شبکه‌های موبایلی چگونه کار می‌کنند؟

برخلاف شبکه‌های تلفن همراه در تلفن ثابت هویت مشترک مشخص است، در شبکه مخابرات هویت یا شناسایی معتبر بودن مشترک و مکان مشترک نیز دقیقا مشخص است یعنی سوییچ وظیفه پیدا کردن مخاطب را برعهده دارد. ارائه سرویس‌ها نیز مثل نمایش‌گر شماره تلفن و انتقال مکالمه در سوییچی که تلفن به آن متصل شده است انجام می‌گیرد.

پس در شبکه های موبایل با گوشی‌های بی سیمی که از لحاظ فیزیکی به جایی متصل نیستند و هرلحظه مکان آن‌ها در حال تغییر است، رو به رو هستیم.

- تعیین هویت: در موبایل به علت تغییر مکان مشترک نیاز به مرکزی داریم که اطلاعات تمام مشترکین یک کشور و یا یک شرکت ارائه دهنده سرویس موبایل در آن ثبت شود تا در صورت نیاز در اختیار شبکه قرار گیرد، این کار در تلفن ثابت در همان مرکز سرویس دهنده انجام میگیرد.

این مرکزها به صورت متمرکز در یک یا بعضا در نقاط محدودی از یک کشور ایجاد میشوند و برای اینکه یک مشترک امکان استفاده از شبکه را داشته باشد به مشترک کارتی به نام SIM کارت داده میشود که این کارت وسیله شناسایی مشترک در شبکه است.

اگر SIM کارت در گوشی موبایل قرار گیرد و تعاریف مخصوص در آن ثبت گردد مشترک میتواند هر جا برود به وسیله شبکه موبایل تماس بگیرد یا با او تماس گرفته شود.

- مکان مشترک در شبکه موبایل: هنگامی‌که مشترکی در شبکه حرکت می‌کند، آخرین مکان آن در HLR ثبت می‌شود بنابراین هر کس بخواهد به یک موبایل زنگ بزند آخرین مکان آن از HLR پرسیده می‌شود و بعد به موبایل زنگ می‌خورد.

- ثبت: ثبت مقدار هزینه مکالمه موبایل در آخرین سوییچی که به موبایل سرویس می‌دهد انجام می‌گیرد. به طور مثال مشترکی از تهران به سمت مازندران رفته و از آن‌جا به مشهد می‌رود ودر طی مسیر چندین بار به نقاط مختلف تماس گرفته است هنگامی‌که در محدوده تهران بوده در سوییچ‌های تهران ثبت شده و در مازندران در سوییچ مازندران و در مشهد هم در سوییچ مشهد ثبت می‌شود. در انتها کلیه هزینه مکالمات از سراسر کشور به مرکزی در تهران که مرکز صورت‌حساب است ارسال می‌شود و بعداز جمع بندی و محاسبه برای مشترک صورت‌حساب ارسال می‌شود.

ارائه سرویس‌های جانبی

این سرویس‌ها توسط آخرین سوییچ سرویس دهنده که به موبایل از طریق HLR سوال می‌شود که چه سرویس‌هایی باید در اختیار مشترک گذاشته شود مثل انتقال مکالمه، انتظار مکالمه، نمایش‌گر شماره و سپس آن سرویس‌ها توسط آخرین سوییچ سرویس دهنده در اختیار مشترک قرار می‌گیرد.

آنتن های BTS

در شبکه تلفن همراه اولین بخشی که مستقیما با گوشی موبایل در ارتباط است BTS می‌باشد:

- دلایل نصب آنتنهای BTS: تامین پوشش رادیویی در جاده‌ها یا مناطقی که سیگنالی ضعیف دارند یکی از دلایل نصب آنتن‌های BTS است .یکی دیگر از اهداف نصب آنتن BTS از بین بردن ترافیک شبکه است.

- نحوه نصب آنتن‌های BTS: برای نصب آنتن‌های BTS فواصل معینی در نظر گرفته می‌شود.این فواصل بر اساس قواعد خاصی تعیین می‌شوند که از جمله آنها می‌توان به ظرفیت آنتن منصوبه، تعداد مشترکین موجود در هر منطقه و کاهش تشعشات آنتن اشاره کرد.

نزدیک بودن آنتن‌های BTS باعث کاهش تشعشات می‌شود به‌طوری‌که در طی یک مسیر چند آنتن BTS برای پوشش‌دهی نصب می‌شود. تعداد آنتنهای BTS معمولا در مناطقی که استفاده از تلفن همراه بیشتر است زیاد می‌شود مثلا در شهرهای بزرگ تعداد آنتن‌های BTS بیشتر از مناطق دیگر است.

شبکه سلولی در آنتن‌های BTS

آنتن‌های BTS فناوری‌های گوناگونی از قبیل GSM ،WiFi  را پشتیبانی می‌کنند.این آنتن‌ها در شبکه تلفن‌ همراه که از نوع شبکه سلولی cell است، وظیفه تشکیل نقاط اتصال سلول‌های 6 ضلعی این شبکه را دارند و عموما 2 نوع ارتباط برقرار می‌کنند، اول ارتباط با سایر آنتن‌ها و دوم ارتباط با وسایل واقع در دامنه تحت پوشش. آنتن های BTS دارای 3 سکتور هستند که هر کدام حدود 120 درجه را پوشش می‌دهند که جمعا 360 درجه میشود، اما هر سکتور یا قسمت می‌تواند مستقل نیز نصب شود تا محل‌های خاصی را پوشش دهد.

بیتیاس حدود 30 کیلومتر برد دارد که برد مفید آن را در فضای باز و بدون هیچگونه ساختمان یا مانعی 20 کیلومتر تخمین می‌زنند و در فضای شهر با وجود ساختمان‌های بلند و متعدد، برد مفید را بین 2 تا 5 کیلومتر در نظر می‌گیرند. قدرت خروجی بیتیاس به صورت دستی و قدرت خروجی گوشی به صورت خودکار تنظیم می‌شود تا مصرف باتری به حداقل برسد.

وظایف BTS:

- رمزنگاری، پنهان نمودن، مالتی پلکس، مدولاسیون سیگنالهای ارسالی و دریافتی
- تهیه سیگنال RF برای آنتن
- همزمانی سیگنال و زمان به MS
- تخصیص فرکانس به موبایل
- کنترل پارامترهای handover بین MS و BTS که از طرف BSC تعیین می‌شود
- آنالایز و اندازه گیری سیگنالهای دریافتی از MS
- معرفی و تعیین BTS های همسایه به MS
- تخصیص کانالهای ترافیکی و سیگنالینگ به MS 
- ارسال فرکانس به صورت Hopping اگر این پارامتر فعال باشد
- کنترل و تعیین Timing Advance به MS

BSC

دومین مرحله بعد از آنتن موبایل BTS در شبکه دستگاه BSC است:

BSC وظیفه کنترل چند BTS را برعهده دارد و کار آن بسیار با اهمیت می‌باشد؛ تنظیم برخی از پارامترهای مهم شبکه مثل کیفیت مکالمه و تماس مطلوب، در این دستگاه تعریف می‎شود.

به‌طور مثال شما در حال صحبت با گوشی موبایل خود هستید و در یک اتومبیل درحال حرکت نشسته‌اید و در حال صحبت خیابان‌های متعددی را پشت سر می‌گذارید ولی هم‌چنان به مکالمه خود ادامه می‌دهید در این حالت شما از چندین آنتن موبایل گذشته‌اید و هر آنتن موبایل شما را به آنتن دیگر دست به دست کرده است و کانال ترافیکی شما را با خود پاک کرده و به یک آنتن دیگر تحویل داده است.

این مدیریت مکالمه که در حال حرکت اتفاق می‌افتد به HAND OVER معروف است و وظیفه BSC مرتبط با آن BTS می‌باشد و دیگر اینکه قدرت تشعشع (برد آنتن موبایل) نیز در این دستگاه تعریف می‌شود، بدین صورت که از طریق BSC بر روی خروجی یک آنتن مورد نظر تضعیف گذاشته می‌شود که فرکانس آن با آنتنهای دیگر تداخل نکند.

تعداد زیادی از BSC ها از طریق interfaceA به یک MSC متصل می‌شوند؛ MSC شبیه به یک مرکز تلفن دیجیتالی عمل می‌کند که به طور هم‌زمان چند شبکه‌ی خارجی میتواند به آن دسترسی داشته باشد.

وظیفه‌ی اصلی یک MSC مسیردهی مکالمات ورودی و خروجی است. همان‌طور که از اسم سوییچ پیداست اصلی‌ترین کار سوییچ انتخاب مسیر مناسب جهت برقراری یک مکالمه است.

اصلی‌ترین تفاوت سوییچ موبایل و سوییچ تلفن ثابت در نحوه تعریف مشترک در سوییچ است در تلفن ثابت مشترک به صورت دائم در سوییچ تعریف و سرویس‌های جانبی به او اختصاص داده می‌شود یعنی شماره مشترک همیشگی است مگر اینکه اپراتور تصمیم به حذف مشترک بگیرد اما در سوییچ موبایل وقتی مشترک وارد منطقه تحت پوشش یک سوییچ شد فورا سوییچ مربوطه اطلاعات کامل مشترک را به طور اتوماتیک از سیستمی به نام HLR در خواست می‌کند و کپی آن را در حافظه خود ذخیره کرده وبه سوییچ قبلی که اطلاعات مشترک درآن بوده دستور حذف اطلاعات را میدهد سپس HLR آدرس آخرین سوییچ که موبایل در آن قرار گرفته را در خود ثبت می کند.

محلی که اطلاعات مشترک موبایل به طور موقت در آن ثبتVLR  نام دارد موقت بودن ثبت اطلاعات در سوییچ از این بابت است که به محض خروج مشترک از منطقه تحت پوشش سوییچ اطلاعات آن از سوییچ مربوطه پاک می شود پس دیدیم که اپراتور هیچ نقشی در تعریف مشترک موبایل در سوییچ ندارد.

HLR

HLR به طور خلاصه کار ذخیره سازی اطلاعات مربوط به شمار زیادی از مشترکین را به عهده دارد. کلیه اطلاعات مشترکین سیار در واحدی بنام HLR ذخیره می‌گردد؛ این اطلاعات شامل ID مشترک، شماره مشتری، جزئیات قبض برای مشترکین دائمی و اطلاعات شارژ برای مشترکین اعتباری می‌باشد. در این واحد اطلاعات بسیاری از جمله پارامترهای احراز هویت ذخیره می‌شود.

این اطلاعات زمانی که مشترک جدیدی به سیستم اضافه می‌شود توسط provider network به دیتابیس افزوده می‌شود.

HLR، اطلاعات مشترکین و همچنین اطلاعاتی که نشانگر عدم اجازه دسترسی به سرویس‌های معین است را نگهداری می‌کند.

HLR شامل اطلاعات دقیقی در مورد محل یک موبایل است. اصلی ترین پارامترهای ذخیره شده در HLR عبارتند از:

- آیدی مشترک
- سرویسهای جانبی
- وضعیت مشترک (رجیستر شده یا خیر)
- کلید احراز هویت
- شماره ی رومینگ مشترک

VLR

این واحد دارای اطلاعات و جزئیات موقتی می‌باشد: VLRشامل کپی اغلب اطلاعات ذخیره شده در HLR میباشد. و این اطلاعات تا زمانی که مشترک در یک محدوده منطقه خاص باشد، باقی می‌مانند. VLR  اطلاعاتی که در VLR ذخیره می‌شوند از قرار زیر هستند:

- شناسه محل
- شناسه مشترک موقت
- شماره رومینگ موبایل
- وضعیت موبایل(مشغول، آزاد)

سلول‌ها در شبکه تلفن همراه عمومی در حوزه‌های جغرافیایی تلفیق شده‌اند. هر ناحیه دارای شناسه یک‌تایی می‌باشد و هر ناحیه ممکن است از 30 سلول تشکیل شده باشد. وقتی مشترک از محلی به محل دیگر میرود LAI او در VLR عوض می‌شود، و وقتی از یک VLR به VLR دیگری برود آدرس اودر HLR ذخیره می‌گردد.

VLR اختصاص شناسه کاربران مشترکین موبایل را کنترل میکند و HLR را مطلع می‌سازد. این شناسه متناوبا به روز می‌شود. و قابل ردیابی نیست بنابراین امنیت مکالمات را بالا می‌برد. این شناسه در شرایط زیر ممکن است به روز شود:

- برقراری تماس
- ورود به LAI جدید
- ورود به VLR جدید

از آن جایی که ممکن است مشترکین بخواهند از خدمات سیم کارت خود خارج از کشور بهره ببرند، VLR می‌تواند شماره‌ی رومینگ به مشترکین ارائه دهد. سپس این شماره توسط MSC برای برقرای تماس مورد استفاده قرار می‌گیرد.

AUC

مرکز تأیید هویت AUC، اعتبار شناسایی مشترک را کنترل می‌کند و در واقع بانک اطلاعاتی دیگری است که شامل پارامترهای تاییدیه و الگوریتم‌های رمز کردن‌های مختلف می‌باشد. الگوریتم‌ها، در هنگام اشتراک، علاوه بر AUC در کارت الکترونیکی SIM ذخیره می‌گردد.

AUC  یا مرکز تعیین هویت به HLR متصل می‌شود و وظیفه آن آماده سازی HLR به همراه پارامترهای تعیین هویت و کلیدهای رمزنگاری است که این عملیات برای اهداف امنیتی استفاده می‌شوند.

EIR

ثبت‌کننده‌ی هویت تجهیزات یک پایگاه داده است که در آن شماره‌های بین المللی تعیین هویت تجهیزات موبایل (IMEI)، برای هر دستگاه موبایل ثبت شده، ذخیره می‌شود. یکی دیگر از ترکیبات زیر سیستم شبکه lerCancel Echo است که مسایل آزار دهنده‌ای (مانند انعکاس صدا) که از طریق شبکه تلفن همراه در زمان اتصال به یک مدار PSTN ایجاد می‌شود را کاهش می‌دهد.

---