3.2 Технологии радиодоступа
Существует несколько видов технологий радиодоступа, которые различаются по ряду характеристик.
Все абонентские устройства доступа подразделяются на индивидуальные, предназначенные для подключения отдельных абонентов, и коллективные системы, способные обсуживать от десятков до тысяч пользователей. Кроме того, по максимальной дальности связи базовой станции с абонентским блоком (окончанием) в обеих группах различают устройства малого (до 1 км), среднего (1-10 км) и большого (10-100 км) радиуса действия. В отдельную группу нужно выделить средства спутникового радиодоступа.
К группе индивидуальных средств радиодоступа можно отнести радиоудлинители телефонного канала, беспроводные телефоны со средним и малым радиусом действия.
Для радиоудлинителя телефонного канала выделены полосы частот 307,5-308 МГц и 343,5-344 МГц при ширине канала 25 кГц. Мощность передатчика канала может достигать 10 Вт. При этом обеспечивается дальность до 100 км. Массовое применение радиоудлинителей при большой телефонной плотности невозможно из-за больших взаимных помех.
Беспроводные телефоны со средним и малым радиусом действия используются в 40 каналах с шагом 25 кГц в полосах частот 814-905 МГц. Выбор свободного канала осуществляется автоматически. Мощность разрешенных устройств не превышает 10 мВт. Однако для массового применения эти телефоны непригодны из-за больших взаимных помех в ограниченном числе каналов.
Системы беспроводного доступа это совокупность средств и возможностей по коммутации услуг. В состав системы радиодоступа входят: центральный контроллер; коммутационная станция; стыки с сетью общего пользования; одна или несколько базовых станций радиодоступа; абонентские блоки; система управления сетью.
Системы радиодоступа используются
на малых и средних расстояниях. В литературе они получили название Wireless
Local Loop (WLL).Типовая архитектура системы WLL приведена на рисунке
3.3.
Рисунок 3.3 Типовая архитектура системы WLL
Такие системы позволяют обслуживать районы с высокой плотностью терминалов (сотни и тысячи).
Контроллер базовых станций предназначен для концентрации и возможно коммутации трафика WLL, обработки вызовов и обеспечения связи с коммутаторами сети общего пользования, например, ТфОП (АТС). Связь с сетью общего пользования обеспечивается через интерфейсы (nxE1, V5.x) или многочисленные аналоговые двухпроводные линии. Кроме того, контроллер поддерживает функции управления через интерфейсы Q2, Q3 и терминал технического обслуживания.
Базовые станции WLL осуществляют радиосвязь со стационарными или ограничено мобильными абонентами в пределах своих зон обслуживания, величина которых зависит от используемой в системе радиотехнологии, и обеспечивает передачу вызовов контроллеру. Базовая станция состоит из антенно-фидерного тракта, одно- или многоканальной приемопередающей аппаратуры, локальной подсистемы управления, коммутационных интерфейсов и системы питания.
Абонентские терминалы представляют собой портативные беспроводные трубки, обеспечивающие ограниченную подвижность связи; специальные настольные аппараты с трансивером и антенной и стационарные блоки на одну или более телефонных линий, к которым подключаются телефоны, факсы, модемы. В широкополосных радиосистемах доступа предоставляются услуги N-ISDN и B-ISDN. Стационарный абонентский терминал может размещаться внутри или снаружи зданий и иметь внешнюю или встроенную антенну, а также резервное питание от батареи.
Терминал обслуживания – это персональный компьютер с программными установками по мониторингу и управлению.
Необходимо обратить внимание на антенные устройства систем радиодоступа.
В рамках организации системы беспроводного многоточечного доступа важную роль играют такие факторы, как качество связи, устройство антенн, а также средства планирования и управления сетью. Для таких систем разработаны специальные конструкции антенн, которые не только обладают свойствами гибкости по отношению к системным требованиям, но удовлетворяют и эстетическим запросам. Основным решениям для базовой станции является конструкция антенны, разделенной на сектора обзора с малыми боковыми лепестками диаграммы направленности. Оконечная станция оборудуется антенной, обладающей таким же малым излучением на боковых лепестках и, вместе с тем, высоким усилением, что позволяет свести к минимуму влияние шумовых излучений. Этот принцип совмещается с использованием метода двойной поляризации.
Планарные антенны представляют собой простое и экономичное решение, совмещающее модульность структуры и эстетически приемлемый внешний вид. В антеннах, разработанных к настоящему времени, применяются ленточные микроволноводы, что позволяет легко удовлетворять разнообразные запросы потребителей, в частности, по высокому усилению и модульному выбору вариантов секторного обзора с различными углами раскрытия. Отдельные антенны сектора могут крепиться отдельно друг от друга (например, на стенах зданий). На рисунках 3.4, 3.5 показаны примеры типовых решений секторов ячеек обслуживания.
Рисунок 3.4 Пример разбиения на
секторы с одинаковыми
углами раскрытия
Рисунок 3.5 Пример разбиения на
секторы с разными углами раскрытия
Рисунок 3.6 Пример образования секторов радиодоступа
В каждом из секторов в зависимости от его величины, полосы частот, кодирования возможно подключения различного числа абонентов. По указанным характеристикам и стоимости одного окончания могут сравниваться различные WLL между собой.
Как правило, системы радиодоступа делаются многоточечными и базовые станции размещаются в центре зон обслуживания. Например, система DMS (Digital Multipoint System) компании Bosch поддерживает топологию «точка – много точка» с возможностью охвата зоны действия на местности, где располагаются узлы связи. Для достижения максимальной пропускной способности зона действия (ячейка) делится на сектора обзора с углами 90?, 45? и 15? (рисунок 3.6).
Обозначено на рисунке 3.6: RNU – Radio Network Unit – сетевой радиоблок; CRS – Central Radio Station – базовая радиостанция.
Пропускная способность системы
радиодоступа зависит от выбора режима работы:
– постоянного распределения полосы пропускания FBA (Fixed Bandwidth Allocation),
режим, который применяется в случае выделенных линий LL (Leased Line)
или аналогичных протоколов;
– динамическое распределение полосы пропускания DBA (Dynamic Bandwidth
Allocation), режим, приспособленный для предоставления коммутируемых услуг.
В случае DBA каждая связь индивидуально адаптируется к текущему трафику
на локальном терминале. Поэтому удается создавать существенно большее
число каналов (беспроводная концентрация трафика). Алгоритмы управления
DBA исключают блокировку вызова от абонента, пока в полосе частотного
канала существуют свободные номиналы рабочей частоты. Каждая DBA процедура
непосредственно связана со сменой пары несущих частот и под новые каналы
отводятся свободные полосы частот в пределах общей рабочей полосы конкретного
сектора CRS.
Таким образом, назначение частот
при радиодоступе играет важнейшую роль. При этом для разделения радиочастотных
сигналов могут быть использованы различные методы доступа:
- FDMA, Frequency Division Multiple Access – многостанционный доступ с
частотным разделением;
- TDMA, Time Division Multiple Access – многостанционный доступ с временным
разделением;
- CDMA, Code Division Multiple Access – многостанционный доступ с кодовым
разделением.
Все эти методы применяются в системах радиодоступа и имеют свои достоинства
(преимущества) и недостатки.
Ниже приведены ряд соотношений, которые указывают на сравнительные возможности методов разделения радиоканалов.
• Метод FDMA позволяет обеспечить высокие битовые скорости связи с абонентами. В принципе нет каких-либо ограничений на пропускную способность и битовую скорость связи.
• Метод FDMA позволяет оптимизировать каждое соединение индивидуально, независимо от других каналов радиосвязи.
• Метод FDMA обеспечивает наиболее гибкий способ оперативной оптимизации любой отдельной связи в отношении частотных характеристик, битовой скорости, модуляции, мощности сигнала и исправления ошибок.
• Во взаимодействии с технологией динамического распределения частотного диапазона DBA метод FDMA способен наиболее экономичным образом разрешить проблему связи с малой битовой скоростью (например, канал 1?64 кбит/с до каждого клиента).
• Цифровой метод FDMA проверен на практике и доказал свою эффективность в отношении быстрого развития и внедрения на рынке.
• TDMA базируется на технологии FDMA, но каждый частотный канал дополнительно делится на несколько временных интервалов (тайм - слотов). Каждому абоненту выделяется один тайм-слот. TDMA является основой GSM (Global System for Mobile).
• В применениях с радиосвязью в зоне прямой видимости LOS (Line of Sight), где необходимо учитывать интерференционные помехи по частотам, метод FDMA имеет преимущество по сравнению с методом ТDМА, так как каждому пользователю выделяется лишь малая часть полосы пропускания.
• Ошибки синхронизации менее критичны для метода FDMA по сравнению с технологией TDMA (множественный доступ с временным разделением каналов).
• В методе CDMA всеми абонентами сети используется общая полоса частот. Разделение сигналов производится с помощью специальной кодовой комбинации, которая добавляется к информационному сигналу.
• Несмотря на то, что методу CDMA присущ эффект подавления входных сигналов малой амплитуды, что позволяет уменьшить мощность сигнала за счет снижения уровня помех, этот метод не выгоден в условиях, когда необходимы высокие битовые скорости передачи, так как для реализации данного эффекта нужно слишком широкие полосы пропускания.
• Метод CDMA постоянно совершенствуется
и на этом пути имеет ряд этапов стандартизации:
- IS-95А – передача голоса и данных до 14,4 кбит/с;
- IS-95В - передача голоса и данных до 115 кбит/с;
- CDMA 2000 1х – увеличение емкости сети для речевых связей в 2 раза,
а скорости передачи данных до 307 кбит/с;
- CDMA 2000 1хEV – скорость передачи данных до 2,4 Мбит/с в полосе 1,25
МГц.
• Метод FDMA/DBA/FBA может быть использован для передачи данных на скоростях от 2,048 Мбит/с до 155 Мбит/с в сетях B-ISDN на основе ATM.
Эффективное использование спектра частот радиодоступа связано не только с методом разделения каналов, но и обусловлено методом модуляции несущих радиочастот. В системах радиодоступа нашли применение следующие виды модуляции: GFSK, QPSK (Q = 4), DQPSK и т.д. [35, 51].
Для широкого использования систем радиодоступа в мире разрабатываются и применяются стандарты. Ниже кратко приводятся в качестве примера характеристики двух стандартов.
Стандарт DECT (Digital European Cordless Telecommunications) представляет собой технологию радиодоступа с малой мощностью излучения. Был разработан в середине 90-х годов в ETSI. Стандартом определены три основные сферы применения: цифровые телефоны для дома и офиса; микросотовые системы для учреждений; системы радиодоступа WLL. Стандартом предусмотрено 10 частотных каналов в диапазоне 1880-1900 МГц. Общее число дуплексных каналов – 120, модуляция GMSK, кодирование АДИКМ 32 Кбит/с, измеряемая средняя мощность 10 мВт, метод доступа FDMA/TDMA и дуплекс с разделением во времени. Радиочастотные каналы располагаются через 1728 кГц. На каждом канале может вестись до 12 телефонных разговоров одновременно, но в разные интервалы времени. Подробные сведения о DECT приведены в [35, 50].
Стандарт CT2/CAI
определяет работу в диапазоне 864,1-868,1 МГц при многостанционном доступе
FDMA с дуплексом и разносом каналов 100 кГц. Суммарные скорости передачи
на несущую частоту 72 кбит/с. Число речевых каналов – 40.
Кроме того, ранее были уже приведены обозначения стандартов на базе CDMA.
В таблице З.2 приведены некоторые характеристики систем радиодоступа.
Спутниковый радиодоступ представлен на примере системы Globalstar. Для глобального абонентского доступа выделены следующие каналы: 1610-1621,35 МГц (от абонента к спутнику); 2483.5 - 2500МГц (от спутника к абоненту). Кроме того, определены частотные позиции служебных каналов: 5091-5250 МГц (от наземной станции к спутнику); 6875-7055 МГц (от спутника к наземной станции сопряжения).
Система Globalstar структурно
разделена на три основных сегмента (рисунок 3.7): космический; наземный
и абонентский. Космический сегмент представляет собой группировку из 48
основных и 4 резервных спутников, размещенных на круговых орбитах в 8
плоскостях по 6 спутников на высоте 1414 км. Спутники имеют бортовые ретрансляторы
без обработки сигналов, что обеспечивает их малые габариты, малый вес,
высокую надежность, длительный срок жизни и более низкую стоимость по
сравнению с другими спутниковыми системами. Наземный сегмент включает
в себя центр управления космическим сегментом, центр управления ресурсами
связи системы, сеть региональных и национальных станций сопряжения с сетями
общего пользования, сеть передачи данных. Аппаратно-программный комплекс
сопряжения каждой станции включает: 4 антенны; приемо-передающую аппаратуру
многостанционного радиодоступа на принципе CDMA; коммутационное оборудование
и средства управления. На территории Земли работает 50 таких станций сопряжения.
В России размещено три наземных сегмента (Москва, Новосибирск, Хабаровск).
Абонентский сегмент системы Globalstar представлен мобильными и стационарными
терминалами. Мобильные терминалы имеют возможность работы в пределах сотовой
сети, а за ее пределами работают в спутниковом режиме. Стационарные устройства
доступа обеспечивают возможность подключения либо к стационарному телефонному
аппарату, либо таксофону. Кроме того, возможна передача трафика данных,
например, для банковских услуг, метеослужб, навигации.
Таблица 3.2 Характеристики
систем радио доступа
Рисунок 3.7 Система Globalstar
Среди беспроводных сетей в последнее время все большее внимание уделяется локальным сетям (ЛВС), построенным на различных технологиях, но пригодных для передачи мультимедийного трафика. Эти технологии базируются на различных диапазонах электромагнитных волн (инфракрасного, радиочастотного дециметрового и сверхвысокочастотного сантиметрового и миллиметрового диапазонов).
Международным стандартом IEEE 802.11 определены правила построения беспроводных локальных сетей. К ним относят: архитектура протоколов доступа, в которой указаны варианты кодирования сигналов, передача и прием битов, информационных и служебных полей данных, регулирование доступа к среде передачи, организация защиты от ошибок и т.д. Основу протокола составляют положения документа IЕЕЕ 802 по организации сети Ethernet, в котором определены функции управления логическим каналом LLC (Logical Link Control) и доступом к среде передачи MAC (Medium Access Control). Подробные сведения по протоколам и процедурам можно найти в [78]. Кроме того, необходимо отметить, что беспроводные локальные сети предназначены для работы на расстояния от 15 м до 200-250 м в закрытых помещениях (рассеянное инфракрасное излучение) и на открытой атмосфере в радиочастотном диапазоне на скоростях передачи данных 1-20 Мбит/с в стационарных и мобильных условиях.
В связи с ростом интереса к многоточечным распределительным услугам связи (радиовещание, телевидение, электронные газеты и т.д.) возникла потребность в разработке стандарта в этой области телекоммуникаций. В 1999 году комитет IEЕЕ 802 создал рабочую группу 802.16 для разработки стандартов широкополосного беспроводного доступа.
Согласно стандарта IEЕЕ 802.16 определены следующие услуги широкополосного доступа: многоадресная передача цифрового аудио и видео, в том числе видеоконференции; цифровая телефония, как альтернатива проводной; передача ячеек АТМ; поддержка передачи дейтаграмм IP; соединение LAN через мосты и т.д. Стандартом предусматривается использование диапазонов радиочастот 2-11 ГГц и 10-66 ГГц. При этом рекомендовано использование для сотового телевидения высокой четкости частот вблизи 30 и 40 ГГц. Радиус действия многоточечных распределительных услуг может составить 2-4 км от базовой станции. Признаны достигаемыми скорости передачи данных до 155 Мбит/с. Услуги при этом могут быть предоставлены через высококачественные каналы, через передачу пакетов переменной длины, через ячейки и пакеты фиксированной длины. Подробную информацию о возможностях сетей стандарта IEЕЕ 802.16 можно найти в [78].
Краткий анализ систем радиодоступа и тенденций развития рынка можно найти в [81]. Необходимо также заметить, что в радиодоступе возможно использование аналоговых технологий первого поколения сотовой связи, например, AMPS (Advanced Mobile Phone System), которые обеспечивают в малонаселенных (сельских) районах большой радиус связи (более 20 км) и достаточное число каналов. Такая система может вполне конкурировать по стоимости с проводным доступом к услугам телефонии и низкоскоростной передачи данных [78].