نظام شبكة E-UTRAN في الاتصالات

تُعد شبكة (E-UTRA) بأنًها هي تقنية اتصالات لاسلكية توفر معدل بيانات مرتفعاً ووصلة اتصال بزمن انتقال منخفض (5 مللي ثانية) بين الهواتف المحمولة والمحطات الأساسية، وتم تطوير (E-UTRA) كبديل لـ النظام العالمي للاتصالات المتنقلة (UMTS) ومعايير الوصول عالي السرعة للحزم (HSDPA) التي طورتها (3GPP) كجزء من تقنية (LTE) وبدأت التجارب على التكنولوجيا في عام 2008م.

ما هو نظام شبكة E-UTRAN

شبكة الوصول الراديوي الأرضي العالمي المتطورة (E-UTRAN): هي تقنية الراديو المستخدمة بين المحطات المتنقلة والمحطات الأساسية لأنظمة (3GPP) تُعرف عموماً باسم الوصول الراديوي الأرضي العالمي (UTRA) وشبكة الوصول (UTRAN)، وهي شبكة وصول لاسلكي (RAN) يشار إليها تحت اسم معيار (EUTRAN) والمقصود منها أن تكون بديلاً لتقنيات (UMTS) و(HSDPA / HSUPA) المحددة في إصدارات (3GPP 5) وما بعدها، وعلى عكس (HSPA) فإنّ (E-UTRA) من (LTE) هو نظام واجهة هوائية جديد تماماً ولا علاقة له ولا يتوافق مع (W-CDMA) بحيث يوفر معدلات بيانات أعلى وزمن وصول أقل ومُحسّن لحزم البيانات.

• “E-UTRA” هي اختصار لـ “Evolved-Universal-Terrestrial-Radio-Access” و”LTE” هي اختصار لـ “Long-Term-Evolution”.

• “EUTRAN” هي اختصار لـ “Evolved-Universal-Terrestrial-Radio-Access-Network” و”HSPA” هي اختصار لـ “high-speed-packet-access”.

• “HSDPA” هي اختصار لـ “High-Speed-Downlink-Packet-Access” و”HSUPA” هي اختصار لـ “high-speed-uplink-packet-access”.

• “UMTS” هي اختصار لـ “Universal-Mobile-Telecommunications-System” و”W-CDMA” هي اختصار لـ “Wideband-Code-Division-Multiple-Access”.

أساسيات نظام شبكة E-UTRAN

تستخدم (E-UTRA) تقنيات (OFDM) و(MIMO) وتشكيل الحزمة لتوفير معدلات بيانات عالية وتتطلب طاقة معالجة منخفضة على الهاتف المحمول، بينما على جانب الشبكة تستخدم تقنية (eNodeB) لإدارة الموارد الراديوية، مثل التحكم بحامل الراديو والقبول الراديوي والتحكم في حركة الاتصال والجدولة الديناميكية.

في الوصلة الصاعدة تستخدم مجموعة من كلا من (OFDM) و(SC-FDMA) لتوفير معدل بيانات يبلغ (75.4 ميجابت / ثانية) لقناة (20 ميجاهرتز (LTE)) و(1497.8 ميجابت / ثانية) لقناة (100 ميجاهرتز (LTE))، كما يتم استخدام هذا المزيج من (OFDM) و(SC-FDMA)؛ لأنّ عملية (OFDM) العادية تحتوي على نسبة عالية جداً من الذروة إلى القدرة المتوسطة (PAPR).

تتطلب (PAPR) العالية مضخمات طاقة أكثر تكلفة وغير فعالة مع متطلبات عالية على الخطية وتستنزف البطارية بشكل أسرع ومن ثم فإن هذا المزيج من (OFDM) و(SC-FDMA) سوف يقضي على هذا العيب وحيث في الوصلة الهابطة، تستخدم تقنية التشكيل (OFDMA)؛ لتوفير معدل بيانات يبلغ (299.6 ميجابت / ثانية) لهوائيات (4 × 4 MIMO) و(150.8 ميجابت / ثانية) لهوائيات (2 × 2 MIMO) مع (20 ميجاهرتز (LTE)) من الطيف.

كما أنّ لديها معدل بيانات يبلغ (2،998.6 ميجابت / ثانية) لهوائي (8 × 8 MIMO) مع (100 ميجاهرتز (LTE)) من الطيف، وفي الإصدار 8 من معيار (3GPP) قدمت (E-UTRA) واجهة واحدة لتقنيات (GSM / EDGE) و(UMTS / HSPA) و(CDMA2000 / EV-DO) و(TD-SCDMA) التي تقدم خدمات مثل الصوت ونقل البيانات وتلفاز بروتوكول الإنترنت (IPTV) مع التنقل الكامل.

يتعامل (E-UTRAN) مع الاتصالات اللاسلكية بين الهاتف المحمول ونواة الحزمة المتطورة ويحتوي على مكون واحد فقط وهو المحطات الأساسية المتطورة والتي تسمى (eNodeB)، وكل شبكة (eNB) هي محطة أساسية تتحكم في الهواتف المحمولة في خلية واحدة أو أكثر، وتُعرف المحطة الأساسية التي تتصل بجهاز محمول باسم (eNB) الذي يخدمها.

• “OFDM” هي اختصار لـ “Orthogonal-frequency-division-multiplexing” و”TD-SCDMA” هي اختصار لـ “Time-Division-Synchronous-Code-Division-Multiple-Access”.

• “MIMO” هي اختصار لـ “multiple-input-multiple-output” و”GSM / EDGE” هي اختصار لـ “Global-System-for-Mobile-Communications/Enhanced-Data-GSM-Environment”.

• “OFDMA” هي اختصار لـ “orthogonal-frequency-division-multiple-access” و”IPTV” هي اختصار لـ “Internet-Protocol-Television”.

• “SC-FDMA” هي اختصار لـ “Single-carrier-frequency-division-multiple-access” و”PAPR” هي اختصار لـ “Peak-to-average-power-ratio”.

بنية نظام شبكة E-UTRAN

من أجل تلبية متطلبات شبكات (LTE)، تم تحسين بنية (E-UTRAN) بشكل كبير من شبكة الوصول اللاسلكي 3G / 3.5G (UTRAN)، بينما تستخدم الشبكات القديمة بنية هرمية يستخدم (E-UTRAN) بنية مسطحة، بحيث لا تتضمن وظائف (eNB) في أنظمة (E-UTRAN) وظائف المحطة الأساسية (NodeB) فقط لإنهاء السطح البيني الراديوي، ولكن أيضاً وظائف وحدة التحكم في شبكة الراديو (RNC) لإدارة الموارد الراديوية.

وفقًا لـ (3GPP TR 25.912) وتم وصف (E-UTRAN) يتكون (UTRAN) المتطور من (eNBs)، ممّا يوفر نهايات بروتوكول (UTRAN) للمستوى U والمستوى C المتطور باتجاه تجهيزات (UE)، وترتبط وحدات (eNB) ببعضها البعض عن طريق واجهة X2، ومن المفترض أن توجد دائماً واجهة X2 بين وحدات (eNB) التي تحتاج إلى الاتصال ببعضها البعض.

وعلى سبيل المثال لدعم تسليم UEs في (LTE_ACTIVE)، كما ترتبط وحدات (eNB) أيضاً عن طريق واجهة S1 بمركز الحزمة المتطور (EPC)، وتدعم الواجهة S1 علاقة أطراف بأطراف بين (aGWs) و(eNBs) ويتصل (LTE Mobile) بمحطة أساسية واحدة وخلية واحدة في كل مرة، وهناك وظيفتان رئيسيتان تدعمهما eNB:

• يرسل (eBN) ويستقبل الإرسالات الراديوية إلى جميع الهواتف المحمولة باستخدام وظائف معالجة الإشارات التماثلية والرقمية للواجهة الهوائية (LTE).

• يتحكم (eNB) في التشغيل المنخفض المستوى لجميع هواتفه المحمولة، عن طريق إرسال رسائل إشارات مثل أوامر التسليم.

• يتصل كل (eBN) بـ (EPC) عن طريق واجهة S1 ويمكن أيضًا توصيله بالمحطات الأساسية القريبة بواسطة واجهة X2، والتي تُستخدم بشكل أساسي في إرسال الإشارات وإعادة توجيه الحزمة أثناء التسليم.

• (HeNB) هي محطة أساسية تم شراؤها من قبل مستخدم لتوفير تغطية (femtocell) داخل المنزل، كما تنتمي (eNB) المنزلية إلى مجموعة المشتركين المغلقة (CSG)، ولا يمكن الوصول إليها إلّا عن طريق الهواتف المحمولة باستخدام (USIM) الذي ينتمي أيضاً إلى مجموعة المشتركين المغلقة.

ملاحظة: “CSG” هي اختصار لـ “Closed-Subscriber-Group” و”USIM” هي اختصار لـ “Universal-Subscriber-Identity-Module”.

تطور نظام شبكة E-UTRAN

التطور طويل الأمد (LTE) هو تطور النظام العالمي للاتصالات المتنقلة (UMTS)، كما تقوم (LTE) بمراجعة وتحسين بنية النظام من (UMTS) لتقديم خدمات أكثر كفاءة، و(E-UTRAN) هي الواجهة الهوائية لـ (3GPP) وهي على مسار الترقية لشبكات المحمول (LTE)، كما تحدد (E-UTRAN) بنية أمان أفضل لحماية معلومات المستخدمين.

ومع ذلك لا يزال (E-UTRAN) غير مثالي، كما تتوفر نقاط الضعف في طبقة (NAS) الخاصة بـ (E-UTRAN) ونقدم هجمات توضيحية؛ لاستغلال نقاط الضعف هذه وإظهار فعالية وتأثير مثل هذه الهجمات على المستخدمين العاديين باستخدام أداة المحاكاة المطورة ذاتياً الخاصة، كما توفر بنية (LTE) والتقسيم الوظيفي بين (E-UTRAN) و(EPC LTE) تمايزاً في الخدمة من خلال اعتماد مفهوم جودة الخدمة (QoS) على أساس الفئة.

وعلى وجه الخصوص يتم تعيين ملف تعريف (QoS) لكل تدفق بيانات بين جهاز المستخدم و(P-GW) ويسمى حامل (EPS)، كما تم تحديد ما مجموعه تسعة ملفات تعريف في المواصفات (3GPP) التي يمكن تعيينها لأنواع مختلفة من التطبيقات مثل خدمات الفيديو والصوت في الوقت الفعلي، والألعاب عبر الإنترنت ويتضمن كل ملف تعريف نوع الحامل وأولوية التدفق و الحد الأعلى لتأخير الحزمة ومعدل خطأ الحزمة.

يشير نوع الحامل إلى ما إذا كان سيتم توفير معدل بت مضمون (GBR) للحامل من خلال تخصيص موارد الشبكة بشكل دائم أثناء جلسة البيانات، كما يتمثل الاختلاف الأساسي بين حاملات (GBR) وغير الحاملات لـ (GBR) في أنّه في الحالة الأولى قد يتم حظر الاتصال، إذا لم يكن لدى الشبكة الموارد اللازمة لضمان جودة الخدمة المطلوبة لهذه الاتصالات، ويُعرف هذا المفهوم باسم التحكم في قبول المكالمات (CAC) وهو عنصر مهم في إدارة الموارد الراديوية.

• “CAC” هي اختصار لـ “Call-admission-control” و”NAS” هي اختصار لـ “non-access-access-layer”.

• “GBR” هي اختصار لـ “Guaranteed-Bit-Rate” و”PGW” هي اختصار لـ “Packet-Data-Network-Gateway”.

• “QoS” هي اختصار لـ “Quality-of-Service” و”EPS” هي اختصار لـ “Evolved-Packet-System”.