پایان نامه کارشناسی شبکه نسل آیندهNext Generation Network

پایان نامه کارشناسی شبکه نسل آیندهNext Generation Network

شبکه نسل آینده

Next Generation Network

در این پروژه از زوایای بسیار متفاوت، هوش شبکه را در نظر گرفته ایم. ما پروتکل ها، روشها و ابزار خدمات رسانی در شبکه های telephony (تلفنی)، mobile (شبکه متحرک) و اینترنت را بررسی کرده ایم. بعضی از استانداردها مناسب هستند و سایر استانداردها پیشنهادهای صنعتی جدید  هستند.

به طور کلی موضوع اصلی که در این پروژه دنبال می شود تقارب یا اصطلاحاً همگرایی سرویسهای Voice (صدا) و Data (دیتا) به سمت یک دنیای جدید از درخواستهای پیشرفته که یک راهی برای ارتباط برقرار کردن بین افراد به وجود می آورند، می باشد. در واقع نیاز به یکی کردن حالت انتقال مداری و انتقال بسته ای (Packet) به یک شبکه باند پهن جهانی بود که اتحادیه مخابرات بین المللی را برای ایجاد شبکه های Next Generation تحریک کرد.

چند دهه پیش واژه ارتباط از راه دور (مخابرات) مترادف واژه telephony شد. شبکه تلفنی هنوز هم یک زیربنای ارتباطی بسیار مهمی را نشان می دهد. اما این شبکه به یک منبع خدمات دارای ارزش اضافی تبدیل شده است. شبکه mobile  , telephony و اینترنت حال وسایل ارتباطی مناسبی در بسیاری از خانواده ها هستند.

امروزه، شبکه های telephony، اینترنت و شبکه های سلولی mobile مراحل مختلفی را می گذرانند. همانطوری که در اینجا بحث کردیم هر یک از این شبکه ها دارای پروتکل ها و خدمات مخصوص به خود هستند. هر یک از آنها به جواز مخصوص خود نیاز دارند و اغلب توسط اپراتورهای رقیب و متفاوتی کنترل می شوند.

البته ارتباطی بین شبکه های اینترنت، ثابت و mobile (متحرک) وجود دارد. امکان انجام مکالمه تلفنی از شبکه ثابت تا شبکه متحرک، جستجوی صفحات وب از طریق پایانه متحرک یا connect شدن به اینترنت از طریق تلفن وجود دارد.

هنوز، اتصال داخلی میان شبکه های mobile، telephony و اینترنت بر مبنای نقطه به نقطه است. شما برای connect شدن به اینترنت از طریق تلفن نیاز دارید از میان یک مرکز سوئیچ ارتباطی عبور کنید (GMSC). شما برای جستجوی صفحات وب از طریق یک پایانه متحرک نیاز دارید از مودم (اگر شبکه GSM است) یا از یک gateway router (مسیریاب گذرگاه) (اگر شبکه GPRS است) استفاده کنید. شکل زیر واقعیت فعلی را نشان می دهد.

Telephony, The Internet, And Mobile Networks today

پیش بینی اینکه این شبکه ها از همین لحظه تا 15-10 سال به بعد شبیه چه چیزی می شوند مشکل است. واژه شبکه نسل آینده لغت رایجی است که امروزه بسیاری از مردم در صنعت ارتباطات از آن استفاده می کنند. به نظر می رسد این واژه به هرآنچه که یک شبکه ممکن است در حاشیه قرار  دهد اشاره می کند اما این واژه تعریف خوبی ندارد.

هنوز چندین نکته کلی وجود دارد که به نظر می رسد در اکثر دیدگاههای مردم نسبت به اینکه شبکه های نسل آینده چه چیزی هستند مشترک باشد. یک نکته این است که IP در نهایت برای انتقال صدا، و مولتی مدیا به یک تکنولوژی تبدیل شود. شبکه های IP ارزان هستند و در مقایسه با سوئیچینگ مدار تلفنی یا موبایل راحت تر به یکدیگر متصل و کنترل می شوند.

IP مشکلات خاصی هم دارد. شبکه های IP همیشه راحت تنظیم نمی شوند و برای فراهم کردن QOS و امنیت دچار مشکل می شوند. انتظار می رود IPV6 ورژن جدید IP فاقد اکثر این مشکلات باشد. در بسیاری از موارد در صنعت فرض می شود که شبکه های نسل آینده دارای شبکه انتقال با هستة اصلی IPV6 باشند.

شبکه های امروزی داده، mobile و telephony در این زمینه نیستند اما مثل شبکه های access که به شبکه های هسته ای IP منتقل می شوند، زیاد دیده می شوند. البته این مورد به نوعی وسیله مناسب نیاز دارد تا با این واحدهای getway یا interworking تماس برقرار کند. شکل مقابل این دید سطح بالا نسبت به شبکه های نسل آینده را نشان می دهد. همانطوری که شکل نشان می‌دهد، احتمالاً IP در شبکه به یک تکنولوژی مجتمع تبدیل می شود.

Next Generation Networks Scenario

همانطوری که در زیر لیست شده است، حداقل سه موضوع کلیدی در سناریوی شبکه های نسل آینده شکل بعد وجود دارد:

• تهیه end to end-QOS تضمین QOS برای ارتباط بین دو مشترک در دسترسی شبکه های مختلف ممکن است بین تکنولوژیهای مختلف برای مثال شبکه GRPS، شبکه هسته ای IP و شبکه تلفنی به مذاکره QOS نیاز داشته باشد.
• فدراسیون بین مسئولین سرویس دهی: با افزایش رقابت و قانون زدایی این احتمال وجود دارد که ارتباطات فراتر از قلمرو یک اپراتور یا مسئول سرویس دهی باشد. شبکه های نسل آینده باید توانایی به توافق رسیدن بر سر ارتباطات و خدمات در حوزه فرد دهنده خدمات را داشته باشد. گشت زدن در شبکه های mobile می تواند به عنوان یک مورد خاص فدراسیون دیده شود.
• کنترل هوش مختل شده:شبکه های نسل آینده در داخل شبکه (مثل IN) و بیرون شبکه (مثل کاربردهای PCS، SAT و MEXE هوشمند هستند. آنها وسایلی برای سطح مشترک میان هوش بخشهای مختلف شبکه را تهیه می کنند.

شکل مقابل در مورد این سه مشکل توضیح می دهد.

Distributed intelligemce, federation, and QOS in next generation

هر سه نقطه در شبکه مربوط به هوش هستند و شرایط جدید را به تکنولوژیهایی ارائه می دهد.

مشکل کلیدی در شبکه های نسل بعدی نامتجانس بودن تکنولوژیهای حمل و کنترل، توزیع داده و منطق کنترل است. پس به نظر می رسد کنترل هوش مختل، ریشه مشکل باشد.

مقدمه

در سیستمهای مخابراتی باید همانگونه که اطلاعات از مبدأ فرستاده می‌شود، در مقصد نیز بازیابی شود. برای فرستادن اطلاعات می توانیم از دو روش انتقال آنالوگ و انتقال دیجیتال استفاده کنیم. در حالت دیجیتال به جای آنکه کل پیام ارسال شود، نمونه هایی از آن که به صورت کد درآمده است فرستاده می شود. محیط انتقال بین دو مرکز می تواند کابل، رادیو یا فیبر نوری باشد.

انواع روشهای Modulation

SDM= Space Division Multiplex

FDM= Frequency Division Multiplex

TDM= Time Division Multiplex

PAM= Pulse Amplitude Multiplex

PCM= Pluse Code Modulation

در شروع ارتباطات تلفنی، مسیرهای ارتباطی، انفرادی و اختصاصی بود. به این صورت که به ازای هر ارتباط تلفنی یک زوج سیم مجزا به کار می رفت. این روش مالتی پلکس تقسیم مکانی (SDM) نامیده می شود. انبوهی از سیمها کنار یکدیگر قرار می گرفتند و به علت اینکه قسمت اعظم سرمایه گذاری در شبکه خطوط می باشد در مراحل اولیه تلاشهایی برای استفاده چندگانه از خطوط در مسیرهای طولانی به عمل آمد.

این تلاشها منتهی به پیدایش FDM (مالتی پلکس تقسیم فرکانسی) گردید که عبارت از تقسیم باند پهن فرکانس به باندهای فرکانس فرعی می باشد. هر باند فرعی دارای یک سیگنال کاربر سینوسی است که با یک سیگنال تلفنی مدوله می شود. بعد از عمل دمدولاسیون در طرف گیرنده سیگنالهای تلفنی مجدداً به فرکانسهای اولیه خود برمی گردند. در این روش پهنای باند را بین 60 تا 108 درنظر گرفتند و آنرا به 12 قسمت kHZ4 تقسیم می کنند. به ازای هر KHZ4 یک ارتباط یعنی کلاً 12 ارتباط برقرار می شود. در این روش چون فیلترهای بسیار دقیقی برای بیرون کشیدن پهنای باند مشترک لازم است روش خوبی نیست.

اما این تنها راه استفاده از خطوط نیست. راه دیگر TDM (مالتی پلکس تقسیم زمانی) می باشد. در این روش از تقسیم زمانی استفاده می کنند. روی هر مسیر در هر 125 میکرو ثانیه 32 کانال ایجاد کردند. هر یک از کانالها از نظر باند صوتی KHZ4 است. یک کانال در هر کدام از پریودهای متوالی مختص یک سیگنال تلفنی است. بنابراین بطور همزمان می توان چند سیگنال تلفنی ارسال کرد. اساس TDM بر پایه این تئوری است که برای انتقال سیگنالهای تلفنی ارسال کامل موج لازم نیست و کافی است که از موج در فواصل منظم نمونه برداری شده و این نمونه ها ارسال گردند. وقتی از شکل موجی نمونه برداری می شود قطاری از پالسهای باریک تولید می شود، بطوریکه در دامنه هر پالس نمودار دامنه شکل موج در لحظه نمونمه برداری می باشد. این تغییر شکل به عنوان مدولاسیون دامنه پالس (PAM) شناخته شده است. پوش سیگنال PAM منعکس کننده شکل منحنی اولیه می باشد. فاصله بین نمونه برداریها نسبتاً طولانی است از این فاصله ها می توان برای ارسال سیگنالهای PAM دیگر استفاده کرد. وقتی پالسهای چند سیگنال PAM ترکیب می شوند، یک مالتی پلکس تقسیم زمانی PAM را تشکیل می دهند.

اگر نمونه های شکل موج یعنی پالسهای با دامنه های مختلف به سیگنالهای باینری تبدیل شوند، واژه PCM به کار می رود. در طی این روش نمونه های شبه پالس مدرج و کدبندی می شوند. در این روش معمولاً از 8 بیت استفاده می شود.

اصول PCM

تئوری نمونه برداری:

این تئوری حداقل میزان نمونه برداری از یک سیگنال آنالوگ را تا جایی که اطلاعات اولیه آن سیگنال حفظ شود تعیین می کند. فرکانس نمونه برداری (fs) باید بیش از دو برابر بالاترین فرکانس سیگنال آنالوگ (fa) باشد. Fs>2fa

تبدیل آنالوگ به دیجیتال:

1. نمونه برداری: یک فرکانس KHZ8 به طور استاندارد برای نمونه برداری باند صوتی تلفن [phone] هرتز) انتخاب شده است، به عبارت دیگر سیگنال تلفنی 8000 بار در ثانیه نمونه برداری می شود. فاصله زمانی بین دو نمونه متوالی از یک سیگنال از رابطه زیر محاسبه می شود.

Ta=1/fa=8000/1 = 125s

در شکل زیر چگونگی انتقال سیگنال تلفنی از طریق یک فیلتر پایین گذر به یک سوئیچ الکترونیکی نشان داده شده است. فیلتر پایین گذر باند فرکانسی را محدود می سازد بطوریکه فرکانسهای بالاتر از نصف فرکانس نمونه برداری را حدف می کند. سوئیچ الکترونیکی با فرکانس HZ8000 از سیگنالهای تلفنی در هر s125 نمونه برمی دارد. بنابراین خروجی حاصل از سوئیچ الکترونیکی یک سیگنال PAM می باشد.

2. کوانتیزه کردن: سیگنالهای تلفنی PAM هنوز به صورت آنالوگ می‌باشند. چون ارسال نمونه ها بطریق دیجیتال ساده تر می باشد. در اولین مرحله تبدیل سیگنالهای PAM به سیگنالهای دیجیتال PCM، آنها را کوانتیزه می کنیم بطوریکه تمام دامنه به فواصل کوانتیزه تقسیم می شود. اصول کوانتیزه کردن در شکل زیر مشاهده می شود.

تعداد 16 فاصله کوانتیزه در شکل دیده می شود. این فاصله ها در محدوده مثبت 1+ تا 8+ و در محدوده منفی از 1- تا 8- تقسیم شده است و برای هر نمونه مقدار کوانتیزه مناسبی انتخاب شده است.

مرزهای تصمیم گیری حد فاصل بین مرزهای مجاور را مشخص می کند. بنابراین در جهت ارسال، مقادیر آنالوگ متعددی در یک فاصله کوانتیزه قرار می گیرند. در جهت دریافت یک مقدار ثابت آنالوگ برای هر سیگنال که برابر با نقطه میانی فاصله کوانتیزه است، به دست می آید. این عمل باعث می شود تفاوتهایی بین نمونه سیگنالهای تلفنی اولیه در جهت ارسال و مقادیر بازیابی شده در طرف دریافت به وجود بیاید. بطوریکه این اختلاف می تواند تا نصف یک فاصله کوانتیزه باشد. این اعوجاج به صورت نویز که منطبق بر سیگنال اصلی است ظاهر می شود. این اعوجاج کوانتیزاسیون با ازدیاد فواصل کوانتیزه کمتر می شود.

اگر فواصل کوانتیزه برای تمامی رنج دامنه یکسان باشد، در سیگنالهای با دامنه کوچکتر خطاهای بزرگتری به وجود می آید که این خطاها می تواند به اندازه سیگنالهای ورودی باشد و نسبت سیگنال به نویز کوانتیزاسیون آنقدر بزرگ نخواهد بود و به همین دلیل عملاً 256 فاصله کوانیتزه نامساوی به کار گرفته می شود. (Non-Uniform Quantizing)

در کوانیتزه غیریکنواخت فواصل کوانتیزه کوچکتری برای سیگنالهای کم دامنه و فواصل کوانتیزه بزرگتر برای سیگنالهای با دامنه بیشتر به کار رفته است. بنابراین نسبت سیگنال ورودی به خطای ممکن که از کوانیزه نتیجه می شود تقریباً برای تمامی سیگنالهای ورودی یکسان خواهد بود.

CCITT دو نوع مشخصه برای کوانتیزاسیون غیریکنواخت توصیه کرده است.

قانون A برای PCM30 که 13 قسمتی است و در آسیا و اروپا به کار رفته است.

قانون  برای PCM24 که 15 قسمتی است و در آمریکا و ژاپن به کار رفته است.

3. کدبندی: سیگنال PCM از کد کردن فواصل کوانیتزه شده به دست می‌آید. در شکل زیر محور عرضها، فواصل کوانیتزه را از 1 الی 128 و فواصل کوانیتزه منفی را از 1- الی 128- نشان داده است. دامنه سیگنال ورودی روی محور عمودی نشان داده شده است.

به هر خط شکسته یک Segment می گوییم. هر Segment را به تعدادی Step نقسیم کرده ایم.

کد الکترونیک یک کلمه PCM هشت بیتی را به ازای هر کدام از نمونه ها نشان داده است. این کلمه PCM با فاصله کوانتیزه شده معین مرتبط است.

یک کد باینری 8 رقمی برای نشان داده هر یک از 128 فاصله کوانیتزه مثبت و یا منفی، از مجموعاً 256=2⁸ فاصله اختصاص یافته است پس هر کلمه PCM دارای 8 بیت می باشد. بیت اول تمامی کلمات PCM به کار رفته در فواصل کوانیزه مثبت یک بوده و همین بیت برای کلمات PCM به کار رفته در فواصل کوانیتزه منفی صفر می باشد.