الشبكات الالسلكية الدكتور خلدون خرزم ISSN: X

النسخ

1 الشبكات الالسلكية الدكتور خلدون خرزم ISSN: X

2 الشبكات الالسلكية الدكتور خلدون خرزم من منشورات الجامعة االفتراضية السورية الجمهورية العربية السورية 2020 هذا الكتاب منشور تحت رخصة المشاع المبدع النسب للمؤلف حظر االشتقاق )4.0 )CC BY ND يحق للمستخدم بموجب هذه الرخصة نسخ هذا الكتاب ومشاركته وإعادة نشره أو توزيعه بأية صيغة وبأية وسيلة للنشر وألية غاية تجارية أو غير تجارية وذلك شريطة عدم التعديل على الكتاب وعدم االشتقاق منه وعلى أن ينسب للمؤلف األصلي على الشكل اآلتي حصرا: خلدون خرزم اإلجازة في تقانة االتصاالت من منشورات الجامعة االفتراضية السورية الجمهورية العربية السورية 2020 متوفر للتحميل من موسوعة الجامعة Wireless Networks Khaldoun Khorzom Publications of the Syrian Virtual University (SVU) Syrian Arab Republic, 2020 Published under the license: Creative Commons Attributions- NoDerivatives 4.0 International (CC-BY-ND 4.0) Available for download at:

3 ط- الفهرس الفصل األول والثاني: مقدمة عن الشبكات الالسلكية والنموذج الشبكي... 1 مقدمة أنواع الشبكات اللاسلكیة فهم مبدأ تقاسم الطیف الترد دي تقنیات النفاذ المتعدد... Multiple Access تقنیات الطیف المنثور... Spread Spectrum تقنیات النفاذ العشواي ي... Random Access 17-3 أسئلة الفصل الفصل الثالث : وصف الشبكات الالسلكية المحلية Wireless local area networks description مقدمة: وصف الشبكات اللا سلكی ة المحلیة.WLAN 1- تطبیقات الشبكات اللاسلكیة المحلیة الشروط المطلوبة من الشبكات اللاسلكیة المحلیة معیرة الشبكات المحلیة اللاسلكیة تحالف... Wi-Fi 24-4 هيكلية الشبكة مجموعة الخدم تا الا ساسیة المستقلة Independent BSS أو المخص صة Ad hoc network الخدم تا مجموعة الا ساسیة ذات البنیة التحتیة... Infrastructure BSS Extended Service Set الخدم تا مجموعة الموس عة دعم التنقلیة mobility support. 5- المعیار وظا في بقة التحكم بالنفاذ في Medium Access Control خوارزمیة التنسیق الموزعة Distributed Coordination Function خوارزمیة التنسیق المركزیة Point Coordination Function 7- إطار طبقة ال...MAC 36

4 ط- م آليات العنونة أنواع الا طر الطبقة الفيزيائية الا سئلة الفصل الرابع: وصف الشبكات الالسلكية واسعة المجال ( networks Wideband wireless description (WIMax مقدمة تطور تقانات الشبكات اللاسلكیة واسعة الحزمة هيكلية الشبكة تقنیة الا رس لا وفق OFDMA -4 بنية الا طار التقنیات في الطبقة الفیزیاي یة كشف وتصحیح الا خطاء والتعدیل المتكیف تعدد الهواي یات بقة النفاذ جودة الخدمة الانضمام الشبكة إلى الا سي لة الفصل الخامس: وصف الشبكات الالسلكية الشخصية Wireless personal networks description مقدمة ا- لخصاي ص التقنیة للبلوتوث زایا البلوتوث هيكلية الشبكة الشبكة الص غریة الشبكة المنثورة الطبقة الرادیویة Radio Link

5 وصف الطبقة القاعدية Baseband layer -5 أنواع الترابط العنونة أطر البلوتوث وبنیتها تصحیح الا خطاء إجراي یة إنشاء الشبكة الا سي لة الفصل السادس: وصف نظام االتصاالت عبر الساتل Satellites communication description نظام الاتصالات ع رب الساتل 1 2- تصنیف الاتصالات ع رب الساتل مدارات السواتل السواتل المتزامنة مع الا رض )GEO( السواتل ذات المدار ذو الارتفاع المنخفض (LEO) السواتل ذات المدار ذو الارتفاع المتوسط (MEO) تطبیقات نظم السواتل 5- المجالات الترددیة للسواتل نطاق تغطیة الساتل تخامد الا شارة في جو الا رض -7-8 تشكیلات شبكة السواتل 9- تخصیص عرض حزمة الساتل الا سي لة الفصل السابع: وصف شبكات االتصاالت الخلوية )او النقالة( Cellular (Mobile) networks description مقدمة مبدأ عمل الشبكات الخلویة خ 1 طوات إجراء اتصال مبدأ التسلیم... Handoff 93

6 3-1 التحكم بطاقة الا رس لا شبكة الجیل الثاني... GSM network architecture بنیة شبكة نظام GSM بنیة إطار المعطی تا TDMA frame format بنیة شبكة GPRS 1-3 الخدم تا الجيل الثالث UMTS الجيل الرابع LTE -6 الا سئلة

7 الفصل الا ول والثاني: مقدمة عن الشبكات اللاسلكیة والنموذج الشبكي مقدمة: قام "غيميممو ماركوني" عام 1991 بإرسال إشارة السمكية عبر المحيط األطمسي من إنكمت ار إلى أمريكا بمسافة 0099 كيمومتر. أتاح اخت ارعو االتصال السمكيا بين جيتين عبر إرسال محارف مرمز ة بإشا ارت تماثمية. الحقا قادت التطو ارت خالل القرن الماضي بالتقانات الالسمكية إلى اخت ارع ال ارديو والتمفزيون واالتصاالت عبر األقمار الصنعية تبعيا اىتمام واسع وتطور متسارع بالشبكات الالسمكية والتقانات الخموية. ت عتبر الشبكات الالسمكية وسيمة سيمة إليصال الشبكة العنكبوتية )شبكة اإلنترنت( إلى أماكن من الصعب أن تصل إلييا أنواع مختمفة من الشبكات السمكية. إذ التيدف التقنيات الالسمكية إلى استبدال البني التحتية السمكية )كاألعمدة الفقارية لأللياف الضوئية( وانما تيدف إلى تدعيم تمك األنظمة وتوفير االتصال في المناطق التي يصعب فييا تركيب األلياف الضوئية أو غيرىا من األسالك األخرى فيمكن باستخدم التقنيات الحديثة أن تغطي الشبكة الالسمكية مساحة بقدر حي بأكممو أو قرية أو أكثر. تتميز الشبكات الالسمكية بإمكانية بنائيا بكمفة منخفضة جدا مقارنة مع البدائل السمكية التقميدية مما يتيح لعدد كبير من المستخدمين االستفادة من خدمات التواصل التقتصر فقط عمى الخدمات التي تقدميا شبكة اإلنترنت بل تمك ن المستخدمين من التواصل والتعاون عمى إنجاز مشاريع تغطي مسافات شاسعة. لقد أصبح من الممكن تبادل المحادثات الياتفية ورسائل البريد اإللكتروني وغيرىا من المعمومات بكمفة بخسة لمغاية. 1

8 1. أنواع الشبكات الالسمكية: جرى تطوير عدة أنواع من النظم والمعايير الالسمكية بناء عمى المتطمبات المختمفة. يمكن تصنيف تمك التقانات إلى أربعة أنواع بصورة تقريبية وفقا لمتطبيق المحدد ولمدى اإلرسال. يمخص الشكل 1-1 أنواع التقانات المختمفة. ت ستخدم شبكة االتصاالت الشخصية Networks) PAN (Personal Area المعروفة بالمعيار IEEE وتجاريا باسم Bluetooth لت ارسل المعطيات بين التجيي ازت الممحقة بالحاسوب المتعمقة بالمستخدم. وتغطي ىذه الشبكة مسافة عدة أمتار فقط. كما وت ستخدم شبكة االتصاالت الشخصية ىذه لت ارسل المعطيات بين تجيي ازت شخصية أو لموصول إلى شبكة اإلنترنت. تؤمن الشبكات الالسمكية المحمية Networks) LAN (Local Area المعروفة بالمعيار IEEE وتجاريا باسم WiFi الربط الالسمكي بين نقاط الشبكة والوصول إلى شبكة اإلنترنت بمسافة تصل إلى مئة متر أو أكثر. جرى تطوير الشبكات الالسمكية اإلقميمية Networks) MAN (Metropolitan Area المعروفة بالمعيار IEEE وتجاريا باسم WiMAX لتأمين الربط عريض الحزمة مع شبكة اإلنترنت لممشتركين الثابتين أو الجوالين ويصل مدى التغطية إلى عدة كيمومت ارت وضمن الظروف المواتية يمكن أن تبمغ عش ارت الكيمومت ارت. تغطي الشبكات واسعة المجال Networks) WAN (Wide Area مناطق جغ ارفية واسعة وتقوم بربط شبكات محمية بعضيا ببعض يمكن أن ت ستخدم نظم الساتل لربط تمك الشبكات وخاصة تمك الموجودة في المناطق النائية إضافة لذلك ي شار إلى أنظمة االتصال الخموية كأنظمة GSM و 3G وغيرىا كنظم شبكات واسعة المجال. 2

9 الشكل 1-1 التقانات الالسمكية المختمفة النموذج الشبكي متعدد الطبقات: ي شترط لتحقيق أي اتصال ضمن شبكة أن تتفق جميع نقاط الشبكة عمى بروتوكوالت ت ارسل المعطيات فيما بينيا. ونتيجة لتعقيد الميام المتعمقة بإرسال أو استقبال المعطيات بكل نقطة من نقط الشبكة اتفقت الجيات الدولية الناظمة لممعايير عمى توصيف الميام المتعمقة بت ارسل المعطيات وفق نموذج متعدد الطبقات. وجرى توصيف الميام المتعمقة بكل طبقة بحيث تعتمد كل طبقة عمى وظائف جميع الطبقات األدنى منيا قبل أن تتمكن من إج ارء االتصال ولكنيا تتبادل المعطيات مع الطبقة التي تعموىا مباشرة والتي تقع تحتيا مباشرة فقط. حظ ي النموذج TCP/IP بانتشار واسع وأصبح ىو المرجع الرئيسي لت ارسل المعطيات. نموذج :TCP/IP يشير مصطمح Protocol) TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet إلى مجموعة البروتوكوالت التي تتيح التواصل والتشبيك عبر شبكة اإلنترنت. يع رف نموذج TCP/IP خمسة طبقات عمى النحو المبي ن في الشكل 1-0: 3

10 الشكل 1-0: نموذج TCP/IP لمتشبيك تمثل الطبقة الفيزيائية physical layer وفق ىذا النموذج الناقل الفيزيائي الذي يجري من خاللو نقل المعطيات عبر الشبكة وتقوم تمك الطبقة بجميع الوظائف والميام الالزمة لتوليد اإلشا ارت قبل إرساليا عبر الناقل الفيزيائي. يمكن ليذا الناقل أن يكون سمكا نحاسيا مجموعة ألياف ضوئية موجات السمكية أو أي ناقل آخر. ت دعى الطبقة التالية طبقة وصمة المعطيات.data link ت ستخدم ىذه الطبقة عندما تتشارك نقطتان أو أكثر في ناقل فيزيائي واحد إذ تتولى ىذه الطبقة ميمة إيصال المعطيات إلى النقطة الوجية كما تقوم ىذه الطبقة بتوزيع صالحية إرسال المعطيات عبر الناقل الفيزيائي. من بروتوكوالت طبقة وصل المعطيات شائعة االستخدام بروتوكول اإليثرنت Ethernet بروتوكول نمط الناقل غير المت ازمن ATM إضافة إلى بروتوكوالت الشبكات الالسمكية. تسمى االتصاالت عمى مستوى ىذه الطبقة باالتصاالت المحمية ضمن الوصمة link local وذلك ألن جميع النقاط المتصمة عند ىذه الطبقة قادرة عمى التخاطب مع بعضيا البعض مباشرة. تتم عنوة النقاط في الشبكات التي تعمل وفق بروتوكول اإليثرنت باستخدام عنوان التحكم بالنفاذ إلى الناقل MAC address وىو رقم فريد مؤلف من 48 بت يتم تخصيصو لكل جياز عند تصنيعو. تعمو طبقة وصمة طبقة المعطيات طبقة اإلنترنت Internet التي تسمى ضمن نموذج TCP/IP بروتوكول اإلنترنت (IP).Internet Protocol يمكن لحزم المعطيات عند ىذه الطبقة مغادرة الشبكة المحمية ليعاد 4

11 إرسالها إلى شبكات أخرى. تتعهد الموجهات routers بتنفیذ هذه المهمة لا نها تملك بطاقتي شبكة على الا قل یقع كل منها ضمن إحدى الشبكات التي یجب ربطها ببعضها البعض. یمكن الوصول إلى الشبكة المتصلة بالا نترنت باستخدام عنوان الا نترنت IP الفرید المخصص لكل منها. ینبغي بعد التمكن من توجیه حزم المعطیات عبر شبكة الا نترنت إیجاد طریقة للوصول إلى خدمة معینة )أو تطبیق معین( متوفرة على عنوان إنترنت IP محدد تابع لجهاز ما.تتولى الطبقة التالیة )طبقة النقل )Transport هذه المهمة. من الا مثلة الشاي عة على بروتوكولات هذه الطبقة بروتوكولي TCP وUDP. تعمل بعض بروتوكولات طبقة النقل )مثل بروتوكول )TCP على ضمان وصول جمیع حزم المعطیات إلى وجهتها كما تضمن إعادة تجمیع هذه الحزم بشكلها الصحیح وایصالها إلى الطبقة التي تعلوها بالترتیب حیث توجد هذه الخدمة أو التطبیق المعی نین. تقع طبقة التطبیقات Application في أعلى الكدسة وهي الطبقة التي یتفاعل معها مستخدمي خدمات )أو تطبیقات( الشبكة وتشكل نقطة التواصل بین الشبكة والمستخدم. من بروتوكولات طبقة التطبیقات: بروتوكول الربط التشعبي HTTP بروتوكول نقل الملفات FTP وبروتوكول نقل الرساي ل البسیط.SMTP یتفاعل المستخدم مع طبقة التطبیقات ولایحتاج إلى درایة كبیرة بالطبقات التي تتوضع تحته لكي یتمكن من استخدام الشبكة بشكل فعال. محتوى المقرر: یبدأ المقرر بتوصیف التقنیات المختلفة المت بعة لتقاسم الطیف الترد دي بین المحطات اللاسلكیة ضمن شبكة معی نة ثم یفرد المقرر لكل صنف من الا صناف المفتاحیة للشبكات والنظم اللاسلكیة فصلا یشرح فیها الا جزاء الوظیفیة لهذه النظام ومنهجیة تراسل المعطیات لاسلكیا بین أجزاي ه الوظیفیة والخدمات التي یقدمها والتوجيات. 5

12 تقاسم فهم مبدأ الطيف الترد دي:.2 تستخدم االتصاالت الالسمكية األمواج الكيرطيسية )أو الكيرومغناطيسية( إلرسال اإلشا ارت الحاممة لممعمومات. تنتشر األمواج الكيرطيسية الحاممة لممعمومات من المرسل ضمن البيئة المحيطة بالمرسل )وسط االنتشار أو قناة االنتشار(. وتتأثر األمواج أثناء انتشارىا من ظواىر االنعكاس Reflection واالنتثار Diffraction والتخميد Attenuation وتمثل قناة االنتشار الجزء األعقد ضمن أي نظام اتصاالت السمكي. تنتشر األمواج الكيرطيسية ضمن مجال واسع من الترددات )وبالتالي أطوال الموجو(. ي دعى مجال الترددات وأطوال الموجة ىذا بالطيف الكيرطيسي )أو الطيف الترددي(. يبين الشكل 0-1 تقسيمات الطيف الترددي. Band Frequency range HF Band 3 to 30 MHz VHF Band 30 to 300 MHz UHF Band 300 to 1000 MHz L Band 1 to 2 GHz S Band 2 to 4 GHz C Band 4 to 8 GHz X Band 8 to 12 GHz Ku Band 12 to 18 GHz K Band 18 to 27 GHz Ka Band 27 to 40 GHz V Band 40 to 75 GHz W Band 75 to 110 GHz mm Band 110 to 300 GHz الشكل 0-1: تقسيمات الطيف الترددي 6

13 تقوم الحكومات عادة بتطبیق قوانین صارمة على استخدام الطیف الترددي والتي قد یكل ف الحصول على ترخیص للعمل ضمنها مبالغ طاي لة. لاسیما تلك المستخدمة لا غراض البث الا ذاعي والتلفزیوني إضافة إلى الاتصالات الصوتیة واتصالات نقل المعطیات. وعلى الرغم من ذلك فقد جرى الاتفاق عالمیا على تخصیص بعض المجالات الترددیة للاستخدامات الصناعیة العلمیة والطبیة ISM bands دون الحاجة إلى ترخیص وفق الشكل 0-0. تعمل معظم الا نظمة اللاسلكیة المنزلیة مثل:,Bluetooth,WiFi الخ... ضمن مجالات ISM من الطیف الترددي بینما تعمل أنظمة أخرى مثل: WiMax الا نظمة الخلویة الخ... خارج مجالات.ISM الشكل 0-0: المجاالت الترددية ISM إن الطيف الترددي مورد من الموارد المحدودة جدا ويشمل استخدامو مختمف أنواع النظم والتطبيقات الالسمكية إذ يمتد ليشمل التطبيقات التجارية والبث العام )التمفزيوني وال ارديوي( واألنظمة العسكرية والمدنية... ولكل نظام من النظم والتطبيقات المذكورة طيف ترددي محدد ومخصص لو ويبقى أحد التحديات األساسية في النظم واالتصاالت الالسمكية ىو االستخدام الفعال ليذا الطيف الترددي وتوفير آليات مناسبة لتنسيق ولوج المشتركين )أو مستخدمي ىذا النظام( إلى ىذا الطيف. تمجأ النظم الالسمكية إلى تقنيات متنوعة ليتشارك مشتركي نظام مع ين الطيف الترددي المخصص ليذا النظام ويمكن تصنيف تمك التقنيات وفق التالي: تقنيات النفاذ المتعدد Multiple Access تقنيات النفاذ العشوائي Random access تقنيات الطيف المنثور.Spread spectrum 7

14 .1.2 تقنیات النفاذ المتعدد Multiple Access تقسم تلك التقنیات إلى الطرق التالي: النفاذ المتعدد باقتسام التردد (FDMA(. Frequency-Division Multiple Access النفاذ المتعدد باقتسام الزمن (TDMA(. Time-Division Multiple Access النفاذ المتعدد باقتسام الرماز (CDMA(. Code-Division Multiple Access النفاذ المتعدد باقتسام الترددات المتعامدة Orthogonal Frequency Division Multiple. )Access )OFDMA النفاذ المتعدد باقتسام التردد : FDMA یتم تقسیم الحزمة الترددیة المخصصة لنظام الاتصالات اللاسلكیة إلى حیزات ترددیة صغیرة, كل حیز ترددي )channel( ی منح لمشترك واحد ویفصل بین هذه الحیزات الترددیة مایسمى بحزمة أمان band( )Guard لمنع التداخل بین الحیزات المتجاورة وهذا یتطلب وجود مرشحات عالیة الجودة والدقة في النظام لتحقیق هذا العزل. إن حجم الحیز الترددي یتعلق بنوع النظام اللاسلكي و بنوع الا شارة التي س ت رس ل على هذا الحیز وعند استخدام المحطة اللاسلكیة لحیز ما لا یمكن لمحطة ثانیة في نفس المنطقة استخدام نفس الحیز. یبین الشكل 0-0 مثالا لقناة اتصال بحزمة ترددیة محددة لنظام اتصال یتشارك فیها أربعة مستخدمین جرى تخصیص كل منهم بحیز ترددي لی رسل من خلال معطیاته طوال فترة تخصیصه بهذا الحیز. الشكل 0-0: تقنية النفاذ المتعدد باقتسام التردد 8

15 ت تیح هذه التقنیة إمكانیة التوافق مع التجهیزات اللاسلكیة التي تعمل وفق الا نظمة التقلیدیة FM) (Conventional كما تؤمن سهولة في بناء تخطیط الشبكات التي تستخدم هذه التقنیة كذلك من میزاتها عدم حراجة التزامن في الا نظمة العاملة وفق هذه التقنیة. ولكن بالمقابل تتطلب تجهیزاتها مرشحات عالیة الجودة. من أهم النظم التي تستخدم تقنیة ال FDMA هي: الا نظمة التماثلیة الهاتفیة النقالة مثل AMPS( )TACS, واألنظمة الرقمية النقالة مثل EDACS(,P25(. TETRAPOL, النفاذ المتعدد باقتسام الزمن :TDMA وفق ىذه التقنية تتقاسم عدة محطات لمشتركين ضمن نظام اتصاالت نفس الحزمة الترددية لإلرسال وحزمة ترددية أخرى لالستقبال. يجري تخصيص كل محطة ضمن ىذا النظام بحيز زمني محدد ضمن الحزمة األولى يقوم خالليا بإرسال المعطيات كما ويخصص لو حيز زمني آخر ضمن الحزمة األخرى الستقبال المعطيات. تقوم كل محطة بإرسال المعطيات بالتتابع خالل الحيز الزمني المخصص ليا فقط مما يتيح لعدة محطات باستخدام نفس الحزمة الترددية. يبين الشكل 0-4 مثاال لقناة اتصال بحزمة ترددية محددة لنظام اتصال يتشارك فييا أربعة مستخدمين جرى تخصيص كل منيم بحيز زمني لي رسل من خالل معطياتو طوال فترة تخصيصو بيذا الحيز. وىكذا فالمحطة الت رسل أو تستقبل طوال الوقت وانما خالل الحيز الزمني المخصص ليا فقط. تستخدم ىذه التقنية الحزمة الترددية بكفاءة أكثر من تقنية FDMA كما أنيا تعطي إمكانية نقل المعطيات بمعدالت عالية عبر تخصيص عدة حي ازت زمنية معا لنفس المستخدم ولكن بالمقابل تكمن الصعوبة األساسية بأنظمة TDMA بتحقيق الت ازمن بين المحطات المختمفة فإن الت ازمن يعتبر من البا ارمت ارت الحرجة جدا في النظم التي تستخدم ىذه التقنية ويزيد من ىذه الصعوبة التأخير الزمني الناتج عن انتشار إشا ارت المحطات المتباعدة عن بعضيا البعض ولمتعويض عن ىذا التأخير يجري إدخال زمن حماية بين كل حيز زمني وآخر كما أنيا تعاني أكثر من مشاكل تعدد المسا ارت التي تتعرض ليا اإلشارة أثناء انتشارىا من المرسل إلى المستقبل. من أىم األنظمة التي تستخدم تقنية TDMA ىي: نظام االتصاالت النقالة GSM و IS-136 كما ويستخدم بشكل واسع في نظم السواتل. 9

16 الشكل 0-4: تقنية النفاذ المتعدد باقتسام الزمن النفاذ المتعدد باقتسام الرماز :CDMA تحتمف تقنية CDMA عن تقنية FDMA بأن محطة واحد تشغل كامل الحزمة الترددية المخصصة وتختمف عن تقنية TDMA بأنو بإمكان جميع المحطات اإلرسال معا. إذا بيذه التقنية تحمل الحزمة الترددية جميع إشا ارت المحطات بآن واحد. لتحقيق ذلك بدون حصول تداخل أو تشويش بين إشا ارت المحطات تستخدم CDMA تقنية الطيف المنثور ونظام ترميز خاص. يعتمد نظام الترميز عمى نظرية الترميز theory) (coding ووفقيا يجري تخصيص كل محطة )مشترك( برماز Code يتألف من سمسمة من األعداد الثنائية تدعى الرقاقة.(Chip) يجري اختيار الرقاقات بحيث تحقق خاصية التعامدية فيما بينيا. يبين الشكل 0-5 نظام CDMA يتألف من أربعة محطات كال منيا مخصصة برقاقة C. x 10

17 الشكل 0-5 : تقنية النفاذ المتعدد باقتسام الرماز يكون معدل إرسال المحطة مساويا لمعدل لمعطيات المحطة مضروبا بعدد خانات الرقاقة وبذلك يكون طيف اإلشارة المرسمة أعمى بكثير من طيف اإلشارة األصمية. إذا رغبت محطة ما بإرسال معطيات فإنيا ترسل الرقاقة الخاصة بيا أو عكسيا بحسب قيمة البت قيد اإلرسال "1" أو "9" أي d 1.c 1 حيث d 1 البت قيد اإلرسال لممحطة 1 و c 1 الرقاقة الخاصة بالمحطة المؤلفة من عدد من البتات. وبيذا تت اركب رقاقات المحطات ضمن قناة االنتشار. يبين الشكل 0-5 السابق اإلشارة المت اركبة ضمن قناة االنتشار الم رسمة من المحطات األربعة. ونظ ار لخاصية التعامد بين رقاقات المحطات فيمكن استخالص إشارة أية محطة من المحطات المرسمة عن طريق إج ارء عممية الجداء الداخمي بين رقاقة المحطة الم ارد استخالص إشارتيا واإلشارة المستقبمة من قناة االنتشار أي بحال استخالص إشارة المحطة.Data=(d 1.c 1 +d 2.c 2 +d 3.c 3 +d 4.c 4 ).c 1 :1 يمكن لمنظم العاممة وفق تقنية CDMA أن تخد م عدد أكبر من المشتركين ضمن حزمة ترددية محددة مقارنة مع تقنيات FDMA و TDMA كما أن الطاقة المعد ة لإلرسال ىي أقل من مثيالتيا مقارنة مع باقي التقنيات. من أىم النظم التي تستخدم تقنية CDMA ىي: أنظمة الياتف النقال CDMAOne, CDMA2000 و 3G. من المالحظ أنو يمكن اعتبار تقنية CDMA كإحدى تقنيات الطيف المنثور كما سيجري شرحو. 11

18 النفاذ المتعدد باقتسام الترددات المتعامدة. OFDMA جرى تطویر تقنیة (OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing - التي تعتمد على إرسال معطیات مشترك محدد باستخدام حوامل فرعیة متعددة ومتعامدة فیما بینها - لتصبح تقنیة نفاذ متعدد.OFDMA وفق هذه التقنیة ت قسم عرض الحزمة المتاحة للا رسال إلى عدد كبیر من الحوامل الترددیة الفرعیة المتعامدة فیما بینها ویجري إرسال معطیات الدخل عبر توزیعها على الحوامل الفرعیة وفق خوارزمیة معینة. تقوم المحطة القاعدیة بتخصیص كل مشترك مرتبط مع نظام الاتصال بعدد معی ن من الحوامل الفرعیة مما یسمح لعدة مشتركین بالا رسال في وقت واحد. یوضح الشكل 6-0 مثالا لتوزیع الحوامل الفرعیة على أربعة محطات كلا منهم مخ صص بعدد محدد من الحوامل الفرعیة. الشكل 0-6 مثال عمى توزيع الحوامل الفرعية المتعامدة عمى أربعة مشتركين من مي ازت ىذه التقنية إمكانية تخصيص كل مشترك بحوامل فرعية خالل فترة محددة لتمبية احتياجاتو وفق جودة الخدمة المطموبة كما ويمكن التحكم بطاقة اإلرسال الالزمة لكل مشترك عمى حدة إضافة إلى ممانعة ىذا التقنية لمتداخل الناتج عن تعدد المسا ارت. من أىم النظم التي تستخدم تقنية OFDMA ىي: شبكات WiMAX ذات المعيار IEEE وشبكات االتصاالت النقالة.3GPP LTE يمخص الشكل 0-7 تقنيات النفاذ المتعدد المختمفة ويذكر بعض األنظمة النقالة التي تستخدميا. 12

19 الشكل 0-7 تقنيات النفاذ المتعدد وأمثمة عن األنظمة المستخدمة ليا 2.2. تقنيات الطيف المنثور Spread Spectrum تيدف تقنيات الطيف المنثور إلى االستخدام الفعال لعرض الحزمة الترددية فقد جرى تصميم تقنيات الطيف المنثور لمنظم الالسمكية مثل: الشبكات الالسمكية المحمية والواسعة المجال. كان ىدف تقنيات الطيف المنثور ببداياتو لالستخدامات العسكرية لتجنب التشويش عمى االتصاالت ولمنع التنصت أيضا بينما أصبح استخدامو الحقا في النظم الالسمكية لتشارك الحزمة الترددية بين عدد من المستخدمين أو عدد من النظم. تقوم فكرة ىذه التقنية عمى زيادة عرض حزمة اإلشارة األصمية قيد اإلرسال بشكل كبير بحيث تصبح بعرض الحزمة الترددية المخصصة لنظام االتصاالت. فإذا كان عرض حزمة اإلشارة األصمية B فبعد خضوعيا لعممية النثر عبر رماز النثر يصبح عرض حزمة اإلشارة المعد ة لإلرسال Bss وبحيث يكون Bss>>B كما يبين الشكل

20 الشكل 0-8: تقنية نثر الطيف ويبين الشكل 0-9 مخطط عام لنظام اتصاالت بالطيف المنثور. يجري إدخال المعطيات المعد ة لإلرسال إلى مرمز القناة الذي ي نتج إشارة بحزمة ضيقة حول تردد مركزي معين. ت عد ل تمك اإلشارة بعد ذلك باستخدام سمسمة من البتات ت عرف بسمسمة النثر أو رماز النثر. وعادة ولكن ليس دائما يجري توليد سمسمة النثر عن طريق مولد شبو عشوائي. واليدف من ىذا التعديل ىو زيادة عرض حزمة اإلشارة بشكل كبير. ومن جية االستقبال يجري استخدام نفس سمسمة لفك تعديل اإلشارة المستقبمة قبل إدخاليا إلى مفكك الترميز الستخالص اإلشارة. الشكل 0-9: مخطط عام لنظام اتصاالت بالطيف المنثور توجد تقنيتان لمطيف المنثور: النثر بالقفز الترددي Frequency-Hopping Spread Spectrum والنثر بالسمسمة المباشرة.Direct-Sequence Spread Spectrum 14

21 الطیف المنثور بالقفز الترددي : Frequency-Hopping Spread Spectrum یعمل نظام الاتصال بالقفز الترددي ضمن حزمة ترددیة محددة یجري تقسیم تلك الحزمة إلى عدد من القنوات الجزي یة المخصصة لا رسال إشارات )معطیات( نظام القفز الترددي. یبلغ عدد الترددات الحاملة k م شكلة k قناة. وتكون المسافة الترددیة بین كل قناة وأخرى مجاورة ومنه عر ض كل قناة تابعة لعرض حزمة إشارة الدخل. یعمل المرسل على قناة واحدة لفترة محددة من الزمن. وخلال هذه الفترة یجري إرسال عدد من بتات إشارة الدخل باستخدام ترمیز ما ثم ینتقل النظام لیعمل على قناة أخرى. ت ح دد سلسلة النثر تتابع القنوات المستخدمة وت ح دد طول الفترة الزمنیة المخصصة لكل قناة تردد القفز.hop/sec یستخدم المرسل والمستقبل نفس سلسلة النثر وبتحقیق التزامن بین سلسلة نثر المرسل والمستقبل یقوم المستقبل باستقبال الا شارة على القناة المحددة خلال الزمن المحدد. یبین الشكل 19-0 مثال نظام الطیف المنثور بالقفز الترددي حیث یبین a الحزمة الترددیة والقنوات الجزي یة والترددات الحاملة الموافقة بینما یبی ن b عمل نظام القفز زمنیا. الشكل 0-19: مثال عمى نظام الطيف المنثور بالقفز الترددي من م ازيا ىذه التقنية ممانعتيا العالية لمتداخل ضيق الحزمة interference) (narrowband كما أنو يمكن لمنظم العاممة وفق القفز الترددي أن تتشارك مع أنظمة تقميدية أخرى بالحد األدنى من التداخل إضافة إلى صعوبة اعت ارض اإلشا ارت الم رسمة. من أىم النظم التي تستخدم تقنية القفز الترددي ىي: Bluetooth ذات المعيار IEEE والجيل األول من الشبكات الالسمكية المحمية ذات المعيار.IEEE

22 الطیف المنثور بالسلسة المباشرة : Direct-Sequence Spread Spectrum وفق تقنیة الطیف المنثور بالسلسلة المباشرة یجري تمثیل كل بت من الا شارة الا صلیة بسلسلة من البتات ضمن الا شارة المرسلة باستخدام سلسلة نثر.Spreading code تقوم سلسلة النثر بنثر الا شارة الا صلیة على مجال ترددي أعرض یتناسب مع عدد البتات المستخدمة مقابل كل بت. إحدى التقنیات المت بعة بالسلسلة المباشرة هي بضم الا شارة الا صلیة الرقمیة مع سلسلة بتات النثر باستخدام العملیة المنطقیة.Exclusive-OR یبین الشكل 11-0 مثالا على النثر بالسلسلة المباشرة. یظه ر على الشكل أن البت ذو القیمة "1" ت عك س قیم سلسلة النثر الموافقة لها بینما ت رسل قیم سلسلة النثر الموافقة لبت المعطیات ذو القیمة "9" بدون عكس. ویكون معدل إرسال المعطیات مساویا لمعدل سلسلة النثر وبهذا یكون عرض حزمة الا شارة الم رسلة أعرض من عرض حزمة الا شارة الا صلیة. وبتحقیق التزامن بین سلسلة نثر المرسل والمستقبل یقوم المستقبل بتطبیق سلسلة النثر على الا شارة المستقب لة لاستخلاص الا شارة الا صلیة. إن معدل البت في سلسلة النثر - في هذا المثال - هي أربعة أضعاف معدل البت في الا شارة الا صلیة. الشكل 0-11 مثال عمى نثر الطيف بالسمسة المباشرة من أىم النظم التي تستخدم تقنية نثر الطيف بالسمسة المباشرة ىي: الجيل األول من الشبكات الالسمكية المحمية ذات المعيار.IEEE

23 .3.2 تقنیات النفاذ العشواي ي Random Access بتقنیة النفاذ العشواي ي ت عتبر جمیع المحطات اللاسلكیة لنظام ما المتشاركة بقناة ترددیة متكافي ة فیما بینها إذا لاتوجد أیة أفضلیة مسبقة لمحطة لاسلكیة على الا خرى في الا رسال ولایمكن لا یة محطة أن تسمح أو تمنع محطة أخرى من الا رسال. فعندما تقرر محطة إرسال معطیات تقوم با تباع إجراي یة تحددها تقنیة النفاذ العشواي ي المتبعة لاتخاذ القرار بالا رسال أو عدم الا رسال. یعتمد هذا القرار على حالة قناة الانتشار - مشغولة أو فارغة. وهكذا تقوم جمیع المحطات اللاسلكیة بتنفیذ خوارزمیة موزعة یجري من خلالها تحدید أولویة الا رسال بین المحطات. س می ت هذه التقنیة بالنفاذ العشواي ي نتیجة خاص یتین اثنتین وهما: أولا لا یوجد جدول زمني لا رسال المعطیات للمحطة فالا رسال عشواي ي بین المحطات ثانیا لا توجد قواعد لتحدید أیة محطة یجب أن ت رسل لاحقا وانما تتنازع المحطات فیما بینها للنفاذ إلى قناة الا رسال. بحال إذا قامت أكثر من محطة بالا رسال بوقت واحد ستتصادم الا شارات مع بعضها البعض وسیحصل تصادم وستتلف حزم المعطیات. لذلك ولتجنب التصادم بین إشارات المحطات ولمعالجة تلف حزم المعطیات في حال حدوثها یتوجب على الخوارزمیة الا جابة على مایلي: - متى تقرر المحطة النفاذ إلى قناة الانتشار كیف تتصرف المحطة إذا كانت قناة الانتشار مشغولة - كیف یمكن للمحطة تحدید نجاح أو فشل - الا رسال - كیف یمكن أن تتصرف المحطة بحال حدوث تصادم تستخدم شبكات الا یثرنت السلكیة خوارزمیة "تحسس الحامل مع كشف التصادم"/ Access CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Collision Detection ولكن لا یمكن استخدام هذه الخوارزمیة في حال الانتشار اللاسلكي للا شارات إذ یكون المجال الدینامیكي للا شارة في وسط الانتشار واسعا ولا یمكن للمحطة اللاسلكیة التمییز بین الا شارة المستقبلة الضعیفة وبین الضجیج ومنعكسات إرسال المحطة ذاتها عدا أن التصادم یضیف طاقة محدودة للا شارة المنتشرة مما یجعل تمییز التصادم غیر ممكنا. جرى اعتماد آلیة تجنب التصادم إضافة لا لیة تحسس الحامل لتصبح خوارزمیة النفاذ المتعدد في وسط الانتشار اللاسلكي هيAvoidance (CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision. خوارزمیة CSMA/CA یعتمد عمل الخوارزمیة على الا مور التالیة: زمن التا خیر (IFS (Inter Frame Space ونافذة التنازع contention window واشعارات الاستلام.Ack یبین الشكل 10-0 مبدأ عمل الخوارزمیة. 17

24 CSMA/CA الشكل 0-10 مبدأ عمل خوارزمية تعمل الخوارزمية CSMA/CA وفق التالي: في حال جيوز معطيات لإلرسال في طبقة ال MAC وقبل البدء بتسميميا لمطبقة الفيزيائية تمييدا إلرساليا عبر وسط االنتشار تقوم المحطة الالسمكية بتحسس قناة االنتشار وفي حال انشغاليا تتصرف خوارزمية CSMA/CA وفق التالي انظر الشكل تستمر المحطة بتحسس قناة االنتشار إلى حين شغورىا ثم تنتظر المحطة زمن IFS )محدد مسبقا من قبل الخوارزمية( وخالل زمن االنتظار ىذا والستكمال إج ارئيات البدء باإلرسال يجب أن تبقى قناة االنتشار شاغرة واال فالعودة لبداية الخوارزمية. بعد انقضاء زمن IFS تنتظر المحطة فترة أخرى تسمى "نافذة التنازع".contention window ت مث ل "نافذة التنازع" مقدا ار زمنيا ي قس م إلى فجوات زمنية متساوية ويعتمد زمن االنتظار عمى رقم شبو عشوائي تختاره الخوارزمية ويمثل الرقم عدد الفجوات الزمنية الواجب انتظارىا من قبل المحطة. يجب عمى المحطة تحسس قناة االنتشار بعد كل فجوة زمنية ففي حال جرى انشغاليا توقف المحطة عدادىا الخاص بالفجوات الزمنية لتعيد تشغيمو بعد شغور قناة االنتشار واال وعند انقضاء عد اد الفجوات الزمنية تقوم المحطة باإلرسال. تفيد "نافذة التنازع" بتحديد أولوية اإلرسال بين المحطات المتنازعة من أجل اإلرسال. أم ا في حال تحسست المحطة قناة االنتشار تمييدا لإلرسال وكانت شاغرة يجري تأخير اإلرسال بمقدار زمني تحدده الخوارزمية إذ وان كانت قناة االنتشار شاغرة عند تحسسيا يمكن لمحطة بعيدة أن تكون قد بدأت اإلرسال ولم تصل إشارتيا بعد لممحطة التي تتحسس القناة. فبعد انقضاء زمن االنتظار مع عدم تحسس أية إشارة خاللو يمكن لممحطة البدء باإلرسال. تنتظر المحطة الم رس مة زمنا time out يتوجب أن تتمقى خاللو إشعا ار باالستالم من المحطة المستقب مة لمداللة عمى صحة االستالم. فإذا لم تتمق ىذا اإلشعار خالل تمك الفترة تعتبر المحطة أن حزمة المعطيات لم تصل إلى المستقبل فتعاود تنفيذ خوارزمية CSMA/CA من جديد. ت ساىم خوارزمية CSMA/CA في الحد من التصادم عبر استخدام كال من زمن التأخير IFS ونافذة التنازعwindow contention كما تضمن صحة إيصال المعطيات إلى المستقبل عبر إشعا ارت االستالم. تستخدم الشبكات الالسمكية ذات المعيار IEEE خوارزمية النفاذ المتعدد CSMA/CA عندما تعمل وفق نمط.Ad hoc networks 18

25 3. األسئمة: 1. ما فائدة جعل النموذج TCP/IP عمى شكل طبقات 2. أي من طبقات النموذج TCP/IP تقوم بكل ميمة من الميام التالية: التحكم بالتدفق - التوافق مع وسط النقل - التسميم الموثوق من إج ارئية إلى إج ارئية - اختيار مسار الطرد تقديم خدمات لممستخدم مثل: نقل الممفات - تصحيح األخطاء واعادة اإلرسال - نقل الطرود بين العقد المتجاورة - إرسال دفق من البتات عبر وسط النقل - تأمين اإلرسال الموثوق لممعطيات - تحديد األطر المجيزة لإلرسال. 3. عر ف تقنية النفاذ المتعدد ولماذا نحتاج إلى تمك التقنية 4. وضح كيف يتشارك عدة مستخدمين قناة االتصال وفق كل تقنية ممن تقنيات النفاذ المتعدد وما ىي م ازيا ومساوئ كل تقنية من تمك التقنيات 5. قارن بين تقنيات النفاذ المتعدد من حيث عدد المستخدمين وطاقة اإلرسال الالزمة. 6. وضح مي ازت تقنية النفاذ المتعدد باقتسام الترددات المتعامدة بالمقارنة مع تقنية النفاذ المتعدد باقتسام التردد 7. لماذا جرى استخدام تقنية النفاذ المتعدد باقتسام الترددات المتعامدة بأنظمة االتصاالت الالسمكية الحديثة 8. ما اليدف من تقنيات الطيف المنثور. 9. كيف تحقق تقنية القفز الترددي نثر الطيف 11. كيف تحقق تقنية السمسمة المباشرة نثر الطيف 11. اشرح المخطط الصندوقي لم رسل بتقنية نثر الطيف. 12. عرف النفاذ العشوائي. 13. لماذا اليمكن استخدام خوارزمية "تحسس الحامل وكشف التصادم" في حالة االنتشار الالسمكي 14. مافائدة "نافذة التنازع" في خوارزمية CSMA/CA 15. كيف تضمن خوارزمية CSMA/CA صحة إيصال المعطيات 19

26 الفصل الثالث: وصف الشبكات اللاسلكیة المحلیة Wireless local area networks description مقدمة: وصف الشبكات اللا سلكی ة المحلیة :WLAN ظير مفيوم الشبكات الالسمكية المحمية (WLAN) Wireless Local Area Networks في بدايات تسعينيات القرن الماضي بيدف دعم شبكات اإليثرنت (Ethernet) السمكية بدون المجوء إلى استخدام وصالت سمكية عبر تأمين اتصال السمكي بين المستخدم وشبكة اإليثرنت باستخدام مجال ترددي متاح مجانا اليحتاج إلى ترخيص. وبيذا فقد جرى تصميم بروتوكوالت الشبكات الالسمكية المحمية بحيث تعمل ( بوجود أنواع أخرى من األجيزة تعمل ضمن نفس المجال الترددي. ومؤخ ار وخالل السنوات الماضية اكتسبت WLAN موقعا ىائال في سوق الشبكات المحمية (LAN) Local Area Network وأصبحت من أكثر تقانات االتصاالت الالسمكية قبوال وانتشا ار مؤ منة معدل نقل معطيات أعمى من التقانات الالسمكية الم م عيرة األخرى. تعتمد WLAN عمى معايير تقدم حموال عممية متكاممة لمربط الشبكي عمى مستوى الطبقة األولى الفيزيائية( والثانية )وصمة المعطيات( بشكل يؤمن الحركية والمرونة وسيولة التركيب. وت زو د اليوم معظم األجيزة المحمولة عمى اختالف أنواعيا ببطاقة شبكة السمكية مثل: الحواسب المحمولة األجيزة الخموية األجيزة الموحية وغيرىا. ي عتبر التطبيق األساسي لم WLAN تأمين ولوج األجيزة المحمولة إلى شبكة اإلنترنت في مختمف بيئات العمل مثل حرم الجامعات واألماكن العامة كمحطات القطا ارت والمطا ارت والكثير غيرىا حيث يجرى نشر نقاط ولوج Point) (Access لتأمين الربط بين األجيزة المحمولة وشبكة اإلنترنت في تمك األماكن. كما تتيح معايير WLAN عمميات االتصال بين جيازين بطريقة الند-لمند بيدف تبادل ممفات أو ألغ ارض أخرى مختمفة. 20

27 تطبيقات الشبكات الالسمكية المحمية:.1 تشمل مجاالت تطبيق الشبكات الالسمكية المحمية WLAN النواحي التالية: توسعة مجال الشبكات المحمية السمكية: إذ ازدادت الحاجة لتوفر الشبكات المحمية بأماكن يصعب فييا نشر كابالت شبكية مثل: المستودعات الكبيرة والمنتشرة عمى مساحة جغ ارفية واسعة المصانع ومحيطيا الخاص المباني ذات األماكن الواسعة المفتوحة المباني غير المسموح نشر كبالت شبكية داخميا بسبب عوامل مختمفة... في ىذه الحاالت تقدم الشبكات الالسمكية المحمية بديال جذابا. إذ تربط الشبكة المحمية السمكية مخدمات (servers) الشبكة وبعض محطات العمل الثابتة بينما تتولى أجيزة الشبكات الالسمكية - المرتبطة مع الشبكة السمكية المحمية- ربط المستخدمين إلى الشبكة المحمية والى اإلنترنت أيضا. الربط الشبكي لعدة أبنية بعضيا ببعض: ربط عدة شبكات محمية LAN متوض عة داخل أبنية متجاورة بعضيا ببعض عبر وصمة السمكية فيما بينيم نوع نقطة-لنقطة. إنشاء شبكات مخصصة :Ad hoc networking ىي شبكة السمكية تجمع بين أجيزتيا )الحواسب( عالقة الند- لمند ت نشأ بشكل مؤقت دون الحاجة ألي ة بنية تحتية بيدف تمبية بعض المتطمبات )تبادل ممفات االنخ ارط في لعبة جماعية بين الحواسب...( وبالتالي يمكن لمجموعة من الحواسب ضمن مجال إرسال بعضيم البعض من تشكيل شبكة السمكية بشكل مؤقت فيما بينيم. 21

28 2. الشروط المطموبة من الشبكات الالسمكية المحمية: يتوجب عمى WLAN تمبية متطمبات تماثل لما تقدمو الشبكات المحمية السمكية LAN تتضمن فيما تتضمنو: تأمين سعة نقل عالية إمكانية تغطية منطقة محددة االتصال الكامل بين الحواسب المرتبطة مع الشبكة المحمية إمكانية تحقيق عممية البث broadcast عمى مستوى الشبكة المحمية. إضافة لذلك ىناك بعض الجوانب تفرضيا البيئة التي تعمل ضمنيا WLAN األكثر أىمية ىي: اإلنتاجية :Throughput عمى بروتوكول طبقة النفاذ االستفادة الفعالة من وسط االنتشار الالسمكي لرفع اإلنتاجية إلى أقصاىا. عدد العقد المتصمة: يمكن لمئات العقد )الحواسب...( االرتباط مع الشبكة الالسمكية.WLAN الربط مع الشبكة السمكية LAN الفقارية: ت ربط WLAN في أغمب التطبيقات مع الشبكة السمكية LAN التي تشكل العمود الفقاري لمشبكة المحمية ككل. مساحة الخدمة: تت اروح مسافة تغطية WLAN بين 011 متر إلى 011 متر وفق شروط انتشار اإلشارة الم رس مة. طاقة البطارية: يمكن لبروتوكول طبقة النفاذ تخفيض استيالك طاقة البطارية في حال عدم وجود تبادل معطيات وذلك عن طريق وضع بطاقة الربط الالسمكية لمجياز بنمط العمل "وضعية النوم". نتيجة االنتشار الواسع لشبكات WLAN فمن المرجح أن تعمل عدة شبكات WLAN ضمن نفس المنطقة الجغ ارفية أو ضمن منطقة تتداخل فييا إشا ارت عدة شبكات السمكية بتقانات مختمفة والتي يمكنيا أن تعيق عمل خوارزمية طبقة النفاذ. تتعرض الشبكات الالسمكية -نتيجة لطبيعة انتشار اإلشا ارت- إلى التشويش والتنصت فعمى بروتوكول طبقة النفاذ أن يؤمن ت ارسل معطيات موثوق حتى بوجود ضجيج كما وأن يؤمن بعض األمان لمنع التنصت عمى المعطيات المرسمة. من المفض ل ش ارء وتركيب أجيزة WLAN دون الحاجة لمحصول عمى ترخيص الستخدام النطاق الترددي الذي تعمل عميو األجيزة الالسمكية. يجب عمى بروتوكول طبقة النفاذ تأمين انتقال الجياز )الحاسوب( المتنقمة من خمية إلى أخرى ضمن الشبكة المحمية الالسمكية. يجب أن تتيح طبقة النفاذ MAC addressing وبعض آليات إدارة الشبكة ضم مستخدمين جدد إلى الشبكة أو فصل بعض المستخدمين عن الشبكة بشكل آلي وديناميكي دون أن يؤثر ذلك عمى مستخدمي الشبكة اآلخرين. 22

29 3. معيرة الشبكات المحمية الالسمكية: قامت ىيئة المعايير والمقاييس IEEE بتعريف المعيار بيدف توصيف ومعيرة الشبكات الالسمكية المحمية WLAN ووضعيا قيد التطبيق العممي وقد سار ىذا المعيار عبر عدة أجيال لمواكبة التطو ارت التقانية ولتمبية حاجات المستخدمين المت ازيدة. يبين الشكل 0-0 تطور أجيال المعيار موضحا تطور معدل النقل بين جيازين من أجيزة الشبكة الالسمكية. يالحظ من الشكل وجود عد ة خطوط بيانية لمعدل النقل فقد عر ف الجيمين األوليين من المعيار و b معدل نقل ثابت بينما ووفقا لألجيال الالحقة a/g فأعمى عر ف المعيار معدل نقل أدنى min يجري استخدامو ضمن شروط سيئة النتشار اإلشارة بينما يمكن الوصول إلى معدل النقل األعمى std max الذي يحدده المعيار ضمن شروط مثالية النتشار اإلشارة ولكن يصعب الوصول إلى ىذا المعدل الموص ف ضمن المعيار نظ ار لصعوبة تنجيزه عمميا وفق التقانات المتاحة لذلك يوض ح المنحني البياني معدل النقل األعظمي الممكن تنجيزه وفق التقانات المتاحة حالياmax product بينما ضمن الشروط الطبيعية النتشار اإلشارة يحقق المعيار معدل نقل نموذجي وفق المنحني المبي ن.typical أتاح معيار الشبكات الالسمكية استخدام تقانات إرسال متنوعة ىي: األشعة تحت الحم ارء infrared الطيف المنثور Spread spectrum األمواج الميكروية ضيقة الحزمة Narrowband microwave بينما تركزت تقانات اإلرسال في المعايير الالحقة عمى الطيف المنثور وىي الشائعة حاليا. تعتمد WLAN في الكثير من تطبيقاتيا عمى التنظيم متعدد الخاليا -كما سيأتي شرحو الحقا وتستخدم الخاليا المتجاورة قنوات ترددية مختمفة - وفقا لتقنية الطيف المنثور المستخدمة- لتجنب التشويش المتبادل فيما بينيم. 23

30 - Wirless Communications Networks 1.3. تحالف : Wi-Fi عندما جرى قبول معاییر على نطاق واسع كان هاجس الشركات الصانعة لا جهزة الشبكات اللاسلكیة أن تعمل منتجاتها المختلفة مع بعضها البعض بالرغم من الاعتماد على المعیار ذاته. لمواجهة هذه المعضلة سعى تجمع من الشركات الصانعة - جرت تسمیته ب) Wi-Fi ) Wireless Fidelity في عام 0999 إلى وضع مجموعة من الاختبارات لفحص التجهیزات المصنعة من قبل الشركات وفق معاییر والتیقن من مطابقتها للمعیار ومن عملها المشترك مع التجهیزات المماثلة المصنعة من شركات أخرى ثم إعطاي ها وثیقة مطابقة.Wi-Fi الشكل 0-0: تطور أجيال الشبكات الالسمكية المحمية ويشير الرقم داخل الدوائر إلى معدل النقل مقد ار ب Mbps 24

31 4. هيكمية الشبكة: تتألف ىيكمية من عدة مكونات components تتفاعل فيما بينيا لتشكل شبكة السمكية تدعم تنقمية األجيزة وجعل تمك التنقمية شفافة لمطبقات العميا )الطبقات األعمى من طبقة.(MAC يعر ف المعيار المبنة األساسية في الشبكات المحمية الالسمكية ما ي دعى ب "مجموعة الخدمات األساسية" (Basic (BSS)) Service Set التي تتكون من محطتين السمكيتين أو أكثر تعمل معا وفق المعيار تتحكم بيم خوارزمية ضمن طبقة ال MAC لتقرر متى ي سمح لمحطة بأن ت رسل ومتى يمكنيا االستقبال من الوسط المحيط. يوص ف المعيار نوعين من ىيكمية الشبكة الالسمكية المحمية ت دعى الييكمية األولى ب "مجموعة الخدمات األساسية المستقمة" Independent BSS بينما ت دعى الييكمية األخرى ب "مجموعة الخدمات األساسية ذات البنية التحتية". Infrastructure BSS يبين الشكل 0-2 الييكميتين المذكورتين. وباالعتماد عمى الييكمية ذات البنية التحتية وص ف المعيار أيضا ىيكمية ت دعى "مجموعة الخدمات الموس عة" (ESS)) (Extended service set كما يبين الشكل 0-0. Ad hoc مجموعة الخدمات األساسية المستقمة Independent BSS أو المخص صة.1.4 :network تتكون ىذه الييكمية -a 0-2 من محطتين السمكيتين أو أكثر ت شك ل شبكة بدون بنية تحتية وتت ارسل المحطات فيما بينيا بشكل مباشر وفق منيجية الند-لمند بشرط وجودىا ضمن المجال ال ارديوي المشترك واليمكن لممحطات الالسمكية ضمن ىذه الييكمية من الت ارسل مع محطات خارجيا. واليدعم المعيار إمكانية الت ارسل بين محطتين عبر محطة وسيطة نتيجة لوجودىم خارج مجال تغطيتيم الخاصة بيم أي اليدعم الت ارسل متعدد القف ازت.multihop يجري تعريف كل BSS في كال الييكميتين السابقتين عبر ىوية خاصة بتمك الوحدة ت دعى: ىوية تعريف وحدة الخدمات األساسية (BSSID) يجري تحديدىا عند إنشاء الشبكة. تتكون الشبكة -الشكل -عادة - وفق ىذه الييكمية من عدد محدد من المحطات الالسمكية يجري إنشاؤىا لغرض محدد ولمدة محدودة من الزمن. مثال لدعم لقاء في غرفة اجتماعات لتبادل بيانات معينة. فعند بدء االجتماع ت نشأ الشبكة وعند االنتياء من االجتماع ت نيى الشبكة. ونظ ار لطبيعة ىذه الشبكة من حيث فترة حياتيا المحدودة وحجميا الصغير وىدفيا المحدد فيي ت دعى بالشبكات المخص صة Ad hoc.networks 25

32 الشكل 0-2 : مجموعة الخدمات ذات البنية التحتية ومجموعة الخدمات المستقمة :Infrastructure BSS مجموعة الخدمات األساسية ذات البنية التحتية.2.4 تتميز ىذه الييكمية عن سابقتيا باستخداميا جياز ي دعى نقطة ولوج (AP) Access Point كما يبين الشكل 0-2 b ترتبط مع نقطة الولوج مجموعة من المحطات الالسمكية. وت ستخدم نقطة الولوج في جميع عمميات تبادل المعطيات ضمن ىذه الييكمية بما فييا تبادل المعطيات بين محطتين من المحطات المرتبطة مع نقطة الولوج. تعمل نقطة الولوج ىنا كوحدة ربط بين المحطات الالسمكية المرتبطة معيا وبين البنية التحتية السمكية لمشبكة المحمية. إذ تعمل AP ىنا عمل المجمعة Hub في الشبكات المحمية السمكية إذ ت رسل المحطات إلى المجمعة فقط وتستقبل منيا فقط. فبحال أ اردت محطة إرسال معطيات إلى محطة أخرى فسترسل المعطيات أوال إلى نقطة الولوج والتي بدورىا ستقوم بتحويميا باتجاه المحطة األخرى. وبإمكان المحطات الالسمكية الت ارسل مع محطات أخرى خارج ىذه الييكمية أي خارج Infrastructure.BSS يجب عمى أية محطة السمكية أن تنضم إلى نقطة الولوج قبل أن تستطيع االستفادة من الخدمات الشبكية. تبدأ دائما المحطة الالسمكية بإج ارئية االنضمام ويمكن لنقطة الولوج أن تقبل أو ترفض االنضمام تبعا لطمب االنضمام. ويمكن لمحطة السمكية أن تكون منضمة لنقطة ولوج واحدة فقط. 26

33 Wirless Communications Networks - Ch مجموعة الخدمات الموس عة : Extended Service Set لایمكن لمجموعة الخدمات الا ساسیة ذات البنیة التحتیة تا مین مدى تغطیة واسع بل تغطیة محدودة فقط لذلك سمح المعیار بتوسعة مجال التغطیة إلى مدى واسع عبر ربط عدد من "مجموعة الخدمات الا ساسیة ذات البنیة التحتیة " لتشكیل مایسمى "مجموعة الخدمات الموس عة" Set Extended Service.((ESS تتكون هذه الهیكلیة ESS من مجموعتین أو أكثر من مجموعات الخدمات الا ساسیة ذات البنیة التحتیة مرتبطة مع الشبكة الفقاریة التي تشكل نظام التوزیع (Distribution system (DS حیث ترتبط كل نقطة من نقاط الولوج مع نظام التوزیع. یتكون نظام التوزیع في معظم الحالات بوقتنا هذا من شبكة إیثرنت Ethernet التي تشكل العمود الفقاري للشبكة المحلیة. یبین الشكل 0-0 مجموعة الخدمات الموس عة المؤلفة من ثلاثة مجموعات.Infrastructure BSS تجري عملیة التراسل بین محطتین تنتمیان لمجموعتي خدمات مختلفتین عبر نقطتي الولوج التابعتین لهما مرورا بنظام التوزیع. الفكرة هنا شبیهة بالتراسل عبر شبكة خلویة إذ تمثل BSS الخلیة وتمثل نقطة الولوج المحطة القاعدیة. كما یجري تراسل محطة ما مع الشبكات الخارجیة )الا نترنت مثلا ) عبر نقطة الولوج التابعة لها مرورا بشبكة التوزیع ثم ببوابة العبور.Gateway الشكل 0-0: مجموعة الخدمات الموس عة 27

34 Wirless Communications Networks - Ch 4 ی ظهر الشكل السابق تداخل في المجال الرادیوي لنقاط الولوج. یتیح هذا التداخل للمحطات من التنقل ضمن المجال الرادیوي لنقاط الولوج الثلاثة. ویبقى الهاجس الري یسي أثناء نشر شبكة تا مین تنقلیة mobility للمحطات اللاسلكیة واستمرار تراسل المعطیات أثناء تنقلها دعم التنقلیة : mobility support یدعم المعیار التنقلیة بین BSSs على مستوى طبقة وصلة المعطیات ولا یعیر أي اهتمام لما قد یحصل فوق هذه الطبقة. ووفق هذا المعیار توجد ثلاث أنواع من الانتقالات بین نقاط الولوج. بدون انتقال :No transition عندما تتحرك محطة داخل النطاق الرادیوي لنقطة ولوج ولا تتحرك خارجها فلا یوجد داع لا ي انتقال. الانتقال بین مجموعات الخدمات الا ساسیة :BSS transition تراقب المحطات باستمرار شد ة الا شارة وجودتها لجمیع نقاط الولوج المسؤولة عن "مجموعة الخدمات الموس عة".ESS یؤمن المعیار التنقلیة على مستوى MAC داخل.ESS یمكن لمحطات مرتبطة مع نظام التوزیع إرسال أطر موج هة إلى محطات متنقلة وفق عنوانها ال MAC وتقوم نقاط الولوج بمهمة التسلیم النهاي ي للمحطة المتنقلة. یتطلب هذا الانتقال التعاون بین نقاط الولوج ضمن ESS إذ یتوجب على نقطة ولوج إخبار باقي نقاط الولوج ضمن ESS بالمحطات المرتبطة معها associated وبالمحطات التي أعادت ارتباطها معها. reassociated الانتقال بین "مجموعات الخدمات الموس عة" :ESS transition یشیر هذا الانتقال إلى التحرك من ESS إلى ESS أخرى. یبین الشكل 4-0 مجموعتي ESSs مرتبطتین بنظام توزیع ومنفصلتین رادیوی ا - لایوجد تداخل بین نطاق التغطیة لكل منها. وفق الشكل لا یمكن لمحطة ضمن ESS 1 من الانتقال إلى إلى ESS 2 إذ لا یدعم المعیار هذا الانتقال. وفي حال انتقلت محطة من ESS 1 ESS 2 فسیحصل انقطاع بالاتصال بالطبقات الا على من طبقة وصلة المعطیات. 28

35 ESSs الشكل 0-4: مجموعتي مرتبطتين بنظام توزيع ومنفصمتين ارديويا 5. وظائف المعيار : يحد د المعيار مجموعة من الوظائف التي يجب أن تؤمنيا الشبكات الالسمكية لتقدم نفس اإلمكانيات التشغيمية التي تؤمنيا الشبكة المحمية السمكية. تكون تمك الوظائف مضم نة داخل المحطات الالسمكية أو نقاط الولوج أو ضمن نظام التوزيع. يدعم قسم من تمك الوظائف عمميات النفاذ والخصوصية وتدعم الوظائف األخرى عمميات تسميم أطر ال MAC بين محطات الشبكة إذ تؤمن ىذه الوظائف توزيع األطر داخل نظام التوزيع إذا دعت الحاجة لمرور الطرود عبره مثل حالة إرسال إطار من محطة ضمن BSS إلى محطة أخرى ضمن المحطات المت ارسمة تقع ضمن ذات BSS آخر مع وجود كمتا المحطتين ضمن ESS BSS تؤمن الوظائف المخصصة لتسميم األطر عمميات نقل األطر من محطة إيثرنت مثال - متصمة مع الشبكة المحمية. واحدة أما إذا كانت فتدعم تمك الوظائف مرور األطر عبر نقطة الولوج فقط. كما إلى أخرى x يتوجب عمى نظام التوزيع من أجل القيام بعممية تسميم األطر من التعرف عمى المحطات المتواجدة داخل ESS وتضمن الوظائف المتعمقة بعمميات االرتباط مع نقطة الولوج من تزويد نظام التوزيع بالمعمومات الالزمة عن تمك المحطات. فعندما يحتاج نظام التوزيع تسميم طرد ما إلى محطة يجب عميو معرفة نقطة الولوج المناسبة لتسميميا الطرد ليصل إلى وجيتو النيائية. لتحقيق تمك الميمة يحب عمى المحطة الالسمكية الحفاظ عمى االرتباط مع نقطة الولوج داخل BSS الخاصة بيا وتؤمن الوظائف التالية تمك المتطمبات: وظيفة االرتباط :Association إنشاء االرتباط األولي بين المحطة الالسمكية ونقطة الولوج. فقبل أن تتمكن المحطة الالسمكية من إرسال واستقبال أطر المعطيات يجب أن ت عرف ىويتيا وعنوانيا وليذا السبب يجب عمى المحطة من إنشاء االرتباط مع نقطة ولوج. تقوم نقطة الولوج بعدىا من

36 Wirless Communications Networks - Ch 4 نقل هذه المعلومات إلى نقاط الولوج الا خرى ضمن ESS لتسهیل تسلیم الطرود إلى المحطة المطلوبة. وظیفة فك الارتباط : Disassociation إشعار یصدر من محطة أو من نقطة ولوج با نهاء الارتباط القاي م بین المحطة اللاسلكیة ونقطة الولوج. وظیفة إعادة الارتباط : Reassociation تسمح لارتباط قاي م بالانتقال من نقطة ولوج إلى نقطة ولوج أخرى مما یسمح للمحطة اللاسلكیة بالانتقال من BSS إلى أخرى. في الشبكات المحلیة السلكیة تقوم محطة ما بالا رسال والاستقبال عند وصلها مع الشبكة أي هناك نوع من سماحیات النفاذ والخصوصیة Access and Privacy بالا رسال والاستقبال عبر هذا الوصل السلكي بینما في الشبكات المحلیة اللاسلكیة یكفي أن تكون محطة ضمن مجال محطة أخرى لتقوم بالا رسال أو أن تقوم بالاستقبال إذا وقعت ضمن مجال إرسال محطة أخرى لذلك جرى تعریف ثلاث وظاي ف تزود الشبكات اللاسلكیة بمزایا النفاذ والخصوصیة المماثلة للشبكات السلكیة وهي: الاستیقان :Authentication تسمح بالتحقق من هویة المحطة اللاسلكیة قبل إجراء عملیة االرتباط. إنياء االستيقان :Deauthentication تسمح بإنياء االستيقان قيد العمل. الخصوصية :Privacy تتيح استخدام التشفير في نقل المعطيات لضمان الخصوصية. 30

37 .6 طبقة التحكم بالنفاذ في : Medium Access Control من الوظائف التي تؤمنيا طبقة MAC في المعيار التسميم الموثوق لممعطيات والتحكم بالنفاذ إلى الوسط المحيط: التسميم الموثوق لممعطيات :Reliable Data Delivery تتعرض إطا ارت الشبكة الالسمكية الم رسمة - من طبقة نقل المعطيات والطبقة الفيزيائية- عبر وسط االنتشار إلى الضجيج والتداخالت وبعض التشوىات الناجمة عن االنتشار مما يؤدي إلى ضياع نسبة محسوسة من األطر الم رسمة وحتى بوجود رماز لكشف وتصحيح األخطاء يبقى عدد من األطر اليمكن استقباليا بشكل صحيح. ت عال ج حاالت مماثمة عادة عن طريق آليات في الطبقات العميا لتحقيق وثوقية نقل المعطيات طبقة TCP مثال ولكن تبقى معالجة األخطاء أكثر فاعمية ألداء الشبكة إذا جرى تنفيذىا عمى مستوى طبقة ال.MAC ألجل ىذا الغرض تعمل خوارزمية اإلرسال في طبقة ال MAC كالتالي: عندما تستقبل المحطة إطار ما بشكل صحيح ت رس ل مباشرة إشعا ار باالستالم ACK إلى المحطة الم رسمة. فإذا لم يجر استقبال إشعار االستالم لسبب ما - خطأ في اإلطار الم ستقب ل أو خطأ في اإلشعار- ت عيد المحطة إرسال اإلطار ذاتو. ولدعم الوثوقية أكثر يمكن استخدام نموذج التبادل رباعي األطر. في ىذا النموذج يقوم المرسل بإرسال إطار يحتوي طمب إرسال (RTS) Request to send يرد عميو المستقبل بجيوزيتو لالستقبال (CTS) Clear to send عندىا يقوم المرسل بإرسال إطار المعطيات ويرد عميو المستقبل بإشعار االستالم. ينب و إطار RTS المحطات الالسمكية الواقعة ضمن مجال اإلرسال لممرسل بوجود أطر قيد التبادل مما يؤدي إلى امتناع المحطات الالسمكية عن اإلرسال تجنبا لوقوع التصادم بين األطر. التحكم بالنفاذ إلى الوسط المحيط :Medium Access Control جرى تزويد طبقة ال MAC بخوارزميتين لمتحكم بالنفاذ إلى الوسط األولى ىي خوارزمية نفاذ موزعة ت دعى خوارزمية التنسيق الموزعة Distributed Coordination Function DCF يكون فييا اتخاذ ق ارر النفاذ موزعا بين المحطات الالسمكية التي تستخدم آلية تحسس الحامل carrier sensing كالشبكات المخصصة Ad hoc Point Coordination والثانية ىي خوارزمية مركزية ت دعى خوارزمية التنسيق المركزية Networks Function PCF تقوم فييا محطة مركزية بتحديد قواعد النفاذ لممحطات كما في الشبكات ذات نقاط الولوج إذ تمعب نقطة الولوج دور المحطة المركزية. يبين الشكل 0-5 بنية طبقة.MAC تكو ن خوارزمية DCF الطبقة الفرعية الدنيا وتستخدم خوارزمية تنازع موزعة لتأمين النفاذ لجميع المحطات. وتؤمن خوارزمية PCF خدمة النفاذ بدون تنازع وىي طبقة فرعية مبنية فوق الطبقة الفرعية DCF وتستخدم بعض م ازيا DCF لتأمين النفاذ لممحطات. كما يبين الشكل 0-5 بعض تقانات الطبقة الفيزيائية لبعض أجيال معايير

38 الشكل 0-5 تقسيمات طبقة الMAC.1.6 خوارزمية التنسيق الموزعة :Distributed Coordination Function ضمن شبكة Ad hoc التي اليوجد فييا محطة مركزية إلدارة عمميات اإلرسال واالستقبال تحتاج المحطات الالسمكية إلى خوارزمية موزعة لتتمكن من خالليا تحديد أولوية اإلرسال بين المحطات تمك الخوارزمية ىي "خوارزمية التنسيق الموزعة" DCF تستخدم.Distributed Coordination Function (DCF) عمل خوارزمية "تحسس الحامل-النفاذ المتعدد مع تجنب التصادم" مبدأ Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance CSMA/CA التي جرى شرحيا في فصل سابق. يبين الشكل 0-6 مبدأ عمل خوارزمية CSMA/CA وأثر أزمان التأخير الثالث في تحديد األولوية. يتضمن عمل ىي: مجموعة DCF من أزمان التأخير ت ستخدم لتحديد األولويات ضمن خوارزمية CSMA/CA الزمن القصير بين األطر :Short Interframe Space SIFS وىو الزمن األقصر المتضم ن في الخوارزمية ويستخدم بحالة الحاجة إلرسال رد بشكل فوري بعد استقبال إطار ما أي أن المحطة المستقبمة سترسل الرد بعد زمن مساو لزمن.SIFS مثال : إرسال اإلشعار باالستالم Ack بعد استالم إطار. الزمن الخاص بخوارزمية التنسيق المركزية Point Coordination Function InterFrame :Space PIFS وي عتبر ذو قيمة متوسطة بين أزمان التأخير الثالثة وتستخدمو نقطة الولوج عندما تريد االستحواذ عمى الوسط لتتخاطب مع المحطات الالسمكية المرتبطة معيا. 32

39 Wirless Communications Networks - Ch 4 Distributed Coordination Function الزمن الخاص بخوارزمیة التنسیق الموزعة وهو زمن التا خیر الا طول بین أزمان التا خیر الثلاثة وتستخدمه: DIFS InterFrame Space المحطات الالسمكية في خوارزمية CSMA/CA لتتمكن من االستحواذ عمى وسط االنتشار. CSMA/CA الشكل 0-6: مبدأ عمل خوارزمية وأزمان التأخير الثالث يتضح من الشكل 0-6 كيف يمكن تحقيق األولويات بين المحطات المختمفة باالستحواذ عمى وسط االنتشار باستخدام أزمان التأخير SIFS و PIFS و.DIFS فكما ذ كر في الفصل السابق وتبعا لمشكل 2-00 تنتظر المحطات زمنا قدره IFS قبل الدخول في "نافذة التنازع". تعتمد المحطات التي تشكل شبكة Ad hoc عمى زمن التأخير DIFS قبل الدخول في "نافذة التنازع" بينما تعتمد نقطة الولوج عند تنفيذىا لخوارزمية PCF عمى زمن التأخير PIFS لالستحواذ عمى الوسط. وبما أن زمن التأخير PIFS أقل من زمن التأخير DIFS فسيكون لنقطة الولوج األسبقية باالستحواذ عمى الوسط. كما ذ كر أعاله عندما تستقبل محطة إطار ما فإنيا تقوم بإرسال إشعار استالم ىذا طرد بعد انتظار زمن تأخير SIFS وبما أن ىذا الزمن ىو األقصر بين أزمان التأخير فال يمكن ألية محطة أخرى أن تحصل عمى الوسط خالل ىذا الزمن. وبالتالي فإنو ي نظر عمى عممية إرسال طرد والرد بإرسال إشعار االستالم عمى أنيا وحدة تخاطب أساسية اليمكن مقاطعتيا من قبل أية محطة أخرى. يبين الشكل 0-6 أيضا أنو في حال تحسست المحطة الوسط تمييدا لإلرسال وكان الوسط شاغ ار يجري تجنب التصادم عبر تأخير اإلرسال حتى إن كان وسط االنتشار شاغ ار في ىذه الحالة تنتظر المحطة زمنا مقداره DIFS إذ وان كان الوسط شاغ ار عند تحسسو يمكن أن تكون محطة بعيدة قد بدأت باإلرسال ولم تصل إشارتيا بعد لممحطة التي تتحسس الوسط. فبعد انقضاء زمن DIFS مع عدم تحسس أية إشارة خاللو بإمكان المحطة البدء باإلرسال. 33

40 Wirless Communications Networks - Ch خوارزمیة التنسیق المركزیة : Point Coordination Function هي خوارزمیة بدیلة لخوارزمیة التنسیق الموزعة ت ستخدم من قبل المتحكم المركزي )نقطة الولوج( بالشبكة اللاسلكیة ذات البنیة التحتیة.Infrastructure BSS تقوم نقطة الولوج بهذه الشبكة بعملیة تقصي (polling) للمحطات اللاسلكیة المرتبطة معها بهدف الا رسال إلیها أو الاستقبال منها. عند وجود شبكة Infrastructure BSS تستطیع نقطة الولوج باستخدام زمن التا خیر PIFS من الاستحواذ على وسط الانتشار والبدء با جراء تقصي Polling المحطات المرتبطة معها نتیجة أن زمن التا خیر PIFS له أسبقیة على زمن التا خیر DIFS مما یمك ن نقطة الولوج من استحواذ الوسط ومنع - المحطات الا خرى - Ad hoc networks من ذلك. تعمل نقطة الولوج وفق دورات متعاقبة خلال كل دورة تتقصى فیها محطة من المحطات المرتبطة معها كما وتتیح المجال للمحطات الا خرى - networks - Ad hoc بالعمل أیضا كما یبین الشكل 7-0 وفق مایلي: تبدأ دورة عمل نقطة الولوج عند استحواذها على وسط ت رسل بدایة إطار م رشد Beacon frame ت خبر م ن خلاله جمیع المحطات اللاسلكیة في منطقة التغطیة الخاصة بها ببدء دورة عمل تمتد لفترة محددة تقوم بعدها نقطة الولوج با جراء تقصي لا حدى المحطات اللاسلكیة المرتبطة معها بهدف إرسال معطیات لها أو استقبال معطیات منها وتقوم بعدها با علان تخلیها عن الوسط عبر إرسال إطار.CF end تتیح نقطة الولوج بعد إرسال الا طار السابق الذكر المجال للمحطات الا خرى - networks - Ad hoc للتنازع فیما بینها للاستحواذ على وسط الانتشار باستخدام خوارزمیة.CSMA/CA تعود بعدها نقطة الولوج لبدء دورة عمل جدیدة. 34

41 الشكل 0-7 دورة عمل نقطة الولوج 35

42 7. إطار طبقة ال :MAC تقوم طبقة ال MAC بإعداد اإلطار وفق المعيار تمييدا لتسميمو لمطبقة الفيزيائية إلرسالو عبر الوسط. يبين الشكل 0-8 الحقول الجزئية لإلطار الم شك ل وىي: الشكل 0-8 الحقول الجزئية إلطار طبقة ال MAC حقل التحكم: وفيو عدد من الحقول الجزئية ىي: :Protocol version تحديد نسخة المعيار المستخدمة. :Type, Subtype تحد د تمك الخانتان معا نوع اإلطار - تحكمية إطار إلدارة الوصمة. :To DS, From DS تحدد تمك الخانتان معا وجية أو مصدر اإلطار الحقا. :More fragment عند تجزئة اإلطار (fragmentation) إطار معطيات إطار يحمل أوامر -كما سيجري شرحو في طرف المرسل إلى عدة أطر جزئية وارساليم بالتتالي إلى المستقبل فتدل ىذه الخانة عند تفعيميا عمى وجود إطار جزئي تابع لإلطار الحالي سيجري إرسالو. :Power management تدل ىذه الخانة عند تفعيميا عمى أن المحطة الم رسمة تعمل بنمط توفير الطاقة -"نمط النوم ". :More data تخبر ىذه الخانة المحطة أنو ما ازل ىناك معطيات تخصيا لدى المحطة الم رسمة. :WEP تدل عمى استخدام التشفير. :Rsvd غير مستخدمة. :Duration يدل ىذا الحقل عمى الزمن الالزم إلرسال اإلطار. 36

43 Wirless Communications Networks - Ch 4 : Address1,,... Address4 أربعة حقول لعناوین ال MAC كل منها بعرض bit 48 یجري استخدام هذه الحقول بحسب سیاق الا رسال والاستقبال ترتبط تلك الحقول مع الخانتین,To DS From DS كما سيجري شرحو الحقا. :Sequence control يحدد ىذا الحقل الرقم التسمسمي لإلطار الم رس ل. :Payload حقل المعطيات ويمكن أن يبمغ طولو األعظمي 2002 بايت. :CRC ت ستخدم لكشف وتصحيح األخطاء ضمن اإلطار آليات العنونة: تتضمن آليات العنونة أربعة حاالت يجري تحديدىا وفق الخانتين To DS, From DS وتمثل العناوين الفيزيائية لممحطات- أي العنونة عمى مستوى طبقة.MAC يبين الشكل 0-9 الحاالت األربعة. ت ستخدم الحالة األولى عند اإلرسال من محطة ألخرى مباشرة - حالة Ad hoc network وتشغل ثالثة حقول من حقول العنونة ي حد د فييا عنوان المرسل وعنوان المستقبل والرقم التعريفي لمشبكة Service Set (SSID).ID عند إنشاء الشبكة يجري إعطاؤىا رقم تعريفي SSID يجري استخدامو عند تبادل األطر بين محطات الشبكة. يمثل الحقل األول عنوان مستقبل اإلطار والحقل الثاني عنوان مرسل اإلطار والحقل الثالث الرقم التعريفي لمشبكة. ت ستخدم الحالة الثانية عند إرسال إطار من نقطة ولوج إلى محطة مرتبطة معيا. يمثل الحقل األول عنوان المحطة المستقبمة والحقل الثاني عنوان نقطة الولوج الم رسمة لإلطار ويمثل الحقل الثالث عنوان المحطة م صدر اإلطار. يعبر اإلطار بيذه الحالة نظام التوزيع. ت ستخدم الحالة الثالثة عند إرسال إطار من محطة مرتبطة مع نقطة ولوج إلى نقطة الولوج بيدف إيصالو إلى المحطة اليدف. يمثل الحقل األول عنوان نقطة الولوج المستقب مة لإلطار والحقل الثاني عنوان المحطة الم رس مة لإلطار ويمثل الحقل الثالث عنوان المحطة ىدف اإلطار. كما يعبر اإلطار بيذه الحالة نظام التوزيع. الحالة ال اربعة ت ستخدم في حال كان نظام التوزيع السمكيا. ترتبط نقطتا ولوج في ىذه التشكيمة لتكون شبكة السمكية فيما بينيما بينما تكو ن كل نقطة ولوج.Infrastructure BSS يمثل حقل األول عنوان نقطة الولوج المستقب مة لإلطار ويمثل حقل العنوان الثاني عنوان نقطة الولوج الم رس مة لإلطار ويمثل الحقل الثالث عنوان المحطة ىدف اإلطار بينما يمثل الحقل ال اربع عنوان المحطة مصدر اإلطار. سيعبر اإلطار بيذه الحالة نظام التوزيع الالسمكي. 37

44 الشكل 0-9 آليات العنونة األربعة في المعيار يتضح أنو اليجري استخدام حقول العنونة جميعيا وانما وفق الحالة. يبين الشكل 0-01 آلية العنونة األكثر شيوعا وىي االتصال مع االنترنت ففي الشكل ت رسل المحطة وجية ما في اإلنترنت. يتضمن إطار ال نقطة الولوج وعنوان المرسل H1 MAC الصادر من المحطة المرتبطة مع نقطة الولوج إطا ار إلى عنوان المستقبل H1 - بيذه الحالة - H1 وعنوان وجية اإلطار - بالشبكة المحمية. يقوم المسير عندىا بتسيير اإلطار خارج نطاق شبكتو المحمية. بيذه الحالة بيذه الحالة المسير الخاص 38

45 الشكل 0-01: إرسال إطار إلى خارج نطاق الشبكة المحمية 2.7. أنواع األطر: يعر ف المعيار ثالثة أنواع من األطر ىي: أطر المعطيات أطر التحكم وأطر إدارة الشبكة. أطر المعطيات :Data frames يحمل ىذا النوع من األطر معطيات الطبقة العميا لممحطة الم رسمة إلى المحطة المستقب مة. واضافة لوظيفتو نقل المعطيات يستخدم أيضا إلشعار الطرف اآلخر باستالم أطره.Ack أطر التحكم :Control frames تضمن أطر التحكم إيصال أطر المعطيات بشكل موثوق إلى المستقبل. تشمل ىذه األطر: إطار "طمب إرسال" (RTS) :Request to send وىو أول إطار ضمن سيرورة إرسال إطار معطيات. تقوم المحطة الم رسمة ليذا اإلطار بإخبار المحطة المستقب مة المعنية وكل محطات الجوار ضمن المجال ال ارديوي عن نيتيا بإرسال إطار معطيات إلى المحطة المعنية. يبين الشكل 0-00 الم ارحل األربعة لتحقيق إرسال إطار بشكل موثوق. وفق الشكل تقوم المحطة 0 بإرسال إطار RTS إلى المحطة 2. إطار "جيوزية المستقبل" (CTS) :Clear to send وىو اإلطار الثاني ضمن سيرورة إرسال إطار معطيات. تقوم المحطة التي استقبمت إطار RTS باإلجابة عمى ىذا اإلطار بإطار CTS 39

46 للدلالة على جهوزیتها لاستقبال إطار معطیات. وفق الشكل تقوم المحطة 2 بالا جابة با طار. CTS بعد استلام هذا الا طار من المحطة 0 تقوم هذه با رسال إطار المعطیات إلى المحطة. 2 إطار "إشعار الاستلام" :ACK وهو آخر إطار ضمن سیرورة إرسال إطار معطیات. تقوم المحطة التي استقبلت إطار معطیات با شعار المحطة الم رس لة با نها استلمت إطار المعطیات بشكل سلیم عبر إرسال إطار "إشعار الاستلام" إلى تلك المحطة. وفق الشكل تقوم المحطة 2 با شعار المحطة 0 بالاستلام السلیم لا طار المعطیات. كما وی ستخدم إطار "إشعار الاستلام" للدلالة على الاستقبال السميم ألطر "إدارة الوصمة". الشكل 0-00: الم ارحل األربعة لتحقيق إرسال إطار بشكل موثوق أطر "إدارة الوصمة" :Management frames تيدف أطر إدارة الوصمة إلى إنشاء وادارة االتصال بين المحطة الالسمكية ونقطة الولوج. تشمل ىذه األطر مايمي: Association request األطر التي جرى ذكرىا بوظائف المعيار وىي: طمب ارتباط الرد عمى طمب االرتباط Association response طمب إعادة االرتباط Reassociation request الرد عمى طمب إعادة االرتباط Reassociation response طمب إنياء االرتباط.Disassociation اإلطار الم رشد :Beacon frame تقوم نقطة الولوج بإرسال إطار م رشد بشكل دوري لمداللة عمى وجودىا ولتقوم بتعريف BSS الخاصة بيا. إطار السبر :Probe request تقوم محطة بإرسال إطار السبر لمحصول عمى معمومات من محطة أخرى أو من نقطة ولوج. رد عمى إطار السبر :Probe response الرد عمى إطار السبر. 40

47 8. الطبقة الفيزيائية: تيدف الطبقة الفيزيائية بشكل رئيسي إلى إرسال أطر ال MAC إلى الوسط المحيط كذلك استقبال األطر من الوسط المحيط وتسميميا إلى طبقة ال.MAC من جية الم رسل يصل اإلطار من طبقة ال MAC إلى الطبقة الفيزيائية مرفقا مع مجموعة من المعامالت. تحد د تمك المعامالت الخيا ارت التي ستستخدميا الطبقة الفيزيائية إلرسال اإلطار عبر الوسط المحيط. تختمف تمك المعامالت تبعا لمطبقة الفيزيائية الم ستخدمة والتي تختمف من جيل آلخر في شبكات ال.WiFi يمكن أن تتضمن تمك المعامالت التالي: معدل اإلرسال الفترة الزمنية إلرسال اإلطار نوع التعديل الم ستخدم مستوى استطاعة اإلشارة الم رسمة. يالحظ أنو يجري تحديد تمك المعامالت من قبل طبقة ال.MAC ويساىم اختيار تمك المعامالت في الحصول عمى أعمى أداء ممكن لمشبكة الالسمكية ضمن شروط البيئة المحيطة. من جية المستقبل تستقبل الطبقة الفيزيائية اإلطار من الوسط المحيط لتقوم باستخالص إطار ال MAC وترسمو إلى طبقة ال MAC مع مجموعة من المعامالت. ت ماثل ىذه المعامالت تمك المذكورة أعاله مضافا إلييا شدة اإلشارة الم ستقبمة. ي فيد قياس ومعرفة شدة اإلشارة المستقبمة لضبط مستوى اإلشارة التي سترسل الحقا. تطورت تقانات الطبقة الفيزيائية تبعا ألجيال المعيار اعتمدت الطبقة الفيزيائية لمجيل األول الذي يرمز لو ببساطة عمى عدة تقانات وبمغ معدل إرسال المعطيات 1Mbps أو 2 Mbp وتقانات اإلرسال ىي: الطيف المنثور بالسمسة المباشرة DSSS والطيف المنثور بالقفز الترددي FHSS في المجال الترددي ISM band 2.4 Ghz والتقانة الثالثة ىي األشعة تحت الحم ارء بأطوال موجو بين 851 و 951 نانومتر. جرى استبدال الجيل األول سريعا بأجيال الحقة ولم تعد لتمك التقانات وجود منذ فترة طويمة في بطاقات الشبكات الالسمكية. يبين الجدول 0-0 التقانات الالحقة لممعيار ويتضمن الجدول المجال الترددي المستخدم وأنواع التعديل المختمفة المستخدمة بكل نوع وتقانات اإلرسال. إضافة ألنواع التعديل المختمفة يجري في الطبقة الفيزيائية استخدام ترميز تمفيفي Convolutional code بمعدالت 3/4 2/3 1/2 لترميز المعطيات المعدة لإلرسال. يعطي الترميز التمفيفي إمكانية كشف وتصحيح األخطاء في اإلطار المستخدم ففي معدل الترميز األول 1/2 يولد المرمز بتان مقابل كل بت معطيات وفي الحالة الثانية 2/3 يولد ثالثة بتات مقابل بتان معطيات أما في الحالة األخيرة 3/4 فيولد أربعة بتات مقابل ثالث بتات معطيات. يعطي معدل الترميز األول 1/2 أفضل أداء من ناحية كشف وتصحيح األخطاء ولكن عمى حساب مضاعفة عدد البتات المرسمة بالنسبة لممعطيات األصمية. 41

48 الجدول 0-0: تقانات المعيار يجري تحديد معدل اإلرسال وفقا لنوع التعديل ومعدل الترميز المستخدمين تبعا لجودة اإلشارة في وسط االنتشار بين المرسل والمستقبل. ففي وسط انتشار ذو ضجيج مرتفع يجري اختيار أدنى نوع تعديل مثال : BPSK وأفضل معدل ترميز 1/2 وبيذا يجري الحصول عمى أدنى معدل إرسال متاح لممعيار. وبالعكس إذا كان وسط االنتشار خال تقريبا من الضجيج يجري اختيار أعمى نوع تعديل مثال : 64-QAM وأدنى معدل ترميز 3/4 وبيذا يجري الحصول عمى أعمى معدل إرسال متاح لممعيار. وبيذا ت تاح خيا ارت متعددة من نوع التعديل ومعدل الترميز لمحصول عمى أفضل أداء لمشبكة الالسمكية وفق الشروط المحيطية. 42

49 9. األسئمة: 1. ماىي مجاالت التطبيق المختمفة لمشبكات الالسمكية المحمية. 2. اشرح المتطمبات الواجب عمى الشبكات الالسمكية المحمية تمبيتيا. 3. ما الفرق بين المعيار و.Wi-Fi 4. اشرح أنواع ىيكميات الشبكة التي يؤمنيا المعيار اشرح أنواع التنقمية التي يدعميا المعيار اشرح الوظائف التي يؤمنيا المعيار لتقدم الشبكات الالسمكية نفس اإلمكانيات التشغيمية التي تؤمنيا الشبكة المحمية السمكية. 7. وض ح كيف يؤمن المعيار التسميم الموثوق لممعطيات. 8. ما الفرق بين خوارزميتي التحكم بالنفاذ: خوارزمية التنسيق الموزعة و خوارزمية التنسيق المركزية. 9. وض ح كيف يمكن أن تحدد أزمان التأخير المختمفة المستخدمة ضمن خوارزمية CSMA/CA أولويات اإلرسال لممحطات. 11. اشرح كيف يمكن لشبكة Ad hoc networks وشبكة Infrastructure BSS أن تتنازعا لالستحواذ عمى وسط االنتشار ضمن نفس المنطقة الجغ ارفية. 11. ما الفائدة من حقول العنونة الموجودة ضمن إطار طبقة ال.MAC اشرح طريقة استخداميم. 12. ماىي أنواع األطر التي يستخدميا المعيار واشرح وظيفة كل نوع. 13. كيف يجري تحديد معامالت اإلرسال في الطبقة الفيزيائية ولماذا يجري تغيير تمك المعامالت من فترة ألخرى 14. ماىي معامالت اإلرسال بحال وجود ضجيج مرتفع في وسط االنتشار وماىي تمك المعامالت في حال كان وسط االنتشار خال تقريبا من الضجيج 43

50 الفصل الرابع: وصف الشبكات اللاسلكیة واسعة المجا ل Wideband wireless networks description (WIMax).WiMax مقدمة: وصف الشبكات الال سمكي ة واسعة المجال جرى تطوير شبكات WiMAX وشبكات WiFi بشكل مستقل الواحدة عن األخرى لمجاالت ترددية مختمفة وألىداف متباينة. فقد جرى العمل عمى شبكات WiMAX من خالل السعي لتقديم نفاذ السمكي لمشبكات واسعة المجال بينما كان ىدف شبكات WiFi توسعة السمكية لمشبكات المحمية السمكية. وبناء عمى ذلك تباينت التقانات المستخدمة في طبقات ال MAC والطبقات الفيزيائية نتيجة أن كال منيا جرى تصميمو بالشكل األمثمي لتحقيق اليدف المرجو منو. ومع ذلك يجمع كال النوعين قاسم مشترك بكونيم جرى تطويرىم تحت جناح ىيئة IEEE 802 التي طورت معايير متنوعة لالتصال ولمنفاذ مستندة عمى مبدأ "نمط بروتوكول اإلنترنت" IP-mode المعتم د عمى تقنية الح ز م.Packet-mode يبين الشكل 4-1 البنية العامة لشبكة WiMAX وتظير فيو البنية الخموية لمشبكة حيث يقوم كل برج من أب ارج الشبكة بتغطية منطقة تتضمن مختمف أنواع المستخدمين بما فييا شبكات محمية السمكية.WiFi تحالف :WiMAX كما ىو الحال بتسمية WiFi جرى اعتماد اسم "World Interoperability for Microwave WiMAX Access" بعام 2001 من قبل الشركات الصانعة لتجيي ازت الشبكات الالسمكية كوثيقة مطابقة لمتجيي ازت التي تعمل وفق المعيار لضمان العمل المشترك لمتجيي ازت بعضيا مع بعض المصن عة من شركات مختمفة. مواصفات :WiMAX تعتمد WiMAX عمى المعيار IEEE وت عتبر من نوع الشبكات اإلقميمية Metropolitan Area (MAN).Networks تغطي شبكة WiMAX مساحة نصف قطرىا يتعدى 15 كم وفق الجيل المستخدم ويدعم المحطات الالسمكية الثابتة والمتنقمة والمحمولة. ت عتبر WiMAX مناسبة لمتطبيقات التالية: تؤمن لممشتركين وخاصة البعيدين منيم users) (Last mile اتصاال السمكيا عريض الحزمة مع مزودي الخدمة كبديل عن الخطوط المحورية أو خطوط "حمقة المستخدم الرقمية" (DSL) Digital Subscriber Loop تتيح التنقل لممحطات الالسمكية المحمولة عبر المدن والبمدان تتيح االتصال مع اإلنترنت بما يتضمنو من ت ارسل لممعطيات والت ارسل الصوتي عبر اإلنترنت إضافة لخدمات البث التمفزيوني عمى اإلنترنت.(IPTV) ونتيجة لتياود أسعار نشر شبكة WiMAX مقارنة مع األنظمة الخموية النقالة أو مع الكابالت النحاسية أو الضوئية تقدم ىذه التقنية حال عمميا لممشتركين البعيدين عبر تزويدىم باالتصال الالسمكي عريض الحزمة مع اإلنترنت. 44

51 الشكل 4-1 : البنية العامة لشبكة WiMAX تطور تقانات الشبكات الالسمكية واسعة الحزمة:.1 مر ت تقانات الشبكات الالسمكية واسعة الحزمة عبر أربعة م ارحل يبين الشكل 4-2 تطور تقنيات WiMAX مقارنة مع WiFi ومع التقانات المختمفة لألنظمة النقالة من حيث سعة النقل في الوصمة الصاعدة واليابطة. األنظمة الالسمكية المحمية ذات الحزمة الضيقة: و ض عت بالخدمة بأواسط تسعينيات القرن الماضي وأدت دو ار فعاال في البالد قيد التطو ر كبنية تحتية لمخدمات التمفونية. الجيل األول من األنظمة الالسمكية واسعة الحزمة: كانت تعمل تمك األنظمة في المجالين التردديين 24 GHz و 39 GHz ويتطمب العمل في ىذين المجالين توفر خط نظر Line of sight بين المرسل والمستقبل لتحقيق االتصال. تطمب ىذا الجيل نشر أب ارج عالية االرتفاع التي تتيح تحقيق خط نظر لمسافة تبمغ 50 كيمومتر باستخدام مرسالت ذات استطاعة عالية. وتوجب عمى المستخدمين نشر ىوائيات خارج المنازل لتحقيق خط النظر. 45

52 الجیل الثاني من الا نظمة اللاسلكیة واسعة الحزمة: یعمل هذا الجیل في المجال الترددي GHz 11 ولا یتطلب تحقیق خط نظر بین المرسل والمستقبل وهو ذو بنیة خلویة ویستخدم تقنیات متقدمة لرفع أداء نظام في ظل وجود مسارات متعددة للا شارة المرسلة. الجیل المعتمد على المعاییر: في بدایات الا لفیة الثانیة جرى اعتماد المعیار للشبكات اللاسلكیة الا قلیمیة لیعمل بدایة في المجال الترددي من zhg 01 إلى zhg 66 ثم جلا ا يفیال اللاحقة لیعمل في المجال من GHz 2 إلى GHz 11 أي لیعمل بدون تحقیق خط نظر بین المرسل والمستقبل. WiFi وتقانات االتصاالت النقالة WiMAX الشكل 4-2: مقارنة بين تطور تقنيات و 46

53 2. هيكمية الشبكة: تقد م ىيكمية الشبكة رؤية عن تجيي ازتيا واالرتباطات الفيزيائية بين عناصرىا كما يبين الشكل 4-3. ت قس م الكيانات الوظيفية ضمن شبكة WiMAX إلى ثالثة مجموعات ىي: المحطة المتنقمة Mobile Station (MS) و"شبكة خدمات النفاذ" (ASN) Access Service Network و"شبكة خدمات االتصال" (CSN).Connectivity Service Network ت عتبر المحطة المتنقمة الطرفية النيائية لمشبكة و"شبكة خدمات النفاذ" الكيان المسؤول عن النفاذ لمشبكة و"شبكة خدمات النفاذ" نواة الشبكة التي تقدم الخدمات الداعمة. ASN (Access Service Network). BSs and ASN-GWs (Access Service Network Gateways). CSN (Connectivity Service Network) : routers/switches and various servers, such as Authentication, uthorization, and Accounting (AAA) server, Home Agent (HA), dynamic host configuration protocol (DHCP) server, Domain Name Service (DNS) server, and policy and charging rules function (PCRF) server. الشكل 4-3 : ىيكمية شبكة WiMAX 47

54 Wirless Communications Networks - Ch 4 المحطة المتنقلة :MS المحطة المتنقلة أو مات عرف بتسمیة أخرى "محطة المشترك" (Subscriber station (SS هي بشكل عام جهاز یؤمن الاتصال بین المشترك والمحطة القاعدیة. ویمكن للمحطة الواحدة أن تكون عبارة عن مشترك وحید أو عدة مشتركین. شبكة خدمات النفاذ :ASN شبكة خدمات النفاذ عبارة عن مجموعة متكاملة من الوظاي ف الشبكیة اللازمة لتا مین النفاذ اللاسلكي للمشتركین بشبكة.WiMAX تحتوي شبكة خدمات النفاذ على المحطات القاعدیة (Base Station (BS وبوابة )أو بوابات( عبور (Gateway (GW إلى شبكة خدمات الاتصال.CSN تمث ل المحطة القاعدیة ق طاعا من ق طاعات الشبكة وی خصص لها مجال ترددي محدد للعمل ضمنه. وتتضمن المحطة القاعدیة مجدو لا لا دارة موارد الحزمة الهابطة والصاعدة وفقا لمتطلبات المشتركین. ترتبط كل محطة متنقلة مع محطة قاعدیة واحدة بینما یتوجب ارتباط كل محطة قاعدیة مع أكثر بوابة عبور بهدف توزیع الا حمال من جهة وتأمين خطوط بديمة لزيادة وثوقية الشبكة. شبكة خدمات االتصال :CSN شبكة خدمات االتصال عبارة عن مجموعة من الخدمات الشبكية التي تؤمن خدمات االتصال لممشتركين عمى مستوى بروتوكول اإلنترنت.IP ولتأمين تمك الخدمات تتضمن شبكة خدمات االتصال عدد من المسي ارت routers والمبد الت switches لمربط بين مختمف وحداتيا الداخمية ولمربط بينيا وبين شبكة خدمات النفاذ من جية وبينيا وبين شبكة اإلنترنت من جية أخرى كما تتضمن شبكة خدمات االتصال أيضا مجموعة من المخد مات مثل: مخدم "التحقق من اليوية والسماح بالنفاذ وادارة الحسابات" Authentication, authorization, and accounting (AAA) server مخد م "توزيع عناوين اإلنترنت" (DHCP) Dynamic Host Configuration Protocol المعني بالتوزيع الديناميكي لعناوين اإلنترنت عمى المشتركين عند دخوليم إلى شبكة WiMAX ومخد م "وكيل المنزل" Home Agent Domain المختص بإدارة العناوين المخصصة لممشتركين عند تجواليم ومخد م "أسماء النطاقات" (HA) (DNS) Name Service لتحويل عناوين IP إلى أسماء وبالعكس تحويل أسماء نظام شبكة اإلنترنت إلى عناوين IP ومخد م "قواعد السياسات والفوترة" (PCRF) Policy and Charging rules function المختص بإدارة سياسات الخدمة وإلصدار المعمومات الخاصة بإعدادات جودة الخدمة والمحاسبة. 48

55 الطبقة الفیزیاي یة: یتضمن المعیار أربعة أنواع مختلفة من الطبقات الفیزیاي یة تعمل ضمن مجالات ترددیة مختلفة وتعتمد على تقانات نفاذ مختلفة. وتعتمد Mobile WiMAX على تقنیة النفاذ OFDMA ونظرا لحداثة هذه التقنیة نسبیا مقارنة مع التقانات الا خرى سی قت صر الشرح على الطبقة الفیزیاي یة التي تستخدم تلك التقنیة. تقدم تقانات MDFO AMDFO و (AMDFO elbaelacs) AMDFOS المستخدمة ضمن الطبقة الفیزیاي یة مقاومة عالیة لظاهرة تعدد المسارات في استقبال الا شارة وبهذا تسمح بالعمل ضمن شروط عدم وجود خط نظر بین المرسل والمستقبل إضافة لذلك وبالتضافر مع استخدام تقانة الهواي یات المتعددة (stuptuo elpitlum stupni elpitlum) OMIM یسمح للمحطة بحركیة تتجاوز 002 كم/سا كما وتسمح بنیة الطبقة الفیزیاي یة من التوسع بحیث یمكن ز یادة عرض الحزمة المستخدمة مما یسمح بزیادة معدل اإلرسال. 3. تقنية اإلرسال وفق :OFDMA كما ذ كر في الفصل الثاني تعمل تقنية OFDMA عمى تقسيم عرض الحزمة المتاحة لإلرسال إلى عدد كبير من الحوامل الترددية الفرعية ويجري تخصيص كل محطة متنقمة مرتبطة مع المحطة القاعدية بعدد معي ن من الحوامل الفرعية. ويبين الشكل 2-6 في فصل سابق مثاال لتوزيع الحوامل الفرعية عمى أربعة محطات كال منيم مخص ص بعدد محدد من الحوامل الفرعية. يدعم المعيار WiMAX عدد من المنيجيات لتوزيع الموارد الترددية والزمنية بين المستخدمين ميمتيا تعريف قنوات فرعية ضمن القناة األساسية - قناة فرعية لكل مستخدم ويجري تعريف القنوات الفرعية عن طرق حي ازت.slots يعتبر الحي ز الوحدة األساسية التي يمكن لممحطة القاعدية أن تخص صيا لمحطة متنقمة من الموارد الترددية-الزمنية. ويعر ف الحي ز بعدد من الحوامل الترددية الفرعية الممتدة زمنيا لفترة رشقة واحدة symbol من رشقات OFDMA أو رشقتين أو ثالث رشقات ويعتمد عددىم عمى خوارزمية التخصيص المت بعة في المحطة القاعدية. والحي ز ىو أقل مورد يمكن حجزه لمحطة أو مستخدم. تقوم خوارزمية الجدولة في المحطة القاعدية بتخصيص كل محطة مرتبطة معيا بعدد من الحي ازت وفقا لطمب المحطة وجودة الخدمة المطموبة وحالة قناة االنتشار. يبين الشكل 4-4 مثاال لتوزيع حي ازت عمى ثالثة محطات. يمثل الشكل ثالثة رشقات OFDMA تقوم المحطة القاعدية بكل منيا بتخصيص عدد من الحوامل الفرعية الترددية لمحطة ويشير كل لون عمى الترددات المخصصة لمحطة محددة. 49

56 الشكل 4-4: مثال عمى تخصيص حوامل ترددية فرعية عمى ثالثة مستخدمين 4. بنية اإلطار: مثاال لييكمية إطار 4-5 الشكل يوضح OFDMA لمعيار باستخدام منيجية WiMAX.TDD يتكون اإلطار من زمن مخصص لموصمة اليابطة - من المحطة القاعدية إلى المستخدمين Down Link DL وزمن مخصص لموصمة الصاعدة - زمنية محددة. يدل الترقيم K, K+1,... الحوامل الترددية الفرعية. من المستخدمين إلى المحطة القاعدية عمى تسمسل رشقات Up Link UL يفصل بينيما فجوة OFDMA بينما يدل الترقيم عمى S,...,1 يبدأ اإلطار في الوصمة اليابطة برشقة تمييدية Preamble تحدد بداية رشقات المحطة القاعدية وتفيد في ضبط الت ازمن عند المحطات الم ستقب مة مع اإلطار القادم كما وتستخدم ىذه الرشقة التمييدية لتقدير حالة قناة االنتشار. تمي الرشقة التمييدية مجموعة الحقول Frame يحدد الحقل األول.FCH, DL map, UL map Control Header FCH مجموعة من المحددات مثل طول اإلطار في الوصمة اليابطة والصاعدة. ويحدد الحقل الثاني DL map المعمومات الخاصة باالستقبال لكل محطة من المحطات المتنقمة المرتبطة مع المحطة القاعدية حيث يجري إخبار كل محطة عن الحي ازت الزمنية المخصصة ليا خالل الوصمة اليابطة وتتضمن الحوامل الترددية الفرعية وعدد الرشقات ليذه المحطة. باإلرسال لخمسة محطات لكل منيا حي ازتيا المحددة وفق الشكل. وفق الشكل المحطة القاعدية تقوم

57 OFDMA الشكل 4-5: مثال عمى ىيكمية إطار لمعيار يحدد الحقل الثالث UL map المعمومات الخاصة باإلرسال لكل محطة من المحطات المتنقمة المرتبطة مع المحطة القاعدية حيث يجري إخبار كل محطة عن الحي ازت المخصصة ليا خالل الوصمة الصاعدة وتتضمن الحوامل الترددية الفرعية وعدد الرشقات ليذه المحطة. وفق الشكل 4-5 تقوم خمس محطات باإلرسال إلى المحطة القاعدية لكل منيا حي ازتيا الخاصة بيا. ضمن الوصمة الصاعدة ي خص ص عدد من الحوامل الفرعية ألىداف متنوعة تسمى Ranging subchannels يجري استخدام تمك الحوامل الفرعية من المحطات ال ارغبة باالنضمام إلى الشبكة وتستخدم تمك المحطات تقنيات النفاذ العشوائي إلرسال طمبيا إلى المحطة القاعدية كما وت ستخدم تمك الحوامل الفرعية إلج ارء عمميات الضبط الدورية لمتردد والزمن واستطاعة اإلرسال. وبيذا يتيح المعيار حمل معطيات ضمن إطار واحد لعدة محطات بأحجام وأنماط مختمفة كما وان حجم اإلطار يتغير من إطار آلخر. ويمكن إلطار واحد من أطر المعيار أن يحمل عدة أطر أو جزء من تمك األطر -ذات حجم ثابت أو متغيرة الحجم- التابعة ألحد المحطات الواردة من تطبيقات الطبقات العميا. 51

58 5. التقنيات في الطبقة الفيزيائية: 1.5. كشف وتصحيح األخطاء والتعديل المتكيف: تستخدم الطبقة الفيزيائية الترميز التمفيفي ترميز (convolutional coding) و 3/4 و 2/3 و 1/2 5/6. من جية اإلرسال تخضع المعطيات لكشف وتصحيح األخطاء بمعدالت المع دة لإلرسال المعدالت المتاحة قبل إعدادىا لإلرسال. ثم ت عد ل المعطيات بعد ترميزىا بأحد أنواع التعديل إلى الترميز بأحد BPSK 16 QAM QPSK 16 QAM أو ليجري توزيعيا عمى الحوامل الفرعية المخصصة لتمك المعطيات. ومن جية الم ستقبل يجري استخالص اإلشا ارت من الحوامل الفرعية وفك تعديميا ومن ثم فك ترميزىا لمحصول عمى معطيات الخرج. تقوم الطبقة الفيزيائية الترميز بمعدالت مختمفة عمى حالة قناة االنتشار. - - المدعومة بعدة أنواع من التعديل وعدة أنواع من بتخصيص كل مستخدم بنوع من التعديل والترميز وبكل إطار م رسل اعتمادا ففي حال كون المحطة المتنقمة قريبة من المحطة القاعدية مع وجود شروط جيدة لقناة االنتشار يجري استخدام تعديل ذو رتبة عالية- مثال 64-QAM ومعدل ترميز عالي- مثال بينما وعمى حدود الخمية لممحطة القاعدية حيث تكون شروط قناة االنتشار ضعيفة الناجم عن الخاليا المجاورة 5/6 - - يجري استخدام تعديل ذو رتبة منخفضة مثال - لرفع معدل اإلرسال. تخميد عال والتشويش QPSK ومعدل ترميز منخفض - مثال 1/2 لحماية المعطيات الم رسمة من األخطاء عمى حساب تخفيض معدل اإلرسال كما ىو مبين في الشكل 4-6. الشكل 4-6: الترميز والتعديل المتكي ف. 52

59 Wirless Communications Networks - Ch 4 یقوم المستقبل في المحطة المتنقلة بتقدیر حالة قناة الانتشار و ی خبر المحطة القاعدیة بتلك المعطیات عبر التغذیة الراجعة Feed-back لتقوم المحطة القاعدیة بتحدید رتبة التعدیل ومعدل الترمیز Modulation (and Coding Scheme (MCS الواجب استخدامهم مع تلك المحطة على الوصلة الهابطة والصاعدة خلال الا طار القادم كما یبین الشكل 7-4. الشكل 4-7: تحديد الترميز والتعديل المناسب لإلرسال. وىكذا بإمكان شبكة WiMAX تأمين معدل إرسال عال لمحطة متنقمة ما شريطة توفر جودة إشارة مناسبة وذلك باستخدام رتبة تعديل مالئمة ومعدل ترميز لكشف وتصحيح األخطاء والتعددية في ىوائيات اإلرسال تعدد الهوائيات: يدعم المعيار في الطبقة الفيزيائية استخدام تقنيات اليوائيات المتعددة input- Multiple (MIMO) Multiple output ألىداف مختمفة: يجري استخدام تقنية تشكيل شعاع اإلرسال Beamforming لرفع معدل اإلرسال باتجاه محطة معينة عبر تشكيل وتوجيو شعاع اإلرسال من عدة ىوائيات باتجاه المحطة المستيدفة. يجري استخدام تقنية الترميز الزماني-المكاني Space-time coding لرفع وثوقية اإلرسال باتجاه محطة ما حيث يجري ترميز اإلشارة قيد اإلرسال وارساليا عبر ىوائيان لكل إشارتو الخاصة. يجري استخدام التنضيد المكاني spatial multiplexing إلرسال إشا ارت من المحطة القاعدية إلى عدة محطات وت رسل كل إشارة عبر ىوائي بعد ترميزىا وفق ترميز معين. 53

60 6. طبقة النفاذ: تقوم طبقة النفاذ بالوظائف التالية: تؤمن الربط مع مختمف بروتوكوالت الطبقة األعمى المتوفرة حاليا وبإمكانيا التأقمم مع بروتوكوالت أخرى مستقبال. تؤمن مرونة وفاعمية باإلرسال بإمكانيا تجزئة األطر الم ستممة من الطبقات العميا - إذا كانت أكبر من عتبة معينة - قبل تسميميا إلى الطبقة الفيزيائية وبالمقابل يمكنيا دمج عدة أطر - بحجوم متساوية أو مختمفة - م ستممة من الطبقات العميا بإطار واحد قبل تسميميا إلى الطبقة الفيزيائية. تقوم بانتقاء المحددات واستطاعة اإلرسال المناسبة إلرسال إطار المعطيات باتجاه محطة معينة. تحدد طبقة النفاذ جودة الخدمة المطموبة لمحطة ما وبناء عمييا تقوم بتخصيص ىذه المحطة بالحي ازت الالزمة لو بكل إطار صادر من المحطة المركزية. بعد تشكيل إطار المعطيات يجري تسميمو إلى المجدول. ونظ ار الرتباط عدد كبير من المحطات مع المحطة القاعدية وتباين متطمبات المحطات من عرض الحزمة وجودة الخدمة يقوم المجدول في طبقة النفاذ بجدولة إرسال األطر التابعة لممحطات المختمفة وفق الموارد المتاحة وجودة الخدمة المطموبة. WiMAX ىي بنية خموية تؤمن طبقة النفاذ إدارة حركية المستخدمين بين خاليا بما أن بنية شبكة seamless الشبكة. يسمح المعيار انتقال مستخدم من محطة قاعدية ألخرى بطريقة مرنة handover بدون انقطاع االتصال. ولتحقيق ذلك يتطمب التعاون بين طبقة النفاذ وطبقة اإلنترنت من جية وبين طبقة النفاذ والطبقة الفيزيائية من جية أخرى. تؤمن طبقة النفاذ مستوى عال من السرية بنقل المعطيات. تقوم بإعادة إرسال اإلطار الذي جرى استقبالو بشكل خاطئ في حال جرى استخدام منيجية اإلعادة اآللية. تدعم أنماط متنوعة من "حفظ الطاقة". يمكن لمحطة أن توقف اتصاليا مع المحطة القاعدية لمدة محددة من الوقت وتضع نفسيا بنمط sleep أو.idle خالل النمط األول يتبع حالة التوقف زمن محدد لمتابعة االتصال مع المحطة القاعدية. ويجري االتفاق بين المحطة المتنقمة والمحطة القاعدية عمى زمن التوقف وزمن المتابعة. بينما خالل النمط الثاني اليتم تحديد زمن لممتابعة. تقوم بإج ارئيات إنشاء االتصال بين المحطة المتنقمة والمحطة القاعدية وادامتو. تؤمن خوارزمية نفاذ لتتشارك جميع المحطات المتنقمة بالترددات المخصصة إلنشاء االتصال أو لطمب عرض حزمة محدد. 54

61 7. جودة الخدمة: ت خص ص المحطة القاعدية عرض حزمة محدد لكل مستخد م من مستخدمي شبكة WiMAX وفقا لمتطبيق. ولتمبية المتطمبات المختمفة تدعم WiMAX أنماط متنوعة من جودة الخدمة تمبي حاجات التطبيقات المتباينة بما فييا تطبيقات الخدمات الصوتية والوسائط المتنوعة وذلك عبر تخصيصيا عرض حزمة مناسب لكل نمط من أنماط جودة الخدمة. وقد جرى تصميم WiMAX لدعم عدد كبير من المستخدمين لكل منيم متطمباتو من جودة الخدمة. تصن ف أنماط جودة الخدمة التي تدعميا WiMAX وفق: تدفق معطيات ثابت rate) :(constant bit تدعم إرسال أطر ذات حجم ومعدل إرسال ثابتين. كمثال: خدمات نقل المكالمات الياتفية بعد تنضيدىا ضمن أطر E1 أو T1. تدفق معطيات بالزمن الحقيقي traffic) :(real-time تدعم خدمات بالزمن الحقيقي ذات تدفق معطيات متغير rate) (variable bit كمثال: خدمات الفيديو MPEG التي تول د أطر بشكل دوري وبحجوم مختمفة. تدفق معطيات ليست بالزمن الحقيقي traffic) :(non real-time تدعم الخدمات التي تتسامح مع التأخير الزمني بوصول طرودىا كمثال: بروتوكول نقل الممفات.FTP تدفق معطيات وفق "المتاح" effort) :(best لمتطبيقات التي التفرض قيودا عمى جودة الخدمة كمثال: تصفح اإلنترنت. تدفق معطيات بالزمن الحقيقي الموس ع traffic) :(Extended real-time تدعم خدمات بالزمن الحقيقي ذات تدفق معطيات متغير ولكن تتطمب حدا أدنى لكل من معدل اإلرسال والتأخير. كمثال: خدمات الصوت باستخدام بروتوكول اإلنترنت مع حذف الصمت (VoIP with silence suppression) التي تول د أطر بشكل دوري وبحجوم مختمفة. األمان: يدعم WiMAX نظام تشفير ذو جودة عالية باستخدام "معيار التشفير المتقدم" Advanced Encryption Standard AES و 3DES Triple Data Encryption Standard بمفاتيح تشفير بطول 128 بت أو 256 بت ومعيار "إدارة المفاتيح" Key-Management protocol كما يوف ر نظاما مرنا لمتحقق من اليوية باالعتماد عمى "معيار التحقق من اليوية القابل لمتوسع" Extensible Authentication Protocol.(EAP) 55

62 االنضمام إلى 8. الشبكة: تحتاج المحطة المتنقمة إلى تنفيذ إج ارئية الدخول إلى شبكة WiMAX عبر المحطة القاعدية والتسجيل فييا قبل البدء بعممية إرسال أو استقبال معطيات. تقوم المحطة بالخطوات التالية: 1. تبحث المحطة ضمن المجال الترددي لممحطات القاعدية عن القنوات المحتممة لمقناة اليابطة حتى تجد إشارة وصمة ىابطة صحيحة. 2. بعد الحصول عمى إشارة وصمة ىابطة تحاول المحطة عمى بداية اإلطار في الوصمة اليابطة. 3. بعد الحصول عمى بادئة اإلطار تتمكن المحطة من التعرف عمى المحطة القاعدية. 4. بحال حصمت المحطة عمى عدة إشا ارت لوصالت ىابطة فإنيا تتعامل مع المحطة القاعدية ذات اإلشارة األقوى. 5. بعد استقبال بادئة اإلطار تستقبل المحطة المحددات الخاصة بالوصمة اليابطة والصاعدة مما يمكنيا من معرفة القنوات الترددية والحي ازت المخصصة لطمب إنشاء اتصال مع المحطة القاعدية. 6. ت رسل المحطة طمب إنشاء اتصال عبر القنوات الترددية المتاحة في الوصمة الصاعدة. 7. عبر إجابة المحطة القاعدية لمطمب والردود الالحقة من المحطة المتنقمة يجري تحديد مواصفات وامكانيات الطبقة الفيزيائية لممحطة وعرض الحزمة المطموب. 8. يجري التحقق من ىوية المحطة وتحديد خوارزمية التشفير الواجب اتباعيا وتوليد مفتاح التشفير وارسالو لممحطة. 9. تزويد المحطة بعنوان اإلنترنت لتبدأ باستخدامو بت ارسل المعطيات الالحق. 11. إضافة لتحقيق إنشاء االتصال وت ارسل المعطيات يجب عمى المحطة المتنقمة متابعة جودة االتصال مع المحطة القاعدية من عدة نواح : متابعة االنزياح الترددي والزمني بين المحطة والمحطة القاعدية. ضبط بداية اإلرسال لممحطة وفق بعدىا أو قربيا من المحطة القاعدية بشكل أن يؤخذ بعين االعتبار فروق انتشار اإلشارة بين المحطات المختمفة والمحطة القاعدية بحيث تصل إشا ارت جميع المحطات التابعة لرشقة OFDMA بنفس الوقت إلى المحطة القاعدية. ضبط استطاعة اإلرسال بحيث تكون االستطاعة المستقبمة من جميع المحطات عند مدخل مستقبل المحطة القاعدية متقاربة. 56

63 األسئمة: 1. ما ىي الفائدة العممية التي تقدميا شبكة WiMAX 2. ما ىي الفروق الجوىرية بين أجيال األنظمة الالسمكية واسعة الحزمة 3. اشرح اليدف من كل مكون من مكونات "شبكة خدمات النفاذ" و "شبكة خدمات االتصال". 4. اشرح كيف يجري تخصيص محطة ما بعرض الحزمة الالزمة لإلرسال ولالستقبال. 5. ما فائدة الرشقة التمييدية في اإلطار اليابط 6. كيف يجري إعالم المحطات بالموارد المخصصة ليم لإلرسال ولالستقبال 7. لماذا يجري استخدام عدة أنواع من الت ارميز وعدة أنواع من التعديل 8. كيف يجري تحديد رتبة التعديل ومعدل الترميز قيد االستخدام في اإلرسال 9. اشرح االستخدامات المختمفة لتقنية لتعدد اليوائيات في شبكة.WiMAX 11. اشرح الوظائف المختمفة لطبقة النفاذ في شبكة.WiMAX 11. ما ىي أنماط جودة الخدمة التي تدعميا WiMAX مبينا الفروقات الجوىرية بين متطمبات تمك األنماط 12. اشرح اإلج ارئيات الالزمة النضمام محطة متنقمة إلى محطة قاعدية 13. كيف بجري متابعة جودة االتصال بين المحطة المتنقمة والمحطة القاعدية 57

64 الفصل الخامس: وصف الشبكات اللاسلكیة الشخصیة Wireless personal networks description Bluetooth مقدمة: وصف الشبكات الال سمكي ة الشخصية بموتوث مع االنتشار الكبير لمتجيي ازت التقانية الشخصية والحاجة إلى تبادل المعمومات فيما بينيا ومع تعقيد الربط السمكي بين تمك التجيي ازت ظيرت الحاجة إلى وجود تقنية اتصال السمكي تتخمص من كابالت الربط وتسمح لعدد من األجيزة باالتصال وتبادل المعمومات بطريقة سيمة عند الطمب وباستخدام مجال ترددي ليس بحاجة لترخيص. في عام 8991 شكمت خمس شركات عالمية مجموعة عمل خرجت بتقنية بموتوث والتي تشكل تقانة السمكية تمك ن األجيزة من تشكيل شبكة السمكية قصيرة المدى وأصبحت الحواسب الشخصية والمحمولة وأجيزة اليواتف المحمولة والمفك ارت الشخصية PDA والتجيي ازت التقانية الشخصية األخرى مثل: طرفيات الحاسب كالفأرة ولوحة المفاتيح والطابعات والماسحات الضوئية الخ... مجي زة بتقنية بموتوث. سم يت بموتوث بيذا االسم نسبة لممك الفايكينغ "ىا ارلد بالتاند الثاني" في الدانمارك الممق ب ب "السن األزرق" (Bluetooth) نسبة إلى لون سنو وي عزى إلى الممك قيامو بتوحيد الفايكينغ في كل من الدانمارك والنرويج لذلك ارتبط اسمو بيذه التقنية التي تيدف إلى خمق وسيمة معيارية لمختمف أنواع األجيزة لتتصل مع بعضيا البعض من خالل اتصال السمكي. الخصائص 1. التقنية لمبموتوث: ت عتبر تقنية البموتوث تطبيقا لممعيار IEEE Wireless personal- Area network (WPAN) الذي ي عر ف شبكة السمكية شخصية محددة جغ ارفيا لمعمل ضمن غرفة أو قاعة بقطر حوالي عشرة أمتار كحد أقصى. يتيح لمتجيي ازت الالسمكية إنشاء شبكة بدون بنية تحتية من نوع ضمن المجال ال ارديوي لكل منيا. وبيذا تتيح تمك التقنية اإلمكانيات التالية: لربط التجيي ازت الشخصية Ad hoc -8 عندما تتواجد االستعاضة عن الكابالت بعضيا ببعض كمثال ربط طرفيات الحاسب معو السمكيا عبر بموتوث -2 اإلرسال الصوتي ولممعطيات عبر الربط الالسمكي بين تجييزة اتصاالت محمولة وأخرى ثابتة كمثال نقل الصوت من سماعة تحوي بموتوث إلى جياز التمفون الثابت -3 إضافة إلى إنشاء اتصال سريع ومباشر بين تجييزتين عندما تكونان ضمن المجال ال ارديوي لكال منيما كمثال حاسبان ي نش آن الربط عبر بموتوث لنقل ممفات فيما بينيم. 58

65 .1.1 مزایا البلوتوث: یعود سبب استخدام وانتشار البلوتوث إلى تمتعه بمزایا تجعل منه تقانة جذابة للعدید من التطبیقات منها استهلاكه القلیل للطاقة وكفاءته في الشبكات اللاسلكیة القصیرة المدى وهو مصمم لیكون صغیر الحجم ویمكن تضمینه بشكل عملي ضمن أي جهاز وقد ص مم أیضا لا بقاء التكلفة منخفضة كما ویتمتع بالعدید من الخصاي ص مثل اكتشاف الخدمة التي تجعل من عملیة انتشار التطبیقات أكثر سهولة. فبفضل میزة الاستعلام الموجودة ضمن معیار بلوتوث یمكن إیجاد الا جهزة الموجودة في الجوار واستكشاف الخدمة المطلوبة مما یسمح با یجاد المعلومات المطلوبة من هذه الا جهزة وكل الا عدادات الضروریة لا جراء الاتصال مع الجهاز الذي یستخدم بلوتوث. كما وتتمتع تقانة البلوتوث بتكاملها العالي مع التطبیقات الموجودة فقد جرى تصمیمه لیدعم عدد غیر منته من التطبیقات مع إمكانیة تا مین جودة خدمة معینة وفق التطبیق المستهدف. وقد حس نت النسخة الحدیثة من البلوتوث من معدل نقل المعطیات لتصبح ملاي مة لمعدلات النقل العالیة المناسبة للنقل الفیدیوي. جرى تصمیم معیار بلوتوث لیعمل ضمن بیي ة مشتركة متعددة المستخدمین. فیمكن لعشرة شبكات صغری ة مستقلة عن بعضها التواجد والعمل ضمن مجال التغطیة الرادیویة لكل منها. ولتحقیق الا مان والسریة بالاتصال یجري ترمیز كل اتصال ضمن الشبكة لتا مینه من التنصت وتداخل الا شارات. إحدى المزایا الهامة للبلوتوث هي استقلالیته عن بروتوكول الا نترنت.IP تتیح تلك الخاصیة التعامل مع التجهیزات دون الاهتمام بمساي ل الطبقات العلیا مثل تخصیص العناوین عنوان المسی ر الافتراضي قناع الشبكة الخ... مما یؤدي إلى سهولة كبیرة في إعداد الشبكة. 59

66 2. هيكمية الشبكة:.scatternet piconet ت ع رف بموتوث نوعان من الشبكات: الشبكة الص غري ة والشبكة المنثورة الشبكة 1.2. ال صغري ة: ت دعى الشبكة األساسية لمبموتوث بالشبكة الص غري ة. يمكن ليذه الشبكة أن تتألف من ثمانية تجيي ازت تحوي كال منيا عمى بطاقة بموتوث. ي طمق عمى إحدى تجيي ازت الشبكة الصغري ة بالتجييزة األساسية بينما تدعى التجيي ازت األخرى بالتجيي ازت الثانوية كما يبين الشكل 5-8. تقع عمى عاتق التجييزة األساسية تقص ي (Polling) التجيي ازت الثانوية كما وتعطي السماحية باالنضمام أو عدم االنضمام لمشبكة الصغري ة الخاصة بيا وىي مسؤولة أيضا عمى تأمين الت ازمن بينيا وبين التجيي ازت الثانوية ومن ضمن ىذا الت ازمن تحديد سمسمة القفز الترددية الخاصة بيذه الشبكة الصغري ة والزمن الخاص بالشبكة. تحوي الشبكة الص غري ة تجييزة أساسية واحدة. ويجري ت ارسل المعطيات بين التجييزة األساسية والتجيي ازت الثانوية وفق مبدأ "واحد لواحد" أو مبدأ "واحد لمكل". تقود التجييزة األساسية عممية الت ارسل ضمن الشبكة الصغري ة وفق مبدأ "التقسيم الزمني" TDD إذ تبدأ التجييزة األساسية بمخاطبة إحدى التجيي ازت الثانوية ضمن حصة زمنية محددة ويجري الرد من التجييزة الثانوية خالل الحصة الزمنية الالحقة. يبين الشكل 5-2 المخطط الزمني لت ارسل المعطيات ضمن شبكة صغري ة. وتت ارسل التجييزة الثانوية مع التجييزة األساسية فقط واليمكنيا إرسال أية معطيات إال إذا جرى تقص ييا من التجييزة األساسية. الشكل 5-8: شبكة صغري ة 60

67 بالرغم من إمكانیة الشبكة الص غری ة أن تتضمن سبعة تجهیزات ثانویة یمكن لتجهیزة ثامنة إضافیة أن تكون ضمن هذه الشبكة ولكن بنمط عمل "التوقف".edom dekrap تتزامن التجهیزة التي تعمل بنمط عمل التوقف" مع التجهیزة الا ساسیة للشبكة الصغری ة ولكنها لا یمكنها المشاركة بتراسل المعطیات إلا إذا " تركت نمط عمل "التوقف". ولتفعیل التجهیزة من نمط عمل "التوقف" یتوجب على إحدى التجهیزات الفع الة السبعة من االنتقال إلى نمط عمل "التوقف". الشكل 5-2: االتصال بين تجييزة رئيسية وتجييزتين ثانويتين. الشبكة 2.2. المنثورة: يمكن لشبكتين صغرييتين أن تتحدا لتشكالن مايسمى "شبكة منثورة". فإحدى التجيي ازت الثانوية ضمن شبكة صغري ة تعمل كتجييزة رئيسية في شبكة صغري ة أخرى كما يبين الشكل 5-3. تتمكن تمك التجييزة من استقبال معطيات من التجييزة األساسية -بصفتيا تجييزة ثانوية - في الشبكة الصغري ة األولى وارسال تمك المعطيات -بصفتيا تجييزة أساسية فييا- إلى تجييزة ثانوية ضمن الشبكة الصغري ة الثانية. 61

68 الشكل 5-3: ىيكمية شبكة منثورة. الطبقة :Radio Link 3. ال ارديوية تعمل تجيي ازت البموتوث بأجيالو المختمفة ضمن المجال الترددي GHz أي ضمن مجال ISM Band وبيذا فيو متاح عالميا لالستخدام لجميع المستخدمين بدون الحصول عمى ترخيص. يبمغ معدل تبادل المعطيات 720 kbps في الجيل األول لتبمغ 2-3 MHz في األجيال التالية. أم ا مسافة اإلرسال فتتعمق بفئة التجييزة فقد عرف المعيار ثالث فئات من التجيي ازت محدد لكل منيا استطاعة إرسال معينة - منخفضة متوسطة معتدلة. وتستخدم الطبقة ال ارديوية خوارزمية تحكم باستطاعة اإلرسال بين التجييزة الرئيسية والثانوية لكي ال تستخدم التجييزة استطاعة أعمى من الالزم. وتستخدم الطبقة ال ارديوية تقنية القفز الترددي في اإلرسال. 62

69 .4 القاعدية الطبقة :Baseband layer تقوم الطبقة القاعدية بتنفيذ عدد كبير من اإلج ارءات مثل: تأطير المعطيات وفق المعيار المحدد تحديد ميام الطبقة وفق وظيفة التجييزة كونيا أساسية أم ثانوية تحديد سمسمة القفز إدارة التجييزة وفق نمط التوقف أو االرتباط ضبط ساعة التجييزة التحكم بالوصمة وباإلرسال الصوتي وتأمين رماز كشف وتصحيح األخطاء. ت ستخدم البموتوث في اإلرسال تقنية نثر الطيف بالقفز الترددي لتأمين الممانعة ضد الضجيج وظاىرة تعدد المسا ارت من جية ولتحقيق نوع من النفاذ المتعدد لوسط االنتشار بين التجيي ازت المتجاورة والتابعة لشبكات صغري ة مختمفة من جية أخرى. يعمل مخطط القفز الترددي وفق التالي: يجري تقسيم مجال العمل الترددي لمبموتوث إلى قناة انتشار 79 فيزيائية عرض كل منيا 1 MHZ ويحصل القفز الترددي باالنتقال من قناة فيزيائية إلى أخرى بتسمسل شبو عشوائي وتتشارك كل التجيي ازت ضمن نفس الشبكة الصغري ة تسمسل القفز ذاتو. ويبمغ معد ل القفز 1600 قفزة بالثانية أي تبقى القناة الفيزيائية الواحدة مشغولة لفترة ms ي شار إلى كل فترة ms ب "الحي ز الزمني" ويجري ترقيم الحي ازت الزمنية تسمسميا. يبي ن الشكل 5-2 )السابق( الحي ازت الزمنية مشار إلييا بالرموز...,f3,f0.,f1,f2 كل رمز يمثل إحدى أقنية االنتشار الفيزيائية أي أحد الترددات. ت رس ل التجييزة األساسية خالل الحي ازت الزمنية الفردية بينما ت رس ل التجييزة الثانوية خالل الحي ازت الزمنية الزوجية. إضافة لإلرسال خالل حي ز زمني واحد يتيح المعيار أو خمسة حي ازت زمنية متتالية إذا اقتضى حجم اإلطار ذلك يبين الشكل لتجييزة ما باإلرسال خالل ثالث 5-4 الحاالت الثالث لإلرسال وفق حي ز زمني واحد أو ثالث أو خمسة وتمثل الرموز f(k) f(k+1)... الحي ازت الزمنية. في بداية كل حي ز زمني تبدأ التجييزة بإرسال إطار وي ستخدم في بداية كل إطار تتابع خاص من اإلشا ارت لمداللة عمى بداية اإلطار ت سم ى "رمز النفاذ".Access code 63

70 الشكل 5-4: اإلرسال وفق حي ز زمني واحد ثالث أو خمسة حي ازت زمنية تعمل الطبقة ال ارديوية وفق مبدأ "التقسيم الزمني".TDD يمنع ىذا المبدأ ظاىرة التسميع المتبادل Crosstalk بين عمميات اإلرسال واإلستقبال ضمن المستقبل ال ارديوي. وبما أنو يتم اإلرسال واالستقبال ضمن حي ازت زمنية مختمفة فإنو يجري استخدام ترددات مختمفة بكل منيم. تقوم التجييزة األساسية ضمن الشبكة الصغري ة بتحديد سمسمة القفز ضمن ىذه الشبكة ويجري تحديد تمك السمسمة بناء عمى العنوان الفيزيائي MAC address لمتجييزة األساسية. نتيجة لذلك وعند تواجد عدة شبكات صغري ة لكل منيا تجييزتيا األساسية ستستخدم كل شبكة سمسمة قفز مختمفة عن األخرى وبالتالي ستعمل تمك الشبكات الصغري ة عمى أقنية فيزيائية مختمفة. 64

71 5. أنواع الت اربط: تعتمد عرض الحزمة المخصصة بين تجييزتين عمى نوع الت اربط بينيما. يمكن إنشاء عدة أنواع من الت اربط بين التجييزة األساسية والثانوية -أو بين التجييزة األساسية وعدة تجيي ازت ثانوية- ويجري تجديد نوع الت اربط وفق طبيعة الخدمة المطموبة منيا. يتمحور أنواع الت اربط حول نوعين ىما: الت اربط المت ازمن: وي ستخدم لالتصال الصوتي وفق نمط الدارة الياتفية أي وفق االتصال الياتفي كما وي ستخدم لمخدمات التي تتطمب ت ارسل معطيات متناظرة بين التجييزتين الرئيسية والثانوية. يؤدي حجز فسحات زمنية بانتظام إلى ت ارسل معطيات بمعدل 64 Kbps لكل حي ز زمني. ي خ ص ص النوع المتناظر من الت اربط نفس عدد الحي ازت الزمنية لموصمة الصاعدة واليابطة وت عتبر ىذه الوصمة من نوع نقطة لنقطة. ويمكن لمتجييزة األساسية أن تدعم ثالث ت اربطات مت ازمنة بنفس الوقت. اليعاد إرسال أي طرد وفق ىذا النمط من الت اربط بحال لم يجر استالمو بشكل صحيح أو بحال تعرضو لمتمف أثناء اإلرسال واإلنتشار في وسط االنتشار. وبالتالي يؤمن الت اربط المت ازمن معدل نقل ثابت بدون أية ضمانة. الت اربط غير المت ازمن: وي ستخدم لت ارسل المعطيات غير المتناظرة بين الوصمة الصاعدة واليابطة بين التجيي ازت كما وي ستخدم في مرحمة استكشاف التجيي ازت المجاورة (neighbour discovery) ومرحمة اإلعالم.(paging) تقوم التجييزة األساسية خالل الحي ازت الزمنية غير المحجوزة لمت اربط المت ازمن بتبادل المعطيات مع التجيي ازت الثانوية والي سمح ألية تجييزة ثانوية بإرسال طرد خالل حي ز زمني إال إذا جرى جرى تقص ييا من قبل التجييزة األساسية وىنا يمكن تخصيص حي ز زمني أو ثالث أو خمسة حي ازت لتحقيق ت ارسل المعطيات المطموب. ويمكن تحقيق معدل نقل أعظمي مقداره 721 Kbps بتخصيص خمسة حي ازت زمنية باتجاه و 57.6 Kbps بتخصيص حي ز زمني واحد باالتجاه اآلخر. يجري تطبيق قاعدة إعادة اإلرسال (Automatic Repeat Request - ARQ) وفق ىذا النمط من الت اربط بحال لم يجر استالم الطرد بشكل صحيح أو بحال تعرضو لمتمف أثناء اإلرسال واإلنتشار في وسط االنتشار. 65

72 6. العنونة: يستخدم البموتوث أربعة أنواع من العناوين خالل أطوار عممو المختمفة وىي: العنوان الثابت لتجييزة البموتوث :BD_Addr يجري تزويد كل تجييزة بموتوث بعنوان ثابت من قبل الشركة المصن عة ولكل تجييزة بموتوث عنوان فريد بطول النفاذ 48 bits وىو العنوان الخاص بطبقة.MAC Addr ي ستخدم ىذا العنوان في مرحمة واحدة من م ارحل عمل البموتوث وىي مرحمة إنشاء االرتباط مع التجييزة الرئيسية والي ستخدم مطمقا خالل الم ارحل الالحقة. وىو العنوان الوحيد الذي اليتغير من ضمن مجموعة العناوين التي يستخدميا البموتوث. العنوان الفع ال لتجييزة البموتوث :AM_Addr وىو رقم بعرض 3-bits مما ي فس ر العدد األعظمي لمتجيي ازت التي تتكون منيا الشبكة الصغري ة. ولكل تجييزة ضمن الشبكة الصغرية عنوانا من ضمن ىذه األرقام ويبقى ىذا العنوان صالحا طالما بقيت التجييزة فعالة ضمن الشبكة. وبما أنو ال يمكن لمتجيي ازت الثانوية من الت ارسل مباشرة فيما بينيا فيحدد ىذا العنوان التجييزة الثانوية في الوصمة اليابطة. العنوان غير الفع ال لتجييزة البموتوث وىي بعرض :PM_Addr 8-bits ت خصص ىذه العناوين لمتجيي ازت الغير فعالة وتكون فعالة بحال كانت التجييزة بوضعية "التوقف". تقوم التجييزة الرئيسية بتزويد التجييزة الثانوية بعنوان PM_addr أثناء تنفيذ إج ارئية التوقف. عنوان لطمب النفاذ لتجييزة البموتوث :AR_Addr وىو عنوان مؤقت أيضا إذ تقوم التجييزة الرئيسية بتزويد التجييزة الثانوية بيذا العنوان أثناء تنفيذ إج ارئية التوقف. وي ستخدم من قبل التجيي ازت بوضعية "توقف" لتحديد الحي ز الزمني المصر ح ليا استخداميا إلرسال طمب نفاذ إلى الشبكة. ويبقى ىذا العنوان فع اال طالما أن التجييزة بوضعية "توقف". 66

73 البموتوث أطر 7. وبنيتها: تتكون بنية إطار البموتوث من ثالثة حقول وىي مشتركة لجميع أنواع األطر كما يبين الشكل 5-5 )a(. ي ستخدم الحقل األول - رماز النفاذ- من أجل ضبط الت ازمن بين التجييزة الم رس مة والمستقب مة إضافة الستخدامو بعمميات االستعالم (inquiry) وعممية إعالم التجييزة.(paging) ي حد د الحقل الثاني - الترويسة- نوع اإلطار وبعض المعطيات التحكمية. أما الحقل الثالث -حقل المعطيات- فيتكون في حال وجوده من معطيات الم ستخدم. يوجد لحقل "رماز النفاذ" ثالثة أنواع الشكل 5-5 (b) يعر ف النوع األول الشبكة الصغري ة وىو وحيد ألجل كل شبكة وي ستخدم النوع الثاني من أجل عمميات إعالم التجييزة واألجوبة الالحقة المتعمقة بيا أم ا النوع الثالث فم خص ص لعمميات االستعالم. الحقل الثاني من إطار البموتوث ىو لمترويسة ويتألف من ستة حقول كما ىو مبين بالشكل 5-5 (c) وفق مايمي: AM_Addr )العنوان الفع ال(: كما ذ ك ر سابقا تتضمن الشبكة الصغري ة كحد أقصى سبعة تجيي ازت ثانوية ويتضمن ىذا الحقل المؤلف من ثالثة بتات العنوان الفع ال إلحدى التجيي ازت السبع الثانوية وىو عنوان مؤقت يخصص لمتجييزة الثانوية ضمن الشبكة الصغري ة. يحوي ىذا الحقل العنوان الفع ال لمتجييزة الثانوية عند اإلرسال من التجييزة الرئيسية إلى التجييزة الثانوية أو بالعكس. وت خص ص القيمة 0 في ىذا الحقل لعممية البث من التجييزة الرئيسية إلى كل التجيي ازت الثانوية ضمن الشبكة الصغري ة. وتفقد التجييزة ىذا العنوان عندما تتحول إلى نمط عمل "التوقف". الشكل 5-5 : بنية إطار البموتوث 67

74 Wirless Communications Networks - Ch 5 Type )النمط(: يحدد ىذا الحقل نوع اإلطار. وتشمل األطر األنواع التالية: األطر التحكمية الخاصة لكال نوعي االرتباط المت ازمن وغير المت ازمن واألطر المخص صة لنقل معطيات الم ستخدم وفق أحد نوعي االرتباط ووفق عرض الحزمة الموافقة لنوع الخدمة المطموبة. تحمل األطر التحكمية معطيات مرتبطة بمعامالت اإلرسال عبر وسط االنتشار مثل سمسمة القفز الترددي أو معطيات مرتبطة بإنشاء االتصال وبأمن الوصمة أو معطيات لطمب إنشاء االتصال. Flow )التدفق(: يحقق ىذا الحقل المكو ن من بت واحدة التحكم بالتدفق بين التجييزتين قيد الت ارسل فبإمكان تجييزة من إيقاف إرسال التجييزة المرتبطة معيا عبر ىذه الخانة. ARQN )إعادة اإلرسال اآللي(: يزو د ىذا الحقل المكو ن من بت واحدة التجييزة الم رس مة بإشعار االستالم ويجري إعادة إرسال اإلطار السابق إذا لم يتم استقبالو بشكل صحيح اعتمادا عمى محتوى ىذا البت. SEQN )الترقيم التسمسمي(: يرق م ىذا الحقل المكو ن من بت واحدة األ طر الم رس مة وبالتالي تكون األطر مرقمة بشكل متتالي 0,1. وتكمن الحاجة إلى ىذا الحقل لمتمييز بين األطر الم ستقبمة في حال جرى إعادة إرسال اإلطار من قبل التجييزة الم رس مة نتيجة لفشل استقبال إشعار االستالم. HEC )التحكم بأخطاء الترويسة(: يحتوي ىذا الحقل عمى رماز تصحيح األخطاء لحماية ترويسة اإلطار. الحقل الثالث من إطار البموتوث ىو حقل المعطيات يحمل معطيات الم ستخدم بنوعييا الصوتية أو المعطيات وىو متغير الطول تبعا لممعطيات المحمولة داخمو ويبين الشكل 5-5 (d) ترويسة حقل المعطيات بحالة استخدام حي ز زمني واحد إلرسال المعطيات وبحالة استخدام عدة حي ازت زمنية. 68

75 8. تصحيح األخطاء: يستخدم معيار بموتوث ضمن الطبقة القاعدية ثالثة منيجيات لتصحيح األخطاء ويجري استخدام كل منيجية وفق نوع الت اربط وىي: 85 1/3: rate FEC يجري استخدامو عند نقل الصوت. وفق ىذه المنيجية ت رسل ثالثة بتات مقابل كل بت واحدة من المعطيات ويقوم المستقبل باستخدام "مبدأ األغمبية" لتحديد البت المستقب مة. 2/3: rate FEC يجري استخدامو عند إرسال األوامر التحكمية. يتم استخدام رماز "ىامينغ" لتوليد 81 بت مقابل األخطاء. منيجية إعادة اإلرسال اآللية المنيجية من ثالثة عناصر: بتات معطيات. باستخدام ىذا الرماز يمكن اكتشاف وتصحيح عدد محدد من :ARQ scheme يجري استخدامو عند نقل بيانات. تتكون ىذه اكتشاف الخطأ: يقوم المستقبل باكتشاف الخطأ في حال حدوثو باستخدام CRC داخل اإلطار واىمال الطرد المتضمن أخطاء. إرسال إشعار باالستالم بحال كون اإلطار خال من األخطاء. إعادة إرسال الطرد الذي لم يجر استالم إشعا ار باستالمو. المتضمن إرسال إشعار سمبي من قبل المستقب ل بحال اكتشف خطأ باإلطار ويقوم المرسل بدوره بإعادة إرسال اإلطار. 69

76 9. إج ارئية إنشاء الشبكة: تتكون الخطوة األولى إلنشاء شبكة صغري ة بأن تقوم التجييزة الرئيسية بالتعر ف عمى التجيي ازت المحيطة بيا ضمن مجاليا ال ارديوي والتي ترغب باالنضمام إلى شبكتيا الصغري ة. بدافع من المستخدم أو التطبيق الموجود ضمن التجييزة تبدأ ىذه التجييزة بإج ارئية االستعالم ليذا الغرض إذ تقوم بإرسال إطار يتضمن ىوية ىذه التجييزة إضافة إلى رمز االستعالم المشترك بين جميع تجيي ازت البموتوث. ت رسل التجييزة الرئيسية ىذا اإلطار دوريا عمى عدد معين ومعروف من الترددات بينما تقوم التجيي ازت ال ارغبة باالنضمام إلى الشبكة بالبحث عن إطار االستعالم. عند استالم إطار االستعالم تقوم التجييزة بالرد عمى التجييزة الرئيسية بتزويدىا بعنوان ال MAC الخاص بيا وببعض المعمومات الالزمة لتتمكن التجييزة الرئيسية من البدء بإج ارئية االرتباط. حالما تستمم التجييزة الرئيسية ردا عمى إطار االستعالم من تجييزة ما يمكنيا عندئذ من إنشاء ارتباط معيا عبر مخاطبتيا بعنوان ال MAC الخاص بتمك التجييزة وتزويدىا بالعنوان الفع ال وبالمعطيات الالزمة لسمسة القفز الخاصة بيذه الشبكة الصغري ة.حالما ترتبط التجييزة الثانوية مع التجييزة الرئيسية تبدأ األخيرة بإج ارء التقصي لمتجييزة الثانوية. 70

77 10. األسئمة: 1. ما ىي الخصائص والم ازيا العامة لتقنية بموتوث 2. اشرح ىيكمية الشبكة الصغري ة. 3. مم تتألف الشبكة المنثورة ولماذا تستخدم 4. اشرح كيف يجري تبادل المعطيات داخل الشبكة الصغري ة. 5. ما لفرق بين الت اربط المت ازمن والغير مت ازمن 6. ما ىي األنواع المختمفة لمعنونة التي يستخدميا تستخدميا تقنية ومتى يجري استخدام كل نوع منيا 7. اشرح اليدف من الحقول المشتركة بأطر الطبقة القاعدية لمبموتوث 8. ما ىي المنيجيات المتبعة بتقنية بموتوث لكشف وتصحيح األخطاء 9. اشرح خطوات إنشاء شبكة صغري ة. 71

78 الفصل السادس: وصف نظام الاتصالات عبر الساتل Satellites communication description وصف نظام االتصاالت عبر الساتل:.1 ت ق ارن االتصاالت عبر الساتل باأللياف الضوئية وذلك ألىميتيا في تطور االتصاالت وتبادل المعمومات. ي عتبر الساتل المتواجد عمى مدار ثابت فوق األرض حجر األساس في منظومة االتصاالت عبر الساتل. تتألف ىذه المنظومة من محطات أرضية stations) (eath مزو دة بيوائيات قطعية (parabolic) وي دعى االتصال من المحطة األرضية إلى الساتل بالوصمة الصاعدة بينما ي دعى االتصال من الساتل إلى المحطة األرضية بالوصمة اليابطة ويبين الشكل 6-1 منظومة أساسية لالتصاالت عبر الساتل. ويقوم transponder المتواجد داخل الساتل بتحويل اإلشارة المستقبمة من الوصمة الصاعدة إلى إشارة أخرى في الوصمة اليابطة. الشكل 6-1: منظومة أساسية لالتصاالت عبر الساتل 72

79 2. تصنيف االتصاالت عبر الساتل: تكمن الفكرة األساسية لالتصاالت عبر الساتل إذا بإرسال معطيات من محطة أرضية إلى الساتل وارساليا من جديد من الساتل إلى محطة أرضية أخرى بمكان آخر من الكوكب األرضي. ويجري تصنيف االتصاالت عبر الساتل وفق معايير متنوعة منيا: مساحة التغطية: عالمية إقميمية محمية. وكم ما اتسعت المساحة المطموبة لمتغطية ازدادت أعداد السواتل الالزمة لمعمل ضمن منظومة شبكية واحدة. نوع الخدمة: خدمة البث التمفزيوني أو اإلذاعي خدمات محددة وثابتة خدمات التجوال. استخدامات عامة: تجارية عسكرية ىواة تجريبية. يمكن مالحظة العديد من االختالفات بين االتصاالت المعتمدة عمى السواتل واالتصاالت الالسمكية األرضية التي يجب أن تؤخذ بالحسبان عند تصميم منظومة االتصاالت منيا: مساحة التغطية: تتجاوز مساحة التغطية لمنظومة الساتل بم ارحل عديدة منظومات االتصاالت الالسمكية األرضية ففي حال الساتل المت ازمن مع األرض يغطي ساتل واحد حوالي ربع مساحة الكرة االرضية. التغذية الكيربائية وعرض الحزمة: ت عتبر التغذية الكيربائية وعرض الحزمة المخصصة لمساتل من الموارد المحدودة والتي تتطمب حرصا بتصميم معامالت الساتل والمحطة األرضية. التأخير الزمني: تتأثر االتصاالت عبر السواتل بتأخي ارت زمنية ناتجة عن زمن انتشار اإلشارة في الفضاء الحر تتجاوز بم ارحل عديدة التأخي ارت الزمنية في منظومات االتصاالت األرضية الالسمكية ويجب أن يؤخذ ىذا التأخير بعين االعتبار عند تصميم منظومات السواتل. أنماط إرسال متنوعة: تدعم منظومة الساتل نمط اإلرسال نقطة لنقطة و نمط اإلرسال المتعدد باإلضافة إلى نمط البث. جودة اإلرسال: رغم تعرض إشارة الساتل الصاعدة أو اليابطة إلى بعض الت ارجع المحظي في جودتيا إال أن جودة اإلشارة تبقى عالية جدا. معدل النقل: يمكن أن تخصص منظومة الساتل عرض حزمة عالية جدا لبعض المستخدمين حسب الطمب. 73

80 3. مدا ارت السواتل: تصنف مدا ارت السواتل بعدة طرق: يمكن أن يكون المدار دائريا بمركز ىو مركز األرض أو إىميجيا بشكل قطع ناقص ويكون مركز األرض ىو أحد محرقي المدار. يمكن أن يكون المدار حول األرض وفق أسطح مختمفة. كالمدار االستوائي الذي يتوضع ويمر فوق خط االستواء أو المدار القطبي الذي يتوضع ويمر فوق كال القطبين أو المدا ارت المائمة التي تشمل باقي المدا ارت. كما تصن ف المدا ارت أيضا وفق ارتفاع الساتل كالمدار المت ازمن مع األرض (GEO) والمدار ذو االرتفاع المتوسط (MEO) والمدار ذو االرتفاع المنخفض.(LEO) 1.3. السواتل المت ازمنة مع األرض :(GEO) ت عتبر السواتل المت ازمنة مع األرض من أكثر السواتل استخداما ذات مدار دائري وتتوضع عمى ارتفاع 35,836 km من عمى سطح األرض كما يبين الشكل 6-2. وليذا المدار م ازيا متعددة منيا: نظ ار لكون الساتل ثابتا نسبيا بالنسبة لألرض فمن تبرز مشكمة االنزياح الترددي التي تنتج عن الحركة النسبية بين الم رسل والمستقبل -ظاىرة دوبمر. سيولة مالحقة الساتل من المحطة األرضية. عمى ىذا االرتفاع يغطي ساتل واحد حوالي ربع مساحة الكرة االرضية وىكذا بإمكان ثالثة سواتل متباعدة بمقدار 120 درجة عن بعضيا البعض ومتموضعة فوق خط االستواء من تغطية معظم الكرة األرضية عدا المنطقتين القطبيتين. ولكن مع ذلك تبرز بعض اإلشكاالت منيا: 1. ضعف اإلشارة الم ستقبمة بعد انتشارىا ليذه المسافة الطويمة. 2. ضعف اإلشارة في الدائرتين القطبيتين الشمالية والجنوبية. 3. زمن تأخير محسوس بإرسال إشارة من محطة أرضية إلى الساتل ومنو إلى محطة أرضية أخرى فإذا كانت وصمة الساتل ت ستخدم لالتصاالت التمفونية فسيكون زمن التأخير من رتبة نصف ثانية. 74

81 Wirless Communications Networks - Ch السواتل ذات المدار ذو الارتفاع المنخفض (LEO) : تتوضع السواتل على مدارات بارتفاع بین km فوق سطح الا رض كما یبین الشكل 3-6 وتمتاز عن سواتل GEO إضافة لزمن إنتشار الا شارة المحدود والذي یبلغ حوالي m.s 20 فا ن شد ة الا شارة أعلى بكثیر من إشارة ساتل GEO من أجل نفس استطاعة الا رسال ولكن من مساوئ سواتل LEO هو تعر ض الا شارة المنتشرة إلى انزیاح ترددي كبیر نتیجة ظاهرة دوبلر. ومن بعض خصاي ص هذه السواتل: 1. یتراوح زمن الدورة الواحدة حول الا رض للساتل من ساعة ونصف إلى ساعتین. 2. یبلغ نصف قطر مساحة التغطیة للساتل. km یبقى الساتل ظاهرا لمدة زمنیة لاتتعدى.min 20 (GEO) الشكل 6-2: السواتل المت ازمنة مع األرض وألجل تغطية الكرة األرضية بشكل كامل وعمى مدار الساعة يمزم العديد من السواتل وقد جرى استخدام مدا ارت LEO لنشر عدة منظومات اتصال تغطي الكرة األرضية ألغ ارض متنوعة بما فييا خدمات االتصال الصوتي. يتطمب االستخدام العممي ليذه المنظومة عدة مدا ارت بأسطح مختمفة كل سطح يتضمن عدد من السواتل ويتطمب تحقيق اتصال بين محطتين أرضيتين تسميم اإلشا ارت من ساتل آلخر. 75

82 (LEO) الشكل 3-6: السواتل ذات االرتفاع المنخفض :)MEO( ذات السواتل المدار ذو االرتفاع المتوسط.3.3 تتوضع السواتل عمى مدا ارت بارتفاع بين ,000 km فوق سطح األرض كما يبين الشكل 4-6 وكذلك تمتاز عن سواتل GEO بزمن إنتشار اإلشارة المحدود والذي يقل عن 50 m.s وكذلك فإن شد ة اإلشارة أعمى بكثير من أجل نفس استطاعة اإلرسال ولكن تبقى مشكمة االنزياح الترددي الكبير نتيجة ظاىرة دوبمر. ومن بعض خصائص ىذه السواتل: hr يت اروح زمن الدورة الواحدة حول األرض لمساتل 10,000-15,000. km يبمغ نصف قطر مساحة التغطية لمساتل يبقى الساتل ظاى ار لبضع ساعات. 76

83 (MEO) الشكل 6-4: السواتل ذات االرتفاع المتوسط ألجل تغطية الكرة األرضية بشكل كامل وعمى مدار الساعة يمزم عدد من السواتل أقل من تمك الالزمة بسواتل.LEO ويتطمب تحقيق اتصال بين محطتين أرضيتين تسميم اإلشا ارت بين عدد أقل من السواتل مقارنة مع نظام.LEO 4. تطبيقات نظم السواتل: جرى استخدام السواتل عمى نطاق واسع عمى مستوى العالم. تتضمن تطبيقات نظم السواتل البث التمفزيوني واإلذاعي واالتصاالت الياتفية وتمك المخصصة لمخ ارئط ولمم ارقبة في الزمن الحقيقي وسواتل الطقس والصور والعديد غيرىا. ت ستخدم أنظمة البث التمفزيوني السواتل المت ازمنة GEO 66 لما تقدمو تمك السواتل من م ازيا لخدمات البث التمفزيوني وخاصة وأنو سيخص ص الساتل بترددات محدودة لتغطية مسحات شاسعة بالبث التمفزيوني. ومن األمثمة عمى منظومات االتصال التي تستخدم مدا ارت LEO ىي منظومة االتصال Iridium التي تتألف من ساتل موزعة عمى ستة مدا ارت. تتصل تمك السواتل مباشرة مع ىواتف خموية رقمية في أي مكان عمى سطح األرض لمت ارسل الصوتي وت ارسل معطيات. 77

84 Wirless Communications Networks - Ch 6 جرى استخدام مدارات MEO لنشر عدة منظومات اتصال تغطي الكرة الا رضیة لا غراض متنوعة تتضمن فیما تتضمنه نظام التموضع العالمي GPS و خدمات الاتصال الصوتي. تتا لف منظومة التموضع العالمیة GPS من 24 ساتل ی رسل كلا منها إشارة خاصة به ویستطیع المستقبل استقبال إشارات أربعة سواتل بنفس الوقت وتبعا لتلك الا شارات یستطیع تحدید موقعه. ضمن شبكة الا نترنت یمكن للسواتل أن تلعب أدوار عدة فیمكن لمنظومة سواتل أن تقوم بربط نقاط نفاذ بعضها ببعض كما یمكنها إیصال خدمة النفاذ للا نترنت للمناطق الناي یة. تلعب نظم السواتل العسكریة دورا محوریا في المراقبة على مدار الساعة وبالزمن الحقیقي لسطح الارض كذلك تقوم بتا مین الاتصالات العسكریة. 5. المجاالت الترددية لمسواتل: يبين الجدول 6-1 المجاالت الترددية المتاحة لسواتل االتصاالت. من المالحظ أن ازدياد عرض الحزمة المتاحة متعمق بازدياد المجال الترددي. ولكن وبشكل عام مع ارتفاع قيمة التردد يزداد تأثر اإلشارة الم رسمة بمعوقات متنوعة. يجري استخدام الترددات في المجال L و S في سواتل خدمات االتصاالت النقالة. ففي تمك المجاالت مقارنة مع الترددات األعمى تتعرض الترددات لدرجة انكسار أعمى كما وتتمكن من اخت ارق الحواجز الفيزيائية بدرجة أعمى. وىذه الخصائص مرغوب فييا التطبيقات األرضية بصورة كبيرة المجاالن ىذين المجالين. L بالنسبة لالتصاالت النقالة. ولكن تستخدم الكثير من وS مما يجعل التنافس كبي ار بين مختمف الخدمات ضمن الجدول 6-1 : المجاالت الترددية لسواتل االتصاالت 78

85 ضمن أي مجال من المجالات الترددیة المتاحة للسواتل یجري تخصیص تردد معین للوصلة الصاعدة وتردد آخر للوصلة الهابطة ویكون تردد الوصلة الصاعدة أعلى دوما من تردد الوصلة الهابطة وذلك لا ن التردد الا على یتعرض لتخامد أكبر في الفضاء الحر وبالتالي یحتاج إلى استطاعة أعلى في الا رسال الا مر المتاح دوما في المحطة القاعدیة. 6. نطاق تغطية الساتل: تستخدم السواتل الترددات المايكروية والتي تحتاج إلى ىوائيات عالية االتجاىية وبالتالي يجري توجيو اإلشارة إلى نقطة محددة عمى األرض باالعتماد عمى المنطقة المرغوب تغطيتيا. تستقبل النقطة المركزية ليذه المنطقة أقوى شد ة إشارة م رس مة وتنخفض شد ة اإلشارة كمما ابتعدنا عن النقطة المركزية وتعتمد تمك الشد ة عمى الطاقة المقدمة ليوائي الساتل واتجاىيتو. يجري عرض ىذه الظاىرة كمخطط بياني ي عر ف بنطاق التغطية لمساتل كما يبين الشكل 6-5. ويبين مخطط نطاق التغطية شد ة اإلشارة الفعالة لمساتل في كل نقطة من نقاط التغطية. الشكل 6-5: نطاق التغطية لساتل وتدرج شد ة اإلشارة 79

86 7. تخامد اإلشارة في جو األرض: إن السبب الرئيسي لتخامد إشارة الساتل في الجو ىو غاز األوكسجين - الموجود دائما في الجو- ورطوبة الجو المتمثمة بوجود ضباب أو مطر. ويوجد سبب آخر يؤثر عمى تخامد اإلشارة وىو ازوية ارتفاع ىوائي االستقبال. فكمما صغرت ازوية ارتفاع اليوائي كمما ازدت المسافة الواجب أن تقطعيا اإلشارة في الجو قبل أن تصل اإلشارة ليوائي االستقبال. إضافة لذلك يزداد تخامد اإلشارة بازدياد ترددىا. 8. تشكيالت شبكة السواتل: من أكثر تشكيالت السواتل شيوعا وصمة نقطة لنقطة بين محطتين أرضيتين متباعدتين جغ ارفيا كما ىو مبيبن بالشكل السابق 6-1 وتؤمن التشكيمة األخرى الشكل 6-6 االتصال بين محطة أرضية م رس مة والعديد من الم ستقبالت األرضية وبيذه التشكيمة يؤمن الساتل البث لعدد كبير من المستخدمين. الشكل 6-6: تشكيمة البث تبرز الحاجة أحيانا لربط عدد من المستخدمين -أو مجموعات من المستخدمين ضمن شبكة ما وتمنع بعض الصعوبات - وجودىم بمناطق نائية وعدم توفر بنية تحتية جاىزة مع صعوبة تنفيذىا من تحقيق المتطمب بيذه الحالة يمكن تصميم منظومة مشتق ة من التشكيمة الثانية المذكورة أعاله حيث يمكن لممحطات األرضية اإلرسال واالستقبال من الساتل الذي يمعب ىنا دور المجم عة التي تستقبل من محطة 80

87 أرضیة وتعید توجیه وارسال المعطیات بالاتجاه المطلوب وتفید تلك التشكیلة بربط مشتركین بعضهم ببعض والتراسل فیما بینهم. تدعى هذه التشكیلة باسم terminal) VSAT (very small aperture كما یبین الشكل 7-6 وفیها یتشارك المشتركین بالسعة المخصصة للساتل في الوصلتین الصاعدة والهابطة وفق إحدى الا لیات التي سیجري شرحها لاحقا. الشكل 6-7: تشكيمة VSAT 81

88 9. تخصيص عرض حزمة الساتل: يمتمك ساتل من نوع GEO عرض حزمة ترددية واسعة يقوم بتجزئتيا إلى حزم ترددية أضيق ويوزعيا عمى عدد من األقنية. في بعض الحاالت تخص ص قناة واحدة لمستخد م وحيد أو لتطبيق وحيد كتخصيصيا لمبث التمفزيوني أو تبادل معطيات رقمية مع مستخدم ما ولكن من أجل االستخدام الفع ال لعرض حزمة الساتل يجري مشاطرة كل قناة بين عدد من المستخدمين باستخدام تقنية التضميم الحزم الترددية في بعض الحاالت عن طريق متحكم مركزي.(Multiplexing) - تخصيص يجري الساتل بيذه الحالة ولكن بالحاالت األخرى يجري التخصيص عن طريق المحطات األرضية. تنقسم است ارتيجيات التخصيص إلى ثالث تقنيات: النفاذ المتعدد باقتسام التردد النفاذ المتعدد باقتسام الزمن النفاذ المتعدد باقتسام الرماز. النفاذ المتعدد باقتسام التردد: كما ذ كر أعاله يجري تجزئة عرض حزمة الساتل إلى عدد من األقنية. ويمثل ذلك أعمى مستوى من التقسيم إذ يجري تقسيم الحزمة الترددية لكل قناة إلى حزم أضيق وىذا مماثل لمتضميم باقتسام التردد Multiplexing).(Frequency Division يبين الشكل 6-4 لعرض الحزمة الترددية لساتل وتقسيماتيا. يستخدم ىذا الساتل المجال الترددي C بعرض حزمة MHz ويمكنو ضغط مثاال باالعتماد عمى مبدأ "إعادة استخدام التردد" من قبل حاممين اثنين بقطبيتين قناة كل منيا بعرض حزمة ترددية 40 MHz frequency reuse متعامدتين ويوضح الشكل واألقنية ذات القطبية الشاقولية. كما وي ترك فاصل حماية 6-8 داخل الحزمة الرئيسية وفق مايمي: يجري استخدام كل تردد أيضا (Guardband) قناتين متجاورتين وبذلك يصبح عرض الحزمة الترددية لكل قناة 36. MHz األقنية ذات القطبية األفقية 4 MHz مقداره بين كل الشكل 6-8: تخصيص نموذجي لموصمة اليابطة ألحد أنظمة الساتل 82

89 عندما ی خ صص الساتل للعمل وفق تشكیلة نقطة لنقطة بین محطتین أرضیتین عندها یمكن لكل قناة أن ت ستخدم لا غراض متعددة منها: قناة صوتیة (VF( Voice-Frequency Mbps دفق معطیات وحید قناة كل منها ذات دفق معطیات Mbps قناة كل منها ذات دفق معطیات Kbps إشارة تلفزیونیة وحیدة تمثیلیة 6. من 6 إلى 8 إشارات تلفزیونیة رقمیة. نتیجة اتساع مساحة التغطیة للساتل تلجا بعض أنظمة الساتل إلى تقسیم القناة الواحدة إلى أقنیة فرعیة جزي یة كل منها مخصص لمحطة أرضیة وتحمل عدد من الا قنیة الصوتیة وبالتالي با مكان عدة محطات أرضیة من النفاذ إلى قناة واحدة من أقنیة الساتل ویمثل ذلك تقنیة النفاذ المتعدد باقتسام التردد. یبین الشكل 9-6 الا قنیة الفرعیة الجزي یة لقناة واحدة وعدد القنوات الصوتیة التي بداخلها وتوزیعها على عدد من المحطات الا رضیة. الشكل 6-9: مثال عن تقسيم قناة من أقنية الساتل ألقنية فرعية 83

90 Wirless Communications Networks - Ch 6 النفاذ المتعدد باقتسام الزمن: انتشرت تقنیات التضمیم باقتسام الزمن على حساب التضمیم باقتسام التردد نظرا للفعالیة المتزایدة لتلك التقنیة مقارنة مع الا ولى. یجري الا رسال بهذه التقنیة وفق تتابع متكرر من الا طر. یتا لف كل إطار من تلك الا طر من فسحات زمنیة وی خص ص موقع كل فسحة زمنیة ضمن هذا الا طار إلى مرسل محدد. وبحسب منظومة الساتل یتراوح زمن الا طار عادة بین µ.s 100 إلى أكثر من m.s 2 ویتا لف من 3 إلى مایتجاوز 100 فسحة زمنیة. كما ویتراوح معدل إرسال المعطیات بین Mbps 10 إلى عدة مي ات من.Mbps یبین الشكل 10-6 مثالا على إطار یتا لف من N فسحة زمنیة. یبدأ الا طار عادة برشقتین مرجعیتین لتحدید بدایة الا طار والتي تسمح بضبط التزامن وفق الساعة المرجعیة. تا تي كل رشقة من الرشقتین من محطة أرضیة مختلفة بهدف استمرار عمل المنظومة حتى وان ف ق دت إشارة إحدى المحطتين المرجعيتين بسبب عطل ما. الشكل 6-10: مثال عمى إطار وفق تقنية النفاذ المتعدد باقتسام الزمن TDMA يبين الشكل 6-11 عمل منظومة الساتل وفق تقنية.TDMA يتوالى إرسال المحطات األرضية في الوصمة الصاعدة كل محطة ت رسل رشقة معطيات ضمن الفسحة الزمنية المخصصة بيا. وتقوم الساتل بإعادة إرسال جميع اإلشا ارت المستقبمة والتي ت ب ث إلى جميع المحطات األرضية وكذلك يقوم الساتل يعيد إرسال الرشقات المرجعية لتتمكن المحطات من الم ازمنة مع اإلطار القادم. وىكذا فعمى المحطات األرضية معرفة الفسحة الزمنية الستخداميا في الوصمة الصاعدة وكذلك معرفة الفسحة الزمنية المخصصة ليا لالستقبال الستخداميا في الوصمة اليابطة كما يبين الشكل ويمكن الحصول عمى فاعمية اكبر باستخدام المجاالت الترددية العالية مثل مجاالت Ku و k. عندىا يمكن لمساتل باستخدام ترددات تمك المجاالت من الحصول عمى شعاع beam بتوجييية عالية باتجاه منطقة محددة مما يسمح بإرسال عدة أشعة بنفس التردد ألماكن مختمفة. وبيذا يمكن لمساتل خدمة مناطق متعددة لكل منيا محطاتو األرضية الخاصة بيا. تجري االتصاالت بين المحطات ضمن المنطقة الواحدة وفق 84

91 الشكل 11-6 بینما تجري الاتصالات بین المحطات ضمن المناطق المتعددة عبر إرسال عدة أشعة منفصلة كل منها موجه باتجاه منطقة محددة ویحمل المعطیات المخصصة لها. یبین الشكل 12-6 مثالا على منظومة اتصالات تجمع منطقتین منفصلتین كل منهما مكو ن من محطتین أرضیتین ویمثل الساتل هنا عمل المجمعة switch یقوم بتسلیم كل منطقة المعطیات المخصصة لها والقادمة من محطات أرضیة تنتمي إلى كلا المنطقتین. الشكل 6-11: منظومة اتصال تعمل وفق النفاذ المتعدد باقتسام الزمن 85

92 الشكل منظومة اتصال تجمع منطقتين وتعمل وفق النفاذ المتعدد باقتسام الزمن :6-12 النفاذ المتعدد باقتسام الرماز 86

93 10. األسئمة: الزمن المستخدمة بتخصيص 1. ما ىي المعايير التي تصنف عمى أساسيا أنظمة السواتل 2. قارن بين مي ازت ومساوئ مدا ارت السواتل مختمفة االرتفاع 3. اشرح باختصار أىم تطبيقات نظم السواتل. 4. ما ىي أىم تشكيالت شبكات السواتل ومجاالت استخداميا 5. قارن بين تقنية النفاذ المتعدد باقتسام التردد وتقنية النفاذ المتعدد باقتسام عرض حزمة السواتل. 87

94 الفصل السابع: وصف شبكات الاتصالات الخلویة (او النقالة) Cellular (Mobile) networks description مقدمة: وصف شبكات الاتصالات الخلویة Cellular networks تعتبر نظم االتصاالت الخموية حاليا واحدة من بين أعظم اإلنجا ازت في حقل االتصاالت وتبادل المعطيات وأكثرىا نجاحا وت عتبر التقانة الخموية أساسا لالتصاالت النقالة وتدعم مستخدمين بأماكن من الصعب تخديميم بالشبكة الياتفية التقميدية. إن جوىر عمل الشبكة الخموية ىو استخدام محطات إرسال متعددة باستطاعات منخفضة وبما أن مجال تغطية المرسل محدودة يجري تقسيم منطقة ما إلى خاليا تقوم محطة إرسال -محطة قاعدية- بتغطيتيا. يجري تخصيص كل خمية بنطاق ترددي محدد وتختمف النطاقات الترددية المخصصة لمخاليا المتجاورة لتجنب التداخل أو التسميع المتبادل crosstalk ومع ذلك يمكن لخاليا بعيدة نسبيا عن بعضيا البعض من استخدام نفس النطاق الترددي. تشكیل الخلایا: من المفضل عند تصمیم خلایا النظام أن تكون المحطات القاعدیة المتوضعة بمركز كل خلیة على مسافات متساویة تقریبا. ویؤمن الشكل السداسي الا ضلاع مسافات متساویة بین المحطات القاعدیة كما یبین الشكل 1-7. ولكن یصعب الحصول عملیا على خلایا با ضلاع سداسیة نتیجة جغرافیة الا رض المخصصة لعمل النظام أو طبيعة انتشار إشارة المحطات القاعدية أو صعوبات تقنية بتوض ع اليوائيات. 88 الشكل 7-1: النموذج السداسي لمخاليا

95 إعادة استخدام النطاقات الترددیة: یجري تخصیص الخلایا المتجاورة بنطاقات ترددیة مختلفة ویمكن استخدام نفس النطاق الترددي في خلایا تبعد عن بعضها مسافة ما مما یسمح باستخدام التردد ذاته لا جراء اتصالات متعددة في خلایا مختلفة. یكمن التصمیم في توزیع النطاقات الترددیة بتحدید المسافة الدنیا التي یجب أن تفصل بین خلیتین تستخدمان ذات النطاق الترددي لكي لا تتداخل إشارتیهما مع بعضهما البعض. تتوافر نماذج متعددة تتیح إعادة استخدام النطاق الترددي حیث یجري توزیع الترددات المتاحة ضمن نطاقات ترددیة وتخصیص كل خلیة بنطاق ترددي. یظهر الشكل 2-7-a توزیع أربعة نطاقات ترددیة بینما یظهر الشكل 2-7-b توزیع سبعة نطاقات ترددية عمى خاليا النظام. الشكل a( توزيع أربعة نطاقات ترددية b( توزيع سبعة نطاقات ترددية :7-2 زيادة سعة خمية: من المحتمل أن تتعرض خمية ما إلى ازدياد عدد المستخدمين داخميا ما يؤدي بدوره إلى استيالك مواردىا من الترددات ويجعميا غير قادرة عمى تمبية المزيد من طمبات الخدمة. جرى استخدام عدة حمول لمتغمب عمى ىذه الحالة وىي: وضع ترددات جديدة بالخدمة داخل الخمية بحال لم يجر استخدام كامل ترددات النطاق الترددي. استعارة تردد من خمية مجاورة بحال لم تكن تمك الخمية في حاجة لو في الوقت ال ارىن ويمكن توزيع الترددات ديناميكيا وفق الحاجة. 89

96 یمكن في المناطق ذات الكثافة العالیة لمستخدمي النظام الخلوي تجزي ة الخلیة الواحدة إلى عدة خلایا أصغر ویمكن لتلك الخلایا الناتجة أن تجزأ أیضا. من الواضح أنه عندما یجري تجزي ة الخلایا فا ن الاستطاعة المستخدمة یجب تخفیضها لكي تبقى الا شارة داخل نطاق الخلیة. تجزي ة الخلیة إلى قطاعات ویخصص لكل قطاع عدد من الترددات وتستخدم المحطة القاعدیة ىوائيات موجية باتجاه كل قطاع. 1. مبدأ عمل الشبكات الخموية: يبين 7-3 الشكل العناصر الرئيسية لنظام اتصاالت خموي. تقع في مركز كل خمية تقريبا محطة قاعدية base station تتضمن مجموعة من اليوائيات ومتحكم controller وعدد من المرسالت والمستقبالت لالتصال عبر القنوات المخصصة لتمك الخمية. يقوم المتحكم بمعالجة إج ارئية االتصال بين الوحدة المتحركة وباقي الشبكة. يمكن لعدد من الوحدات المتحركة -في أي وقت من األوقات- من إج ارء االتصال عبر المحطة القاعدية والتحرك ضمن الخمية. الشكل 7-3: العناصر الرئيسية لنظام خموي ترتبط كل محطة قاعدية مع مركز تبديل االتصاالت النقالة Mobile telecommunications switching (MTSO) office الذي يقوم بتخديم عدد من المحطات القاعدية كما يوضح الشكل. ويكون الربط عادة بين MTSO والمحطات القاعدية سمكيا مع أنو يمكن أن يكون السمكيا. تؤمن MTSO االتصال بين الوحدات المتحركة كما ترتبط MTSO أيضا مع شبكة االتصاالت الياتفية العمومية Public telephone switching network لتأمين االتصال بين مشتركي الياتف الثابت ومشتركي الشبكة الخموية. تخص ص 90

97 Wirless Communications Networks - Ch 7 MTSO كل اتصال بقناة صوتية خاصة بو أثناء إج ارء االتصال وت جري عمميات التسميم -ست شرح الحقا - كما تقوم بم ارقبة االتصال طوال فترة تواجده. يتوافر نوعان من القنوات بين الوحدة المتحركة والمحطة القاعدية: قنوات التحكم وقنوات "نقل المعمومات". ت ستخدم قنوات "نقل المعمومات" Traffic channels لنقل المعمومات الرقمية األساسية بين طرفي االتصال. وقد ت مث ل المعمومات التي تنقميا ىذه القنوات "إشارة كالمية" Speech traffic ضمن اتصال ىاتفي أو "معطيات رقمية" data ي رسميا أحد طرفي االتصال. أما قنوات التحكم فيعتمد عمييا النظام الخموي إلنجاز ميام تنسيق مختمفة ومتشعبة منيا ما ىو خاص بالتحكم بأطوار االتصال المختمفة ومنيا ما يتعمق بتحقيق الت ازمن بين الشبكة والوحدات المتحركة أو بتنسيق التشارك في موارد الشبكة خطوات إج ارء اتصال: يبين الشكل 7-4 خطوات إج ارء اتصال نموذجي بين وحدتين متحركتين ضمن منطقة ت ديرىا MTSO واحدة وىي: تييئة الوحدة المتحركة: تقوم الوحدة المتحركة عند تشغيميا بفحص وانتقاء أقوى إشارة لقناة تحكم تابعة إلحدى المحطات القاعدية المجاورة الشكل 7-4-a. إذ تقوم كل محطة قاعدية بشكل متكرر بالبث عمى قناة لمتييئة set up خاصة بيا. تجري عمميات التحقق من ىوية المحطة المتحركة وتسجيل موقعو الحالي. وطالما بقيت الوحدة المتحركة بوضعية تشغيل تستمر بفحص قنوات التحكم بشكل دوري بيدف م ارقبة تحرك الوحدة المتحركة. فإذا دخمت الوحدة المتحركة ضمن نطاق خمية جديدة فسيجري انتقاء المحطة القاعدية التابعة ليا. إضافة لذلك يجري م ارقبة الوحدة المتحركة ألجل إج ارء عمميات النداء Paging -ستشرح الحقا. 91

98 الشكل 7-4: خطوات إج ارء اتصال ضمن MTSO واحدة االتصال الناشئ عن الوحدة المتحركة: تقوم الوحدة المتحركة بإنشاء اتصال بإرسال الرقم المطموب عبر قناة التييئة المنتقاة مسبقا وفق الشكل 7-2-b. قبل إرسال الرقم تتأكد الوحدة المتحركة من خمو قناة التييئة الصاعدة وعند التأكد من خموىا تقوم بإرسال الرقم المطموب إلى المحطة القاعدية التي ت رسل ىذا الطمب إلى.MTSO خالل مرحمة إنشاء االتصال إذا كانت جميع قنوات نقل المعمومات التابعة لممحطة القاعدية المعنية مشغولة تجري عدة محاوالت متتابعة متكررة إلنشاء االتصال قبل إعالن فشل تحقيق االتصال. إج ارئية النداء :Paging تحاول MTSO إج ارء االتصال مع الوحدة المطموبة. ت رسل MTSO رسالة النداء إلى بعض المحطات القاعدية باالعتماد عمى رقم الوحدة المطموبة وفق الشكل 7-2- c. تقوم كل محطة قاعدية بدورىا بإرسال رسالة النداء عبر قناة التييئة اليابطة الخاصة بيا. قبول االتصال: تتعرف الوحدة المطموبة - عبر م ارقبتيا المستمرة لقناة التييئة اليابطة - عمى رقميا وتقوم بإجابة المحطة القاعدية التي بدورىا ت رسل اإلجابة إلى.MTSO تختار MTSO قناة 92

99 اتصال عاملة متاحة لكل محطة من المحطتین القاعدیتین مخصصتین للوحدة الطالبة والمطلوبة وتخبر كل محطة قاعدیة بقناة نقل المعلومات المخصصة لهذا الاتصال بدورها ت علم MTSO الوحدة المتحركة التابعة لها بهذه القناة وفق الشكل 2-7-d. استمرار الاتصال: طوال فترة الاتصال تتبادل الوحدتان الا شارات الصوتیة أو أیة معطیات أخرى عبر المحطات القاعدیة و MTSO المعنیة. خلال مرحلة الاتصال هذه إذا تدنت الا شارة المستقبلة تحت المستوى المقبول لفترة من الزمن إما بسبب تشویش ما أو ضعف بالا شارة بمناطق محددة یجري تحریر )إنهاء( هذا الاتصال وی عل م MTSO بذلك وت ح رر قنوات نقل المعلومات. التسلیم :handover إذا تحركت الوحدة المتحركة أثناء الاتصال خارج نطاق الخلیة التابعة لها ودخلت ضمن نطاق خلیة أخرى فیتوجب تخصیص قناة عاملة جدیدة لهذه الوحدة تابعة للمحطة القاعدیة الجدیدة. الشكل 2-7-f. تقوم MTSO بهذا التغییر بدون انقطاع الاتصال أو إخبار المستخدم عن هذا التسلیم. تحریر الاتصالrelease :Call عندما یقوم أحد مستخدمي الاتصال با نهاء ذلك الاتصال سیجري إخبار MTSO وسیجري تحریر قنوات نقل المعلومات لكلا المحطتین القاعدیتین. 2.1 مبدأ التسلیم :Handoff یشیر التسلیم إلى إجراي یة تغییر ارتباط وحدة متحركة من محطة قاعدیة إلى أخرى وذلك عند تحركها من خلیة إلى أخرى. ت عال ج مسا لة التسلیم بطرق متنوعة في الا نظمة المختلفة ویدخل فیها عدة عوامل. یمكن أن تبدأ إجراي یة التسلیم من المحطة القاعدیة بناء على شدة الا شارة المستقبلة من الوحدة المتحركة. وبشكل آخر یمكن للوحدة المتحركة وبناء على الا شارات المستقبلة أن تساهم بقرار البدء با جراي یة التسلیم. إن العامل الري یسي المستخدم للبدء با جراي یة التسلیم هو وسطي الا شارة المستقبلة -إن كان من طرف الوحدة المتحركة أو من طرف المحطة القاعدیة- ویجري حسابه خلال فترة من الزمن لا لغاء أثر التذبذب بشدة الا شارة الناجمة عن تعدد مسارات الا شارة. جرى طرح عدة استراتیجیات بهدف اتخاذ قرار البدء با جراي یة التسلیم وی تخ ذ في الشرح اللاحق الا شارات الواصلة إلى الوحدة المتحركة من المحطتین القاعدیتین كمرجع للقیاس. تعتمد الا ستراتیجیة الا ولى على شدة الا شارة النسبیة بین المحطة القاعدیة الا ولى والثانیة فا ن تجاوزت إشارة إحدى المحطتین الا خرى بدأت إجراي یة التسلیم نحو المحطة ذات الا شارة الا قوى. یمكن أن تؤدي هذه الا ستراتیجیة إلى تا رجح ارتباط الوحدة المتنقلة بین المحطتین القاعدیتین في حال كانت شدة إشارة المحطتین القاعدیتین تتذبذب بسبب ظروف انتشار إشارتیهما. 93

100 Wirless Communications Networks - Ch 7 تعتمد اإلست ارتيجية الثانية عمى بقاء الوحدة المتنقمة مرتبطة مع المحطة القاعدية طالما أن شدة إشارتيا فوق عتبة محددة أي بشكل تسمح باستم ارر االتصال بنوعية مقبولة. ففي حال تدنت شدة إشارة المحطة القاعدية تحت مستوى العتبة وكانت شدة إشارة المحطة القاعدية الثانية أقوى من األولى بدأت إج ارئية التسميم. أما اإلست ارتيجية الثالثة فتعتمد عمى بدء إج ارئية التسميم عندما تتجاوز شدة إشارة المحطة الثانية شدة إشارة المحطة المرتبطة معيا الوحدة المتحركة بعتبة محددة. تتجنب ىذه اإلست ارتيجية مشكمة األرجحة إذ ال يمكن لممحطة المتحركة أن تعيد ارتباطيا مع المحطة األولى السابقة إال إذا تجاوزت شدة إشارتيا إشارة المحطة الحالية بالعتبة المحددة التحكم بطاقة اإلرسال: ساىمت عد ة مسائل في األنظمة الخموية في جعل موضوع التحكم الديناميكي بطاقة اإلرسال من األمور الواجب أخذىا بعين االعتبار منيا: يجب عمى اإلشارة المستقبمة أن تكون فوق عتبة معينة لتحقيق اتصال فعال ما يفرض استطاعة إرسال معينة. بنفس الوقت من المحبذ تخفيض طاقة إرسال الوحدات المتنقمة لمحد من تداخل اإلشا ارت مع اإلشا ارت المماثمة في الخاليا المجاورة ولمحفاظ عمى طاقة البطارية لفترة أطول وكذلك العتبا ارت تمس الصحة بشكل عام. في أنظمة الطيف المنثور التي تستخدم تقنية CDMA من المفضل أن تكون شدة إشا ارت الوحدات المتحركة الواصمة إلى المحطة القاعدية متساوية لمحفاظ عمى أداء النظام. ما يستدعي التحكم بطاقة إرسال كل محطة كال عمى حدة. تقترح األنظمة الخموية إست ارتيجيتين اثنين لمتحكم بطاقة اإلرسال. ت سم ى األولى "حمقة التحكم المفتوحة بالطاقة" وتتخذ الق ارر فييا الوحدة المتحركة بدون أية مساعدة أو معمومات من المحطة القاعدية. تستند الوحدة المتحركة في ىذه اإلست ارتيجية عمى شدة اإلشارة المستقبمة من المحطة القاعدية وبناء عمييا تحدد طاقة إرساليا بشكل يتناسب عكسيا مع شدة اإلشارة المستقبمة. ت سم ى اإلست ارتيجية الثانية "حمقة التحكم المغمقة بالطاقة" ومن خالليا تقوم المحطة القاعدية عبر إج ارء قياسات عمى إشارة المحطة المتحركة المستقبمة من اتخاذ الق ارر بشأن طاقة إرسال المحطة المتنقمة وت خبرىا بذلك عبر قنوات الوصمة اليابطة المخصصة ليذا األمر. 94

101 Wirless Communications Networks - Ch 7 الجیل الثاني من نظم الاتصالات الخلویة المعتم دة على تقنیة TDMA كانت الا جیال الا ولى من الشبكات الخلویة والتي ت عرف باسم "أنظمة الجیل الا ول" تعتمد "تقنیات تماثلیة" systems" "Analogue ذات سعات محدودة وتقتصر على توفیر خدمات الاتصالات الصوتیة التقلیدیة وتفتقر إلى خدمات التجوال الدولي ولم یكن هناك أي تجانس بین المواصفات الفنیة بین الشبكات القطریة. جرى العمل على تطویر وبناء نظم جرى تسمیتها بالجیل الثاني تعتمد تقنیات رقمیة من جهة وتستند إلى معاییر معتمدة في عدة بلدان ما یضمن انتشارا أوسع وأسرع لها. لعل أهم فارق بین الجیلین الا ول والثاني هو أن الا ول تماثلي بالكامل بینما الجیل الثاني رقمي بالكامل بقنواته التحكمیة وقنوات نقل المعطیات. تجعل هذه المیزة النظام ملاي ما لنقل معطیات رقمیة atad كذلك یجري ترمیز الصوت رقمیا قبل إرساله. یتیح ذلك تشفیر المعطیات والصوت لمنع التنص ت كذلك یتیح استخدام تقنیات كشف وتصحیح الا خطاء مما یؤدي إلى جودة في استقبال الصوت. یستخدم الجیل الثاني تقنیات النفاذ بالاقتسام المتعدد بالزمن AMDT أو بالرماز AMDC الذي یؤدي إلى تشارك عدة مستخدمین بقناة اتصال وحیدة بینما ووفق الجیل الا ول كان يخصص كل مستخدم بقناة مستقمة. شبكة الجيل :GSM network architecture 2. الثاني ي عتبر نظام الشبكات الخموي (GSM) Global system for mobile communications أبرز أنظمة الجيل الثاني الذي ط و رت مواصفاتو الفنية ضمن جيود أوروبية مشتركة وأصبح ىذا النظام في غضون سنوات قميمة النظام المييمن تجاريا وتقنيا في العالم أجمع. استخدم نظام GSM النطاق الترددي حول التردد 900 MHz بعدد قنوات عددىا 124 قناة مضاعفة )124 لموصمة الصاعدة و 124 لموصمة اليابطة( بعرض حزمة 200 KHz لمقناة الواحدة كما يبين الشكل 7-5. ويتشارك كل ثمانية مشتركين بقناة واحدة وفق تقنية.TDMA 95

102 الشكل 7-5: النطاق الترددي لنظام GSM ومع االنتشار الواسع لنظام GSM وازدياد عدد المشتركين جرت إضافة نطاقات ترددية أخرى ألنظمة وMHz وىي: MHz GSM 1.2. بنية شبكة نظام :GSM يبين الشكل 7-6 المكونات األساسية لنظام االتصاالت الخموي من الجيل الثاني.GSM ت شير الحدود Um وA وAbis إلى واجيات التخاطب Interface بين الوحدات العاممة لنظام GSM وىي موص فة بشكل كامل بالمواصفات الفنية لنظام GSM مما يتيح ألجيزة متنوعة ومصنع ة من قبل شركات مختمفة من العمل فيما بينيا. ويتألف نظام GSM من: "الوحدة المتحركة" (ME) :mobile equipment تتخاطب الوحدة المتحركة مع المحطة القاعدية الخاصة بالخمية التابعة ليا عبر واجية التخاطب Um وي عرف أيضا ب "واجية التخاطب مع قناة االنتشار الالسمكية". ي شير مصطمح الوحدة المتحركة إلى جياز االتصال مثل جياز االتصال النقال أو غيره من األجيزة المماثمة. يحتوي جياز االتصال عمى وحدة الربط الالسمكي والمعالجة Subscriber identity module وعمى شريحة تعريف المشترك mobile equipment (ME) (SIM) وىي عبارة عن بطاقة ذكية Smart card تحوي رقم المشترك والشبكات المرخ ص التعامل معيا إضافة إلى مفتاح التشفير المستخدم بتشفير المعطيات الصوتية والرقمية بين الوحدة المتنقمة والمحطة القاعدية. وبالتالي يبقى جياز االتصال النقال عمومي إلى حين إدخال شريحة SIM داخمو. يتكون رقم المشترك من 15 خانة ويدعى ىوية المشترك المتنقل العالمية (IMSI) International Mobile Subscriber Identity ويتضمن ىذا الرقم رمز البمد العالمي مما يسمح ليذه الشريحة SIM بالتجوال العالمي. 96

103 الشكل 7-6: المكونات األساسية لنظام االتصاالت الخموي من الجيل الثاني GSM الوحدة الفرعية لممحطات القاعدية (BSS) :Base station subsystem تتألف تمك الوحدة الفرعية من عدد من المحطات القاعدية (BTS) Base transceiver station كل منيا تعر ف خمية واحدة ويت اروح نصف قطر الخمية من 111 متر حتى 35 كيمومتر تعتمد بذلك عمى بيئة انتشار اإلشا ارت وعمى تصميم الشبكة. ويتحكم بتمك بالمحطات القاعدية متحك م خاص Base (BSC) station controller ويماثل MTSO المذكور سابقا إذ يقوم بتخصيص قنوات المعطيات ويدير عمميات التسميم ويتحكم بإج ارءات النداء.Paging الوحدة الفرعية الشبكية (NS) :Network subsystem تؤمن ىذه الوحدة الفرعية الربط بين الشبكة الخموية GSM وشبكة الياتف الثابت العمومية. كما تؤمن عمميات التسميم بين BSSs مختمفة وتتوثق من ىويات المستخدمين وتتحقق من صحة حساباتيم كما تحتوي عمى الوظائف الالزمة لتأمين عممية التجوال.Roaming وتكو ن وحدة التبديل المركزية mobile switching (MSC) center العنصر الرئيس ضمن.NS تتضمن وحدة التبديل MSC تقنيات مختمفة لتبديل الدا ارت Circuit-switching وتتصل مع شبكة الياتف الثابت العمومية. يدعم عمميا أربعة أنواع من قواعد المعطيات وىي: سجل مقر االشت ارك (HLR) :Home location register عندما يحصل المشترك عمى الشريحة الخاصة بو بعد اشت اركو بخدمات الشبكة يجري تسجيل أو حفظ أىم المعمومات المتعمقة بنوع وطبيعة وم ازيا اشت اركو في ىذا السجل. 97

104 Wirless Communications Networks - Ch 7 سجل المقر الحالي (VLR) :Visitor location register البد لتوجيو اتصال ما سواء من أو إلى مشترك من أن تتوفر لدى NS معمومات عن المشترك وخصوصا مكانو. يجري تحديد مكان المشترك الحالي عن طريق "سجل المقر الحالي" الذي يحوي معمومات عن المشتركين الموجودين فيزيائيا ضمن المنطقة التابعة لمركز تبديل.MSC قاعدة معطيات الت وث ق (AuC) :Authentication center database يجري حفظ معمومات التوث ق ومفاتيح التشفير الخاصة بكل مشترك. سجل أجيزة المشتركين (EIR) :Equipment identity register database يمثل ىذا السجل قاعدة معطيات تتضمن نوع ورقم الجياز المحمول المستخدم من قبل المشترك. يتألف رقم الجياز من 15 خانة ويدعى ىوية الجياز المتنقل العالمية International Mobile Equipment (IMEI) Identity ويخزن ىذا الرقم داخل الجياز من قبل الشركة الصانعة عند تصنيعو. يتيح السجل EIR التأكد من سالمة األجيزة التي تمج إلى الشبكة فنيا وقانونيا. فيمكن مثال حظر استخدام أجيزة ذات منشأ معين أو أجيزة ضمن نموذج معين أو التي ذات أرقام تصنيع محددة. :TDMA frame format 2.2. إطار المعطيات بنية يبمغ عرض حزمة القناة الواحدة 200 KHz ويتشارك في القناة الواحدة ثمانية مشتركين وفق تقنية TDMA لكل مشترك الحي ز الزمني المخصص لو لإلرسال. يجري تشكيل الرشقة burst الخاصة بالمشترك المعد ة لإلرسال ضمن الحيز الزمني كما يبين الشكل 7-7. يجري ضغط اإلشارة الصوتية باستخدام خوارزمية convolutional ثم ت رم ز المعطيات الناتجة باستخدام الترميز التمفيفي Linear predictive coder error correcting code الذي يؤمن إمكانية كشف وتصحيح األخطاء يجري بعد ذلك تشفير المعطيات المرمزة باستخدام مفتاح التشفير الخاص بالمشترك ثم يجري تشكيل الرشقة وتعد ل وفق التعديل Gaussian (GMSK).minimum shift keying ت شك ل الرشقة الواحدة وفق الشكل 7-7 من: encrypted bits بت من معطيات المستخدم الناتجة عن عممية التشفير 114 تتابع من البتات trail bits تسمح بم ازمنة إرسال الوحدات المتحركة المتوضعة عمى مسافات مختمفة عن المحطة القاعدية تتابع من بتات التدريب training sequence ت ستخدم لضبط المستقبل وفق اإلشارة المستقبمة stealing bit تحدد فيما إذا كانت المعطيات المرفقة ىي معطيات لممشترك أو ت ستخدم حاليا لنقل إشا ارت تحكمية طارئة بتات حماية guard bits وتستخدم لتجنب الت اركب مع رشقات أخرى نتيجة تباين زمن وصول اإلشا ارت الناتج عن اختالف مسا ارت االنتشار 98

105 الشكل 7-7: تشكيل رشقة واحدة يوضح الشكل 7-8 نظام.GSM ت خص ص كل قناة من أقنية نقل المعطيات إلى ثمانية مشتركين وفق تقنية.TDMA ويتشكل إطار المعطيات من رشقات متتالية من ثمانية مشتركين وىو ي عتبر المستوى األدنى من التسمسل اليرمي لتجميع األطر. يجري تجميع 24 إطار معطيات يتبعيما إطاري تحكم ليتشكل منيم اإلطار المتعدد multiframe الذي يتكرر ضمن القناة الواحدة. الشكل 7-8: نظام GSM 99

106 Wirless Communications Networks - Ch 7 خدمات الجيل الثاني: جرى تصميم نظام GSM خالل طوره األول بشكل رئيسي لمت ارسل الصوتي وخالل طوره الثاني جرى تعريف وادخال خدمة الفاكس وت ستخدم قناة نقل المعمومات لنقل المعطيات الصوتية ومعطيات الفاكس. وفي الطور الثالث جرى تزويد نظام GSM بالخدمة األكثر أىمية وىي: خدمة الرسائل القصيرة.SMS إن إدخال ىذه الخدمة اقتضى من مشغمي األنظمة الخموية إج ارء تعديل عمى بنية الشبكة عبر إحداث مركز خدمات ميمتو تمقي الرسائل القصيرة ومعالجتيا وفق مبدأ "التخزين والترحيل" Store and forward وبالتالي فإن التسميم سيكون م ازحا زمنيا. ال يتطمب إرسال SMS إنشاء اتصال كما إنو يعتمد عمى التسميم الموثوق أي بحاجة إلى تأكيد االستالم acknowledgment وتعتمد عمى بروتوكول "توجيو الرزم".packet switching protocol جرى توسعة مفيوم SMS من خالل EMS مع إمكانية إرسال صور بأحجام محددة. نحو االنتقال إلى الجيل الثالث: عند البدء بطرح خدمات جديدة وتطوير األخرى المتاحة سمفا لدى نظام GSM كان لدى المطورون الخيار بتصميم نظام جديد كميا لدعم تمك الخدمات ولكن ىكذا اتجاه كان سيعارضو الكثير من مشغمي األنظمة الخموية لما فيو من تكمفة باىظة ناجمة عن تغيير البنية التحتية. عوضا عن ذلك نحى المصممون نحو بناء الخدمات الجديدة باالعتماد عمى بنية GSM واضافة مكونات لمشبكة تسمح بتمبية االحتياجات الجديدة. سمح نظام GSM بتبادل معطيات بسرعة محدودة ب 9.6 Kbps عبر تخصيص حيز زمني واحد ليذا الغرض وىو المخصص أصال لممشترك. كتطوير مباشر لنظام GSM طرح نظام High-speed circuit (HSCSD) switched data إمكانية تخصيص عدة حي ازت زمنية لنفس االتصال وطوال فترة إج ارء االتصال مما يرفع من سرعة نقل المعطيات ولكن عمى حساب استيالك حي ازت زمنية كان من الممكن تخصيصيا لمشتركين بحاجة إلنشاء اتصال. جرى م عي رة إرسال معطيات بشكل أطر بيدف التمكن من النفاذ إلى "الشبكة العمومية لنقل المعطيات بتوجيو األطر" network" "packet switched public data مثل شبكة اإلنترنت. يجري إرسال أطر المعطيات بشكل رشقات bursts عمى خالف نظام GSM الذي يقوم بحجز حي ز طوال فترة االتصال واذا جرى استخدامو بيذه الطريقة لنقل األطر سيؤدي إلى استيالك كبير غير مبرر لموارد النظام. ولمتغمب عمى ىذه المشكمة جرى تطوير نظام "خدمات اإلرسال ال ارديوي الر زمي" "General Packet Radio Service (GPRS) باستخدام واجية التخاطب Um الخاصة بنظام GSM تبعو تطوير آخر لرفع معدل تبادل المعطيات بشكل كبير وجرت تسميتو "نظام ذو ت ارسل معطيات محس ن لتطوير Enhanced Data "GSM.rates for GSM Evolution (EDGE) 100

107 3. بنية شبكة :GPRS يقوم نظام GPRS بحجز الموارد عند الحاجة إلرسال إطار أو الستقبالو يتيح ىذا الحل مرونة كبيرة في حجز الموارد ويتشارك المستخدمون النشطون بالموارد المتاحة فبإمكان عدة مستخدمين من التشارك بقناة واحدة )حي ز زمني( وبالمقابل بإمكان مستخدم واحد من حجز عدة حي ازت زمنية. ونتيجة عدم تناظر إرسال واستقبال األطر بشكل عام يجري حجز الموارد ضمن الوصمة الصاعدة واليابطة بشكل مستقل. جرى إضافة وحدات شبكية إضافية إلى بنية شبكة GSM لكي تتكامل خدمات GPRS معيا جرت تسميتيا ب "العقد الداعمة لنظام."GPRS support nodes (GSN)" "GPRS ميمة ىذه العقد تسميم وتوجيو األطر بين الوحدات المتحركة والشبكة العمومية لنقل المعطيات. يبين الشكل 7-9 بنية مبسطة لشبكة.GPRS GPRS الشكل 7-9 بنية مبسطة لشبكة تقوم العقدة (SGSN) Serving GPRS support node بتسميم أطر المعطيات من والى الوحدات المتحركة ضمن منطقة تغطيتيا ويتضمن عمميا تسيير ونقل األطر ووصل وفصل الوحدات المتحركة والتوث ق منيم. وتحتوي العقدة SGSN سجل االشت ارك location register المماثل لسجل مقر االشت ارك GPRS ويحتوي ىذا السجل عمى معمومات المشتركين بشبكة GSM بشبكة MSC الخاص بوحدة HLR والمسجمين ضمن SGSN المحددة وتشمل المعمومات: الخمية الحالية سجل المقر الحالي VLR رقم المشترك العنوان المخصص لممشترك في شبكة ت ارسل المعطيات. تعمل العقدة (GGSN) A Gateway GPRS Support Node كصمة وصل مع شبكة ت ارسل المعطيات )اإلنترنت مثال (. تقوم بتحويل أطر GPRS الواردة من العقدة SGSN إلى أطر وفق الشكل 101

108 المناسب لشبكة تراسل المعطیات وترسلهم إلى الجهة المطلوبة وبالعكس تقوم بتحویل الا طر الواردة من شبكة تراسل المعطیات إلى أطر GPRS لیجري تسلیمها إلى الوجهة المطلوبة. بنیة شبكة :EDGE ترفع شبكة EDGE من أداء وصلة الانتشار اللاسلكي بین الوحدة المتحركة والمحطة القاعدیة بشكل كبیر مقارنة مع GSM أو.GPRS تتطلب شبكة EDGE إجراء بعض التعدیلات في الوحدات المتحركة )أجهزة الهاتف النقالة...( وفي المحطات القاعدیة وكذلك في المتح كم.BSC بینما تبقى باقي عناصر شبكة GSM وشبكة GPRS كما هي. استندت منهجیة EDGE على استخدام قناة الانتشار بشكل أمثلي. فبدلا من تقنیة التعدیل GMSK المطبقة بشبكة GSM و GPRS جرى إدراج تقنیة التعدیل (8-PSK( Octagonal phase shift keying التي تسمح بزیادة عدد البتات في الرمز الواحد إضافة إلى إدراج نماذج جدیدة من الترامیز. Coding schemes باستخدام التقنیات الم حد ثة في شبكة EDGE یمكن مضاعفة معدلات النقل ثلاث مرات مقارنة مع مثیلاتها في شبكة.GPRS 1.3. الخدمات: إضافة لمخدمات المقدمة من شبكة GSM تقدم GPRS نقل معطيات بين المشتركين وفق تقنية "تبديل الرزم".packet switching تقدم تمك الخدمات وفق نمط الت اربط Connection-oriented mode أو نمط الالت اربط.Connectionless mode يمكن لشبكة GPRS من استخدام بروتوكوالت "التسيير الموج و لمجموعة بث" multicasting routing protocols حيث يجري توجيو األطر التابعة لمجموعة بث multicast group إلى أعضاء تمك المجموعة. يمكن لمزودي خدمة GPRS تزويد المشتركين بخدمات النفاذ إلى قواعد معطيات محددة وبخدمات الت ارسل عبر البريد االلكتروني وبخدمات الكترونية أخرى. ولعل أكثر الخدمات أىمية ىي النفاذ إلى شبكة اإلنترنت. 102

109 4. الجيل الثالث :UMTS جرى إنشاء فريق عمل تحت اسم "مشروع الش اركة من أجل الجيل الثالث" 3rd Generation (3GPP) Partnership Project بنياية القرن الماضي ميمتو تطوير نظام خموي جديد موح د. أطمق عمية اسم "نظام االتصاالت النقال العالمي" Universal Mobile Telecommunications System wideband code division جرى استخدام تقنية "النفاذ المتعدد باقتسام الرماز عريض الحزمة".(UMTS) (W-CDMA) multiple access كتقنية نفاذ ارديوية بيدف زيادة الفعالية الطيفية وكذلك عرض الحزمة لمشغمي النظام. يوص ف UMTS نظام الشبكة كامال والتي تتضمن شبكة النفاذ ال ارديوي الشبكة المبية UMTS وبالتالي يتطمب العمل بالنظام SIM والتوثق من المشتركين عبر الشريحة core network إنشاء بنية تحتية جديدة كميا. ومع ذلك فقد أ خ ذ بعين االعتبار عند وضع تصميم األجيزة النقالة لمجيل الثالث أن تتوافق مع تقنيات الجيل الثاني GSM و.GPRS يدعم نظام UMTS كما ىو الحال بنظام 2 Mbps في حالة الحركة وتصل إلى 384 Kbps معدالت مختمفة لنقل المعطيات تت اروح من GPRS في حالة الثبات. يمكن تقسيم الشبكة المبي ة إلى قسمين منفصمين منطقيا األول لتقديم الخدمات وفق نمط "تبديل الدا ارت" مع مالحظة أن الوحدات المؤلفة لو ىي عناصر مشابية لمثيالتيا في نظام GSM ولكن محد ثة وفق مواصفات UMTS والقسم الثاني لتقديم الخدمات وفق نمط "تبديل الرزم" مع مالحظة أن الوحدات المؤلفة لو ىي عناصر مشابية لمثيالتيا في نظام GPRS ولكن محد ثة وفق مواصفات.UMTS يبين الشكل 7-11 بنية مبسطة لشبكة UMTS وتتألف من: الوحدة المتحركة أو الجياز النقال (UE) User equipment مزو د بشريحة UMTS SIM تتضمن رقم المشترك والخدمات المقدمة لو إضافة لمتوثق ومفاتيح التشفير. وحدة شبكة النفاذ (UTRAN) UMTS Terrestrial Radio Access Network وىي ت دير جميع الوظائف المتعمقة بالربط ال ارديوي وتتألف من مجموعة من العقد B مكافئة لمعقد BTS في نظام GSM ووظيفتيا إج ارء عمميات ترميز القناة وتخصيص المشترك بمعدل النقل المناسب إضافة لعمميات الت ازمن والتحكم بطاقة اإلرسال. كما تتضمن وحدة شبكة النفاذ مجموعة من عقد التحكم (RNC) Radio Network Controller مكافئة لمعقد BSC في نظام GSM وظيفتيا التحكم في إدارة الموارد ال ارديوية لمعقد B كما تتولى الوظائف المتعمقة بالتسميم handover والتحكم باالختناقات والتشفير وادارة عمميات قبول االتصال وتقوم أيضا بالتحويل بين بروتوكوالت المشترك التي يؤمنيا الجياز النقال وبروتوكوالت الشبكات العالمية المختمفة. 103

110 الشبكة اللبی ة (Core network (CN ومهمتها إجراء عملیات التبدیل switching والتسییر routing للمكالمات وللمعطیات إضافة إلى عملیات تسجیل المشتركین وتتبعهم. تتا لف الشبكة اللبیة من: قاعدة معطیات "سجل مقر الاشتراك" (Home Location Register (HLR مشابهة لمثیلتها في نظام GSM مضافا عمييا الخدمات المقدمة لكل مشترك. UMTS الشكل 7-11 بنية مبسطة لشبكة قاعدة معطيات "سجل المقر الحالي" لمداللة عمى الموقع الحالي لممشترك مضافا إلييا مبدل switch لمقيام بميمة التبديل switching لمخدمات التي تتطمب العمل وفق نمط "تبديل الدا ارت" circuit switching مبدل (GMSC) Gateway MSC وظيفتو ربط نظام UMTS مع الشبكة الياتفية األرضية( PSTN ) Public switching telephone network مبدل (SGSN) Serving GPRS Support Node وظيفتو دعم الخدمات ذات نمط االتصال "تبديل الرزم".packet switching مبدل (GGSN) Gateway GPRS Support Node لربط نظام UMTS مع شبكة ت ارسل المعطيات ذات نمط االتصال "تبديل الرزم". 104

111 5. ال اربع الجيل :LTE يشير مصطمح LTE إلى Long term evolution وقد جرى وضعو من قبل التجمع 3GPP بيدف وضع مواصفات لجيل من االتصاالت الخموية لما بعد الجيل الثالث وتم االتفاق عمى تسمية النظم وفق تمك المواصفات بالجيل ال اربع 4G. كان المحفز األساسي لتطوير الشبكة الخموية لما و ارء UMTS ىو النمو السريع لحركة تبادل المعطيات وحاجة التطبيقات الحديثة - التي تقدميا شبكة اإلنترنت وغيرىا - إلى المزيد من عرض الحزمة المخصصة لكل مشترك واالستجابة لتمك التطبيقات بالحد األدنى من التأخير. لالستجابة إلى تمك المتطمبات سعى المصممون إلى تبسيط بنية الشبكة عبر جعميا معتمدة كميا عمى "بروتوكول اإلنترنت" (IP) Internet protocol وبالتالي توج ب إعادة تصميم شبكة النفاذ ال ارديوي والشبكة المبي ة لالستفادة من الشبكة الفقارية لإلنترنت. ولكي تكون تمك التغيي ارت كافية لخدمات الزمن الحقيقي بنمط "تبديل الرزم" جرى تطوير عقدة بإسم: "بوابة لتطوير بنية النظام" System Architecture Evolution (SAEGW).Gateway تسمح تمك العقدة برفع معدل تبادل المعطيات بشكل كبير مقارنة مع الجيل السابق Mbps- 300 لموصمة اليابطة و 75 Mbps لموصمة الصاعدة كما أن التصميم سمح بتقميص عدد عقد أو وحدات المعالجة الموجودة ضمن الشبكة مما أدى إلى تقميص زمن استجابة الشبكة ككل الذي بدوره أدى إلى إمكانية العمل بتطبيقات الزمن الحقيقي. جرى استخدام تقنية "النفاذ المتعدد باقتسام الترددات المتعامدة" Orthogonal frequency division (OFDMA) multiple access كتقنية نفاذ ارديوية والتخمي نيائيا عن تقنية النفاذ CDMA المستخدمة في الجيل الثالث لما تقدمو تقنية OFDMA من إمكانية زيادة عرض الحزمة الطيفية مع رفع معدل النقل والمناعة ضد مشاكل انتشار اإلشارة متعدد المسا ارت. كذلك من جية النفاذ ال ارديوي جرى استخدام تقنية اليوائيات المتعددة (MIMO) Multiple input multiple output بيدف زيادة معدل النقل من جية ولرفع كفاءة االتصال. يبين الشكل 7-11 الفروقات الجوىرية بين بنية UMTS وLTE. ويالحظ تقميص عدد عقد المعالجة ضمن النظام.LTE 105

112 UMTS الشكل 7-11 الفروقات الجوىرية بين بنية وLTE تقوم العقد enb بدور المحطات القاعدية وترتبط بعقد SAEGW عبر الشبكة الفقارية IP backbone أي يمكن ألية عقدة enb التخاطب مع أية عقدة.SAEGW تقوم العقدة SAEGW بميام شبكة GPRS المتمثمة بإدارة الحركية والتسميم وبوابة لمنفاذ لخدمات الشبكات المختمفة إضافة إلى قواعد بيانات المشتركين كما تتيح العقدة الحركية والتسميم بين نظام LTE وأنظمة أخرى مثل: WiMAX أو أنظمة الجيل الثاني والثالث الخموية. 106