Чикрин Д.Е. Сети и системы телекоммуникаций. Сети и системы телекоммуникаций
 Скачать 5.32 Mb.
|
|
КАЗАНСКИЙ (ПРИВОЛЖСКИЙ) ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ВЫСШАЯ ШКОЛА ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ Кафедра автономных робототехнических систем Д.Е. Чикрин СЕТИ И СИСТЕМЫ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ - Ч.1 Курс лекций Казань — 2013 Принято на заседании Высшей школы информационных технологий и информационных систем Протокол №8 от 20.08.2013 Научный редактор кандидат техн. наук, старший научный сотрудник ООО КБ "НТ" А.П. Овчаров Рецензент кандидат техн. наук, старший научный сотрудник ООО КБ "НТ" О.С. Вершинин Д.Е. Чикрин Сети и системы телекоммуникаций: курс лекций / Д.Е. Чикрин. - Казань: Казанский университет, 2013. - 146 с. Дисциплина "Сети и системы телекоммуникаций"является базовой для понимания принципов функционирования современных сетей и си- стем телекоммуникаций, представляющих собой основу мировой инфор- мационной инфраструктуры. Дисциплина разбита на три семестровых раздела и предлагает слушателям необходимый для понимания и более глубокого дальнейшего изучения материал по физическому устройству и организационным основам функционирования современных телекомму- никационных сетей и систем. В рамках курса особое значение уделено практической проработке рассматриваемых вопросов, что необходимо для закрепления и понимания представленного материала. В данном докумен- те рассмотрен курс лекций первого семестра дисциплины, посвященный вопросам построения и функционирования беспроводных систем связи и передачи данных. ©Казанский университет, 2013 ©Д.Е. Чикрин, 2013 Аннотация Дисциплина Сети и системы телекоммуникаций является базовой для понимания принципов функционирования современных сетей и си- стем телекоммуникаций, представляющих собой основу мировой инфор- мационной инфраструктуры. Представленный курс разбит на три семестровых раздела и предла- гает слушателям необходимый для понимания и более глубокого дальней- шего изучения материала по физическому устройству и организационным основам функционирования современных телекоммуникационных сетей и систем. В рамках курса особое значение уделено практической проработке рассматриваемых вопросов, что необходимо для закрепления и понима- ния представленного материала. В первом семестровом разделе освещаются вопросы построения и функционирования беспроводных систем связи и передачи данных. Как и все мои труды, посвящается моей жене и моим Учителям, без которых этой книги никогда бы не было. Чикрин Д.Е. 3 TELECOMMUNICATION SYSTEMS AND NETWORKS Abstract Telecommunication systems and networks - fundamental discipline about structure, functioning and construction methods of nowadays telecommunications. This course is intended to students, IT-specialists and engineers in the fields of different information systems and hardware complex construction. In this book (first part of overall discipline) we are consider topics of structure, functioning and construction methods of different wireless systems infrastructure and terminal equipment. 4 Содержание I Современные сети и системы телекоммуникаций 10 1 Классификация систем связи и передачи данных . . 11 1.1 Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2 Классификация АССиПД по зоне обслуживания . . . . . . . 11 1.2.1 Сети WMAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.2.2 Сети WLAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.2.3 Сети WPAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.2.4 Сети WBAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.3 Классификация АССиПД по топологии сети связи . . . . . . 13 1.3.1 Спутниковые системы АССиПД . . . . . . . . . . . . 13 1.3.2 Транкинговые системы АССиПД . . . . . . . . . . . . 16 1.3.3 Сотовые системы АССиПД . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.3.4 Децентрализованные АССиПД . . . . . . . . . . . . . 20 2 Поколения беспроводных АССиПД . . . . . . . . . 22 2.1 0G: предшественники мобильных сетей связи . . . . . . . . . 22 2.2 1G: 1-е поколение мобильных сетей связи - аналог . . . . 23 2.3 2G: 2-е поколение - цифра . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.4 Промежуточные поколения - 2,25; 2,5; 2,75G . . . . . . . . . 27 2.5 Поколения 3G и 3G+ - интегрированные беспроводные сети 28 2.6 Поколение сверхширокополосного доступа - 3,9G; 4G . . . . 29 2.7 Перспективные конвергентные сети связи - 5G . . . . . . . . 30 3 Технологии множественного доступа. Методы коммутации 35 3.1 Технологии множественного доступа в сеть . . . . . . . . . . 35 3.1.1 Пространственное разделение каналов (SDMA) . . . . 35 3.1.2 Частотное разделение каналов (FDMA) . . . . . . . . 36 3.1.3 Временное разделение каналов (TDMA) . . . . . . . . 37 3.1.4 Кодовое разделение каналов (CDMA) . . . . . . . . . 39 3.2 Системы конкурентного доступа к среде . . . . . . . . . . . 40 3.2.1 Метод доступа к линии связи Pure ALOHA . . . . . . 40 3.2.2 Метод доступа к линии связи S-ALOHA . . . . . . . . 41 3.2.3 Методы избежания коллизий CSMA-CD и CSMA-CA 42 3.3 Методы коммутации в системах связи . . . . . . . . . . . . . 43 3.3.1 Коммутация каналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.3.2 Коммутация пакетов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 5 4 Компоненты современных систем связи . . . . . . . 48 4.1 Физический смысл компонентов системы связи . . . . . . . . 49 4.1.1 Форматирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.1.2 Кодирование источника . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.1.3 Шифрование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 4.1.4 Канальное кодирование . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.1.5 Уплотнение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.1.6 Синхронизация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4.1.7 Импульсная модуляция . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4.1.8 Полосовая модуляция . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.1.9 Расширение спектра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.1.10 Блок обеспечения множественного доступа . . . . . . 54 4.1.11 ВЧ-тракт и среда распространения . . . . . . . . . . . 54 II Теоретические основы функционирования радиоканала 56 5 Основы распространения радиоволн . . . . . . . . 57 5.1 Модель распространения радиоволн в свободном простран- стве . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 5.1.1 Модель распространения в свободном пространстве . 58 5.1.2 Децибелы и сопутствующие вычисления . . . . . . . . 59 5.1.3 Модель свободного распространения и ВЧ-сигналы . 60 5.2 Зоны распространения радиоволн . . . . . . . . . . . . . . . 61 5.2.1 Структура ближней и дальней зон распространения . 61 5.2.2 Зоны Френеля как дополнительные условия к LOS . 64 6 Механизмы и модели распространения радиоволн . . 66 6.1 Основные механизмы распространения радиоволн в NLOS . 66 6.1.1 Отражение радиоволн . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 6.1.2 Дифракция радиоволн . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 6.1.3 Эффект рассеивания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 6.1.4 Механизм поглощения радиоволн . . . . . . . . . . . . 68 6.2 Модели распространения радиоволн в NLOS . . . . . . . . . 69 6.2.1 Основные положения расчета дальности связи . . . . 70 6.2.2 Модель Ли . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 6.2.3 Модель Окамуры-Хата . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 7 Модели замираний и сопутствующие эффекты 76 7.1 Модели замираний . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 7.1.1 Медленные замирания . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 6 7.1.2 Логонормальная модель затуханий . . . . . . . . . . . 78 7.1.3 Рэлеевская модель затуханий . . . . . . . . . . . . . . 78 7.1.4 Райсовая модель затуханий . . . . . . . . . . . . . . . 80 7.1.5 Модели замирания Накагами-m . . . . . . . . . . . . . 80 7.2 Прочие эффекты распространения . . . . . . . . . . . . . . . 81 7.2.1 Эффект Допплера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 7.2.2 Многолучевое распространение . . . . . . . . . . . . . 82 III Планирование систем связи и основы телетраффика 84 8 Основы частотно-территориального планирования . . 85 8.1 Основы ЧТП в АССиПД . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 8.1.1 Типы формирования зон обслуживания . . . . . . . . 86 8.1.2 Определение площади зоны покрытия . . . . . . . . . 88 8.1.3 Использование секторного покрытия . . . . . . . . . . 89 8.2 Краткая процедура ЧТП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 9 Целевые показатели теории телетраффика . . . . . 91 9.1 Целевые показатели в теории телетраффика . . . . . . . . . 91 9.1.1 Качество обслуживания - QoS . . . . . . . . . . . . . 92 9.1.2 Системная емкость и загрузка канала . . . . . . . . . 93 9.2 Анализ АССиПД согласно теории телетраффика . . . . . . . 94 9.2.1 Свойства входящего потока вызовов . . . . . . . . . . 94 9.2.2 Простейший (пуассоновский) поток вызовов . . . . . 94 9.2.3 Потоки вызовов в системах АССиПД . . . . . . . . . 96 10Уровень обслуживания. Модели Эрланга . . . . . . 98 10.1 Интегральная оценка АССиПД . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 10.1.1 Уровень обслуживания в системах АССиПД . . . . . 98 10.1.2 Модели обслуживания для систем АССиПД . . . . . 99 10.1.3 Модель Эрланга A - система с очередностью обслу- живания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 10.1.4 Модель Эрланга B - система с отказами . . . . . . . . 100 10.1.5 Модель Эрланга C - система с ожиданиями . . . . . . 101 IV Основы приема и передачи данных по каналам связи . 104 11Дискретизация, квантование, низкочастотная модуляция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 11.1 Преобразование аналоговых процессов в цифровую форму . 105 7 11.1.1 Классификация типов сигналов . . . . . . . . . . . . . 105 11.1.2 Дискретизация непрерывного сигнала . . . . . . . . . 106 11.1.3 Квантование сигнала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 11.2 Правомерность представления аналогового сигнала в циф- ровой форме . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 11.2.1 Спектральная (частотная) форма представления сигнала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 11.2.2 Теорема Котельникова . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 11.3 Модуляция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 11.4 Низкочастотная модуляция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 11.4.1 Импульсно-кодовая модуляция . . . . . . . . . . . . . 110 11.4.2 Сигналы ИКМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 11.4.3 M-арные импульсно-модулированные сигналы . . . . 111 11.4.4 Относительная модуляция . . . . . . . . . . . . . . . . 113 12Полосовая модуляция. Визуальные формы представления . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 12.1 Высокочастотная (полосовая) модуляция . . . . . . . . . . . 114 12.1.1 Модуляция по синусоидальной несущей . . . . . . . . 114 12.2 Визуальные форматы представления модулированного сиг- нала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 12.2.1 Сигнальное созвездие . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 12.2.2 Глазковая диаграмма . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 13Виды полосовой модуляции. OFDM . . . . . . . . 120 13.1 Системы фазовой модуляции (ФМ) . . . . . . . . . . . . . . 120 13.1.1 Двоичная фазовая манипуляция ФМ-2 (BPSK) . . . . 120 13.1.2 Квадратурная фазовая манипуляция - ФМ-4 (QPSK) 121 13.1.3 Квадратурная амплитудная модуляция - КАМ (QAM)124 13.2 Системы частотной модуляции (ЧМ) . . . . . . . . . . . . . . 125 13.2.1 Частотная манипуляция M-й степени (M-FSK) . . . . 126 13.2.2 Частотная манипуляция с минимальным сдвигом . . 127 13.3 Принципы модуляции с несколькими несущими (FDM) . . . 128 V Современные АССиПД . . 131 14Современные АССиПД класса WMAN . . . . . . . 132 14.1 Сети связи стандарта GSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 14.2 Фазы развития семейства стандартов GSM . . . . . . . . . . 133 14.2.1 Фаза 1 стандарта GSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 14.2.2 Фаза 2 стандарта GSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 8 14.2.3 Фаза 2+ стандарта GSM . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 14.2.4 Фазы 3 и 3+ стандарта GSM . . . . . . . . . . . . . . 135 14.2.5 Обобщенная топология GSM-сетей . . . . . . . . . . . 136 14.3 Сравнение сетей связи стандарта WMAN . . . . . . . . . . . 137 15Современные АССиПД класса WLAN и WBAN . . . 139 15.1 АССиПД класса WLAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 15.1.1 Основные особенности и поколения сетей WiFi . . . . 139 15.1.2 Сенсорные сети WLAN - IEEE 802.15.4 (ZigBee) . . . 142 15.2 Сети WPAN и WBAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 15.2.1 Сети WPAN-802.15.1 - группа стандартов Bluetooth . 143 15.2.2 Сети WBAN - IEEE 802.15.6 . . . . . . . . . . . . . . 144 Список литературы . 146 9 Тема I Современные сети и системы телекоммуникаций 10 Лекция 1 Классификация систем связи и передачи данных 1.1 Введение На протяжении представленного трехсеместрового курса лекций мы будем изучать основы функционирования и архитектурные особенности различных телекоммуникационных сетей и систем. Первый семестр курса посвящен основам функционирования беспро- водных систем и сетей передачи данных, принадлежащих к классу або- нентских систем связи и передачи данных 1 Классификацию АССиПД возможно произвести по различным ос- нованиям. Рассмотрим далее два наиболее распространенных - по зоне обслуживания и по топологии сети связи. 1.2 Классификация АССиПД по зоне обслуживания Одной из наиболее удобных и часто используемых классификаций современных АССиПД является классификация по зоне обслуживания: • WMAN 2 - городские сети связи. • WLAN 3 - сети связи предприятий и крупных учреждений. 1 Здесь и далее - АССиПД. 2 WMAN - Wireless Metropolitan Area Network - беспроводная сеть связи городского охвата. 3 WLAN - Wireless Local Area Network - беспроводная сеть связи локального охвата - сети предприятий, учреждений и пр. 11 • WPAN 4 - домашние сети связи. • WBAN 5 - сети связи в пределах тела человека. 1.2.1 Сети WMAN Сети WMAN представляют собой сети связи, обеспечивающие покры- тие значительных территорий и (наиболее часто) предназначенные для обслуживания большого (тысячи, десятки тысяч) абонентских устройств. Классическими примерами сетей WMAN являются сотовые сети связи. Наиболее известными сетями WMAN на сегодняшний день являют- ся сети стандартов GSM 2-го и 3-го поколений; сети WiMAX; сети LTE; транкинговая связь APCO-25 и TETRA. 1.2.2 Сети WLAN Сети WLAN представляют собой сети связи локального охвата, обес- печивающие телекоммуникационную инфраструктуру на предприятиях, учреждениях и других крупных и средних объектах. В зависимости от потребностей пользователей используются различ- ные типы WLAN - для передачи больших объемов данных - сети связи группы стандартов WiFi (IEEE 802.11), для считывания данных с датчи- ков - ZigBee, для организации беспроводной телефонии и дополнительных голосовых услуг - DECT и пр. 1.2.3 Сети WPAN Сети WPAN достаточно распространены в жилых комплексах - это сети связи, обеспечивающие потребность в беспроводных услугах связи и передачи данных отдельных квартир, этажей и других небольших групп помещений. К сетям WPAN в большинстве случаев относятся сети WiFi и стан- дарты беспроводной передачи данных Bluetooth различных версий. 4 WPAN - Wireless Personal Area Network - частная беспроводная сеть связи -домашние сети. 5 WBAN - Wireless Body Area Network - беспроводная сеть передачи данных в пределах тела человека. 12 1.2.4 Сети WBAN Самыми молодыми из современных сетей связи являются сети обес- печения передачи данных на сверхкороткие расстояния (в пределах тела человека). На сегодняшний день двумя наиболее популярными техноло- гиями такого типа являются системы радиосвязи ANT (использующая- ся изначально для считывания показателей с медицинских датчиков, ис- пользуемых спортсменами) и NFC от корпорации Nokia, предназначенная для обмена данными с интеллектуальными телефонами - смартфонами. 1.3 Классификация АССиПД по топологии сети связи Фактически, на сегодняшний день возможно различить четыре до- статочно отличающихся друг от друга по топологии типа АССиПД: • Спутниковые; • Транкинговые; • Сотовые; • Децентрализованные. Рассмотрим далее подробнее каждый из упомянутых типов. 1.3.1 Спутниковые системы АССиПД Особенность устройства данных систем следует непосредственно из названия. В современных спутниковых системах чаще всего осуществля- ется дуплексная, т.е. одновременная и в обоих направлениях, передача данных и\или речи. Основное преимущество спутниковых систем доста- точно очевидно – доступность практически в любой точки земного шара на открытом воздухе – от Тибета до тайги Дальнего Востока. Недостатки вплоть до настоящего времени также являлись достаточно прозрачными - ограниченность пропускной способности каналов связи, а также доро- гостоящая элементная база, что и приводило к элитарности подобных систем связи. 13 Хотя уже Спутник-1 (первый КА 6 в мире, запущенный 4 октября 1957 года) обладал передатчиком радиосигналов, первым коммерческим спутником связи был Early Bird 7 от INTELSAT, запущенный в 1964 году и обеспечивающий до 240 каналов телефонной связи. Первым военным спутником связи, обеспечившим передачу речи по радиоканалу был спут- ник Project SCORE, запущенный 18 декабря 1958 года. Первыми совет- скими спутниками связи были спутники серий Молния, Стрела и Пчела (спутник Стрела-1 - 22 августа 1964 года; Молния-1 - 23 апреля 1965 года). Подобное отставание было связано с огромным количеством одновремен- но запущенных в Советском Союзе космических программ. Долгое время спутники связи разделялись на два типа - пассивные ИСЗ 8 , представляющие собой огромные (радиусом в несколько десятков метров) отражающие шары-ретрансляторы сигналов, посылаемых с Зем- ли и активные ИСЗ, осуществляющие полноценную работу по радиока- налу. На сегодняшний день в мировой практике используются только ак- тивные ИСЗ. Сегодня ведущими глобальными спутниковыми системами, обеспечи- вающими полный комплекс услуг для конечных пользователей являются Intelsat (наиболее крупная группировка, на текущий момент - 52 спутни- ка), Inmarsat (12 спутников), Eutelsat (более 30 спутников, активно разви- вающаяся). Существует достаточно большое количество азиатских и евро- пейских локальных спутниковых систем широкополосного радиодоступа – примером является спутник Kisumu от Mitsubishu Heavy Industries, об- служивающий территорию Кении и предоставляющий доступ к скорост- ным услугам передачи данных – до 150 Мбит\с. в дуплексном режиме с объектами, движущимися со скоростью до 40 км\ч. и до 1,2 Гбит\c. с стационарными! 6 КА - космический аппарат 7 Ранняя пташка. 8 ИСЗ - искусственный спутник Земли. 14 Рис. 1.1: Абонентский терминал системы Inmarsat К сожалению, российские спутниковые системы связи (несмотря на свое активное развитие на заре эры космонавтики) на фоне зарубежных аналогов смотрятся более чем удручающе - на текущий момент в отно- сительно функционирующем состоянии развернута лишь система Гонец- Д1М, состоящая из 5 низкоорбитальных космических аппаратов. Указан- ная система обеспечивает лишь возможность полудуплексной передачи речи и передачу данных со скоростью до 9,6 кбит\с, а также возмож- ность передачи больших объемов данных в режиме почты с обеспечением пропускной способности до 20 Мбайт\сутки. К сожалению, по сравнению с заявленными выше показателями зарубежных аналогов, данные цифры выглядят устаревшими минимум на 20, а временами и на 30 лет интен- сивного развития. 15 Рис. 1.2: Абонентский терминал системы Гонец В отдельный важный класс спутниковых телекоммуникационных си- стем выделяются ГНСС - глобальные спутниковые навигационные систе- мы - российская ГЛОНАСС (29 спутников), северо-американская GPS (31 спутник), европейская Galileo (4 спутника) и китайская Бэйдоу 9 (16 спут- ников на геостационарной орбите). Указанные системы характеризуются исключительно приемом данных абонентскими устройствами ( на спут- ники в данных системах абонентскими устройствами ничего не посыла- ется и соединение с ними тоже не устанавливается!), наличием режимов стандартной и повышенной 10 точности, обеспечивают ряд дополнитель- ных специфичных сервисов, таких, как подача сигнала точного времени. В связи с ограничениями на объем материала, рассмотрение систем ГНСС лежит за пределами представляемого курса. 1.3.2 Транкинговые системы АССиПД Транкинговые (транковые) системы связи следует считать в некото- ром роде родоначальником всех современных беспроводных сетей связи и передачи данных городского охвата - сетей WMAN. Указанные системы работают по централизованному принципу - присутствует одна (односай- товая сеть) или несколько (многосайтовая сеть) мощных базовых станций, каждая из которых покрывает значительную область - зачастую несколь- ко десятков квадратных километров; первая система такого рода была развернута в Детройте в 1936 г. для связи патрулей полиции с центром управления. Каждая из базовых станций - сайтов 11 реализует функцио- 9 Baidou - Северный Ковш (китайское название созвездия Большой Медведицы) 10 Для использования в военных целях. 11 Сайт - (eng.) site - участок, место. 16 нал отдельного транка 12 , к которому подключаются брэнчи 13 - линии абонентских терминалов. Принципиальным отличием транковых систем связи от сотовых, рассматриваемых детально далее, является объедине- ние всего функционала управления участками сети непосредственно на базовых станциях, что существенно ограничивает масштабируемость и модульность системы, но повышает возможности централизованного кон- троля и облегчает реализацию ряда специфичных услуг. На сегодняшний день транкинговые системы практически незыблемо обосновались на рынке силовых ведомств, спасательных служб и для реа- лизации внутренней радиосвязи крупных промышленных холдингов. Так, поддержка наиболее популярной в Европе группы стандартов TETRA внедрена также в новые портативные военные радиостанции Азарт-П1 , принятые на вооружение МО в 2012 г.; радиостанциями стандарта APCO- 25 оснащены все ведомственные структуры США. Завершим данный под- раздел более подробным рассмотрением возможностей данных стандар- тов. Рис. 1.3: Слева - радиостанция TETRA, справа - APCO-25. Транковая связь стандарта TETRA Стандарт TETRA 14 был раз- работан Европейским Институтом Телекоммуникационных Стандартов - ETSI 15 в начале 1990-х годов; первая версия стандарта была официально опубликована Европейским Комитетом по Радиокоммуникациям (ERC 16 ) 12 Транк - (eng.) trunk - ствол. 13 Брэнч - (eng.) branch - ветвь. 14 Terrestrial Trunked Radio - наземная транковая связь. 15 ETSI - European Telecommunications Standards Institute. 16 ERC - European Radiocommunications Committee 17 в 1995-м году. Возможно охарактеризовать следующие ключевые особен- ности современной версии данного стандарта: • Высокая спектральная эффективность - 4 полнофункциональных дуплексных цифровых голосовых канала в полосе 25 кГц 17 • Крайне быстрое установление соединения - менее 0,25 сек. (с момен- та инициации вызова). • Возможность работы на скоростях до 400 км\ч. • Поддержка прямого соединения (в обход базовой станции) двух або- нентов. • Обеспечение надежной конференц-связи - соединения одновременно многих абонентов. • Возможность быстрого развертывания в зонах возникновения ЧС 18 На сегодняшний день стандарт TETRA широко используется в Россий- ской Федерации для организации ведомственной (МВД, МЧС, ФСБ) и корпоративной связи крупных промышленных предприятий. Транковая связь стандарта APCO-25 Система APCO-25 19 , также известная, как Проект 25 20 ) представляет собой стек стандартов циф- ровой радиосвязи для использования в ведомственных целях на муни- ципальном, федеральном и региональном уровне. Основное отличие от стандарта TETRA заключается в возможности построения сетей и систем связи разнообразной структуры (в отличие от единого рекомендуемого стандарта построения в случае TETRA). В свою очередь, радиостанции APCO-25 лишь последнего поколения поддерживают передачу данных, при этом с существенно большими ограничениями, чем TETRA. Системы на базе APCO-25 в нашей стране развернуты и успешно эксплуатируются в МВД в ряде городов федерального значения, как на- пример - Москве, Санкт-Петербурге и Казани. В целом, доля радиосетей APCO-25 (по сравнению с количеством сетей TETRA) по РФ существенно ниже. 17 Для сравнения - в GSM поколений от 2 до 2,75 - 8 каналов в полосе 200 кГц. 18 Чрезвычайных ситуаций. 19 Association of Public-Safety Communication Officials - объединенная ведомственная сеть связи. 20 Project 25 или P25. 18 1.3.3 Сотовые системы АССиПД Так называемые сотовые системы связи на сегодняшний день явля- ются доминирующими на рынке современных телекоммуникаций, а также наиболее перспективными как для операторов, так и конечных пользо- вателей. Название сота следует из покрытия зоны обслуживания пра- вильными многоугольниками-сотами 21 В центре каждой из сот находится базовая станция, в простейшем случае равномерно обслуживающая всю соту, в более сложных - делящая ее на участки-сектора. Сотовые системы связи по возрасту чуть старше спутниковых - идео- логия построения сети связи в виде совокупности сот была предложена сотрудниками Bell Laboratories в 40-х годах XX-го века. В чем же пре- имущества сотовой сети связи? Использование сотового построения сети (согласно т.н. принципам частотно-территориального планирования, которые будут рассмотрены позже) позволяет в значительной степени сэкономить диапазон исполь- зуемых частот. Если быть еще более точным, для всей системы сотовой связи обычно выделяется единый частотный диапазон с фиксированными границами, не зависящими от общей площади зоны покрытия. Каким же образом обеспечивается эффект экономии частот? Часто- ты могут использоваться повторно благодаря ограниченной мощности пе- редатчиков базовых станций - одна и та же частотная группа может ис- пользоваться уже через соту благодаря существенному затуханию сигнала с расстоянием даже в свободном пространстве. Наиболее простой сотовой структурой является структура с гексагональными сотами и БС 22 с ан- теннами круговой направленности (на рис. слева). При использовании секторных антенн (секторном дроблении соты) возможно существенное повышение эффективности повторного использования частот (рис. спра- ва). Объединяющей структурной единицей сотовой сети 23 является так называемый кластер. Кластер образован совокупностью соседних сот, в которых используются неповторяющиеся частотные группы. Число сот в кластере называется его размерностью. В зависимости от радиуса соты различают макросоты - с радиусом 21 Обычно, правильными шестиугольниками. 22 Базовыми станциями. 23 И базовой единицей частотно-территориального планирования - ЧТП, которое будет рас- смотрено ниже. 19 соты более 500 м.; микросоты - от 50 до 500 м. и пикосоты - менее 50 м. Макросоты предназначены для обслуживания абонентов в быстродвижу- щемся транспорте; микросоты - в основном, в условиях плотной городской застройки, а пикосоты - в закрытых зонах и помещениях (метро, вокза- лах, торговых центрах и пр.) Примеры и поколения современных сотовых сетей связи будут детально рассмотрены в рамках следующей лекции. Рис. 1.4: Соты с антеннами круговой (слева) и секторной (справа) направленности 1.3.4 Децентрализованные АССиПД Дальнейшее развитие принципов построения сетей связи стало воз- можным с появлением нового эффективного метода т.н. множествен- ного доступа в сеть - множественного доступа с кодовым разделением каналов. Появление данного типа разделения каналов позволило обеспе- чить невозможное на первый взгляд - вещание одновременно нескольких каналов в одной и той же полосе частот в одно и то же время. Использование кодового разделения каналов позволило исключить принципиальную необходимость в сотовой организации сети - теперь все абонентские терминалы и базовые станции могли использовать одну и ту же полосу частот. Базовые станции стали играть роль лишь некото- рых концентраторов с высокой вычислительной мощностью, являющихся узловыми элементами сети. Однако, с ростом вычислительных мощно- стей элементной базы стало возможным реализовать функционал базовой станции в абонентском терминале. Таким образом и стали появляться так называемые децентрализованные или mesh 24 -сети - сети нового поколения и новых возможностей; сети, в которых каждый абонентский терминал является узловым элементом. Сети такого типа представляют собой слож- ные телекоммуникационные системы с возможностями автоматического разворачивания; динамического выбора топологии; самовосстановлением при сбоях и другими уникальными возможностями. 24 Mesh - сетка. 20 Рис. 1.5: Пример взаимодействия устройств в рамках mesh-сети 21 Лекция 2 Поколения беспроводных АССиПД 2.1 0G: предшественники мобильных сетей связи В качестве сетей 0G 1 рассматриваются все сети радиотелефонии, функционирующие совместно с ТфОП 2 и имеющие собственные ТфОП- номера для каждого из абонентов. Первой коммерческой сетью такого рода являлась сеть MTS 3 , развернутая совместно Motorola и Bell Systems в США в 1946 году. Другими известными сетями нулевого поколения яв- ляются A-Netz (1952 г., Западная Германия); Bell System IMTS (США, 1962); Алтай (Россия, 1963-1965); Autoradiopuhelin (Финляндия, 1971). Рис. 2.1: Мобильная станция поколения 0G производства Bell Systems 1 G – generation - номер поколения мобильных сетей связи. 2 ТфОП - телефонная сеть общего пользования 3 MTS - Mobile Telephony Service - услуги мобильной телефонии. 22 2.2 1G: 1-е поколение мобильных сетей связи - аналог С 1-го по 3-е поколение мобильных сетей связи между терминами мобильный и сотовый можно поставить фактический знак равен- ства - подавляющее большинство сетей, подходящие под характеристики данных поколений имеют сотовую топологию построения. Все системы 1G были аналоговыми, т.е. использовали в процессе приема-передачи информации и голоса исключительно аналоговые сигна- лы. Основным отличием от сетей 0-го поколения являлась независимость от инфраструктуры ТфОП (при этом обеспечение полной совместимости схем абонентской адресации) и исполнение абонентских терминалов в ви- де носимых и наладонных устройств- трубок . К сожалению, благодаря использованию исключительно аналоговых сигналов множество недостат- ков сетей 0-поколения плавно перешли в сети 1G: • Высокая мощность передатчиков, зачастую небезопасная для чело- веческого организма; • Существенные массо-габаритные характеристики абонентских тер- миналов; • Доступность лишь одного вида услуг - дуплексной (а зачастую - и лишь симплексной) передачи речи; • Возможность прослушивания радиоканала; • Высокая чувствительность к помехам; • Малая системная емкость - возможное количество одновременно ак- тивных пользователей. Работы по созданию первых стандартов поколения 1G начались в 70-х годах. Первый единый стандарт сотовой связи получил название NMT- 450 4 ; функционировал в диапазоне 450 МГц и с 1981 и вплоть до начала XXI-века эксплуатировался в Швеции, Финляндии, Исландии, Дании и Норвегии. В Россию данный стандарт пришел после распада СССР в са- мом начале 90-х годов и являлся федеральным стандартом сотовой связи 4 Nordic Mobile Telephone - система мобильной телефонии северных стран. 23 (наряду с GSM) вплоть до 2005-2006-го годов. Наиболее известные сото- вые операторы данного стандарта в России - СОТЕЛ , Delta Telecom и др. Рис. 2.2: Мобильная станция поколения 1G производства Nokia Вышедшие чуть позже, но ставшие наиболее массовыми сетями 1-го поколения стали сети AMPS 5 - запущенные в эксплуатацию в 1983 г. в США. Третьим по популярности, но не получившим долженствующего развития стал стандарт TACS 6 , первая сеть которого была развернута в Соединенном Королевстве в 1985 г. Рис. 2.3: Мобильные станции AMPS (слева) и TACS (справа) 5 AMPS - Advanced Mobile Phone Services - расширенные услуги мобильной телефонии. 6 Total Access Telecommunication System - всеобщая система доступа к телекоммуникаци- онным услугам. 24 2.3 2G: 2-е поколение - цифра Существенные недостатки аналоговых систем радиосвязи послужили в начале 1980-х годов причиной разработки систем сотовой связи, осно- ванных на цифровых методах кодирования речи и сигналов сигнализа- ции 7 в приемо-передающем тракте. С целью разработки единого европей- ского стандарта цифровой сотовой связи для выделенного в этих целях частотного диапазона 900 Мгц в 1982 г. была создана рабочая группа Groupe Special Mobile. Аббревиатура GSM и дала название новому стан- дарту (позднее GSM стали расшифровывать как Global System for Mobile Communications). Результатом работы данной группы стали опубликован- ные в 1990 г. требования к сетям сотовой связи стандарта GSM. Рис. 2.4: Мобильная станция стандарта GSM В США в этом же году был утвержден новый национальный теле- коммуникационный стандарт IS-54 8 - стандарт цифровой сотовой связи, более известный под аббревиатурой D-AMPS 9 . Новая система работала в той же полосе частот – более того, большинство новых абонентских станций сохраняли режим совместимости с старым AMPS. D-AMPS был достаточно популярен в Российской Федерации и использовался, в част- ности, в Республике Татарстан компанией Татинком. 7 Сигналы сигнализации или просто сигнализация - управляющие сигналы, транслиру- ющиеся в системе связи. 8 IS - intercommunication standard - телекоммуникационный стандарт. 9 Digital AMPS - цифровой AMPS. 25 Рис. 2.5: Мобильная станция стандарта DAMPS Чуть меньший по популярности, но абсолютный лидер по инноваци- онности - третий известный стандарт 2-го поколения - первый граждан- ский стандарт цифровой радиосвязи с использованием кодового разделе- ния каналов, разработанной не государством, а частной компанией... Это стандарт IS-95 (также именуемый по названию схемы кодового разделе- ния каналов - CDMA 10 разработки Qualcomm Inc. Данный стандарт по- служил предком и идейным вдохновителем для абсолютного большинства стандартов третьего поколения и оказал невероятное влияние на принци- пы построения современных телекоммуникационных систем. CDMA был принят в США как внутренний стандарт цифровой сотовой связи IS-95 в 1993 г.; в 1995 г. было осуществлено его первое международное внед- рение в Гонконге. В России стандарт являлся достаточно непопулярным, что явилось, прежде всего, следствием жесткой лицензионной полити- ки Qualcomm. Одним из немногих провайдеров сотовых услуг на базе CDMA являлся Казанский провайдер Метротел, осуществлявший полу- легальную эксплуатацию базовой модификации IS-95 и обладая лицензией от Qualcomm на оказание услуг лишь фиксированной радиосвязи. Рис. 2.6: Мобильная станция стандарта CDMA Уже первые цифровые системы радиосвязи имели три принципиаль- ных отличия от аналоговых: 10 CDMA - code division multiple access - множественный доступ с кодовым разделением каналов 26 • Возможность использования спектрально-эффективных методов модуляции в сочетании с ресурсоемкими, но инновационными мето- дами временного и кодового разделения каналов в противовес тра- диционному частотному разделению. Применение указанных техно- логий привело к существенному увеличению допустимой абонент- ской емкости систем сотовой связи. • Наличие базовых возможностей по передаче не только голоса, но и данных позволило внедрить целый перечень дополнительных услуг. • Значительное повышение защищенности связи благодаря использо- вания криптостойких алгоритмов шифрования. 2.4 Промежуточные поколения - 2,25; 2,5; 2,75G Достаточно быстро рынком была осознана необходимость в поддерж- ке передачи данных на скоростях, сравнимых хотя бы с коммутируемым доступом (64-144 кбит\с). Данный функционал позволил реализовать пер- вые услуги по организации мобильного офиса и существенно расширил возможности и популярность сотовых сетей связи. Для развертывания се- тей передачи данных поколений 2,25; 2,5 и 2,75 в основном использовалась существующая инфраструктура благодаря необходимости лишь в относи- тельно небольшом и постепенном апгрейде существующего оборудования. Ярким примером миграции является постепенная реализация стандартов HSCSD (2,25G) 11 ; GPRS (2,5G) 12 и EDGE (2,75G) 13 . Для CDMA также были выпущены аналогичные усовершенствования исходного стандарта, предоставляющие сравнимые с GSM сетями поколений 2G+ возможности. 11 HSCSD - High Speed Circuit Switch Data transfer - высокоскоростная передача данных с обеспечением коммутации каналов; теоретическая скорость передачи данных до 57,6 кбит\с. 12 General Packet Radio Service - служба пакетной передачи данных; теоретическая скорость передачи данных до 114 кбит\с. 13 Enhanced Data rate for Global Evolution - служба передачи данных с повышенной скоро- стью - теоретическая скорость передачи данных до 474 кбит\с. 27 Рис. 2.7: Мобильные телефоны поколений 2G+ 2.5 Поколения 3G и 3G+ - интегрированные беспроводные сети Третье поколение стало поколением, в которое зародились смартфо- ны и коммуникаторы; поколением, обеспечившим действительно высокие скорости передачи данных 14 и возможность интеграции всех мобильных устройств в единую информационную инфраструктуру. Основными тре- бованиями, предъявляемым к беспроводным сетям связи и передачи дан- ных третьего поколения явились требования к обеспечению комплексного перечня телекоммуникационных услуг, связанных с передачей данных и требованиями к самой скорости передачи данных (не менее 1 Мбит\с в обратном канале связи в первоначальной ревизии стандартов). На самом деле, именно эти цели и преследовались при создании кон- цепции IMT 15 -2000, в рамках которой создавалось большинство стандар- тов сетей связи и передачи данных, которые возможно отнести к поко- лениям 3G и 3G+. Все стандарты третьего поколения, рассматриваемые в IMT-2000 строятся на основе технологий, заложенных в CDMA. Необ- ходимо отметить, что первоначальное разворачивание сетей 3-го поколе- ния было существенно затруднено необходимостью больших финансовых вложений операторов на замену всей существующей инфраструктуры и высокой стоимостью лицензий. 14 Вплоть до теоретических 28 Мбит\с. в прямом и 56 Мбит\с. в обратном канале поздних GSM-стандартов HSUPA+ и HSDPA+. 15 International Mobile Telephony - концепция международной мобильной телефонии. 28 Рис. 2.8: Краткое описание стандартов IMT2000 (3G; 3G+) Развертывание существующих сетей третьего поколения началось в 2002-м году; на рубеже второго десятилетия XXI-го века началась их мас- совая модернизация до 3G+ – на этот раз исключением из мирового теле- коммуникационного бума не стала и Россия - первым оператором с сетью CDMA450 в 2002-м году Санкт-Петербурге стал достаточно известный и на сегодняшний день провайдер SkyLink. Рис. 2.9: Смартфоны эпохи IMT2000 (3G; 3G+) 2.6 Поколение сверхширокополосного доступа - 3,9G; 4G Идейными продолжателями сверхуспешных сетей 3-го поколения явились сети сверхширокополосного мобильного радиодоступа - сети 4-го поколения. Первоначальные спецификации стандартов Mobile WiMAX 16 и LTE 17 , являющихся сетями 3,9G были опубликованы Международным 16 Worldwide Interoperability for Microwave Access - всемирный стандарт высокочастотного радиодоступа. 17 LTE - Long Term Evolution - результат долговременной эволюции. 29 Союзом Электросвязи (МСЭ 18 ) в марте 2008 года в рамках концепции IMT-Advanced. В рамках концепции IMT-Advanced были выдвинуты тре- бования к обеспечению беспрецедентных скоростей передачи информации - до 100 Мбит\с. для высокомобильных абонентов и 1 Гбит\с. для стаци- онарных терминалов! Требования, предъявляемые концепцией IMT-Advanced оказались настолько велики, что им смогли удовлетворить лишь вторые ревизии описанных выше стандартов - Mobile WiMAX rev.2 и LTE-Advanced, опуб- ликованные весной 2011 г., полностью соответствующие заявленным тре- бованиям. Первые LTE-A и WiMAX rev.2 сети планируются к разворачи- ванию ведущими мировыми телекоммуникационными операторами лишь в конце 2013-начале 2014 г. На сегодняшний день бурное развитие сетей LTE и Mobile WiMAX rev.1 происходит по всему миру - так, ведущий оператор, обеспечивающий подключение к данным сетям связи в столице и регионах РФ - альянс Скартел+Мегафон, предоставляющий услуги под брендом Yota. Рис. 2.10: Смартфон 4-го поколения от Samsung 2.7 Перспективные конвергентные сети связи - 5G Вскоре после появления первых сетей и стандартов мобильной радио- связи 4-го поколения, в специализированной литературе стали появляться 18 Англ. - ITU – International Telecommunication Union. 30 предположения о структуре и требованиях к перспективным конвергент- ным сетям радиодоступа - перспективного поколения 5G. Несмотря на то, что ряд экспертов пессимистично говорят о невозможности появления данных сетей ранее 2020 года, уже сейчас возможно сформировать ряд ключевых требований, принципиально отличающих их от уже разверну- тых телекоммуникационных систем и комплексов: • Использование технологий CDR 19 - т.н. когнитивного радио, обес- печивающего бесшовную эксплуатацию абонентского устройства од- новременно в нескольких разнородных телекоммуникационных си- стемах. • Внедрение концепции SDR 20 - программно определяемых радиоин- терфейсов - когда любые возможности радиоинтерфейсов букваль- но программируются на универсальных аппаратных платформах и, таким образом, могут быть обновлены до новых возможностей бук- вально перепрошивкой устройства! • Использование новейших технологий, таких как модуляция с ча- стотным разделением по подпространствам Вандермонда, повсе- местное использование IPv6, широкое использование принципов нечеткой логики и алгоритмов нейронных сетей в управлении ин- фраструктурой и при реализации алгоритмов управления качеством обслуживания. 19 CDR - Cognitive Defined Radio. 20 SDR - Software Defined Radio. 31 Рис. 2.11: Концепт телефона будущего 32 Контрольная работа - вводные темы Варианты вопросов 1 Приведите классификацию АССиПД по зоне обслуживания. Дета- лизируйте ответ. |