Некоммерческое акционерное общество

АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра Телекоммуникационных систем

 

 

ТЕХНОЛОГИЯ БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ

Конспект лекций для студентов всех форм обучения специальности 5В070300 – Информационные системы

 

 

 

Алматы 2011

 

            Составители: С.В. Коньшин, Г.Д. Демидова. Технологии беспроводной  связи в информационных системах. Конспект лекций для студентов всех форм обучения специальности  5В070300 – Информационные системы - Алматы: АУЭС, 2011. – 55 с. 

 

           Данная разработка предназначена  для студентов всех форм обучения специальности 5В070300 – Информационные системы

В конспекте лекций рассматриваются описания систем беспроводной связи, основные характеристики стандартов и используемой аппаратуры, а также теоретические основы беспроводной связи, в полной мере охватываются все вопросы, которые должен знать студент после изучения технологий беспроводной связи.

 

  Рецензент: канд. техн. наук, доц. В.В. Артюхин 

 

  Печатается по плану издания некоммерческого акционерного общества "Алматинский университет энергетики и связи" на 2011 г.

 

 © НАО "Алматинский университет энергетики и связи", 2011 г.

 

         Сводный план 2011 г., поз. 364

 

Содержание 

Лекция 1. Введение. История развития сетевых технологий                            4

Лекция 2. Системы беспроводной связи. Индивидуальная радиосвязь           7

Лекция 3. Сотовые системы сотовой связи                                                    11

Лекция 4. Аутентификация и идентификация                                                   16

Лекция 5. Методы многостанционного доступа                                                20

Лекция 6. Транкинговые системы связи                                                             25

Лекция 7. Общие сведенья о системах персональной спутниковой связи     29

Лекция 8.Оптическая радиосвязь                                                                        33

Лекция 9. Технические концепции построения систем БС                              37

Лекция 10. Методы разнесения сигналов                                                          42

Лекция 11. Системы с расширением спектра                                                    43

Лекция 12. Беспроводные локальные сети                                                        48

Список литературы                                                                                              54

 

         Лекция 1. Введение. История развития  сетевых технологий.

        

         Цель лекции:  изучение истории развития сетевых технологий.

         Связь – одна из наиболее динамично развивающихся отраслей инфраструктуры современного общества.

         Беспроводные сети передачи информации, как следует из названия, базируются на совокупности двух групп технологий – беспроводной передачи информации и сетевого взаимодействия. В настоящее время беспроводная связь позволяет реализовать полный спектр информационных услуг: передачу телефонных сообщений, обмен данными, подключение к глобальным информационным сетям, получение и передачу видеоизображений, телевидение и т.д.

         Классификация систем беспроводной связи включает огромное, постоянно увеличивающееся, количество видов, отличающихся назначением и характеристиками, обеспечивающих удовлетворение всех нужд человечества.

         Преимущества беспроводной связи, в отсутствии проводов между входящей в сеть абонентским оборудованием и коммутатором. Будущее человечества представляется без проводных линий, а средства беспроводных коммутаций позволят в соответствии с развиваемыми проектами сэкономить значительное количество тепла, электроэнергии и обеспечат нахождение человека в удобном информационном пространстве. В реализации таких проектов важную роль играют технологии  Bluetooth, ZigBee, Wi - Fi, WiMAX, DECT и др.

         Беспроводные технологии зарождались в 19 веке. В 1892 г. Английский ученый Вильям Крукс теоретически показал возможность и описал принципы радиосвязи. В 1893 г. ученный Никола Тесла продемонстрировал передачу сигналов на расстояние. Тогда это событие не вызвало должного резонанса, возможно, потому что Тесла интересовался беспроводной передачей на расстояние не информации, а энергии.

         С 1878 г. над проблемой беспроводной связи работал Александр Степанович Попов 7 мая 1895 г. на заседании физического отделения Российского физико-химического общества состоялся его исторический доклад «Об отношении металлических порошков к электрическим колебаниям». Тогда А.С. Попов продемонстрировал свой прибор для регистрации грозовых разрядов и высказал мысль о возможности его применения для беспроводной связи. Первая публичная демонстрация прототипа всех грядущих беспроводных систем состоялась 24 марта 1986  г.

 на заседании того же физико-химического общества А.С. Попов передал на расстояние 250 м. первую в мире радиограмму, состоящую из двух слоев «Генрих Герц».

         С 1894 г. успешно экспериментировал с физическими приборами для генерации и регистрации электромагнитных колебаний Г. Маркони, он установил связь  через Атлантику.

         В 1906 г. Ли де Форест создал первую электронную лампу - появилась возможность строить электронные усилители сигналов. С тех пор  беспроводная связь развивается еще более быстрыми темпами.

         С 20-х годов началось коммерческое радиовещание (по средствам амплитудной модуляции). С 1933 г. Э. Армстронг изобрел частотную модуляцию, началось ЧМ - радиовещание.

         В 1946г. компании Bell system и AT&T присутствовали в эксплуатации системы подвижной телефонной связи (MTS). Для полудуплексной связи  использовалось 6 каналов шириной по 60 кГц на частоте 150 МГц, однако из-за межканальной интерференции число каналов сократили до трёх. Система позволяла соединяться с городской телефонной сетью.

         12 августа 1960 г. был выведен на орбиту высотой 1500 км первый спутник связи - американский космический аппарат (КА) «ЭХО - 1». Это был надувной шар с металлизированной оболочкой диаметром 30м, выполняющий функции пассивного ретранслятора.

         В 1962 г. в США на низкие орбиты были запущены- первые спутники с активными ретрансляторами. Мощность их передатчиков не превышала 2 Вт. В 1964 г. впервые спутник связи был выведен на геостационарную орбиту. Создается международный консорциум спутниковой связи Intelsat (International Telecommunications Satellite Organization), который стал крупнейшей международной организацией в области спутниковой связи. Сегодня ее услугами пользуются более чем в 200 странах.

         В 1965 г. был выведен на орбиту и начал успешно работать первый отечественный спутник связи «Молния - 1». Началась эра спутниковой связи.

В истории сетевых технологий очередной этап начался в 60-е годы прошлого столетия и связан с массовым появлением компьютеров. Возникла потребность в передаче большого объема данных, зародилось понятие локальной вычислительной сети. Был разработан механизм коммутации сообщений (пакетов). Большой работой в этой области являлась диссертация Л. Клейнрока «Информационный поток в больших коммутационных сетях».

         В 1964 г. опубликована работа П. Барана «О распределенных коммутациях». В ней были сформулированы принципы избыточной коммуникативности и показаны различные модели формирования коммуникационной системы, способной успешно функционировать при наличии значительных повреждений. Также была создана первая нелокальная компьютерная сеть.

         В 1962 г. А. Харкевичем впервые в мире сформированы основные принципы создание единой сети связи (ЕСС), предугадана важность цифровых методов передачи и коммутации различных видов информации в цифровой форме. Знаковыми для сетевых технологий стали 1967-1968 г., разработана первая локальная вычислительная сеть с пакетной коммутацией. Сеть работала с пиковой скоростью – до 768 кбит/с. Был представлен начальный план сети ARPANET. Леонард Клейнрок построил первый узел ARPANET – прообраз грядущего Интернета. В 1970 г.  появилась первая пакетная радиосеть передачи данных (через спутник) ALOHA. Её разработал и построил Н. Абрамсон. В 1972 г. ALOHA соединили с сетью ARPANET.

         В 1977  г. К. Тамару предложил метод адаптации технологии Ethernet к передачи данных через радиоканал посредством механизма подтверждений. Эта работа заложила основу будущих беспроводных локальных вычислительных сетей. В 1978 г. Бахрейне телефонная компания начала эксплуатацию коммерческой системы беспроводной телефонной связи, которая считается первой в мире реальной системой сотовой связи. Две зоны с 20 каналами в диапазоне 400 МГц обслуживали 250 абонентов. За каждым событием в области беспроводных технологий стоят напряженная работа и выдающиеся достижения специалистов всего мира. Все беспроводные технологии непрерывно развивались в сторону повышения быстродействия и надежности сетей передачи информации, возможности интегрированной передачи данных, голоса и видеоинформации.

          Основополагающим для беспроводных сетей стало массовое появление персональных компьютеров, развитие сотовой телефонии, а также стремительное развитие полупроводниковых технологий (создание дешевых сигнальных процессоров и микроконтроллеров, аналоговых СВЧ интегральных схем). Бурное развитие  беспроводных сетей передачи информации связано с такими их достоинствами:

         1) гибкость архитектуры, возможность динамического изменения топологии сети при подключении, передвижении и отключении мобильных пользователей без значительных потерь времени;

         2) высокая скорость передачи информации (1-10 Мбит/с и выше);

         3) быстрота проектирования и развертывания;

         4) высокая степень защиты от несанкционированного доступа;

         5) отказ от дорогостоящей и не всегда возможной прокладки или аренды оптоволоконного и медного кабеля.

         Дисциплина "Технологии беспроводной связи" является обязательным предметом цикла профильных дисциплин. Цель курса – обучить студентов принципам организации и технологиям беспроводной связи (БС), показать методы разделения каналов; научить методам разнесения сигналов с использованием оптической и радиосвязи, техническим концепциям построения систем БС; рассмотреть системы с расширением спектра, а также принципы построения беспроводных локальных сетей.

         В результате изучения дисциплины студент должен:

         – иметь представление о тенденциях развития технологий БС, о закономерностях, определяющих связь между показателями качества каналов, энергетическими параметрами, показателями эффективного использования полос частот и мощности, экономическими показателями;

         – знать технические концепции построения систем беспроводной связи;  основные параметры радиоканалов и методы определения этих параметров; основные методы расчёта энергетических параметров систем БС и технических параметров сетей; назначение и функциональные схемы центров БС; принципы построения системы сетевого управления;  способы многостанционного доступа и области их применения; технические параметры стандартов систем БС, методы разнесения сигналов; структурные схемы систем с расширением спектра; методы измерения основных характеристик каналов, устройств и систем; принципы построения беспроводных локальных сетей;

         – уметь оценивать и выбирать основные энергетические параметры аппаратуры: радиус ячейки, чувствительность приёмника и т.п., исходя из существующих норм на качество канала и реальных параметров трассы БС; разрабатывать частотно-территориальный план при заданных стандартах системы БС для заданной местности; оптимизировать архитектуру сети БС по комплексным критериям эффективности.

 

         Лекция 2. Системы беспроводной связи. Индивидуальная    радиосвязь

 

         Цель лекции: изучение классификации систем беспроводной связи и ознакомление со стандартами транкинговых систем, спутниковой связи, систем персонального радиовызова и мобильными компьютерами.

         Содержание:

         а) классификация системы беспроводной связи;

         б) индивидуальная радиосвязь.

         Критериев классификации можно разрабатывать достаточно много, они не могут укладываться в четкие границы определенного класса, да и по мере развития устоявшиеся системы могут устаревать. Поэтому остановимся на наиболее популярных способах ранжирования различных беспроводных систем.

         Классифицируются системы беспроводной связи по следующим нескольким признакам:

         а) по способу обработки первичной информации;

1)     аналоговые;

2)     цифровые;

         б) по назначению;

1)     сотовые;

2)     пикосотовые (бесшнуровые телефонные);

3)     транкинговые;

4)     спутниковые;

5)     оптические;

6)     пейджинговые;

         в) по методам многостанционного доступа;

1)     с частотным разделением каналов FDMA;

2)     с временным разделением каналов TDMA;

3)     с кодовым разделением каналов CDMA;

4)     комбинированные;

         г) по способу организации канала связи;

1)     симплексные;

2)     дуплексные;

3)     полудуплексные.

         д ) по ширине полосы передачи;

            1) на узкополосные;

            2) на широкоплосные;

            3) сверхширокополосные;

         е) по локализации абонентов;

            1) на подвижные;

            2) фиксированные;

         ж) по географической протяженности;

           1) персональные;

           2) локальные;

           3) региональные (городские);

           4) глобальные;

         з) по виду передаваемой информации;

           1) на системы передачи речи;

           2) видеоинформации;

           3) передачи данных.

         Совместить практически все технологии в одном терминале позволяет новый стандарт универсальных мобильных телекоммуникационных систем (UMTS), разработанный в 1998-1999 годах.

          Концепция UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) реализуется сейчас в рамках создания подвижных телекоммуникационных радиосистем 3-го поколения. Возможность переключения с одного диапазона на другой, перехода со стандарта на стандарт или со спутникового канала на сотовый позволяет абоненту выбрать тот вид услуг, который в наибольшей степени ему подходит. Поэтому терминалы UMTS являются многорежимными, работающими в сетях нескольких стандартов.

         Многорежимные абонентские аппараты с возможностью доступа как к UMTS, так и к другим системам беспроводной связи, например, GSM позволяет абонентам UMTS сохранить доступ к сотовой связи стандарта GSM там, где услуги  UMTS будут еще недоступны.

         Отличительная особенность транкинговых систем - возможность эффективного использования полосы частот за счет организации свободного доступа к общему частотному ресурсу ретрансляционного пункта, содержащего обычно несколько ретрансляторов, связанных друг с другом с помощью общей шины управления. Гибкая архитектура транкинговых систем позволяет передавать как индивидуальные вызовы, так и вызовы абонентов нескольких групп или сразу всех абонентов сети. Работа станции на излучение в таких системах обычно осуществляется не непрерывно, а лишь по нажатию тангенты радиотелефона, что уменьшает перегруженность эфира.

         Однако существующие сети транкинговой профессиональной связи первого поколения не гарантируют высокой конфиденциальности и надежной защиты от несанкционированного доступа, и, что особенно существенно, не обеспечивают аутентификацию абонентов и идентификацию абонентского оборудования. Эти задачи решены в цифровых системах профессиональной связи второго поколения (АРСО, TETRA), которые призваны заменить огромное число несовместимых друг с другом аналоговых стандартов. B TETRA заложены универсальные технические решения, которые позволяет с минимальными затратами реализовывать систему в разных диапазонах частот и с отличающимися протоколами связи. Наряду с экономией частотного ресурса система TETRA обеспечивает большие возможности в части наращивания технических возможностей, предусматривая в перспективе предоставление услуг 3-го поколения и реализацию разных сценариев внедрения.

         Земные станции беспроводной спутниковой связи первого поколения (стандарт Inmarsat-A) предназначались в основном для создания ведомственных и корпоративных сетей с радиально-узловой структурой с большими центральными станциями. Революционные преобразования в области мобильной спутниковой связи произошли в начале 90-х и были обусловлены тремя факторами: коммерциализацией космических программ, использованием низких и средних орбит и повсеместным переходом на цифровую связь с использованием цифровых сигнальных процессоров. В результате были реализованы несколько проектов глобальных систем спутниковой связи на низких орбитах (Iridium, Globalstar), средневысотных (ICO), и две региональные системы (AceS и Thuraya).

         Транкинг - это метод свободного доступа большого числа абонентов  к ограниченному числу каналов (пучку, стволу или по зарубежной  терминологии - транку). Поскольку в какой - либо момент времени не все абоненты активны, необходимое количество каналов значительно меньше общего числа абонентов. Например, при числе каналов, равном 5 (4 речевых каналов и 1 канал управления), транкинговая система в состоянии обслужить около 300 абонентов.

         В сравнении с сотовыми системами к преимуществам транкинговых радиосистем следует отнести:

         - гибкую систему вызовов – индивидуальный, групповой, вещательный, приоритетный, аварийный и др.;

         - гибкую систему нумерации – от порожних двухзначных до полноценных звуковых номеров;

         - малое время установления соединения – доли секунды против нескольких секунд в сотовых системах;

         - экономичность – по стоимости оборудования и по эксплуатационным расходам простейшие транкинговые радиосистемы в несколько раз экономичнее  сотовых  систем.

         Принцип радиально - зоновых систем наземной под­вижной радиосвязи, осуществляющих автоматическое распределение каналов связи ретрансляторов между абонентами объединяет все транкинговые системы, от простейших SmarTrunk, MPT 1327 до современных TETRA.

         TETRA является европейским стандартом цифровой радиосвязи. Этот стандарт ориентирован, в первую очередь, на пользователей в сфере общественной безопасности, транспорта, коммунальных служб. Стандарт TETRA, применяющий технологию множественного доступа с временным разделением, лучше всего подходит для связи в городских районах с высокой плотностью населения, характерной для стран северо-западной Европы. Он предусматривает работу только в режиме транкинговой связи, использование ограниченных уровней мощности и узких частотных диапазонов.

         Системы персонального радиовызова (пейджинговые системы) сейчас работают в основном в двух основных стандартах: POCSAG и FLEX. Пейджинговые компании Казахстана и стран СНГ в подавляющем большинстве используют POCSAG со скоростями передачи данных 512 или 1200 бит/сек. Частотный диапазон, используемый этими компаниями 138-174 MГц, хотя и есть компании, работающие в диапазоне 435-480 MHz. В странах дальнего зарубежья широко распространен диапазон 929-932 MHz.  Большое достоинство пейджинговых систем – наиболее экономное расходование спектра – на одной частоте производится обслуживание до 10 тысяч абонентов. Однако в связи с развитием и удешевлением цифровых сотовых систем потребность в пейджинговых системах сейчас падает.

         Мобильные компьютеры — это небольшие, обычно портативные устройства, которые используются на расстоянии от офисного настоль­ного компьютера. Они представляют наиболее быстрорастущий сегмент компьютерной индустрии. Все они оснащены как минимум беспроводной инфракрасной связью. Имеются компьютеры еще меньших размеров и более мобильные, нежели компьютеры класса laptop (наколенные). Ноутбуки, субноутбу­ки, ручные (palmtops) и карманные (handholds) компьютеры и персо­нальные цифровые секретари (personal digital assistants), которые объ­единяют функции органайзера, пейджера и сотового телефона, — все это пользующиеся популярностью модернизированные компьютеры.

         Аналитики прогнозируют громадный рост рынка этих новых мобильных  персо­нальных устройств, называющихся PDA, коммуникаторы или смартфоны, поскольку они спроекти­рованы для удобного использования теми, кто перемещается в процессе работы.

         Мобильные компьютеры зачастую работают, когда человек стоит или идет. Пользователь может держать компьютер в одной руке, как можно держать папку, блокнот или сотовый телефон, и работать дру­гой рукой. С компьютерами класса laptop это невозможно. Чтобы быть удобными и удовлетворять требованиям работающих с ними, мобильные компьютеры должны быть меньше, легче, прочнее и проще в работе. Часто пользователям в равной мере будет необходим передвижной и гибкий доступ к удаленным базам данных и центральным ЭВМ с помощью бес­проводных сетей, обычно в форме подвижных радиосетей, соединенных с национальными и международными коммутируемыми телефонными сетями общего пользования.

         Чтобы сделать мобильные компьютеры удобными, имеется целый ряд компьютерных и смешанных (компьютер — подвижная связь) технологий:

         - перьевой ввод и распознавание речи может привести к замене клави­атуры и сделать компьютеры более удобными и функциональными;

         - радиосвязь позволяет пользователям обмениваться информацией в пределах комнаты, здания, города, стра­ны или по всему миру;

         - малогабаритные, более современные микропроцессоры с расширен­ной компактной памятью для хранения больших объемов инфор­мации, и современные цифровые системы радиосвязи могут обрабатывать и передавать данные более эффективно;

         - новые технологии производства элементов питания и эффективное программное обеспечение для управления мощностью позволяют компьютерам и смартфонам работать на одной зарядке батарей более длительные периоды времени.

 

         Лекция 3. Сотовые сети беспроводной связи.

 

         Цель работы: изучение сотовых систем связи и систем беспроводного доступа, ознакомление с составом мобильных и базовых станций.

         Содержание:

         а) понятие о территориальном планирование и кластере;

         б) элементы сетей сотовой связи.

         С развитием  техники системы радиотелефонной связи совершенствовались: уменьшались габариты устройств, осваивались новые частотные диапазоны, улучшалось базовое и коммутационное оборудование.

         В середине 40-х годов исследовательский цент Bell Labs американской компании АТ&Т предложил идею разбиение обслуживаемой территории на небольшие участки – соты (cell – ячейка, сота). Каждая сота должна была обслуживаться передатчиком с ограниченным радиусом действия и фиксированной частотой. Это позволило без взаимных помех использовать ту же самую частоту повторно в другой ячейке (соте). Но прошло 30 лет прежде , чем такой принцип организации связи был реализован на аппаратном уровне.

         Всю обслуживаемую территорию можно разделить на соты двумя способами:

1)     основанном на измерении статистических характеристик распространения сигналов в системах связи;

2)     основанном на измерении или расчете параметров распространения сигналов для конкретного района.

         При реализации первого способа всю обслуживаемую территорию делят на одинаковые по форме соты, а затем с помощью законов статистической радиофизики определяют их размеры и расстояния до других зон, в пределах которых выполняются условия взаимного влияния.

         Для оптимального (т.е. без перекрытия или пропусков) разделения территории на соты могут быть использованы только три геометрические фигуры: треугольник, квадрат и шестиугольник. Наиболее подходящим является  шестиугольник, так как если антенну с круговой диаграммой направленности установить в его центре, то будет обеспечен доступ почти ко всей соте.

         При использовании первого способа  интервал между сотами, в которых используются одинаковые рабочие каналы, обычно получается больше требуемого для обеспечения допустимого уровня взаимных помех.

         Более приемлем второй способ разделения на зоны обслуживания. В этом случае тщательно измеряют  или рассчитывают параметры систем для минимального количества базовых станций, обеспечивающих удовлетворительное обслуживание абонентов на всей территории, определяют оптимальное место расположения базовых станции с учетом рельефа местности, возможность использования направленных антенн, пассивных ретрансляторов и смежных центральных станций в момент пиковой нагрузки и т.д.

         Принцип построения цифровых ССПС позволили применить при организации сотовых сетей новые более эффективные модели повторного использования частот, чем в аналоговых сетях. В результате без увеличения общей полосы частот системы связи значительно возросло число каналов на соту.

         Группа сот с различным набором частот называется кластером.

Определяющим параметром кластера является размерность – количество используемых в соседних сотах частот. Размерность кластера, равна семи    (см. рисунок 1).

         Базовые станции, на которых допускается повторное использование выделенного набора частот, удалены друг от друга на расстояние D, называемое защитным интервалом.

         Смежные базовые станции, использующие различные частотные каналы, образуют группу из С станций. Если каждой базовой станции выделяется набор из m каналов с шириной полосы F_k каждого, то общая ширина полосы F_c , занимаемой данной системой сотовой связи составит

     F_c  = F_k ×m×C ,

 .

         Таким образом, величина С определяет минимальное возможное количество каналов систем, и поэтому ее называют частотным параметром системы или коэффициентом повторения частот. Коэффициент С не зависит от количества используемых каналов и увеличивается по мере уменьшения радиуса ячейки.

        Таким образом, при использовании сот меньших размеров можно увеличить повторяемость частот. Наилучшее соотношение между С и D обеспечивается в шестиугольной соте.

         Размер соты R определяет защитный интервал D между сотами, в которых одни и те же частоты могут быть использованы повторно. Значение D зависит также от допустимого уровня помех и условий распространения радиоволн. Размер R определяется также количеством абонентов N, способных вести переговоры на всей территории обслуживания. Следовательно, уменьшение этого размера позволит не только повысить эффективность использование выделенной полосы частот и увеличить абонентскую емкость системы, но и уменьшить мощность передатчика и чувствительность приемников БС и ПС.

          Параметр q=  называется коэффициентом уменьшения соканальных помех или коэффициентом соканального повторения.

 

R – размет соты;  D – защитный интервал .

         Рисунок 1– Модель повторного использования частот для семи сот

      

         Эффективным способом снижения уровня соканальных помех, то есть помех по совпадающим частотным каналам, может быть использование секторных антенн. В секторе направленной антенны сигнал излучается в одну сторону, а уровень излучения в противоположном направлении сокращается до минимума. Секторизация сот позволяет более часто применять частоты в сотах при одновременном снижения помех.

         Следующий шаг развития сотовых систем подвижной связи после введения цифровой технологии – переход к микросотовой структуре сетей. При радиусе сот несколько сотен метров их емкость может быть увеличена в 5-10 раз по сравнению с макросотами. Кроме того, возможно применение абонентских радиостанций существующих стандартов цифровых ССПС наряду с портативными маломощными абонентскими радиостанциями, служащими основой для создания систем персональной связи (PCS).

Микросотовая структура СПС органически сочетается с макросотами. Микросоты строятся на основе БС небольшой мощности, обслуживающих участки улиц, помещения в зданиях. Микросотовая структура может рассматриваться как развитие оборудования макросотовой БС, с управлением одного контроллера и взаимным соединением при помощи линий со скоростью передачи 64 кбит/с. Микросоты берут на себя нагрузку от медленно перемещающихся абонентов, например, пешеходов и неподвижных автомобилей.

Принципы построения создаваемых микросотовых сетей подвижной связи отличаются от существующих для макросотовых сетей. К таким отличиям относится отсутствие частотного планирования и «эстафетная передача» (handover).

Первое отличие связано с тем, что в условиях микросот трудно спрогнозировать условия распространения радиоволн и дать оценку уровня соканальных помех. Поэтому практически невозможно применить принципы частотного планирования в микросотах. Фиксированное распределение каналов приводит к низкой эффективности использования спектра частот. По данным причинам в микросотовых сетях связи действует процедура автоматического адаптивного распределения каналов (АРК) связи, реализованная в европейском стандарте DECT на цифровые системы беспроводных телефонов общего пользования.

Что касается второго отличия, то в микросотовых сетях в процессе обычного телефонного соединения число переключений между БС возрастает, и для обеспечения непрерывности связи необходимы новые быстродействующие алгоритмы переключения (handover).

В существующих цифровых ССПС применяют алгоритмы принудительного переключения, относящиеся к классу распределенных алгоритмов, которые работают значительно быстрее, чем централизованные алгоритмы аналоговых ССПС. В микросотовой структуре нет необходимости загружать сеть измерением уровня радиосигнала для принятия решения о переключении. Функции измерения переданы подвижной станции, которая передает его результаты на БС. ЦК подвижной связи не задействуется до тех пор, пока не будет выполнено фактическое переключение.

Впервые микросотовая структура сетей связи была реализована в системах беспроводных телефонов.

Микросотовая структура используется при реализации сетей в рамках концепции персональной связи (PCN), которые в Европе создаются на основе стандарта DCS-1800, предусматривающем соответствие радиоинтерфейса стандарту GSM. В структуру сетей вводятся пикосоты с радиусом действия 10-60 м, предназначенные для обслуживания абонентов в городских районах с большой плотностью населения и в закрытых зонах (подземные гаражи, вокзалы и т. д.). Применение пикосот – еще один шаг к повышению емкости ССПС.

Системы сотовой связи строятся в виде совокупности ячеек (сот), покрывающих обслуживаемую территорию. В центре каждой ячейки находится базовая станция (БС), обслуживающая все подвижные станции (ПС) в пределах своей ячейки. При перемещении абонента из одной ячейки в другую происходит передача его обслуживания от одной БС к другой. Все БС соединены с центром коммутации (ЦК) подвижной связи по выделенным проводным или радиорелейным каналам связи. С центра коммутации имеется выход на ТФОП. Упрощенная схема состава сети сотовой подвижной связи приведена на рисунке 2.

Система сотовой связи может включать более одного ЦК, что может быть обусловлено эволюцией развития сети или ограниченностью емкости коммутационной системы. Один из нескольких ЦК условно можно назвать головным, шлюзовым или транзитным.

В простейшем случае система содержит один ЦК, при котором имеется домашний регистр, и она обслуживает относительно небольшую замкнутую территорию, с которой не граничат территории, обслуживаемые другими системами. Если система обслуживает большую территорию, то она может содержать два и более ЦК, из которых только при «головном» имеется домашний регистр, но обслуживаемая системой территория по-прежнему не граничит с территориями других систем. В обоих этих случаях при перемещении абонента между ячейками одной системы происходит передача обслуживания, а при перемещении на территорию другой системы – роуминг. Если система граничит с другой ССС, то при перемещении абонента из одной системы в другую имеет место межсистемная передача обслуживания.

                                                                     

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2 -  Состав сети сотовой подвижной связи

 

         В состав подвижной станции (ПС) входят: блок управления; приемопередающий блок; антенный блок. 

Контроллер БС (компьютер) обеспечивает управление работой станции, а также контроль работоспособности всех входящих в нее блоков и узлов.

Для обеспечения надежности многие узлы и блоки БС резервируются (дублируются), в состав станции включаются автономные источники бесперебойного питания (аккумуляторы).

Центр коммутации – это автоматическая телефонная станция ССС, обеспечивающая все функции управления сетью. ЦК осуществляет постоянное слежение за ПС, организует их эстафетную передачу, в процессе которой достигается непрерывность связи при перемещении ПС из соты в соту и переключение рабочих каналов в соте при появлении помех или неисправностей. На ЦК замыкаются потоки информации со всех БС, и через него осуществляется выход на другие сети связи – станционную телефонную сеть, сети междугородной связи, спутниковой связи, другие сотовые сети. В состав ЦК входит несколько процессоров (контроллеров).

 

         Лекция 4.  Аутентификация и идентификация.

 

         Цель лекции: изучить алгоритм функционирования ССС, процедуру аутентификации и идентификации.

         Содержание:

         а) алгоритм функционирования сотовых систем связи;

         б) схемы аутентификации и идентификации.

Радиотелефон в ожидании – приемное устройство постоянно сканирует либо все каналы, либо только управляющие. Для вызова абонента всеми БС сотовой системы связи по КУ передается сигнал вызова. Мобильный телефон вызываемого абонента при получении этого сигнала отвечает по одному из свободных КУ. БС, принявшие ответный сигнал, передают информацию о его параметрах в ЦК, который переключает разговор на ту БС, где зафиксирован максимальный уровень сигнала радиотелефона вызываемого абонента.

         При наборе номера радиотелефон занимает один из свободных каналов, уровень сигнала БС в котором в данный момент максимален. По мере удаления абонента от БС, или при ухудшении условий распространения радиоволн, или из-за влияния помех, или при возникновении неисправностей коммутационного оборудования уровень сигнала уменьшается, ухудшается качество связи.

Улучшение качества разговора достигается путем автоматического переключения абонента на другой канал связи. Специальная процедура; передача управления вызовом или эстафета передачи (handover или handoff), позволяет переключить разговор на свободный канал другой БС, в зоне действия которой оказался в это время абонент. Для контроля таких ситуаций БС снабжена специальным приемником, периодически измеряющим уровень сигнала мобильного телефона разговаривающего абонента и сравнивающим его с допустимым пределом.  Если уровень сигнала меньше этого предела, то информация об этом автоматически передается в ЦК по служебному каналу связи. ЦК выдает команду об измерении уровня сигнала радиотелефона абонента на ближайшие к нему БС. После получения информации от БС об уровне этого сигнала ЦК переключает радиотелефон на ту из них, где уровень сигнала оказался наибольшим.

При превышении потока заявок количества свободных каналов как временная мера используется эстафета передачи внутри соты. При этом происходит поочередное переключение каналов в пределах одной и той же БС для обеспечения связью всех абонентов.

Одна из важных услуг сотовой связи – роуминг, позволяющий использовать радиотелефон при поездке в другой город, страну и пр.

В работе ПС в пределах одной ячейки выделяется четыре этапа, соответственно четыре режима работы: включение и инициализация, режим ожидания, режим установления связи (вызова), режим ведения связи (телефонного разговора).

Включается ПС (замыкается цепь питания), производится инициализация – начальный запуск, т.е. происходит настройка ПС на работу в составе системы – по сигналам, регулярно подаваемым БС по КУ, после чего ПС переходит в режим ожидания. Конкретное содержание этапа инициализации зависит от используемого стандарта сотовой связи.

В режиме ожидания ПС отслеживает: изменения информации системы –   эти изменения могут быть связаны как с изменением режима работы системы, так и с перемещением самой ПС; команды системы – например, команде подтвердить свою работоспособность; получение вызова со стороны системы; инициализацию вызова со стороны собственного абонента.

ПС может периодически (раз в 10 – 15 минут) подтверждать свою работоспособность, передавая соответствующие сигналы на БС (подтверждение «регистрации» или уточнение местоположения). В ЦК для каждой из включенных ПС фиксируется ячейка, в которой она «зарегистрирована», что облегчает процедуру вызова мобильного аппарата. Если ПС не подтверждает свою работоспособность в течение определенного промежутка времени, ЦК считает ее выключенной, и поступающий на ее номер вызов не передается.

Процедура установления связи заключается в том, что вызов номера, поступивший от МА, ЦК направляет на БС той ячейки, в которой  «зарегистрирован» ПС, или на несколько БС в окрестностях этой ячейки с учетом возможного перемещения абонента за время, прошедшее с момента последней «регистрации», а БС передает его по соответствующим каналам вызова.  ПС, находящаяся в режиме ожидания, получает вызов и отвечает на него через свою БС, передавая одновременно данные, необходимые для проведения процедуры аутентификации. При положительном результате аутентификации назначается КТ (канал трафика), и ПС сообщается номер соответствующего частотного канала. ПС настраивается на выделенный канал и совместно с БС выполняет необходимые действия по подготовке сеанса связи. На этом этапе ПС настраивается на заданный номер слота  в кадре, уточняет задержку во времени, подстраивает уровень излучаемой мощности и т. п. Выбор временной задержки производится с целью временного согласования слотов в кадре (на прием в БС) при организации связи с ПС, находящимися на разных дальностях от БС. При этом временная задержка передаваемой ПС пачки регулируется командами БС.

Затем БС выдает сообщение о подаче сигнала вызова (звонка), которое подтверждается ПС, и вызывающий абонент отвечает на вызов (снимает трубку), ПС выдает запрос на завершение соединения. С завершением соединения начинается собственно сеанс связи – абоненты ведут разговор.

В процессе разговора ПС производит обработку передаваемых и принимаемых сигналов речи, а также передаваемых вместе с речью сигналов управления. По окончании разговора происходит обмен служебными сообщениями между ПС и БС (запрос или команда на отключение с подтверждением), после чего передатчик ПС выключается, и станция переходит в режим ожидания.

Общая нагрузка на канал связи определяется в Эрлангах:

где n – количество сеансов связи в час;

Т – среднее время сеанса связи в секундах.

n=100; Т=10; А=0,28 Эрл.

Аутентификация – процедура подтверждения подлинности (действительности, законности, наличие прав на пользование услугами сотовой связи) абонента ССС. Каждый подвижный абонент на время пользования системой связи получает стандартный номер подлинности абонента (SIM-карту),который содержит:

-международный идентификационный номер подвижного абонента (IMSI);

-свой индивидуальный ключ аутентификации (Ki);

-алгоритм аутентификации (АЗ).

С помощью заложенной в SIM информации, в результате взаимного обмена данными между ПС и ССС осуществляется полный цикл аутентификации и разрешается доступ абонента к сети.

Процедура проверки сетью подлинности абонента реализуется следующим образом

Сеть передает случайный номер (RAND) на подвижную станцию. Подвижная станция определяет значение отклика (SRES), используя RAND, Ki и АЗ:

SRES = Ki [RAND].

ПС посылает вычисленное значение SRES в сеть, которая сверяет значение принятого  SRES, со значением SRES, вычисленным сетью. При совпадении обеих значений ПС может осуществлять передачу сообщений. В противном случае связь прерывается, и индикатор подвижной станции должен показать, что опознавание не состоялось.

По причине секретности вычисление SRES происходит в рамках SIM. Несекретная информация не подвергается обработке в модуле SIM.

Процедура аутентификации показана на рисунке 3.

                          

Рисунок 3 – Схема процедуры аутентификации

 

         Идентификация – процедура отождествления ПС, т. е. процедура установления принадлежности к одной из групп, обладающих определенными признаками. Эта процедура используется для выявления утерянных, украденных или неисправных аппаратов.

В аналоговых ССС первого поколения при аутентификации ПС передавала свой идентификатор (электронный серийный номер – Electronic Serial Number, ESN), и если он отыскивался среди зарегистрированных в домашнем регистре, то процедура аутентификации считалась успешно выполненной.

Идея процедуры аутентификации в цифровой ССС заключается в шифровании некоторых паролей-идентификаторов с использованием квазислучайных чисел, периодически передаваемых на ПС и ЦК, и индивидуального для каждой ПС алгоритма шифрования.

Такое шифрование, с использованием одних и тех же исходных данных и алгоритмов, производится как на ПС, так и в ЦК (или в центре аутентификации), и аутентификация считается закончившейся успешно, если оба результата совпадают.

 Секретность передачи данных

Механизм защиты заключается в том, что все конфиденциальные сообщения должны передаваться в режиме защиты информации. Алгоритм формирования ключей шифрования (А8) хранится в модуле SIM. После приема случайного номера RAND ПС вычисляет , кроме отклика SRES, также и ключ шифрования (Кс), используя RAND, Ki и алгоритм А8 – см. рисунок 1,11.

Кс = Ki [RAND].

Ключ шифрования не передается по радиоканалу. Как подвижная станция, так и сеть вычисляют ключ шифрования, который используется другими подвижными объектами. По причине секретности вычисление Кс происходит в SIM.

 

Ki                                                  RAND                                  A8                                                                             Кс

                Рисунок 4 – Схема вычисления ключа шифрования

 

Кроме случайного числа RAND ССС посылает ПС числовую последовательность ключа шифрования. Это число связано с действительным значением Кс и позволяет избежать формирования неправильного ключа. Число хранится ПС и содержится в каждом первом сообщении, передаваемом в сеть. Некоторые сети принимают решение о наличии числовой последовательности действующего ключа шифрования в случае, если необходимо приступить к опознаванию или, если выполняется предварительное опознавание, используя правильный ключ шифрования:

- Установка режима шифрования.

- Обеспечение секретности абонента.

- Обеспечение секретности в процедуре корректировки     местоположения.

- Передача обслуживания.

 

Лекция 5. Методы многостанционного доступа.

 

Цель лекции: изучение классификации и основных характеристик стандартов многостанционного доступа.

Содержание:

а) классификация стандартов многостанционного доступа;

б) множественный доступ на основе частотного разделения каналов;

в) множественный доступ на основе временного разделения каналов;

г) множественный доступ на основе кодового разделения каналов.

Рассмотрим три базовых метода многостанционного доступа: FDMA, TDMA, CDMA.

FDMA - множественный доступ с частотным разделением.

Из всего доступного диапазона каждому абоненту выделяется своя полоса частот, которую он может использовать все 100% времени. Таким образом не временной фактор, а только лишь различия в частоте используются для разделения (дифференциации) абонентов. Подобный подход имеет заметное преимущество: вся информация передается в "реальном времени", и абонент получает возможность использовать всю полосу пропускания, выделенного ему сегмента. Ширина полосы сегмента может варьироваться в зависимости от используемой системы связи.

TDMA - множественный доступ с временным разделением.

Стандарт TDMA активно используется современными цифровыми системами беспроводной связи. В отличие от систем частотного разделения, все абоненты системы TDMA работают в одном и том же диапазоне частот, но при этом каждый имеет временные ограничения доступа. Каждому абоненту выделяется временной промежуток (кадр), в течении которого ему разрешается "вещание". После того, как один абонент завершает вещание, разрешение прередается другому, затем третьему и т.д. После того, как обслужены все абоненты, процесс начинается сначала. С точки зрения абонента его активность носит пульсирующий характер. Чем больше абонентов, тем реже каждому из них предоставляется возможность передать свои данные, тем, соответственно, меньше данных он сможет передать. Если ограничить потребности (возможности) абонента известной величиной, можно оценить количество пользователей, которых реально сможет обслужить система с таким способом разделения среды. Временное разделение, как правило, накладывается на частотное разделение, и вещание ведется в выделенной полосе частот.

По причине ограниченности ресурсов радиосоединения, предоставляемых в совместное использование большому количеству пользователей, метод управления радиоресурсами должен позволять разделять радиоресурсы на максимально возможное количество частей. Метод, избранный стандартом GSM, представляет из себя комбинацию методов разделения времени и частоты (Time-Division Multiple Access и Frequency-Division Multiple Access - TDMA/FDMA). Часть FDMA включает в себя разделение по частоте полосы, шириной до 25 Mhz, на 124 несущих полосы, разделенных между собой полосами по 200 kHz. Одна или несколько несущих частот приписываются к каждой базовой станции. К каждой из этих несущих частот применяется механизм разделения времени, используя схему TDMA. Основной единицей времени в схеме TDMA является период пакета (burst period) - промежуток времени равный 15/26 ms (что составляет приблизительно 0.577 ms). Восемь таких промежутков времени группируются в TDMA фрейм (frame - 120/26 ms или 4.615 ms), который является основной единицей для определения логических каналов. Физическим каналом является собственно пакет (burst period) в TDMA фрейме. Каналы определяются по номеру и расположению соответствующего пакета. Все эти определения цикличны, с циклом, примерно составляющим 3 часа. Каналы могут быть подразделены на две основные группы: выделенные (dedicated channels) - динамически выделяемые для каждой мобильной станции, и общего назначения (common channels) - используемые мобильной станцией в пассивном состоянии.

Трафик канал (traffic channel - TCH) - используется для передачи речи и данных. Трафик канал представляет из себя состоящий из 26 TDMA фреймов мультифрейм. Длина этого мультифрейма - 120 ms. Двадцать четыре фрейма  используются для собственно трафика, один - для Медленного Ассоциированного Управляющего Канала (SACCH - Slow Associated Control Channel) и один - пока не задействован (2nd). Трафик каналы для исходящих и входящих данных разделяются по времени периодом времени в три пакета (burst period), таким образом, каждая сторона не должна осуществлять прием и передачу одновременно, что, в свою очередь, упрощает электронику. В дополнение к этим полноскоростным (full-rate) каналам также существуют полускоростные (half-rate) TCH. Полускоростные каналы призваны повысить возможности системы по передаче данных примерно в два раза (т.е. кодирование речи в 7kbps, вместо 13kbps). Также специфицированы и восьмискоростные TCH, но они служат для обмена сигналами. В рекомендациях они называются Отдельно стоящими Выделенными Управляющими Каналами (SDCCH - Stand-alone Dedicated Control Channels).

CDMA - множественный доступ с кодовым разделением.

Каналы трафика при таком способе разделения среды создаются присвоением каждому пользователю отдельного кода, который распространяется по всей ширине полосы. В данном случае не существует временного разделения, и все абоненты постоянно используют всю ширину канала. Нужно заметить, что полоса частот, выделяемая для организации одного канала, очень широка. Вещание абонентов накладываются друг на друга, но поскольку их коды отличаются, они могут быть легко дифференцированы.

В случае использования стандатра CDMA сигнал может быть принят при наличии высокого уровня помех, но при этом сохраняется то же самое или более высокое качество передачи. Все абоненты совместно используют один и тот же частотный ресурс. В стандарте CDMA одна и та же полоса частот используется в каждой соте и в каждом секторе секторизованной соты. В данном случае модель повторного использования частот выглядит как N=1. Эта модель N=1 является тем условием, которое обеспечивает для стандарта CDMA более высокую пропускную способность (емкость) по сравнению с другими технологиями. Помехи, создаваемые другими абонентами и другими базовыми станциями, представляют собой фактор, в конечном итоге определяющий верхний порог пропускной способности сети стандарта CDMA. При разработке первичной сети целью является сведение к минимуму общего уровня помех. В стандарте CDMA существует множество способов снизить уровень помех и довести до максимума емкость сети.

Системы с многостанционным доступом на основе кодового разделения каналов (МДКРК) представляют собой развитие систем с прямым расширением спектра с помощью псевдослучайных последовательностей (ПСП) и систем, с расширением спектра путем перестройки рабочей частоты. Они создают основу для многостанционной связи. В системе МДКРК каждому пользователю выделена отдельная, отличающаяся от других ПСП (см. рисунок 5). Если эти ПСП взаимно некоррелированны, то в пределах одной соты К независимых абонентов могут передавать сообщения одновременно, занимая одну и ту же полосу радиочастот. В приемниках осуществляется корреляционная обработка сигналов (сжатие спектра), в результате чего происходит восстановление переданных сообщений di(t) = 1,...К.

Рисунок 5 - Совместное использование спектра в МДКРК

 

Ha рисунке 5 показана концепция совместного использования спектра в системе МДКРК на примере К с 10 несущих с прямым расширением спектра. Если предположить, что 10 мобильных передатчиков осуществляют передачу одновременно, то на входе приемника базовой станции будут присутствовать 10 перекрывающихся во времени и по частоте сигналов. То же и в приемнике мобильной станции. Если мощности всех принимаемых сигналов считать равны Рs, и толькo один полезный сигнал интерферирует с остальными девятью МДКРК сигналами равной мощности, то отношение сигнал/помеха (C/I) нa РЧ входе приемника будет равно 1/9 или (C/JT) = -9,54 дБ. Такое отрицательное значение отношения сигнал/помеха обусловлено внутрисистемной помехой, создаваемой девятью другими несущими с прямым расширением спектра, одновременно занимающими ту же самую полосу частот, что и несущая полезного сигнала.

         В результате корреляционной обработки (сжатие спектра) это отрицательное значение отношения несущая/помеха (C/I) в широкой полосе радиочастот преобразуется в положительное значение отношения сигнал/помеха (S/I) в узкой полосе модулирующих частот. Отношение сигнал/помеха в полосе модулирующих частот должно быть достаточно высоким, чтобы гарантировать достижение относительно низких значений Ре. Значение отношения сигнал/помеха (S/I) в полосе модулирующих частот выбирается на несколько децибелов выше по сравнению с отношением сигнал/шум (S/N).

В системах с прямым расширением спектра все каналы передачи сообщений (каналы трафика) в пределах одной соты одновременно совместно используют одну и ту же полосу радиочастот, т.е. радиоканал. Соседние соты могут использовать либо те же самые, либо соседние частотные каналы. Некоторые из подвижных объектов могут располагаться близко к базовой станции, а другие далеко от нее. Сильный сигнал, принимаемый базовой станцией от близкорасположенного подвижного объекта, будет маскировать слабый сигнал, принимаемый от удаленного подвижного объекта. Помеха этого вида представляет серьезную проблему при проектировании и применении МДКРК систем.

Управление мощностью позволяет снизить уровень помехи «ближний-дальний». Идеальная схема управления мощностью обеспечивает равенство мощностей всех принимаемых базовой станцией сигналов подвижных объектов, расположенных в данной соте, независимо от перемещений, потерь при распространении радиоволн и/или расположения подвижного объекта. Измеренный уровень принимаемого пилот-сигнала на подвижном объекте позволяет оценить потери при распространении радиоволн от передатчика базовой станции до приемника подвижного объекта. По результатам оценки потерь на подвижном объекте формируется сигнал управления передаваемой мощностью, и устанавливается необходимая мощность передатчика. Эта процедура повторяется с необходимой скважностью и благодаря этому достигается адаптивное управление с разомкнутой петлей. Здесь предполагается, что потери при распространении в прямой и обратной радиолиниях одинаковы. Однако регулирование с разомкнутой петлей не всегда может обеспечивать достаточную точность и качество.

Реальная точность управления мощностью с помощью замкнутой ТхРС петли равна 1,5 дБ. В идеальном случае она должна быть равна 0 дБ. Это означает, что все переданные сигналы от различных подвижных объектов должны быть приняты с одинаковой мощностью, т.е. разность их уровней равна 0 дБ. Это позволяет разрешить проблему близкорасположенного и удаленного пользователей и оптимизировать (максимизировать) емкость сотовых МДКРК систем.

 

Лекция 6. Транкинговые системы связи.

 

         Цель: изучение транкинговых систем; ознакомление с составом и классификацией.

         Содержание:

         а) упрощенная структура транкинговой системы;

         б) классификация транкинговых систем.

         Во всем мире  системы административного и производственно-технологического назначения строятся на базе транкинговых и конвенциональных систем. Тракинговые системы связи прочно заняли свое место в общей структуре профессиональной связи.

          Профессиональные системы предназначены для корпоративных групп абонентов – бригад скорой помощи, МЧС, пожарных, ФБС, милиции и т.д. Системы подвижной связи со свободным и равным доступом мобильных станций к общему частотному диапазону позволяют абонентам работать на любом переговорном канале сети.

         Поиск свободного канала может производиться различными способами. В первом случае функции поиска свободного канала и вызывного сигнала возлагается на абонентскую станцию, осуществляющую последовательный (сканирующий) поиск незанятого канала во всем выделенном диапазоне частот, за счет использования устройств автоматического поиска вызывного канала (АПВК). В другом случае анализ занятости каналов связи возлагается на подсистему управления PMR (Professional Mobile Radio). При этом назначение свободного (вызывного) канала связи абонентской станции осуществляется по каналу управления.

         В первом случае на каждом канале осуществляется вся процедура вхождения в связь, включая попытку тактовой и циклической синхронизации. Таким образом, время установления канала связи многократно увеличивается относительно времени установления канала связи при фиксированным закреплении каналов за отдельными группами абонентов. Поэтому АПВК эффективно при небольшом (5 – 8) количестве каналов связи.

В целях обеспечения оперативности управления в современных PMR и PAMR (Public Access Mobile Radio – телефонные сети общего пользования) анализ занятости каналов связи осуществляется системой управления связью на основе использования специального канала, через который обеспечивается полное управление функционированием сети, включая процедуры установления и прекращения связи. Важно, чтобы в сети связи имелась возможность оперативного переключения организационного канала на другую частоту при появлении помех, а также автоматическое переключение на исправный канал при выходе из строя работающего канала связи или снижения его выходной мощности.

Использование централизованного принципа организации связи с отдельным каналом управления определяет необходимость обмена сообщениями через вынесенные приемопередающие (базовые) станции. Этот недостаток устранен в перспективном общеевропейском стандарте транкинговой связи «TETRA», где предусматривается режим прямой связи абонентов без участия центра. Для этого в мобильные станции встроены специальные микропроцессоры, позволяющие им сканировать запрограммированные частоты сети, передавать при каждом выходе в эфир собственный код, код входа в систему и номер вызываемого абонента.

         

БПС                        МС                                                                                   БПС          ТК             МС                                                                       ЦКС              ТСОП                                                                                      БПС               МС                                             ТК

 

 

 

МС – мобильная станция;

БПС – базовая приемопередающая станция;

ТК – телефонный канал;

ЦКС – центр коммутации связи;

ТСОП – телефонная сеть общего пользования.

 

Рисунок 6 -  Упрощенная структура транкинговой системы мобильной

                      связи

 

         Системы подвижной связи обеспечивают своих абонентов качественной связью не только в пределах какой-либо отдельно взятой территории (город, область и пр.), но и в глобальном масштабе (страна, континент). Такой режим работы называется роумингом (от англ. roam – скитаться, блуждать). Для организации роуминга необходимо, чтобы системы использовали один и тот же стандарт или имели специальное оборудование, позволяющее абонентам систем разных стандартов связываться друг  с другом.

По принципу организации различают три вида роуминга:

- ручной – простой обмен одного средства связи на другое;

-полуавтоматический, когда абоненту необходимо сначала зарегистрироваться у местного оператора;

- автоматический – предоставляющий абоненту возможность выйти на связь « в любое время и в любом месте».

Общей тенденцией развития профессиональных систем подвижной радиосвязи является переход от аналоговых стандартов к единым международным цифровым стандартам, обеспечивающим: конфиденциальность и повышение качества связи, более эффективное использование частотного диапазона, роуминг для всех абонентов и возможность передачи данных с высокой скоростью.

Первая цифровая транкинговая система EDACS (Enhanced Digital Access Communication System) была разработана и внедрена в скандинавских странах для обслуживания полиции.

Переход к цифровым методам передачи позволит обеспечить:

- одновременную передачу речевых сообщений и данных в формате стандартных цифровых сигналов;

- совместную передачу информационных сообщений и сигналов управления без взаимного мешающего влияния;

- интеграцию (при достаточно низком уровне затрат) существующих сетей радиосвязи с вновь разрабатываемыми;

- стабильно высокий уровень разборчивости передаваемых речевых сообщений в условиях всего диапазона дальности связи;

- надежную и технически несложную защиту передаваемых сообщений от подслушивания;

- непрерывный контроль качества функционирования каналов связи.

Основными требованиями, предъявляемыми абонентами и операторами к профессиональным системам подвижной связи, являются:

- обеспечение связи в заданной зоне обслуживания независимо от местоположения абонентов;

- возможность взаимодействия отдельных групп абонентов и организация циркулярной связи;

- оперативность управления связью, в том числе на различных уровнях;

- обеспечение связи через центры управления;

- возможность приоритетного установления каналов связи;

- низкие энергетические затраты подвижной станции;

- конфиденциальность переговоров.

Классификация транкинговых систем радиосвязи.

Различные системы транкинговой связи в чем-то похожи, а в чем-то отличаются друг от друга. Транкинговые системы можно классифицировать по нескольким группам признаков. В общем, практически существующие транкинговые системы связи можно разделить по следующим параметрам:

а) способ передачи голосовых сообщений:

1) аналоговые;

2) цифровые;

б) организация доступа к системе:

1) выделенным каналом управления;

2) с распределенным каналом управления;

в) способ предоставления (удержания) канала:

1) на время установленное;

2) на время всего разговора;

г) конфигурация радиосети:

1) однозоновые;

2) многозоновые;

д) способ организации  радиоканала:

1) симплексный;

2) полудуплексный;

3) дуплексный;

е) назначение:

1) ведомственные;

2) общего пользования;

3) смешанные;

ж) количество абонентов:

1) малые;

2) средние;

3) большие;

з) применяемые протоколы:

1) открытые;

2) закрытые.

Различат системы с выделенным частотным каналом управления и системы с распределенным каналом управления. В системах первого типа передача данных в канале управления производится со скоростью до 9,6 Кбит/с, а для разрешения конфликтов используются протоколы типа ALOHA.

Выделенный канал управления имеют все транкинговые системы протокола МРТ1327, системы фирмы Motorola (Startsite, Smartnet, Smartzone). Система EDACS фирмы Ericsson и некоторые другие.

В системах с распределенным каналом управления информация о состоянии системы и поступающих вызовах распределена между низкоскоростными субканалами передачи данных, совмещенными со всеми рабочими каналами. Таким образом, в каждом частотном канале системы передается не только речь, но и данные канала управления.

В зависимости от количества базовых станций и общей архитектуры различают однозоновые и многозоновые системы. Первые располагают лишь одной базовой станцией, вторые- несколькими БС с возможностью роуминга.

Симплекс- радиосвязь в которой, используется одна частота, как для приема, так и для передачи.

Дуплекс- радиосвязь осуществляется одновременно на двух частотах. На одной - прием, а на другой- передача.

Полудуплекс- радиосвязь осуществляется с использованием двух частот: приемной и передающей, но, по сравнению с дуплексом, не одновременно, а поочередно. Сигнал принимается на одной частоте, а передается на другой. В один момент времени абонент может находится либо в режиме «прием» либо «передача».

 

     Лекция 7. Общие сведенья о системах персональной спутниковой связи.

 

        Цель лекции: изучение видов и структур спутниковых систем связи.

         Содержание:

         а) достоинства ССС, классификация в зависимости от вида представляемых услуг;

         б) структура и диапазоны частот отводимые для ССС.

         Системы персональной спутниковой связи обладают рядом преимуществ  по сравнению с рассмотренными ранее системами подвижной связи. Данный вид связи не имеет ограниченной по привязке к конкретной местности Земли, а так же во многих регионах мира спрос на услуги связи может быть удовлетворен только с помощью спутниковых систем, например:

         - при передаче информации в глобальном масштабе;

         - в акваториях Мирового океана;

         - в районах с малой плотностью населения;

         - в местах разрывов наземной инфраструктуры.

В зависимости от вида предоставляемых услуг ССС можно разделить на три основных класса: речевой (радиотелефонной) связи; пакетной передачи данных (ППД); определение местоположения (координат) потребителей.

При радиотелефонной связи  в ССС используют цифровую передачу сообщений, при этом обязательно должны выполняться международные стандарты. В таких системах задержка сигнала на трассе не должна превышать 0,3 с и переговоры абонентов не должны прерываться во время сеанса связи. Обслуживание абонентов должно быть непрерывным и происходить в реальном масштабе времени (РМВ). Для этого необходимо оснащать спутники высокоточной системой ориентации для удержания луча, их антенны в заданном направлении; количество спутников в системе должно быть достаточным для обеспечения сплошного и непрерывного покрытия зоны обслуживания; для обеспечения достаточного количества каналов связи должны применяться многолучевые антенные системы. При этом требуется большое количество узловых (шлюзовых) станций (ШС) с дорогим коммутационным оборудованием.

Системы пакетной передачи данных (ППД) работают со скоростью от единиц до сотен килобайт в секунду. Жестких требований к оперативности  доставки сообщений, как правило, не предъявляют. В таком режиме работает «электронная почта» (поступившая информация запоминается бортовым компьютером и доставляется корреспонденту в заранее определенное время суток).

Для определения местоположения абонента применяется стандартная навигационная аппаратура GPS (Global Positioning System – глобальная система определения), которая имеет очень высокую точность определения координат потребителя и специальная аппаратура, которая по сигналам спутников персональной связи и/или ШС позволяет определить координаты потребителя, но с меньшей точностью.

В основу организации спутниковой связи заложена достаточно простая идея. На спутнике (сателлите) располагается активный ретранслятор СПСС. По заданной орбите спутник движется длительное время, получая электропитание от солнечных батарей, установленных на его платформах, или от малогабаритных ядерных электростанций.

На спутнике-ретрансляторе расположены специальная антенная система и приемопередающая аппаратура, осуществляющая прием, преобразование, обработку (например, усиление, изменение частоты несущей и пр.) и передачу сигналов в направлении земных станций (ЗС) – станций радиосвязи, расположенных на земной поверхности и предназначенных для обеспечения собственной связи. Приведена структура систем спутниковой связи на рисунке 7.

Системы мобильной спутниковой связи классифицируют по двум признакам: типу используемых орбит и различию в зонах обслуживания и размещения ЗС.

 

                                

Интерфейс связи

Частные каналы связи

                        

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                   

                     

 

Рисунок 7 -  Структура систем спутниковой связи

 

         Многие важные свойства ССС напрямую зависят от высоты и типа орбит КА. Высота орбит КА выбирается на основании анализа многих факторов, включая энергетические характеристики радиолиний, задержку при распространении радиоволн, близость к орбите радиоционных поясов

Ван Аллена, размеры и расположение обслуживаемых территорий. Кроме того, на высоту орбиты влияют способ организации связи и требования по обеспечению необходимого значения угла места КА. Поэтому выделяют четыре основные градации высот орбит: низкоорбитальные группировки (LEO) с высотами порядка 500-2000 км, средневысотные группировки (MEO) с высотами 5-15 тыс.км. геостационарные орбитальные группировки (GEO) на фиксированной высоте 36 тыс.км и орбитальные группировки на высокоэллиптических орбитах (HEO). В последнем случае орбита представляет сильно вытянутый эллипс с Землей в одном из его фокусов. Высота в апогее (наивысшей точке), как правило, составляет порядка 7-70 тыс.км, перигее - 400-500 км.

         Каждая из этих орбитальных позиций обладает своими достоинствами и недостатками.

Системы подвижной связи на низкоорбитальных спутниках позволяют создать на поверхности Земли плотность потока мощности, достаточной для работы с легкими абонентскими станциями размером с портативную телефонную трубку, и дополняют сотовые сети. Наиболее распространенной международной системой подвижной спутниковой связи является глобальная сеть связи Inmarsat. Среди ряда стандартов этой системы выделяют сеть Inmarsat-М, предназначенную для обслуживания подвижных абонентских станций. В ней для сухопутных подвижных объектов используется МС с малогабаритной фазированной антенной решеткой (ФАР), встроенной в крышку портфеля-дипломата с массой порядка 2 кг. Спутниковая система Inmarsat-М обеспечивает связь практически из любой точки мира, позволяет подключить компьютерную сеть Internet, факс и ряд других устройств передачи цифровых данных. Космический сегмент этой системы связи базируется на геостационарных спутниках, расположенных над Атлантическим, Тихим и Индийским океанами.

В последние годы активно развивается спутниковая связь персонального обслуживания подвижных абонентов. Энергетический баланс линий спутниковой связи не позволял до последнего времени уменьшить абонентскую станцию до размеров сотового телефона. Применение низкоорбитальных спутников создает преимущества перед геостационарными и позволяет разрабатывать СПСС с персональными радиотелефонами типа сотового, снабженными направленными антеннами. При этом существенно уменьшается затухание сигнала на трассах «Земля – спутник» и «спутник – Земля» и его запаздывание в каналах связи. Время задержки сигнала у геостационарных систем спутниковой связи составляет около 300 мс, а у низкоорбитальных не более 200 мс. Такое уменьшение запаздывания сигналов способствует двухскачковому (двукратному) методу передачи сигнала через спутник.

СПСС с низкоорбитальными спутниками позволяют организовать телефонную персональную связь с подвижными абонентами, находящимися вне зоны сотовых  и прочих телефонных сетей. Кроме того, они широко внедрены в морских службах спасения для радиоопределения местоположения объекта, пейджинга, электронной почты и т.д.

Разработки ряда СПСС с низкоорбитальными спутниками ведутся за рубежом и в России. За рубежом это Inmarsat Globalstar.

Современные спутниковые проекты основаны на широком международном сотрудничестве, в котором участвуют и российские компании. В орбитальной группировке практически в любой спутниковой системе связи используется до 70 спутников-ретрансляторов, расположенных на 4…8 орбитах. Любой спутник орбитальной группировки своими лучами формирует несколько наземных сот связи. В совокупности один ретранслятор создает на Земле подспутниковую зону диаметром примерно 4500 км. Полная орбитальная группировка формирует практически сплошную зону связи, покрывающую всю поверхность Земли.

Из отечественных сетей космической связи наиболее перспективной является вводимая в действие система Сигнал. Космический сегмент системы связи Сигнал включает «созвездие» из 45…55 спутников-ретрансляторов, находящихся на  орбитах высотою 700…1500 км. Спутники расположены небольшими группами (3…5 штук) в определенных плоскостях неба так, что при движении по заданным орбитам они узкими диаграммами направленности своих антенн совокупно формируют сотовую структуру заданной зоны обслуживания.

Технические вопросы, связанные с использованием частот и расположением СР на орбитах, обеспечивающих отсутствие взаимных помех друг другу, решаются в рамках  МККР (Международный консультативный комитет по радио) и МКРЧ (Международный комитет по регистрации частот). Для спутниковых систем выделены полосы частот, представленные в таблице 1.

        Таблица 1

Диапазон	C	S	C	Ku	Ka	K
Полоса частот, ГГц	1,452-1,500; 1,61-1,71	1,93-2,70	3,40-5,25; 5,725-7,075	10,70-12,75; 12,75-14,80	14,40-26,50; 27,00-50,20	84,00-86,00

 

    

          Лекция 8. Оптическая и радиосвязь

 

Цель лекции: ознакомление с технологией беспроводной оптической связи, основными отличиями оптической и радиосвязи, параметрами оптических систем беспроводной связи.

Содержание:

а) назначение технологии беспроводной оптической связи;

б) сравнение технологий оптической и радиосвязи;

в) основные технические характеристики оптических систем.

Основная причина востребованности технологии беспроводной оптической связи заключается в огромном потенциале передавать большие объемы данных на высоких скоростях в инфракрасном диапазоне длин волн далеко за принятым диапазоном радиочастот (до 400 ГГц), существенно снижая, таким образом административные издержки. Среди всемирно известных операторов и разработчиков телекоммуникационных сетей, принявших на вооружение беспроводную оптическую технологию - Sprint, Nextel, Verizon (в прошлом Bell Atlantic), Вымпелком, Motorola, Siemens.

Сигналы входного интерфейса системы используются для модуляции сигнала в открытом оптическом канале. Сама технология передачи основывается на передаче данных модулированным излучением в инфракрасной части спектра через атмосферу. Передатчиком служит полупроводниковый излучающий диод. В качестве приемника используется высокочувствительный фотодиод. Излучение воздействует на фотодиод, вследствие чего регенерируется исходный модулированный сигнал. Далее сигнал демодулируется и преобразуется в сигналы выходного интерфейса. С обеих сторон используется система линз, на передающей стороне - для получения коллимированного луча, а на приемной стороне - для фокусирования принятого излучения на фотодиод. Для дуплексной передачи организуется точно такой же обратный канал.

Атмосферные оптические линии связи (Free Space Optics) — термин, давно прижившийся в телекоммуникациях. В линиях FSO, как и в волоконно-оптических линиях связи, информация передается с помощью модулированных световых волн. Однако средой для распространения световых колебаний служит не оптическое волокно, а открытая атмосфера в пределах прямой видимости. В этом смысле линии FSO похожи на радиорелейные линии связи, где электромагнитные волны СВЧ диапазона распространяются также в открытой атмосфере.

Важная особенность линий FSO — отсутствие необходимости получать разрешение на частоты при установке и эксплуатации таких систем, в отличие от радиорелейных линий связи. Иными словами, исключается длительный и весьма дорогостоящий процесс получения радиочастот. Кроме того, значительные затраты требуются для расчета, измерения уровней электромагнитного излучения и получения разрешения на установку радиорелейных станций.

В системах FSO используются инфракрасные лазеры, которые генерируют свет в диапазоне около 200 ГГц, что соответствует длине волны порядка 1 мкм.

Имеющееся на рынке оборудование работает на одной из двух длин волн – 850 или 1550 нм. Лазеры, излучающие длину волны 850 нм, намного дешевле, чем для волн 1550 нм, и поэтому предпочтительны для связи на дистанции до 100 м. Однако если речь идет о более дальних расстояниях, мощном и в то же время безопасном для глаз излучении, то на первый план выходят длинноволновые лазеры.

Инфракрасное излучение на длине волны 1550 нм поглощается роговицей глаза и не доходит до сетчатки. Нормами допускается мощность почти на два порядка больше, чем для 850-нанометровых лазеров. Это позволяет увеличить длину канала примерно в 5 раз при сохранении устойчивой связи, а при использовании на коротких расстояниях – значительно повысить скорость передачи данных.

Архитектура сетей FSO в зависимости от нужд предприятий и используемых приложений может иметь различные топологические конфигурации. Основными из них являются соединения типа «точка — точка», «точка — многоточка» и решетчатая (mesh) структура. Допускается комбинация трех топологий.

Соединения «точка — точка» обеспечивают выделенный канал с высокой пропускной способностью, однако такой вариант трудно масштабируется. Более дешевая топология типа «точка — многоточка» однако предоставляет меньшую пропускную способность. При необходимости обеспечить высокую степень масштабируемости следует отдать предпочтение кольцевой и решетчатой (mesh) топологиям или, в крайнем случае, звездообразной. Они дают возможность легко добавлять узлы или реконфигурировать сеть.

В настоящее время для беспроводного обмена информацией широко применяется радио (радиорелейные линии и радиомодемы). Однако трудно найти хотя бы одного пользователя, который не сталкивался бы с проблемой искажения или даже потери сигнала из-за засоренности радиоэфира. Необходимость же получения специального разрешения и связанная с этим бумажная волокита сильно затрудняют применение радио в крупных городах. Даже такие появившиеся в последнее время технологии, как быстрый перескок радиочастоты и цифровое кодирование путем свертки сигнала с использованием псевдослучайной шумовой последовательности, полностью не решают данных проблем.

Лазерная система связи представляет собой открытую систему и поддерживает практически любой протокол из физической спецификации передающей системы. Кабельное или волоконно-оптическое устройство сопряжения доставляет сетевой трафик лазерному приемопередатчику, затем полученный сигнал модулируется оптическим лазерным излучателем и фокусируется в узкий коллимированный световой луч в передатчике, использующем систему линз. На принимающей стороне оптический пучок возбуждает фотодиод, который позволяет регенерировать модулированный сигнал. Сигнал демодулируется и преобразуется в коммуникационный протокол, поддерживаемый сетью. Иными словами, система использует тот же принцип действия, что и модемы для волоконно-оптических кабелей. Разница заключается только в другой среде для распространения светового луча и вытекающих из этого конструктивных особенностях.

Для дуплексных конфигураций на каждом конце двухточечной линии связи требуются и приемник, и передатчик (обычно они собраны в моноблоке).

Существующие в настоящее время коммерческие лазеры имеют выходную мощность сигнала менее 100 мВт и не требуют специального технического лицензирования для безопасной работы и управления. Они поддерживают высокую скорость передачи данных на расстояние до 1,2 км, однако их пропускная способность зависит от расстояния: чем выше пропускная способность, тем меньше расстояние передачи.

Так, например, передача данных с пропускной способностью 34-52 Мбит/с возможна на расстояние до 1200 м, а с пропускной способностью 100-155 Мбит/с - на расстояние до 1000 м. Очевидно также то, что чем больше мощность лазера, тем большее расстояние он покрывает. Так, например, лазерные передатчики Freespace или OmniBeam, имеющие выходную мощность от 20 до 40 мВт, способны передавать сигнал на расстояние до 1200 м. Если же использовать военные лазеры с выходной мощностью в 10 Вт, то информацию можно передавать на расстояние до нескольких километров. Однако чем выше мощность излучателя, тем меньше срок службы лазера. Поэтому в настоящее время, в основном, применяются коммерческие лазеры (чаще всего диодные лазеры с гетероструктурой на основе соединения GaAlAs и длиной волны 820 нм) с выходной мощностью до 50 мВт. При передаче информации на расстояние до 1200 м такие лазеры обеспечивают пропускную способность до 155 Мбит/с и поддерживают стандарты Е1, Е3, ОС1, ОС3 и др.

Лазерная связь обеспечивает высокий уровень защиты информации от несанкционированного считывания в то время, как передача по радио может быть перехвачена и записана даже на большом удалении от оборудования передачи.

Системы, функционирующие в инфракрасном (ИК) диапазоне, имеют целый ряд преимуществ перед альтернативными разработками. Во-первых, за счет перехода в оптическую область длин волн такие системы не претендуют на какую-либо часть радиодиапазона, не создают помех в РЧ-спектре и сами не чувствительны к подобным помехам. Для их эксплуатации не нужно получать разрешений на использование дефицитного радиочастотного ресурса. Во-вторых, инфракрасные каналы связи обеспечивают высокую защищенность пересылаемой информации. Передаваемые по ним потоки не могут быть просканированы анализаторами спектра или контрольным оборудованием радиосетей. К тому же они, как правило, кодируются с помощью патентованных алгоритмов. В-третьих, сами по себе беспроводные оптические системы не накладывают никаких принципиальных ограничений на скорость транспортировки данных. Наконец, немаловажным фактором является малое время их развертывания.

В последние годы инфракрасные системы передачи информации вызывают все больший интерес у операторов, Internet-провайдеров и корпоративных заказчиков. К возможным вариантам их применения относятся формирование физических соединений в корпоративных сетях передачи данных (Ethernet/Fast Ethernet, ATM, FDDI) и магистральных сетях операторов наземной связи (SDH, PDH), создание резервных каналов, построение каналов доступа для решения проблемы «последней мили», обеспечение соединений с базовыми станциями и их контроллерами в сетях мобильной связи, развертывание временных сетей на период модернизации основной кабельной инфраструктуры или в районах стихийных бедствий, передача данных от систем видеонаблюдения и телеметрии при невозможности прокладки кабеля.

Общими свойствами всех оптических систем являются высокая энерговооруженность лазерного луча (средняя мощность 300 мВт, уровень ИК-излучения 7 Вт/м²) и значительное время наработки на отказ (для лазеров оно составляет 130 тыс. часов, т.е. без малого 15 лет). Мощность, потребляемая каждым из устройств, равна примерно 20 Вт, поэтому даже при сбое в сети электропитания приемопередатчик может работать от бесперебойного источника в течение нескольких часов.

Особенностью ИК-оборудования является быстрота его развертывания: среднее время, затрачиваемое на инсталляцию, не превышает 4 ч. Отсутствие привязки к кабельной инфраструктуре обеспечивает возможность многократного использования одной и той же системы путем ее демонтажа и установки на новом месте. Еще важнее высокая ремонтопригодность данного оборудования. Оно спроектировано так, что замена передатчика, сопровождающаяся переходом на новую длину волны из диапазона 860—920 нм, не требует модернизации приемника (ибо последний работает с длинами волн от 750 до 950 нм).

Влияние атмосферных явлений лимитирует максимальную протяженность канала связи (при фиксированном уровне его доступности), а требование прямой видимости накладывает дополнительные ограничения на высоту установки приемопередающих устройств и их направленность.

Из-за того, что погодные условия влияют на надежность передачи, перед началом эксплуатации системы в каждой конкретной местности необходимо проводить ее тестирование. Общее правило заключается в том, что важен не столько тип осадков, сколько время их непрерывного воздействия на канал, поэтому, скажем, туман в большей степени влияет на состояние ИК-канала, чем дождь или снег.

Зависимость от состояния атмосферы приводит к тому, что доступность канала обратно пропорциональна дальности передачи. Так, при дальности 40 км доступность в среднем за год составит всего 40—50%, хотя летом значение этого показателя будет несколько выше. И наоборот, сближение приемника и передатчика на расстояние 500 м обеспечит доступность до 99,9%. Впрочем, на практике беспроводные каналы обычно организуются для соединения узлов, разнесенных на несколько километров: при дальности связи 3 км доступность одиночного ИК-канала E1 составляет 99,1%, а для 1 мили (1,6 км) она равна 99,7%. Приемники и передатчики не обязательно выносить на улицу: они могут быть установлены и внутри помещений. Наличие стеклянной преграды удается учесть на стадии расчета технических характеристик монтируемой системы, и серьезные проблемы возникают только при наличии светофильтров или специального противосолнечного затемнения.

 

Лекция 9. Технические концепции построения систем БС

 

Цель лекции: изучение принципов организации линий связи между абонентной станцией и базовой станцией и между базовыми станциями систем беспроводной радиосвязи; модели радиосигналов с замираниями, обусловленными многолучевым распространением.

          Содержание:

а) назначение и принцип действия линии передачи сотовой

    системы;

б) распространение радиоволн в городских условиях при движении;

в) прогнозирование средних потерь при распространении

   радиоволн.

Типовая модель сухопутной системы подвижной радиосвязи PCS или линии передачи сотовой системы включает в себя высокоподнятую антенну (или несколько антенн) базовой станции и относительно короткий участок распространения по линии прямой видимости (LOS) (см. рисунок 8).

         Присутствуют также множество трасс с переотражением (т.е. непрямой видимости — NLOS) и одна или несколько подвижных антенн, установленных на автомобиле или (более общий случай) в приемопере­датчике подвижной или носимой радиостанции. В большинстве случаев имеет место неполный участок распространения радиоволн в пределах прямой видимости между антенной базовой станции или точкой досту­па, и антеннами подвижных радиостанций из-за естественных и искусственных препятствий (см. рисунок 8).

При таких условиях трасса радиопередачи, может моделироваться как случайным образом изменяющаяся трасса распространения. В иллюстративном примере (см. рисунок 8) антенна базовой станции расположена на высоте 70 м, т.е. на крыше самого высокого здания. Прямая LOS трасса с распространением в свободном пространстве (does) пролегает между базовой антенной и первым зданием. Из-за его влияния на прямой трассе do вносится затухание. Расположенные в отдалении возвы­шенности отражают сигналы. Отраженные задержанные сигналы при приеме могут иметь мощность, сравнимую с мощностью ослабленных сигналов прямой трассы.

 

Рисунок 8 - Среда распространения радиоволн

 

Во многих случаях может существовать более одного пути распространения радиоволн, и эта ситуация называется многолучевым распространением. Трасса рас­пространения изменяется при перемещениях подвижного объекта, базового оборудования и/или движения окружающих предметов и среды.

Даже малейшее, самое медленное перемещение приводит к изме­нению во времени условий многолучевого распространения и, как след­ствие, к изменению параметров принимаемого сигнала. Предположим, например, что абонент сотовой системы находится в автомобиле на стоянке вблизи оживленной скоростной автострады.

Хотя абонент относительно неподвижен, часть окружающей среды движется со скоростью 100 км/час. Автомобили на автостраде становятся «отражателями» радиосигналов. Если во время передачи или приема этот абонент также движется (например, со скоростью 100 км/час), то параметры случайным образом отраженных сигналов изменяются с большей скоростью. Скорость изменения уровня сигнала часто описывается доплеровским рассеянием.

Распространение радиоволн в подобных условиях характеризуется тремя, частично самостоятельными эффектами, известными как замирания из-за многолучевости распространения, затенения (или экранирование) и потери при распространении. Замирания из-за многолучевости описываются через замирания огибающей (независящие от частоты изменения амплитуды), доплеровское рассеяние (селективный во времени, или меняющийся во времени, случайный фазовый шум) и временное рассеяние (изменяющиеся во времени длины трасс рас­пространения отраженных сигналов вызывают временные изменения са­мих сигналов). Временное рассеяние приводит к появлению частотно-селективных замираний.

Когда приемник, передатчик или окружающая среда даже незначительно перемещаются, эффективное перемещение превышает несколько сотых длины волны. Например, в системах радиосвязи диапазона 2 ГГц длина волны равна 15 см. Таким образом, если приемник перемещается лишь на расстояние 1,5 см, он смещается на 1,5/15=0,1 длины волны. Перемещение на расстояние, большее, чем несколько сотых длин волны, может вести к флюктуациям огибающей.

Замирания на трассе можно разделить на долговременные или усредненные замирания и кратковременные или быстрые замирания из-за многолучевости. После того как быстрые замирания из-за многолучевости устраняются усреднением на интерва­ле нескольких сотен длин волн, остается еще неселективное затене­ние. Причиной затенения являются в основном особенности рельефа местности вдоль трассы распространения радиосигналов сухопутных по­движных систем. Это явление вызывает медленные изменения средних значений параметров релеевских замираний. Хотя для затенения не име­ется подходящей математической модели, наилучшим образом соответствующим экспериментальным данным в типичном го­родском районе признано лог-нормальное распределение с дисперси­ей от 5 до 12 дБ.

Формула для потерь при распространении в свободном пространстве (или потерь при распространении) для всенаправленных передающей и приемной антенн с единичным коэффициентом усиления (G = 1), расположенных друг от друга на расстоянии r метров, имеет вид

.

 

Для двух антенн, разнесенных друг от друга на r метров, с коэф­фициентом усиления передающей антенны

                                   GT=4πA/λ²  

и коэффициентом усиления приемной антенны

                                             GR=4πA/λ²,    

формула для потерь при распространении в свободном пространстве принимает следующий вид

 .

Полагаем, что P_R = P_Rmin представляет собой минимальную мощность несущей, которая приводит к приемлемому или «пороговому» значению вероятности ошибки на бит. Для речевой связи в качестве «приемлемой или пороговой характеристики» часто принимается BER = 3×10^-2 при передаче без кодирования и предварительной обработки. Тогда радиус зоны уверенного приёма

,

где dmax выражено в метрах.

Коэффициент усиления системы является полезным показателем для оценки характеристик системы, так как объединяет много параметров, представляющих интерес для проектировщиков систем радиосвязи. В простейшей форме, применимой только к аппаратуре, коэффициент уси­ления системы — это разность между выходной мощностью передатчи­ка и пороговой чувствительностью приемника. Пороговая чувствитель­ность приемника — это минимальная принимаемая мощность, необходи­мая для достижения приемлемого уровня характеристик, таких как мак­симальное значение вероятности ошибки на бит (BER). Коэффициент усиления системы должен превышать или, по крайней мере, быть рав­ным сумме коэффициентов усиления и внешних по отношению к аппара­туре потерь.

Для прогнозирования средних потерь при распространении используются эмпирические модели, основанные на всесторонних натурных измерениях. Трасса пролегает от антенны базовой станции до антенны подвижного объекта. Экспериментальные кривые для потерь при распространении получаются измерением уровня мощности принятого сигнала и вычитанием из мощности переданного сигнала. Например, если мы имеем всенаправленные антенны с коэффициентами усиления, равными 1, передаваемая мощность равна + 30 дБм и в некотором месте принимаемая мощность несущей PR = - 105 дБм, тогда потери при распространении

Lp = PТ - PR = + 30 дБм – ( -105 дБм) =135 дБм.

Поскольку PТ и PR выражены в одних и тех же единицах, то потери Lp могут быть выражены в децибелах.

Многочисленные измерения, выполненные Окомурой (Okomura), позволили получить эмпирическую формулу для средних потерь при распространении Lp, дБ, в случае изотропных (идеальных всенапра-вленных), имеющих коэффициенты усиления, равные 1, антенн базовой станции и подвижного объекта. Эта формула, известная также как метод прогнозирования Окомуры, имеет следующий вид

где r – расстояние между антеннами базовой и подвижной станции, км.

Радиочастота несущей fo, МГц, высота антенны базовой станции hb, м  и высота антенны подвижной станции   hm, м; величины A, B, C и D выражаются соответственно следующим образом

                                                                                           ,

                                               ,

 

                                          ,

 

                                                                            ,

где а(h_m)=[1,1∙lg(f₀)-0,7]∙h_m-[1,56∙lg(f₀)-0,8] – для средних и малых городов;

 а(h_m)=3,2[lg(11,75∙h_m)]² -4,97 – для крупных городов.   

Данной формулой можно пользоваться, если выполняются следу­ющие условия:

-   fо: от 150 до 1500 МГц;

-   hb: от 30 до 200 м; возможно расширение диапазона (от 1,5 до 400 м);

-   hm: от 1 до 10 м;

-   r: от 1 до 20 км; возможно расширение диапазона (от 2м до 80 км).

Модель радиосигналов с замираниями, обусловленными многолучевым распространением, полезна для последующего анализа распределений огибающей замирающей несущей (уровня сигнала), частоты выбросов сигнала и длитель­ности замираний [12]. Эти параметры и их представления требуются при рассмотрении некоторых аспектов проектирования линий и систем свя­зи (таких как выбор методов исправления ошибок и доступа). Напри­мер, длительность замираний и частота выбросов позволяют установить связь между вероятностью ошибки на бит (BER) и вероятностью оши­бок в слове (WER).

При проектировании высокоскоростных цифровых систем подвижной радио­связи важно знать характеристики замираний из-за многолучевости, по­скольку они вызывают пакетирование ошибок. При условии, что паке­ты ошибок возникают, когда уровень огибающей сигнала падает ниже определенного порога, частота выбросов (пересечений уровня) может ис­пользоваться как подходящая мера частоты появления пакетов ошибок. Длительность замираний позволяет оценивать длину пакетов ошибок.

 

Лекция 10. Методы разнесения сигналов

 

Цель лекции: ознакомление с методами организации ветвей разнесения и сигнальных путей в системах беспроводной связи.

          Содержание:

а) классификация методов построения ветвей разнесения в системах 

    подвижной радиосвязи;

б) улучшение характери­стик помехоустойчивости приема и

    надежности систем беспроводной связи.

          Для обеспечения вы­сокой надежности передачи данных без чрезмерного увеличения, как мощности передатчика, так и интервала повторного использования ча­стот желательно иметь иной метод борьбы с влиянием быстрых зами­раний из-за многолучевости. Известно, что разнесенный прием явля­ется одним из наиболее эффективных средств, предназначенных для решения этой задачи.

          Различные методы разнесения были предложены и проанализиро­ваны применительно к системам KB, тропосферной связи, а также микроволновым радиорелейным системам, работающим в пределах прямой видимости. Методы разнесения применительно к ОВЧ, УВЧ и микро­волновым системам подвижной радиосвязи анализировались в течение последних 20 лет.

         Хотя большинство из них относились к аналоговым системам подвижной радиосвязи, однако, в принципе, они могут найти примене­ние и в цифровых сотовых системах. Выигрыш, получаемый за счет разнесения, увеличивается по мере возрастания требований к качеству обслуживания в цифровых системах подвижной радиосвязи, поскольку более существенное влияние быстрых замираний многолучевости про­является при цифровой передаче.

         Методы разнесения требуют организации ряда путей передачи сиг­налов, называемых ветвями разнесения, и схемы их комбинирования или выбора одного из них. В зависимости от характеристик распростране­ния радиоволн в системах подвижной радиосвязи существует несколько методов построения ветвей разнесения, которые могут быть разбиты на следующие группы, объединяющие:

-         пространственное;

-         угловое;

-         поляризационное;

-         частотное;

-         временное разнесение.

         Пространственное разнесение. Этот метод наиболее широко используется из-за своей простоты и низкой стоимости. Он требует од­ной передающей антенны и нескольких приемных антенн. Расстояние между соседними приемными антеннами выбирается с таким расчетом, чтобы замирания из-за многолучевости в каждой ветви разнесения бы­ли некоррелированными.

         Угловое разнесение. Это метод, который получил название раз­несения по направлению, требует несколько направленных антенн. Ка­ждая антенна независимо реагирует на волну, приходящую под определенным углом или с определенного направления, и формирует некор­релированные замирающие сигналы.

         Поляризационное разнесение. Этот метод позволяет реализовать только две ветви разнесения. Он использует тот факт, что сигналы, переданные с помощью двух ортогонально-поляризованных радиоволн, характерных для ОВЧ и УВЧ сухопутных систем подвижной радиосвя­зи, в точке приема имеют некоррелированные статистики замираний из-за многолучевости.

Частотное и временное разнесение. Различия в частоте и/или вре­мени передачи могут быть использованы для организации ветвей разне­сения с некоррелированными статистиками замираний.

           Требуемый разнос по времени и частоте можно определить, исхо­дя из имеющихся характеристик временного рассеяния и максимальной доплеровской частоты. Основное преимущество этих двух методов разнесения по сравнению с пространственным, угловым, поляризационным состоит в том, что для их реализации требуется лишь одна передаю­щая и одна приемная антенны, а недостаток — в том, что требуется более широкая полоса частот.

          Кодирование с исправлением ошибок может рассматриваться как один из вариантов временного разнесения в цифровых системах пере­дачи.

Следует отметить, что для всех перечисленных методов разнесения, за исключением поляризационного, в принципе не существует ограниче­ния на количество ветвей разнесения. Например, в некоторых системах радиосвязи, работающих в диапазоне 2,4 ГГц, при организации про­странственного разнесения используется до пяти приемных антенн.

           Разнесение позволяет существенным образом улучшить характери­стики помехоустойчивости приема и надежность цифровых систем ра­диосвязи. Наличие двух ве­твей разнесения позволяет снизить значение C/I с 30 дБ, соответствую­щее отсутствие разнесения, до 15 дБ при частоте ошибок на бит (BER), равной 10^-3. При более низких значениях BER, например, BER = 10^-6, выигрыш за счет разнесения составляет 30 дБ.

          Достаточно малогабарит­ные и относительно недорогие системы разнесения в настоящее время широко используются в системах мобильной радиосвязи, сотовой те­лефонии и передачи данных.

 

         Лекция 11. Системы с расширением спектра

 

          Цель лекции: изучение основных концепций построения беспроводных систем с расширенным спектром.

         Содержание:

а) особенности систем с расширением спектра и их преимущества;

б) классификация систем с расширенным спектром;

в) процесс формирования сигналов с расширенным спектром;

г) структура построения передающей и приемной частей системы.

        Термин расширение спектра был использован в многочисленных военных и коммерческих системах связи. В системах с расширенным спектром каждый сигнал-переносчик сообщений требует значительно более широкой полосы радиочастот по сравнению с обычным модулированным сигналом. Более широкая полоса частот позволяет получить некоторые полезные свойства и характеристики, которые трудно достичь другими средствами.

          Расширение спектра представляет собой метод формирования сигнала с расширенным спектром с помощью дополнительной ступени модуляции, обеспечивающей не только расширение спектра сигнала, но и ослабление его влияния на другие сигналы. Дополнительная модуляция никак не связана с передаваемым сообщением.

          Широкополосные системы находят применение благодаря следующим потенциальным преимуществам:

-         повышенной помехоустойчивости;

-         возможности обеспечения кодового разделения каналов для многостанционного доступа на его основе в системах, использующих технологию CDMA;

-         энергетической скрытности благодаря низкому уровню спектральной плотности;

-         высокой разрешающей способности при измерениях расстояния;

-         защищенности связи;

-         способности противостоять воздействию преднамеренных помех;

-         повышенной пропускной способности и спектральной эффективности в некоторых сотовых системах персональной связи;

-         постепенному снижению качества связи при увеличении числа пользователей, одновременно занимающих один и тот же ВЧ канал;

-         низкой стоимости при реализации;

-         наличию современной элементной базы (интегральных микросхем).

          В соответствии с архитектурой и используемыми видами модуляции системы с расширенным спектром могут быть разделены на следующие основные группы:

-         с прямым расширением спектра на основе псевдослучайных последовательностей (ПСП), включая системы МДКРК;

-         с перестройкой рабочей частоты (с «прыгающей» частотой), включая системы МДКРК с медленной и быстрой перестройкой рабочей частоты;

-         множественного доступа с расширенным спектром и контролем несущей (CSMA);

-         с перестройкой временного положения сигналов («прыгающим» временем);

-         с линейной частотной модуляцией сигналов (chip modulation);

-         со смешанными методами расширения спектра.

          Прямое расширение спектра с помощью псевдослучайных последовательностей

          На рисунке 9 приведена концептуальная схема системы с прямым расширением спектра на основе псевдослучайных последовательностей (а - передатчик сигналов с PSK и с последующим спектра, б - передатчик с расширением спектра в полосе модулирующих частот, в - приемник). В первом модуляторе осуществляется фазовая манипуляция (PSK) сигнала промежуточной частоты двоичным цифровым сигналом передаваемого сообщения d(t) в формате без возвращения к нулю (NRZ) с частотой следования символов f_b = 1/Т_b.

Рисунок 9 – Структура системы с прямым расширением спектра

 

            В пределах одной соты системы подвижной радиосвязи, как правило, есть несколько абонентов, одновременно пользующихся связью, причем каждый из них использует одну и ту же несущую частоту fрч и занимает одну и ту же полосу частот Врч.

          Процесс формирования сигналов с расширенным спектром в системах с многостанционным доступом происходит в два этапа: модуляция и расширение спектра (или вторичная модуляция посредством ПСП). Вторичная модуляция осуществляется с помощью идеальной операции перемножения g(t)s(t). При таком перемножении формируется амплитудно-модулированный двухполосный сигнал с подавленной несущей. Первый и второй модуляторы можно поменять местами без изменения потенциальных характеристик системы.

          Сигнал g(t)s(t) с расширенным спектром преобразуется вверх до нужной радиочастоты. Хотя преобразование частоты вверх и вниз является для большинства систем практически необходимым процессом, все же этот этап не является определяющим. Поэтому в дальнейшем будем считать, что сигнал g(t)s(t) передается и принимается на промежуточной частоте, исключив из рассмотрения подсистемы преобразования частот вверх и вниз.

Таким образом, на вход приемника поступает сумма М независимых сигналов с расширенным спектром, занимающих одну и ту же полосу РЧ.

Если выбран ансамбль некоррелированных сигналов ПСП, то после операции сжатия спектра сохраняется лишь модулированный полезный сигнал. Все другие сигналы, являясь некоррелированными, сохраняют широкополосность и имеют ширину спектра, превышающую граничную полосу пропускания фильтра демодулятора. На рисунке 10 приведены упрощенные временные и спектральные диаграммы, качественно иллюстрирующие процессы расширения и сжатия спектра сигналов. В частности, в них отсутствует сигнал несущей.

Рисунок 10 - Диаграммы при расширении спектра

 

          Концепция систем с расширенным спектром путем программной перестройки рабочей частоты во многом схожа с концепцией систем с прямым расширением спектра. Здесь генератор двоичной ПСП управляет синтезатором частот, с помощью которого осуществляется переход («перескок») с одной частоты на другую из множества доступных частот. Таким образом, здесь эффект расширения спектра достигается за счет псевдослучайной перестройки частоты несущей, значение которой выбирается из имеющихся частот f1,...,fN, где N может достигать значений несколько тысяч и более. Если скорость перестройки сообщений (скорость смены частот) превышает скорость передачи сообщений, то имеем систему с быстрой перестройкой частоты. Если скорость перестройки меньше скорости передачи сообщений, так что в интервале перестройки передается несколько битов, то имеем систему с медленной перестройкой частоты.

         На рисунке 11 изображены структурные схемы передающей и приемной частей системы с перестройкой частоты.

Рисунок 11 - Система с программной перестройкой частоты

 

            В системах с расширенным спектром путем перестройки рабочей частоты последняя сохраняется постоянной в течение каждого интервала перестройки, но изменяется скачком от интервала к интервалу. Частоты передачи формируются цифровым синтезатором частот, управляемым кодом («словами»), поступающим в последовательном либо параллельном виде и содержащим m двоичных символов (битов) Каждому m-битовому слову или его части соответствует одна из M = 2m частот. Хотя для осуществления перестройки частот имеется M = 2m, m = 2, 3 частот, но не все из них обязательно используются в конкретной системе. Системы с расширением спектра путем программной перестройки рабочей частоты подразделяются на системы с медленной, с быстрой и со средней скоростью перестройки.

         В системах с медленной перестройкой скорость перестройки fh, меньше скорости передачи сообщений fb. Таким образом, в интервале перестройки, прежде, чем осуществится переход на другую частоту, могут быть переданы два бита сообщения или более (в некоторых системах свыше 1000). В системах со средней скоростью перестройки скорость перестройки равна скорости передачи. Наибольшее распространение получили системы с быстрой и медленной перестройкой рабочей частоты.

          Для синхронизации приемников при приеме сигналов с расширенным спектром может потребоваться три устройства синхронизации:

-         фазовой синхронизации несущей (восстановления несущей);

-         символьной синхронизации (восстановления тактовой частоты);

-         временной синхронизации генераторов, формирующих кодовые или псевдослучайные последовательности.

          Временная синхронизация обеспечивается в два этапа, в течение которых выполняются:

-         поиск (первоначальная, грубая синхронизация);

-         слежение (точная синхронизация).

 

Лекция 12.  Беспроводные локальные сети

 

Цель лекции: изучение семейства стандартов для организации беспроводных локальных сетей, особенности функций сетей и поддержки качества услуг.

Содержание:

а) представления стандартов беспроводных локальных сетей;

б) радиочастотные и инфракрасные методы передачи в сетях;

в) технология беспроводной передачи данных – Bluetooth.

В 1999 году IEEE ратифицировал стандарт IEEE 802.11b для продуктов беспроводных сетей, которые работают на скорости 11 Mbps (подобно Ethernet). Совместимость продуктов различных производителей гарантируется независимой организацией, которая называется Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA). Эта организация была создана лидерами индустрии беспроводной связи в 1999 году. В настоящее время членами WECA являются более 80 компаний, в том числе такие известные производители, как Cisco, Lucent, IBM, Apple, Dell, Siemens, AMD и пр. С продуктами, удовлетворяющими требованиям Wi-Fi (термин WECA для IEEE 802.11b), можно ознакомиться на сайте WECA.

Как и все стандарты IEEE 802, 802.11 работает на нижних двух уровнях модели ISO/OSI, физическом уровне и канальном уровне. Любое сетевое приложение, сетевая операционная система, или протокол (например, TCP/IP), будут так же хорошо работать в сети 802.11, как и в сети Ethernet.

Основная архитектура, особенности и службы 802.11b определяются в первоначальном стандарте 802.11. Спецификация 802.11b затрагивает только физический уровень, добавляя лишь более высокие скорости доступа.

802.11 определяет два типа оборудования – клиент, который обычно представляет собой компьютер, укомплектованный беспроводной сетевой интерфейсной картой (Network Interface Card, NIC), и точку доступа (Access point, AP), которая выполняет роль моста между беспроводной и проводной сетями. Точка доступа обычно содержит в себе приёмопередатчик, интерфейс проводной сети (802.3), а также программное обеспечение, занимающееся обработкой данных. В качестве беспроводной станции может выступать ISA, PCI или PC Card сетевая карта в стандарте 802.11, либо встроенные решения, например, телефонная гарнитура 802.11.

На физическом уровне определены два широкополосных радиочастотных метода передачи и один – в инфракрасном диапазоне.

Радиочастотные методы работают в ISM диапазоне 2,4 ГГц и обычно используют полосу 83 МГц от 2,400 ГГц до 2,483 ГГц. Технологии широкополосного сигнала, используемые в радиочастотных методах, увеличивают надёжность, пропускную способность, позволяют многим несвязанным друг с другом устройствам разделять одну полосу частот с минимальными помехами друг для друга.

Стандарт 802.11 использует метод прямой последовательности (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS) и метод частотных скачков (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS). Эти методы кардинально отличаются, и несовместимы друг с другом.

Реализация метода передачи в инфракрасном диапазоне (IR) в стандарте 802.11 основана на излучении ИК передатчиком ненаправленного (diffuse IR) сигнала. Вместо направленной передачи, требующей соответствующей ориентации излучателя и приёмника, передаваемый ИК сигнал излучается в потолок. Затем происходит отражение сигнала и его приём. Такой метод имеет очевидные преимущества по сравнению с использованием направленных излучателей, однако есть и существенные недостатки – требуется потолок, отражающий ИК излучение в заданном диапазоне длин волн (850 – 950 нм); радиус действия всей системы ограничен 10 метрами. Кроме того, ИК лучи чувствительны к погодным условиям, поэтому метод рекомендуется применять только внутри помещений.

Поддерживаются две скорости передачи данных – 1 и 2 Mbps. На скорости 1 Mbps поток данных разбивается на квартеты, каждый из которых затем во время модуляции кодируется в один из 16-ти импульсов. На скорости 2 Mbps метод модуляции немного отличается – поток данных делится на битовые пары, каждая из которых модулируется в один из четырёх импульсов.

При использовании метода частотных скачков FHSS полоса 2,4 ГГц делится на 79 каналов по 1 МГц. Отправитель и получатель согласовывают схему переключения каналов (на выбор имеется 22 таких схемы), и данные посылаются последовательно по различным каналам с использованием этой схемы. Каждая передача данных в сети 802.11 происходит по разным схемам переключения, а сами схемы разработаны таким образом, чтобы минимизировать шансы того, что два отправителя будут использовать один и тот же канал одновременно. Метод FHSS позволяет использовать очень простую схему приёмопередатчика, однако ограничен максимальной скоростью 2 Mbps. Это ограничение вызвано тем, что под один канал выделяется ровно 1 МГц, что вынуждает FHSS системы использовать весь диапазон 2,4 ГГц. Это означает, что должно происходить частое переключение каналов (например, в США установлена минимальная скорость 2,5 переключения в секунду), что, в свою очередь, приводит к увеличению накладных расходов.

Метод DSSS делит диапазон 2,4 ГГц на 14 частично перекрывающихся каналов. Для того, чтобы несколько каналов могли использоваться одновременно в одном и том же месте, необходимо, чтобы они отстояли друг от друга на 25 МГц (не перекрывались), для исключения взаимных помех. Таким образом, в одном месте может одновременно использоваться максимум 3 канала. Данные пересылаются с использованием одного из этих каналов без переключения на другие каналы. Чтобы компенсировать посторонние шумы, используется 11-ти битная последовательность Баркера, когда каждый бит данных пользователя преобразуется в 11 бит передаваемых данных. Такая высокая избыточность для каждого бита позволяет существенно повысить надёжность передачи, при этом значительно снизив мощность передаваемого сигнала. Даже если часть сигнала будет утеряна, он в большинстве случаев всё равно будет восстановлен. Тем самым минимизируется число повторных передач данных.

Основное дополнение, внесённое 802.11b в основной стандарт – это поддержка двух новых скоростей передачи данных – 5,5 и 11 Mbps. Для достижения этих скоростей был выбран метод DSSS, так как метод частотных скачков в силу ограничений FCC не может поддерживать более высокие скорости. Из этого следует, что системы 802.11b будут совместимы с DSSS системами 802.11, но не будут работать с системами FHSS 802.11.

Для поддержки очень зашумлённых сред, а также работы на больших расстояниях, сети 802.11b используют динамический сдвиг скорости, который позволяет автоматически изменять скорость передачи данных в зависимости от свойств радиоканала. Например, пользователь может подключиться с максимальной скоростью 11 Mbps, но в том случае, если повысится уровень помех, или пользователь удалится на большое расстояние, мобильное устройство начнёт передавать на меньшей скорости – 5,5, 2 или 1 Mbps. В том случае, если возможна устойчивая работа на более высокой скорости, мобильное устройство автоматически начнёт передавать с более высокой скоростью. Сдвиг скорости – механизм физического уровня, и является прозрачным для вышестоящих уровней и пользователя.

Канальный уровень 802.11 состоит из двух подуровней: управления логической связью (Logical Link Control, LLC) и управления доступом к носителю (Media Access Control, MAC). 802.11 использует тот же LLC и 48-битовую адресацию, что и другие сети 802, что позволяет легко объединять беспроводные и проводные сети, однако MAC уровень имеет кардинальные отличия. MAC уровень 802.11 очень похож на реализованный в 802.3, где он поддерживает множество пользователей на общем носителе, когда пользователь проверяет носитель перед доступом к нему. Для Ethernet сетей 802.3 используется протокол Carrier Sence Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD), который определяет, как станции Ethernet получают доступ к проводной линии, и как они обнаруживают и обрабатывают коллизии, возникающие в том случае, если несколько устройств пытаются одновременно установить связь по сети. Чтобы обнаружить коллизию, станция должна обладать способностью и принимать, и передавать одновременно. Стандарт 802.11 предусматривает использование полудуплексных приёмопередатчиков, поэтому в беспроводных сетях 802.11 станция не может обнаружить коллизию во время передачи.

Чтобы учесть это отличие, 802.11 использует модифицированный протокол, известный как Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA), или Distributed Coordination Function (DCF). CSMA/CA пытается избежать коллизий путём использования явного подтверждения пакета (ACK), что означает, что принимающая станция посылает ACK пакет для подтверждения того, что пакет получен неповреждённым.

Для определения того, является ли канал свободным, используется алгоритм оценки чистоты канала (Channel Clearance Algorithm, CCA). Его суть заключается в измерении энергии сигнала на антенне и определения мощности принятого сигнала (RSSI). Если мощность принятого сигнала ниже определённого порога, то канал объявляется свободным, и MAC уровень получает статус CTS. Если мощность выше порогового значения, передача данных задерживается в соответствии с правилами протокола. Стандарт предоставляет ещё одну возможность определения незанятости канала, которая может использоваться либо отдельно, либо вместе с измерением RSSI – метод проверки несущей. Этот метод является более выборочным, так как с его помощью производится проверка на тот же тип несущей, что и по спецификации 802.11. Наилучший метод для использования зависит от того, каков уровень помех в рабочей области.

Таким образом, CSMA/CA предоставляет способ разделения доступа по радиоканалу. Механизм явного подтверждения эффективно решает проблемы помех. Однако он добавляет некоторые дополнительные накладные расходы, которых нет в 802.3, поэтому сети 802.11 будут всегда работать медленнее, чем эквивалентные им Ethernet локальные сети.

Наконец, MAC уровень 802.11 предоставляет возможность расчёта CRC и фрагментации пакетов. Каждый пакет имеет свою контрольную сумму CRC, которая рассчитывается и прикрепляется к пакету. Здесь наблюдается отличие от сетей Ethernet, в которых обработкой ошибок занимаются протоколы более высокого уровня (например, TCP). Фрагментация пакетов позволяет разбивать большие пакеты на более маленькие при передаче по радиоканалу, что полезно в очень "заселённых" средах или в тех случаях, когда существуют значительные помехи, так как у меньших пакетов меньше шансы быть повреждёнными. Этот метод в большинстве случаев уменьшает необходимость повторной передачи и, таким образом, увеличивает производительность всей беспроводной сети.

MAC уровень 802.11 несёт ответственность за то, каким образом клиент подключается к точке доступа. Когда клиент 802.11 попадает в зону действия одной или нескольких точек доступа, он на основе мощности сигнала и наблюдаемого значения количества ошибок выбирает одну из них и подключается к ней. Как только клиент получает подтверждение принятия точкой доступа, он настраивается на радиоканал, в котором она работает. Время от времени он проверяет все каналы для проверки предоставления другой точки доступа службы более высокого качества. Если такая точка доступа находится, то станция перенастраивается на её частоту.

Процесс динамического подключения и переподключения позволяет сетевым администраторам устанавливать беспроводные сети с очень широким покрытием, создавая частично перекрывающиеся "соты". Идеальным вариантом является такой, при котором соседние перекрывающиеся точки доступа будут использовать разные DSSS каналы, чтобы не создавать помех в работе друг другу.

Так как мобильные станции и точки доступа являются СВЧ устройствами, у многих возникают вопросы по поводу безопасности использования компонентов Wave LAN. Известно, что чем выше частота радиоизлучения, тем опаснее оно для человека. В частности, известно, что если посмотреть внутрь прямоугольного волновода, передающего сигнал частотой 10 или более ГГц, мощностью около 2 Вт, то неминуемо произойдёт повреждение сетчатки глаза, даже если продолжительность воздействия составит менее секунды. Антенны мобильных устройств и точек доступа являются источниками высокочастотного излучения, и хотя мощность излучаемого сигнала очень невелика, всё же не следует находиться в непосредственной близости от работающей антенны. Как правило, безопасным расстоянием является расстояние порядка десятков сантиметров от приёмо-передающих частей.

В настоящее время начато внедрение двух конкурирующих стандартов на беспроводные сети следующего поколения – стандарт IEEE 802.11a и европейский стандарт HIPERLAN-2. Оба стандарта работают во втором ISM диапазоне, использующем полосу частот в районе 5 ГГц. Скорость передачи данных в сетях нового поколения составляет 54 Mbps.

Bluetooth - это современная технология беспроводной передачи данных, созданная в 1998 году группой компаний: Ericsson, IBM, Intel, Nokia, Toshiba. С помощью Bluetooth можно соединять друг с другом практически любые устройства: мобильные телефоны, ноутбуки, принтеры, цифровые фотоаппараты и даже холодильники, микроволновые печи, кондиционеры. Bluetooth - это маленький чип, представляющий собой высокочастотный (2.4 - 2.48 МГц) приёмопередатчик, работающий в диапазоне ISM (Industry, Science and Medicine - диапазон, предназначенный для использования в промышленных, научных и медицинских целях). Для передачи данных могут быть использованы асимметричный (721 Кбит/сек в одном направлении и 58 Кбит/сек в другом) и симметричный методы (433 Кбит/сек).

Интерфейс Bluetooth в зависимости от мощности позволяет устанавливать связь в пределах 10 или 100 метров. Разница в расстоянии, безусловно, большая, однако соединение в пределах 10 м позволяет сохранить низкое энергопотребление, компактный размер и достаточно невысокую стоимость компонентов. Так, маломощный передатчик потребляет всего 0.3 мА в режиме standby и в среднем 30 мА при обмене информацией.

Основным направлением использования Bluetooth стало создание так называемых персональных сетей (PAN - private area networks), включающих такие разноплановые устройства, как мобильные телефоны, PDA, МР3-плееры, компьютеры и даже микроволновые печи с холодильниками.

Основным структурным элементом сети Bluetooth является так называемая "пикосеть" (piconet) - совокупность от 2 до 8 устройств, работающих на одном и том же шаблоне. В каждой пикосети одно устройство работает как master, а остальные как slave. Master определяет шаблон, на котором будут работать все slave-устройства его пикосети, и синхронизирует ее работу. Стандарт Bluetooth предусматривает соединение независимых и даже не синхронизированных между собой пикосетей (до 10) в так называемую "scatternet" (один из вариантов перевода глагола to scatter звучит как "рассеивать"). Для этого каждая пара пикосетей должна иметь как минимум одно общее устройство, которое будет master в одной и slave в другой. Таким образом, в пределах отдельной scatternet с интерфейсом Bluetooth может быть одновременно связано максимум 71 устройство, однако нет ограничения применения устройств при использовании Internet.

В диапазоне 2.4 МГц работают также различные медицинские приборы, бытовая техника, беспроводные телефоны, беспроводные локальные сети стандарта IEEE. Во избежание интерференции с ними Bluetooth работает по принципу скачкообразной перестройки частоты FHSS (Frequency-Hopping Spread Spectrum).

Список литературы 

         1  Шахнович И.В. современные технологии беспроводной связи. -М.: Техносфера, 2006.

2  Немировский М.С. Беспроводные технологии от последний мили до последнего дюйма. –М.: Экотрендз, 2009.

3        Феер К. Беспроводная цифровая связь. –М.: Радио связь, 2000.

4        Григорьев В.А., Лагутенко О.И. Сети и системы радиодоступа.              –М.: Экотрендз, 2005.

5        Столлингс В. Беспроводные линии связи и сети. –М.: Вильмс, 2003.

6        Бабков В.Ю., Вознюк М.А. Сети мобильной связи. Частотно-территориальное планирование. –М.: Горячая линия-телеком, 2007.

7        Галкин В.А. Цифровая мобильная радиосвязь. –М.: Горячая линия-телеком, 2007.

8        Соколов А.В. Альтернатива сотовой связи: транкинговые системы. –М.: БХВ- Петербург,2002.

9        Карташевский В.Г. Сети подвижной связи. –М.: Эко-трендз, 2001.

10    Афанасьев В.В. Эволюция мобильных сетей. –М.: Связь и бизнес, 2001.

11    Закиров З.Г. Сотовая связь стандарта GSM. –М.: Экотрендз, 2004.

12    Ратынский М.В. Основы сотовой связи. –М.: Радио и связь, 2000.

13    Андрианов В.И. средства мобильной связи. – С. BHV-Санкт-Петербург, 2001.

14    Громаков Ю.А. Стандарты и системы подвисной связи. –М.: Радио и связь, 1999.

15    Коньшин С.В. Транкинговые радио-системы: Учебное пособие.- Алматы: АИЭС, 2000.

16    Коньшин С.В., Сабдыкеева Г.Г. Теоретические основы систем связи с подвижными объектами: Учебное пособие.- Алматы: АИЭС,2002.

17   Коньшин С.В. Технологии беспроводной связи: Учебное пособие.- Алматы: АИЭС,2006.