Реферат. Учебное пособие санктПетербург 2012 министерство образования и науки российской федерации
 Скачать 1.04 Mb.
|
|
ТЕМА 11. МОБИЛЬНЫЕ ТЕЛЕСИСТЕМЫ С момента первой передачи речи и музыки по радио в 1905 г. (Реджинальд Фессенден, США), десять лет спустя после эксперимента с грозоотметчиком А.С. Попова, распространение радиоволн в атмосфере, ионосфере и других средах хорошо изучено. Главной особенностью использования радио для связи двух абонентов явилась возможность одного из них (или обоих) перемещаться в пространстве, т. е. быть мобильным. В рассматриваемых прежде системах ни разу не возникало речи о такой возможности. Но она же доставила разработчикам систем много дополнительных забот. Если на заре радиовещания старались вложить в передатчик максимальную мощность и поднять его антенну как можно выше над землей для увеличения дальности приема, то зародившаяся в 1940-е гг., детально разработанная в 1960-х гг. и появившаяся на рынке услуг связи в 1980-х гг. сотовая связь изменила старую философию. Принципиальные отличия составили: низкая мощность передатчиков в небольших зонах уверенного приема их сигналов; разбиение области охвата на соты с целью повышения пропускной способности сети; передача вызова между сотами (как эстафетной палочки) и централизованное управление; повторное использование частот из выделенной полосы. Ранее уже отмечалась необходимость международного и государственного регулирования частотного диапазона и использования его в интересах различных служб и ведомств. Поэтому двух- и более кратное применение одной и той же частоты существенно расширяет площадь охвата сети. Итак, небольшие зоны уверенного приема передатчиков малой мощности были названы “сотами”. Каждая из них имеет радиус 10-30 км, оснащена своим базовым передатчиком малой мощности, работающим на частоте (частотах), отличных от частот в пограничных сотах. С уменьшением зоны охвата появилась возможность повторного применения частот передачи в сотах, не имеющих общих границ. А это равносильно увеличению количества каналов связи для обслуживания абонентов сети. В первых схемах повторного использования частот в сотах задействовались базовые передатчики, имеющие круговую диаграмму направленности своих антенн. Существуют схемы для семи и для девяти сот. Первая из них показана на рис. 11.1. Круговая диаграмма направленности означает передачу сигнала одинаковой мощности по всем направлениям (как круги на воде от брошенного камня). Это гарантирует абоненту прием помех со всех сторон.  Рис.11.1. Схема для семи сот Метод противодействия этим помехам – использование антенн с секторной диаграммой направленности. Если на передатчике установить 3 секторные антенны по 120 º, то можно построить самую распространенную схему повторного использования частот для трех сот из девяти частот, так как частоты в каждом секторе различны. Эта схема выглядит так (рис.11.2):  Рис.11.2. Схема для трех сот повторного использования частот Есть схема и для двух сот, разработанная фирмой Motorola, работающая на секторных антеннах в 60 º и группе из 12 частот. Несмотря на все ухищрения этого подхода, емкость существующих систем сотовой связи либо насыщена, либо практически насыщена. Создание дополнительной пропускной способности каналов связи явилось основной движущей силой перехода от аналоговых к цифровым технологиям. В индустрии беспроводной связи применяются следующие технологии уплотнения каналов: а) множественный доступ с частотным разделением каналов FDMA (впоследствии из этой технологии вырос известный метод множественного доступа с контролем несущей и обнаружением столкновений). Весь канал “нарезается” на полосы в 30 кГц, в пределах которых реализуется симплексный режим. Для полнодуплексного обмена необходимо два канала, причем они должны быть изолированными; б) множественный доступ с временным разделением в пределах каждой полосы в 30 кГц. Также уже известная технология временного мультиплексирования TDMA. Часто сочетается с FDMA. Временной слот выделяется по запросу абонента; в) множественный доступ с кодовым разделением каналов (CDMA) принципиально отличен от первых двух. Абонент имеет в своем распоряжении всю полосу канала (1,25 МГц вместо 30 кГц) в течение всего времени, а не только одного слота. Если одновременно работают много абонентов, посланные ими сигналы смешиваются в канале связи, что на первый взгляд серьезно затрудняет прием сообщений. Но это впечатление обманчиво: во-первых, в “шуме” легче “спрятаться”, во-вторых, знающие код могут на другом конце канала связи алгоритмически отфильтровать нужную передачу. Эта технология не только увеличивает пропускную способность, обеспечивает большую безопасность, но и доставляет лучшее качество связи. Схематическое изображение этих технологий приведено на рис.11.3.   Рис. 11.3. Технологии уплотнения канала К настоящему времени разработано три основных стандарта цифровых сетей сотовой мобильной связи: общеевропейский стандарт GSM (Global System for Mobile Communications), американский стандарт ADCS (American) и японский JDCS (Japan Digital Cellular System). В них сходства больше, чем различий, так как построены они на единых принципах и концепциях GSM. Это хорошо показывает табл. 11.1. Таблица 11.1 Стандарты мобильной связи
Окончание таблицы 11.1
Все стандарты обеспечивают взаимодействие цифровых мобильных сетей с другими общественными сетями, например ISDN и PSTN, и гарантируют высокое качество передачи. Стандарт GSM гарантирует предоставление следующих услуг: предоставление связи, передача данных, передача факсимильных сообщений (при наличии адаптера), а также услуги по осуществлению роуминга и поддержке сервиса отправки коротких (до 160 символов) сообщений SMS (Short Message Service). Для увеличения продолжительности работы аккумулятора мобильные телефоны стандарта GSM работают в режиме прерывистого приема: пока диалога нет, приемник не запитан; с возобновлением диалога питание приемника включается. Соответствие уровней стандарта GSM и модели ВОС/МОС можно проследить по табл. 11.2. Как и в сетях, рассмотренных ранее, в сети GSM выполняются протоколы подуровней трех нижних уровней модели ВОС/МОС. Рассмотрим структуру сети мобильной связи и функционирование элементов такой сети. Структурная схема мобильной сети стандарта GSM представлена на рис. 11.4. Таблица 11.2 Стандарт GSM и уровни модели ВОС/МОС
Окончание таблицы 11.2
 Рис.11.4. Структура сети стандарта GSM Центром всей композиции является центр коммутации мобильной связи MSC (Mobile Switching Centre). Он связан с другими такими же центрами и со “своими” базовыми станциями BSS (Base Station System) для взаимодействия с подвижными станциями MS абонентов (Mobile Station). Работой сети управляет центр управления и обслуживания OMC (Operation and Maintenance Centre). HLR, VLR, EIR – базы данных, используемые при опознании MS в центре аутентификации AUC. Базовая станция системы состоит из элементов двух типов: один контроллер базовой станции BSC (Base Station Controller) и одна или несколько базовых трансиверных станций BTS (Base Transceiver Station), оканчивающихся одной или группой антенн каждая. Именно BTS определяет зону покрытия, т. е. размер соты. Ее функция состоит в том, чтобы поддерживать радиосвязь с MS с помощью специальных протоколов. Контроллер базовой станции отвечает за создание канала передачи данных, переключение частот, а также передачу вызова в пределах одной BSS. Он управляет распределением радиоканалов, контролирует их очередность, обеспечивает режим с переключением частот в пределах каждой соты, кодирование и декодирование сообщений, кодирование речи, данных и вызова. Кроме того, BSC осуществляет передачу сигнала к центру мобильной коммутации MSC. Центр коммутации мобильной связи обслуживает группу базовых станций BSS и обеспечивает все виды соединений с MS. MSC функционально аналогичен коммутатору ISDN и представляет собой интерфейс между стационарными сетями PSTN, ISDN и т.п. и сетью мобильной связи. Он обеспечивает маршрутизацию вызовов и управление вызовами. Кроме коммутации связей, MSC выполняет функции коммутации радиоканалов в разных BSS для организации “эстафетной передачи сообщений”, в процессе которой достигается непрерывность связи при перемещении мобильной станции из соты одного BSS в соту другого BSS. Коммутация связей между MSC выполняется по соглашению между операторами этих центров, заключенному на компенсационной основе. Именно такое соглашение и называется собственно роумингом. Мобильная станция MS состоит из мобильного устройства (их выпускает ряд фирм – Alcatel, Siemens, Samsung, Ericsson, Motorola) и специальной смарт – карты, известной под названием SIM – карты, или модуля идентификации абонента (Subscriber Identity Module). Этот модуль содержит международный идентификационный номер абонента IMSI (International Mobile Subscriber Identity), свой индивидуальный ключ (пароль) аутентификации (Кi) и программу, реализующую алгоритм аутентификации (АЗ). Все эти “сложности” необходимы, во-первых, для исключения несанкционированного доступа к ресурсам системы, и, во-вторых, для получения этого доступа владельцем с любого устройства стандарта GSM. Достаточно вставить SIM- карту в другой аппарат. При подключении абонента к сети мобильной связи IMSI-номер заносится в регистр местонахождения “домашних” абонентов HLR (Home Location Register), а индивидуальный международный номер, присвоенный каждому мобильному устройству, - в регистр идентификации оборудования EIR (Equipment Identification Register). Когда абонент инициирует звонок, мобильная станция отыскивает ближайшую базовую станцию. Контроллер базовой станции передает запрос на связь в свой центр мобильной коммутации. И этот MSC прежде, чем организовывать канал связи, осуществляет аутентификацию абонента. В первую очередь, проверяется наличие записи IMSI – номера в регистре “домашних” абонентов. Если нет - его помещают в другой регистр для “приезжих” абонентов VLR (Visitor Location Register) и дублируют в HLR. При каждом включении мобильного телефона производится обновление информации о местоположении абонента, т. е. запись его IMSI – номера либо сохраняется в HLR, либо стирается при включении в зоне другого коммутатора MSC. Таким образом, IMSI – номер в каждый момент времени находится либо только в “домашнем” регистре одного из MSC сети, либо и в “домашнем”, и в регистре “приезжих” того же центра коммутации мобильной связи. При первичном попадании в регистр “приезжих” центр коммутации переписывает в свой регистр EIR данные от предыдущего “домашнего” центра коммутации. Дальнейшая процедура проверки сетью подлинности абонента (аутентификация) осуществляется следующим образом. Сеть генерирует и передает на мобильную станцию случайное число RAND, являющееся аргументом для применения алгоритма АЗ и ключа Кi SIM - карты в определении (вычислении) значения отклика SPES: SPES = АЗ(Кi, RAND). Значение SPES посылается в сеть, где сравнивается со значением того же отклика, вычисленным в центре AUC. При совпадении значений отклика доступ к сети разрешается. В противном случае связь сети с MS прерывается, и индикатор на MS показывает, что опознавание не состоялось. Функциональное сопряжение всех элементов системы осуществляется интерфейсами МККТТ и Рекомендациями Европейского института стандартов по телекоммуникациям ETSI. Концепция ETSI состоит в том, что GSM – открытый интерфейс, доступный всем. Сеть GSM есть интеллектуальная сеть с открытой распределенной архитектурой, где коммутация вызовов полностью отделена от контроля обслуживания в центре ОМС. В настоящее время в сфере мобильной связи все шире применяются цифровые технологии. В нашем распоряжении - цифровая фотокамера в мобильном телефоне с возможностью немедленной передачи снимка в любую из 75 стран мира, где действует стандарт GSM. “Хэнди - офис” уже перестал быть экстравагантной игрушкой, а с появлением третьего поколения беспроводных систем связи стандарта IMT-2000 (International Mobile Telecommunications) от МККТТ со скоростями передачи 2 Мбит/с и мультимедийные сервисы станут “нормой”. Человек получит качественно другое окружение для работы и для отдыха. Вопросы для самопроверки: 1. В чем новизна сотовой связи? 2. Покажите, как увеличивается число каналов при разбиении территории на соты. 3. Приведите примеры схем повторного использования частот при различных диаграммах направленности излучения антенн. 4. Какие технологии уплотнения каналов применяются в беспроводной связи и в чем они состоят? 5. Соответствие уровней стандарта GSM и модели ВОС/МОС. 6. Структура мобильной сети стандарта GSM. 7. Каковы функции контроллера базовой станции? 8. Как отличаются функции переключения частот в пределах базовой трансиверной станции и базовой станции системы мобильной связи? 9. Что такое роуминг и какой блок сети ответственен за него, если сеть оператора – 1 центр коммутации? 10. Модуль идентификации абонента и его назначение? 11. Как происходит процедура аутентификации? ТЕМА 12. ИНТЕГРИРОВАННЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СЕТИ В таких сетях обмен происходит любыми данными. Именно данными, а не голосом, видео, шифром или чем-то другим. Ведь “цифра” все унифицировала, и сетям (их узлам и соединениям) абсолютно безразлично, в какой форме предстают последовательности двоичных сигналов в различных оконечных узлах и каким смыслом наполняют эти формы люди в своих головах. Поэтому не удивительно, что инженеры попытались применить технологии, известные для одних сетей, в технологиях сетей другого вида. Как известно, даже патенты выдаются “на применение” – первое использование в новой отрасли человеческой деятельности приемов и устройств, известных и применяемых в других, возможно, даже не смежных отраслях. Первый шаг сделали связисты. В 80-х гг. XX века для обеспечения высокоскоростной передачи данных по телефонным линиям, проложенным уже давно и используемым лишь для голосовой связи в диапазоне частот 300 Гц ÷ 3,4 кГц, появились технологии DSL (Digital Subscriber Line- цифровая абонентская линия). Они опирались на достижения цифровой обработки сигналов в сочетании с новыми алгоритмами и технологиями кодирования. Это позволило увеличить ширину используемой полосы частот от порядка 100 кГц для узкополосной ISDN до более 10 МГц для скоростной DSL. Безусловно, решения носили аппаратно-алгоритмический характер, и узлами в новых сетях становились DSL-модемы (с входящими в их состав трансиверами), которые в большинстве стандартов трактуются как “насосы для перекачки битов”. В модемах многих производителей используется способ компенсации эхо-сигналов, что делает возможным осуществление полнодуплексной передачи по одной ненагруженной паре телефонных проводов со скоростью 160 Кбит/с. А с ростом потребности в высокоскоростном доступе в Интернет значимость линий DSL на базе сети ISDN существенно возросла. Схема организации таких линий показана на рис. 12.1.  В варианте высокоскоростной цифровой абонентской линии (HDSL) вместо канала с U–протоколом обмена применяются несколько пар проводов сети доступа. Стандарт 2В1Q для скорости передачи 2,048 Мбит/с обеспечивает как двустороннюю передачу по одной паре проводов, так и параллельную передачу по двум или трем парам проводов (аналогично Fast Ethernet по четырем витым парам). Это позволяет распределить сигналы циклически по нескольким парам и тем самым снизить скорости передачи по каждой паре для увеличения предельной дальности передачи. В процессе эксплуатации цифровых линий выявилась потребность в предоставлении услуг, требующих явно выраженной асимметрии передачи данных. Эта асимметрия выражается в большой разнице объемов трафика от сети к пользователю (нисходящий поток) и от пользователя к сети (восходящий поток). Такая ситуация возникает, например, при передаче видео по запросу. Так возникла версия ADSL (асимметричная DSL). Правда, разработчики ценой добавления на линии специальных устройств – частотных разделителей (сплиттеров) сумели сохранить и линии голосовой связи. Именно этот вариант применения сплиттера на стороне пользователя иллюстрируется на рис. 12.2.   ФВЧ ФНЧ    СТ ПК ЛВС    Новый кабель  передачи данных  Телефонная линия ADSL Обычная теле-  фонная проводка  ТА ТА Рис. 12.2. Схема реализации ADSL: ФВЧ – фильтр высоких частот; ФНЧ – фильтр низких частот; СТ – сетевой терминал; ПК – персональный компьютер; ЛВС – локальная вычислительная сеть; ТА – телефонный аппарат Специалисты по вычислительным системам «не остались в долгу» и для организации и/или расширения своих сетей использовали идеологию сотовой связи. Так появился беспроводной аналог стандарта Ethernet – технология Wi–Fi (Wirelles Fidelite – беспроводная точность) на базе стандарта IEEE 802.11. Стандарт предписывает использование полосы частот 2,40 ÷ 2,4835 ГГц (очень важно: эта полоса не нуждается в лицензировании) и обеспечивает скорость передачи данных 11 Мбит/с на дальность до 100 м, а на открытой местности – до 400 м. В 2010 г. предполагается сертификация версии стандарта 802.11n, который сможет обеспечить скорости 320 Мбит/с и выше. Wi–Fi обеспечивает доступ к серверам баз данных, позволяет выйти в Интернет, распечатывать файлы и т.п. И все это без проводного соединения со всемирной паутиной ваших ноут– и нетбуков. Достаточно разместить их в радиусе 100 м от так называемой «точки доступа» (термин задействован у связистов) – Wi–Fi устройства, которое по своим функциям очень похоже на офисную АТС. Таким образом, Wi–Fi – технология позволяет решить три важные задачи: – упростить общение с мобильным компьютером; – обеспечить комфортные условия для работы деловым партнерам или журналистам, пришедшим в офис со своим лап–топом; – создать локальную сеть в помещениях, где прокладка кабеля слишком дорога, нежелательна или невозможна. Схема организации беспроводной сети Wi–Fi приведена на рис. 12.3.  Рис. 12.3 Схема организации сети Wi - Fi Если точка доступа организуется на одном из узлов существующей локальной сети, связанной с Интернетом, то достаточно снабдить его недорогим устройством для приема–передачи радиосигналов и прилагаемым к нему ПО. Что касается мобильных ПК, то Wi–Fi– адаптеры часто входят в их стандартную комплектацию. Наиболее известными мировыми производителями оборудования, поддерживающего стандарта Wi–Fi, являются компании Intel, Lucent, CISCO, D–Link. Многие университеты обеспечивают свободный доступ в Интернет через Wi–Fi для своих студентов, посетителей и всех находящихся на территории университета. В 2010 г. к числу таких университетов присоединился и СПбГТУРП. Технические характеристики применяемых стандартов Wi–Fi приведены в табл. 12.1. Таблица 12.1 Стандарты Wi - Fi
* Поддерживается не всяким оборудованием. В России уже применяются стандарты 802.11b и 802.11g, но вот–вот должен появиться и 802.11n. Из вышеизложенного можно сделать некоторые выводы о преимуществах и недостатках технологии Wi–Fi. Хорошо: - позволяет развернуть или расширить существующую вычислительную сеть без прокладки кабеля; - Wi–Fi–устройства широко представлены на рынке и имеют невысокую цену; - Wi–Fi сети поддерживают контакт с клиентской мобильной станцией при ее перемещении из зоны одной точки доступа в зону другой; - в отличие от сотовых телефонов, Wi–Fi–оборудование может работать в любой стране мира. Плохо: - частотный диапазон и эксплуатационные ограничения не одинаковы в разных странах; - Wi–Fi сети имеют ограниченный и небольшой радиус действия; - большее, нежели в устройствах других стандартов, потребление энергии; - слабая защищенность наиболее популярного стандарта шифрования Wired Equivalent Privacy (WEP). Так что все как всегда: есть хорошее, но есть и недостаточно хорошее. Поэтому в начале XXI века сложилось два принципиально разных подхода к реализации беспроводных сетей. Конкурентом Wi–Fi в этом вопросе выступает Bluetooth 2.2. Он декларирует скорость 30 Мбит/с, это позволит просматривать потоковое видео без использования «шнурков» (проводов) и передавать фото с высоким разрешением. По мнению некоторых экспертов, шансов на внедрение именно этого протокола значительно больше, нежели Wi–Fi, так как устройства для его поддержки потребляют меньше энергии, а предыдущие версии протокола Bluetooth присутствуют в огромном числе уже выпускаемых во всем мире современных мобильных устройств самых разнообразных типов: от наушников и мобильных ПК до автомобилей (например, Sky-Link). Однако было бы очень странным, если бы инженерная мысль не обратилась к поиску способа избавиться от самого существенного недостатка в организации беспроводных сетей – малого радиуса действия. Действительно обратилась, и результаты не заставили долго ждать. В середине первого десятилетия XXI века появилась новая технология, полностью изложенная в стандартах IEEE 802.16d (так называемый «фиксированный») и 802.16е (так называемый «мобильный») WiMAX. WiMAX (Worldwide Interoperabiliti for Microware Access) – телекоммуникационная технология, разработанная с целью предоставления универсальной беспроводной связи на больших расстояниях для широкого спектра устройств – от рабочих станций и портативных компьютеров до мобильных телефонов. Эта технология хорошо подходит для: –соединения точек Wi–Fi между собой и с другими сегментами Интернета; – предоставления беспроводного широкополосного доступа, составляя конкуренцию выделенным линиям и DSL; – обеспечения высокоскоростных сервисов обмена данными и обслуживания телекоммуникационных соединений; – организации точек доступа, не привязанных к географическому местоположению. Достоинства WiMAX позволяют компоновать беспроводные участки высокой пропускной способности с уже существующими локальными сетями и разветвленной сетью традиционных DSL– и выделенных линий, создавая масштабируемые высокоскоростные сети в рамках целых городов WMAN (Wirless Metropolitan Access Networt). Правда, совсем без проводов все–таки не обходится. Хотя узлы сети – базовые станции – связываются между собой с помощью радиоволн на расстояниях до 50 км и общаются со «своими» абонентскими станциями на удалениях до 10 км, должна быть хотя бы одна (а лучше– несколько) базовая станция, которая связана с провайдером Интернета по проводной связи. Очевидно, что это требование, особенно в городских условиях, не является таким уж жестким. Идеология структуры WiMAX показана на рис. 12.4. На уровне базовых станций используются частоты 10 ÷ 66 ГГц (это лицензируемые диапазоны), а скорость обмена при прямой видимости достигает 150 Мбит/с. Для обмена базовых станций с абонентами используются частоты 2 ÷ 11 ГГц (не лицензируемые во многих странах), а скорость обмена может доходить до 75 Мбит/с. И все же универсализм WiMAX тоже ограничен. Как уже отмечалось, имеются две версии: фиксированный WiMAX (беспроводное оборудование пользователя привязано жестко к своему месту нахождения) и мобильный WiMAX. Описываются они стандартами 802.16d и 802.16e соответственно. Различия между ними весьма существенны, но возможен вариант получения первого как предельного случая второго. Мобильный WiMAX допускает перемещение пользователя со скоростью до 120 км/ч (ограничение связано с сохранением непрерывности связи), а при удалении пользователя от «своей» базовой станции более, чем на 10 км, незаметно для него сеть переключается на связь с другой базовой станцией. Из-за созвучности названий двух беспроводных технологий, близости номеров стандартов их описывающих (IEEE 802), своего назначения –подключения к интернету технологию WiMAX часто сравнивают с Wi–Fi. И все-таки каждая из них решает свой круг задач. Wi–Fi – система ближнего действия (десятки метров) для доступа пользователей к собственной локальной сети, которая может быть как подключена к Интернету, так и не подключена. WiMAX – система дальнего следования (на десятки и сотни километров) для предоставления конечному пользователю соединения с Интернетом через провайдера. Имеются и другие отличия, связанные со способами кодирования, уплотнения, обеспечения безопасности и гарантированным уровнем качества услуг. Сравнительные характеристики стандартов беспроводной связи приведены в табл. 12.2. Таблица 12.2 Сравнение стандартов беспроводной связи
Окончание табл. 12.2
* Стандарт находится в разработке.  Р    ис. 12.4. Структура WiMAX: BS–базовая станция; – оборудование пользователя: роутер, коммуникатор, ноутбук, ПК с встроенным или внешним WiMAX–модемомСети мобильного и фиксированного WiMAX в России строят такие фирмы, как «Скартел» (торговая марка Yota), «Комстар», «Синтерра», «Новые телекоммуникации» и др. Вопросы для самопроверки: Приведите примеры «переноса» технологий из одной сферы деятельности в другую по своему личному опыту. Каким техническим решением была устранена асимметрия трафика восходящих и нисходящих потоков в сети? Чем замечательно появление Wi-Fi? Какие функции выполняет Wi-Fi? Перечислите преимущества и недостатки Wi-Fi. Каково принципиальное отличие WiMAX от Wi-Fi? | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
