlink

۱۶۲۹

● محدوده ۹۳۵ MHz الی ۹۶۰ MHz
از مزایای مهم شبکه GSM نسبت به شبکههای نسلهای قبل، میتوان به موارد زیر اشاره نمود.

● استفاده مؤثرتر از طیف فرکانسی
● قابلیت انتقال دیتا همچون SMS و Fax از بستر شبکه GSM
● احراز هویت مشترکین و تضمین امنیت اطلاعات

● کیفیت بالاتر مکالمات
● ارائه سرویسهای جدیدتر همچون سرویس رومینگ بینالملل برای استفاده از شبکه GSM در سایر کشورها

شبکه GSM از نظر ساختاری به چهار زیرسیستم واحد سـیار (۱MS)، زیرسیســتم ســوئیچینگ شــبکه (۲NSS)، زیــرسیســتم ایســتگاه پایــه (۳BSS) و زیرسیستم نگهداری و پشتیبانی ( ۴OSS) تقسیم مـیگـردد که هر زیرسیستم، خود متشکل از بخشهای متفاوتی است که از طریق اینترفیسهای استاندارد با یکدیگر در ارتباط میباشند. سـاختار شـبکه GSM به همراه کلیه زیرسیستمها و واحـدهای تشـکیلدهنـده آن، در شکل زیر نشان داده شده است.

شکل -۱ ساختار شبکه GSM

واحد سیار مشتمل بر دو بخش ترمینال موبایل (۵ME) یا همان گوشی گوشی تلفن همـراه بـیسـیم و سـیمکـارت (۶SIM Card) مـی باشـد. زیرسیستم سوئیچینگ شبکه، مدیریت برقراری ارتباط مشترکین سـیار شبکه تلفن همراه با یکدیگر و با دیگر مشترکین سـایر شـبکههـا را بـر عهده دارد. این زیرسیستم، خود مشـتمل بـر واحـدهای ۷MSC/VLR،

۸HLR، ۹AuC، ۱۰EIR و ۱۱GMSC میباشد. زیرسیستم ایستگاه پایه، پایه، مربوط به سیستم رادیویی شبکه بـوده و بـا دربرداشـتن دو بخـش ۱۲BSC به عنوان واحد کنترلکننده و مجموعـه ۱۳BTSهـا بـه عنـوان ایستگاههای پایه فرستنده گیرنده رادیویی، ارتباطات رادیویی MSهـا را کنترل مینماید. زیرسیستم نگهداری و پشـتیبانی نیـز بـه عنـوان یـک سیستم مدیریت مرکزی از طریق ارتبـاط بـا تمـامی واحـدهای شـبکه GSM، به مدیریت کل شبکه میپردازد.

-۴ انواع تداخل و راهکارهای مقابله با آن در شبکهGSM

زمانیکه یک مشترک سیار در شبکههای تلفن همراه از جمله GSM برای دریافت سیگنالی قوی به اندازه کافی به یک BTS نزدیک گردد درحالیکه همچنان از کیفیت ضعیف سیگنال برخوردار باشد، احتمال زیادی در رخ دادن تداخل برای وی وجود خواهد داشت. تداخل در شبکههای مخابرات سیار عاملی است ناخواسته و اجتنابناپذیر که بر روی عملکرد و کارایی شبکه تأثیرگذار میباشد به نحویکه کیفیت سیگنال را کاهش داده و بر روی توان سیگنال در مسیرهای بالارونده و پایینرونده تأثیر خواهد گذاشت. این عامل در سیگنال دریافتی نیز منجر به پیدایش نرخ خطای بیت۱۴ خواهد شد. از عوامل عمده بروز پدیده تداخل در شبکه GSM، میتوان به وجود موارد زیر اشاره نمود.

● کاربر سیار دیگر بر روی همان فرکانس و نزدیک سایت سرویسدهنده
● BTS دیگری با همان فرکانس و نزدیک به BTS سرویسدهنده
● شرایط محیطی
در شبکه GSM دو نوع تداخل مهم به شرح ذیل وجود دارد.
-۱-۴ تداخل همکانال (۱۵CCI)

به دنبال بهکارگیری ایده استفاده مجدد از فرکانس۱۶ در شبکه GSM، نوعی تداخل تحت عنوان تداخل همکانال مطرح میگردد. در ایده مذکور پیرو الگوی مشخصشدهای به BTSهای مختلف، مجموعه فرکانسهای یکسانی تخصیص مییابد. حال اگر فاصله بین یک BTS تا دیگر BTSهایی که از همان فرکانس استفاده مینمایند به اندازه کافی بزرگ نباشد، تداخل همکانال رخ خواهد داد. این تداخل، مربوط به سلولهای همکانال۱۷ یا سلولهای همفرکانسی است که از فرکانسهای مشابه استفاده مینمایند.

۸ Home Location Area
9 Authentication Center
10 Equipment Identity Register

۱ Mobile Station 11 Gateway MSC
2 Network Switching Subsystem 12 Base Station Controller
3 Base Station Subsystem 13 Base Transceiver System
4 Operation Support Subsystem 14 Bit Error Rate
5 Mobile Equipment 15 Co Channel Interference
6 Subscriber Identity Module Card 16 Frequency Reuse
7 Mobile Switching Network / Visitor Location Area 17 Co Channel Cells

۱۶۳۰

از جمله راهکارهای مقابله با تداخل همکانال و به حداقل رساندن آن در شبکه GSM میتوان به موارد زیر اشاره نمود.

● رعایت حداقل فاصله بین سلولهای همفرکانس
● تخصیص فرکانسهای غیرمشابه به سلولهای همکانال تا حد امکان
● کنترل و بهینهسازی توزیع توان ارسالی BTSها [۲]
● کاستن ارتفاع آنتنها [۲]

● استفاده از آنتنهای BTS شیب دار [۲]

جهت ارزیابی تداخل همکانال در شبکه GSM، از پارامتر ۱C/I استفاده میگردد که نسبت توان سیگنال حامل ۲ به توان سیگنال تداخل است. با توجه به ماهیت تداخل همکانال، هر دو سیگنال از فرکانس یکسانی استفاده مینمایند. برای بررسی تداخل همکانال در شبکه GSM، اگر مقدار پارامتر C/I حداقل ۹ دسیبل باشد میتوان عدم وجود تداخل همکانال در شبکه را تأیید نمود.
C/I ≥ ۹ dB (1)
-2-4 تداخل کانال مجاور (۳ACI)

در شبکه GSM، مجاورت سلولهای مجاور با سلول اصلی باعث بروز تداخل دیگری تحت عنوان تداخل کانال مجاور میگردد. بر خلاف تداخل همکانال که مربوط به سلولهای همفرکانسی است که از فرکانسهای مشابه استفاده مینمایند در این تداخل، کانالهای فرکانسی مورد نظر دارای فرکانسهای غیرمشابه میباشند. با توجه به اینکه تداخل کانال مجاور در خصوص سلولهای مجاور است، این نوع تداخل تحت عنوان تداخل بین سلولی۴ نیز معرفی میگردد. از دیگر عواملی که منجر به بروز تداخل کانال مجاور میگردد، میتوان به عدم بهینگی فیلترهای گیرنده در گوشی تلفن همراه اشاره نمود.

از راهکارهای مهم مقابله با تداخل کانال مجاور و به حداقل رساندن آن در شبکه GSM میتوان به موارد زیر اشاره نمود.
● فیلترینگ مناسب گیرندهها در گوشیهای تلفن همراه
● کنترل توان۵

● دقت در تخصیص کانالها جهت جلوگیری از تخصیص فرکانسهای
نزدیک به کانالهای مجاور و تلاش در جهت تخصیص فرکانسهای کاملاً غیرمشابه یا دور از هم به سلولهای مجاور

جهت ارزیابی تداخل کانال مجاور، از پارامتر ۶C/A استفاده میگردد که که نسبت توان سیگنال حامل اصلی به توان سیگنال حامل مجاور به عنوان سیگنال نامطلوب میباشد. رابطه بین فرکانسهای مربوط به

سیگنال حامل اصلی و سیگنال تداخل در شبکه GSM، مطابق رابطه ذیل است.
f2 = f1 ± ۲۰۰ KHz (2)

برای بررسی تداخل کانال مجاور در شبکه GSM، اگر پارامتر C/A حداقل -۹ دسیبل باشد میتوان عدم وجود تداخل کانال مجاور در شبکه را تأیید نمود.

C/A ≥ -۹ dB (3)

در پایان از دیگر انواع تداخل در شبکه GSM، میتوان به تداخل درون سلولی۷ اشاره نمود که در شبکه GSM اجتنابناپذیر بوده و بین مشترکین درون یک سلول رخ میدهد .[۳]

-۵ مروری بر شبکههای مخابرات سیار نسل ۲٫۵

مشکلات موجود در شبکههای مخابرات سیار نسل دوم از جمله سرعت پایین انتقال، عدم دسترسی آسان به سرویسهای داده۸، نیاز به ارسال دادهها به صورت چندرسانهای۹ و افزایش تقاضای مشترکین در خصوص برخورداری از سرویسهای برتر و متنوعتر، منجر به پیدایش شبکههای مخابرات سیار نسل ۲٫۵ گردید. این نسل در واقع یک مرحله بین فناوریهای مخابرات سیار سلولی نسل ۲ و ۳ میباشد. به عبارت دیگر نسل ۲٫۵، گویای شبکههای مخابرات سیار نسل دومی است که علاوه بر بستر سوئیچ مداری۱۰، در بستر سوئیچ بستهای ۱۱ نیز قابل اجراء و پیادهسازی میباشند. از جمله استانداردهای مهم این نسل میتوان به ۱۲GPRS و ۱۳EDGE اشاره نمود که در این بین، استاندارد GPRS از عمومیت بیشتری برخوردار گردیده است .[۴] لازم به ذکر است استاندارد EDGE از نرخ ارسال داده۱۴ بالاتری نسبت به GPRS برخوردار بوده و لذا عنوان نسل ۲٫۷۵ را از آن خود نموده است.

-۶ آشنایی با شبکه GPRS
شبکه GPRS، مدل توسعهیافته شبکههای نسل دومی است که از فناوری سوئیچ مداری برای انتقال صوت و از فناوری سوئیچ بستهای برای تبادل اطلاعات دیتا با نرخ بیت بالا توسط مشترکین سیار خود استفاده مینمایند. این شبکه به عنوان نسل واسط بین نسلهای ۲ و ۳، به صورت یک سرویس یا ویژگی در شبکه GSM محسوب گردیده و بر روی ساختار شبکه GSM به عنوان یک زیرساخت و بدون تداخل با سرویسهای آن قابل اجراء و پیادهسازی است. لذا هر دو شبکه از نظر

۱ Carrier to Interference Ratio 2 Carrier Signal 3 Adjacent Channel Interference 4 Inter Cell Interference 5 Power Control 6 Carrier to Adjacent Ratio

۱۶۳۱

۷ Intra Cell Interference 8 Data Services 9 Multimedia 10 Circuit Switched 11 Packet Switched

۱۲ General Packet Radio Service 13 Enhancer Data rate for GSM Evolution 14 Data Rate

تخصیص منابع از منابع یکسانی استفاده نموده و از نظر باند فرکانسی، تکنیک دسترسی چندگانه و نوع مدولاسیون مشابه میباشند [۴] ولیکن از نظر نرخ ارسال داده متفاوت هستند به نحویکه نرخ ارسال داده در تکنولوژی GPRS حدود ۳۰ Kbps الی ۴۰ Kbps بوده و قادر است این نرخ را تا ۱۱۵ Kbps افزایش دهد درحالیکه نرخ مذکور در تکنولوژی GSM، حداکثر ۹٫۶ Kbps میباشد .[۳]
با توجه به اینکه شبکه GPRS مدل تکاملیافته شبکه GSM است، برای پیادهسازی و راهاندازی آن بر روی شبکه GSM به عنوان زیرساخت لازم است علاوه بر تجهیزات موجود در شبکه GSM، تجهیزاتی مبتنی بر سوئیچ بستهای در زیرسیستمهای تشکیلدهنده شبکه GSM نصب گردند که در ادامه بیان میگردند .[۴]

● واحد ۱PCU به عنوان یک واحد کنترلی به BSS شبکه GSM، افزوده شده و به کنترل بستههای داده۲ میپردازد.

● تجهیزات ۳GSN مشتمل بر ۴SGSN و ۵GGSN که برای ارائه و پشتیبانی سرویسهای دیتا تعبیه گردیدهاند، به همراه تجهیزات Border Gateway، Charging Gateway، ۶DNS و Firewall

در هسته شبکهGPRS 7 استقرار مییابند.

-۷ تداخل و راهکارهای مقابله با آن در شبکه GPRS
در ادامه به بررسی دو نوع عمده تداخل در شبکه GPRS و بیان راهکارهای مقابله با آنها میپردازیم.
-۱-۷ تداخل همکانال (CCI)

تداخل همکانال به دنبال ایده استفاده مجدد از فرکانس به وجود میآید و در خصوص سلولهایی است که از فرکانسهای یکسان استفاده مینمایند. پیرو ایده مذکور اگر فاصله بین سلولهای همفرکانس به اندازه کافی بزرگ باشد، تأثیر سلولهای همفرکانس بر یکدیگر به مراتب تقلیل یافته و تداخل همکانال به حداقل مقدار ممکن خواهد رسید. لذا اگر فرکانس خاصی در سلولی با شعاع r استفاده گردد، طراح شبکه مجاز نخواهد بود همان فرکانس را در فاصله کمتر از ۴ برابر شعاع مورد نظر استفاده نماید. از راهکارهای مهم مقابله با تداخل همکانال در شبکههای GPRS میتوان به موارد زیر اشاره نمود .[۵]

● رعایت حداقل فاصله استفاده مجدد از فرکانس بین سلولهای هم فرکانس
● تخصیص فرکانسهای غیرمشابه به سلولهای همکانال تا حد امکان

● جایگزین نمودن سلولهای کوچکتر به جای سلولهای بزرگتر با توجه به محدودیت تعداد فرکانسهای مورد نیاز و نیاز به استفاده مجدد از فرکانس

● استفاده از پرش فرکانسی جهت افزایش توان عملیاتی۸ و افزایش C/I

● کنترل توان ارسالی و جلوگیری از افزایش آن
در خصوص بررسی تداخل همکانال در شبکه GPRS اشاره به این نکته حائز اهمیت است که اگر در طراحی سلولی، پرش فرکانسی مد نظر قرار گیرد آستانه C/I برای بررسی تداخل همکانال ۹ دسیبل میباشد ولی در صورت در نظر نگرفتن پرش فرکانسی، آستانه مورد نظر ۱۲ دسیبل منظور خواهد شد .[۵]