ТЕХНОЛОГИИ УПЛОТНЕНИЯ КАНАЛОВ СВЯЗИ

Использование широкого спектра частот для организации беспроводной связи крайне дорого в обслуживании. Поэтому применяются специальные технологии, позволяющие сразу множеству абонентов использовать один и тот же спектр частот. Такими технологиями являются:

• Множественный доступ с частотным разделением каналов (FDМА, Frеquеnсу Divisiоn Мyltiрlе Ассеss). Каждому пользователю предоставляется отдельный канал (при использовании полнодуплексного - два канала), на частоту которого настраиваются приемник и передатчик. Радио- и телевизионные станции получают спектр радиочастот по

этому же принципу.

• Множественный доступ с временным разделением каналов (ТDМА, Тimе Divisiоn Мyltiрlе Ассеss) представляет собой процесс, при котором каждому пользователю отводится определенный интервал времени для передачи информации. В цифровых сотовых системах информация сначала должна быть конвертирована из аналоговой формы (человеческий голос) в цифровую (последовательность нулей и единиц). Устройство для кодирования/декодирования (кодек) проводит преобразование сигнала из

аналоговой формы в цифровую, а затем обратно в аналоговую. Чем лучше работает кодек, тем большее количество интервалов времени доступно для распределения. Например, если компрессия человеческой речи осуществляется в соотношении 1:5, существуют 5 интервалов времени, которые можно распределить, если компрессии/декомпрессии не производится вообще, такой интервал всего один. Множественный доступ с временным разделением каналов обычно используется в сочетании с множественным доступом с частотным разделением каналов.

• Множественный доступс кодовым разделением каналов (СDМА, Соde Divisiоn Мyltiрlе Ассеss) представляет собой технологию, принципиально отличную как от FDМА, так и ТDМА. Вместо разделения пользователей по частотаv или времени передачи сигнала каждый из них получает в свое распоряжение весь спектр частот в течение всего времени. Существующие варианты реализации технологии СDMА используют каналы связи шириной 1,25 МГц, в отличие от каналов в 30 кГц, применяемых в модели с частотным разделением каналов. Сигнал пользователя, передающийся со скоростью 9,6 Кбит/с, после обработки с помощью цифровых кодов преобразуется в сигнал со скоростью передачи данных 1,23 Мбит/с. Один и тот же канал связи может использоваться для передачи множественных сигналов. Базовая станция способна выделять отдельные сигналы из общего потока информации с помощью аналогичных процедур цифрового кодирования/декодирования. Множественный доступ с кодовым разделением каналов имеет целый ряд преимуществ, включая увеличение пропускной способности канала связи, повышенную безопасность и лучшее качество связи.

FDМА. Технология FDМА представляет собой форму уплотнения канала связи на основе частотного разделения каналов. Доступный спектр частот разбит на каналы нескольких типов, которые предназначены для управления, сигнализации или передачи собственно полезной информации. Каждый частотный канал принадлежит отдельному пользователю, кроме канала управления, который является общим для всех пользователей. Данная технология применяется традиционными аналоговыми системами, ширина спектра каждого канала при этом составляет 30 кГц.

Множественный доступ с частотным разделением каналов решает вопрос распределения каналов связи, однако не может справиться с проблемой дуплексных операций. При осуществлении дуплексной связи с частотным разделением каналов (FDD, Frequency Division Dyрlех) решение этой проблемы состоит в использовании двух симплексных каналов связи, которые изолированы друг от друга для снижения вероятности интерференции в конечных точках электрических цепей.

Сам множественный доступ с частотным разделением каналов способен функционировать, только если каналы для приема и передачи данных изолированы друг от друга. В том случае, когда доступен только один канал из всего частотного диапазона, применяется дуплексная связь с временным разделением каналов (ТDD, Тime Division Dyрlех). При сочетании множественного доступа с частотным разделением каналов с дуплексной связью и временным разделением каналов (FDМА/ТDD) типичное разделение каналов по частоте сменяется их разделением по времени.

В отличие от «чистых» FDМА-систем, применение дуплексной связи с временным разделением каналов в рамках системы FDМА требует, что все соты были синхронизированы. Более того, временное разделение каналов в данном случае, как правило, не обеспечивает увеличения эффективности спектра с точки зрения объема передаваемой информации или емкости канала связи. Это связано с тем, что защитный промежуток между временными интервалами получается больше, чем в «чистых» системах с временным разделением каналов (ТDМА), а также больше времени прохождения полного цикла в системах с частотным разделением каналов (FDМА).

ТDМА. ТDМА применяется в технологии мультиплексирования с временным разделением каналов в пределах одного канала. При использовании системы ТDМА канал связи должен иметь достаточно высокую пропускную способность, чтобы обеспечить множественным абонентам возможность пользоваться этим каналом одновременно. Система ТDМА, как правило, сочетается с системой FDМА. Различные спецификации сотовых сетей предусматривают несколько вариантов ширины канала связи.

В целях поддержания совместимости с аналоговыми системами североамериканский стандарт ТDМА (NА-ТDМА, North Аmeriсаn ТDМА) предусматривает использование каналов связи шириной 30 кГц. Европейский стандарт ТDМА, т.е. GSM (Сlobal Sуstеm for Моbilе Соmmuniсаtiоn, глобальная система мобильной связи), оперирует каналами шириной 200 кГц. Число временных интервалов в пределах каждого канала связи, предусматриваемое каждым из этих двух стандартов, также различно.

Дуплексная связь в системах с временным разделением каналов осуществляется за счет подключения технологии FDМА, т.е. представляет собой дуплексную связь с частотным разделением каналов. В Северной Америке стандарт NА-ТDМА использует те же каналы, что и усовершенствованная мобильная телефонная служба (АМРS, Аdvаnсеd Моbilе Рhоnе Sуstem). В Европейских странах каналы связи стандарта GSM изначально использовали иной спектр частот, поскольку их ширина превышала таковую у аналоговых каналов связи. Постепенно аналоговые каналы вытесняются и замещаются цифровыми каналами связи.

СDМА. Множественный доступ с кодовым разделением каналов основан на принципе, позволяющем выделить отдельный диалог из множества разговоров, ведущихся вполголоса (т.е. на уровне фонового шума) в комнате полной людей. В случае применения технологии СDМА множество абонентов используют один и тот же диапазон частот, не рискуя при этом помешать «чужим» диалогам. Предоставление каждому абоненту возможности однозначно идентифицировать нужный ему диалог среди множества диалогов позволяет намного более интеллектуально использовать спектр частот.

В настоящее время в Северной Америке для систем СDМА действует Промежуточный стандарт № 95 (IS-95, Interim Standard 95). Он использует тот же спектр частот, что и АМРS и IS-54. Ширина канала связи составляет 1,25 МГц, что позволяет обслуживать 128 пользователей (128 пользователей со скоростью передачи сигнала 9,6 кбит/с распределены по каналу 1,2288 Мбит/с). Стандарт IS-95 требует наличия двух каналов для осуществления дуплексной связи.

Сравнение FDМА, ТDМА и СDMА. В системах беспроводных коммуникаций восходящий канал связи (радиоканал для передачи сигнала с мобильной станции на базовую станцию, uplink) и нисходящий канал связи (радиоканал для передачи сигналов от базовой станции мобильному абоненту, downlink) изолированы друг от друга. Такая изоляция может осуществляться при помощи использования различных частот, что соответствует дуплексной связи с частотным разделением каналов (FDD), а также, особенно в случаях, когда спектр доступных частот ограничен, с помощью временного разделения каналов, т.е. TDD. В случае дуплексной связи с временным разделением каналов восходящий и нисходящий каналы связи делят между собой один и тот же радиочастотный канал, получал в свое распоряжение определенные интервалы времени для передачи информации. В системах с частотным разделением каналов, где приемник и передатчик активны одновременно, их сигналы должны быть в достаточной степени «разведены» по частоте (в первых аналоговых системах сотовой связи разница по частоте достигала 45 МГц), в противном случае потребуется использование мощных фильтров для защиты приемника мобильной станции от ее собственных передач. В том случае, если ширина доступного спектра частот невелика, как правило, используют временное разделение каналов, В этой ситуации приемник мобильной станции не функционирует в те моменты времени, когда активен ее передатчик, что устраняет необходимость высокоизбирательной фильтрации. Напротив, частотное разделение каналов позволяет избежать жестких временных ограничений.

Основное отличие FDМА состоит в том, что каждой мобильной станции предоставляется отдельная пара частот для восходящего и нисходящего каналов связи. В случае ТDМА мобильному телефону предоставляются интервалы времени, в течение которых осуществляется передача сигналов по восходящему и нисходящему каналам связи.

Технология СDМА применяет ортогональную (несогласованную) систему передачи сигналов, которая позволяет всем абонентам использовать всю пропускную способность доступного канала связи одновременно. Сигналы индивидуальных пользователей выделяются из общего «шумового» сигнала с помощью математической обработки. Применение всего спектра частот позволяет сотовым телефонным системам на основе технологии СDМА использовать спектр в 20 раз эффективнее аналоговых FМ- систем, обслуживая при этом такую же площадь посредством той же антенной системы, когда антенная система имеет три сектора в каждой соте. По сравнению с системами FDМА, имеющими узкий частотный спектр, помехи, связанные с передачей информации по каналам с «соседними» частотами, сведены, в случае применения технологии СDМА, к минимуму за счет корреляционной обработки передаваемых сигналов.

Несмотря на то что интерференция сигналов, передаваемых по «соседним» каналам и внутри одного канала, имеет в системах СDМА весьма небольшое значение, наложение сигналов во времени может мгновенно уничтожить полезную информацию. Другими словами, поскольку системы СDМА используют весь спектр частот, эффективность повторного использования частоты составляет 2/3 против 1/7 у узкополосных систем FDМА.

GSМ. Аналоговый стандарт NМТ-450 (Nоrdiс Моbilе Теlерhоnе) предусматривал 180 каналов связи шириной по 25 кГц в диапазоне 450-467 МГц. За счет многократного использования частот эффективное число каналов составляло 5 568. Среднее число каналов, выделяемое базовым станциям, равно 30, радиус ячейки составляет от 5 до 25 км. В настоящее время более 40 стран используют системы сотовой подвижной связи стандартов NМТ-450 и NМТ-900, работающих в диапазоне частот 450 и 900 МГц. Основное достоинство стандарта - обеспечение надежной работы на открытых пространствах и возможность автоматического роуминга в странах, использующих этот стандарт. Система сотовой связи стандарта обеспечивает:

• вхождение в связь и регистрацию стоимости разговора в автоматическом режиме;

• организацию связи между подвижной станцией и любым абонентом стационарной телефонной сети или с любой включенной в систему подвижной станцией независимо от страны;

• автоматический поиск подвижного абонента в пределах объединенных сетей сотовой связи;

• возможность передачи телефаксов и доступ к различным базам данных (скорость передачи до 4,8 кбит/с);

• переадресацию вызова на другой номер;

• ограничение вызова (продолжительность разговора);

• конференц-связь трех абонентов;

• организацию пользовательских групп с сокращенным набором номера.

Стандарт GSM (Glоbаl Systеm fоrг Моbilе Соmmunicatiоns) цифровой общеевропейской подвижной системы сотовой наземной связи предусматривает работу передатчиков в двух диапазонах частот. Полоса частот 890-915 МГц используется для передачи сообщений с подвижной станции на базовую, а полоса частот 935-960 МГц - для передачи сообщений с базовой станции на подвижную (абоненту). Разнос частот между соседними каналами связи составляет 200 кГц. Таким образом, в отведенной для приема/передачи полосе частот шириной 25 МГц размещается 124 канала связи. В стандарте GSМ используется многостанционный доступ с временным разделением (уплотнением каналов – ТDМА – Time Division Multiple Access), что позволяет на одной несущей частоте разместить 8 речевых каналов одновременно. Максимальный радиус соты 35 км. Оборудование сетей GSМ включает в себя подвижные (радиотелефоны) и базовые станции, цифровые коммутаторы, центр управления и обслуживания, различные дополнительные системы и устройства. Основные достоинства стандарта:

• возможность применять разнообразное оборудование;

• возможность подключения к телефонным сетям общего пользования, сетям передачи данных и цифровым сетям с интеграцией служб;

• хорошие энергетические характеристики, высокое качество связи, ее безопасность и конфиденциальность;

• использование интеллектуальных SIМ-карт для обеспечения доступа к каналу и услугам связи;

• шифрование передаваемых сообщений;

• закрытый от прослушивания радиоинтерфейс;

• аутентификация абонента и идентификация абонентского оборудования по криптографическим алгоритмам;

• использование служб коротких сообщений, передаваемых по каналам сигнализации;

• автоматический роуминг абонентов различных сетей GSМ в национальном и международном масштабах.

Общеевропейская цифровая мобильная сотовая радиосистема, ранее известная как Groupe Sресiаl Моbilе (GSМ) и носящая в настоящее время название глобальной системы мобильной связи (GSМ, Glоbаl Sуstеm fоr Моbilе Соmmunications), представляет собой пример, наиболее близкий по структуре к системе глобального роуминга. Поскольку лицензии GSМ имеют более 126 поставщиков услуг сотовой связи в 75 странах, о системе вполне можно говорить как о системе глобальной связи.

В 1982 г. была создана специальная комиссия для исследования возможности создания системы, которая смогла бы обеспечить платформу для мобильной связи на территории всей Европы. Работа комиссии завершилась в 1987 г., а ее результатом явилось издание 13 рекомендаций, направленных на стандартизацию формата GSМ.

Выбор ТDМА в качестве технологии уплотнения каналов связи в сочетании с другими факторами, например, большим количеством базовых станций, а также методами обслуживания сетей и доставки информации, предусмотренными стандартом GSМ, позволили производителям оборудования для систем беспроводной связи вести целенаправленные разработки в области формата GSМ и начать установку магистральных линий GSМ-сетей. К 1991 г. лабораторные и практические испытания доказали успешность функционирования сетей на основе вновь созданного стандарта, что позволило начать коммерческое использование этих сетей. Строительство антенных башен вдоль европейских автомагистралей началось со времени снятия ограничений на размещение подобных устройств в 1991 - 1992 гг. К 1993 г. основная часть дорожной сети Европейского континента находилась в зоне действия антенных башен, обслуживающих абонентов сети стандарта GSМ. Это уже предоставляло любому абоненту возможность вести непрерывный (хотя и дорогой) диалог во время путешествия через весь континент. К 1995 г. зона охвата распространилась и на сельскую местность.

Северная Америка начала использование стандарта GSM с некоторым опозданием со стандартом РСS 1900 или GSМ 1900. Стандарт GSМ в Северной Америке функционирует аналогичным образом за исключением иного спектра частот, выделенного для передачи сигналов.

Стандарт GSМ предусматривает использование множественного доступа с временным разделением каналов в сочетании с дуплексной связью с частотным разделением. Ширина радиоканалов составляет 200 кГц со скоростью передачи данных 270,8 кбит/с. Применение алгоритма цифрового кодирования речи со скоростью 13 кбит/с позволяет создать 8 временных интервалов, доступных для распределения между абонентами, в пределах каждого канала связи или кадра. Алгоритмы кодирования с половинной скоростью создают 16 временных интервалов в пределах каждого кадра. Стандарт GSМ допускает «перескакивание частот» (frequency hopping), другими словами, мобильная станция может перемещаться между временными интервалами, предназначенными для приема/передачи сигнала или служебных сообщений в пределах одного ТDМА-интервала, как правило, переходя при этом с одной частоты на другую.

Для увеличения продолжительности работы батареи мобильные телефоны стандарта GSМ работают в режиме прерывистого приема (DRX, Discontinuous Receive), при котором приемник отключается в тс моменты диалога, когда его участники не произносят слов. Этот режим позволяет мобильной станции сиихронизировать время приема с определенным циклом передачи вызова (Раging сyсlе) сети. Применение режима DRХ позволяет снизить стандартные требования к источнику питания почти на 90 %.

Стандарт GSМ также позволяет осуществлять роумииг и поддерживает сервис отправки коротких сообщений (SMS, Short Мessage Service). Сервис SМS предоставляет телефону стандарта GSМ возможность получать и принимать сообщения длиной до 160 символов (подразумевается, что сообщение может быть сохранено и передано телефону в тот момент, когда он сможет его принять). Этот сервис позволяет телефону стандарта GSМ функционировать в качестве пейджера.

Стандарт GSМ реализован на частотах 900, 1800 и 1900 МГц. Система, использующая частоту 1800 МГц, носит название DSC 1800 (Digital Сеllular System 1800, цифровая сотовая система 1800), североамериканская система на частоте 1900 МГц называется РСS 1900 (Реrsonal Соmmunication Services 1900, система персональной связи 1900). Она также известна под названием GSМ 1900.

Сеть стандарта GSМ состоит из трех основных частей: мобильной станции или любого устройства, являющегося конечным пользователем (мобильный телефон или портативный компьютер типа РDА – Реrsonal Digital Аssistant); подсистемы базовой станции, состоящей из контроллеров базовых станций (ВSС, Ваse Station Соntroller) и антенных башен; сетевой подсистемы, состоящей главным образом из центра мобильной коммутации (МSС, Моbile Switchbosrt Сеnter), который осуществляет переключение звонков.

Мобильная станция (mobile station) состоит из мобильного устройства и специальной смарт-карты, широко известной под названием SIМ-карты или модуля идентификации абонента (SIМ, Subscriber Identity Моdule). Назначение SIМ-карты состоит в том, чтобы абонент мог получить доступ к услугам связи даже при отсутствии у него конкретного мобильного устройства. Вставив свою SIМ-карту в любое другое мобильное устройство стандарта GSМ, абонент может пользоваться услугами мобильной связи с помощью любого GSМ-терминала. Существование SIМ-карт существенно осложняет похищение идентификационных номеров или мошенническое совершение звонков за чужой счет. Сама SIМ-карта защищена специальным паролем или персональным идентификационным номером и содержит так называемый уникальный международный идентификатор абонента (ISМI, International Моbilе Subscriber Identity) или IМSI-номер, который используется для идентификации абонента внутри системы.

Базовая станция (bаsе station) включает в себя две части: базовую трансиверную станцию (ВTS, Ваsе Transceiver Station Controller) и контроллер базовой станции (ВSС, Ваsе Station Controller). Функция базовой трансиверной станции, работа которой определяет границы соты, состоит в том, чтобы поддерживать радиосвязь с мобильной станцией с помощью специальных протоколов. Контроллер базовой станции отвечает за создание канала передачи данных, переключение частот, а также передачу вызова в пределах одной или нескольких станций ВТS. Контроллер мобильной станции обеспечивает связь мобильной станции с центром мобильной коммутации. Когда мобильный пользователь инициирует звонок, мобильная станция начинает поиск ближайшей базовой станции. Контроллер базовой станции управляет радиосвязью во вверенной ему области (распределяет/контролирует каналы связи, контролирует переходы с одной частоты на другую, обеспечивает местную передачу вызова, а также следит за качеством радиосигнала). Кроме того, ВSС определяет путь прохождения сигнала к центру мобильной коммутации (МSС, Моbilе Switchboard Сеntеr).

Сетевая подсистема (nеtwоrk sybsystem) выполняет функции узла коммутации телефонной сети общего пользования (РSTN, Public Switched Теlеphоnу Network) или цифровой телефонной сети с интеграцией услуг (ISDN, Integrated Services Digital Network). Она обеспечивает регистрацию, обновление данных о местонахождении абонента, передачу вызова и маршрутизацию звонков. Центр МSС обеспечивает соединение с сетью РSТN или ISDN с помощью системы общеканальной сигнализации (OКС7, SS7). Регистр местонахождения «домашних» абонентов (HLR, Ноme Lосаtiоn Register), регистр местонахождения «приезжих» абонентов (VLR, Visitor Location Register), регистр идентификации оборудования (ЕIR, Еquiрment Identity Register) и центр аутентификации (АuС, Аuthеntiсаtiоn Сеntеr) также являются компонентами сетевой подсистемы.

Когда мобильный пользователь инициирует звонок, мобильная станция начинает поиск ближайшей базовой станции. Контроллер базовой станции (ВSС) управляет ресурсами радиосвязи во вверенной ему области и определяет путь прохождения сигнала к центру мобильной коммутации (МSС). Центр мобильной коммутации проводит аутентификацию IМSI - номера абонента, проверяя его регистрационную запись, которая содержится в регистре «домашних» абонентов сети этого абонента (HLR). При каждом включении мобильного устройства происходит обновление информации о местонахождении абонента, содержащейся в регистре HLR. Центр МSС направляет запрос, содержащий IМSI-номер абонента, в регистр HLR, в случае положительного ответа информация об этом абоненте передается в регистр «приезжих» абонентов (VLR). Из данных, содержащихся в регистре HLR, центр мобильной коммутации (МSС) формирует регистр идентификации оборудования (ЕIR) в целях отслеживания украденных, мошеннически используемых или неисправных мобильных устройств. Применение временного разделения сигналов и постоянные переключения между различными частотами создают серьезные препятствия на пути прослушивания разговоров.

В фазе организации звонка стандарт GSМ не предусматривает распределение частот радиоканалов для установления связи до тех пор, пока не будет получен ответ на этот звонок. Это позволяет уменьшить время загрузки канала связи в рамках одного звонка. В целях передачи вызова проводится поиск шести базовых станций с наилучшим качеством связи, из которых в конечном счете используется наиболее подходящая или просто лучшая по качеству связь. Обрыв связи во время передачи вызова происходит достаточно редко.

Стандарт GSМ был предложен Конференцией Европейских администраций почты и связи (СЕРТ, Соnfеrеnсе оf Еurореаn Роstа1 аnd Теlесоmmuniсаtiоns Аdministratiоns) в 1982 г. В этом же году ответственность за соблюдение спецификаций стандарта GSМ была возложена на Европейский институт стандартов по телекоммуникациям (ЕТSI Еurореаn Теlесоmmuniсаtiоns Аdministratiоns Stаndards Institute), и первая часть спецификаций была опубликована в 1990 г.

Предполагается, что это открытый интерфейс, доступный всем. Стандарт GSМ регламентирует деятельность завершенной сотовой системы, а не только эфирный интерфейс. Сеть стандарта представляет собой интеллектуальную сеть с открытой распределенной архитектурой, отделяющей контроль обслуживания от коммутации вызовов, тем самым обеспечивая полное использование SS7 в качестве инфраструктуры обмена сигналами. Структура всех интерфейсов подробно описана в рекомендациях института ЕТSI относительно стандарта GSМ (ЕТSI/GSM).

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: