نسل های شبکه تلفن همراه مجموعه پیشرفت های سخت افزاری و نرم افزاری هستند که با به وجود آمدن مخابرات موبایل (متحرک) به وجود آمده اند. اگر بخواهیم نسل های تلفن همراه را از بعد از به وجود آمدن اولین شبکه تلفن همراه معرفی کنیم، باید از نسل اول تلفن همراه یا 1G شروع کنیم. پس از آن با پیشرفت تکنولوژی و افزایش نیاز بشر، نسل های شبکه تلفن همراه دیگری به وجود آمدند که عبارتند از: نسل دوم تلفن همراه (2G)، نسل سوم تلفن همراه ( 3G)، نسل چهارم تلفن همراه (4G) و نسل پنجم تلفن همراه (5G).
نسل های شبکه تلفن همراه نظیر 2.5G و 2.75G و 3.5G و 3.75G و 4.5G هم به وجود آمدند که در ادامۀ این نوشته به آنها نیز خواهیم پرداخت.
امروزه نه تنها برای عموم مردم بلکه برای اکثر دانشجویان رشته های مهندسی، سامانۀ ارتباطات رادیویی و اصطلاحات عمومی و کاربردی مانند نسل های شبکه تلفن همراه، به صورت کامل شفاف سازی نشده است. از آنجا که این حوزه بسیار گسترده است و هر یک از اصطلاحات و استانداردها را می توان در یک کتاب معرفی کرد، لذا در این نوشته به بررسی نسل های شبکه تلفن همراه در حد مورد نیاز پرداختم.
فرکانس رادیویی (RF) به فرکانس هایی در بازۀ 3 کیلوهرتز تا 300 گیگاهرتز گفته می شود.هر یک از وسایل ارتباط رادیویی که توسط نهادها، شرکت ها و سازمان های دولتی و یا عموم مردم مورد استفاده قرار می گیرد، از بازه ای مخصوص استفاده می کند. برای مثال محدودۀ اختصاصی رادیو FM بین 87 مگاهرتز تا 108 مگاهرتز است و فرستنده های رادیوFM مجاز هستند فرکانس کانال های خود را در این محدوده قرار دهند. یا محدودۀ اختصاصی ناوبری رادیویی هوانوردی در باند VHF بین 108 مگاهرتز تا 117.975 مگاهرتز است.
به فناوری یا دستگاهی گفته می شود که صدا، پیام یا سیگنال ها را به وسیله امواج رادیویی منتقل می کند.
ارسال و دریافت سیگنال های رادیویی با استفاده از انواع روش های مدولاسیون را ارتباطات رادیویی
گویند.
هر ارتباط رادیویی برای پیاده سازی نیازمند یک سری بسترهای سخت افزاری است. یکی از بسترهای سخت افزاری مورد نیاز نسل های شبکه تلفن همراه،BTS است. BTS که به معنی پایگاه استقرار فرستنده و گیرنده است، از اجزای زیر تشکیل شده است: فرستنده (Transmitter)، گیرنده (Receiver)، تقویت کنندۀ قدرت (Power Amplifier)، ترکیب کننده، مالتی پلکسر، آنتن، سیستم های نظارت و توسعه، واحد کنترل و واحد گیرنده باند پایه است. در تصویر زیر یک BTS را می بینیم.
موبایل در لغت به معنای "متحرک" است و ما نیز در این نوشته این لغت را به معنای "متحرک" به کار میبریم و نه به معنای "گوشی تلفن همراه".
روش های دسترسی به کانال به روش های استفاده از پهنای باند مشترک توسط چند سیستم مخابراتی است.انواع مختلف روش دسترسی به کانال وجود دارد که ما سه مورد از آنها را نام می بریم:
نسل اول شبکه تلفن همراه یا نسل اول تلفن همراه را که آن را با (1st Generation) 1G میشناسیم،آنالوگ بود. شروع به کار راه اندازی شبکه ای به منظور ارتباط موبایل (متحرک)، برای اولین بار در دهه 1960 در کشورهای اسکاندیناوی یعنی سوئد، نروژ و فنلاند و همچنین دانمارک شروع شد که در اواخر این دهه، اولین ارتباط نقطه به نقطه از راه دور به کار گرفته شد. پس از آن کشورهای اسکاندیناوی، اولین شبکه تلفن متحرک را با نام (Nordic Mobile Telephone) یا NMT راه اندازی کردند. سپس آمریکا نیز این کار را انجام داد. ژاپن هم با بهره گیری از NMT در اسکاندیناوی و آمریکا، سیستم سیار خود را با نام HCMS عرضه و در ادامه سیستم NTT را با قابلیت اتصال به شبکه برقرار کرد. انواع دیگر از شبکه آنالوگ از جمله AMPS در آمریکا، TACS در انگلستان، Radiocom 2000 در فرانسه و RTMI در ایتالیا ساخته شدند. اینها نسل اول شبکه همراه بودند. ارتباط تلفنی در این نسل می تواند در فرکانس 150 مگاهرتز یا بالاتر مدوله شده و به برج های رادیویی فرستاده شود. روش تخصیص فرکانس نسل اول تلفن همراه FDMA بود.
تکامل نسل های شبکه تلفن همراه موجب به وجود آمدن نسل دیجیتال این نوع شبکه شد. این سیستم مزایای بیشتری از جمله سرعت بالاتر انتقال اطلاعات، اطلاعات رمز گذاری شده و افزایش تعداد مشترکان را به همراه داشت. درسال 1985 موسسۀ ETSI مخفف(European Telecommunications Standards Institute)
متشکل از هفده کشور اروپایی در صدد طراحی و ابداع یک استاندارد مشترک برای ایجاد شبکه سلولی تاسیس شد. در ابتدا هدف استاندارد سازی تلفن سیار دیجیتال به صورت همگانی بوده است. این استاندارد GSM (Global System for Mobile Communication) نام گرفت. در سال 1987، سیزده کشور اروپایی یادداشت تفاهمی تحت عنوان MoU (Memorandum of Understanding) امضا کردند، پیرو این تفاهم نامه، تمامی اعضا می بایست که استاندارد GSM را رعایت می کردند. در این سال ها، سیستم های موبایل زمینی و ماهواره ای یکپارچه شدند و در نتیجه انواع مختلفی از دسترسی بی سیم به صورت جهانی، شامل سرویس های موجود در شبکه مخابراتی ثابت و سرویس های موبایل، عملی شد. در نسل دوم تلفن همراه، به جای استفاده از روش FDMA از روش های TDMA و CDMA استفاده شد.
در نهایت نسل 2G از سال 1992 به صورت فراگیر استفاده شد. این فناوری ها پس از 18 سال از به وجود آمدن، وارد ایران شده و در تیرماه سال 1372 بود که اولین ثبت نام تلفن همراه در کشور انجام شد. پس از آن گسترش شبکه های تلفن همراه در کشور با فراز و نشیب های بسیار به جایگاه امروزی رسیده است، به طوری که کلیه مناطق کشور را تحت پوشش دارد.
باتوجه به شاخص بودن استاندارد GSM در میان مابقی استانداردهای نسل 2G، از این پس هرکجا صحبت از نسل دوم تلفن همراه می شود، منظورGSM است و مابقی استانداردهای نسل دوم تلفن همراه مورد بحث ما نیست.
با ادامه روند پیشرفت در شبکه های سلولی نسل دوم، به منظور برقراری امکان ارسال و دریافت اطلاعات یا داده را روی شبکه تلفن همراه، یک سری ملحقات از جمله GPRS و EDGE بر روی نسل دوم افزوده شد. این دو استاندارد، یک ارزش افزوده بر روی شبکه GSM هستند و به منظور استفاده از این استانداردها نیاز به بستر سخت افزاری جدیدی نبوده و می توان با یک سری بروز رسانی ها، از همان آنتن های GSM استفاده کرد.
در نسل 2.5 که به آن GPRS (General Packet Radio Service) گفته می شود، داده ها به صورت بسته Packet فرستاده می شوند. با استفاده از GPRS، قابلیت ارسال پیام تصویری MMS و خدمات اینترنت، به شبکه های سلولی اضافه شد. این دو قابلیت باعث به وجود آمدن نسل جدید به نام2.5G شد. سرعت اولیه در GPRS بسیار پایین بوده است. سرعت آن به مرور زمان افزایش یافته و امروزه سرعت در حالت دانلود به 171کیلوبیت برثانیه می رسد.
قبل ورود به نسل سوم تلفن همراه، فناوری دیگری به نام EDGE(Enhanced Data GSM Evolution ) در سال 2003 به وجود آمد که به دلیل نزدیکی به نسل سوم، به صورت غیر رسمی، 2.75G نام گذاری شده است. هدف از به وجود آمدن این فناوری، افزایش سرعت بود. یکی از مزیت های EDGE این است که همانند GPRS نیاز به ایستگاه پایه (آنتن مرکزی) جداگانه نداشته و با همان آنتن های شبکه های نسل دوم نیز سازگار است. این فناوری در گوشی تلفن همراه به اختصاری E نشان داده می شود. در این فناوری می توان به سرعت 236.8 کیلوبیت برثانیه دست یافت.
گذر زمان و افزایش سطح انتظارات و نیازهایی همچون ارسال و دریافت فایل های چندرسانه ای حجیم، استفاده از ویدئو کنفرانس، نیاز به دریافت اطلاعات در هنگام حرکت، انجام بازی های آنلاین و بسیاری از موارد دیگر، باعث ساخت نسل سوم تلفن همراه با رویکرد مالتی مدیا شد. در نسل سوم تلفن همراه، فناوری های مختلفی در کشورهای متفاوت به وجود آمد. استاندارد UMTS(Universal Mobile Telecommunications System) که در سال 2001 توسط سازمان 3GPP(3rdGeneration Partnership Project) معرفی شد، فراگیرتر از سایر رقبا همچون WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) است. در نسل سوم تلفن همراه، سرعت دریافت تا 42 مگابیت برثانیه قابل دسترسی است. امنیت در این نسل بالاتر رفته و ژاپن اولین کشوری بود که از سال 2001 به صورت گسترده و تجاری از 3G استفاده کرد. پیشرفت های 3G نسبت به نسل قبل را می توان به صورت زیر خلاصه گفت:
1- اتصال به شبکه اینترنت با سرعت بالا و درحین حرکت
2- برقراری تماس تصویری
3- دانلود ویدئو، امکان دریافت کلیپ های تصویری بر روی گوشی تلفن همراه
4- امکان دریافت تصاویر تلویزیونی بر روی گوشی های تلفن همراه
5- ارائه انواع محتوای دیجیتال بر بستر شبکه تلفن همراه
این استاندارد که باتوجه به سرعت بالا نسبت به 2G، نیاز به تغییر برخی زیرساخت ها در کشور داشت، در 1389 وارد ایران شد.
با پیشرفت و نزدیک شدن به نسل چهارم، فناوری هایی جدیدی شکل گرفت که تحت عنوان نسل های 3.5G و 3.75G نام گذاری شدند. نسل 3.5، فناوری HSPA (High-Speed Downlink Packet Access) است که می تواند حداکثر سرعت 7.2 مگابیت بر ثانیه دست یابد. نسل 3.75، فناوری HSPA+ است که می تواند حداکثر سرعت 84 مگابیت بر ثانیه را به ارمغان آورد. هر دوی این فناوری ها توسط 3GPP ارائه شدند. در گوشی های تلفن همراه این دو فناوری با علامتهای H و H+ نمایش داده می شوند.
در نسل چهارم تلفن همراه، هدف افزایش ظرفیت، سرعت، کیفیت سرویس و مناطق تحت پوشش و همچنین کاهش هزینه است. یکی از استانداردهای ارائه شده برای 4G، استاندارد LTE (Long Term Evolution) است که توسط 3GPP ارائه شده است. از استانداردهای دیگر در این نسل، UBM (Ultra Mobile Broadband) و WIMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) هستند که برای WIMAX دو نسخه WIMAX1 و WIMAX2 ارائه شده است. این دو استاندارد نسبت به LTE محبوبیت کمتری دارند.
هدف 4G رسیدن به سرعت 100 مگابیت برثانیه در حال حرکت و 1 گیگابیت برثانیه در حالت سکون است که در مقایسه با نسل قبلی تفاوت چشمگیری محسوب می شود. از دیگر ویژگی های مهم نسل چهارم شبکه تلفن همراه این است که مکالمه صوتی نیز باید همانند داده به صورت بسته ارسال شود که به آن VoIP یا VoLTE (Voice on LTE)گفته می شود.
در ایران، ایرانسل اولین اپراتور ارائه دهنده LTE در سال 1393 بوده است که در ابتدا تنها مشهد و تهران و هم اکنون اکثر نقاط کشور را تحت پوشش دارد. اکنون این فناوری توسط هر سه اپراتور تلفن همراه (ایرانسل، همراه اول و رایتل) در کشور پشتیبانی می شود.
در راه رسیدن از 4G به 5G، فناوری هایی جدیدی به وجود آمدند. از جمله LTE-A (LTE Advanced) و MIMO (Multiple Input – Multiple Output) که عملکرد بهتری نسبت به 4G دارند. همراه اول، اولین اپراتور ارائه دهنده نسل 4.5Gتلفن همراه کشور بوده است. دو برتری 4.5G در مقایسه با 4G عبارتند از :
1- میانگین سرعت دانلود در 4.5G در حدود 2 تا 3 برابر بیشتر از 4Gاست
2- پشتیبانی از فناوری اینترنت اشیا باند باریک یا NB-IoT (Narrow Band IoT)
نسل آینده از شبکه های تلفن همراه، نسل پنجم تلفن همراه یا 5G است که احتمالاً در سال های نزدیک فراگیر خواهد شد. در نسل پنجم تلفن همراه، سرعت انتقال 20گیگابیت بر ثانیه هدف گذاری شده که افزایش چشمگیری خواهد بود. همچنین علاوه بر افزایش سرعت، فناوری هایی نوین به منظور کاهش مصرف توان در ساعات کم مصرف و همچنین بهبود پشتیبانی از ارتباطات ماشین به ماشین و بدون دخالت انسان (اینترنت اشیا)، با هزینه، مصرف باتری و تأخیر کمتر از نسل چهارم خواهد بود.
1- نسل های شبکه تلفن همراه مجموعه پیشرفت های سخت افزاری و نرم افزاری هستند که با به وجود آمدن مخابرات موبایل (متحرک) به وجود آمده اند.
2- هر یک از وسایل ارتباط رادیویی که توسط نهادها، شرکت ها و سازمان های دولتی و یا عموم مردم مورد استفاده قرار می گیرد، از بازۀ فرکانسی مخصوصی استفاده می کند.
3- روش های دسترسی به کانال به روش های استفاده از پهنای باند مشترک توسط چند سیستم مخابراتی است. انواع مختلف روش دسترسی به کانال وجود دارد که FDMAو TDMA و CDMA از این روش ها هستند.
4- تنها نسل اول شبکه تلفن همراه آنالوگ بود. نسل های دوم تا پنجم همگی دیجیتال هستند.
5- شروع به کار راه اندازی شبکه ای به منظور ارتباط موبایل، برای اولین بار در دهه 1960 در کشورهای اسکاندیناوی یعنی سوئد، نروژ و فنلاند و همچنین دانمارک شروع شد. پس از آن آمریکا، ژاپن، انگلستان، فرانسه و ایتالیا نیز هر کدام شبکه تلفن همراه خود را ساختند.
6- درسال 1985 موسسۀ ETSI متشکل از هفده کشور اروپایی در صدد طراحی و ابداع یک استاندارد مشترک برای ایجاد شبکه سلولی تاسیس شد. این استاندارد GSM نام گرفت.
7- در سال 1987، سیزده کشور اروپایی یادداشت تفاهمی تحت عنوان MoU امضا کردند، پیرو این تفاهم نامه، تمامی اعضا می بایست که استاندارد GSM را رعایت می کردند.
8- نسل های شبکه تلفن همراه شامل نسل دوم تلفن همراه، نسل سوم تلفن همراه و نسل چهارم تلفن همراه، دارای پیشرفت هایی شدند که نام آنها به ترتیب عبارت از2.5G و2.75G و3.5G و3.75G و4.5Gاست.
9- سازمان 3GPP یک همکاری بین گروه های انجمن استاندارد ارتباطات راه دور (ETSI) بوده است. در ابتدا حوزۀ فعالیت 3GPPمربوط به نسل سوم تلفن همراه بود اما در ادامه حوزه فعالیت آن گسترش یافته و حتی امروزه در استانداردهای نسل 5G نیز نقش دارد.
10- از ویژگی های مهم نسل چهارم شبکۀ تلفن همراه این است که مکالمه صوتی نیز باید همانند داده به صورت بسته ارسال شود که به آن VoIPیا VoLTE (Voice on LTE)گفته می شود.
11- دو برتری 5G در مقایسه با 4G عبارتند از :
اول: میانگین سرعت دانلود در 4.5Gدر حدود 2 تا 3 برابر بیشتر از 4Gاست.
دوم: پشتیبانی از فناوری اینترنت اشیا باند باریک یا NB-IoT (Narrow Band IoT)
12- در نسخۀ 13 از LTE دو فناوری مهم به نام های eMTC و NB-IoT معرفی شدند.
13- در نسل پنجم تلفن همراه، سرعت انتقال 20 گیگابیت بر ثانیه هدف گذاری شده که افزایش چشمگیری خواهد بود.
