Чикрин Д.Е. Сети и системы телекоммуникаций. Сети и системы телекоммуникаций
 Скачать 5.32 Mb.
|
|
n X k=1 R k (t) = n X k=1 a k cos(kωt) + b k sin(kωt). (13.12) Данная функция легко свертывается при помощи обратного БПФ в еди- ный сигнал, передаваемый далее по линии связи. На приемной стороне происходит прямое БПФ, квадратурные функции каждого из каналов де- модулируются и собираются в единую последовательность. На следующем рис. показана общая функциональная схема приемо-передающего тракта OFDM. Рис. 13.10: Функциональная схема приемо-передающего тракта OFDM Указанный вид связи используется в многих современных технологи- ях высокоскоростной передачи данных - как пример, возможно привести проводную технологию ADSL; беспроводные АССиПД WiFi и WiMAX литературы. 129 (все современные варианты). Одним из примечательных свойств этого вида модуляции является то, что она позволяет согласовывать спектр ин- формационного сигнала со спектром физического канала и избегать полос частот с помехами, либо повышенным затуханием. 130 Тема V Современные АССиПД 131 Лекция 14 Современные АССиПД класса WMAN 14.1 Сети связи стандарта GSM Впервые аббревиатура GSM была использована в 1982 году для со- кращения Groupe Special Mobile, специального комитета для разработки нового стандарта связи; данный комитет был создан в рамках Европей- ской организации по стандартизации: CEPT 1 . Далее GSM стали расшиф- ровывать как Global System for Mobile Telecommunications - в соответствии с названием, разработанным комитетом GSM. Целями создания стандарта GSM была необходимость создание еди- ного цифрового стандарта мобильных телекоммуникаций в диапазоне ча- стот 900 МГц. В 1991 году были созданы первые работоспособные GSM-системы; в этом же году появилась первая производная от базового GSM-стандарта - DCS-1800 2 , являющаяся практически точной репликой GSM для диа- пазона 1800 МГц. В США же DCS-1800 был адаптирован для 1900- мегагерцового диапазона и назван PCS-1900 3 1 Conference Europenne des Postes et Telecommunications - Европейский комитет по телекоммуникациям. С течением времени CEPT был преобразован в ETSI - European Telecommunications Standard Institute - Европейский институт по стандартизации телеком- муникационных технологий. 2 Digital Cellular System-1800 - Цифровая сотовая система в диапазоне 1800 МГц. 3 PCS-1900 - Personal Communication System-1900 - система персональных коммуникаций в диапазоне 1900 МГц. 132 14.2 Фазы развития семейства стандартов GSM 14.2.1 Фаза 1 стандарта GSM Первая коммерческая сеть данной фазы была развернута в 1992 г. Первая фаза GSM-это цифровой стандарт сотовой связи, поддержива- ющий скорость передачи данных до 9,6 кбит-с. GSM фазы 1 является полностью устаревшим стандартом; производство оборудования для него прекращено с середины 90-х годов. Первая фаза GSM представляет собой совмещенную ЧРК-ВРК-систему (различные частотные каналы для ба- зовых станций; 8 тайм-слотов для пользователей на каждой базовой стан- ции). Данные передаются при помощи технологии коммутации каналов; с стеком протоколов TCP-IP системы фазы 1 не совместимы. Дополни- тельные 4 услуги стандарта GSM фазы 1: • Переадресация вызова (Call forwarding), факсов и данных 5 • Запрет вызова (Call barring) - запрет на все входящие-исходящие звонки; запрет на исходящие международные звонки; запрет на вхо- дящие звонки за исключением внутрисетевых. • Ожидание вызова (Call waiting). Данная услуга позволяет принять входящий вызов во время уже продолжающегося разговора. При этом первый абонент или по-прежнему будет находиться на связи или разговор с ним может быть завершен. • Удержание вызова (Call holding). Эта услуга позволяет, не разры- вая связь с одним абонентом, позвонить (или ответить на входящий звонок) другому абоненту. • Глобальный роуминг (Global roaming). При посещении любой из стран, с которой у домашнего оператора подписано роуминговое со- глашение, возможно пользоваться личным GSM-телефоном без из- менения номера. 4 Кроме основной услуги - голосовых переговоров. 5 В том числе по сложной совокупности условий - в случае занятости номера, когда абонент не отвечает, когда телефон выключен или находится вне зоны действия сети и т.п. 133 14.2.2 Фаза 2 стандарта GSM Фаза 2 стандарта была введена в действие в 1993 г. В 1995 г. появи- лась возможность поддержки фазы 2 сетями диапазона 1900 МГц. Вторая фаза GSM-цифровой стандарт сотовой связи, обеспечивающий ряд новых услуг: • Определение вызывающего номера - АОН (Calling Line Identification Presentation. • Анти-АОН (Calling Line Identification). • Групповой вызов (Multi party). • Режим конференц-связи - возможность объединения в группу до 5 абонентов и ведения переговоров между всеми членами группы одновременно. • Создание закрытой группы до 10-ти абонентов, члены которой мо- гут связываться только между собой. • USSD-запросы, в том числе предоставление биллинговой информа- ции. • Обслуживание дополнительной линии (Alternative Line Service). Пользователь может приобрести два номера, которые будут при- писаны к одному модулю SIM. В этом случае связь выполняется по двум номерам с раздельным биллингом. • Короткие текстовые сообщения (SMS). Возможность приема и передачи коротких текстовых сообщений (1 базовое сообщение - до 160 знаков (английский алфавит + символы) и до 80 русского алфавита. Возможна пересылка сообщений из нескольких базовых, т.е. практически неограниченных по длине. • Система голосовой почты (Voice Mail). Пользоваться данной услу- гой возможно только в том случае, если у абонента активизирована услуга переадресации вызовов. GSM фазы 2 является полностью устаревшим стандартом; производство оборудования для него прекращено с конца 90-х годов. Структура и устройство системы совпадает с GSM фазы 1. 134 14.2.3 Фаза 2+ стандарта GSM Следующий этап развития GSM - фаза 2+ - на данный момент нахо- дится в своей заключительной стадии. Наиболее характерными для дан- ной стадии являются дополнительные услуги, направленные на низкоско- ростную передачу данных: • HSCSD - High Speed Curcuit Switch Data - передача данных посред- ством коммутации каналов. Теоретический предел пропускной спо- собности - 57600 бит-с при приоритетном занятии всех ресурсов ба- зовой станции. • GPRS - General Packet Radio Switch Service - сервис пакетной пе- редачи данных. GPRS-соединение совместимо с стеком протоколов TCP-IP и обеспечивает скорость передачи данных до 21,4 кбит-с на один тайм-слот (теоретическая скорость - 171,2 кбит-с при приори- тетном занятии всех каналов базовой станции) 6 • EDGE - Enhanced Data for Global Evolution. Преимущества данной технологии связаны с использованием методов модуляции большей кратности, позволяющих передавать до 59,2 кбит-с на один тайм- слот и 474 кбит-с при использовании всех 8-ми тайм-слотов. Также в системах фазы 2+ требуется отметить улучшенное полноскорост- ное кодирование речи - EFR (Enhanced Full Ratе). 14.2.4 Фазы 3 и 3+ стандарта GSM На фазах 3 и 3+ происходила принципиальная смена так называемого канального протокола 7 и переходом к системам с расширенным спектром в радиоканале с использованием базового технологического (транспорт- ного) ядра служб GSM. Системы с использованием разработок стандарта с КРК - WCDMA - называются UMTS-системами 8 Для передачи данных 6 Аппараты, поддерживающие GPRS делятся на классы (максимальный - 10-й), показы- вающие, сколько тайм-слотов одновременно могут быть выделены аппарату на прием и на передачу данных. Пример класса 10-го: 4 тайм-слота на прием и 2 на передачу. 7 В англоязычной терминологии - air protocol - комплекс технологий, использующихся для передачи данных по радиоканалу. 8 UMTS - Universal Mobile Telecommunications System - универсальная система мобильной связи. 135 в прямом канале используется технология HSDPA 9 , обеспечивающая ско- рость передачи на теоретическом уровне не менее 14 Мбит-с; в обратном канале - HSUPA 10 - до 5,8 Мбит-с. На настоящий момент также исполь- зуются расширенные версии данных стандартов с увеличенной в 2 раза производительностью - HSDPA+ и HSUPA+. 14.2.5 Обобщенная топология GSM-сетей Топология построения GSM типична для произвольных сетей класса WMAN и является одной из наиболее раскрытых в профессиональной литературе. В сетях GSM базовыми элементами являются следующие: 1 MS 11 - мобильная станция c SIM-картой - модулем идентификации абонента. 2 BS 12 - базовая станция. 3 BSS 13 - подсистема базовых станций. 4 TRAU 14 - модуль, осуществляющий компрессию и распределение группового траффика. 5 BSC 15 - контроллер базовых станций. 6 MSC 16 - центральный коммутатор услуг мобильного доступа. 7 HLR 17 - т.н. домашний регистр (база данных домашнего региона). 8 VLR 18 - регистр визитеров (база данных пользователей из удален- ных регионов. 9 High-Speed Downlink Packet Access - служба высокоскоростной пакетной передачи данных по нисходящему каналу связи. 10 High-Speed Uplink Packet Access - служба высокоскоростной пакетной передачи данных по нисходящему каналу связи. 11 Mobile Station. 12 Base Station. 13 Base Station Subsystem. 14 Transcoding Rate and Adaptation Unit. 15 Base Station Controller. 16 Mobile Services Switching Center. 17 Home Location Register. 18 Visitor Location Register. 136 9 EIR 19 - регистр оборудования (база данных оборудования). 10 AUC 20 - центр аутентификации. 11 OMC 21 - центр обслуживания и поддержки работоспособности сети. Обобщенная сеть GSM, состоящая из данных структурных блоков, обо- значается аббревиатурой PLMN 22 - сеть наземной мобильной связи обще- го пользования. На рис. ниже изображена общая архитектура PLMN. Рис. 14.1: Архитектура мобильной наземной сети общего пользования 14.3 Сравнение сетей связи стандарта WMAN Сети WMAN в своем развитии шли всеми возможными путями; при этом, например, сети GSM поколения 3G+ являлись историческим развитием исходного сервиса передачи голосовой информации; системы WiMАХ изначально предлагались для передачи данных и лишь потом голосовой информации; сети LTE разрабатывались как принципиально новый тип систем связи, использующий все современные наработки в об- ласти передачи и обработки информации. В следующей таблице приведен краткий сравнительный анализ различных сетей связи стандарта WMAN. 19 Equipment Identity Register. 20 Authentification Center. 21 Operation and Maintenance Center. 22 Public Land Mobile Network. 137 Рис. 14.2: Сравнительный анализ различных сетей WMAN 138 Лекция 15 Современные АССиПД класса WLAN и WBAN 15.1 АССиПД класса WLAN Впервые рабочая группа по разработке стандартов WLAN - беспро- водных сетей, предназначенных для замены традиционных локальных се- тей - была сформирована в комитете IEEE 1 в 1990 году и получила ин- декс 802.11. Первая спецификация была ратифицирована группой 802.11 в 1997 году - в данной спецификации были опубликованы фундаменталь- ные принципы сигнализации и беспроводной передачи данных; скорость передачи данных была ограничена 1-2 Мбод. Что же такое WiFi 2 ? WiFi - это группа стандартов на оборудование, образованная на базе стека спецификаций IEEE 802.11 3 . WiFi - это так- же и торговая марка, принадлежащая так называемому Альянсу Wi-Fi (Wi-Fi Alliance) - совместной компании крупнейших игроков на рынке телекоммуникаций: IBM, Compaq, Nokia, Samsung, Lucent и др. 15.1.1 Основные особенности и поколения сетей WiFi Благодаря изначальной направленности на максимальную совмести- мость с существующей LAN-инфраструктурой, Wi-Fi сети имеют ряд уни- 1 IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers - Институт инженеров по электро- технике и радиоэлектронике, наиболее крупная некоммерческая ассоциация специалистов в области электротехники; мировой лидер в области разработки стандартов по радиоэлектро- нике и электротехнике. Ведет свою историю с 1884 года; объединяет более 372000 официаль- ных членов IEEE (IEEE members), выплачивающих регулярные членские взносы. 2 WiFi - Wireless Fidelity (по аналогии с аббревиатурой HiFi) - точная беспроводная пере- дача данных. 3 Далее по тексту IEEE 802.11 и WiFi упоминаются как синонимы, за исключением спе- циально отмеченных оговорок. 139 кальных особенностей, связанных с симбиозом проводной и беспроводной идеологий: • Совместимость оконечных соединений с традиционными LAN. • Возможность нелицензированного развертывания 4 в большинстве стран мира. • Обеспечение высокой пропускной способности (в последнем черно- вике стандарта - 802.11ac - теоретической скорости до 500 Мбит-с на одном канале). • Легкость развертывания и поддержание низких цен на оборудова- ние. • Возможность построения децентрализованных сетей связи различ- ных масштабов. • Обеспечение дополнительных сервисов, как например, сервиса опре- деления местоположения. Так же, как и для сетей WMAN, для WLAN и, в частности, для WiFi насчитывают несколько поколений развития - на данный момент разворачивается поколение 4+: 1-е поколение WLAN (WLAN-1G - 802.11) - c 1997 г.: • Работа с ПК и фиксированными локальными сетями (LAN). • Поддержка соединений типа мост • Поддержка роуминга между точками доступа. 4 Данная особенность связана с использованием частот, мощностей излучения и принци- пов организации связи, разрешенных для нелицензированной работы в большинстве стран. Так, в РФ использование WiFi без разрешения на использование частот от Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ) возможно для организации сети внутри зданий, закры- тых складских помещений и производственных территорий в диапазоне частот 2400-2483,5 МГц с мощностью излучения до 100 мВт. 140 2-е поколение WLAN (WLAN-2G - 802.11b) - c 1998 г. • Поддержка более высоких скоростей передачи данных - до 10 Мбит- с. • Более адекватные режимы энергосбережения, оптимизация страте- гий управления сетью и ее разворачивания. 3-е поколение WLAN (WLAN-3G - 802.11a-g) - c 2000 г. • Поддержка сопоставимых с LAN скоростей передачи данных - до 100 Мбит-с. • Минимизация размеров антенн и приемо-передающих устройств. • Увеличенная чувствительность приемников (дальность приема). 4-е поколение WLAN (WLAN-4G и 4G+ - 802.11n-ac) - c 2007- 2012 г. • Поддержка высоких скоростей передачи данных - до нескольких со- тен Мбит-с. • Поддержка видов модуляции высокой кратности. • Поддержка технологий MIMO, OFDM и динамического распределе- ния радиоресурса. 5-е поколение WLAN (WLAN-5G - 802.11ad - WiGig) - c 2013+ г. • Поддержка очень высоких скоростей передачи данных - до несколь- ких Гбит-с. • Поддержка наиболее современных способов управления радиоресур- сом. • Поддержка наиболее современных технологий передачи данных. 141 В следующей таблице приведены сравнительные характеристики сетей связи WiFi различных поколений. Рис. 15.1: Сравнительные характеристики различных поколений WiFi 15.1.2 Сенсорные сети WLAN - IEEE 802.15.4 (ZigBee) Перед рабочей группой 802.15.4 была поставлена задача разработать сети охвата WLAN, предназначенные для передачи данных с различных датчиков и условием, чтобы устройства могли работать, буквально, года- ми от одного источника питания. При этом скорость вовсе не являлась критичным показателем. Первой (и наиболее распространенной на сегодняшний день) си- стемой подобного рода явилась ZigBee - технология, опубликованная в 802.15.4-2006. ZigBee-сети относительно оригинальны по своей структуре - в них присутствуют три типа устройств - координирующий элемент сети - координатор; точки доступа-маршрутизаторы и оконечные устройства. Устройства стандарта ZigBee работают в полосе частот 2,4 ГГц; устрой- ства используют различные технологии расширения спектра; тип доступа в сеть - конкурентный. 142 Рис. 15.2: Архитектура сетей WLAN стандарта ZigBee В данном стандарте минимизировано энергопотребление (от двух пальчиковых батареек оконечное устройство должно работать до несколь- ких лет), минимальна так же и скорость передачи данных - до 256 кбит-с. Основные области применения - технологии умного дома (интеллекту- альное управление светом, сетями беспроводных датчиков и т.д.), монито- ринг различного рода, технологии определения местоположения, системы удаленных платежей и другие специфичные сервисы. 15.2 Сети WPAN и WBAN 15.2.1 Сети WPAN-802.15.1 - группа стандартов Bluetooth В группе IEEE 802.15.1 рассматриваются задачи обеспечения связи и передачи данных на расстояние в несколько десятков метров. Наиболее популярной и развитой группой стандартов такого типа на сегодняшний день является группа стандартов Bluetooth 5 , обеспечивающей соединение нескольких устройств со скоростью до нескольких Мбит-с в полосе частот 2400-2483,5 МГц. Это интересно - группа стандартов Bluetooth единственная из распространенных коммерческих стандартов передачи данных реализу- 5 По устному преданию создателей стандарта - названная на конференции, проходящей в Копенгагене в честь короля Дании Гаральда Синезубого. 143 ет технологию расширения спектра с использованием быстрого пере- скока частоты. На сегодняшний день насчитывается четыре основных поколения данной группы стандартов: • Bluetooth 1.2 (принят в 2002 г.) - стабильная скорость передачи на расстояние до 10-100 м. со скоростью до 80-100 кбит-с на каждое устройство (пропускная способность радиоканала - 1 Мбит-с. • Bluetooth 2.0 (принят в 2004 г.) - стабильная скорость передачи на расстояние до 10-100 м. со скоростью до 100-500 кбит-с на каждое устройство (пропускная способность радиоканала - 3 Мбит-с. • Bluetooth 3.0 (принят в 2009 г.)- скорость передачи данных на каж- дое устройство до нескольких Мбит-с. Основные принципы органи- зации радиоканала взяты из группы стандартов IEEE 802.11. Про- пускная способность радиоканала - 24 Мбит-с. • Bluetooth 4.0 (принят в 2010 г.) - в данном стандарте минимизирова- но энергопотребление оконечных приемо-передающих модулей; пол- ностью реорганизованы процедуры установления соединения, раз- вертывания сети, логики работы сети и пр. Все взаимодействие устройств Bluetooth c сетью основывается на т.н. по- нятии профилей, определяющих возможный функционал пользователь- ских устройств. Пример наиболее популярных профилей: • Моно-аудиосоединение. • Стерео-аудиосоединение. • Передача данных с устройства на устройство. • Передача данных на печать и-или факс. • Низкоскоростная передача видео и пр. 15.2.2 Сети WBAN - IEEE 802.15.6 Сетям WBAN, обеспечивающим передачу данных в пределах чело- веческого тела (десятков сантиметров - 2-3-х метров) посвящена деятель- ность группы IEEE 802.15.6. Несмотря на деятельность данной группы, 144 сети подобного типа являются в большей степени проприетарными - наи- более распространенные - это стандарт ANT (разработчик - Garmin), NFC 6 (разработчик - Nokia). К сетям WBAN также возможно отнести устройства Bluetooth 4.0 с сверхмалым энергопотреблением. В следую- щей таблице приведены сравнительные характеристики различных си- стем WBAN. Рис. 15.3: Сравнительные характеристики различных систем WBAN Большинство вышеупомянутых систем связи работают в полосе ча- стот 2,4 ГГц и не требуют предварительного лицензирования при осу- ществлении радиовещания. 6 NFC - Near-Field Communication - передача данных в ближнем радиусе действия. 145 Список литературы 1 Чикрин Д.Е. Проектирование систем связи. Курс лекций. Казань: КГТУ им. А.Н. Туполева, 2008. - 214 с. 2 Васильев И.Н. Беспроводные системы передачи данных - спутнико- вая связь. Санкт-Петербург: СПбГЭТУ "ЛЭТИ 2008. - 39 с. 3 Печаткин А.В. Системы мобильной связи - ч.1: Принципы органи- зации, функционирования и частотного планирования систем мо- бильной связи. Рыбинск: РГАТА, 2008. - 122 с. 4 Скляр. Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. М.: изд. дом Вильямс, 2003. - 1104 с. 5 Comparisons of Conventional and Trunked Systems. PSWN, 1999. - 68 с. 6 B.G. Lee, W. Kim - Integration broadband networks: TCP/IP, ATM, SDH/SONET and WDM/Optics. Norwood: Artech House, Inc, 2002. 583 с. 7 E. Liu Multiple Access Methods. Helsinki: Helsinki University of Technology, 2004: 32 с. 8 J. Kurki GSM System Essentials - Capacity planning. 2006: 45 с. 9 R. Stuhlfauth GSM Network Structure and Network Planning - diploma. Rohde & Schwarz; Training Centre: 23 c. 10 S. Aalto Teletrafic theory (for beginners). Helsinki: Helsinki University of Technology, 2000: 22 с. 11 B. Cooper, D.P.Heyman Teletraffic Theory and Engineering. 28 c. 12 Р. Гершман Методы расчета абонентской нагрузки (эл. источник). 13 Англоязычная Википедия: en.wikipedia.org 14 Русскоязычная Википедия: ru.wikipedia.org 146 |