Лекция 1. ОБЗОР И КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ ПОДВИЖНОЙ РАДИОСВЯЗИ

1.1. Классификация систем подвижной радиосвязи

Системы подвижной радиосвязи (СПРС) характеризуются разнообразием возможностей. Они отличаются друг от друга по степени сложности, объему предоставляемых услуг и эксплуатационным расходам. Основными свойствами всех подобных систем считается подвижность по крайней мере одного из пользователей и отсутствие проводного соединения его терминала с оборудованием сети связи. В этом разделе мы приведем основные типы систем подвижной связи и их основные характеристики, определяющие особенности применения.

Основной тенденцией развития систем подвижной радиосвязи в целом является использование цифровых методов передачи. Наиболее привлекательные стороны цифровых методов передачи состоят в том, что они более эффективны в условиях сильных помех, обеспечивают рациональное использование радиочастотного ресурса и, кроме того, цифровая техника характеризуется высокими темпами улучшения характеристик, снижения стоимости и потребляемой мощности. Успехи технологии сверхвысокого порядка интеграции элементов сделали цифровую обработку сигналов связи и их цифровую передачу по радиоканалам более эффективной, нежели аналоговая обработка и аналоговые методы передачи. К наиболее эффективным методам цифровой обработки и передачи речевых сигналов относятся:

· преобразование и кодирование (кодирование источника), позволяющие эффективно устранить избыточность в таких сигналах, благодаря чему в несколько раз уменьшить скорость передаваемого цифрового потока по сравнению с методами ИКМ;

· помехоустойчивое кодирование канала - кодирование с исправлением ошибок, представляющее собой метод обработки сигналов, предназначенный для увеличения надежности их передачи по цифровым каналам за счет специально вводимой избыточности;

· методы цифровой модуляции, которые позволяют повысить эффективность использования радиочастотного ресурса по сравнению с аналоговыми методами.

Использование цифровых методов передачи и временного разделения каналов (ВРК) в системах подвижной радиосвязи позволяет обеспечить: повышенную скорость передачи сообщений; одновременную передачу в стандартном формате речевых сообщений и данных; совместную передачу информационных сообщений и сигналов управления без взаимного мешающего влияния; стабильно высокий уровень разборчивости передаваемых речевых сообщений в условиях всего диапазона дальности связи; надежную и технически несложную защиту передаваемых сообщений; непрерывный контроль качества функционирования каналов связи.

Один из критериев классификации систем подвижной связи - это степень их сложности в совокупности с объемом предлагаемых услуг. С этой точки зрения они подразделяются на следующие категории:

• системы персонального радиовызова;

• системы бесшнуровой телефонии;

• транкинговые системы;

• системы сотовой подвижной связи;

• системы персональной спутниковой связи;

• системы беспроводного доступа к локальным вычислительным сетям.

Далее мы кратко остановимся на перечисленных категориях, приведем их характерные особенности и рассмотрим разницу между ними.

1.2. СИСТЕМЫ ПЕРСОНАЛЬНОГО РАДИОВЫЗОВА

Системы персонального радиовызова (пейджинговые от англ. paging - вызов) изначально строились на основе вещательных систем.

В классической пейджинговой системе связь односторонняя - от базовой станции, связанной с центром обработки вызовов, к выбранной подвижной станции. Подвижная станция работает только на прием сигнала, из всех радиовещательных радиосигналов системы выделяя адресованный только ей сигнал. В классической системе пейджер может только принимать сигналы. На ранней стадии развития пейджинговых систем задача принятого радиосигнала была предельно проста - запустить «звонок» - генератор звуковых сигналов. В настоящее время принятое сообщение имеет вид последовательности буквенно-цифровых символов или короткого речевого сообщения. Пейджер выбирается путем отправки сообщения с уникальным адресом. Как правило, при передаче сообщений используется частотная модуляция.

Поскольку пейджер - очень простое устройство, не предназначенное для передачи сигнала, он потребляет мало энергии и имеет небольшие размеры. Мощный сигнал, который должен проникать через стены зданий, излучается базовой станцией. Однонаправленная связь, устанавливаемая между базовой станцией и конкретным пейджером, оптимизируется с учетом асимметрии соединения.

Стандартная пейджинговая система состоит:

• из центра обработки вызовов, куда можно направить запрос на передачу заданному пользователю речевого или буквенно-цифрового сообщения;

• из базового передатчика, работающего на частоте в несколько сот мегагерц;

• из некоторого количества приемников (пейджеров).

Размеры зон обслуживания пейджинговых систем варьируют от малых (локальных) - с одной антенной и небольшой зоной обслуживания, до региональных, с множеством антенн, размещаемых определенным образом. Зона обслуживания последних может охватывать целую страну. Существует также общеевропейская система, называемая ERMES.

Рисунок 1.1 – Архитектура пейджинговой сети ERMES.

Основными элементами сетевой структурой ERMES (рисунке 1.1) являются:

• набор абонентских приемников (pagers);

• подсистема базовых станций (англ. Base Station - BS);

• контроллер зоны обслуживания вызовов (англ. Paging Area Controller ~ РАС);

• контроллер сети персонального радиовызова (англ. Paging Network Controller - PNC);

• центр технической эксплуатации (англ. Operation and Maintenance Center - ОМС), не показанный на рисунке.

Символами I1-I6 на рисунке 1.1 обозначены интерфейсы между отдельными блоками сети, а также межсетевой стык.

Абонентский приемник (пейджер) принимает сигналы, демодулирует их, декодирует адрес приемника, декодирует посланные ему информационные блоки и выводит их на экран либо информирует пользователя о приеме сообщения звуковым сигналом.

Контроллер сети персонального радиовызова (PNC) - центральный компонент сети конкретного оператора. Поскольку в одно и то же время могут функционировать сети нескольких операторов, существует возможность установления межсетевых соединений на уровне PNC. Межсетевые соединения реализуются при помощи пакетной сети передачи данных общего пользования (англ. Public Data Packet Network - PDPN).

Контроллер зоны обслуживания вызовов (РАС) управляет работой сети на определенной местности – зона пейджинга.

Она покрывается несколькими БС. РАС принимает подлежащее отправке сообщение от PNC, ставит в очередь, организует группы и устанавливает приоритеты перед передачей на БС.

БС получает сообщения, кодирует их и добавляет к ним информацию синхронизации и идентификации.

В ERMES используется 4-FSK модуляция.

В последнее время темпы развития пейджинговых систем снизились из-за огромной популярности сотовых телефонов. Похоже, что пейджинговые системы имеют шансы на выживание только в специализированном сегменте рынка беспроводных услуг, а также в новых применениях, таких, как дистанционное управление.

1.3. СИСТЕМЫ БЕСШНУРОВОЙ ТЕЛЕФОНИИ

Они представляют собой беспроводные средства связи малой мощности, предназначенные для медленно перемещающихся и расположенных недалеко от базовой станции пользователей. Основной идеей внедрения бесшнурового телефона была замена радиоканалом шнура между телефонным аппаратом и трубкой, при обеспечении характеристик качества связи и цены аппарата, сравнимых с качеством связи и стоимостью обычного проводного телефона.

Базовая станция - это часть бесшнурового телефона, которая подключена к коммутируемой телефонной сети общего пользования (ТфОП) как обычный телефонный аппарат.

Чтобы избежать установления соединения мобильной трубки с чужой базовой станцией, применяются различные технические средства, например, обмен паролями (цифровыми последовательностями), известными только своей паре беспроводных станций.

Другой способ обеспечения безопасного соединения - поиск свободного канала связи среди всех доступных для данной пары станций.

Применение цифровых технологий в бесшнуровой телефонии позволило расширить возможности таких систем. Зона радиопокрытия базовой станции существенно увеличилась. Прежде связь была ограничена либо домашним пространством, либо несколькими помещениями в здании по месту работы пользователя. Система второго поколения СТ-2 (Cordless Telephony-2), впервые примененная в Великобритании, предоставляла дополнительную услугу, которая называлась Telepoint. Базовые станции были расположены в густонаселенных районах. Подписавшийся на услугу Telepoint абонент мог сделать исходящий звонок без привязки к конкретной станции в зоне обслуживания системы СТ-2. Однако входящий звонок он мог принять только в зоне действия «своей» базовой станции.

Работы над усовершенствованием и унификацией беспроводной телефонии привели к появлению в Европейском Союзе цифрового стандарта DECT

Технология DECT может использоваться в следующих системах:

• телефонные сети в жилых помещениях;

• небольшие корпоративные системы с одним абонентским узлом и одной сотой;

• большие корпоративные системы с множеством абонентских узлов и большим количеством сот;

• общественные системы беспроводного доступа;

• системы беспроводного доступа к локальным вычислительным сетям (англ. Wireless Local Area Network - WLAN);

• системы беспроводного абонентского доступа (WLL).

В основе структуры системы DECT лежат микросоты с радиусом в несколько сот метров

Рисунок 1.2 – Типовая конфигурация системы DECT

Конкретная конфигурация системы DECT зависит от ее размера и области применения.

• Переносные устройства (англ. Portable Parts - PP) - связываются со стационарными устройствами (Fixed Parts - FP). В системе DECT допускается перемещение подвижных станций со скоростью до 20 км/ч.

• БС (FP)– Базовая станция обеспечивают требуемое радиопокрытие.

• Управляющий контроллер (англ. DECT Fixed System-DFS) - управляет всеми базовыми станциями.

Доступ к внешним сетям осуществляется при помощи блока коммутации и сопряжения, (англ. Interworking Unit-IWU).

Основные характеристики DECT приведены в таблице:

Рабочий спектр | 1880..1900 МГц
Количество частот | 10
Разнос частот | 1,728 МГц
Метод доступа | MC/TDMA/TDD
Частотное планирование | не требуется
Число каналов на одну частоту | 24 (12 дуплексных каналов)
Метод модуляции | GMSK (BT = 0,5)

Среди приложений DECT - системы для дома и малого офиса, микросотовые корпоративные системы, системы абонентского радиодоступа (WLL), системы доступа к сети GSM, микросотовые системы общего пользования (CTM), системы доступа к локальной сети, предоставляющие голосовую телефонию, факс, модем, электронную почту, Интернет, X.25 и т.д.

Система персональной связи (англ. Personal Access Communications System - PACS) - это американский аналог системы DECT.

Существует три версии системы PACS:

} версия, обозначаемая PACS, которая работает в режиме FDD в 1850...1910 и 1930...1990МГц;

} версия, известная под названием PACS-UB, которая работает в режиме TDD в диапазоне 1910... 1930 МГц;

} система PACS-WUPE (англ. Wireless User Premises Equipment), основанная на японской системе PHS.

Для нее характерны небольшие и недорогие базовые станции с малой областью покрытия, маломощные мобильные телефоны имеющие способность предоставлять услуги с таким же качеством и надежностью, как в проводных систах связи.

Система PACS оптимизирована для предоставления услуг в местах с высокой плотностью трафика.

Простота используемого радиопротокола позволяет легко объединять блоки системы PACS с сотовыми мобильными станциями любой системы, действующей на территориях Америки, например, AMPS, IS-95, IS-136 или PCS 1900.

1.4. ТРАНКИНГОВЫЕ СИСТЕМЫ

Транкинговые системы - это системы подвижной связи, предназначенные для построения коммуникационных сетей на крупных предприятиях, оперирующих разнесенными в пространстве ресурсами.

Характерная особенность таких систем - наличие диспетчерского и управляющего центра, распределяющего вызовы.

Основная идея и название транкинговых систем отражает правило распределения каналов в этих системах.

Системные ресурсы состоят из определенного количества каналов («ствола связи» (англ. Trunk)), являющихся общим ресурсом. Любой свободный канал может быть назначен для установления нового соединения и будет немедленно возвращен в общую квоту после завершения этого соединения.

Благодаря динамическому выделению канала паре пользователей и тому, что во время соединения другая подвижная станция не может получить доступ к этому каналу, повышается защита разговорного канала.

Транкинговые системы предназначены для установления специфических типов соединений, в том числе:

• индивидуальные;

• групповые со всеми членами группы;

• с сетью ТфОП (для ограниченного круга абонентов);

• для подачи тревожных и аварийных сигналов;

• для прямой связи с общественными службами;

• для передачи коротких цифровых сообщений;

• для реализации передачи данных.

Характерная особенность традиционных транкинговых и диспетчерских систем - это двухсимплексный режим работы подвижных станций. Базовые станции работают в дуплексном режиме. На время разговора паре пользователей выделяется пара частотных каналов (восходящий и нисходящий). В конкретный момент подвижная станция может передавать данные только в одном направлении, т.е. абонент может либо говорить, либо слушать. Базовая станция принимает сигнал от говорящего пользователя на одной частоте и передает его слушающему пользователю на другой. Благодаря такому способу использования канальных ресурсов, становится возможным организация групповых соединений без необходимости указания индивидуальных номеров членов группы.

Транкинговые системы, как правило, имеют радиальную или радиально-зоновую структуру сети и, в отличие от сотовых систем, не обеспечивают непрерывности связи при пересечении абонентами границ зон радиопокрытия (передача обслуживания - handover) и не имеют автоматического роуминга - автоматической регистрации и поддержания связи при перемещении в другую зону обслуживания.

Наиболее полно перечисленные выше достоинства цифровых технологий присущи перспективной транкинговой СПРС стандарта TETRA.

Транкинговые системы связи (ТСС) классифицируют по следующим признакам.

1) По методу передачи речевой информации: аналоговые и цифровые. Передача речи в радиоканале аналоговых систем осуществляется с использованием частотной модуляции, шаг сетки частот обычно составляет 12,5 кГц или 25 кГц. Для передачи речи в цифровых системах используются различные типы вокодеров, преобразующих аналоговый речевой сигнал в цифровой поток со скоростью не более 4,8 кбит/с.

2) В зависимости от количества БС и общей архитектуры: однозоновые или многозоновые системы. В системах первого типа имеется одна БС, в системах второго типа - не
сколько БС с возможностью роуминга.

3) По методу объединения БС в многозоновых системах. БС могут объединяться с помощью единого коммутатора (системы с централизованной коммутацией), или соединяться
друг с другом непосредственно, или через СОП (системы с распределенной коммутацией).

4) По типу многостанционного доступа: FDMA, FDMA+TDMA. В большинстве ТСС используется многостанционный доступ с частотным разделением (FDMA), включая цифровые системы. Комбинация FDMA и многостанционного доступа с временным разделением (TDMA) используется в системах стандарта TETRA, а также является дополнительной возможностью системы EDACS ProtoCALL.

5) По способу поиска и назначения канала: системы с децентрализованным (СДУ) и централизованным (СЦУ) управлением. В СДУ процедуру поиска свободного канала выполняют абонентские радиостанции (АР). В этих системах ретрансляторы (РТ) БС обычно не связаны друг с другом и работают независимо. Особенностью СДУ является относительно большое время установления соединения между абонентами, растущее с увеличением числа РТ. Такая зависимость вызвана тем, что АР вынуждены непрерывно последовательно сканировать каналы в поисках вызывного сигнала (последний может поступить от любого РТ) или свободного канала (если абонент сам посылает вызов). Представителями данного класса являются системы стандарта SmarTrunk.

В СЦУ поиск и назначение свободного канала производится на БС. Для обеспечения нормального функционирования таких систем организуются каналы двух типов: рабочие (трафика) и управления. Все запросы на предоставление связи направляются по каналу управления, по этому же каналу БС извещает абонентские устройства о назначении канала, отклонении запроса, или о постановке запроса в очередь.

6) По типу канала управления (КУ). Во всех ТСС каналы управления являются цифровыми. Различают системы с выделенным частотным КУ и системы с распределенным КУ. В системах первого типа передача данных в КУ производится со скоростью до 9,6 кбит/с, а для разрешения конфликтов используются протоколы типа ALOHA. Микропроцессорный блок управления (центральный системный контроллер) контролирует все БС- в зоне обслуживания. Один из каналов выделяется для использования в целях управления. Его основная функция - установление соединения между двумя абонентами сети. Все мобильные и базовые станции, не производящие в данный момент приема или передачи речевой информации, сканируют выделенный канал. Выделенный КУ имеют ТСС фирмы Motorola (StartSite, SmartNet, SmartZone), система EDACS фирмы Ericsson и некоторые другие.

В системах с распределенным КУ информация о состоянии системы и поступающих вызовах распределена между низкоскоростными субканалами ПД, совмещенными со всеми рабочими каналами. Таким образом, в каждом частотном канале системы передается не только речь, но и данные КУ. Для организации парциального канала в аналоговых Системах обычно используется субтональный диапазон частот 0-300 Гц. Представителями данного класса являются системы LTR и Multi-Net фирмы E.F.Johnson.

7) По способу удержания канала. ТСС позволяют абонентам удерживать канал связи на протяжении всего разговора или только на время передачи. Первый способ, называемый также транкингом сообщений, наиболее традиционен для систем связи и обязательно используется во всех случаях применения дуплексной связи или соединения с ТфОП.

Второй способ может быть реализован только при использовании полудуплексных радиостанций (PC), в которых передатчик включается только на время произнесения абонентом фраз разговора, в паузах между окончанием фраз одного абонента и началом ответных фраз другого передатчики PC выключены. Значительная часть ТСС эффективно использует такие паузы, освобождая канал немедленно после окончания работы передатчика АР. Реплики одного и того же разговора могут передаваться по разным каналам. Такой метод обслуживания, предусматривающий удержание канала только на время передачи, называется транкингом передачи. Платой за высокую эффективность данного метода служит снижение комфортности переговоров - в состоянии высокой нагрузки канал предоставляется с некоторой задержкой, что приводит к фрагментарности и раздробленности разговора.

На рисунке 1.3. представлена обобщенная структурная схема однозоновой ТСС.

Рисунок 1.3 - обобщенная структурная схема однозоновой ТСС

В состав БС, кроме радиочастотного оборудования (ретрансляторы, устройство объединения радиосигналов, антенны) входят также коммутатор, УУ и интерфейсы к различным внешним сетям.

Ретрансляторы (РТ) –набор приемопередающего оборудования, обслуживающего одну пару несущих частот.

БС может располагать как единой приемопередающей антенной, так и раздельными антеннами для приема и передачи.

УОР позволяет использовать одно и тоже антенное оборудование для одновременной работы приемников и передатчиков на нескольких частотных каналах. РТ работают только в дуплексном режиме, разнос частот приема и передачи составляет от 45МГц до 3 МГц

Коммутатор обслуживает весь ее трафик. УУ обеспечивает взаимодействие всех узлов БС. Оно обрабатывает вызовы, осуществляет аутентификацию вызывающих абонентов, ведет очередь вызовов и т.д.

Абонентское оборудование ТСС включает в себя широкий набор устройств. В основном это функционально ограниченные устройства, не имеющие цифровой клавиатуры. Их пользователи имеют возможность связываться лишь с абонентами внутри своей группы и посылать экстренный вызов диспетчеру.

Постепенно находят применение дуплексные РС обладающие большей функциональностью. Они обеспечивают не только соединение с ТФОП, но и возможность групповой работы в полудуплексном режиме.

Стандарт TETRA(трансевропейская система транкинговой связи) включает в себя две спецификации:

1) TETRA Voice + Data (TETRA V+D) D - это стандарт на интегрированную систему передачи речи и и данных.

2) TETRA Packet Data Optimized (TETRA PDO) - стандарт, описывающий специальный вариант ТСС, ориентированный только на ПД.

Радиоинтерфейс стандарта TETRA предполагает работу в стандартной сетке частот с шагом 25 кГц. Для систем стандарта TETRA могут использоваться диапазоны от 150 МГц до 900 МГц, однако реально в странах Европы будут выделены частоты в диапазонах частот 410-430 МГц, 870-876/915-921 МГц, или в диапазонах частот 450-470 МГц, 385-390/395-399,9 МГц. Дуплексный разнос для систем стандарта TETRA должен составлять 10 МГц.

В радиоканале используется относительная фазовая модуляция типа л/4-DQPSK с постоянной огибающей.

Полная пропускная способность одного канала в системе стандарта TETRA V+D составляет 7200 бит/с. Стандарт TETRA PDO обеспечивает ПД со скоростью 28,8 кбит/с. ПД может производиться по схемам «точка-точка» и «точка-многоточие». Кроме того, стандарт TETRA предусматривает поддержку протокола Х.25 для пользовательских приложений.

1.5. СИСТЕМЫ СОТОВОЙ ПОДВИЖНОЙ СВЯЗИ

Сотовая телефония - это следующий и, возможно, наиболее показательный пример систем связи с подвижными объектами.

Системы сотовой телефонии обеспечивают двустороннее беспроводное соединение с подвижными станциями, которые могут передвигаться с высокой скоростью по обширной территории, покрытой сетью базовых станций.

Системы первого поколения были аналоговыми. Речь передавалась при помощи частотной модуляции. Для обеспечения многостанционного доступа использовался метод FDMA.

Развитие цифровых технологий привели к разработке систем второго поколения. Здесь использовались методы многостанционного доступа TDMA и CDMA:

} GSM (англ. Global System for Mobile Communications), примененная в Европе, а позже и на территории других континентов;

} IS-94/136 и IS-95, используемые в США и некоторых других странах;

} PDC (англ. Personal Digital Cellular), работающая исключительно в Японии.

Отметим следующие свойства таких систем:

} относительно высокая мощность передатчика;

} сложная структура мобильного телефона, особенно его подсистемы обработки цифровых сигналов;

} относительно низкое качество связи по сравнению со стационарными телефонными системами;

} сложная структура сети, обусловленная процедурами смены базовой станции и управления мобильностью, необходимостью обнаружения искомой подвижной станции в системе, а также множеством предлагаемых услуг.

Несмотря на очевидные различия между конкретными системами сотовой телефонии второго поколения, они имеют следующие общие черты:

• низкая скорость потока цифровых данных, представляющих речевой сигнал пользователя, обусловленная сложными алгоритмами кодирования речи; скорость потока данных не превышает 13 кбит/с, что позволяет увеличить емкость системы за счет определенного ухудшения качества речевого сигнала;

• относительно небольшая (порядка 200 мс) задержка передачи данных в обоих направлениях, обусловленная алгоритмами кодирования и декодирования речи и сложной системой детектирования цифрового сигнала;

• дуплексная передача данных с частотным разделением (FDD);

• контроль мощности подвижной станции, который гарантирует неизменное качество связи, не зависящее от расстояния между подвижной и базовой станциями.

Рисунок 1.4 – Обобщенная структурная схема GSM

Основными компонентами сети мобильной радиосвязи являются:

· Коммутационная система - Switching System (SS)

· Система базовых станций - Base Station System (BSS)

Система SS выполняет функции обслуживания вызовов и установления соединений, а также отвечает за реализацию всех назначенных абоненту услуг. SS включает в себя следующие функциональные устройства:

· Центр коммутации мобильной связи (MSC)

· Опорный регистр местоположения (HLR)

· Визитный регистр (VLR)

· Центр аутентификации (AUC)

· Регистр идентификация оборудования (EIR).

Система ВSS отвечает за все функции, относящиеся к радиоинтерфейсу. Эта система включает в себя следующие функциональные блоки:

· Контроллер базовых станций (BSC)

· Базовую станцию (BTS)

GSM предоставляет следующие услуги:

· телефонная связь (совмещается со службой сигнализации: охрана квартир, сигналы бедствия и пр.);

· прием и передачу компьютерных данных;

· передача коротких сообщений;

· доступ к службам "Видеотекст", "Телетекст";

служба "Телефакс".

Конкурентом GSM в борьбе за потребителя является система с кодовым разделением каналов (CDMA). Сторонники этой технологии приводят следующие преимущества:

· максимальное использование частотного диапазона,

· экономный расход мощности батареи терминала и, следовательно, более долгий срок службы,

· максимальная для подвижных систем конфиденциальность и скрытность информации,

· устойчивость к многолучевым замираниям и индустриальным помехам.

Разработка систем третьего поколения началась задолго до того, как были исчерпаны возможности системы GSM и других систем второго поколения. Целью этой работы было создание глобального стандарта, который сможет поддерживать роуминг по всему миру. Международный телекоммуникационный союз (ITU) начал работу над системой подвижной связи третьего поколения с определения базовых требований. Первоначально эта система называлась перспективной наземной системой подвижной связи общего пользования (англ. Future Public Land Mobile Telecommunication System - FPLMTS), а теперь известна под названием IMT-2000 (англ. International Mobile Telecommunications - международная подвижная связь). Рассмотрим основные требования, предъявляемые к этой системе:

• пропускная способность (не менее):

§ 2 Мбит/с внутри помещений и для терминалов, перемещающихся с пешеходной скоростью;

§ 384 кбит/с для терминалов, перемещающихся со скоростью не более 120 км/ч в областях городской застройки;

§ 144 кбит/с в сельской местности и для быстро перемещающихся транспортных средств;

• обеспечение глобальной (общемировой) мобильности абонента;

• независимость услуг IMT-2000 от применяемой технологии радиоинтерфейса. Это позволит использовать различные эфирные интерфейсы; с другой стороны, это потребует использования многосистемных терминалов;

• незаметное переключение между сетями проводной и беспроводной связи;

• поддержка услуг передачи данных с коммутацией каналов и пакетов;

• поддержка мультимедийных сервисов и услуг реального времени;

• реализация виртуальной домашней среды (англ. Virtual Home Environ-ment - VHE). Свойства пользовательского интерфейса, характерные для домашней среды пользователя, не меняются при роуминге в других сетях.

КОНЦЕПЦИЯ UMTS

Основная задача системы UMTS - реализация интегрированной цифровой беспроводной связи со скоростями передачи данных до 2 Мбит/с в радиочастотном диапазоне около 2 ГГц.

К системе UMTS предъявляются те же требования, что и к IМТ-2000:

• возможность работы при различных параметрах среды. Наземная часть системы UMTS должна работать в различных условиях окружающей среды, начиная от сельской местности и кончая помещениями. Для этих условий будут созданы три типа сот - пикосоты, микросоты и макросоты с соответствующими физическими уровнями UMTS. Спутниковый сегмент системы UMTS будет дополнять систему наземной подвижной связи и работать в областях с очень низкой плотностью трафика или слаборазвитой инфраструктурой;

• дуплексная передача данных. Спектр, выделенный на конференции WRC-2000, состоит из двух парных и двух непарных диапазонов. Это подразумевает использование дуплексной передачи данных с частотным разделением (FDD) в парных диапазонах и дуплексной передачи данных с временным разделением (TDD) в непарных диапазонах (см. табл. 17.1);

• широкий спектр услуг. Система UMTS должна обеспечивать широкий спектр услуг, начиная от передачи речи до высокоскоростной передачи данных. Трафик может быть асимметричным. Система должна быть достаточно гибкой для того, чтобы позволить введение в будущем новых услуг. Поэтому система радиодоступа должна поддерживать однонаправленные соединения, основанные на некоторых основных службах передачи данных;

• взаимодействие с фиксированными сетями связи. Система UMTS будет интегрирована с проводными широкополосными сетями, такими, как B-ISDN. Планируется использовать технологию интеллектуальных сетей (англ. Intelligent Networks - IN).

Как уже упоминалось, система UMTS использует преимущества существующих сетей GSM и GPRS, которые выступают в роли базовой сети в инфраструктуре UMTS.

Рисунок 1.5 – Сети радиодоступа UMTC

Структура радиосети UMTS (рис. 17.3) состоит из трех основных элементов:

• абонентское оборудование (англ. User Equipment— UT), включающее в себя:

• оборудование подвижной связи (англ. Mobile Equipment - ME), представляющее собой радиотерминал, который соединяет абонента UMTS с фиксированной частью системы через радиоинтерфейс Uu;

• модуль идентификации абонента UMTS (англ. UMTS Subscriber Identity Module - USIM), представляющий собой смарт-карту, аналогичную SIM-карте в системе GSM. Карта содержит идентификатор абонента, алгоритм аутентификации, ключи аутентификации и шифрования и т.д.;

• наземная сеть радиодоступа UMTS (англ. UMTS Terrestrial Radio Access Network - UTRAN), представляющая собой подсистему базовых станций и их контроллеров. Она состоит из двух типов элементов:

• базовые станции, называемые узлами В (англ. Node В) (согласно терминологии 3GPP). Они выполняют обработку данных на физическом уровне - такую, как канальное кодирование, перемежение данных, корректировка скорости передачи, модуляция и т.д. В основном, базовая станция преобразует данные из формата радиоинтерфейса Uu в формат интерфейса Iub, связывающего узел В с контроллером радиосети;

• контроллеры радиосети (англ. Radio Network Controller - RNC), которые управляют работой присоединенных к ним узлов В и распределяют выделенные им радиоресурсы. Таким образом, контроллер обрабатывает данные на уровне звена данных и участвует в процедурах хэндовера. В базовой сети контроллер RNC считается точкой доступа к услуге сети UTRAN. Он соединен с одной парой MSC/VLR для маршрутизации трафика с коммутацией каналов и с одним узлом SGSN для маршрутизации трафика с коммутацией пакетов;

• базовая сеть (англ. Core Network - CN) организована на основе сетей GSM и GPRS. Поэтому она содержит элементы, характерные для систем как с коммутацией каналов, так и с коммутацией пакетов:

• опорный (домашний) регистр местоположения (англ. Ноте Location Register - HLR), который выполняет те же функции, что и в системах GSM и GPRS;

• центр коммутации подвижной связи/визитный регистр местоположения (англ. Mobile Switching Center/Visitor's Location Register -MSC/VLR), которые управляют трафиком с коммутацией каналов;

• шлюзовый центр коммутации подвижной связи (англ. Gateway Mobile Switching Center - GMSC), соединяющий сеть UMTS с внешними сетями, работающими в режиме коммутации каналов;

• узел текущей поддержки GPRS (англ. Serving GPRS Support Node -SGSN), аналогичный узлу, используемому в GPRS и работающий в режиме коммутации пакетов;

• узел шлюзовой поддержки GPRS (англ. Gateway GPRS Support Node -GGSN), соединяющий сеть UMTS с внешними сетями, работающими в режиме коммутации пакетов.

4G — перспективное (четвёртое) поколение мобильной связи, характеризующееся высокой скоростью передачи данных и повышенным качеством голосовой связи.

1.6. СПУТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ ПЕРСОНАЛЬНОЙ РАДИОСВЯЗИ

Cовременные спутниковые системы характеризуются одно- или двунаправленной передачей речи или данных с невысокой скоростью, но на очень большие расстояния. Емкость системы строго зависит от количества используемых спутников. Однако увеличение количества спутников вызывает существенный рост стоимости системы.

В последние годы было представлено несколько новых спутниковых систем, известных под названиями Iridium, Globalstar и ICO (ранее известной как Inmarsat-P). Все они используют спутники, расположенные на средних или низких орбитах.

При низких орбитах число спутников увеличивается, поскольку уменьшается зона радиопокрытия каждого из них. При этом габариты и стоимость каждого космического аппарата также становятся меньше. Помимо того, снижается задержка на распространение сигнала, вносимая трассами космической связи, а также мощность подвижных станций, что позволяет использовать портативные телефоны, приближающиеся по габаритам к сотовым. Одновременно с этим, малые задержки обеспечивают более комфортное восприятие речевой информации. Большое количество низкоорбитальных спутников с небольшой зоной покрытия подразумевает большую суммарную емкость системы благодаря многократному использованию частот канала.

В настоящее время перспективы персональных систем связи с низкоорбитальными спутниками не совсем ясны из-за маркетинговых проблем некоторых систем. Несмотря на это, интересна сама специфика концепции их построения.

Геостационарные спутниковые системы требуют наименьшего количества спутников. Однако такие аппараты очень дороги. Благодаря высокой орбите (около 37000 км над землей), каждый спутник покрывает огромную территорию, и возможностей повторного использования канала намного меньше, чем в системах с низкоорбитальными спутниками. Поэтому емкость системы существенно снижается. Дополнительные трудности создает значительная задержка, вносимая длиной трассы прохождения сигнала на геостационарный спутник и обратно (до 0,5 с). Такая задержка ухудшает восприятие речи. Компромисс между низкими и геостационарными орбитами предлагают системы с промежуточными круговыми орбитами (англ. Intermediate Circular Orbit, ICO). Этим системам требуется разумное количество спутников, а вносимая задержка считается приемлемой.

Концепция универсальной персональной связи подразумевает, что абонент такой системы должен быть доступен в любой точке земли через любую сеть с однозначным определением его по уникальному номеру. Сеть персональной спутниковой связи позволяет абоненту, расположенному в любой точке планеты, получить доступ к телекоммуникационной сети при помощи переносного терминала и установить соединение, по крайней мере, с одним спутником.

На нижнем уровне иерархии систем подвижной связи стоят системы, работающие в пикосотах (как правило, внутри помещений). Следующий уровень иерархии - беспроводная телефония в микросотах, например, в центральных районах городов, аэропортах, больших супермаркетах и т.д. Классические сотовые системы, обслуживающие макросоты, обрабатывают трафик средней плотности, и предусматривают связь с быстро перемещающимся терминалом.

Рисунок 1.6 – Место спутниковой связи

в иерархии беспроводной связи

Спутниковые системы находятся на самом верхнем уровне. Они могут использоваться в случае отсутствия доступа к любым другим телекоммуникационным сетям, т.е. в малонаселенных районах, либо в случае временной перегрузки другой системы. Поэтому считается, что системы спутниковой связи дополняют сотовые системы, но не заменяют их. Естественно, емкость систем спутниковой связи намного ниже емкости систем наземной подвижной связи.

Дополнительным фактором, влияющим на коммерческий успех всей системы, является время задержки на передачу речи. Слишком большая задержка, обусловленная большим временем распространения сигнала до спутника и обратно, создает дискомфорт для пользователей. Величина задержки также влияет на эффективность обмена блоками данных с применением метода ARQ. Большая задержка на распространение требует значительного увеличения емкости буферной памяти.

Рисунок 1.7 – Типы орбит, используемых в системах

спутниковой подвижной связи

Указанные факторы позволяют выделить несколько типов систем спутниковой связи, различающихся расположением спутников.

По высоте орбит спутниковые системы делятся на следующие классы:

1)LEO –low Earth Orbit (низкая околоземная орбита)- системы, использующие КА на низких круговых орбитах. Спутник пребывает в поле видимости абонентской антенны несколько минут и несколько раз в сутки. Высота орбиты составляет от 700 до 1500 км. Для покрытия Земли требуется хотя бы 40 спутников. (кол-во сот не менее 3000 вследствии подвижности КА).

2) MEO – Medium Earth Orbit (средневысотная околоземная орбита)- КА размещается на высоте 10-15 тыс.км. Зоны покрытия больше их требуется меньше 800(Спутников -10-15). Емкость системы меньше.

3)GEO – Geostationary Earth Orbit (геостационарная околоземная орбита)- КА размещаются в экваториальной плоскости на высоте около 35780 км. Требуется 3-4 спутника.

Рисунок 1.8 – Структура системы спутниковой связи

Любая система спутниковой связи включает в себя:

- космический сегмент, состоящий из нескольких спутников-ретрансляторов (СР);

- наземный сегмент;

- пользовательский сегмент, осуществляющий связь при помощи персонального спутникового терминала;

- наземные сети связи, с которыми через интерфейс связи сопрягают шлюзовые станции (ШС) космической связи;

Наземный сегмент состоит из центра управления системой, центра запуска КА, центра управления связью и шлюзовых станций.

Услуги, предоставляемые системами персональной спутниковой связи:

- передача речи;

- передача данных;

- передача пейджинговых сообщений;

- электронная почта.

1.7. СИСТЕМЫ БЕСПРОВОДНОГО ДОСТУПА

К ЛОКАЛЬНЫМ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫМ СЕТЯМ

В последнее время беспроводные технологии были применены для реализации беспроводного доступа к компьютерным сетям. Условия функционирования и задачи таких систем, обозначаемых как WLAN (англ. Wirless Local Area Networks беспроводная ЛВС) отличаются от описанных выше. Прежде всего, предполагается, что зона покрытия такой системы и мобильность пользователя весьма ограничены. Излучаемая мощность подвижных станций очень невелика, в предположении о возможности прямого соединения с базовой станцией или другим мобильным терминалом на самых малых расстояниях.

В обычной локальной вычислительной сети (ЛВС) такие сетевые элементы, как серверы, терминалы, принтеры и другая периферия, соединены системой медных или оптоволоконных кабелей. Сеть включает в себя стационарные узлы, терминалы и кабельную инфраструктуру. При каждом расширении или изменении конфигурации сети необходимы прокладки дополнительных кабельных соединений, что требует как временных, так и финансовых затрат. Очевидно, что терминалы такой сети не могут перемещаться.

Технологии беспроводных локальных вычислительных сетей (англ. Wireless Local Area Network- WLAN) открывают новые возможности перед пользователями ЛВС - прежде всего мобильность терминалов и простоту изменения конфигурации сети. В общих чертах сети WLAN обладают следующими преимуществами:

• гибкость - узлы сети WLAN могут соединяться друг с другом в области покрытия сети без существенных ограничений, связанных с их расположением. Терминалам не обязательно находиться на линии прямой видимости. Стены и другие препятствия, встречающиеся в помещениях, как правило, прозрачны для электромагнитных волн не очень высокой частоты;

• простота планирования - планирование сети связано с радиочастотной составляющей; при этом конфигурирование сетей, особенно типа «ас/ hoc»1, не требуется;

• возможность создания временных конфигураций сети - беспроводная связь дает возможность создавать локальные сети, требующиеся на короткий период времени (например, на крупных выставках, спортивных соревнованиях и т.д.);

• независимость от внешних условий - из-за отсутствия проводных соединений и использованию терминалов (часто внутренних), как правило, присоединенных к портативным компьютерам и другим носимым устройствам, работающих от внутреннего источника питания, сети WLAN не сильно подвержены внешним воздействиям в экстремальных случаях.

Сети WLAN также обладают некоторыми недостатками, большая часть которых обусловлена свойствами распространения сигналов по радиоканалам. К ним относятся:

• худшее качество передачи данных по сравнению с обычными проводными ЛВС. Спектральные ограничения и возможные помехи со стороны других систем - серьезный недостаток сетей WLAN;

• местные регуляторные ограничения - различные страны накладывают ограничения на выделение частотных ресурсов. Это, в свою очередь, накладывает ограничения на всемирные стандарты сетей WLAN;

• стоимость беспроводного оборудования все еще намного превышает стоимость аналогичного оборудования для проводных сетей;

• меньшая конфиденциальность и безопасность - передаваемую по радиоканалам информацию перехватить намного проще, чем информацию, передаваемую по проводным соединительным линиям.

На рисунке 1.9 иллюстрируется идея беспроводной структурированной сети.

Рисунок 1.9 –Пример конфигурации структурированной

сети WLAN

Сеть WLAN, принадлежащая к данному типу, обладает проводной инфраструктурой, соединяющей ее с другими проводными сетями. Важными элементами сетей такого типа являются точки доступа (англ. Access Point - АР), которые обеспечивают взаимодействие беспроводных терминалов с проводной инфраструктурой сети. В большинстве случаев радиообмен осуществляется только между точками доступа и беспроводными терминалами, т.е. два сетевых терминала взаимодействуют друг с другом только через соответствующую точку доступа. Таким образом, точки доступа выполняют те же функции, что и базовые станции в системах сотовой связи. Точка доступа реализует большинство процедур, связанных с управлением передачей данных, оставляя терминалам только простую обработку сигналов. Такой способ организации сети позволяет упростить управление доступом к сети и избежать коллизий. Это возможно в случае, когда точки доступа управляют доступом терминалов к радиоканалу.

Структурированные сети не обладают полной гибкостью по причине наличия фиксированной проводной части. Этот недостаток отсутствует в сетях типа «ad hoc»(Рисунок 1.10).

Рисунок 1.10 – Структура сети WLAN типа «ad hoc»

Беспроводные сети типа «ad hoc» не имеют опорной проводной инфраструктуры.