هيكل وقنوات GSM

يتم تنظيم هياكل البيانات والفتحات داخل (2G GSM) بطريقة منطقية، بحيث يفهم النظام متى سيتم إرسال أنواع معينة من البيانات، كما يكون النظام قادراً على معالجة البيانات بشكل صحيح، ولا يشمل ذلك البيانات الصوتية فحسب بل يشمل معلومات الإشارات المهمة، وتُعد مستويات الطاقة المرسلة والتحكم في الطاقة لهواتف (2G GSM) ذات أهمية كبيرة؛ لأنّها تؤثر على عدد من مجالات الأداء.

اساسيات هيكل إطار GSM:

العنصر الأساسي في بنية هيكل (GSM) هو الهيكل نفسه، بحيث يتألف هذا من ثماني فتحات، كما يستخدم كل منها لمستخدمين مختلفين داخل نظام (TDMA) ويتم إزاحة فتحات الإرسال والاستقبال الخاصة بهاتف محمول معين في الوقت المناسب، بحيث لا يقوم الهاتف المحمول بالإرسال والاستقبال في نفس الوقت، كما يوفر هيكل (GSM) الأساس لمختلف القنوات المادية المستخدمة في (GSM).

يحدد إطار (GSM) الأساسي الهيكل الذي يعتمد عليه كل توقيت وبنية رسائل (GSM) وإشاراتها، وتسمى الوحدة الأساسية للوقت فترة الاندفاع وتستمر لحوالي (0.577 مللي ثانية أي 15/2 مللي ثانية)، وثمانٍ من فترات الاندفاع هذه مجمعة في ما يعرف بإطار (TDMA)، كما يستمر هذا لما يقرب من (4.615 مللي ثانية أي 120/26 مللي ثانية) ويشكل الوحدة الأساسية لتعريف القنوات المنطقية، بحيث تُرسل المحطة الأساسية نوعين من القنوات؛ وهما الحركة والتحكم، ويتم تنظيم بنية القناة في نوعين مختلفين من الرتل؛ أحدهما للحركة على تردد الموجة الحاملة الرئيسية والآخر للتحكم في تردد المنارة.

متعدد الهياكل GSM:

يتم تجميع هياكل (GSM) معاً لتشكيل هياكل متعددة، وبهذه الطريقة يمكن إنشاء جدول زمني لتشغيلها ويمكن مزامنة الشبكة، كما يوجد العديد من هياكل (GSM) متعددة الهياكل:

1. هيكل حركة المرور المتعددة – Traffic multi frame:

يتم تنظيم هياكل قناة المرور في إطارات متعددة تتكون من (26 دفعة) وتستغرق (120 مللي ثانية)، وفي هيكل حركة المرور المتعددة تُستخدم (24 دفعة) لحركة المرور، وهي مرقمة من (0 إلى 11) ومن (13 إلى 24)، ثم تُستخدم إحدى الدفعات المتبقية لاستيعاب (SACCH)، ويبقى الرتل المتبقي خالياً بحيث يتناوب الموقع الفعلي المستخدم بين الموضعين (12 و25).

2. إطار متعدد للتحكم – Control multi frame:

إطار متعدد لقناة التحكم يتكون من (51 دفعة) وتحتل (235.4 مللي ثانية)، كما يحدث دائماً على تردد المنارة في الفترة الزمنية صفر، وقد يحدث أيضاً في الفواصل (2 و4 و6) من تردد المنارة، كما ينقسم هذا الإطار المتعدد إلى قنوات منطقية مجدولة زمنياً، بحيث تتضمن هذه القنوات والوظائف المنطقية ما يلي:

• اندفاع تصحيح التردد.

• اندفاع المتزامن.

• قناة البث (BCH).

• قناة منح الاستدعاء والوصول (PACCH).

• قناة تحكم مخصصة قائمة بذاتها (SDCCH).

الهيكل السوبر – GSM Super frame:

يتم بعد ذلك إنشاء الإطارات المتعددة في إطارات فائقة السرعة تستغرق (6.12 ثانية)، كما تتكون هذه من (51 هيكلاً) متعدد الإطارات أو (26 هيكلاً) متعدد الهياكل للتحكم، ونظراً لأنّ الهياكل المتعددة لحركة المرور يبلغ طولها (26 دفعة) وأنّ هياكل التحكم المتعددة يبلغ طولها (51 دفعة)، فإنّ العدد المختلف لحركة المرور والتحكم في الهياكل المتعددة داخل الهيكل الفائق، يعيدها إلى الخط مرة أخرى مع أخذ نفس الفاصل الزمني تماماً.

هيكل التشعيبي – GSM Hyper frame:

فوق هذا الهيكل الفائق (2048 أي ²11) يتم تجميعها لتشكيل هيكل مفرط واحد يتكرر كل (3 ساعات و28 دقيقة و53.76 ثانية)، كما إنّه أكبر فاصل زمني ضمن هيكل إطار (GSM)، بحيث يوجد داخل الهيكل التشعبي (GSM) عداد وكل فترة زمنية لها رقم تسلسلي فريد يشتمل على رقم الهيكل ورقم الفترة الزمنية، كما يُستخدم للحفاظ على تزامن العمليات المجدولة المختلفة مع بنية هيكل (GSM)، وتشمل هذه وظائف مثل:

1. قفز التردد – Frequency hopping:

قفز التردد: هو ميزة اختيارية في نظام (GSM)، كما يمكن أن يساعد في تقليل مشاكل التداخل والتلاشي، ولكن لكي يعمل يجب أن يكون المرسل والمستقبل متزامنين بحيث يقفزان إلى نفس الترددات في نفس الوقت.

2. التشفير – Encryption:

تتم مزامنة عملية التشفير خلال فترة الهيكل الفائق (GSM)، حيث يتم استخدام العداد وتتكرر عملية التشفير مع كل هيكل تشعبي، ومع ذلك فمن غير المحتمل أن تستغرق محادثة الهاتف المحمول أكثر من 3 ساعات، وبالتالي فمن غير المرجح أن يتعرض الأمن للخطر نتيجة لذلك، بحيث يتم التعامل مع الفتحات والإطارات بطريقة منطقية للغاية؛ لتمكين النظام من توقع وقبول البيانات التي يجب إرسالها، كما يتيح تنظيمها بهذه الطريقة المنطقية التعامل معها بأكثر الطرق فعالية.

مستويات طاقة GSM:

مستويات طاقة (GSM): يُشار إلى المجموعات المحددة وفقاً لمعيار (GSM 2G) باسم تسميات فئة الطاقة (GSM)، حيث تم تخصيصها للإشارة إلى قدرة الطاقة لمختلف الهواتف المحمولة.

تتحكم المحطة الأساسية في مستويات الطاقة للهواتف المحمولة المرتبطة بها، ممّا يقلل من عمر البطارية ويقلل من مستويات التداخل، كما أنّ أداء المحطة الأساسية لا يتعرض للخطر بسبب الهواتف المحمولة المحلية عالية القدرة والتي قد تميل إلى إخفاء الهواتف النقالة الأضعف بعيداً عن المحطة الأساسية.

تتحكم المحطة الأساسية في ناتج الطاقة للهاتف المحمول، ممّا يحافظ على مستوى طاقة (GSM) كافياً للحفاظ على نسبة إشارة إلى ضوضاء جيدة، بينما لا يكون مرتفعاً جداً لتقليل التداخل والحمل الزائد وللحفاظ على عمر البطارية، كما يتم تحديد جدول لمستويات طاقة (GSM)، وتتحكم المحطة الأساسية في طاقة الهاتف المحمول عن طريق إرسال رقم مستوى طاقة (GSM)، ثم يقوم الهاتف المحمول بضبط قوته.

في جميع الحالات تكون الزيادة بين أرقام مستويات الطاقة المختلفة (2 ديسيبل)، كما أنّ الدقة المطلوبة للتحكم في طاقة (GSM) صارمة نسبياً، أمّا في مستويات الطاقة القصوى يُطلب عادةً التحكم فيها في حدود (+/- 2 ديسيبل)، بينما يرتاح هذا إلى (+/- 5 ديسيبل) في المستويات الأدنى.

فئة الطاقة GSM:

لا تتمتع جميع الهواتف المحمولة بنفس مستوى ناتج الطاقة الأقصى، ولكي تعرف المحطة الأساسية الحد الأقصى لرقم مستوى الطاقة الذي يمكنها إرساله إلى الهاتف المحمول، فمن الضروري أن تعرف المحطة الأساسية أقصى طاقة يمكنها نقلها، بحيث يتم تحقيق ذلك من خلال تخصيص رقم فئة طاقة (GSM) لهاتف محمول.

يشير رقم فئة الطاقة (GSM) إلى المحطة الأساسية إلى الحد الأقصى للطاقة التي يمكن أن ترسلها، وبالتالي الحد الأقصى لرقم مستوى الطاقة الذي يمكن للمحطة الأساسية أن تطلب منه استخدامه، كما تختلف فئات طاقة (GSM) حسب النطاق المستخدم.

اعتبارات تصميم مكبر الطاقة GSM:

أحد الاعتبارات الرئيسية لتصميم مضخم طاقة التردد اللاسلكي في أي هاتف محمول هو كفاءته، حيث يُعد مضخم الطاقة (RF) أحد مجالات الاستهلاك الحالية الرئيسية، ولضمان عمر بطارية طويل يجب أن تكون فعالة قدر الإمكان، كما تجدر الإشارة إلى أنّه أيضاً لأنّ الهواتف المحمولة قد ترسل فقط ثُمن الوقت أي بالنسبة للفاصل الزمني المخصص لها وهو واحد من ثمانية، فإنّ متوسط ​​القدرة هو ثُمن الحد الأقصى.

القنوات المشتركة والمخصصة في GSM:

يقوم (GSM) على استخدام مجموعة من القنوات التي يتم نقل البيانات فيها، وفي (GSM) يتم فصل هذه القنوات إلى قنوات المادية و قنوات منطقية، كما يتم تحديد القنوات المادية حسب الفترة الزمنية، كما يتم تحديد القنوات المنطقية بواسطة المعلومات المنقولة داخل القناة المادية.

إنّ عدة فترات زمنية متكررة على موجة حاملة تشكل قناة مادية، ثم يتم استخدامها من قبل قنوات منطقية مختلفة لنقل المعلومات، حيث يمكن استخدام هذه القنوات إمّا لبيانات المستخدم أي الحمولة أو إرسال إشارات لتمكين النظام من العمل بشكل صحيح.

يمكن تقسيم القنوات إلى قنوات مشتركة ومخصصة، كما تُستخدم القنوات المشتركة الموجهة للاستدعاء لإبلاغ الهاتف المحمول بمكالمة واردة والاستجابة لطلبات القناة وبث معلومات لوحة الإعلانات، أمّا قناة العودة المشتركة هي قناة نفاذ عشوائي تستخدمها الخدمة المتنقلة لطلب موارد القناة قبل أن تنقل الخدمة (BSS) معلومات التوقيت.

القنوات المخصصة من نوعين رئيسيين: تلك المستخدمة للإشارة وتلك المستخدمة لحركة المرور، كما تُستخدم قنوات الإشارة لصيانة المكالمة ولتمكين إعداد المكالمة وتوفير تسهيلات؛ مثل التسليم عندما تكون المكالمة قيد التقدم وإنهاء المكالمة في النهاية حيث تتعامل قنوات المرور مع الحمولة الفعلية.

يتم تحديد القنوات المنطقية التالية في GSM:

•  قناة حركة كاملة المعدل (TCHf).

• قناة حركة نصف معدل (TCHh).

• معلومات شبكة البث (BCCH)، فعلى سبيل المثال لوصف بنية قناة التحكم الحالية.

• القناة (BCCH): هي قناة من نقطة إلى عدة نقاط (BSS إلى MS).

• تزامن (SCH) من (MSs).

• تصحيح التردد (FCHMS).

• يقر (AGCH) طلبات القنوات من (MS) ويخصص (SDCCH).

• إعلان إنهاء المكالمة (PCHMS).

• طلبات الوصول إلى (RACHMS)، والاستجابة لإعلان المكالمة وتحديث الموقع.

• (FACCHt) للإشارة الزمنية الحرجة عبر قناة (TCH)، فعلى سبيل المثال لإشارات التسليم، كما تُسرق حركة المرور من أجل انفجار إشارات كامل.

• (SACCHt) إشارات (TCH) داخل النطاق، فعلى سبيل المثال لرصد الارتباط.

• (SDCCH) لتبادل الإشارات، فعلى سبيل المثال أثناء إعداد المكالمة وتحديثات التسجيل أو الموقع.