بنية شبكة 3G UMTS

مع التغيير من (2G إلى 3G)، تغير التركيز على الأنظمة من التركيز على الاتصالات الصوتية المتنقلة إلى البيانات المتنقلة والاتصال العام، كما تم وضع أسس شبكة (UMTS) في مكانها عندما تم إطلاق (GSM)، وقدم هذا عناصر الوصول الأساسية بالإضافة إلى صوت تبديل الدائرة، حيث تتطلب إضافة حزم البيانات مع (GPRS) إضافة كيانات شبكة إضافية، وكان الجمع بين هذين العنصرين في الشبكة هو الذي وفر الأساس لمعمارية شبكة (3G UMTS).

مكونات شبكة 3G UMTS:

تغيرت شبكة الوصول الراديوي بشكل كبير، حيث تم استخدام واجهة راديوية جديدة تماماً تعتمد على استخدام (CDMA)، كما تم تغيير اسم الهاتف إلى معدات المستخدم ممّا يشير إلى حدوث تغيير في استخدامه من مجرد هاتف صوتي إلى مجموعة بيانات قد تكون هاتفاً أو مساعداً رقمياً شخصياً أو كمبيوتر محمولاً، حيث تتطلب العديد من أجهزة الكمبيوتر المحمولة دونجل (3G) لتوصيله بمنفذ (USB)، كما يمكن تقسيم بنية شبكة (UMTS) إلى ثلاثة عناصر رئيسية:

• معدات المستخدم (User Equipment).

• النظام الفرعي لشبكة الراديو (Radio Network Subsystem).

• الشبكة الأساسية (Core Network).

معدات المستخدم – User Equipment:

معدات المستخدم (UE): هو الاسم المعطى لما كان يُطلق عليه ساباً اسم الهاتف المحمول، حيث تم اختيار الاسم الجديد؛ لأنّ الوظيفة الأكبر التي يمكن أن تتمتع بها تجهيزات المستعمل، كما يمكن أن يكون أيضاً أي شيء بين هاتف محمول يستخدم للتحدث إلى محطة بيانات متصلة بجهاز كمبيوتر بدون قدرة صوتية.

تُعد معدات المستخدم (UE) عنصراً رئيسياً في بنية شبكة (3G UMTS) الشاملة، حيث يشكل الواجهة النهائية مع المستخدم، ونظراً للعدد الأكبر بكثير من التطبيقات والمرافق التي يمكن أن تؤديها تم اتخاذ قرار بتسميتها جهاز مستخدم بدلاً من جهاز محمول.

ومع ذلك، فهو الهاتف بشكل أساسي بأوسع المصطلحات، وعلى الرغم من إمكانية الوصول إلى اتصالات البيانات عالية السرعة، إلّا أنّه يمكن أن يكون أكثر تنوعاً ويحتوي على العديد من التطبيقات، حيث يتكون من مجموعة متنوعة من العناصر المختلفة بما في ذلك دوائر الترددات اللاسلكية والمعالجة والهوائي والبطارية.

1. دوائر الترددات اللاسلكية – UE RF:

تتعامل مناطق التردد اللاسلكي مع جميع عناصر الإشارة، سواء بالنسبة للمستقبل أو لجهاز الإرسال، حيث كان أحد التحديات الرئيسية لمضخم الطاقة (RF) هو تقليل استهلاك الطاقة، كما يتطلب شكل التعديل المستخدم في (WCDMA) استخدام مكبر خطي، كما تأخذ هذه المضخمات بطبيعتها تياراً أكثر من مكبرات الصوت غير الخطية التي يمكن استخدامها لشكل التعديل المستخدم في (GSM)، وللحفاظ على عمر البطارية تم إدخال تدابير في العديد من التصميمات لضمان الكفاءة المثلى.

2. معالجة النطاق الأساسي – Baseband processing:

تتكون معالجة إشارة النطاق الأساسي بشكل أساسي من الدوائر الرقمية، وهذا أكثر تعقيداً بكثير من ذلك المستخدم في الهواتف للأجيال السابقة، حيث تم تحسين هذا لتقليل الاستهلاك الحالي إلى أقصى حد ممكن.

3. البطارية – Battery:

بينما تم تقليل الاستهلاك الحالي إلى أقصى حد ممكن داخل دوائر الهاتف، كانت هناك زيادة في استنزاف التيار للبطارية، ولأنّ المستخدمين يتوقعون نفس العمر بين شحن البطاريات كما هو الحال في هواتف الجيل السابق، فقد استلزم ذلك استخدام تقنية بطاريات جديدة ومحسنة والآن يتم استخدام بطاريات ليثيوم أيون (Li-ion)، حيث تستمر هذه الهواتف صغيرة وخفيفة الوزن نسبياً مع الاحتفاظ أو حتى تحسين العمر الإجمالي بين الشحنات.

4. وحدة تعريف المشترك العالمية – USIM:

تحتوي (UE) على بطاقة (SIM)، على الرغم من أنّها تسمى في حالة (UMTS) بوحدة تعريف المشترك العالمي (USIM)، وهي نسخة أكثر تقدماً من بطاقة (SIM) المستخدمة في (GSM)، ولكنّها تتضمن نفس أنواع المعلومات، كما يحتوي على رقم تعريف مشترك الهاتف المحمول الدولي (IMSI) بالإضافة إلى رقم (ISDN) الدولي لمحطة المحمول (MSISDN).

تتضمن المعلومات الأخرى التي يحتفظ بها (USIM) اللغة المفضلة؛ لتمكين عرض معلومات اللغة الصحيحة خاصةً عند التجوال وقائمة بشبكات المحمول البرية العامة (PLMN) المفضلة والمحظورة، كما يحتوي (USIM) على منطقة تخزين الرسائل القصيرة التي تسمح للرسائل بالبقاء مع المستخدم حتى عند تغيير الهاتف، وبالمثل يتم تخزين أرقام دفتر الهاتف ومعلومات الاتصال الخاصة بأرقام المكالمات الواردة والصادرة.

يمكن أن تتخذ (UE) عدة أشكال، على الرغم من أنّ الشكل الأكثر شيوعاً لا يزال نسخة من الهاتف المحمول على الرغم من وجود العديد من إمكانيات البيانات، كما يتم استخدام أجهزة دونجل النطاق العريض الأخرى على نطاق واسع.

النظام الفرعي لشبكة الراديو – Radio Network Subsystem:

النظام الفرعي لشبكة الراديو (RNS): هو شبكة الوصول اللاسلكي (UMTS وUTRAN)، وهو مكافئ للنظام الفرعي السابق للمحطة الأساسية أو (BSS) في (GSM)، حيث يوفر ويدير واجهة الهواء للشبكة العامة.

هذا هو قسم شبكة (3G UMTS / WCDMA) الذي يتداخل مع كل من (UE) والشبكة الأساسية، كما تُعرف شبكة الوصول إلى الراديو ككل أي بشكل جماعي، وكل النظام الفرعي لشبكة الراديو بشبكة الوصول اللاسلكي (UTRAN UMTS).

الشبكة الأساسية – Core Network:

الشبكة الأساسية (Core Network): هي الكيان العام الذي يتعامل مع الشبكات الخارجية بما في ذلك شبكة الهاتف العامة وشبكات الاتصالات المتنقلة الأخرى، كما توفر الشبكة الأساسية جميع عمليات المعالجة والإدارة المركزية للنظام، وهو يعادل النظام الفرعي لتحويل شبكة (GSM) أو (NSS).

أقسام شبكة UMTS الأساسية:

تُعد بنية شبكة (3G UMTS) الأساسية بمثابة ترحيل لتلك المستخدمة في (GSM) مع عناصر إضافية متراكبة لتمكين الوظائف الإضافية التي تتطلبها (UMTS)، وفي ضوء الطرق المختلفة التي يمكن بها نقل البيانات، يمكن تقسيم شبكة (UMTS) الأساسية إلى منطقتين مختلفتين:

1. عناصر تبديل الدائرة:

تعتمد هذه العناصر بشكل أساسي على كيانات شبكة (GSM)، وتحمل البيانات بطريقة تبديل الدائرة أي قناة دائمة طوال مدة المكالمة، وهذه العناصر:

• مركز التبديل المتنقل (MSC): هذا هو في الأساس نفس ذلك الموجود في (GSM)، وهو يدير مكالمات تبديل الدارات الجارية.

• بوابة (GMSC): هو واجهة فعالة للشبكات الخارجية.

2. عناصر تبديل الرزم:

تم تصميم كيانات الشبكة هذه لنقل بيانات الحزمة، كما يتيح ذلك استخداماً أعلى للشبكة حيث يمكن مشاركة السعة ونقل البيانات كحزم يتم توجيهها وفقاً لوجهتها، كما تتضمن عناصر تبديل الرزم لبنية شبكة (3G UMTS) الأساسية كيانات الشبكة التالية:

1. خدمة عقدة دعم GPRS:

تم تطوير هذا الكيان لأول مرة عندما تم تقديم (GPRS) وتم نقل استخدامه إلى بنية شبكة (UMTS)، حيث توفر شبكة (SGSN) عدداً من الوظائف ضمن بنية شبكة (UMTS).

• إدارة التنقل (Mobility management) وذلك عندما يتم توصيل تجهيزات المستعمل بمجال تبديل الرزم لشبكة (UMTS) الأساسية، وتقوم (SGSN) بإنشاء معلومات (MM) بناءً على الموقع الحالي للهاتف المحمول.

• إدارة الجلسات حيث تدير (SGSN) جلسات البيانات لتوفير الجودة المطلوبة للخدمة وإدارة ما يسمى سياقات بروتوكول حزم البيانات (PDP) أي الأنابيب التي يتم إرسال البيانات عبرها، والتفاعل مع مناطق أخرى من الشبكة، حيث تستطيع (SGSN) إدارة عناصرها داخل الشبكة فقط من خلال التواصل مع مناطق أخرى من الشبكة، فعلى سبيل المثال (MSC).

• الفواتير حيث أنّ (SGSN) مسؤولة عن الفواتير، ويحقق ذلك من خلال مراقبة تدفق بيانات المستخدم عبر شبكة (GPRS)، كما يتم إنشاء سجلات تفاصيل المكالمات (CDR) بواسطة (SGSN) قبل نقلها إلى كيانات الشحن وظيفة بوابة الشحن (CGF).

2. عقدة دعم GPRS للبوابة GGSN:

عقدة دعم (GPRS) للبوابة (GGSN): هي العنصر المركزي في شبكة تبديل حزم (UMTS)، حيث إنّه يتعامل مع العمل البيني بين شبكة تبديل حزم (UMTS) وشبكات تبديل الحزمة الخارجية، ويمكن اعتباره جهاز توجيه متطوراً للغاية، وأثناء التشغيل عندما تتلقى (GGSN) بيانات موجهة إلى مستخدم معين، فإنّها تتحقق ممّا إذا كان المستخدم نشطاً ثم تُعيد توجيه البيانات إلى (SGSN) الذي يخدم تجهيزات المستعمل المعينة.

العناصر المشتركة في بنية شبكة 3G UMTS الأساسية:

يتم مشاركة بعض عناصر الشبكة، خاصةً تلك المرتبطة بالتسجيل من قبل كلا المجالين وتعمل بنفس الطريقة التي كانت تعمل بها مع (GSM).

1. سجل موقع المنزل – Home location register:

تحتوي قاعدة البيانات هذه على جميع المعلومات الإدارية حول كل مشترك بالإضافة إلى آخر موقع معروف له، وبهذه الطريقة تكون شبكة (UMTS) قادرة على توجيه المكالمات إلى (RNC / Node B)، أمّا عندما يقوم المستخدم بالتبديل على (UE) الخاص به، فإنّه يقوم بالتسجيل مع الشبكة ومن هذا يمكن تحديد العقدة (B) التي تتصل بها بحيث يمكن توجيه المكالمات بشكل مناسب.

وعندما تكون تجهيزات المستعمل غير نشطة لكنها قيد التشغيل؛ فإنّها تُعيد التسجيل بشكل دوري للتأكد من أنّ الشبكة (HLR) على دراية بأحدث موقع لها مع موقعها الحالي أو آخر موقع معروف على الشبكة.

2. سجل هوية المعدات – Equipment identity register:

سجل هوية المعدات (EIR): هو الكيان الذي يقرر ما إذا كان من الممكن السماح بجهاز مستعمل معين على الشبكة، وكل جهاز (UE) له رقم يعرف بالهوية الدولية للأجهزة المحمولة، وهذا الرقم يتم تثبيته في الجهاز ويتم فحصه من قبل الشبكة أثناء التسجيل.