معجزه طراحی سلولی؛ شبکه موبایل چگونه کار می کند؟

تا به حال فکر کرده اید آخرین باری که فاصله تان با تلفن همراه خود برای مثلاً چند روز بیشتر از چند ده متر شده کی بوده است؟ تقریباً می توان گفت اکثریت ما چنین زمانی را به یاد نخواهیم آورد. این در حالی است که زمانی نه چندان دور، چیزی به اسم موبایل و شبکه ی موبایل وجود خارجی نداشت و انسان ها با فاصله گرفتن از خطوط ثابت تلفن تقریباً به هیچ وسیله ی ارتباط راه دور دیگری دسترسی نداشتند.

در دنیای کنونی دیگر تصور ارتباط تلفنی بی سیم به امری عادی بدل شده؛ مسئله ای که همین چند سال پیش یک رؤیای علمی تخیلی بیش نبود. با این حال با وجود این سطح از فراگیری و نفوذ، بسیاری از ما از نحوه ی عملکرد این فناوری آگاهی چندانی نداریم. همین امر باعث می شود کوچک ترین اختلالی در استفاده از شبکه ی موبایل بیش از پیش برایمان آزاردهنده باشد.

در ادامه قصد داریم با زبانی ساده شما را با الفبای فناوری به کار رفته در نحوه ی عملکرد شبکه ی تلفن همراه آشنا کنیم.

موبایل چیست؟

سؤال بالا شاید بی نهایت ساده لوحانه به نظر برسد اما برای ورود به بحث شبکه ی موبایل و ادامه ی آن لازم است برخی مفاهیم ساده مثل خود موبایل را نیز تعریف کنیم. یک دستگاه موبایل یا تلفن همراه همان گونه که از نامش پیداست یک تلفن قابل حمل است که می تواند از طریق یک ارتباط دهنده ی رادیویی، حین حضور و حرکت کاربر در محدوده ی تحت پوشش سرویس دهنده ی تلفن همراه، به برقراری و دریافت تماس های تلفنی بپردازد. به عبارت دیگر تلفن همراه ما از طریق یک ارتباط رادیویی به سیستم های سوئیچینگ اپراتور تلفن همراه متصل می شود که ارتباط ما با شبکه ی تلفن عمومی را برقرار می کنند.

شاید برایتان جالب باشد بدانید اولین تلفن قابل حمل جهان در سال ۱۹۷۳ توسط مارتین کوپر از شرکت موتورولا ساخته شد که در حدود ۲ کیلوگرم وزن داشت. در سال ۱۹۸۳، DynaTAC 8000x اولین تلفن موبایلی بود که به صورت تجاری در دسترس علاقمندان قرار گرفت. تا سال ۲۰۱۴ تعداد مشترکان تلفن همراه از ۷ میلیارد نفر نیز عبور کرد، به گونه ای که امروز حتی ساکنین پایین ترین سطوح هرم اقتصادی دنیا نیز امروز به این وسیله ی حیاتی دسترسی دارند.

شبکه ی سلولی موبایل چیست؟

موبایل های امروزی بر اساس معماری شبکه ی سلولی یا Cellular Network کار می کنند که منشأ عبارت Cellphone (با معنای تحت اللفظی تلفن سلولی یا همان تلفن همراه خودمان) در زبان انگلیسی نیز همینجاست. شبکه ی سلولی یا همان شبکه ی موبایل، به شبکه ای ارتباطی گفته می شود که آخرین لینک ارتباطی آن (یعنی با دستگاه موبایل) بی سیم است. به بیان دیگر در شبکه ی موبایل بر خلاف شبکه ی تلفن ثابت، ارتباط نهایی به جای کابل از طریق امواج رادیویی برقرار می شود.

لازم است در نظر داشته باشید که فضای فرکانسی اختصاص داده شده به ارتباطات تلفن همراه، طیف فرکانسی مشخصی را شامل می شود که اساساً یک منبع محدود به شمار می رود. این محدودیت از لحاظ فرکانس و در نتیجه توان یا برد هر فرکانس نیز با محدودیت هایی همراه است که در حالت عادی استفاده ی اینهمه کاربر از این فضا را غیر ممکن می کند.

از همین رو شبکه ی سراسری موبایل بنا به دلیل بالا و دلایل دیگری که در ادامه توضیح داده می شود، با کمی همپوشانی به محدوده های مشخص جغرافیایی به نام سلول تقسیم می شود که هر یک توسط حداقل یک دستگاه ترانسیور یا همان فرستنده و گیرنده ی ثابت پشتیبانی می شوند. همین ایستگاه ثابت یا BTS است که پوشش لازم برای برقراری ارتباطات صوت، دیتا و غیره را در محدوده ی سلول خود فراهم می کند.

از زمان پیدایش سیستم ارتباطی سلولی تا کنون، در اساس معماری آن تغییر چندانی رخ نداده است. با این تفاسیر به اینجا می رسیم که پوشش سراسری تلفن های همراه در یک محدوده ی وسیع جغرافیایی مثل یک شهر، از کنار هم قرار گرفتن تعداد زیادی سلول (با یک یا چند ایستگاه ثابت در هر یک) شکل می گیرد که هر کدام شعاع مشخصی را تحت پوشش خود قرار می دهند.

ایستگاه ثابت یا BTS چیست؟

ایستگاه فرستنده و گیرنده ی ثابت شبکه ی موبایل (BTS) به تجهیزاتی گفته می شود که در محدوده ی سلول، امکان ارتباط بی سیم بین تجهیزات کاربر (مثل موبایل) و یک شبکه ی ارتباطی را از طریق امواج فراهم می آورد. اگر کمی دقت کنید، تعداد زیادی از آنها را روزانه در نقاط مختلف شهر خواهید دید. از آنجایی که این فناوری در شبکه های مختلفی چون CDMA، GSM، وای فای و وایمکس کاربرد دارد، اصطلاح BTS را می توان برای همه ی این شبکه ها صحیح دانست. اما این روز ها اصطلاح BTS بنا به فراگیری موبایل بیشتر برای فناوری های ارتباطی تلفن همراه مثل GSM و CDMA به کار می رود.

در واقع با این که BTS را عموماً تحت عنوان آنتن می شناسیم، ایستگاه های BTS از بخش های مختلفی تشکیل شده اند که آنتن تنها یکی از اجزای آن است. فرستنده گیرنده، تقویت کننده ی قدرت، ترکیب کننده ی سیگنال، مالتی پلکسر و غیره، دیگر اجزای تشکیل دهنده ی این سیستم به شمار می روند.

تعدد سلول ها به کمیت و کیفیت برقراری ارتباط چه کمکی می کند؟

در گذشته، زمانی که فناوری تلفن های همراه تازه متولد شده بود، در بخش های مشخصی مثل مرکز شهر ها آنتن های بزرگ و مرکزی موبایل قرار داده می شد. به این ترتیب هر خودرویی که به تلفن همراه مجهز شده بود نیازمند آنتنی بود که بتواند توان ارسال و دریافت سیگنال از فاصله ی ۶۰ تا ۸۰ کیلومتری را داشته باشد. خود فناوری ارتباطات رادیویی نیز در آن زمان در دوران طفولیت خود به سر می برد. در نتیجه هر آنتن تنها توانایی سرویس دهی با ۲۵ کانال را داشت و این یعنی تنها ۲۵ نفر می توانستند در آن واحد از تلفن بی سیم موبایل استفاده کنند.

راه حل این مشکل نیز آن بود که هر شهر را به بخش های کوچک تری با آنتن مختص خود تقسیم کنند. در نتیجه سلول های یاد شده در کنار هم می توانستند تا هر میزان گسترش یابند و برای پوشش محدوده ای وسیع تر، به آنتن های قوی تر احتیاجی نبود. این پوشش شبکه ای متشکل از چندین هزار سلول کوچک تر، به نسبت استقرار یک ایستگاه بزرگ سراسری مزایای متعددی دارد از جمله:

• ظرفیت ارتباطی بیشتر در مقایسه با یک فرستنده و گیرنده ی واحد و بزرگ، چرا که تا وقتی ارتباط بین سلول های جداگانه باشد می توان از تعداد محدودی فرکانس در سلول های جداگانه برای ارتباطات متعدد استفاده کرد.
• دستگاه های موبایل به نسبت اتصال به ماهواره یا یک فرستنده و گیرنده ی واحد در دوردست، انرژی کمتری مصرف می کنند چرا که آنتن اتصالشان نزدیک تر خواهد بود.
• پوشش گسترده تر، چون از طریق اضافه کردن سلول های بیشتر تا هر میزان می توان به محدوده ی تحت پوشش شبکه افزود و این موضوع دیگر به باز بودن افق یک آنتن فرستنده و گیرنده محدود نخواهد بود.

با این تفاسیر ظرفیتی که در یک محدوده ی جغرافیایی مثل یک منطقه از شهر در اختیار کاربران تلفن همراه قرار می گیرد، به اندازه ی سلول های آن منطقه نیز بستگی خواهد داشت. ظرفیت هر سلول نیز به واسطه ی پهنای باند در دسترس و تجهیزات عملیاتی آن تعیین می شود. بنابراین اپراتور های تلفن همراه باید اندازه ی سلول های شبکه ی موبایل خود را با در نظر گرفتن تقاضایی که برای ترافیک موبایل در آن محدوده وجود دارد تنظیم کنند. مثلاً در مناطق پر تراکم شهری هرچه تعداد آنتن ها بیشتر و سلول ها متراکم تر باشند، سرویسی که به کاربران موبایل ارائه می شود بهتر خواهد بود. اما در مناطق روستایی معمولاً نیازی به این کار نیست.

هر یک از سلول های مذکور در مناطق شهری بسته به ویژگی های محیط می توانند محدوده ای به طول ۰.۸ کیلومتر را پوشش دهند. این در حالی است که در مناطق روستایی این میزان می تواند تا ۸ کیلومتر نیز افزایش پیدا کند. در مناطق پهناور با افق باز کاربران موبایل حتی ممکن است قادر باشند به آنتنی در فاصله ی ۴۰ کیلومتر آن طرف تر نیز متصل شوند.

شبکه ی سلولی چگونه محدودیت فرکانسی را از میان بر می دارد؟

همان گونه که گفتیم در یک سیستم رادیویی سلولی (مثل شبکه ی موبایل)، مساحت بزرگی مثل یک شهر به سلول هایی با شکل منظم تقسیم می شود. تقسیم بندی این سلول ها می تواند به صورت شش ضلعی، چهارضلعی و یا اشکال دیگر صورت گیرد؛ اما تقسیم بندی شش ضلعی (لانه زنبوری) متداول ترین آنها به شمار می رود. به هر کدام از این سلول ها نیز با تقسیم به جهات مختلف، چند فرکانس اختصاص داده می شود که توسط ایستگاه های ثابت هر یک (BTS) پشتیبانی می شوند.

نکته ی جالب شبکه های سلولی این است که این چند فرکانس را می توان در سلول های دیگر نیز مورد استفاده قرار داد، منوط به اینکه سلول های دارای فرکانس یکسان در مجاورت یکدیگر قرار نداشته باشند؛ در غیر این صورت میان سلول ها تداخل فرکانسی به وجود می آید. به این ترتیب در شبکه ای استاندارد، حداقل یک سلول باید بین سلول های استفاده کننده از فرکانس های مشترک فاصله وجود داشته باشد. به این ترتیب محدودیت ظرفیت شبکه برای استفاده ی کاربران متعدد از یک طیف فرکانسی محدود در مساحتی بزرگ برداشته می شود.

سرنوشت تماس های جاری در حین حرکت چیست؟

با حرکت کاربران موبایل از بخشی به بخش دیگر سلول یا از سلولی به سلول دیگر در حالی که تماس تلفنی همچنان برقرار است، ایستگاه ثابت موبایل به دنبال کانال تازه ای برای اتصال او می گردد تا تماس کاربر قطع نشود. به محض آنکه این کانال تازه یافت شد، شبکه به دستگاه موبایل فرمان می دهد به این کانال جدید متصل شود و تماس خود را از طریق آن پیگیری کند.

البته دستگاه های موبایلی که از استاندارد CDMA پشتیبانی می کنند معمولاً به صورت هم زمان با چند سایت سلولی دیگر (یا بخش های دیگر داخل همان سلول) ارتباط می گیرند. در نتیجه بر خلاف فناوری های قدیمی شبکه های سلولی، دیگر مرز مشخصی برای سوئیچ شدن موبایل بین کانال های مختلف وجود ندارد و هر دستگاه در آن واحد با بیش از یک اتصال در ارتباط است.

تناسب؛ کلید یک ارتباط با کیفیت در شبکه ی سلولی

اگر دقت کرده باشید در حین حرکت در سطح یک منطقه ی جغرافیایی، قدرت سیگنالی که دریافت می کنید تغییر می کند. مثلاً توان سیگنالی که دستگاه موبایل شما از طریق آن با BTS در ارتباط قرار می گیرد ممکن است کم کم تضعیف شود، به یکباره قطع شود، و یا با سیگنال های دیگر تداخل پیدا کند که همین امر باعث افزایش قطعی و کاهش کیفیت ارتباط موبایلی می شود.

در کنار تداخل فرکانسی، مواد به کار رفته در برخی ساختمان ها نیز می تواند موجب تضعیف سریع توان سیگنال شوند. در ساختمان های بزرگ از قبیل انبار ها، بیمارستان ها و کارخانه ها، اغلب به فاصله ی چند متر از دیواره ی خارجی ساختمان آنتن دهی موبایل معمولاً ضعیف می شود.

بهترین راهکار برای دستیابی به کیفیت بالا در ارتباطات همراه یک شبکه ی سلولی، استفاده از توان بهینه ی سیگنال با استفاده از ابزار های کنترل سیگنال ارتباطات است. در صورتی که توان سیگنال تجهیزات ارتباطی اپراتور موبایل بیش از اندازه زیاد باشد (سلول بزگ تر و تعداد BTS کمتر) شبکه ناگزیر به استفاده از امواج پر قدرت تری خواهد بود و در نتیجه تداخل بسیار زیادی در عملکرد سیستم به وجود می آید که ظرفیت و بهره وری کل سامانه و کیفیت ارتباطات کاربران تلفن همراه را در منطقه ی مورد بحث به شدت کاهش می دهد.

در صورتی که توان سیگنال مورد اشاره بیش از اندازه پایین باشد نیز اهداف در نظر گرفته شده برای آن محقق نخواهد شد و شاهد نقاط کور خواهیم بود. بنابراین تنظیم این فواصل و توان امواج مورد استفاده با میزان تقاضایی که در هر منطقه برای ارتباط تلفنی موبایل وجود دارد کلید تضمین ارتباطی بدون تداخل، بدون قطعی و با کیفیت خواهد بود.