البنية التحتية للنظام الخلوي في الاتصالات

كان للأنظمة اللاسلكية المبكرة جهاز إرسال عالي القدرة يُغطي منطقة الخدمة بأكملها، كما تطلب هذا قدراً هائلاً من الطاقة ولم يكن مناسباً للعديد من الأسباب العملية، وتم استبدل النظام الخلوي منطقة كبيرة بعدد من الخلايا السداسية الأصغر بمحطة قاعدية واحدة “BS” تُغطي جزءاً صغيراً من المنطقة، كما يظهر تطور مثل هذا النظام الخلوي في الأشكال المعطاة، مع وجود جميع أجهزة الاستقبال اللاسلكية الموجودة في خلية تخدمها محطة قاعدية.

ما هي الشبكة الخلوية؟

الشبكة الخلوية: هي تقنية أساسية للهواتف المحمولة وأنظمة الاتصالات الشخصية والشبكات اللاسلكية وما إلى ذلك، كما تم تطوير التكنولوجيا للهاتف اللاسلكي المحمول لتحل محل أنظمة الإرسال أو الاستقبال عالية الطاقة، حيث تُستخدم الشبكات الخلوية طاقة أقل ونطاقاً أقصر والمزيد من أجهزة الإرسال لنقل البيانات.

• “BS” هي اختصار لـ “Base Station”.

أساسيات النظام الخلوي في الاتصالات:

غيرت بداية عصر المعلومات الطريقة التي يعمل بها العالم، وسمح التقدم في التكنولوجيا بالوصول إلى المعلومات بسهولة، ومع التكنولوجيا والأنظمة الجديدة الرائدة التي يتم تقديمها على ما يبدو كل يوم تكون البنية التحتية اللاسلكية الأساسية تمتلك أهمية كبيرة، حيث أنّ الحياة محاطة بالتكنولوجيا ولا يمكن مغادرة المنازل بدون الهواتف الذكية.

البنية التحتية اللاسلكية هي تكامل التكنولوجيا والبرمجيات والدعم والتدابير الأمنية والأجهزة لإدارة وتسليم الاتصالات اللاسلكية، كما تعتمد البنية التحتية اللاسلكية على الصعيد الوطني لإبقاء المستخدم على اتصال، ومن خلال العقد وأنظمة “DAS” وتقنية الخلايا الصغيرة وشبكة “LAN”و”WAN” وتنتج البنية التحتية اللاسلكية شبكة لاسلكية متماسكة وواسعة النطاق تربط الأشخاص في جميع أنحاء العالم وداخل الشركات وفيما بينها.

• “LAN” هي اختصار لـ “Local Area Network”.

• “WAN” هي اختصار لـ “wide area network”.

• “DAS” هي اختصار لـ “Distributed Antenna System”.

ميزات الأنظمة الخلوية:

تعمل الأنظمة الخلوية اللاسلكية على حل مشكلة الازدحام الطيفي وزيادة قدرة المستخدم، وميزات الأنظمة الخلوية كالتالي:

• تقدم سعة عالية جداً في نطاق محدود.

• إعادة استخدام قناة الراديو في الخلايا المختلفة.

• تعمل على تمكين عدد ثابت من القنوات لخدمة عدد كبير بشكل تعسفي من المستخدمين عن طريق إعادة استخدام القناة عبر منطقة التغطية.

• يكون الاتصال دائماً بين المحمول والمحطة الأساسية وليس مباشرةً بين الهواتف المحمولة.

• يتم تخصيص مجموعة من قنوات الراديو لكل محطة قاعدة خلوية داخل منطقة جغرافية صغيرة تسمى خلية.

• يتم تعيين مجموعات قنوات مختلفة للخلايا المجاورة.

• من خلال قصر منطقة التغطية داخل حدود الخلية، يمكن إعادة استخدام مجموعات القنوات لتغطية خلايا مختلفة.

• حافظ على مستويات التداخل ضمن الحدود المقبولة.

• إعادة استخدام التردد أو تخطيط التردد.

• تنظيم الشبكة الخلوية اللاسلكية.

شكل الخلايا في النظام الخلوي:

تنقسم منطقة تغطية الشبكات الخلوية إلى خلايا، ولكل خلية هوائي خاص بها لإرسال الإشارات، وكل خلية لها تردداتها الخاصة، كما يتم تقديم اتصالات البيانات في الشبكات الخلوية من خلال جهاز إرسال واستقبال المحطة الأساسية ووحدة التحكم الخاصة به، ويمكن أن يكون شكل الخلايا مربعاً أو سداسياً.

• الخلية المربعة: هي خلية لها أربعة جيران على مسافة “d” وأربعة على مسافة جذر “2 d”، من الأفضل أن تكون جميع الهوائيات المجاورة على مسافة متساوية، ويبسط اختيار الهوائي الجديد والتحول إليه.

• الخلية السداسية: هي خلية لها ستة زوايا، ويوصى بشدة باستخدام شكل خلية سداسية لسهولة تغطيتها وحساباتها، وتتضمن المزايا كتوفر هوائيات متساوية البعد والمسافة من المركز إلى الرأس تساوي طول الضلع.

إعادة استخدام التردد في النظام الخلوي:

إعادة استخدام التردد: هو مفهوم استخدام نفس الترددات الراديوية داخل منطقة معينة مفصولة بمسافة كبيرة، مع الحد الأدنى من التداخل لإنشاء الاتصال.

مزايا إعادة استخدام التردد:

• يسمح بالاتصالات داخل الخلية على تردد معين.

• يحد من هروب الطاقة إلى الخلايا المجاورة.

• يسمح بإعادة استخدام الترددات في الخلايا المجاورة.

• يستخدم نفس التردد لمحادثات متعددة من 10 إلى 50 تردداً لكل خلية.

عناصر النظام الخلوي:

1- معدات الهاتف المحمول “ME”:

يُشير هذا إلى الهاتف الفعلي نفسه، ويجب أن يكون الهاتف قادراً على العمل على شبكة خلوية، كما أنّ الهواتف القديمة تعمل على نطاق واحد فقط، والهواتف الأحدث ذات نطاق مزدوج وثلاثي النطاق وحتى رباعي الموجات، كما يمتلك الهاتف رباعي الموجات القدرة التقنية على العمل على أي شبكة في جميع أنحاء العالم.

يتم تحديد كل هاتف بشكل فريد من خلال رقم التعريف الدولي لجهاز الهاتف المحمول “IMEI”، وتم إلغاء هذا الرقم في الهاتف من قبل الشركة المصنعة، ويمكن العثور على “IMEI” عادةً عن طريق إزالة بطارية الهاتف وقراءة اللوحة الموجودة في البطارية جيداً.

• “IMEI” هي اختصار لـ “International Mobile Equipment Identity”.

2- محطة الإرسال والاستقبال الأساسية “BTS”:

محطة “BTS”: هي الهوائي الذي يكون مثبتاً أعلى البرج، وهي نقطة وصول الهاتف المحمول إلى الشبكة، وهي مسؤولة عن إجراء الاتصالات اللاسلكية بين الشبكة والهاتف المحمول، حيث يتعامل مع تشفير الكلام والتشفير وتعدد الإرسال “TDMA” وتشكيل أو إزالة تشكيل الإشارات الراديوية.

عادةً ما يغطي “BTS” واحد قطاعاً واحداً يبلغ “120 درجة” من المنطقة، وعادةً ما يستوعب البرج الذي يحتوي على “3 BTSs” على “360 درجة” حول البرج، ومع ذلك اعتماداً على الجغرافيا وطلب المستخدم لمنطقة ما يمكن تقسيم الخلية إلى قطاع واحد أو قطاعين، أو يمكن خدمة الخلية بواسطة عدة محطات “BTS” ذات تغطية قطاعية زائدة عن الحاجة، ويتم تعيين هوية خلية “BTS”، وتُشير هوية الخلية إلى منطقة موقع معينة والتي توفر تفاصيل الخلية التي يغطيها “BTS”.

• “BTS” هي اختصار لـ “Base Transceiver Station”.

• “TDMA” هي اختصار لـ “Time-division multiple access”.

3- الخلية في النظام الخلوي:

الخلية: هي المحطة الأساسية أي المرسل التي تحتوي على عدد من قنوات التردد اللاسلكي بالخلية وتغطي كل خلية عدداً محدوداً من مشتركي الهاتف المحمول داخل حدود الخلية أي منطقة التغطية، كما يبلغ نصف قطر الخلية تقريباً “30 كم” أو “1 كم”.

يحدد حجم الخلية عدد الخلايا المتاحة لتغطية المنطقة الجغرافية ومع إعادة استخدام التردد يكون إجمالي السعة المتاحة لجميع المستخدمين، والسعة داخل الخلية محدودة بعرض النطاق الترددي والمتطلبات التشغيلية، كما يتعين على كل مشغل شبكة تغيير حجم الخلايا للتعامل مع الطلب المتوقع على حركة المرور.

4- وحدة التحكم في المحطة الأساسية “BSC”:

يتحكم “BSC” في عدة محطات “BTS”، وهو يتعامل مع تخصيص القنوات الراديوية وإدارة التردد وقياسات القدرة والإشارة من “MS”، وعمليات التسليم من محطة “BTS “إلى أخرى إذا كان يتم التحكم في كلا المحطتين “BTS” بواسطة نفس “BSC”، كما يعمل “BSC” أيضاً كـ “قمع”.

كما إنّه يقلل من عدد الاتصالات بمركز تحويل الهاتف المحمول “MSC” ويسمح باتصالات ذات سعة أعلى بـ “MSC”، وقد يتم تجميع “BSC” مع “BTS” أو قد تكون منفصلة جغرافياً، كما يمكن حتى أن يكون متزامناً مع مركز تحويل الهاتف المحمول “MSC”.

• “BSC” هي اختصار لـ “Base Station controller”.

• “MSC” هي اختصار لـ “Mobile Switching Center”.

5- مركز تحويل المحمول “MSC”:

مركز “MSC”: هو قلب شبكة “GSM”، كما إنّه يتعامل مع توجيه المكالمات وإعداد المكالمات ووظائف التحويل الأساسية، ويعالج العديد من “BSCs” وكذلك واجهات مع “MSC” وسجلات أخرى، كما أنّه يتعامل مع عمليات النقل بين “BSC” بالإضافة إلى التنسيق مع “MSC’s” الأخرى لعمليات النقل بين “MSC”.

• “GSM” هي اختصار لـ “Global System for Mobile”.