Учебнопрактическое пособие Владимир 2021
 Скачать 7.94 Mb.
|
|
Базовый стандарт IEEE 802.11. Работы в области создания беспроводных ЛВС начались в 1989 году, когда была организована рабочая группа 11-го комитета IEEE 802. В июле 1997 года в резуль- тате работы этой группы был опубликован стандарт IEEE 802.11 «Спецификация физического уровня и уровня контроля доступа к ка- налу передачи беспроводных локальных сетей» (Wireless LAN Medium Access Control and Physical Layer Specifications). Он определял архи- тектуру сети, принципы доступа устройств к каналам связи, форматы 102 пакетов, способы аутентификации и защиты данных. Хотя стандарт изначально задумывался как инвариантный по отношению к какому- либо частотному диапазону, на физическом уровне он определял три способа работы: два радиочастотных и оптический. В инфракрасном диапазоне предусматривалась импульсно-позиционная модуляция, в диапазоне 2,400-2,4835 ГГц – режимы модуляции с расширением спектра методом частотных скачков (FHSS) и методом прямой после- довательности (DSSS). Скорости обмена устанавливались на уровне 1 и 2 Мбит/с. Однако устройства, соответствующие исходной специфи- кации IEEE 802.11, так и не были созданы ввиду того, что за период разработки стандарта пропускная способность проводных сетей Ethernet сильно возросла. Максимальная скорость передачи 2 Мбит/с, предусмотренная в IEEE 802.11, уже не удовлетворяла пользователей. Проблему решило появление стандартов (дополнений) IEEE 802.l1b, 802.11а и 802. 11g. Вместе с тем стандарт IEEE 802.11 является базовым и опреде- ляет протоколы, необходимые для организации беспроводных ло- кальных сетей (WLAN). Основные из них – протокол управления до- ступом к среде MAC (Medium Accsess Control – нижний подуровень уровня звена данных) и протокол PHY передачи сигналов в физиче- ской среде. В качестве физической среды допускается использование радиоволн и инфракрасного излучения. По сравнению с проводными ЛС Ethernet возможности подуровня MAC расширены за счет вклю- чения в него ряда функций, обычно выполняемых протоколами более высоких уровней, в частности, процедур фрагментации и ретрансля- ции пакетов. Это вызвано стремлением повысить эффективную про- пускную способность системы благодаря снижению накладных рас- ходов на повторную передачу пакетов. В качестве основного метода доступа к среде стандартом 802.11 определен механизм CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance – множествен- ный доступ с обнаружением несущей и предотвращением коллизий). Для экономии энергоресурсов мобильных рабочих станций, ис- пользуемых в беспроводных ЛС, стандартом 802.11 предусмотрен 103 механизм переключения станций в пассивный режим с минимальным потреблением мощности. В основу стандарта 802.11 положена сотовая архитектура, при- чем сеть может состоять как из одной, так и нескольких ячеек (сот). Каждая сота управляется базовой станцией, называемой точкой до- ступа (Access Point, AP), которая вместе с находящимися в пределах радиуса ее действия рабочими станциями пользователей образует ба- зовую зону обслуживания (Basic Service Set, BSS). Точки доступа многосотовой сети взаимодействуют между собой через распредели- тельную систему (Distribution System, DS), представляющую собой эквивалент магистрального сегмента кабельных ЛС. Вся инфраструк- тура, включающая точки доступа и распределительную систему об- разует расширенную зону обслуживания (Extended Service Set). Стан- дартом предусмотрен также односотовый вариант беспроводной сети, который может быть реализован и без точки доступа, при этом часть ее функций выполняются непосредственно рабочими станциями. Для обеспечения перехода мобильных рабочих станций из зоны действия одной точки доступа к другой в многосотовых системах предусмотрены специальные процедуры сканирования (активного и пассивного прослушивания эфира) и присоединения (Association), од- нако строгих спецификаций по реализации роуминга стандарт 802.11 не предусматривает. Для защиты WLAN стандартом IEEE 802.11 предусмотрен це- лый комплекс мер безопасности передачи данных под общим назва- нием Wired Equivalent Privacy (WEP). Он включает средства противо- действия несанкционированному доступу к сети (механизмы и проце- дуры аутентификации), а также предотвращение перехвата информа- ции (шифрование). Стандарт IEEE 802.11a. Является наиболее «широкополос- ным» из семейства стандартов 802.11, он предусматривает скорость передачи данных до 54 Мбит/с. В IEEE 802.11а каждый пакет переда- ется посредством 52 ортогональных несущих, каждая с шириной по- лосы порядка 300 кГц (20 МГц/64). Ширина одного канала 20 МГц. Несущие модулируют посредством BPSK, QPSK, 16- и 64- 104 позиционной квадратурной амплитудной модуляции (QAM). В сово- купности с различными скоростями кодирования (1/2 и 3/4, для 64- QAM – 2/3 и 3/4) образуется набор скоростей передачи 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 и 54 Мбит/с. В отличие от базового стандарта, ориентированного на область частот 2,4 ГГц, спецификациями 802.11а предусмотрена работа в диапазоне 5 ГГц. В качестве метода модуляции сигнала выбрано ор- тогональное частотное мультиплексирование (OFDM). Наиболее су- щественное различие между этим методом и методами DSSS/FHSS заключается в том, что OFDM предполагает параллельную передачу полезного сигнала одновременно по нескольким частотам диапазона, в то время как технологии расширения спектра передают сигналы по- следовательно. В результате повышается пропускная способность ка- нала и качество сигнала. Диапазон 5,1-5,9 ГГц хорош тем, что там гораздо проще найти широкую полосу для системы связи. В США для безлицензионной работы в этом диапазоне выделены полосы 5,15-5,35 и 5,725-5,825 ГГц – всего 300 МГц по сравнению с 83 МГц в диапазоне 2,4 ГГц. Вместо трех неперекрывающихся каналов в диапазоне 2,4 ГГц для се- тей IEEE 802.l1b только в нижнем поддиапазоне 5,15-5,35 ГГц име- ются восемь неперекрывающихся каналов. Аналогичная ситуация в Европе и в России (однако в нашей стране отсутствуют безлицензи- онные диапазоны) — в более высокочастотной области места больше. В частности, если в Москве диапазон 2,4 ГГц занят операторами до- статочно давно, то область 5 ГГц ещетолько начинают осваивать, хо- тя свободных поддиапазонов там уже практически нет. К недостаткам 802.11а относятся более высокая потребляемая мощность радиопередатчиков для частот 5 ГГц, а так же меньший ра- диус действия (оборудование для 2,4 ГГц может работать на расстоя- нии до 300м, а для 5ГГц - около 100м). Стандарт IEEE 802.11b. Благодаря высокой скорости переда- чи данных (до 11 Мбит/с), практически эквивалентной пропускной способности обычных проводных ЛС Ethernet, а также ориентации на "освоенный" диапазон 2,4 ГГц, этот стандарт завоевал наибольшую 105 популярность у производителей оборудования для беспроводных се- тей. Таблица 6 Скорость передачи данных в стандарте 802.11b Стандарт передачи Скорость передачи данных Вид модуляции IEEE 802.11 1 Мбит/с DBPSK IEEE 802.11 2 Мбит/с DQPSK IEEE 802.11b 5,5 Мбит/с CCK IEEE 802.11b 11 Мбит/с CCK В окончательной редакции стандарт 802.11b, известный также как Wi-Fi (wireless fidelity), был принят в 1999 г. В качестве базовой радиотехнологии в нем используется метод DSSS с 8разрядными по- следовательностями Уолша. Поскольку оборудование, работающее на максимальной скоро- сти 11 Мбит/с (табл. 6) имеет меньший радиус действия, чем на более низких скоростях, то стандартом 802.11b предусмотрено автоматиче- ское понижение скорости при ухудшении качества сигнала. Средний радиус действия стандартных точек доступа 802.11b представлен в таблице 7: Таблица 7 Средний радиус действия стандартных точек доступа 802.11b Среда Радиус действия Открытая местность, зона прямой видимости около 300 м Открытая местность с препятствиями до 100 м Большой офис до 40 м Жилой дом до 20 м 106 Указанные радиусы действия представляют собой средние зна- чения для стандартных точек доступа IEEE 802.11b. В зависимости от местных условий (много бетона или толстые стены) действительные значения радиуса действия могут оказаться существенно меньше. Как и в случае базового стандарта 802.11, четкие механизмы ро- уминга спецификациями 802.11b не определены. Спецификация IEEE 802.11d. Стремясь расширить географию распространения сетей стандарта 802.11, в данном стандарте IEEE разрабатывает универсальные требования к физическому уровню 802.11 (процедуры формирования каналов, псевдослучайные после- довательности частот, дополнительные параметры для MIB и т.д.). Спецификация IEEE 802.11e. Спецификации стандарта 802.11е описывают правила создания мультисервисных беспроводных ЛС, ориентированных на различные категории пользователей, как корпо- ративных, так и индивидуальных. При сохранении полной совмести- мости с уже принятыми стандартами 802.11а и b, он позволяет рас- ширить их функциональность за счет поддержки потоковых мульти- медиа-данных и гарантированного качества услуг (QoS). Спецификация IEEE 802.11f. Спецификации 802.11f описыва- ют протокол обмена служебной информацией между точками доступа (Inter-Access Point Protocol, IAPP), что необходимо для построения распределенных беспроводных сетей передачи данных. Спецификация IEEE 802.11g. Спецификации 802.11g представ- ляют собой развитие стандарта 802.11b и позволяют повысить ско- рость передачи данных в беспроводных ЛС до 11 - 54 Мбит/с (табл. 8) благодаря использованию более эффективных методов модуляции сигнала. 107 Таблица 8 Скорость передачи данных в стандарте 802.11g Стандарт передачи Скорость передачи данных Вид модуляции IEEE 802.11g (обязательный) 5,5/11 Мбит/с ССK IEEE 802.11g (обязательный) до 54 Мбит/с OFDM IEEE 802.11g (опциональный) до 33 Мбит/с РВCC IEEE 802.11g (опциональный) до 54 Мбит/с CCK-OFDM Анализ чувствительности для систем стандарта 802.11b и 802.11g позволяет сделать два вывода (рис. 2.8): Радиус действия при максимальной скорости передачи данных (54 Мбит/с) приблизительно равен одной трети радиуса дей- ствия для стандарта 802.11b и составляет порядка 14 м; Системы стандарта 802.11g очень хорошо масштабируют- ся вниз до этой границы, так что в «Переходном диапазоне» от 54 до 11/12 Мбит/с скорость передачи изменяется относительно плавно. Рис. 2.8. Радиус действия в частотном диапазоне 2,4 ГГц (802.11g) при модуля- ции OFDM 108 На рис. 2.8 такой переход представлен схематически. Скорость передачи в 54 Мбит/с достигается в открытой офисной среде лишь на расстоянии до 14 м. При наличии какого-либо препятствия (к приме- ру, перегородки), которое должно быть преодолено, скорость снижа- ется. Чувствительность при 11 Мбит/с (в случае модуляции CCK/802.11b) и чувствительность при 12 Мбит/с (в случае модуляции OFDM/802.11g), как правило, совпадают, поэтому такая скорость пе- редачи может поддерживаться на расстоянии до 40 м от точки досту- па. Спецификация IEEE 802.11h. Рабочая группа IEEE 802.11h рассматривает возможность дополнения существующих специфика- ций 802.11 для MAC уровня и 802.11a для уровня PHY алгоритмами эффективного выбора частот для офисных и уличных беспроводных сетей, а также средствами управления использованием спектра, кон- троля за излучаемой мощностью и генерации соответствующих отче- тов. Предполагается, что решение этих задач будет базироваться на использовании протоколов Dynamic Frequency Selection (DFS) и Transmit Power Control (TPC), предложенных Европейским институ- том стандартов по телекоммуникациям (ETSI). Указанные протоколы предусматривают динамическое реагирование клиентов беспровод- ной сети на интерференцию радиосигналов путем перехода на другой канал, снижения мощности либо обоими способами. Спецификация IEEE 802.11i. До мая 2001г. стандартизация средств информационной безопасности для беспроводных сетей 802.11 относилась к ведению рабочей группы IEEE 802.11e, но затем эта проблематика была выделена в самостоятельное подразделение. Разрабатываемый стандарт 802.1X призван расширить возможности протокола 802.11 уровня MAC, предусмотрев средства шифрования передаваемых данных, а также централизованной аутентификации пользователей и рабочих станций. В результате масштабы беспровод- ных локальных сетей можно будет наращивать до сотен и тысяч ра- бочих станций. 109 В основе 802.1X лежит протокол аутентификации Extensible Authentication Protocol (EAP), базирующийся на PPP. Сама процедура аутентификации предполагает участие в ней трех сторон – вызываю- щей (клиента), вызываемой (точки доступа) и сервера аутентифика- ции (как правило, сервера RADIUS). В то же время новый стандарт, судя по всему, оставит на усмотрение производителей реализацию ал- горитмов управления ключами. Разрабатываемые средства защиты данных должны найти при- менение не только в беспроводных, но и в других локальных сетях - Ethernet и Token Ring. Вот почему будущий стандарт получил номер IEEE 802.1X, а его разработку группа 802.11i ведет совместно с коми- тетом IEEE 802.1. Спецификация IEEE 802.11j. Спецификация 802.11j – настоль- ко новая, что IEEE еще официально не сформировал рабочую группу для ее обсуждения. Предполагается, что стандарт будет оговаривать существование в одном диапазоне сетей стандартов 802.11a и HiperLAN2. Спецификация IEEE 802.11n. Спецификация 802.11n обеспе- чивает работу WLAN вдвое быстрее, чем 54-мегабитные "g" и "a" – на скорости от 100 Мбит/c. и выше. Новый стандарт уравняет проводные и беспроводные системы, что позволит корпоративным клиентам ис- пользовать беспроводные сети там, где это было невозможно из-за ограниченной скорости. Определение скоростных характеристик для стандарта "n" будет более строгим, чем у "g" или "b". Оно основывается на фактической скорости передачи файлов и потоков, а не на размере низкоуровнево- го трафика, снабженного множеством служебных заголовков. Уско- рение достигается за счет более эффективного использования частот- ного диапазона, аналоговых радиочипов, выполненных по улучшен- ной CMOS-технологии и интеграции WLAN-адаптера в один чип. 110 Стандарт DECT DECT — стандарт уникальный. Задуманный для телефонии, он практически сразу стал использоваться для построения систем пере- дачи данных. DECT конкурирует со стандартами сотовой связи, ра- диорелейными технологиями, проникает в домашние мультимедий- ные системы, становится средством первичного доступа в публичные телефонные сети, входит в перечень стандартов сотовой телефонии третьего поколения IMT-2000. Рынок систем DECT до сих пор оста- ется одним из наиболее динамичных в мире. Исторически DECT был призван избавить пользователей теле- фонных аппаратов от соединительных шнуров. С развитием инте- гральных полупроводниковых технологий телефоны стали оснащать приемопередающими блоками: появились первые радиоудлинители — обычные аналоговые телефоны, в которых шнур заменен радио- трактом. Это поколение телефонов называют СТ-0 (Cordless Telephone). Их основное назначение – позволить владельцу свободно перемещаться в радиусе десятков (сотен) метров от точки подключе- ния к телефонной сети. Главные недостатки данных устройств – от- носительно высокая мощность излучения (до 1 Вт), взаимные помехи, абсолютная открытость для подслушивания и несанкционированного подключения к радиотракту. В 80-х годах в Европе появились систе- мы стандарта СТ-1 – те же аналоговые радиоудлинители, но с зачат- ками функций современных беспроводных средств связи, такими как роуминг и перемещение между сотами без разрыва соединения. Однако подлинным прорывом стало появление цифровой спе- цификации СТ-2 (табл. 9). Разработана эта спецификация в Велико- британии в 1989 году (общий беспроводной стык Commmon Air Interface, CAI/CT-2, стандарт MPT 1375). 111 Таблица 9. Основные характеристики систем связи стандартов СТ-2 (Tangara RD), СТЗ и DECT Параметр СТ-2 Tangara RD CT-3 DECT Диапазон рабо- чих частот, МГц 864-868,2 862-866 1880-1900 Способ разделе- ния каналов FDMA TDMA с многочастот- ным разделением TDMA с многочастот- ным разделением (4 канала), 8 дуп- лексных каналов на несущую (10 каналов), 12 дуплексных ка- налов на несу- щую Ширина полосы канала, МГц 0,1 1 1,728 Организация дуплексной связи TDD TDD TDD Кодирование ре- чи ADPCM, 32 Кбит/с — ADPCM, 32 Кбит/с Число каналов, поддерживаемых базовой станцией 2-6 32 до 120 Мощность передатчиков, мВт 10 — 10-250 В 1992 году ETSI принял CAI/CT-2 в качестве европейского стандарта. На основе СТ-2 была создана система Telepoint, получив- шая достаточно широкое распространение во всем мире. В ней фак- тически впервые была реализована микросотовая архитектура. Си- стемам СТ-2 предрекали большое будущее, однако после резкого снижения цен на услуги сотовой связи во второй половине 90-х годов прошлого века интерес к ним упал. В начале 90-х появились системы на основе стандарта СТ-3 фирмы Ericsson. Они были установлены в 112 ряде стран, однако вскоре внимание европейского телекоммуникаци- онного сообщества переключилось на новую спецификацию, назван- ную Digital European Cordless Telecommunications – DECT. Фактически DECT – это набор спецификаций, определяющих радиоинтерфейсы для различных видов сетей связи и оборудования. DECT CI содержит описание требований, протоколов и форматов со- общений, обеспечивающих взаимодействие сетей связи и оконечного оборудования. Организация самих сетей и устройство оборудования в стандарт не входят. Важнейшая задача DECT – обеспечить совместимость оборудо- вания различных изготовителей. Для этого был разработан ряд про- филей взаимодействия различных систем. В 1994 году появился пер- вый из них, унифицированный профиль доступа GAP (Generic Access Profile) – ETS 300 444. Он определяет работу оконечных устройств DECT (телефоны, базовые станции, беспроводные офисные АТС) для всех приложений голосовой связи с полосой пропускания речевого тракта 3,1 кГц. Позднее появились профили взаимодействия DECT и GSM, DECT и ISDN, взаимодействия абонентов с ограниченной мо- бильностью с сетями общего пользования (Cordless Terminal Mobility, CTM), со средствами абонентского радиодоступа (Radio Local Loop, RLL) и т. д. В соответствии со спецификацией DECT в диапазоне шириной 20 МГц (1880-1900 МГц) выделено 10 несущих частот с интервалом 1,728 МГц. В DECT применяется технология доступа с временным разделением каналов – ТОМА (Time Division Multiple Access). Вре- менной спектр разделен на отдельные кадры по 10 мс. Каждый кадр разбит на 24 временных слота: 12 слотов для приема (с точки зрения носимого терминала) и 12 – для передачи. Таким образом, на каждой из 10 несущих частот формируется 12 дуплексных каналов – всего 120. Дуплекс обеспечивается временным разделением (с интервалом 5 мс) приема/передачи (TDD, Time Division Duplex). В DECT преду- смотрено сжатие речи в соответствии с технологией адаптивной диф- ференциальной импульсно-кодовой модуляции АДИКМ (ADPCM) со скоростью 32 кбит/с (рекомендация ITU-T G.726). Поэтому информа- 113 ционная часть каждого слота — 320 бит. При передаче данных воз- можно объединение временных слотов и обеспечение скорости пере- дачи данных до 70 Кбит/с. В радиотракте использована частотная мо- дуляция с фильтром Гаусса (GFSK). Базовые станции (БС) и абонентские терминалы (AT) DECT по- стоянно сканируют все доступные каналы (до 120). При этом измеря- ется мощность сигнала на каждом из каналов, которая заносится в список RSSI (Recieved Signal Strength Indication). Если канал занят или сильно зашумлен (например, помехами от другого DECT- устройства), показатель RSSI для него высокий. БС выбирает канал с самым низким значением RSSI для постоянной передачи служебной информации о вызовах абонентов, идентификаторе станции, возмож- ностях системы и т.д. Эта информация играет роль опорных сигналов для AT – по ним абонентское устройство определяет, есть ли у него право доступа к той или иной БС, предоставляет ли она требуемые абоненту услуги, есть ли в системе свободная емкость, и выбирает ба- зовую станцию с наиболее качественным сигналом. В DECT канал связи всегда выбирает AT. При запросе соедине- ния от базовой станции (входящее соединение) AT получает уведом- ление и выбирает радиоканал. Служебная информация передается БС и анализируется AT постоянно, следовательно, AT всегда синхрони- зируется с самой близкой из доступных БС. При установлении нового соединения AT выбирает канал с самым низким значением RSSI – это гарантирует, что новое соединение происходит на самом «чистом» канале из доступных. Данная процедура динамического распределе- ния каналов DCS (Dinamic Channel Selection) позволяет избавиться от частотного планирования – важнейшее свойство DECT. Поскольку AT постоянно (даже при установленном соединении) анализирует доступные каналы, может происходить их динамическое переключение во время сеанса связи. Такое переключение возможно как на другой канал той же БС, так и на другую БС. Эта процедура называется «хэндовер» (handover). При хэндовере AT устанавливает новое соединение, и какое-то время связь поддерживается по обоим каналам. Затем выбирается лучший. Автоматическое переключение 114 между каналами разных БС происходит практически незаметно для пользователя и полностью инициируется AT. Это особенно важно для построения микросотовых систем, позволяющих абоненту переходить из соты в соту без прерывания соединения. Отметим, что, хотя выбор каналов остается всегда за AT, в DECT предусмотрена возможность оповещения абонентского терминала со стороны БС о низком каче- стве связи, что может инициировать хэндовер. Существенно, что в радиотракте аппаратуры DECT мощность сигнала весьма мала – от 10 до 250 мВт. Причем 10 мВт – практиче- ски номинальная мощность для микросотовых систем с радиусом со- ты 30-50 м внутри здания и до 300-400 м на открытом пространстве. Передатчики мощностью до 250 мВт используют для радиопокрытия больших территорий (до 5 км при направленной антенне). Столь низ- кая мощность делает устройства DECT наиболее безопасными для здоровья. Недаром в европейских медицинских учреждениях разре- шено применение систем радиотелефонии только этого стандарта. Кроме того, при мощности 10 мВт возможно располагать базо- вые станции на расстоянии 25 м. В результате достигается рекордная плотность одновременных соединений — до 100 тыс. абонентов, при условии расположения БС по схеме шестиугольника в одной плоско- сти (на одном этаже). Беспроводные городские сети WMAN Широкополосная беспроводная связь уже давно рассматривает- ся в качестве реальной альтернативы традиционным способам высо- коскоростного абонентского доступа, в том числе и новым «провод- ным» технологиям, таким как DSL и кабельные модемы. Местные и многоканальные многоточечные распределительные системы (Multipoint Distribution System – MDS) LMDS и MMDS (которые называют также «сотовым телевидением» и «беспроводным КТВ»), первоначально предназначавшиеся для трансляции телепрограмм в районах, не имеющих кабельной инфраструктуры, в последнее время все чаще используются для организации широкополосной беспровод- 115 ной передачи данных на «последней миле». Радиус действия передат- чиков MMDS, работающих в диапазоне 2,1-2,7 ГГц, может достигать 40-50 км, в то время как максимальная дальность передачи сигнала в системах LMDS, использующих значительно более высокие частоты в области 27-31 ГГц, составляет 2,5-3 км. Массовому распространению этих систем до сих пор мешает от- сутствие индустриальных стандартов и, как следствие, несовмести- мость продуктов разных производителей. В начале 2000 г. для изучения различных решений и выработки единых правил построения систем широкополосной беспроводной связи (BWA, Broadband Wireless Access) в IEEE был создан рабочий комитет 802.16, который изначально занималась разработкой техно- логии WLL (Wireless Local Loop). В первую очередь он сосредоточил- ся на вопросах стандартизации систем LMDS диапазона 28-30 ГГц, однако вскоре полномочия комитета были распространены на область частот от 2 до 66 ГГц и в его составе образовано несколько рабочих групп: Рабочая группа 802.16.1 – разрабатывает спецификации радиоинтерфейса для систем, использующих диапазон 10 - 66 ГГц; Рабочая группа 802.16.2 – занимается вопросами «сосуще- ствования» сетей фиксированного широкополосного доступа в нели- цензируемых диапазонах 5 - 6 ГГц (в частности, с беспроводными ЛС на базе стандарта 802.11а); Рабочая группа 802.11.3 – разрабатывает спецификации радиоинтерфейса для лицензируемых систем диапазона 2-11 ГГц, главной целью создания группы стало содействие ускоренному раз- вертыванию систем MMDS путем предоставления производителям возможности создавать совместимые продукты на основе единого стандарта. Все стандарты разрабатываются комитетом 802.16 на базе еди- ной эталонной модели, объединяющей интерфейсы трех типов в трак- те связи между абонентскими устройствами или сетями (например, ЛС или учрежденческими АТС) и транспортной сетью (ТфОП или Internet). Первый радиоинтерфейс определяет взаимодействие або- 116 нентского приемо-передающего узла с базовой станцией, второй включает в себя два компонента, охватывающие обмен сигналами между радиоузлами и «находящимися за ними» сетями – абонентской и транспортной (в детальной проработке спецификаций этого интер- фейса участвуют и другие комитеты IEEE). Спецификации третьего, дополнительного, радиоинтерфейса определяют использование по- вторителей или отражателей для увеличения зоны охвата системы и обхода препятствий на пути распространения сигнала. В апреле 2003 году фирмами Nokia, Harris Corp., Ensemble и Crosspan был основан некоммерческий консорциум WiMAX Forum (Worldwide Interoperability for Microwave Access, Глобальная Совме- стимость для Микроволнового Доступа). Главной задачей этого кон- сорциума стало создание стандарта для технологии беспроводного широкополосного доступа с такой пропускной способностью, чтобы современный пользователь не чувствовал бы разницы по сравнению с любой существующей транспортной технологией. На сегодня в кон- сорциум WiMAX Forum входит 180 компаний-производителей совре- менного телекоммуникационного оборудования. Главной задачей WiMAX Forum можно определить выполнение тех же шагов, которые были сделаны альянсом WiFi Alliance для технологии IEEE 802.11 WLAN (Wireless Local Area Networks, Беспроводные Локальные Се- ти): определение и гармонизация стандартов; сертификация взаимодействия оборудования различных поставщиков; продвижение технологии WiMAX. Сегодня термин WiMAX стал коммерческим именем стандарта IEEE 802.16 WMAN (Wireless Metropolitan Area Networks, Беспровод- ные Городские Сети Связи). В целом, рабочим комитетом IEEE 802.16 по стандартам широ- кополосного доступа совместно с консорциумом WiMAX Forum к концу 2005 года были разработаны следующие стандарты серии 802.16 (табл. 10): 117 IEEE 802.16 или IEEE 802.16-2001 – одобрен в декабре 2001 года, являлся первым стандартом «точка-многоточка» в области WMAN, был ориентирован на работу в спектре от 10 до 66 ГГц. И, как следствие, требовал нахождения передатчика и приемника в об- ласти прямой видимости (LOS, Line of Sight), что является достаточно существенным недостатком, особенно при применении технологии в условиях города. Согласно описанным спецификациям, сеть 802.16 могла обслуживать до 60 клиентов со скоростью класса T-1 (1,554 Мб/с) при стоимости установленного оборудования менее $20 тыс. Этот стандарт не был достаточно хорошо проработан, и даже после его утверждения осталось большое количество открытых вопросов. IEEE 802.16а – одобрен в январе 2003 года, стал первым «законченным» стандартом, где было устранено большинство недо- статков предыдущего стандарта. Также, в него было добавлено суще- ственное количество новых функциональных возможностей – в част- ности, одним из главных шагов по сравнению с предыдущим стан- дартом, было понижение рабочей частоты до 2-11 ГГц и, как след- ствие, реализация возможности функционирования в области непря- мой видимости (NLOS, Near Line of Sight), а так же обеспечение ра- боты в диапазонах лицензируемых и нелицензируемых частот спек- тра, используя принцип модуляции OFDM. Скорость передачи дан- ных в такой сети может достигать 75 Мбит/с. IEEE 802.16REVd или IEEE 802.16-2004 – одобрен в июле 2004 года, является обновленной и доработанной версией стандарта 802.16а. Основные отличия данного стандарта от предыдущего: под- держка фиксированного офисного или домашнего оконечного терми- нального оборудования в диапазоне частот 2–11 ГГц и отсутствие необходимости наличия прямой видимости (NLOS) с поддержкой та- ких дополнительных функций, как формирование направленного сиг- нала на антенне и использование поднесущих OFDM. IEEE 802.16- 2004 предусматривает возможность обмена данными со скоростью до 70 Мб/с между передатчиком и стационарным абонентским оборудо- ванием, находящимся от него в радиусе до 50 км. Этот стандарт 118 больше всего подходит для построения корпоративных сетей, с до- статочно сильно распределенной структурой. IEEE 802.16е – одобрен в декабре 2005 года, является раз- витием идей предыдущих стандартов с фокусом на мобильности око- нечного пользователя. Оборудование IEEE 802.16е работает на часто- тах 2–6 ГГц и обеспечивает возможность работы в условиях непря- мой видимости. Клиентское оборудование может быть удалено от ба- зовой станции на расстояние до 5 км при обеспечении максимальной скорости передачи данных порядка 20 Мбит/с. При этом, в среднем, пользователь получит в свое распоряжение канал с пропускной спо- собностью от 1 до 4 Мбит/с. Реально, в городах с высокой плотно- стью населения, дальность передачи данных может составлять сотни метров, а в малонаселенных пригородных районах – до 1,5-3 кило- метров. Несмотря на то, что существующие стандарты Wi-Fi обеспе- чивают не меньшую скорость передачи данных, они имеют ограниче- ние по дальности передачи данных, которая в условиях офиса, зача- стую, не превышает 15 метров. Иными словами, для обеспечения устойчивого покрытия в масштабах города на основе технологии Wi- Fi потребуется установить, как минимум, несколько сотен точек до- ступа. Здесь и реализуется главное преимущество WiMax, которая, в отличие от Wi-Fi, задумывалась не как технология для связи в преде- лах помещения, но как широкополосная технология с повышенной дальностью связи. 119 Таблица 10. Семейство стандартов IEEE 802.16 802.16 802.16а 802.16 REVd (2004) 802.16е Одобрен декабрь 2001 январь 2003 июль 2004 декабрь 2005 Спектр от 10 до 66 ГГц менее 1 1 ГГц менее 1 1 ГГц от 2 до 6 ГГц Видимость прямая, LOS непрямая, NLOS для ближней зоны непрямая, NLOS, для ближней зоны, и офисных, домашних пользователей непрямая, NLOS Модуляция QPSK, 16О.АМИ 64QAM OFDM 256, OFDMA + 802.16 OFDM 256, OFDMA + 802.16 OFDM 256, OFDMA + 802.16 Скорость 32 -134 Мбит/с 1 - 75 Мбит/с см. 802. 16а до 1 5 Мбит/с Мобильность нет нет нет да, с возможностью регионального роуминга Ширина канала 20, 25 и 28 МГц изменяемая от 1,25 до 20 МГц с 16 логическими подканалами см. 802. 16а более 5 МГц 120 Радиус ячейки от 1 до 5 км от 5 до 8 км; максимум 50 км с соотв. антенной и максимальной мощностью передачи см. 802. 16а от 1 до 5 км Терминальное оборудование внешнее с выносной антенной Внешнее с встроенной антенной PC-карта Разные стандарты семейства 802.16 ориентированы на различ- ные сегменты рынка. Так, стандарт 802.16-2004 обеспечивает реше- ние «последней мили» для фиксированных пользователей, в то время как 802.16е ориентирован на обслуживание мобильных абонентов (рис. 2.9). При этом такие параметры, как скорость передачи и даль- ность действия конкретного стандарта семейства IEEE 802.16 суще- ственно зависят от параметров настройки системы. Например, для 802.16-2004: скорость передачи данных 75 Мбит/с на стороне базовой станции может быть обеспечена только при использовании канала шириной 20 МГц в идеальных условиях. Государственное регулиро- вание в области частот может накладывать ограничения на макси- мальную ширину канала таким образом, зачастую, существенно сни- жая максимальную скорость передачи данных; максимальная дальность действия 50 км может быть до- стигнута лишь при установке оптимальных значений ряда параметров и достаточно низкой скорости передачи данных (в несколько Мбит/с); дальность действия коммерческой системы будет равна, в среднем, 5 километрам для офисных/домашних пользователей не находящихся в зоне прямой видимости (NLOS) и 15 для пользователей подключен- ных к внешней антенне находящейся в зоне прямой видимости с ба- зовой станцией (LOS). 121 Рис. 2.9. Сравнение областей применения стандартов IEEE 802.16-2004 и IEEE 802.16e Таким образом, к сожалению, для 802.16-2004 достижение мак- симальных значений скорости передачи данных в 75 Мбит/с при нахождении пользовательского оборудования на расстоянии более 15-20 км, учитывая физические параметры системы, на сегодня не представляется возможным даже при нахождении в области прямой видимости. Однако, операторы могут достаточно гибко настраивать системы WiMAX в соответствии со своими нуждами. Использование направленных антенн и правильная параметризация позволит опера- торам предоставлять каналы различной емкости для различных типов пользователей, например: сильно удаленных от базовой станции (десятки километ- ров) пользователей можно обеспечить как телефонной связью, так и доступом в Интернет с достаточно высокой скоростью, для этого необходимо наличие внешней направленной антенны на стороне 122 пользователя в зоне прямой видимости базовой станции, причем ан- тенна может быть использована как точка коллективного доступа; не сильно удаленных от базовой станции (от 5 до 20 км) пользователей можно обеспечить широкополосным доступом к услу- гам связи с использованием внешней антенны, для этого необходимо наличие внешней антенны на стороне пользователя в зоне прямой ви- димости базовой станции, причем антенна может быть использована как точка коллективного доступа; находящихся достаточно близко к базовой станции (до 5 км) пользователей можно обеспечить широкополосным доступом к услугам связи с использованием внутренней антенны, при этом поль- зователь может быть ограниченно мобильным - в зависимости от уровня сигнала. Структура сети беспроводного широкополосного доступа в сети WiMAX, реализующей все три представленных выше сценария пока- зана на рис.2.10. Очевидно, что базовые станции могут объединяться в сеть как с использованием технологии WiMAX (необходимо чтобы базовые станции находились в области прямой видимости LOS), так и с использованием фиксированных сетей (например, оптический или медный кабель). Еще одной особенностью WiMAX является встроенная под- держка QoS, что обеспечивает минимальное время задержки в канале передачи для сервисов типа VoIP, TDM Voice, оптимальный транс- порт VBR (Variable Bit Rate) трафика, а также возможность приорите- зации передаваемых данных. До настоящего времени поддержка QoS в Wi-Fi-сетях предусмотрена только в стандарте 802.11e. Кроме того, стандарты 802.16 предполагают поддержку различных методов шиф- рования (3DES, RSA и AES), а для обеспечения дополнительного уровня безопасности при подключении пользовательских устройств предусмотрен в интересах аутентификации обмен сертификатами по протоколу X.509, а также поддерживается аутентификация с исполь- зованием протокола EAR (Extensible Authentification Protocol, Расши- ряемый Протокол Аутентификации). В целом, как отмечают специа- листы, технология WiMAX более надежна в плане безопасности, чем 123 Wi-Fi. Несмотря на все достоинства, определенные неудобства может доставить использование лицензированного спектра частот. Рис. 2.10. Организация беспроводного широкополосного доступа в сети WiMAX В настоящее время рабочим комитетом IEEE 802.16 проводятся интенсивные исследования вопросов, связанных с разработкой новых спецификаций 802.16f и 802.16h. Эти спецификации должны быть предназначены для работы с MIB (Management Information Base, ба- зами управляющей информации) для сетей доступа, и обеспечивать поддержку работы мобильных (подвижных) клиентов при скорости их движения до 300 км/ч. Предполагается, что максимальная скорость передачи достигнет 10 Тб/с. Специалисты полагают, что различные модификации WiMax смогут со временем полностью заменить не только беспроводные ло- кальные сети, но и мобильные сети. С бурным ростом передачи дан- ных через каналы сотовой связи выяснилось, что традиционная тех- нология сотовых сетей не может обеспечить необходимую пользова- телям пропускную способность, даже в сетях третьего поколения скорость передачи данных для отельного пользователя составляется 124 от 400 до 700 кбит в секунду. Мобильный WiMax обещает в отдель- ных случаях десятикратное увеличение этой скорости. Участие в WiMAX форуме практически всех производителей систем фиксированного беспроводного доступа, в том числе и компа- нии InfiNet Wireless, начавшийся выпуск pre-WiMAX систем, разра- ботка компаниями Intel и Fujitsu чипсета для массового производства WiMAX оборудования не оставляет сомнений в том, что результат будет достигнут. Вопрос о том, когда появятся WiMAX совместимые системы, остается открытым. Сроки постоянно сдвигаются, а это означает, что до 2006-2007 года наиболее совершенными остаются системы класса pre-WiMAX, некоторые из которых, в частности SkyMAN, по ряду показателей уже превосходят будущие стандартные системы. Беспроводные глобальные сети WWAN Разработка стандарта IEEE 802.20 для мобильного доступа к данным еще не завершена. В отличие от WiMax, рассчитанного на ра- боту в городах при ограниченном числе базовых станций, 802.20 име- ет больше сходства с обычными сотовыми системами и предназначен для быстродействующих мобильных подключений на скоростях свыше 1 Мбит/с. в 3-ГГц частотном диапазоне. Данный стандарт за- нимает интересное положение среди остальных стандартов – с одной стороны, его называют ближайшим конкурентом WiMAX (802.16e), с другой стороны, он может использоваться в системах сотовой связи, заменяя GPRS или CDMA2000, а это уже WWAN. Возможно, в связи с этим, его можно выделить в отдельный класс беспроводных сетей связи MBWA (Mobile Broadband Wireless Access). Главный сторонник спецификации 802.20 фирма Flarion Technologies уже испытывала свою технологию FLASH-OFDM (Fast Low-Latency Access with Seamless Handoff Orthogonal Frequency Divi- sion Multiplexing) вместе с компанией Nextel Communications. Однако рассмотрение стандарта находится еще на довольно ранней стадии и нет никакой гарантии, что технология Flarion в конечном счете ляжет 125 в основу 802.20. Продвижению 802.16e, равно как и 802.20, также может помешать инерция операторов. Для поддержки массовых под- ключений владельцев мобильной аппаратуры потребуются значи- тельные вложения в инфраструктуру, и операторы могут решить, что трудоемкое развертывание новых технологий приведет лишь к дуб- лированию уже предоставляемых услуг. Соотношение перспективных беспроводных технологий показано на рис 2.11. Рис. 2.11. Соотношение перспективных беспроводных технологий Глобальная система мобильной связи (GSM) Стандарт GSM является безусловным лидером по распростра- ненности на мировом рынке. В 1982 году Европейская конференция администраций почты и телеграфа (СЕРТ) создала рабочую группу GSM (Group Special Mobile) для разработки общеевропейской систе- 126 мы подвижной сотовой связи. В 1989 году работы по GSM перешли под эгиду Европейского института стандартизации электросвязи (ETSI), и в 1990 году были опубликованы спецификации первой фазы стандарта. К 1993 году в 22 странах мира уже действовало 36 сетей GSM, а к 1995 году насчитывалось же около 5 млн абонентов – стан- дарт стал общемировым и расшифровывался уже как Global System for Mobile Communications. Стандарт GSM обеспечивает работу абонентов в диапазонах 900 и 1800 МГц (в США – 1900 МГц). В Европе и России в диапазоне 900 МГц мобильный телефон передает (восходящий канал) в полосе 890- 915 МГц, принимает (нисходящий канал) в интервале 935-960 МГц (для GSM-1800 – 1710-1785 и 1805-1880 МГц соответственно). Весь диапазон делится на частотные каналы по 200 кГц – в GSM- 900 всего 124 канала (124 восходящих и 124 нисходящих), разнос между восхо- дящим и нисходящим каналом – 45/95 МГц (в диапазонах 900/1800 МГц, соответственно). Базовая станция поддерживает от 1 до 16 ча- стотных каналов. Таким образом, в GSM реализован частотный метод дуплексирования каналов (FDD). Для доступа к среде передачи в GSM использован принцип вре- менного разделения канала – ТDМА. Частотные каналы разбиты на кадры по 8 временных интервалов (канальные интервалы) длительно- стью по 577 мкс. Каждому физическому каналу соответствует один определенный временной интервал на определенной частоте. Таким образом, мобильный терминал (МТ) передает базовой станции (БС) информацию в течение 577 мкс каждые 4615 мкс. БС связывается с МТ точно так же, но на три временных интервала раньше МТ (и на частоте на 45 МГц выше), чтобы разнести во времени прием и пере- дачу. Это существенно упрощает аппаратуру МТ. Временные интервалы в GSM бывают пяти типов – нормаль- ный, подстройки частоты, синхронизации, установочный и доступа. Полезная информация передается двумя блоками по 57 бит. Между ними расположена тренировочная последовательность в 26 бит, огра- ниченная одноразрядными указателями РВ (Pointer Bit). Интервалы ВВ (Border Bit) длиной 3 бита ограничивают всю передаваемую по- 127 следовательность. После трансляции всех 148 бит канального интер- вала передатчик «молчит» в течение защитного интервала ST (Shield Time) длительностью 30,44 мкс, что по времени эквивалентно переда- че 8,25 бит. Каждые 26 кадров объединены в мультикадр продолжительно- стью 120 мс. В мультикадре каждый 13-й кадр зарезервирован для ка- нала управления, а в течение каждого 26-го кадра вся система «мол- чит». В GSM использован принцип медленных частотных скачков – прием/передача нового кадра может происходить на новой несущей частоте. При этом сохраняется дуплексный разнос в 45 МГц. Началь- ное значение несущей и последовательность изменения назначаются мобильному терминалу при установлении связи. Модуляция сигнала – двоичная гауссова с минимальным частотным сдвигом GMSK (один бит на символ). Радиус соты в GSM – до 35 км – ограничен возрастающей вре- менной задержкой распространения сигнала, к которой чувствительна технология TDMA. Сетевая инфраструктура GSM/MAP основана на системе сигнализации ОКС7 (SS7). Для кодирования речи применен кодек VCELP на основе алгоритма RPE-LTP (Regular Pulse Excitation- Long Term Prediction) со скоростью 13 кбит/с. Скорость передачи данных – до 9,6 кбит/с (по стандартной схеме). Стандарт CDMA CDMA расшифровывается как множественный доступ с кодо- вым разделением каналов (CodeDivision Multiple Access). Метод мно- жественного доступа с кодовым разделением каналов известен давно, однако, из-за сложности аппаратуры для обработки сигналов до опре- деленного момента CDMA находил применение только в военной и специальной технике благодаря таким своим свойствам, как высокая стойкость к помехам и скрытность передачи. С развитием микроэлек- троники в последнее десятилетие стало возможным создание недоро- гих портативных станций CDMA. Лидер в этой области – американ- 128 ская компания Qualcomm, разработавшая спецификацию IS-95 (CDMA-One). Сейчас именно на базе этого стандарта развивается од- но из направлений сотовой телефонии третьего поколения. В CDMA различают три вида кодового разделения каналов – расширение спектра методом прямой последовательности (CDMA- DS), частотных скачков (CDMA-FH) и временных скачков (CDMA- ТН). В современных системах CDMA развитие получил метод досту- па CDMA-DS (в отечественной литературе он известен как передача на основе шумоподобных сигналов (ШПС)). В CDMA-DS каждый бит информационного сигнала заменяется некоторой фиксированной по- следовательностью определенной длины – базой сигнала. Ноль и еди- ница могут, например, кодироваться инверсными последовательно- стями. Для каждого канала задается определенная последователь- ность (код). Спектр сигнала расширяется пропорционально длине ба- зы. Последовательности обычно подбирают ортогональными (ска- лярное произведение равно нулю). В приемнике происходит вычис- ление корреляционных интегралов входного сигнала и кодовой по- следовательности определенного канала. В результате принимается только тот сигнал, который был расширен посредством заданной ко- довой последовательности (корреляционная функция выше порогово- го значения). Все остальные сигналы воспринимаются как шум. Та- ким образом, в одной полосе могут работать несколько приемопере- датчиков, не мешая друг другу. Благодаря широкополосности сигнала снижается его мощность, причем при очень длинной базе – ниже уровня белого шума. При этом сильно возрастает помехоустойчи- вость, а с ней и качество связи – узкополосная помеха не повлияет на широкополосный сигнал. Кодовая последовательность автоматически является и элементом криптозащиты. Что особенно привлекательно для операторов сотовой связи – упрощается проблема частотного планирования, поскольку все станции работают в одной полосе. Все эти свойства и предопределили успех CDMA. Сети IS-95 занимают практически тот же частотный диапазон, что и сети AMPS: 824-840 и 869-894 МГц. Нисходящий канал (от БС 129 к МТ) всегда на 45 МГц выше восходящего. Ширина канала – 1,25 МГц. Существует и более высокочастотная версия в диапазонах 1890- 1930 и 1950-1990 МГц. Там дуплексный разнос – 80 МГц. При работе в диапазоне до 900 МГц скорость передачи данных равна 1,2-9,6 Кбит/с, а в более высокочастотной версии – скорость передачи дан- ных 14,4 кбит/с. Важная особенность стандарта IS-95 – гибкое управление мощ- ностью излучения МТ. В пределах соты уровни принимаемых БС сигналов должны быть одинаковыми независимо от удаления МТ. Для этого мощность МТ регулируется по специальному алгоритму в диапазоне порядка 80 дБ с шагом 1 дБ каждые 1,25 мс. Кроме того, в IS-95 скорость работы голосового кодека не постоянна, как в GSM, а может меняться в зависимости от интенсивности речи от 8 до 1,2 кбит/с. Эти особенности позволяют очень гибко регулировать загруз- ку в сети, не загружая соту избыточной информацией. Одна БС может поддерживать до 64 каналов. Однако часть из них – служебные: пилотный, синхронизации, вызова. Оказывают вли- яние и соседние БС. Однако при фиксированной связи БС поддержи- вает до 40-45, при подвижной – до 25 каналов передачи трафика – и все это на одной частоте. Технология CDMA требует точной, до мик- росекунд, синхронизации БС. Для этого используют сигналы гло- бальной системы позиционирования GPS. Радиус соты – до 20км. Третье поколение сотовой связи (технологии 3G) Основной недостаток систем мобильной связи второго поколе- ния (GSM, CDMA) – низкая скорость передачи данных – 9,6-14,4 кбит/с. Поэтому был инициирован проект создания сетей третьего по- коления (3G) IMT-2000, в рамках которого была поставлена задача увеличить скорость потока данных до 2 Мбит/с для малоподвижных абонентов и до 384 кбит/с – для мобильных. В мире сформировались два глобальных партнерских объединения, формирующих стандарты 3G – 3GPP и 3GPP2 (3G Partnership Project). В первое вошли ETSI 130 (Европа), подкомитет Р1 телекоммуникационного комитета ANSI (США), ARIB и ТТС (Япония), SWTS (Китай) и ТТА (Южная Корея). Участники 3GPP сумели согласовать особенности своих подходов к технологии широкополосной CDMA (WCDMA) с частотным (FDD) и временным (TDD) дуплексированием, представив ITU проекты IMT- DS и IMT-TC соответственно. В основу легло европейское предложе- ние UTRA (UMTS Terrestrial Radio Access – радиоинтерфейс наземно- го доступа к системе UMTS) – UTRA FDD и UTRA TDD. IMT-2000 – это целая совокупность стандартов построения сетей третьего поко- ления, при этом в качестве одного из стандартов IMT-2000 предложе- но дальнейшее развитие технологии микросотовых сетей DECT (про- ект IMT-FT). Члены объединения 3GPP2 предлагают фактически эво- люционный путь – варианты развития технологий DAMPS (UWC- 136) и CDMA-One (CDMA-2000). Данные предложения представлены ITU как проекты IMT-SC и IMT-MC. Таким образом, наметилось два пути: революционный – там, где есть свободный частотный ресурс, и эволюционный – в остальных ре- гионах. В 1996 году в городе Чиста (Швеция) компания Ericsson запу- стила первую опытную сеть с технологией WCDMA. Эта технология легла в основу проекта наземного мобильного сегмента европейской универсальной системы телекоммуникаций UMTS. Было предложено два варианта WCDMA – с частотным и временным разносом прямого и обратного каналов (FDD WCDMA и TDD WCDMA) соответственно для парного (предполагается 2110-2170 и 1920-1980 МГц) и непарно- го спектра частот. Технология основывается на расширении спектра методом прямой последовательности в полосе 5 МГц на канал. Си- стема может поддерживать требуемые 2 Мбит/с для малоподвижных абонентов и 384 кбит/с – для мобильных. Предусмотрена возмож- ность применения интеллектуальных антенных систем (Smart-антенн с цифровым формированием диаграммы направленности). Принципы технологии FDD WCDMA во многом аналогичны CDMA-One. Одно из принципиальных отличий – сеть на базе FDD WCDMA может быть асинхронной (возможен и синхронный режим). 131 Для случаев, когда спектральный диапазон ограничен – нет воз- можности выделять частоты под парные каналы 5 МГц, – проработа- на версия WCDMA TDD с временным дуплексированием каналов. При этом весь временной диапазон представляет последовательность равных канальных интервалов. В течение каждого из них в каждом из логических каналов (с кодовым разделением) происходит передача в одном направлении – от БС или от МТ. Таким образом, в определен- ные промежутки все каналы – либо восходящие, либо нисходящие. Соотношение и последовательность восходящих/нисходящих каналь- ных интервалов может гибко изменяться в зависимости от интенсив- ности трафика в обе стороны. Это крайне важно для многих прило- жений с асимметричной передачей данных (например, доступ в Ин- тернет). По сравнению с FDD WCDMA сети с TDD должны быть синхронными, в остальном же их параметры практически совпадают. Развитием метода WCDMA TDD стала система TD-SCDMA, со- зданная совместно компанией Siemens и китайской Академией теле- коммуникационных технологий (China Academy of Telecommunications Technology – СATT). Это стандарт физического уровня беспроводных сетей 3G, одобренный ITU и объединением стандартизирующих организаций 3GPP как часть пула стандартов UMTS. TD-SCDMA (технология CDMA с одной несущей и времен- ным дуплексированием) ориентирована для работы в зонах с высоким дефицитом частотного ресурса – именно такова ситуация в КНР, свя- занная с высочайшей плотностью населения (в несколько раз выше, чем в густонаселенной Европе). Сама технология доступа представляет собой комбинацию трех механизмов: временного разделения дуплексных каналов (TDD), вре- менного мультиплексирования каналов (TDMA) и кодового мульти- плексирования каналов (CDMA). Обмен происходит циклически по- вторяющимися кадрами (фреймами) длительностью 5 мс, разделен- ными на семь временных интервалов (таймслотов). Кроме того, в каждом тайм-слоте возможно формирование до 16 CDMA-каналов на основе 16 кодовых последовательностей. Так же предусмотрена воз- можность гибкого распределения тайм-слотов исходя из фактически 132 передаваемого трафика. Например, в асимметричных приложениях (доступ в Интернет) для восходящего канала можно выделить один тайм-слот, для нисходящего – остальные шесть. Ширина одной полосы TD-SCDMA 1,6 МГц. Скорость передачи модуляционных символов 1,28 Мчип/с. Это, вместе с переменным числом тайм-слотов во фрейме, назначенных одному соединению, позволяет добиваться скорости передачи данных в широчайшем диа- пазоне: от 1,2 кбит/с до 2 Мбит/с. Заявленная дальность передачи – 40 км, допустимая максимальная скорость движения мобильного або- нента – не менее 120 км/ч. Важнейшее достоинство TD-SCDMA – эффективное использование спектра. Не менее важно, что разработ- чики TD-SCDMA предусмотрели ее гибкую интеграцию с GSM- сетями, а также мягкий переход к WCDMA-сетям благодаря под- держке сигнализации и протоколов верхних уровней как GSM, так и WCDMA. Более того, первые телефоны стандарта TD-SCDMA были двухмодовыми, на основе GSM-чипсета с дополнительной СБИС поддержки TD-SCDMA. WCDMA (UMTS) изначально разрабатыва- лась как замена сетей GSM с возможностью плавного перехода. По- этому ее сетевая инфраструктура совместима с MAP/GSM. Кроме то- го, она ориентирована на глобальные сети с пакетной коммутацией (IP, Х.25). Операторы могут создавать «островки» WCDMA в особо густонаселенных районах, постепенно расширяя их. Поэтому все або- нентские терминалы для WCDMA в Европе будут поддерживать GSM. Значительный потенциал заложен так же и в стандарте IS-95. Прямым его развитием стала спецификация IS-95b. Она позволяет объединять до восьми логических каналов. Теоретически достижимая скорость при этом 14,4 × 8 = 115,2 кбит/с. Реально работающие сети IS-95b обеспечивают передачу до 64 кбит/с. Следующий шаг развития IS-95 – проект CDMA-2000, который в итоге должен удовлетворять требованиям IMT-2000. Предусматри- валось три стадии развития CDMA-2000: 1X, ЗХ и CDMA-2000 DS (прямая последовательность). Последний вариант технически анало- гичен WCDMA, и потому работы над ним были прекращены. 133 CDMA 1X (CDMA 1XRTT) позволяет увеличить число логиче- ских каналов до 128 в той же спектральной полосе 1,25 МГц. При этом реальная скорость может достигать 144 Мбит/с. Первая такая сеть была организована в Южной Корее (оператор – SK Telecom). Спецификация CDMA ЗХ – вторая фаза проекта CDMA-2000. Обозначение ЗХ указывает на утроение спектральной полосы канала CDMA-One: 1,25 х 3 = 3,75 МГц. При этом в обратном канале проис- ходит передача методом прямой последовательности в полосе 3,75 Мгц. В прямом же канале данные передаются параллельно по трем стандартным IS-95 каналам шириной 1,25 МГц (технология с не- сколькими несущими). В результате скорость может превышать 2 Мбит/с. Поскольку технология базируется на IS-95, БС в сетях CDMA- 2000 требуют синхронизации. Существенно, что вполне возможно дальнейшее масштабирование – 6Х, 9Х и т. д. с соответствующим ро- стом скорости передачи. Сегодня лидерство во внедрении 3G уверенно захватили страны Юго-Востока. 2003 год можно назвать первым годом эксплуатации 3G. В 2002 году японская корпорация NTT DoCoMo первой построи- ла коммерческую ЗG-сеть и начала активно оказывать услуги. Евро- пейские и американские же операторы с внедрением 3G-технологий испытывают проблемы. На лицензии потрачены огромные деньги, их надо возвращать. Поэтому операторы все чаще приходят к выводу о необходимости объединения своих ресурсов в проектах по разверты- ванию 3G-сетей. Четвертое поколение мобильной связи (4G) В марте 2008 года сектор радиосвязи Международного союза электросвязи (МСЭ-Р) определил ряд требований для стандарта меж- дународной подвижной беспроводной широкополосной связи 4G, по- лучившего название спецификаций International Mobile Telecommunications Advanced (IMT-Advanced), в частности установив требования к скорости передачи данных для обслуживания абонен- тов: скорость 100 Мбит/с должна предоставляться высокоподвижным 134 абонентам (например, поездам и автомобилям), а абонентам с не- большой подвижностью (например пешеходам и фиксированным абонентам)должна предоставляться скорость 1 Гбит/с. Так как первые версии мобильного WiMAX (англ. Worldwide Interoperability for Microwave Access – всемирная совместимость для микроволнового доступа) и LTE (англ. Long Term Evolution – долго- срочное развитие) поддерживают скорости значительно меньше 1 Гбит/с, их нельзя назвать технологиями, соответствующими IMT- Advanced, хотя они часто упоминаются поставщиками услуг, как тех- нологии 4G. 6 декабря 2010 года МСЭ-Р признал, что наиболее про- двинутые технологии рассматривают как 4G. Основной, базовой, технологией четвёртого поколения является технология ортогонального частотного уплотнения OFDM (англ. Orthogonal Frequency-Division Multiplexing – мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов). Кроме того, для максимальной скорости передачи используется технология передачи данных с помощью N антенн и их приёма М антеннами – MIMO (англ. Multiple Input/Multiple Output – множество вхо- дов/множество выходов). При данной технологии передающие и при- ёмные антенны разнесены так, чтобы достичь слабой корреляции между соседними антеннами. Таким образом, эволюцию стандартов мобильной связи можно представить в следующем виде: 135 Рис. 2.12. Эволюция стандартов мобильной связи Сравнительные характеристики стандартов различных поколе- ний мобильной связи можно свести в следующую таблицу: Таблица 11. Эволюция мобильной телефонии 1G 2G 3G Аналоговая теле- фония Мобильность Базовые услуги Несовместимость стандартов Цифровая телефо- ния и передача сообще- ний Мобильность и роуминг Поддержка пере- дачи данных Дополнительные услуги Полуглобальное решение Широкополосная передача данных и пере- дача речи по протоколу IP (VoIP) Мобильность и роуминг Сервисная кон- цепция и модели Глобальное реше- ние c 1980-х c 1990-х c 2000-х Пятое поколение мобильной связи (5G) В настоящее время ведутся предкоммерческие и коммерческие запуски сетей 5G. Подробнее о запусках сетей 5G в Рос- сии и мире можно ознакомиться по соответствующим ссылкам. 136 К сетям пятого поколения заявлены следующие требования (в сравнении с LTE): - Рост в 10-100 раз скорости передачи данных в расчете на або- нента; - Рост в 1000 раз среднего потребляемого трафика абонентом в месяц; - Возможность обслуживания большего (в 100 раз) числа под- ключаемых к сети устройств; - Многократное уменьшение потребление энергии абонентских устройств; - Сокращение в 5 и более раз задержек в сети; - Снижение общей стоимости эксплуатации сетей пятого поко- ления. Шестое поколение мобильной связи (6G) Исследовательский обзор ученых и экспертов раскрывает ряд интересных аспектов и научных взглядов на технологии, инновации и тенденции сетей будущего 6G. Сети беспроводной связи пятого поко- ления 5G развертываются во всем мире с 2020 года, и в настоящее время стандартизируются дополнительные возможности, такие как массовое подключение, сверхнадежность и гарантированно низкая задержка. Однако 5G не будет отвечать всем требованиям будущего в 2030 году и в последующий период, и ожидается, что сети беспро- водной связи шестого поколения 6G обеспечат глобальное покрытие, улучшенную спектральную / энергетическую / экономическую эф- фективность, лучший уровень интеллекта и безопасности. В соответствии с этими требованиями сети 6G будут опираться на новые обеспечивающие технологии, т. е. на радио-интерфейс и технологии передачи, а также на новую архитектуру сети, такую как проектирование формы сигнала, множественный доступ, схемы коди- рования каналов, технологии с множеством антенн, сечение сети, бес- 137 сотовая архитектура и облачные / туманные / пограничные вычисле- ния. Подробный исследовательский обзор под названием «На пути к сетям беспроводной связи 6G: видение, технологии и парадигмы» был опубликован в журнале Science China Information Sciences. В со- авторстве с профессором Сяоху Ю и профессором Чэнсян Ван из Юго-Восточного университета Китая. Обзор также включал 48 экс- пертов и ученых из научно-исследовательских институтов, колледжей и иностранных компаний. |