پايان نامه كارشناسي شبكه نسل آينده

پايان نامه كارشناسي شبكه نسل آيندهNext Generation Network

شبكه نسل آينده

Next Generation Network

در اين پروژه از زواياي بسيار متفاوت، هوش شبكه را در نظر گرفته ايم. ما پروتكل ها، روشها و ابزار خدمات رساني در شبكه هاي telephony (تلفني)، mobile (شبكه متحرك) و اينترنت را بررسي كرده ايم. بعضي از استانداردها مناسب هستند و ساير استانداردها پيشنهادهاي صنعتي جديد  هستند.

به طور كلي موضوع اصلي كه در اين پروژه دنبال مي شود تقارب يا اصطلاحاً همگرايي سرويسهاي Voice (صدا) و Data (ديتا) به سمت يك دنياي جديد از درخواستهاي پيشرفته كه يك راهي براي ارتباط برقرار كردن بين افراد به وجود مي آورند، مي باشد. در واقع نياز به يكي كردن حالت انتقال مداري و انتقال بسته اي (Packet) به يك شبكه باند پهن جهاني بود كه اتحاديه مخابرات بين المللي را براي ايجاد شبكه هاي Next Generation تحريك كرد.

چند دهه پيش واژه ارتباط از راه دور (مخابرات) مترادف واژه telephony شد. شبكه تلفني هنوز هم يك زيربناي ارتباطي بسيار مهمي را نشان مي دهد. اما اين شبكه به يك منبع خدمات داراي ارزش اضافي تبديل شده است. شبكه mobile  , telephony و اينترنت حال وسايل ارتباطي مناسبي در بسياري از خانواده ها هستند.

امروزه، شبكه هاي telephony، اينترنت و شبكه هاي سلولي mobile مراحل مختلفي را مي گذرانند. همانطوري كه در اينجا بحث كرديم هر يك از اين شبكه ها داراي پروتكل ها و خدمات مخصوص به خود هستند. هر يك از آنها به جواز مخصوص خود نياز دارند و اغلب توسط اپراتورهاي رقيب و متفاوتي كنترل مي شوند.

البته ارتباطي بين شبكه هاي اينترنت، ثابت و mobile (متحرك) وجود دارد. امكان انجام مكالمه تلفني از شبكه ثابت تا شبكه متحرك، جستجوي صفحات وب از طريق پايانه متحرك يا connect شدن به اينترنت از طريق تلفن وجود دارد.

هنوز، اتصال داخلي ميان شبكه هاي mobile، telephony و اينترنت بر مبناي نقطه به نقطه است. شما براي connect شدن به اينترنت از طريق تلفن نياز داريد از ميان يك مركز سوئيچ ارتباطي عبور كنيد (GMSC). شما براي جستجوي صفحات وب از طريق يك پايانه متحرك نياز داريد از مودم (اگر شبكه GSM است) يا از يك gateway router (مسيرياب گذرگاه) (اگر شبكه GPRS است) استفاده كنيد. شكل زير واقعيت فعلي را نشان مي دهد.

Telephony, The Internet, And Mobile Networks today

پيش بيني اينكه اين شبكه ها از همين لحظه تا 15-10 سال به بعد شبيه چه چيزي مي شوند مشكل است. واژه شبكه نسل آينده لغت رايجي است كه امروزه بسياري از مردم در صنعت ارتباطات از آن استفاده مي كنند. به نظر مي رسد اين واژه به هرآنچه كه يك شبكه ممكن است در حاشيه قرار  دهد اشاره مي كند اما اين واژه تعريف خوبي ندارد.

هنوز چندين نكته كلي وجود دارد كه به نظر مي رسد در اكثر ديدگاههاي مردم نسبت به اينكه شبكه هاي نسل آينده چه چيزي هستند مشترك باشد. يك نكته اين است كه IP در نهايت براي انتقال صدا، و مولتي مديا به يك تكنولوژي تبديل شود. شبكه هاي IP ارزان هستند و در مقايسه با سوئيچينگ مدار تلفني يا موبايل راحت تر به يكديگر متصل و كنترل مي شوند.

IP مشكلات خاصي هم دارد. شبكه هاي IP هميشه راحت تنظيم نمي شوند و براي فراهم كردن QOS و امنيت دچار مشكل مي شوند. انتظار مي رود IPV6 ورژن جديد IP فاقد اكثر اين مشكلات باشد. در بسياري از موارد در صنعت فرض مي شود كه شبكه هاي نسل آينده داراي شبكه انتقال با هستة اصلي IPV6 باشند.

شبكه هاي امروزي داده، mobile و telephony در اين زمينه نيستند اما مثل شبكه هاي access كه به شبكه هاي هسته اي IP منتقل مي شوند، زياد ديده مي شوند. البته اين مورد به نوعي وسيله مناسب نياز دارد تا با اين واحدهاي getway يا interworking تماس برقرار كند. شكل مقابل اين ديد سطح بالا نسبت به شبكه هاي نسل آينده را نشان مي دهد. همانطوري كه شكل نشان مي‌دهد، احتمالاً IP در شبكه به يك تكنولوژي مجتمع تبديل مي شود.

Next Generation Networks Scenario

همانطوري كه در زير ليست شده است، حداقل سه موضوع كليدي در سناريوي شبكه هاي نسل آينده شكل بعد وجود دارد:

• تهيه end to end-QOS تضمين QOS براي ارتباط بين دو مشترك در دسترسي شبكه هاي مختلف ممكن است بين تكنولوژيهاي مختلف براي مثال شبكه GRPS، شبكه هسته اي IP و شبكه تلفني به مذاكره QOS نياز داشته باشد.
• فدراسيون بين مسئولين سرويس دهي: با افزايش رقابت و قانون زدايي اين احتمال وجود دارد كه ارتباطات فراتر از قلمرو يك اپراتور يا مسئول سرويس دهي باشد. شبكه هاي نسل آينده بايد توانايي به توافق رسيدن بر سر ارتباطات و خدمات در حوزه فرد دهنده خدمات را داشته باشد. گشت زدن در شبكه هاي mobile مي تواند به عنوان يك مورد خاص فدراسيون ديده شود.
• كنترل هوش مختل شده:شبكه هاي نسل آينده در داخل شبكه (مثل IN) و بيرون شبكه (مثل كاربردهاي PCS، SAT و MEXE هوشمند هستند. آنها وسايلي براي سطح مشترك ميان هوش بخشهاي مختلف شبكه را تهيه مي كنند.

شكل مقابل در مورد اين سه مشكل توضيح مي دهد.

Distributed intelligemce, federation, and QOS in next generation

هر سه نقطه در شبكه مربوط به هوش هستند و شرايط جديد را به تكنولوژيهايي ارائه مي دهد.

مشكل كليدي در شبكه هاي نسل بعدي نامتجانس بودن تكنولوژيهاي حمل و كنترل، توزيع داده و منطق كنترل است. پس به نظر مي رسد كنترل هوش مختل، ريشه مشكل باشد.

مقدمه

در سيستمهاي مخابراتي بايد همانگونه كه اطلاعات از مبدأ فرستاده مي‌شود، در مقصد نيز بازيابي شود. براي فرستادن اطلاعات مي توانيم از دو روش انتقال آنالوگ و انتقال ديجيتال استفاده كنيم. در حالت ديجيتال به جاي آنكه كل پيام ارسال شود، نمونه هايي از آن كه به صورت كد درآمده است فرستاده مي شود. محيط انتقال بين دو مركز مي تواند كابل، راديو يا فيبر نوري باشد.

انواع روشهاي Modulation

SDM= Space Division Multiplex

FDM= Frequency Division Multiplex

TDM= Time Division Multiplex

PAM= Pulse Amplitude Multiplex

PCM= Pluse Code Modulation

در شروع ارتباطات تلفني، مسيرهاي ارتباطي، انفرادي و اختصاصي بود. به اين صورت كه به ازاي هر ارتباط تلفني يك زوج سيم مجزا به كار مي رفت. اين روش مالتي پلكس تقسيم مكاني (SDM) ناميده مي شود. انبوهي از سيمها كنار يكديگر قرار مي گرفتند و به علت اينكه قسمت اعظم سرمايه گذاري در شبكه خطوط مي باشد در مراحل اوليه تلاشهايي براي استفاده چندگانه از خطوط در مسيرهاي طولاني به عمل آمد.

اين تلاشها منتهي به پيدايش FDM (مالتي پلكس تقسيم فركانسي) گرديد كه عبارت از تقسيم باند پهن فركانس به باندهاي فركانس فرعي مي باشد. هر باند فرعي داراي يك سيگنال كاربر سينوسي است كه با يك سيگنال تلفني مدوله مي شود. بعد از عمل دمدولاسيون در طرف گيرنده سيگنالهاي تلفني مجدداً به فركانسهاي اوليه خود برمي گردند. در اين روش پهناي باند را بين 60 تا 108 درنظر گرفتند و آنرا به 12 قسمت kHZ4 تقسيم مي كنند. به ازاي هر KHZ4 يك ارتباط يعني كلاً 12 ارتباط برقرار مي شود. در اين روش چون فيلترهاي بسيار دقيقي براي بيرون كشيدن پهناي باند مشترك لازم است روش خوبي نيست.

اما اين تنها راه استفاده از خطوط نيست. راه ديگر TDM (مالتي پلكس تقسيم زماني) مي باشد. در اين روش از تقسيم زماني استفاده مي كنند. روي هر مسير در هر 125 ميكرو ثانيه 32 كانال ايجاد كردند. هر يك از كانالها از نظر باند صوتي KHZ4 است. يك كانال در هر كدام از پريودهاي متوالي مختص يك سيگنال تلفني است. بنابراين بطور همزمان مي توان چند سيگنال تلفني ارسال كرد. اساس TDM بر پايه اين تئوري است كه براي انتقال سيگنالهاي تلفني ارسال كامل موج لازم نيست و كافي است كه از موج در فواصل منظم نمونه برداري شده و اين نمونه ها ارسال گردند. وقتي از شكل موجي نمونه برداري مي شود قطاري از پالسهاي باريك توليد مي شود، بطوريكه در دامنه هر پالس نمودار دامنه شكل موج در لحظه نمونمه برداري مي باشد. اين تغيير شكل به عنوان مدولاسيون دامنه پالس (PAM) شناخته شده است. پوش سيگنال PAM منعكس كننده شكل منحني اوليه مي باشد. فاصله بين نمونه برداريها نسبتاً طولاني است از اين فاصله ها مي توان براي ارسال سيگنالهاي PAM ديگر استفاده كرد. وقتي پالسهاي چند سيگنال PAM تركيب مي شوند، يك مالتي پلكس تقسيم زماني PAM را تشكيل مي دهند.

اگر نمونه هاي شكل موج يعني پالسهاي با دامنه هاي مختلف به سيگنالهاي باينري تبديل شوند، واژه PCM به كار مي رود. در طي اين روش نمونه هاي شبه پالس مدرج و كدبندي مي شوند. در اين روش معمولاً از 8 بيت استفاده مي شود.

اصول PCM

تئوري نمونه برداري:

اين تئوري حداقل ميزان نمونه برداري از يك سيگنال آنالوگ را تا جايي كه اطلاعات اوليه آن سيگنال حفظ شود تعيين مي كند. فركانس نمونه برداري (fs) بايد بيش از دو برابر بالاترين فركانس سيگنال آنالوگ (fa) باشد. Fs>2fa

تبديل آنالوگ به ديجيتال:

1. نمونه برداري: يك فركانس KHZ8 به طور استاندارد براي نمونه برداري باند صوتي تلفن (3400-300 هرتز) انتخاب شده است، به عبارت ديگر سيگنال تلفني 8000 بار در ثانيه نمونه برداري مي شود. فاصله زماني بين دو نمونه متوالي از يك سيگنال از رابطه زير محاسبه مي شود.

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

در شكل زير چگونگي انتقال سيگنال تلفني از طريق يك فيلتر پايين گذر به يك سوئيچ الكترونيكي نشان داده شده است. فيلتر پايين گذر باند فركانسي را محدود مي سازد بطوريكه فركانسهاي بالاتر از نصف فركانس نمونه برداري را حدف مي كند. سوئيچ الكترونيكي با فركانس HZ8000 از سيگنالهاي تلفني در هر s125 نمونه برمي دارد. بنابراين خروجي حاصل از سوئيچ الكترونيكي يك سيگنال PAM مي باشد.

2. كوانتيزه كردن: سيگنالهاي تلفني PAM هنوز به صورت آنالوگ مي‌باشند. چون ارسال نمونه ها بطريق ديجيتال ساده تر مي باشد. در اولين مرحله تبديل سيگنالهاي PAM به سيگنالهاي ديجيتال PCM، آنها را كوانتيزه مي كنيم بطوريكه تمام دامنه به فواصل كوانتيزه تقسيم مي شود. اصول كوانتيزه كردن در شكل زير مشاهده مي شود.

تعداد 16 فاصله كوانتيزه در شكل ديده مي شود. اين فاصله ها در محدوده مثبت 1+ تا 8+ و در محدوده منفي از 1- تا 8- تقسيم شده است و براي هر نمونه مقدار كوانتيزه مناسبي انتخاب شده است.

مرزهاي تصميم گيري حد فاصل بين مرزهاي مجاور را مشخص مي كند. بنابراين در جهت ارسال، مقادير آنالوگ متعددي در يك فاصله كوانتيزه قرار مي گيرند. در جهت دريافت يك مقدار ثابت آنالوگ براي هر سيگنال كه برابر با نقطه مياني فاصله كوانتيزه است، به دست مي آيد. اين عمل باعث مي شود تفاوتهايي بين نمونه سيگنالهاي تلفني اوليه در جهت ارسال و مقادير بازيابي شده در طرف دريافت به وجود بيايد. بطوريكه اين اختلاف مي تواند تا نصف يك فاصله كوانتيزه باشد. اين اعوجاج به صورت نويز كه منطبق بر سيگنال اصلي است ظاهر مي شود. اين اعوجاج كوانتيزاسيون با ازدياد فواصل كوانتيزه كمتر مي شود.

اگر فواصل كوانتيزه براي تمامي رنج دامنه يكسان باشد، در سيگنالهاي با دامنه كوچكتر خطاهاي بزرگتري به وجود مي آيد كه اين خطاها مي تواند به اندازه سيگنالهاي ورودي باشد و نسبت سيگنال به نويز كوانتيزاسيون آنقدر بزرگ نخواهد بود و به همين دليل عملاً 256 فاصله كوانيتزه نامساوي به كار گرفته مي شود. (Non-Uniform Quantizing)

در كوانيتزه غيريكنواخت فواصل كوانتيزه كوچكتري براي سيگنالهاي كم دامنه و فواصل كوانتيزه بزرگتر براي سيگنالهاي با دامنه بيشتر به كار رفته است. بنابراين نسبت سيگنال ورودي به خطاي ممكن كه از كوانيزه نتيجه مي شود تقريباً براي تمامي سيگنالهاي ورودي يكسان خواهد بود.

CCITT دو نوع مشخصه براي كوانتيزاسيون غيريكنواخت توصيه كرده است.

قانون A براي PCM30 كه 13 قسمتي است و در آسيا و اروپا به كار رفته است.

قانون  براي PCM24 كه 15 قسمتي است و در آمريكا و ژاپن به كار رفته است.

3. كدبندي: سيگنال PCM از كد كردن فواصل كوانيتزه شده به دست مي‌آيد. در شكل زير محور عرضها، فواصل كوانيتزه را از 1 الي 128 و فواصل كوانيتزه منفي را از 1- الي 128- نشان داده است. دامنه سيگنال ورودي روي محور عمودي نشان داده شده است.

به هر خط شكسته يك Segment مي گوييم. هر Segment را به تعدادي Step نقسيم كرده ايم.

كد الكترونيك يك كلمه PCM هشت بيتي را به ازاي هر كدام از نمونه ها نشان داده است. اين كلمه PCM با فاصله كوانتيزه شده معين مرتبط است.

يك كد باينري 8 رقمي براي نشان داده هر يك از 128 فاصله كوانيتزه مثبت و يا منفي، از مجموعاً 256=2⁸ فاصله اختصاص يافته است پس هر كلمه PCM داراي 8 بيت مي باشد. بيت اول تمامي كلمات PCM به كار رفته در فواصل كوانيزه مثبت يك بوده و همين بيت براي كلمات PCM به كار رفته در فواصل كوانيتزه منفي صفر مي باشد.