النظام الفرعي لشبكة الراديو - UMTS UTRA or UTRAN

مع تقديم (3G UMTS) ظهرت العديد من المصطلحات الجديدة لعناصر الشبكة؛ هما (UTRA وUTRAN)، أي معايير (UTRA) للوصول إلى الراديو (UMTS وUTRAN) ولشبكة الوصول اللاسلكي (UMTS)، كما تغطي عناصر شبكة الوصول اللاسلكي بما في ذلك عناصر محطة الإرسال والاستقبال الأساسية ووحدة التحكم في المحطة الأساسية، كما تمت الإشارة إلى شبكة النفاذ الأرضي (UTRAN وUMTS) باسم النظام الفرعي لشبكة الراديو أو (RNS).

مكونات شبكة الوصول اللاسلكي UMTS وUTRAN:

1. وحدة التحكم في الشبكة الراديوية – RNC:

يتحكم هذا العنصر من النظام الفرعي لشبكة (UTRAN) أو الراديو في العقدة (B) المتصلة به أي الموارد الراديوية في مجالها، حيث تتولى (RNC) إدارة الموارد الراديوية وبعض وظائف إدارة التنقل، وهي أيضاً النقطة التي يتم عندها إجراء تشفير أو فك تشفير البيانات لحماية بيانات المستخدم من التنصت.

2. العقدة B:

العقدة (B): هي المصطلح المستخدم داخل (UMTS) للإشارة إلى جهاز الإرسال والاستقبال للمحطة القاعدة، كما يحتوي هذا الجزء من (UTRAN) على المرسل والمستقبل للتواصل مع تجهيزات المستعمل داخل الخلية، وهي تشارك مع (RNC) في إدارة الموارد، أمّا (Node B) هو المصطلح (3GPP) لمحطة القاعدة، وغالباً ما يتم استخدام المصطلحات بالتبادل.

واجهات UTRAN / RNS:

يتم تنظيم معايير (UMTS) بطريقة لا يتم فيها تحديد الوظيفة الداخلية لعناصر الشبكة المختلفة، وبدلاً من ذلك يتم تعريف الواجهات بين عناصر الشبكة بوظيفة العنصر، وهناك العديد من الواجهات المحددة لعناصر (UTRAN):

• واجهة (Iu): تقوم واجهة (Iu) بتوصيل (UTRAN) بالشبكة الأساسية.

• واجهة (Iub): يربط (Iub) بين (Node B وRNC داخل UTRAN)، وعلى الرغم من أنّه عندما تم إطلاقه، كان توحيد الواجهة بين وحدة التحكم والمحطة الأساسية في (UTRAN) ثورياً، وكان الهدف هو تحفيز المنافسة بين الموردين، ممّا يتيح فرصاً مثل بعض الشركات المصنعة التي قد تركز فقط على المحطات الأساسية بدلاً من وحدة التحكم وغيرها، كيانات الشبكة.

• واجهة (Iur): تسمح واجهة (Iur) بالاتصال بين مختلف (RNCs) داخل (UTRAN)، حيث تتيح واجهة (Iur) المفتوحة إمكانية حدوث إمكانات، مثل التسليم الناعم بالإضافة إلى المساعدة في تحفيز المنافسة بين مصنعي المعدات.

أنواع وصلات UTRA:

عند النظر إلى السطح البيني للهواء الراديوي والخصائص المرتبطة به، فمن الضروري تحديد الاتجاهات التي تحدث فيها عمليات الإرسال، وكونه نظام مزدوج كامل أي الإرسال في وقت واحد في كلا الاتجاهين، فمن الضروري أن تكون قادراً على تحديد الاتجاه الذي يكون.

1. الوصلات الهابطة – Downlink:

الوصلات الهابطة (Downlink): هو الرابط من العقدة (B) أو المحطة الأساسية إلى معدات المستخدم (UE)، قد يُعرف هذا أيضاً أحياناً بالوصلة الأمامية.

2. الوصلات الصاعدة – Uplink:

الوصلات الصاعدة (Uplink): هو الارتباط من معدات المستخدم (UE) إلى العقدة (B) أو المحطة الأساسية، وقد يُعرف هذا أيضاً أحياناً باسم الارتباط العكسي.

تقسيم التردد والازدواج تقسيم الوقت في UTRA:

في ضوء حقيقة أنّ الإرسال يجب أن يتم في كلا الاتجاهين أي في كل من الوصلة الصاعدة والهابطة، فمن الضروري تنظيم طريقة إجراء عمليات النقل هذه، حيث يتم استخدام طريقتين لضمان الإرسال المتزامن أو القريب المتزامن في كلا الاتجاهين: تقسيم التردد المزدوج وتقسيم الوقت.

• UTRA-FDD: تستخدم النسخة المزدوجة لتقسيم التردد من (UTRA) مخططاً يتم بموجبه الإرسالات في الوصلة الصاعدة والوصلة الهابطة على ترددات مختلفة، وعلى الرغم من أنّ هذا يتطلب ضعف عرض النطاق الترددي لاستيعاب عمليتي الإرسال والمرشحات لمنع الإشارة المرسلة من التداخل مع جهاز الاستقبال، وعلى الرغم من وجود تقسيم محدد بين الوصلة الصاعدة والهابطة يلزم وجود عوامل تصفية فعالة.

• UTRA-TDD: يستخدم إصدار تقسيم الوقت من (UTRA) إرسالات الوصلة الصاعدة والهابطة التي تستخدم نفس التردد، ولكن يتم توقيتها لتحدث على فترات مختلفة.

على الرغم من أنّ العديد من جوانب (UMTS UTRAN / RNS) كانت تستند إلى شبكة الوصول اللاسلكي (2G)، كان الهدف هو البناء على وظائفها مع عدم زيادة الاستثمار المطلوب من قبل المشغلين، حيث طُلب من العديد من المشغلين دفع مبالغ ضخمة مقابل الطيف، كما لم يكن المشغلون الآخرون في المرحلة التي أرادوا فيها الاستثمار في إعداد جديد تماماً لشبكة الوصول اللاسلكي.

واجهة الراديو والطبقة المادية UMTS:

تُعد طبقة (UMTS) المادية وواجهة التردد اللاسلكي مختلفتان تماماً عن الواجهة الموجودة في (GSM)، حيث تستخدم (CDMA) كمخطط وصول متعدد وتعديل يعتمد على مفتاح إزاحة الطور (PSK)، ويعني أنّ السطح البيني (RF) والطبقة المادية هي معدات جديدة كانت مطلوبة في كل من النظام الفرعي للشبكة الراديوية والهواتف المحمولة أو (UEs).

تنسيق إشارة الطبقة المادية UMTS:

كانت أهم المكونات الرئيسية للطبقة المادية (UMTS) هو شكل الإشارة الذي تم اعتماده، حيث تستخدم الطبقة المادية (UMTS) تنسيق الطيف المنتشر بالتسلسل المباشر؛ لتمكين نظام وصول متعدد يسمى (CDMA) لاستخدامه، وباستخدام (CDMA) يشترك العديد من المستخدمين في نفس القناة ولكن يتم تخصيص رموز مختلفة لمستخدمين مختلفين، وبهذه الطريقة يكون النظام قادراً على التمييز بين المستخدمين المختلفين.

خصائص إشارة UMTS RF:

تُعد خصائص الإشارة المرسلة أحد العناصر الرئيسية للطبقة المادية (UMTS)، ومن الضروري تحديد النطاق الترددي والشكل الإجمالي للإشارة بحيث يتم تقليل التداخل إلى أدنى حد بالنسبة للقنوات المجاورة والمستخدمين، كما تشكيل النبضة المطبق على الإشارات المرسلة هو ترشيح جذر جيب التمام مع عامل الانقلاب (0.22).

التباعد الاسمي للموجة الحاملة هو (5 ميجا هرتز)، وترددات مركز الموجة الحاملة قابلة للقسمة عادةً على (5 ميجا هيرتز)، ويُشار إلى التردد المركزي لحاملات (UMTS) بدقة (200 كيلو هرتز)، كما يمكن استخدام هذا الضبط لتزويد المشغلين بمزيد من المرونة في استخدام الطيف المتاح لديهم.

إحدى السمات المهمة للإشارة هي الطريقة التي تنتشر بها الإشارة على جانبي المنطقة المركزية، وتؤثر على القنوات الأخرى، ولا يمكن أبدًا الحصول على عزل كامل أو ترشيح غير محدود وبالتالي يتم تحديد الأقنعة الطيفية التي يجب تحقيقها للامتثال بالمعيار.

التزامن في UMTS RF:

يتم توفير مستوى التزامن المطلوب لتشغيل نظام (WCDMA) من قناة التزامن الأولية (P-SCH) وقناة التزامن الثانوية (S-SCH)، كما يتم التعامل مع هذه القنوات بطريقة مختلفة عن القنوات العادية ونتيجةً لذلك لا يتم نشرها باستخدام رموز (OVSFs وPN)، كما يتم نشرهم باستخدام رموز التزامن حيث هناك نوعان يتم استخدامهما؛ هما: الشفرة الأولية ويستخدم في (P-SCH)، ورمز ثانوي ويستخدم في (S-SCH).

الرمز الأساسي للتزامن: هو عبارة عن سلسلة من (256 شريحة) تُرسَل خلال أول (256 شريحة) من كل فتحة زمنية وهو نفسه لجميع الخلايا، وهذا يسمح لتجهيزات المستعمل بالمزامنة مع المحطة الأساسية للفاصل الزمني، وبمجرد حصول تجهيزات المستعمل على مزامنة الفترات الزمنية فإنّها تعرف فقط بداية وتوقف الفاصل الزمني، لكنّها لا تعرف معلومات عن الفاصل الزمني المحدد ويتم الحصول على هذا باستخدام رموز المزامنة الثانوية.

التحكم في طاقة UMTS:

من الضروري أن تستقبل المحطة القاعدة جميع تجهيزات المستعمل عند نفس مستوى القدرة، وإذا لم يكن الأمر كذلك، فستكون تجهيزات المستعمل البعيدة أقل قوة من تلك الأقرب إلى العقدة (B) ولن يتم سماعها، ويشار إلى هذا التأثير باسم التأثير القريب البعيد، كما توجه العقدة (B) تلك المحطات الأقرب لتقليل قدرتها المرسلة وتلك البعيدة لزيادة قوتها، كما يتم استقبال جميع المحطات بنفس القوة.

من المهم أن تتحكم العقدة (B) في مستويات طاقتها بشكل فعال، ولأن الإشارات المرسلة من خلال العقدة المختلفة (B) ليست متعامدة مع بعضها البعض، فمن الممكن أن تتداخل الإشارات مع إشارات مختلفة، كما يتم الحفاظ على قوتها عند الحد الأدنى الذي تتطلبه وحدات الطاقة المستخدمة، ولتحقيق التحكم في الطاقة يتم استخدام تقنيتين: الحلقة المفتوحة وحلقة مغلقة.

تُستعمل تقنيات الحلقة المفتوحة أثناء النفاذ الأولي قبل أن يكتمل الاتصال بين تجهيزات المستعمل والعقدة (B)، كما إنّه يعمل ببساطة عن طريق إجراء قياس لقوة الإشارة المستقبلة وبالتالي تقدير قدرة المرسل المطلوبة، ولاختلاف ترددات الإرسال والاستقبال فإنّ خسائر المسير في أي من الاتجاهين ستكون مختلفة، وبالتالي لا يمكن أن تكون هذه الطريقة أكثر من تقدير جيد.

وبمجرد وصول تجهيزات المستعمل إلى النظام وهي على اتصال بالعقدة (B)، تُستخدم تقنيات الحلقة المغلقة ويتم قياس قوة الإشارة في كل فترة زمنية، كما يتم إرسال بت تحكم في الطاقة يطلب فيها زيادة الطاقة لأعلى أو لأسفل، ويتم تنفيذ هذه العملية على الوصلات الصاعدة والهابطة، كما تم تخصيص بت واحد فقط للتحكم في الطاقة يعني أنّ القوة ستتغير باستمرار.

عند الوصول إلى المستوى الصحيح، ستصعد ثم تنخفض بمستوى واحد، وسيتغير موضع الهاتف المحمول أو سيتغير المسار نتيجةً لحركات أخرى وهذا من شأنه أن يتسبب في تحرك مستوى الإشارة، وبالتالي فإنّ التغيير المستمر لا يمثل مشكلة.

إشارة وواجهة (UMTS RF) مختلفة عن تلك الموجودة في نظام (GSM 2G)، وقدمت واجهة (RF) الجديدة مستوى محسناً من الأداء من حيث قدرة البيانات وعدد المستخدمين الذين يمكن دعمهم، وقدم (3G UMTS) مستوى أفضل بكثير من أداء الترددات اللاسلكية وكان أكثر قدرة على تلبية احتياجات الأعداد المتزايدة من مستخدمي الاتصالات المتنقلة.