Ì.Þ. ²ëü÷åíêî, Ñ.Î. Êðàâ÷óê
ÑÓ×ÀÑͲ ÒÅËÅÊÎÌÓͲÊÀÖ²ÉͲ ÑÈÑÒÅÌÈ
Київ НАУКОВА ДУМКА 2008
УДК 621.39 Рекомендовано до друку Бюро Відділення інформатики НАН України (протокол № 6а від 4 вересня 2008 р.) та вченою радою Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут“ (протокол № 6 від 9 червня 2008 р.)
Ільченко М.Ю., Кравчук С.О. Сучасні телекомунікаційні системи. — К.: НВП “Видавництво “Наукова думка” НАН України”. — 328 с.: іл.
У монографії розглядаються науково-технічні аспекти побудови телекомунікаційних систем, які ґрунтуються на використанні сучасних технологій і в цілому забезпечують здійснення інформатизації різних галузей і створення інформаційної інфраструктури суспільства. Авторами проведено класифікацію телекомунікаційних систем і розглянуто найбільш перспективні системи, які визначають рівень розвитку сучасної телекомунікаційної інфраструктури держави. При викладенні матеріалу використано оригінальні праці авторів, а також інформацію, що віддзеркалює сучасний світовий рівень телекомунікацій. Для фахівців у галузі телекомунікацій, викладачів, аспірантів і студентів старших курсів телекомунікаційного профілю. The monograph deals with science and technology issues of the state-of-the art design of telecommunications systems for informatization (electronic communication development) in various areas and the creation of the society information infrastructure. The authors suggest the classification of telecommunications systems. They also address the most promising ones that are critical for modern telecommunications infrastructure of the country. The book features the original research by the authors as well as overviews literature on current telecommunications developments. The book should be of interest to telecommunications professionals, educators, doctoral and graduate students in the field of telecommunications.
Рецензенти:
академік О.В. Палагін доктор технічних наук С.Г. Бунін
Науково-видавничий відділ фізико-математичної та технічної літератури Редактор Т.С. Мельник
ISBN 978-966-00-0875-9 © М.Ю. Ільченко, С.О. Кравчук, 2008
Ïåðåäìîâà Технічною базою розвитку сучасного інформаційного суспільства є телекомунікаційні системи, які забезпечують неперервний обіг інформації. Тільки накопичувати інформацію недостатньо — треба ще й доносити її до користувачів, причому так, щоб користувачі не відчували дискомфорту в процесі приймання і сприйняття інформації. Саме забезпечення функціонування інфраструктури всебічного обміну інформацією і є головною задачею телекомунікаційних систем. Звісно, інтенсивний розвиток інформаційних технологій потребує не менш значного розвитку телекомунікаційних систем, але при цьому телекомунікації повинні випереджати у своєму розвитку техніку накопичення інформаційних ресурсів, щоб не гальмувати доступ до них користувачів. З метою забезпечення якісної передачі інформації із врахуванням всіх можливих умов розміщення користувачів, телекомунікаційні системи постійно вдосконалюються і трансформуються (адаптуються), підвищуючи свою пропускну спроможність. В результаті цього з’явилася велика кількість принципово нових видів телекомунікаційних систем і спостерігається подальший процес їх конвергенції та інтелектуалізації. Темпи розвитку телекомунікаційних технологій нині можна порівняти із сходом гірської снігової лавини, що невпинно набирає швидкість і силу. Ця монографія є спробою з єдиних позицій показати сучасний стан телекомунікаційних систем і перспективи їх подальшого розвитку, що базуються на широкому використанні комп’ютерних технологій. Монографія складається з восьми розділів. У першому розділі розглядаються ключові відомості про телекомунікаційні системи, наводяться їх основні властивості, класифікація й тенденції розвитку. Другий розділ присвячений телекомунікаційним мережам на основі кабельних і волоконно-оптичних систем, що формують як транспортну інфраструктуру, так і мережу користувацького доступу. В ньому наведено кілька прикладів практичної реалізації транспортних оптичних мереж в Україні. Значну увагу приділено українській науковоосвітній оптичній мережі УРАН, призначеній для забезпечення установ, організацій і фізичних осіб у сферах освіти, науки та культури України інформаційними послугами на основі Інтернет-технологій для реалізації професійних потреб та розвитку зазначених галузей. Розглянуто сучасні широкосмугові проводові мережі доступу, які повинні забезпечувати передачу будь-якого виду інформації і широкого класу
Сучасні телекомунікаційні системи
мультимедійних застосувань. Насамперед — це технології доступу, які традиційно застосовуються в телефонних мережах загального користування. Основною технологією фіксованого доступу телефонних мереж є пари мідного кабелю. Доступ xDSL відображає розвиток методів передачі сигналів по витій мідній парі. Ці технології дають можливість забезпечувати широкий спектр послуг з передачі мультимедійної інформації. Технології мереж оптичного доступу дозволяють надавати практично будь-які послуги доступу. Їх прийнято розділяти на технології пасивних мереж і технології доведення оптичного волокна до об’єкта. Мережі кабельного телебачення, які спочатку призначалися для організації трансляції телевізійних програм по розподільних мережах на основі коаксіального кабелю, зараз визначають побудову інтерактивних систем з можливістю передачі даних. Технологія Power Line Communications дозволяє, з використанням уже існуючої електричної проводки будівлі, створити комп’ютерну мережу з доступом до Інтернету. Третій розділ об’єднує навколо концепції створення багаторівневої інфраструктури такі телекомунікаційні системи, як супутникові, цифрові мікрохвильові радіорелейні — на основі висотних аероплатформ і на основі міжплатформенних ліній зв’язку. Сама концепція побудови інформаційно-телекомунікаційної інфраструктури загальнодержавного масштабу являє собою багаторівневу сукупність безпроводових телекомунікаційних засобів надання інформаційних, навігаційних та інших послуг, а також транспортних і корпоративних мереж, мереж абонентського доступу. В даному розділі розглянуто супутникові телекомунікаційні системи, які мають ряд унікальних особливостей, що вигідно вирізняє їх серед інших типів і систем телекомунікацій. При цьому супутникові системи активно конкурують із наземними системами, гармонійно доповнюючи їх. Стан розвитку супутникового зв’язку в Україні показано на прикладі двох найбільших супутникових операторів. Відзначено, що подальший розвиток супутникових систем пов’язаний із впровадженням сучасних технологій цифрової обробки сигналів та каналотворення, методів багатостанційного доступу, застосування новітніх мікрохвильових технологій при розробці супутникового та термінального обладнання, нових підходів до створення багатостільникових робочих зон покриття, впровадження технологій підвищення спектральної ефективності та нових транспортних мережних технологій. Розглянуто новий вид систем широкосмугового безпроводового доступу — телекомунікаційних систем на базі висотних аероплатформ, основна ідея яких полягає в реалізації широкосмугового зв’язку за допомогою ретранслюючої станції, розташованої на спеціальній аероплат4
Передмова
формі (аеростаті, літаку). Представлено також системи на основі міжплатформенних ліній зв’язку для побудови перспективних космічних та висотних телекомунікаційних систем, наведено приклади реалізації їх на базі оптичних систем. Закінчується розділ аналізом стану розвитку сучасних малогабаритних мікрохвильових цифрових радіорелейних систем. У четвертому розділі розглядаються радіомережі персонального і локального рівнів. Безпроводові персональні мережі передачі інформації — це технології, які без проводів забезпечують взаємодію інформаційних пристроїв у радіусі від десятків сантиметрів до десяти метрів. Такі системи будуються згідно із стандартами групи IEEE 802.15. Рівень локальних безпроводових мереж з радіусом дії до кількох сотень метрів практично повністю визначається специфікаціями стандарту IEEE 802.11. Поряд із стандартами IEEE інтенсивно просувається європейський проект мереж широкосмугового радіодоступу, в рамках якого для локальних радіомереж рекомендовано стандарти так званих локальних комп’ютерних радіомереж із високими експлуатаційними характеристиками. П’ятий розділ присвячений системам широсмугового безпроводового доступу, які повинні забезпечувати з’єднання із швидкостями передачі більш ніж 2,048 Мбіт/с. В ньому розглянуто становлення таких систем і приклади їх реалізації. Особлива увага звертається на технологію WiMAX, яка базується на групі стандартів IEEE 802.16. Заторкнуто також проблематику подальшого розвитку таких систем та застосування до них технології MIMO. У розділі розглянуто техніку когнітивного радіо та системи стандарту IEEE 802.22, який описує побудову безпроводових регіональних мереж на базі агрегації радіоспектра різних систем зв’язку і телебачення, та систем надвисокого вузла UHS, що формується за допомогою багатосекторної антени, встановленої на високому місці. Розглядаються також широкосмугові системи міліметрового і субміліметрового діапазонів хвиль, аналізуються напрямки їх створення та впровадження. Описується один із перспективних напрямків побудови систем міліметрового діапазону — розподілена мікростільникова архітектура. Оцінюється бюджет радіолінії та наводяться характеристики OFDM-сигналу радіосистем мобільного зв’язку міліметрового діапазону. У шостому розділі відображаються останні досягнення розвитку систем мобільного зв’язку. В ньому розглянуто сучасний стан стільникого зв’язку та перспективні системи рухомого зв’язку третього і четвертого поколінь, наведено мобільний WіMAX і супутні йому безпроводові рішення: Flash-OFDM, UMB, iBurst, TD-CDMA та ін. 5
Сучасні телекомунікаційні системи
У сьомому розділі розкривається тематика перспективних безпроводових телекомунікаційних систем наступного покоління, до яких належать насамперед розподілені безпроводові мережі з ретрансляцією, чи, як їх ще називають, узагальнені багатопрогонові мережі. Для побудови таких мереж, крім кінцевих терміналів, використовуються проміжні термінали, які виконують функції ретрансляторів-маршрутизаторів. Таким чином, створюється розподілена безпроводова мережа з набору незалежних терміналів, яка є єдиною об’єднаною системою. У розділі розглянуто цілий ряд розподілених систем: епізодичні (ad hoc), сенсорні, mesh-системи і системи спільної (кооперативної) MIMO-ретрансляції CMIMOR. Для безпроводової mesh-мережі на основі CМIМОR досліджено вплив виду топології ретрансляції на пропускну спроможність мережі. В кінці розділу викладено концепцію мультимедійної IP-орієнтованої підсистеми зв’язку IMS, яка описує нову універсальну пакетну мережну архітектуру, що підтримує всі технології доступу і забезпечує реалізацію великої кількості інфокомунікаційних послуг. Восьмий розділ присвячений проблемам і перспективам розвитку і впровадження цифрового телевізійного мовлення та розгляду перспективних технологій цифрового телемовлення — DVB-T2, DVB-H, DVB-SH, IPTV і Triple Play. Завершується монографія англо-українським тлумачним словником вживаних термінів, який може бути корисним як спеціалістам з телекомунікацій, так і всім, хто цікавиться даною проблематикою. Матеріал монографії є здобутком багаторічної роботи авторів над вирішенням цілого ряду наукових і технічних проблем у галузі телекомунікацій, а також їх викладацької роботи в Інституті телекомунікаційних систем НТУУ “КПІ”. Автори вважають своїм приємним обов’язком висловити подяку редактору Т.С. Мельник за професійне редагування монографії та доречні пропозиції щодо її покращення. Зауваження і пропозиції щодо змісту книги просимо направляти за адресою: 03056, Київ-56, проспект Перемоги, 37, НТУУ “КПІ”, НДІ телекомунікацій або на електронну адресу
[email protected].
6
Ðîçäë 1
Çàãàëüí âäîìîñò ïðî òåëåêîìóíêàöéí ñèñòåìè
1. Âëàñòèâîñò êëàñèôêàöÿ Телекомунікації (Telecommunications) являють собою всі способи передачі і прийому різного виду інформації (голос, дані, факсиміле, відео й мультимедіа) за допомогою проводової, радіо, оптичної або інших електромагнітних систем. Реалізацію передачі і прийому інформації здійснюють телекомунікаційні системи (ТС), які будуються на основі телекомунікаційних технологій, що забезпечують техніку реалізації принципів і способів такої передачі і прийому інформації. Телекомунікаційні системи є невід’ємною складовою інформатизації [1], зміст функціонування яких полягає в транспортуванні (перенесенні) інформації. Вони складаються з двох основних підсистем: технічної і користувацької. Взаємодія цих різних за своєю фізичною сутністю підсистем визначає структуру і функції ТС. Телекомунікаційні системи багатофункціональні. Вони є: • “великими” системами, що містять у собі величезну кількість компонентів, багато з яких — найбільші системи чи багатофункціональні пристрої. Компоненти ТС мають різну будову і виконують різні функції; • багатозв’язними: їх різні компоненти з’єднані між собою і мають як прямі, так і зворотні зв’язки. Структура і топологія ТС змінні, керовані і залежать від користувачів; • великомасштабними системами, які охоплюють великі території та інтегруються у світову систему телекомунікацій. ТС взаємно проникаючі. Процеси в них можуть проходити з різними швидкостями; • просторово-розподіленими і містять у собі як дискретні, так і безперервні (просторово-протяжні) компоненти. Елементи системи можуть бути стаціонарними (статичними) або рухливими (ди-
Сучасні телекомунікаційні системи
намічними). Така природа ТС породжує особливу специфіку процесів, що відбуваються в них; • складними системами керування, принципово необхідним учасником якої виступає людина-оператор. При цьому ТС є немарковськими з точки зору процесів, що протікають у них. Це означає, що поведінка системи визначається не тільки поточним станом, й передісторією, причому досить тривалою, а також прихованими можливостями, що включаються спонтанно при певних умовах; • нелінійними. Важливо відзначити, що нелінійна залежність існує між різними видами обладнання в системі — технічна нелінійність чи адаптивність, а також між навантаженням, створюваним абонентами системи, і пропускною спроможністю системи. Абонентське навантаження істотно ситуаційне, пропускна спроможність зумовлюється конкретними інженерними рішеннями; • синергетичними, тобто самоорганізовуючими і схильними до самостійного автономного поводження, вони мають здатності до самозбереження і протидії зовнішнім впливам, усуненню змін, що відбулися, внутрішніми засобами (у певних межах), а також функціональною інертністю; • наукомісткими і базуються на перспективних технічних розробках. При цьому вони безперервно розвиваються; • складними системами високого рівня, точніше надскладними. Надскладними називаються системи, що складаються з кількох складних систем. Складність виникає в результаті взаємодії ряду зазначених вище факторів: багатокомпонентності; нелінійності; великої кількості ступенів свободи; наявності пам’яті. На відміну від складних систем у простих системах вихідні параметри функціонально пов’язані із вхідними впливами. Для опису технічної підсистеми телекомунікаційні системи звичайно використовують еталонну модель взаємодії відкритих систем OSI (Open System Interconnection), яка створена в 1984 р. Міжнародною організацією зі стандартизації як модель взаємодії комп’ютерних систем, але майже відразу її стали застосовувати й до телекомунікаційних систем. Активну роль у цьому напрямку зіграв Міжнародний союз електрозв’язку (МСЕ). Еталонна модель OSI дозволяє представити завдання передачі інформації в ТС у вигляді сукупності автономних підзадач (тобто використовувати метод декомпозиції). Модель OSI не є реалізацією системи. Вона дає тільки загальне бачення архітектури системи та її мережну стратегію. 8
Розділ 1
У рекомендаціях серії Y МСЕ запропонував просту модель ТС (рис. 1.1). Обладнання в приміщенні користувача
Мережа доступу
Базова мережа
Засоби підтримки послуг
Рис. 1.1. Модель телекомунікаційної системи МСЕ
Розглянемо основні елементи запропонованої МСЕ моделі ТС: • устаткування в приміщенні клієнта CPE (Customer Premises Equipment); являє собою термінали різного виду або інше обладнання, необхідне для підключення до телекомунікаційних мереж; • мережа доступу (Access Network); забезпечує взаємодію обладнання, встановленого в приміщенні абонента, із транзитною мережею. Звичайно в точці сполучення мережі доступу з базовою мережею встановлюється обладнання комутації (його відносять до базової мережі); • базова мережа (Core Network); така назва застосовується МСЕ зовсім недавно. Раніше використовувалося поняття “транзитна мережа” (Transit Network). Вона призначена для встановлення з’єднань між різними терміналами або між терміналом і засобами підтримки послуг. Базова мережа називається також транспортною мережею; • засоби підтримки послуг (Service Nodes); це — вузли, що забезпечують надання різних інформаційних послуг (наприклад, інформаційні сервери). Основною характеристикою ТС є її продуктивність, що визначається комбінацією пропускної спроможності системи та її завадостійкості. Звідси основною метою розвитку ТС є постійне підвищення продуктивності, причому для проводових систем — це, головним чином, збільшення пропускної спроможності, а для безпроводових — як пропускної спроможності, так і завадостійкості. При цьому ТС повинна забезпечувати всі види послуг із заданою якістю обслуговування QoS, вимоги до якої весь час зростають. Залежно від обмежень середовища поширення сигналу розрізняють такі ТС [2]: • проводові (wireline) — направлене середовище; • безпроводові (wireless) — ненаправлене середовище; 9
Сучасні телекомунікаційні системи
• комбіновані чи гібридні (mixed). Відбувається постійне балансування між проводовими (кабельними) і безпроводовими ТС, їх взаємозв’язок і спільний розвиток. На даний час базові мережі мають перевагу на основі проводових ТС, а мережі доступу — на основі безпроводових ТС. До комбінованих ТС належать системи гібридного з’єднання оптоволокно—радіоканал (ГЗОР), що реалізують передачу інформації через оптоволоконне та безпроводове мікрохвильове обладнання [2]. Відносно служб зв’язку ТС бувають фіксованими, рухомими (мобільними), супутниковими та телерадіомовними системами. За областю використання ТС поділяються на транспортні і абонентського доступу, які суттєво відрізняються пропускною спроможністю та складністю ієрархічної будови. Для акцентування уваги на доступній швидкості передачі даних серед ТС виділяють високошвидкісні (широкосмугові) та низькошвидкісні (вузькосмугові) системи. З погляду на це одним із найперспективніших напрямків розвитку ТС є системи широкосмугового радіодоступу [3]. Структурно-функціональна будова будь-якої ТС залежить від використовуваної мережної топології, яка зумовлена топологією каналів зв’язку. Для проводових ТС це добре відомі топології: повнозв’язна, шинна, кільцева, ієрархічна (дерева) та зіркоподібна [4]. У випадку безпроводових ТС широкого застосування набула класифікація, що базується на відображенні способу взаємодії точки доступу до інформаційних ресурсів та абонентських терміналів. Найпростіша топологія встановлення зв’язку між двома станціями називається “точка-точка”, а між станцією доступу та багатьма абонентськими терміналами — “точка-багатоточка”. Ускладнення архітектури безпроводових систем призвело до специфічної топології “багатоточка-багатоточка”, де кожен із терміналів являє собою не тільки прикінцеве, а й проміжне (ретранслююче) обладнання. Прикладом такої системи може бути так звана мережна mesh-структура. Телекомунікаційні системи можна класифікувати за призначенням, як показано на рис. 1.2. На рис. 1.2 наведені звичайні ТС, що використовуються тривалий час і стабільно займають своє унікальне місце в ієрархії телекомунікацій (телебачення, радіорелейні системи, супутниковий зв’язок тощо), системи, що потроху здають свої позиції (пейджинг, транкінг), та нові ТС, що завойовують телекомунікаційний ринок 10
Розділ 1
Телекомунікаційні системи
Проводові
Безпроводові
Гібридні
Оптоволоконні
Оптичні у вільному просторі
Кабельні
Радіорелейні Стільникового зв‘язку
Кабельного телебачення Телефонії загального користування Широкосмугового доступу
Радіомережі з самоорганізацією Надширокосмугові Широкосмугового радіодоступу Комп’ютерних радіомереж Телебачення та радіомовлення Безшнурові З використанням висотних аероплатформ Супутникові Транкінгові та пейджингові
Рис. 1.2. Загальна класифікація ТС за призначенням
(наприклад, широкосмуговий доступ). Охопити весь спектр ТС в рамках даного видання не уявляється можливим, тому зосередимо свою увагу на найбільш перспективних та тих, що визначають рівень розвитку сучасних ТС.
2. Îñíîâí òåíäåíö¿ ðîçâèòêó На даний час можна виділити такі основні тенденції розвитку сучасних ТС: • перехід на IP-основу із забезпеченням на всіх ділянках високої якості обслуговування; • конвергенція; • перехід проводових мереж до ідеології NGN; 11
Сучасні телекомунікаційні системи
• інтелектуалізація систем і устаткування; • впровадження стільникових мереж третього покоління; • поширення ідеології мережних технологій на безпроводовий сегмент доступу з можливістю наскрізного розподілу трафіку як у проводовій, так і безпроводовій частинах мережі. Зупинимося на кожній із цих тенденцій більш докладно. Насамперед — це перехід на IP-основу. Треба відзначити, що за останні роки в телекомунікаційному світі відбулася чергова революція, яка пов’язана з комерційним виходом мереж із комутацією пакетів на ринок як класичних послуг зв’язку, так і мультимедійних. До реалізацій класичних послуг можна віднести, в першу чергу, передачу телефонних розмов через Інтернет VoIP (Voice over IP), потокове відео (Streaming Video), Інтернет-радіо (Internet Radio), інтерактивні ігри (Interactive Games) та ін. Вимоги до доставки інформації (пакетів) через мережу для всіх цих нових послуг Інтернет суттєво відрізняються від вимог, що пред’являються до звичних послуг передачі даних. Задача передачі мультимедійного трафіку через Інтернет вміщує в себе не тільки роботу мережі, а й роботу верхніх рівнів обладнання користувача, де реалізуються як протоколи для контролю передачі мультимедійного трафіку “з кінця в кінець”, так і алгоритми стиснення і кодування інформації. Для більшості мультимедійних послуг критичними є такі параметри передачі пакетів через мережу, як затримка пакета “з кінця в кінець”, її дисперсія (джитер), а також вірогідність втрати пакета. Під задачею забезпечення якості обслуговування (чи, іншими словами, надання гарантій по параметрах якості обслуговування), як правило, розуміється дотримання заданих значень цих параметрів [5]. Ідеологія, що закладена в ієрархічну модель ТСР/ІР, на основі якої побудована сучасна мережа Інтернет, теоретично дає можливість мережі розрізняти пакети тільки на мережному рівні. Це значить, що тільки на цьому рівні пакету можна надати пріоритет. Таким чином, на основі класифікації за пріоритетом можна вводити нові додаткові функції з обробки пакетів у маршрутизаторах. Можлива реалізація таких додаткових функцій, як керування допуском навантаження в мережі, керування чергами з пріоритетами, керування доступом навантаження на центральний процесор маршрутизатора та ін. Гармонічна реалізація подібних функцій у маршрутизаторах і наступна побудова домену, а потім і мережі доменів із 12
Розділ 1
використанням подібних маршрутизаторів дасть можливість надати гарантовану якість обслуговування для різних типів і класів послуг. Таким чином, перехід на ІР-основу веде до розподілу функцій переносу інформації і функцій керування переносом інформації через мережу, а також відділення функцій послуг і додатків від власне зв’язних функцій. Конвергенція в телекомунікаціях означає процес поступового зближення різних за своїм призначенням технологій і служб з метою уніфікації обладнання і розширення функціональних можливостей [6]. Зупинимось на цьому більш детально. З розвитком телекомунікаційних технологій з’являлися нові послуги і, відповідно, нові мережі, які розвивалися самостійно і незалежно одна від одної. Телеграфні, телефонні, радіомовні, телевізійні мережі та Інтернет були і дотепер залишаються здебільшого незалежними. У сучасному інформаційному суспільстві підхід технічної незалежності різних джерел інформації вже неприйнятний — виникає необхідність у створенні відкритої телекомунікаційної інфраструктури із врахуванням конвергенції засобів масової інформації і комунікаційного сектора, що повинно забезпечити доступ кожному індивідуумові до всіх інформаційних ресурсів в “єдиному пакеті”. Відбувається перехід від поняття “надання послуги” до поняття “надання сервісу”, де мається на увазі самостійно обумовлений абонентом набір послуг, що він дістає від єдиного постачальника з гарантованою якістю обслуговування. Можна підкреслити кілька аспектів конвергенції — послуг, обладнання і мереж. Конвергенція послуг забезпечує користувачам нові розширені функціональні можливості, конвергенція обладнання дозволяє, наприклад, об’єднати в єдиний пристрій телефон, персональний комп’ютер і телевізор, а конвергенція мереж означає зближення або об’єднання різних мережних технологій для створення можливостей надати користувачам різнорідні послуги. Процес конвергенції в телекомунікаційних мережах в свою чергу прискорює розвиток фундаментальних тенденцій, що відбуваються в телекомунікаціях: • кардинальну зміну мережних архітектур, відмову від жорсткої ієрархії мереж, характерну для “класичних” телефонії і телеграфії; • функціональний поділ рівнів транспортної комутованої мережі і рівня формування послуг; 13
Сучасні телекомунікаційні системи
• послугу зв’язку, як таку, що перестає бути істотною цінністю для користувача. Телекомунікації (як мінімум, на масовому ринку) все більше наближаються до моделі комунальних послуг. У житлових будинках і офісах з’являється “розетка зі зв’язком”; • неминучий розподіл телекомунікацій на дві частини: інфраструктурну і сервісну; • перехід “від телекому до інфокому” пов’язаний із радикальними змінами у всьому телекомунікаційному і інформаційному бізнесі, а також суміжних галузях; • очевидний пріоритет у майбутньому сервісу (у широкому значенні) над інфраструктурою; • зміни будуть не тільки “автоматичними”, тобто відбудеться спокійне усвідомлення змін, що відбуваються, і кардинальна зміна нормативної бази; • уміння шукати рішення, взаємоприйняті для всіх учасників процесу: користувачів, телекомунікаційних компаній і контентпровайдерів. Близькою до конвергенції є тема переходу до мереж NGN. До середини останнього десятиліття минулого століття розвиток телекомунікацій відбувався переважно еволюційним шляхом. Однак кінець XX ст. ознаменувався “вибуховим” характером цього процесу. Постало питання про архітектуру і технологію мережі зв’язку майбутнього — NGN (Next Generation Network). Це питання все більше й більше переходить із площини теоретичних дискусій у площину практичної реалізації. Важливо не тільки обговорити, а й установити численні аспекти мереж NGN: технічні, організаційні, регуляторні та ін. У 2004 р. в Рекомендації МСЕ Y.2001 зазначено: “Мережа наступного покоління NGN (Next Generation Network) — це мережа на базі пакетів, що здатна надавати служби/послуги телекомунікацій і надавати можливість використовувати кілька широкосмугових транспортних технологій, які забезпечують якість обслуговування і в яких функції, що належать до служб, незалежні від технологій, що стосуються транспортування. Вона дозволяє вільний доступ для користувачів, за їхнім вибором, до мереж і конкуруючих постачальників служб і/чи до служб/послуг. Вона підтримує рухомість, що буде давати можливість постійного і повсюдного забезпечення служб для користувачів”. Деякі фахівці називають мережі NGN мультисервісними. На даний час немає однозначного визначення мультисервісних мереж. 14
Розділ 1
Вважається, що мультисервісна мережа — це мережа, що забезпечує передачу будь-яких видів трафіку і всі види послуг у будь-якій точці, у будь-який час, з необхідною якістю й за цінами, прийнятними для користувачів. На нашу думку, точніше було б говорити про мережі, що забезпечують надання мультисервісних послуг. Уже очевидно, що еволюція мереж у напрямку NGN піде по шляху об’єднання базових мереж і мереж доступу як на апаратному, так і на програмному рівнях. Швидше за все, NGN буде базуватися на сукупності технологій, які використовують для вирішення конкретних завдань користувачів технологію, оптимальну за сукупністю критеріїв. При цьому необхідно враховувати невизначеність співвідношень трафіку різної природи. Значимість тих чи інших критеріїв буде мінятися в міру того, як розвиваються телекомунікації. Складність переходу до мереж NGN пов’язана з тим, що в різних мережах застосовується різне програмне забезпечення, що взаємно не кореспондується. Розв’язання цієї задачі покликано забезпечити концепцію відкритого доступу до послуг OSA (Open Service Access), яка передбачає застосування пристроїв, що приведуть до взаємодії різних мереж. Насамперед мова йде про програмний комутатор — Softswitch. Ідея технології та й сам термін Softswitch належать компанії Lucent Technologies, що вперше продемонструвала його на виставці CeBit 2001. Softswitch слугує конвертором протоколів сигналізації між мережами зв’язку різної природи: традиційними телефонними мережами, стільниковими мережами, мережею Інтернет і т.д. Наприклад, Softswitch перетворить протокол сигналізації ОКС-7 у протоколи IP-телефонії. Програмний комутатор містить у собі також засоби для передачі потоків синхронної цифрової ієрархії або пакетів і засоби їх взаємного перетворення. У ньому максимальною мірою реалізована концепція відкритих інтерфейсів. Softswitch має бути пристроєм керування і для ТМЗК, і для мережі з комутацією пакетів. Для ТМЗК він буде одночасно і пунктом сигналізації ОКС-7 (SP або STP), і транзитним комутатором, що підтримує інші системи сигналізації ТМЗК (наприклад, R2), а для мережі з комутацією пакетів — пристроєм керування транспортними шлюзами (Media Gateway Controller) і/чи контролером сигналізації (Signaling Controller). Взаємодію між Softswitch сьогодні планується здійснювати за протоколом SIP/SIP-T, а взаємодії Softswitch з підлеглими їм комутаційними пристроями — 15
Сучасні телекомунікаційні системи
за протоколом стандарту MGCP/MEGACO/H.248. Ці протоколи орієнтовані на мережі з пакетною комутацією. Крім згаданих протоколів, у системах Softswitch реалізуються протокол BICC передачі по IP-мережі сигналів ОКС-7 і протокол IPDC передачі по IP-мережі сигналів ISDN. Безперечно, Softswitch буде відігравати визначальну роль в об’єднанні мереж, що відбиває ідеологію переходу до мереж NGN. Зміст цієї ідеології — конвергенція в телекомунікаціях, про яку ми вже згадували. Друга важлива ідея NGN — відділення функцій надання послуг від транспортних технологій. У сполученні з відкритими протоколами це дозволяє забезпечувати створення нових послуг і вільне підключення нових служб різних провайдерів в умовах жорсткої конкуренції, а також можливість вибору споживачем оператора або провайдера послуг, а також відповідний рівень якості надання цих послуг. Таким чином, мова йде про розподілену архітектуру, в якій зв’язок між компонентами здійснюється винятково через відкриті інтерфейси. Найбільш докладно це розглядається в стандарті ETSI ES 282 001 v.1.1.1, прийнятому в серпні 2005 р. Ще раз підкреслимо: NGN — це ідеологія створення і реконструкції телекомунікаційних мереж. У рамках ідеології пропонуються і будуть пропонуватися безліч різних інженерних рішень. Вибір конкретних рішень, виходячи з економічних, технічних, політичних, соціальних та інших позицій, і буде визначати швидкість руху тієї або іншої країни до NGN. Все більш помітною стає тенденція інтелектуалізації систем і устаткування. На рівні устаткування — це широке впровадження адаптивних систем, що регулюють модуляцію, кодування, керування потужністю та діаграму спрямованості антени. На рівні систем інтелектуалізація має прояв у протоколах самоорганізації розподілених мереж, впровадження інтелектуальної надбудови керування послугами для відомих мереж [7]. Впровадження стільникових мереж третього покоління стало переломним моментом у розвитку стільникових мереж, що довгий час нарощували послуги на обладнанні другого покоління. Це свідчить про те, що потрібний рівень послуг не може бути забезпечений старим стільниковим обладнанням. Тому оператори вимушені були не тільки модернізувати обладнання, а й проводити повну його заміну. Все це дуже активізувало телекомунікаційний ринок як безпроводового, так і проводового обладнання. 16
Розділ 1
Все більшого значення набуває тенденція поширення ідеології мережних технологій на безпроводовий сегмент доступу з можливістю наскрізного розподілу трафіку як у проводовій, так і без проводовій частинах мережі. Це особливо відчутно при розгортанні комп’ютерних радіомереж та розвитку третього покоління стільникового зв’язку, де підтримується часовий дуплекс та багатостанційний доступ з часовим розподілом, зокрема технологія TD-CDMA. Ñïèñîê ëòåðàòóðè 1. 2.
3.
4. 5.
6. 7.
Cергієнко І.В. Невід’ємна складова інформатизації держави // Дзеркало тижня, № 36 (510), 4 вересня 2004 р. Микроволновые устройства телекоммуникационных систем / М.З. Згуровский, М.Е. Ильченко, С.А. Кравчук, С.А. Нарытник, Ю.И. Якименко. — К.: Політехніка, 2003. — Т. 1. — 456 с.; Т. 2. — 615 с. Ільченко М.Ю., Наритник Т.М., Кравчук С.О. та ін. Широкосмугові мікрохвильові розподільні системи і їх застосування в наземних мережах Інтернетдоступу // Наукові вісті НТУУ “КПІ”. — 2002. — № 6. — С. 15—26. Кравчук С.О., Шонін В.О. Основи комп’ютерної техніки: Компоненти, системи, мережі. — К.: Каравела, 2006. — 344 с. Кравчук С.А. Архитектура фиксированных систем широкополосного радиодоступа // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2003. — № 4. — С. 15—18. Кучерявый Е.А. Управление трафиком и качество обслуживания в сети Интернет. — СПб.: Наука и техника, 2004. — 336 с. Ильченко М.Е., Кайденко Н.Н., Кравчук С.А. Процесс конвергенции в телекоммуникационных сетях // Зб. матер. наук.-техн. конф. ПТ—07 “Проблеми телекомунікацій”, м. Київ, 25—27 квітня, 2007 р. — К.: НТУУ “КПІ”, 2007. — С. 14—15.
17
Ðîçäë 2
Ïðîâîäîâ ìåðåæ òåëåêîìóíêàöéíèõ ñèñòåì
3. ÂÎËÎÊÎÍÍÎ-ÎÏÒÈ×Ͳ ÑÈÑÒÅÌÈ Головною особливістю телекомунікаційних проводових систем є можливість створення певного (у даному випадку проводового) штучного середовища для поширення електромагнітних хвиль, що дозволяє проводити оптимізацію цього середовища з метою досягнення найбільшої пропускної спроможності. Саме в процесі цієї оптимізації відбувся розвиток проводового зв’язку від мідного проводу і коаксіального кабелю до волоконно-оптичної лінії зв’язку (ВОЛЗ). На рис. 3.1 показано пропускну спроможність різних середовищ передачі кабельних ліній зв’язку. Як видно з наведеного рисунка, найбільш перспективне застосування має ВОЛЗ. Назвемо їх основні переваги: • широка смуга пропускання; • низький рівень загасання сигналу при розповсюдженні; • відсутність власних зовнішніх електромагнітних випромінювань; C, Мбіт/с • можливість пов10000 ного діелектричного виОптичне конання волоконно-оп1000 волокно тичних кабелів. Коаксіал 100 Ці переваги дозволяють створювати лінії 10 зв’язку без регенератиМідна 1 пара вних пристроїв довжиною понад 600 км. Пов0,1 0,1 1 10 100 d, км не діелектричне виконання забезпечує нечутРис. 3.1. Залежність пропускної спроможності C ливість до електромагрізних середовищ передачі від відстані d
Розділ 2
нітних завад, тобто дає можливість усунути проблеми блукаючих струмів, корозії, грозозахисту, а значить, прокладати такі лінії, наприклад, у смузі залізниць або підвішувати кабелі на контактні опори ліній електропередач. Відсутність власних зовнішніх електромагнітних випромінювань не тільки вирішує проблему впливу на інші кабелі зв’язку, а й забезпечує захищеність від перехоплення переданих повідомлень без механічного впливу на ВОЛЗ. Першу комерційну волоконно-оптичну лінію зв’язку було відкрито в 1980 р. в США між містами Бостон і Річмонд. У кабелі зв’язку застосовувалося градієнтне багатомодове волокно, а на трьох робочих довжинах хвилі досягалася швидкість передачі інформації 45 Мбіт/с. Не вдаючись в історію еволюції оптичних кабелів, відзначимо, що їх розвиток здійснювався по шляху розширення пропускної спроможності, підвищення ефективності, якості і надійності, зниження вартості і розширення асортиментів для застосування в різних умовах. За минулу чверть століття стала можливою передача інформації по ВОЛЗ з терабітними швидкостями при високій стабільності. Сьогодні найбільш широке поширення набули одномодові волоконно-оптичні кабелі. Одномодове волокно має мале загасання, слабку частотну залежність загасання в межах вікна прозорості, практично необмежену смугу переданих частот, незалежність від зовнішніх електромагнітних завад. За теоретичними розрахунками пропускна спроможність одного такого волокна становить 75 Тбіт/с, а фактично стане доступною пропускна спроможність порядку 5 Тбіт/с. На сьогодні уже знайшли практичне застосування системи з пропускною спроможністю 1,2 Тбіт/с. До сучасних оптичних технологій передачі належать: • технології оптичних лінійних пристроїв систем передачі; • технології оптичних підсилювачів; • технології спектрального ущільнення; • технології солітонової передачі. Остання група технологій, що використовує нелінійні властивості оптичного волокна, перебуває в стадії лабораторних досліджень. Інші три групи технологій освоєні на практиці і часто застосовуються спільно. Для ВОЛЗ розроблені технології оптичних лінійних пристроїв систем передачі, насамперед системи передачі, побудовані за технологією синхронної цифрової ієрархії (СЦІ — SDH (Synchronous Digital Hierarchy)). Відповідний американський стандарт назива19
Сучасні телекомунікаційні системи
ється SONET (Synchronous Optical Networks). Ідея технології полягає в упакуванні стандартних цифрових потоків Е1 (потоків зі швидкістю 2048 кбіт/с) у стандартні модулі СЦІ [1, 2]. Швидкості передачі стандартних модулів наведені в табл. 3.1. Таблиця 3.1. Швидкості стандартних модулів СЦІ
Системи SONET
Системи SDH
Швидкість передачі, Мбіт/с
ОС-3 ОС-12 ОС-48 ОС-192 ОС-768
STM-1 STM-4 STM-16 STM-64 STM-256
155,52 622,08 2488,2 9953,3 39813,1
Швидкість передачі в 40 Гбіт/с, з погляду на сьогоднішні технології, можна розглядати як максимальну, однак за повідомленнями ряду закордонних фірм проводяться лабораторні випробування систем зі швидкістю передачі до 160 Гбіт/с. Однією із сучасних ідей використання ВОЛЗ є застосування технології високошвидкісної передачі даних для великих мереж Gigabit Ethernet. Ця технологія виникла як розвиток технології Ethernet, запропонованої ще в 1973 р. як основної технології локальних мереж. Специфікації технології Gigabit Ethernet визначаються стандартом IEEE 802.3z і наступними за ним стандартами, схваленими також МСЕ. У травні 2002 р. у США була продемонстрована перша 10-гігабітна мережа загальною довжиною 200 км. З тих пір у світі з’явилося безліч ліній цього стандарту. Відзначимо, що технологія 10 Gigabit Ethernet підтримує передачу даних тільки по оптичних мережах. Порівняльна характеристика технологій наведена в табл. 3.2. Таблиця 3.2. Порівняльні характеристики технологій високошвидкісної передачі даних
Параметр
10 Gigabit Ethernet STM-16
STM-64
Швидкість передачі даних, Гбіт/с
10
2,5
10
Тип з’єднання
“Точка-точка”
“Точка-точка” “Точка-точка”
Резервування
+
+
20
+
Розділ 2
Прогрес у галузі оптичних ліній зв’язку ілюструє рис. 3.2 [3]. Технології оптичC, Мбіт/с них підсилювачів за8 безпечують підсиленТеоретична границя 10 ня групового оптич160х10 Гбіт/с ного сигналу і до6 10 зволяють збільшити 40х2,5 Гбіт/с відстань між підси4 16х2,5 Гбіт/с 10 лювальними пунктаSTM-64 ми до кількох соSTM-16 2 тень кілометрів. Для STM-4 10 цього використову1975 1985 1995 2005 2015 ють так звані підсиРік лювачі EDFA (ErbiPис. 3.2. Зміна швидкості передачі по оптичному волокну um Doped Fiber Amplifiers), які містять ділянку волокна з домішкою ербію, що приводиться в збуджений стан за допомогою лазера накачування. Підсилене випромінювання стимулюється світловим потоком, що проходить. Ці технології переважно застосовуються разом із технологіями оптичних лінійних пристроїв систем передачі. Найбільш активно на даний час розвиваються технології спектрального (або хвильового) ущільнення — WDM (Wavelength Division Multiplexing) і DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing). Сигнали СЦІ (наприклад, кілька потоків STM-16) розподіляються по певних довжинах хвиль, що потім передаються як потік сигналів в одному волокні. Сигнали переносяться від точки мультиплексування до точки демультиплексувания в оптичній формі з використанням можливостей технології широкосмугових оптичних підсилювачів без проміжних перетворень. Устаткування DWDM роблять різні фірми, такі, як Lucent Technologies, Siemens, NEC, Alcatel, Nortel Networks, ECI та ін. Максимальна кількість несучих у системах WDM формально може досягати 320, а в лабораторних експериментах — 1000. Однак на практиці кількість несучих обмежена не тільки вибраним варіантом стандартного частотного/хвильового плану, а й (у рамках обраного плану) використовуваною швидкістю передачі, що залежить від верхньої межі допусків на девіацію несучих [4]. Ці межі рухомі й коректуються відповідно до технологічних досягнень, наприклад залежать від ширини смуги, необхідної для використовуваних ме21
Сучасні телекомунікаційні системи
тодів модуляції/маніпуляції. Зокрема, при модуляції несучої за інтенсивністю смугу сигналу можна зменшити частотною фільтрацією бічних смуг, включаючи роботу на одній бічній смузі (ОБС) з частковим або повним придушенням іншої (метод, широко використовуваний у радіотехніці). Так, при попередній оптичній фільтрації модульованого сигналу 45 ГГц смуговим фільтром, що практично забирає одну бічну смугу, у системах WDM можна використовувати крок 50 ГГц при швидкості 40 Гбіт/с, що раніше вважалося неможливим [5]. Техніка ОБС дозволяє, наприклад, заміняти в апаратурі WDM блоки/карти, що працюють на швидкості 10 Гбіт/с і розраховані на крок 50 ГГц, блоками/картами для швидкості 40 Гбіт/с. Це, в принципі, дає можливість збільшити швидкість систем WDM з 1,6 Тбіт/с (160 несучих по 10 Гбіт/с на кожній) до 6,4 Тбіт/с (160¯40 Гбіт/с), що є гранично досяжним на сучасному рівні технології. Можливо й збільшення швидкості передачі на одній несучій систем WDM. Так, досліджено WDM-системи з восьми каналами по 170 Гбіт/с і загальною ємністю 1,36 Тбіт/с і десяти каналами по 320 Гбіт/с (BW = 3,2 Тбіт/с) на одне волокно [5]. На даний час у світі все більший інтерес проявляється до технології грубого спектрального мультиплексування CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing), що дозволяє при порівняно невеликих витратах збільшити пропускну спроможність існуючих оптичних ліній зв’язку. Технологія CWDM найбільш ефективна на міських телефонних мережах, технологія DWDM — на магістральних. У деяких випадках застосовуються комбіновані рішення: DWDM/CWDM. Слід зазначити особливу перспективність впровадження мультипротокольної лямбда-комутації MPλS (MultiProtocol Lambda Switching). Ця технологія є важливою частиною для побудови повністю оптичних або фотонних мереж, що обіцяють радикально змінити існуючу зараз мережну архітектуру [6]. Лямбда-комутація розширює парадигму комутації на основі міток на оптичну область. Тут роль мітки виконує довжина світлової хвилі, на якій ведеться передача. Образно кажучи, замість числового ідентифікатора використовуються кольори. Природно, що електронні комутатори при цьому заміняються на оптичні. Незважаючи на такі райдужні перспективи розвитку телекомунікацій на основі ВОЛЗ, звичайні кабельні системи на базі витих пар і коаксіальних кабелів ще стійко використовуються в місцевих розгалуженнях прикінцевої апаратури абонентів. 22
Розділ 2
Наведемо кілька прикладів практичної реалізації оптичних мереж в Україні. На даний час найбільшим власником оптичної мережі на Україні є акціонерна компанія з державним капіталом “Укртелеком”, яка займає близько 80 % ринку послуг фіксованої телефонії та обслуговує більш ніж 9,8 млн абонентів. Довжина оптоволоконних ліній компанії становить більше 20 тис. км. З 2004 р. “Укртелеком” почав модернізацію своєї оптичної мережі шляхом впровадження технології DWDM. Така нова мережа може забезпечити мультиплексування і прозорий транспорт декількох потоків із різних джерел. При цьому по кожній оптоволоконній парі можна передавати до восьми каналів по 2,5 Гбіт/с. Модернізація оптичної мережі передбачує перехід із технології синхронної передачі SDH на універсальні мережі передачі даних MSTP (Multi-Service Provisioning Platform). Транспортна інфраструктура України розвивається також і альтернативними операторами зв’язку. Зокрема, компанія “Атраком” будує оптоволоконні мережі на Україні для потреб операторів. Ця мережа зараз об’єднує близько 19 тис. км побудованих волоконно-оптичних ліній зв’язку і є найбільш розгалуженою на Україні. Так, частина мережі “Атраком” слугує основою для створення оптоволоконної магістралі передачі даних за технологією DWDM для оператора стільникового мобільного зв’язку “Beeline”. Основні великі населені пункти і регіони України покриває оптична мережа компанії “Євротранстелеком”. Волоконно-оптичний кабель прокладений у ґрунті в охоронюваній зоні залізниць України, що забезпечує високу надійність мережі. Мережа інтегрується з мережами операторів Росії, Польщі, Угорщини і Словаччини. На мережі використовуються новітні оптичні рішення компанії Nortel Networks. Лінійна швидкість передачі становить 2,5 Гбіт/с із можливістю її збільшення. Заслуговує на увагу українська науково-освітня мережа УРАН, що була створена за рішенням Міністерства освіти і науки України та НАН України за концепцією, ухваленою міжнародною нарадою “Комп’ютерна мережа закладів вищої освіти і науки України” за участю представників Наукового відділу НАТО 24—26 квітня 1997 р. в Києві та міжнародною конференцією “Комп’ютерні мережі у вищій освіті” 26—28 травня 1997 р. в Києві. Мережа призначена для забезпечення установ, організацій і фізичних осіб у сферах освіти, науки та культури України інформаційними послугами на основі Інтернет-технологій для реалізації професійних потреб та 23
Сучасні телекомунікаційні системи
розвитку зазначених галузей. Такі послуги передбачають, зокрема, оперативний доступ до інформації, обмін нею, її поширення, накопичення та обробку для проведення наукових досліджень, дистанційного навчання, використання методів телематики, функціонування електронних бібліотек, віртуальних лабораторій, проведення телеконференцій, реалізації дистанційних методів моніторингу. Сьогодні мережа УРАН об’єднує понад 60 науково-дослідних та освітніх закладів (130 точок підключення) та експлуатує волоконно-оптичні мережі в десяти містах України загальною довжиною близько 150 км. Подальший розвиток УРАН пов’язується не тільки з розбудовою канальної інфраструктури для підключення користувачів мережі на основі “темних волокон”, а й зі створенням власних інформаційних ресурсів, зокрема, науково-освітнього порталу, електронних бібліотек, ресурсів системи дистанційного навчання та системи менеджменту сфери освіти (система “Освіта”), банків даних і знань, інформаційно-пошукових систем тощо. Актуальним є вирішення питання інтегрування інформаційних ресурсів мережі УРАН і мережі закладів НАН України. Окремим завданням є забезпечення доступу до ресурсів Центрів суперкомп’ютерних обчислень і даних та створення на основі системи УРАН GRID-інфраструктури для забезпечення наукових досліджень з інтеграцією до європейської GRID-системи. 4. Ìåðåæ äîñòóïó Мережі доступу телекомунікаційних систем в своїй роботі повинні задовольняти виконання ряду вимог, а саме: • забезпечення показників якості передачі інформації; • забезпечення показників надійності; • забезпечення “прозорості” стосовно переданої інформації і протоколів сигналізації; • забезпечення можливості істотного розширення пропускної спроможності. Історично мережі доступу будувалися переважно на базі мідних кабелів зв’язку. Однак у сучасних умовах такий спосіб виявляється неефективним по ряду параметрів: висока вартість, складність прокладання, високі витрати на підтримку кабелів у працездатному стані, схильність електромагнітним впливам, обмежена пропускна спроможність. Тому все більшого поширення в мережах 24
Розділ 2
доступу набувають волоконно-оптичні кабелі і радіозасоби, а також комбіновані методи організації мереж. Сьогодні еволюція мереж доступу йде по шляху розвитку широкосмугового (високошвидкісного) доступу — Broadband, що забезпечує передачу будь-якого виду інформації і широкого класу мультимедійних застосувань. Перше місце у світі з поширення широкосмугового доступу довгий час займала Республіка Корея: з 48 млн жителів майже 80 % мають можливості такого доступу (статистика 2005 р. дає показник 25,4 ліній на 100 жителів). Уряд Південної Кореї надає значні субсидії компаніям для створення мереж широкосмугового доступу. Однак в 2005 р. на перше місце вийшла Ісландія (26,7 ліній на 100 жителів). У США на кінець 2005 р. близько 39 % міських жителів і 24 % жителів сільської місцевості мали високошвидкісний доступ в Інтернет (42,9 млн ліній). За повідомленнями преси, у США в цей час обговорюється запропонована рядом провідних телекомунікаційних корпорацій національна програма Broadband, розрахована на 10 років, з обсягом інвестицій в 300 млрд дол. У рамках цієї програми передбачається наділити кожного потенційного користувача широкосмуговим доступом із пропускною здатністю 100 Мбіт/с [7]. У сучасному обладнанні, застосовуваному на мережі доступу, широко використовуються механізми мультиплексування і концентрації. Технології проводового доступу поділяються на кілька груп. Насамперед, це технології доступу, традиційно застосовувані в телефонних мережах загального користування (ТМЗК). Основною технологією фіксованого доступу телефонних мереж є пари мідного кабелю. Смуга пропускання частот стандартного телефонного каналу становить 0,3—3,4 кГц, максимальна швидкість передачі даних при організації доступу через ТМЗК дорівнює 56,7 кбіт/с. При цьому абонент не може одночасно користуватися послугами телефонії і доступу в Інтернет. Таким чином, можливості розширення набору надаваних послуг і збільшення швидкості доступу до цих послуг у мережі ТМЗК практично обмежені. Доступ у мережах ISDN також здійснюється по витій мідній парі, однак при цьому набір надаваних послуг порівняно з ТМЗК істотно збільшується. Базовий ISDN-доступ (канал 144 кбіт/с, 2B + D) забезпечує абонентові одночасно доступ до послуг телефонії і передачі даних. Проте через невисоку ефективність використання, а також досить високу 25
Сучасні телекомунікаційні системи
вартість технології ISDN-доступу мережі з комутацією каналів для передачі пакетних даних, не одержали значного поширення. xDSL-доступ відображає розвиток методів передачі сигналів по витій мідній парі. Ці технології забезпечують доступ до широкого спектра послуг з передачі мультимедійної інформації [8]. Їх можна розділити на дві групи: технології симетричного і асиметричного xDSL-доступу. Структуру мережі доступу, побудовану за технологією xDSL, показано на рис. 4.1. Комп‘ютер x DSLмодем Сплітер
Телефон Приміщення абонента
Комутатор АТС
ТМЗК
Сплітер
DSLAM
Мережа передачі даних
Вузол доступу
Рис. 4.1. Структура мережі доступу, побудованій за технологією х DSL
Мережа доступу складається із системи мультиплексорів доступу в центральному вузлі (DSLAM) і DSL-модемів у приміщенні споживача, з’єднаних абонентською лінією. Вузол доступу виконує дві функції: закінчення абонентських ліній DSL; концентрація/мультиплексування абонентських ліній DSL у регіональну широкосмугову мережу. Мультиплексор доступу цифрових абонентських ліній поєднує трафік великої кількості абонентських телефонних ліній. З мультиплексора доступу дані у вигляді пакетів передаються в мережу Інтернет і надходять за призначенням. Абонентське устаткування DSL можна розбити на дві основні категорії: мости і маршрутизатори. Міст — це пристрій з низьким рівнем інтелекту, що має вхідний порт Ethernet і вихідний порт DSL, тому мости можуть становити інтерес тільки при підключенні 26
Розділ 2
мереж, де вже є засоби маршрутизації і захисту трафіку. Маршрутизатори DSL — це звичайні мережні маршрутизатори з додатковими платами DSL. Вони, втім, можуть мати рядом специфічних можливостей, від яких залежить їх вартість і ступінь придатності для потреб конкретного користувача. До числа таких можливостей належать: наявність достатньої кількості портів Ethernet; гнучке керування IP-адресами за допомогою перетворення мережних адрес NAT (Network Address Translation) і сервісу DHCP; функціональність міжмережного екрана; підтримка VPN; додаткові функції, такі, як голос поверх DSL VoDSL (Voice over DSL) і використання телефонних каналів як резервних. Сплітер являє собою фільтр, що виділяє сигнали звичайного телефонного зв’язку і спрямовує їх на комутаційне устаткування телефонної станції. Високочастотні цифрові сигнали направляються на мультиплексор доступу. Устаткування керування і контролю абонентської лінії може розміщуватися як до сплітера, так і після нього. Воно забезпечує захист комутаційного устаткування, фізичний доступ, тестування телефонного устаткування і тестування широкосмугового цифрового устаткування, що необхідно для організації даної системи, її обслуговування, пошуку і усунення несправностей. На абонентській стороні лінії, що йдуть від телефонних апаратів і, наприклад, комп’ютерів, можна підключитися до пристрою інтегрованого доступу, що дозволяє перетворити аналоговий сигнал телефонного зв’язку в цифрову форму, об’єднати його з даними, що надходять від комп’ютерів, і все це передати у вигляді цифрового високочастотного сигналу на телефонну станцію. Технології LAN (Local Area Network) розроблялися для забезпечення доступу корпоративних користувачів до ресурсів локальних мереж [9]. Для доступу користувачів до послуг інших ресурсів (Інтернет, корпоративні мережі тощо) сучасні LAN будуються за гібридною технологією і поєднують у собі властивості LAN і мереж, які забезпечують підключення LAN до транспортних мереж. Серед технологій LAN можна виділити такі: Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, Token Ring, HSTR, FDDI, CDDI, SDDI. На сьогодні більше 85 % мереж LAN побудовані з використанням технології сімейства Ethernet. Їх поширеність зумовлена простотою і низькою вартістю обладнання Ethernet, що дозволяє створювати корпоративні мережі, в яких реалізована швидкість передачі інформації може становити від 10 Мбіт/с до 10 Гбіт/с. Розробка технологій 27
Сучасні телекомунікаційні системи
Token Ring і HSTR (High Speed Token Ring) проводилася в комітеті IEEE 802.5. Кількість мереж Token Ring не перевищує 10 % від загальнї кількості LAN. Стандарт технології FDDI (Fiber Distributed Data Interface), прийнятий ANSI, визначає принципи побудови локальних мереж зі швидкістю передачі даних 100 Мбіт/с. Його застосування обмежене через високу вартість. Технології CDDI (Copper DDI) і SDDI (Shielded DDI) — це проводові варіанти технології FDDI для неекранованої та екранованої витої мідної пари, відповідно. Технології мереж оптичного доступу OAN (Optical Access Networks) дають можливість надати практично будь-які послуги доступу. Їх прийнято розділяти на технології пасивних мереж PON (Passive Optical Networks) і технології доведення оптичного волокна до об’єкта. Перспективи розвитку мереж OAN пов’язані насамперед чергу зі зниженням цін на організацію оптичного доступу. Мережі кабельного телебачення (КТБ) спочатку призначалися для організації трансляції телевізійних програм по розподільних мережах на основі коаксіального кабелю і будувалися за односпрямованою схемою. На початку 1990-х років були початі численні, але невдалі спроби створення і впровадження технологій побудови інтерактивних мереж доступу до мультимедійних послуг на базі гібридних мереж КТБ — HFC (Hybrid Fiber Coaxial). Масове розгортання HFC-мереж почалося після появи в 1997 р. стандарту DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification). Сьогодні використовується п’ять варіантів цього стандарту, що визначають побудову інтерактивних систем КТБ на базі гібридної HFC-технології: три американських (DOCSIS 1.0; 1.1; 2.0), один європейський (Euro-DOCSIS) і один міжнародний (Рекомендації J.112 МСЕ-Т). При створенні HFC-мереж важливе значення має сумісність устаткування різних виробників. Мережі колективного доступу (МКД) призначені для організації недорогого доступу в Інтернет індивідуальних користувачів, що проживають у багатоквартирних будинках. Ідея колективного доступу полягає у використанні існуючої в будинках кабельної інфраструктури (вита мідна пара, радіотрансляційні мережі, електрична проводка). У будинку, що підключається до Інтернету, встановлюється концентратор трафіку. Для підключення концентратора до вузла служб транспортної мережі можуть використовуватися різні технології (PON, FWA, супутникові та ін.). Таким чином, мережі 28
Розділ 2
колективного доступу є гібридними. До основних технологій колективного доступу належать HPNA, PLC, EFM. Технологія Power Line Communications (PLC) стандарту HomePlug дає можливість з використанням вже існуючої електричної проводки будівлі побудувати комп’ютерну мережу з доступом в Інтернет, встановити систему відеоспостереження, провести автоматизацію підприємства чи будинку. Мережні пристрої PLC працюють на базі OFDM-модуляції (84 піднесучих у діапазоні 4—21 МГц) і розраховані на мережі з напругою LV (0,4 кВ) і MV (6—36 кВ). Зовнішнє устаткування доступу розміщується на локальній трансформаторній підстанції, підключається до телефонної мережі і/або IP-магістралі через існуючі телекомунікації й до електричної мережі. Це устаткування являє собою шлюз між мережами загального користування та PLC-мережею і керує смугою пропускання між внутрішніми контролерами, встановленими в приміщеннях будинку. Підключення зовнішнього устаткування доступу PLC-мережі до мереж IP і ТфОП (телефонний оператор) варіюється, залежно від відстаней і умов розташування трансформаторної підстанції, від мідних до оптичних ліній зв’язку. Внутрішні PLC-контролери організують абонентську мережу всередині приміщень і об’єднують пристрої-адаптери, які включаються в розетки мережі електроживлення. Адаптери мають набір стандартних різних інтерфейсів типу USB, RS-232, RJ-45, Ethernet для підключення різних терміналів (комп’ютерів, факсів, телефонів). Технологія PLC реалізує принцип “точка-багатоточка”. Локальна трансформаторна підстанція буде одночасно поставляти електроенергію і послуги передачі даних, телефонії тощо. Застосування режиму гнучкого керування смугою пропускання гарантує оптимальне використання пропускної спроможності каналу зв’язку. Основні переваги PLC: немає необхідності в проводці спеціальних мережних комунікацій; комп’ютери не “прив’язані” до мережних рознімань, їх можна розмістити в будь-якому місці, де є розетка електроживлення. Максимальна швидкість передачі становить 14 Мбіт/с (HomePlug 1.0) і 200 Мбіт/с (HomePlug AV), дальність — до 10 км. Нова специфікація передбачає високоякісну передачу зображень, розважальних програм, сигналів телебачення високої чіткості. Для захисту інформації використовується алгоритм 3DES, що гарантує практично таку ж високу захищеність трафіку, як і в проводових мережах. На додаток до всього, устаткування пі29
Сучасні телекомунікаційні системи
дтримує функції якості обслуговування, зокрема чотирирівневу систему пріоритетів і можливість сегментації мережі. Якими б оптимістичними не були результати роботи експериментальних PLC-мереж за рубежем, подібна технологія в нашій країні стикається з рядом труднощів. Технічні параметри вітчизняних електромереж набагато відрізняються від їх аналогів у Західній Європі і США. Проблема полягає в тому, що наша електрична проводка зроблена переважно з алюмінію, а не з міді, яка використовується в більшості країн світу. Алюмінієві проводи мають гірші електричні і механічні якості, а це — гірша електропровідність, що призводить до якнайшвидшого загасання сигналу, і велика крихкість алюмінію порівняно з міддю. Все це обов’язково негативно позначиться при використанні PLC-технології в нашій країні. Інша проблема полягає в тому, що в нас дотепер не вирішені основні питання нормативно-правового регулювання використання PLC-технологій, а сюди входить і їх сертифікація, і розподіл частот. Проте, технологія PLC має великий потенціал. Ñïèñîê ëòåðàòóðè 1.
2. 3.
4. 5. 6. 7. 8.
9.
30
Ilchenko M.E., Kravchuk S.A. Information Telecommunication Broadband Radio Access Systems // J. of Automation and Information Sciences. — 2006. — 38, Issue 4. — P. 69—77. Хмелев К.Ф. Основы SDH. — К.: ІВЦ “Видавництво “Політехніка”, 2003. — 584 с. Телекоммуникационные системы и сети. В 3-х томах. Т. 1. — Современные технологии / Под ред. В.П. Шувалова. — М.: Горячая линия — Телеком, 2003. — 648 с. Мардер Н.С. Современные телекоммуникации. — М.: ИРИАС, 2006. — 384 с. Слепов Н.Н. Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи. — М.: Радио и связь, 2003. — 342 с. Слепов Н.Н. Оптоволоконные системы дальней связи // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. — 2005.— № 6.— С. 70—75. Столлингс В. Современные компьютерные сети. — СПб.: Питер, 2003. — 783 с. Варакин Л.Е. Направления развития инфокоммуникаций России на основе современных технологий и мировых тенденций // Тр. МАС. — 2001. — № 1 (17). — С. 2—13. Інформатика. Комп’ютерна техніка. Комп’ютерні технології / В.А. Баженов, П.С. Венгерський, С.О. Кравчук та ін. — К.: Каравела, 2007. — 640 с.
Ðîçäë 3
Áåçïðîâîäîâà áàãàòîðâíåâà òåëåêîìóíêàöéíà íôðàñòðóêòóðà
5. Êîíöåïöÿ ïîáóäîâè íàöîíàëüíî¿ íôîðìàöéíî-òåëåêîìóíêàöéíî¿ áàãàòîðâíåâî¿ íôðàñòðóêòóðè Бурхливий прогрес галузі телекомунікацій перейшов із двовимірного площинного розвитку до об’ємного тривимірного, що знаменує собою створення телекомунікаційних мереж на базі взаємодії наземних безпроводових та проводових систем із супутниковими. Це потребує наукового обґрунтування створення нової концепції побудови багаторівневої інфраструктури інформаційно-телекомунікаційної системи із врахуванням усіх особливостей різнорідних систем та мереж. Концепція побудови інформаційно-телекомунікаційної інфраструктури загальнодержавного масштабу як сукупності безпроводових телекомунікаційних засобів надання інформаційних, навігаційних та інших послуг, а також транспортних і корпоративних мереж, мереж абонентського доступу базується на таких науковотехнічних принципах: • зосередження телекомунікаційних засобів там, де існує найбільша щільність користувачів; • підтримка високої інформаційної пропускної спроможності; • застосування сучасних мікрохвильових, мережних та інформаційних технологій; • забезпечення передачі всіх видів інформації (мова, текст, дані, зображення, відео тощо); • максимальне залучення вітчизняного науково-виробничого потенціалу; • реалізація мобільності, що проявляється в тому, що кожний користувач має можливість використовувати необхідне для нього з’єднання незалежно від місця підключення до мережі;
Сучасні телекомунікаційні системи
• наповнення безпроводової мережі інформаційними потоками здійснюється, головним чином, через з’єднання з ВОЛЗ-магістралями; • прозорість підтримки з’єднань для інформаційних потоків різних стандартів через спеціальні інтерфейси, зумовлені протокольним рівнем використовуваних телекомунікаційних систем, що не поширюється на зовнішні мережі. Загальна структура побудови національної інформаційно-телекомунікаційної безпроводової інфраструктури [1] наведена на рис. 5.1. Розглядаючи таку інфраструктуру по вертикальній ієрархії (зверху вниз), можна виділити чотири її рівні: • супутникові комунікації з невисокою інформаційною щільністю, але з найбільшим покриттям території; • стратосферні телекомунікаційні системи із середньою інформаційною щільністю; • наземні безпроводові системи з максимальною інформаційною щільністю; КС • системи доступу до наземних магістральСН них ВОЛЗ, розподільних місцевих кабельних мереж і інформаційних ресурсів. Рівень супутникових ТСВА комунікацій. Верхній рівень вертикальної ієрархії становить площина супутникових комунікаСШР цій, що забезпечує невисоку, але рівномірну по всій зоні дії щільність інформаційного наповнення. Треба відSTM-4 значити, що супутникові системи не можуть STM-16 конкурувати з наземними стільниковими меРис. 5.1. Загальна структура побудови національрежами з надання посної інформаційно-телекомунікаційної інфраструктулуг у межах густонасери: КС — комунікаційний супутник; СН — супутлених районів, але можник навігації 32
Розділ 3
ливість доступу супутникових комунікацій до будь-якої точки в зоні обслуговування, що може охоплювати всю територію країни, робить супутникові системи незамінними для створення всеохоплюючих інформаційно-телекомунікаційних мереж національного і глобального рівнів. Крім того, все більше супутникових систем застосовують як навігаційні і синхронізуючі системи широкого використання. Тут, безперечно, на сьогодні найбільший інтерес викликає служба Глобальної системи позиціонування GPS (Global Position System). Головною ж метою національних супутникових комунікацій є забезпечення вітчизняного телерадіомовлення і різних послуг вузькосмугових інформаційних служб, а також взаємодія з глобальними та високопіднятих аероплатформ іншими національними інформаційно-телекомунікаційними мережами. Рівень телекомунікаційних систем на базі висотних аероплатформ. Основним недоліком супутникових систем є значна нераціональність їх використання відносно надання телекомунікаційних послуг (надмірність у малонаселених областях і дефіцит в урбанізованих центрах). Кардинальним рішенням у забезпеченні інформаційних послуг урбанізованих районів є розробка нового виду систем широкосмугового безпроводового доступу — телекомунікаційних систем на базі високопіднятих аероплатформ (ТСВА). Структура ТСВА має відкритий характер, що дає можливість інтегрувати в межах системи різноманітні види телекомунікацій — від проводових до безпроводових. Проводові системи, головним чином оптичні, задіяні через шлюзову станцію для виходу в зовнішні мережі, а безпроводові — комп’ютерні радіомережі, системи широкосмугового радіодоступу — формують мікростільники абонентського доступу в зоні дії ТСВА, яка передбачає тісну взаємодію із супутниковими мережами і намагається зайняти проміжне місце між наземними і супутниковими широкосмуговими системами. Крім того, розгортання ТСВА дасть змогу більш ефективно буду-вати комунікаційні лінії Земля—супутник. ТСВА може взяти на себе роль активного ретранслятора між супутником і земними станціями (ЗС) що істотно знизить вимоги до енергетики ліній Земля— супутник і підвищить їх надійність. У рамках території, що обслуговується, ТСВА має забезпечувати прямий обмін різнорідним трафіком (голос, дані, відео) між користувачами, а для зв’язку з зовнішніми джерелами інформації і користувачами застосовувати наземні мережі загального користу33
Сучасні телекомунікаційні системи
вання і супутникові комунікації. Крім того, зона дії ТСВА має стільникову структуру, що дає можливість будувати на її основі багатостільникову мережу із забезпеченням міжстільникового трафіку винятково через стратосферну мережу з ряду станцій на базі високопіднятих аероплатформ (СВА). У такій мережі мультимедійний пакетний трафік передається по висхідних лініях земними станціями, які можуть бути стаціонарними чи рухомими. Прийняті для кожної СВА пакети демодулюються і декодуються, тобто здійснюється обробка сигналів у смузі частот, що модулюють, для наступної передачі. Щоб визначити, в який із найближчих вузлів мережі передати пакет, з нього виділяється адреса одержувача і потім виконується алгоритм маршрутизації. Пакет може бути далі переданий безпосередньо на ЗС (якщо пункт призначення обслуговується даною СВА), але, зазвичай, він передається по кількох стратосферних міжстанційних каналах з обробкою і проміжним збереженням на борті СВА, а потім уже надходить на ЗС, що є пунктом призначення. Залежно від матриці трафіку в кожний момент часу одні СВА можуть передавати пакети тільки по стратосферних сегментах, а інші — тільки по лініях комунікацій із ЗС. Але більш раціональним усе ж буде обслуговування обох потоків повідомлень, причому відношення об’ємів переданої інформації визначається матрицею трафіку та умовами, в яких знаходиться СВА. При роботі в мережі передбачається використання кінцевими пунктами протоколу транспортного рівня, що забезпечує надійний зв’язок через мережу. Доступ до мережі і наскрізна передача забезпечується ЗС за допомогою протоколів мережного рівня. Це дає можливість надавати необхідні послуги та здійснювати наскрізне керування потоками. Протоколи маршрутизації та керування при перевантаженнях виконуються спільно земними станціями і СВА. У цих протоколах передбачається цілком роззосереджене керування, тому для забезпечення високої живучості не потрібні особливі ЗС чи СВА, вихід із ладу яких призводив би до різкого погіршення роботи системи. Протоколи канального рівня забезпечують багатостанційний доступ, наведення антен і обробку сигналів на кожній СВА і кожній ЗС. Рівень наземних ситем широкосмугового радіодоступу. Наземний рівень вертикальної ієрархії становить площина наземних систем широкосмугового радіодоступу (СШР) мікрохвильового діапазону. Структура СШР, будується переважно, зі зіркоподібною тополо34
Розділ 3
гією: одна безпроводова точка доступу (базова станція (БС)) і ряд абонентських терміналів (АТ), яким дається внутрішній обмін інформацією і вихід у зовнішні мережі за допомогою все тієї ж точки доступу. Великий інтерес викликають СШР так званої “дворівневої конфігурації” TLN (two-layer network). TLN складається з першого рівня, формованого комунікаційними лініями між БС і локальними ретрансляторами (ЛР), і другого рівня “останньої милі”, призначеного для забезпечення зв’язку ЛР із прикінцевими АТ. При цьому на першому рівні формується макростільник у діапазоні міліметрових хвиль, а на другому — ряд мікростільників діапазонів 2,4 чи 5,8 ГГц. Перспективним як зворотний канал у мікростільниках TLN є використання технологій CDMA (Code Division Multiple Access — множинний доступ із кодовим поділом каналів) і DECT (Digital European Cordless Telecommunications — європейський стандарт по цифровому безпроводовому зв’язку). Основною сполучною інфраструктурою для зонових і локальних мереж СШР залишаються малогабаритні радіорелейні системи, що забезпечують передачу всіх видів інформації, що працюють у режимі “точка-точка”. Рівень доступу до ВОЛЗ. Безпроводові точки доступу розглядуваної інфраструктури повинні мати інтерфейси для підключення до національних інформаційних ресурсів. Найбільш оптимальні такі підключення за допомогою ВОЛЗ, що дають можливість реалізувати подачу інформації з достатньо високими швидкостями передачі, які забезпечують ефективне використання можливостей безпроводових широкосмугових систем усіх вищих рівнів розглянутої інфраструктури. У цьому контексті великі можливості відкриває нова технологія, що реалізує системи широкосмугового доступу на основі гібридного з’єднання оптоволокно—радіоканал (ГЗОР) [2], основні положення якого визначені в Рекомендації МСЕ-Р F.1332. В англомовній літературі таку технологію називають гібридним оптоволоконним радіо HFR (Hybrid Fiber Radio). Основними перевагами визначають ГЗОР є насамперед надання системам широкосмугового мікрохвильового радіозв’язку простого і ефективного інтерфейсу з ВОЛЗ. До них додаються ряд переваг, властивих оптоволоконним технологіям, таких, наприклад, як висока завадозахищеність, забезпечення великих розв’язок між мікро35
Сучасні телекомунікаційні системи
хвильовими і оптичними каналами, надширокосмуговість, висока стабільність частоти, яку може забезпечити квантовий генератор, стійкість до впливу зовнішніх електромагнітних полів тощо. Сама ідея ГЗОР досить проста. Якщо оптична несуча промодульована інформаційним сигналом діапазону 20—60 ГГц, то виділити останній досить легко фотодетектором з наступною передачею його через міліметровий тракт. Можливо і зворотне перетворення сигналу з міліметрового в оптичний діапазони з подальшою передачею у ВОЛЗ. Остання схема дуже перспективна у випадку встановлення на житловому будинку приймальної станції цифрового телебачення і розподілу від неї телеканалів по квартирах за допомогою пасивної оптичної мережі. На рис. 5.2 наведено загальну структурну схему міліметрової СШР на базі ГЗОР. Радіосистема складається з центральної станції (ЦС) і ряду БС, що формують свої окремі стільники. На ЦС встановлено оптичні передавачі і приймачі з реалізацією мультиплексування по довжині хвилі. На кожну БС від ЦС через ВОЛЗ надходять опорний сигнал міліметрового діапазону λ0 і i-несучі інформаційних проміжних частот λi . Така побудова дозволяє підводити до кожної БС цифровий потік із швидкістю 155 Мбіт/с. БС2
БС1
λ0, λ2
λ0, λ1 ЦС λ0, λ3
БС3
λ0, λn
БСn
Рис. 5.2. Загальна структура побудови СШР на базі ГЗОР
На БС інформаційний сигнал λi виділяється у фотоприймачі, після чого підсилюється, перетворюється і передається в ефір простору стільника. Опорний же сигнал λ0 може слугувати зовнішнім 36
Розділ 3
сигналом синхронізації для гетеродина чи використовуватися безпосередньо шляхом підсилення до необхідного рівня потужності, тим самим, заміняючи гетеродин. Таким чином, розглянута концепція побудови інформаційнотелекомунікаційної інфраструктури дозволяє здійснити оптимальне територіальне розподілення інформаційного трафіку. Побудова даної інфраструктури можлива як поетапна і не вимагає значних капітальних витрат і, відповідно, дає змогу прискорити окупність вкладених у неї коштів, що дуже важливо для держави з економікою, що розвивається. Можливість швидкого розгортання інфраструктури дозволяє вирішити проблему надання повного набору мультимедійних послуг і забезпечити ними державних, корпоративних та індивідуальних споживачів. Реалізація окремих сегментів данної концепції розглядається нижче. Вона здійснюється за участю авторів монографії вітчизняними науково-дослідними й проектними інститутами, виробничими підприємствами і сучасними телекомунікаційними компаніями.
6. Ñóïóòíèêîâ ñèñòåìè Супутникові телекомунікаційні системи (СТС) мають ряд унікальних особливостей, що вигідно виділяє їх серед інших пологів і систем телекомунікацій. При цьому СТС активно конкурують із наземними системами і гармонійно доповнюють їх [3, 4]. На даний час можна виділити такі основні особливості сучасних СТС. Велика зона обслуговування (покриття) СТС — дає можливість організовувати зв’язок між географічно віддаленими об’єктами, у тому числі розташованими у важкодоступних районах і охоплювати, при трансляції широкомовних програм, велику глядацьку аудиторію. Висока швидкість і вірогідність передачі інформації — робота через сучасний геостаціонарний супутник можлива на швидкості одиничних цифрових каналів до 155 Мбіт/с при малій імовірності помилки. Конфіденційність системи — використовуються спеціальні методи кодування при передачі інформації між вузлами СТС. При цьому для кожного вузла береться свій канал зв’язку, а перехоплення інформації вимагає колосальних витрат і тому економічно невигідне. 37
Сучасні телекомунікаційні системи
Висока надійність супутникових каналів — дозволяє використовувати їх для резервування окремих ділянок наземних мереж. Середня величина часу напрацювання на відмову для малогабаритної термінальної станції VSAT (Very Small Aperture Terminal) перевищує 100000 год., а термін активного існування сучасних геостаціонарних супутників досягає 10—15 років. Полізастосування — СТС може одночасно використовуватися як комерційними, так і державними структурами. Інтеграція послуг — по супутникових мережах передаються дані, голос, відео, підтримуються практично всі комунікаційні інтерфейси і протоколи. СТС можуть використовуватися для надання послуг Інтернет, ретрансляції телевізійних каналів, замовлення авіаційних і залізничних квитків, проведення лотерей, визначення координат тощо. Експлуатаційна гнучкість — свобода маневру пропускною здатністю, можливість оперативно додавати і відкидати вузли, змінювати конфігурацію переданого трафіку, простота контролю і діагностики роботи устаткування. Швидкість розгортання — СТС розгортаються в найкоротший термін (3—4 год.), забезпечують канали дальнього зв’язку при істотно менших порівняно з наземними мережами капітальних витратах. Рішення проблеми “останньої милі” — малогабаритні земні станції VSAT можна встановлювати в безпосередній близькості до мережного і при кінцевого устаткування користувача. Висока економічна ефективність — вартість передачі трафіку по супутниковому каналі практично не залежить від відстані між кореспондентами. Вигідно відрізняють СТС від інших систем малі експлуатаційні витрати, локальний характер будівництва і відносно недороге устаткування. З моменту виникнення (запуску першого негеостаціонарного супутника зв’язку на навколоземну орбіту в 1957 р.) і дотепер СТС належить до одного з найбільш наукомістких і високотехнологічних видів телекомунікацій, які визначають науково-технічний рівень розвитку національних телекомунікацій. В умовах України, з її чималою територією, СТС можуть відігравати велику роль при охопленні телевізійним мовленням сільських, віддалених районів із зниженою щільністю населення, при створенні мереж телефонного зв’язку з цими районами, наданні послуг Інтернет, організації ме-
38
Розділ 3
реж передачі даних для віддалених служб і підприємств різних державних структур і відомств. Розглянемо ключові технології та проблематику створення сучасних високошвидкісних супутникових мереж, що зможуть вивести СТС на якісно новий конкурентоспроможний ( відносно наземних систем) рівень свого розвитку. Аналіз сучасного стану розвитку СТС показує, що як ключові технології для перспективних СТС визначено сполучення двох технологій [5]: • застосування зв’язних високопродуктивних бортових процесорів; • застосування бортових багатопроменевих антенних систем. Нагадаємо, що на сьогодні більшість супутників мають корисне навантаження з прямою ретрансляцією сигналів, що було традиційним для супутників зв’язку і мовлення, які створювалися в XX ст. Основна перевага таких ретрансляторів — універсальність супутника. Нові технології не відкидають традиційного рішення. Вони покликані розумно його доповнювати. У результаті частина стовбурів корисного навантаження перспективних супутників комерційного призначення звичайно пропонується виконувати за традиційною схемою з прямою ретрансляцією інформації, а частина стовбурів — з обробкою і комутацією на борту. Для супутників, що мають міжконтинентальні робочі зони (типу Intelsat), уже традиційно застосовуються антени з контурною діаграмою спрямованості, які формують кілька окремих променів, розв’язаних між собою в просторі саме за рахунок властивості високого (більше 27 дБ) придушення бічних пелюстків променів контурної антени. При цьому контурні антени, значно (приблизно на 3 дБ) програючи звичайним антенам по підсиленню в центрі робочої зони, на її межі мають практично ідентичне значення по підсиленню. Застосування багатопроменевих антенних систем уже апробовано на практиці і в сполученні з обробкою інформації на борту дає не тільки принципове підвищення енергетичного потенціалу і пропускної спроможності супутника, а й дозволяє одержати нову якість супутникових мереж, створюваних на базі космічного апарата: з’являється можливість організації VSAT-мереж будь-якої топології в будь-якому регіоні в межах робочої зони супутника без будівництва центральної станції чи хаба (hub). Очевидно, що досягнен39
Сучасні телекомунікаційні системи
ня цієї нової якості визначає додаткові фінансові витрати на створення супутника. У результаті вартість супутника нового покоління збільшується (за даними для експериментальних супутників, приблизно в 1,5—2 рази). У зв’язку з цим становлять інтерес шляхи мінімізації технічних проблем і вартості супутника при збереженні функціональних властивостей, що досягаються за рахунок обробки інформації на борту і багатопроменевості. Для цього приймають компромісне рішення, що передбачає створення ретрансляційної апаратури корисного навантаження частково з прямою ретрансляцією, а частково з обробкою на борту. Такий підхід забезпечує економію витрат і спадковість рішень, прийнятих при розвитку наземного сегмента в попередній період. Одним із недоліків ретрансляційних стовбурів з обробкою на борту є їх неуніверсальність, яка проявляється в тому, що та технологія обробки інформації, яка приймається при створенні ретрансляційної апаратури, повинна підтримуватися й усіма наземними терміналами, що працюють із використанням ресурсів даного супутника. Таким чином, отримуємо свого роду монополізм при розвитку наземного абонентського сегмента. Сьогодні перед галуззю супутникового зв’язку стоїть завдання визначити вигляд нових супутників цивільного призначення з перспективою на 10—15 років уперед. Для цього необхідно об’єктивно осмислити технічні рішення, які на даний час уже перевірені на практиці чи перебувають у стадії відпрацювання, і вибрати серед них найбільш прийнятні з погляду не тільки на техніку і технологію, а й економічних і навіть геополітичних факторів. З експрес-аналізу сучасних напрямків у галузі створення супутників нового покоління випливає, що ретрансляційна апаратура повинна мати спадкоємність із вже існуючими мережами. Таким чином, очевидно, що частині стовбурів доцільно зберегти прозорість і забезпечити спадкоємність частотних планів із діючими супутниками (наприклад, затвердити перехід від Intelsat до Eutelsat, прийнятого на нових супутниках серії “Експресс-АМ” на відміну від “Експресс-А”). Інша частина стовбурів має бути орієнтована на перспективні технології супутникового зв’язку, обумовлені розвитком VSAT-мереж, з організацією комутації і обробки сигналів на борту. І нарешті, ще одна частина — це стовбури, призначені для збору регіональних програм теле- і радіомовлення із застосуванням мультиплексування на борту. 40
Розділ 3
При цьому потенційна робоча зона кожного супутника повинна формуватися з використанням багатопроменевих антен і охоплювати як мінімум всі країни, що межують з Україною. Основою для конкретизації параметрів супутників нового покоління є характеристики наземного устаткування, що і надає користувачам кінцеві послуги зв’язку і мовлення. Маршрутизація трафіку особливо складна і важлива в мережах супутникового зв’язку на основі низькоорбітальних супутників із міжсупутниковими лініями зв’язку. Головна складність її пов’язана з високою динамічністю таких мереж, що зумовлена швидким переміщенням супутників відносно один одного і відносно фіксованої точки на поверхні Землі. У результаті маємо, що звичайні протоколи маршрутизації, реалізовані в наземних мережах, тут абсолютно не прийнятні. Для таких мереж супутникового зв’язку запропоновано два основних алгоритми маршрутизації — DT-DVTR (Discrete-Time Dynamic Virtual Topology Routing) і VN (Virtual Node). Алгоритм DT-DVTR заснований на періодичному характері змін в орбітальному угрупованні. Вся шкала часу ділиться на інтервали стаціонарності таким чином, що топологія змінюється тільки на початку і в кінці інтервалів, залишаючись постійною до початку наступного інтервалу. На кожному такому інтервалі можна розв’язувати задачу статичної маршрутизації вже відомими методами. Результатом її розв’язання для кожного інтервалу є відповідна таблиця маршрутизації. Набір таблиць маршрутизації для всіх можливих інтервалів стаціонарності зберігається на борту кожного супутника і кожна з таблиць використовується у відповідному інтервалі. При такому підході замість проведення складних обчислень у реальному масштабі часу супутник повинен зберігати численні таблиці маршрутизації, що потребує мати бортову пам’ять великого об’єму. Для зменшення необхідного об’єму пам’яті можлива організація обміну таблицями між сусідніми супутниками. Головна ідея алгоритму VN полягає в тому, щоб сховати від протоколу маршрутизації топологічні зміни. Для цього вводиться віртуальна топологія, що є суперпозицією віртуальних вузлів і фізичної топології орбітального угрупування. Протягом певного періоду часу кожен віртуальний вузол являє собою певний фізичний супутник, що перебуває в заданій області. Поки він залишається в ній, віртуальна топологія вважається незмінною. Як тільки супутник залишає її, віртуальний вузол співвідноситься з іншим супут41
Сучасні телекомунікаційні системи
ником, що увійшов у цю область. Перший супутник передає другому всю необхідну для роботи даного віртуального вузла інформацію. Завдання маршрутизації вирішується вже над віртуальною топологією, і при передачі трафіку протоколу маршрутизації не потрібно відстежувати динаміку орбітального угрупування. На основі двох базових алгоритмів розроблено кілька конкретних схем переносу IP-пакетів через низькоорбітальну мережу. Як правило, вони засновані на алгоритмі VN. У деяких комерційних супутникових мережах (включаючи проект мережі Teledesic) використовуються власні технології маршрутизації, орієнтовані на урахування особливостей орбітального угрупування. Однак у всіх цих рішеннях залишається низка проблем, пов’язаних із практичною реалізацією алгоритмів маршрутизації, особливо при вимозі забезпечення якості обслуговування. Для комутації трафіку всередині мережі у відносно великій кількості проектів (Cyberstar, Astrolink, Spaceway, Skyway) передбачається застосування технології ATM як базової. Зокрема, існує ATM-версія алгоритму DT-DVTR, згідно з якою кожна пара сусідніх супутників згрупована у віртуальний шлях VPC (Virtual Path Connection), і бортовий процесор працює, вже виходячи з міток цього VPC. При цьому передбачається застосування специфічних для супутникової мережі протоколів сигналізації і передачі даних канального рівня. Для адаптації подібних мереж до підтримки сервісів Інтернет може бути використана технологія передачі IP-трафіку поверх ATM (IP over ATM). Розробники, виробники і оператори супутникових мереж роблять все можливе, щоб в їх мережах були реалізовані найбільш ефективні протоколи маршрутизації. У той же час деталі реалізації супутникової мережі повинні бути приховані від наземної мережі Інтернет. Для ізоляції специфічних мереж широко використовується концепція автономної системи AS (Autonomous System). Відповідно до неї для маршрутизації трафіку між AS застосовуються кілька стандартних протоколів, тоді як усередині кожної AS для передачі трафіку може бути задіяний свій власний унікальний протокол маршрутизації. Супутникову мережу можна вважати окремою автономною системою Інтернет з рядом граничних шлюзів BG (Border Gateway), які реалізують зовнішній протокол маршрутизації BGP (Border Gateway Protocol), прийнятий у наземних автономних системах Інтернет. Вхідний граничний шлюз визначає вихідний граничний шлюз для кожного пакета, переданого через супутникову AS. При необ42
Розділ 3
хідності вхідний і вихідний шлюзи здійснюють інкапсуляцію/декапсуляцію пакетів і перетворення адрес. Граничні шлюзи можна реалізувати як на борту, так і в складі ЗС. У першому випадку вимоги до обчислювальних ресурсів і енергетики супутника можуть виявитися надмірними. При організації доступу в Інтернет через системи прямого мовлення виникає проблема забезпечення односпрямованої маршрутизації, що не може бути вирішена традиційними протоколами маршрутизації, розрахованими на дуплексні канали зв’язку. Без врахування нетривіального настроювання статичної схеми маршрутизації можливі два напрямки вирішення даної проблеми — шляхом модифікації протоколів маршрутизації і за допомогою тунелювання трафіку. У рамках проблемної групи проектування Інтернет IETF (Internet Engineering Task Force) організована робоча група UDLR (Unidirectional Link Routing) для розробки відповідного протоколу. Модифікований протокол повинен давати можливість маршрутизатору-приймачу (з приймального боку односпрямованого каналу) ідентифікувати маршрутизатор-передавач (з передавального боку односпрямованого каналу) щораз, коли одержує від нього оновлену службову інформацію. Крім того, маршрутизатор-приймач періодично повинен сам відправляти свої службові повідомлення всім маршрутизаторам-передавачам через наземні зворотні канали зв’язку. Коли маршрутизатор-передавач одержує маршрутизуючу інформацію, він обновляє відповідний запис у своїй таблиці маршрутизації. Ця ідея використана робочою групою UDLR для модифікації таких поширених протоколів, як протокол маршрутної інформації RIP (Routing Information Protocol), відкритий протокол алгоритму кращого вибору найкоротшого маршруту OSPF (Open Shortest Path First) і протокол багатоадресної маршрутизації по вектору відстані DVMRP (Distance Vector Multicast Routing Protocol) [6]. За допомогою тунелювання трафіку робиться спроба сховати від процесу маршрутизації асиметричність використовуваних каналів. Між системою прямого мовлення і терміналом користувача за допомогою процедур інкапсуляції/декапсуляції емулюється віртуальна двонаправлена лінія. Вона і є тунелем, через який передаються пакети, призначені для передачі інформації від користувача до системи DBS. Наприкінці тунелю на стороні користувача пакети спочатку інкапсулюються, а потім обробляються протоколом маршрутизації, що направляє їх через реальний зворотний наземний канал. Пакети, що прибувають на сторону системи прямого мов43
Сучасні телекомунікаційні системи
лення, перехоплюються і декапсулюються, а потім обробляються протоколом маршрутизації, для якого вони виглядають так, начебто прибули по двонаправленому каналу. Розглянуті схеми модифікації і тунелювання є досить простими і можуть бути швидко реалізовані. Однак вони розроблені стосовно односпрямованих каналів типу “точка-точка”, хоча за своєю природою супутникові системи належать до широкомовного (типу “точка-багатоточка”). Розробка і оптимізація рішень для такої мережної архітектури вимагає подальшого вивчення. Зокрема, потребує свого вирішення проблема того, що в IP-мережі відсутні засоби ефективного керування трафіком і ефективного використання альтернативних маршрутів; в IP-мережах не допускається перетинання адресного плану і поділ трафіку клієнтів для побудови віртуальних приватних мереж, що виключає можливість підключення клієнтів з однаковою адресацією; маршрутизація в IP-мережах виконується приблизно на порядок повільніше комутації, що викликано порівняно більшим часом аналізу IP-заголовка. Для розв’язання таких задач розроблено архітектуру багатопротокольної комутації по мітках MPLS (Multiprotocol Label Switching) [7]. Як транспортні протоколи Інтернет широке застосування знайшли протоколи TCP і UDP. Однак їх ефективність у супутникових каналах різко знижується через наявні значні затримки і високий рівень канальних помилок. Для керування швидкістю передачі і забезпечення надійності доставки в протоколі TCP використовується механізм позитивного зворотного зв’язку. Більша затримка, властива супутниковим каналам, збільшує кругову затримку TCP і призводить до затримок в одержанні підтверджень. Повільний зворотний зв’язок обмежує функціональність механізмів керування швидкістю передачі і запобігання перевантажень, що в результаті знижує ефективність роботи протоколу. Додаткова проблема пов’язана із значними флуктуаціями кругової затримки RTT (Round-Trip Time), які особливо великі в низькоорбітальних супутникових мережах. Флуктуації затримки RTT ведуть до неправильно встановлених тайм-аутів і помилкових повторних передач. На етапі повільного старту протокол TCP збільшує швидкість передачі за експонентним законом, але все-таки цього виявляється недостатньо, щоб задіяти наявну пропускну спроможність супутникового каналу. Одна з пропозицій з модифікації протоколу полягає в тому, що необхідно збільшити початковий розмір вікна. Протокол TCP дає можливість встановлювати максимальний розмір вік44
Розділ 3
на 64 кбайт, якому відповідає максимальна швидкість передачі 64 кбайт/RTT. У результаті пропускна спроможність супутникового каналу не буде повністю задіяна. Для усунення цього недоліку розмір вікна необхідно збільшувати. Ряд опцій масштабування вікна TCP визначені в документі IETF RFC1323. Для супутникових каналів зв’язку характерний високий рівень помилок, зумовлених наявністю завад, завмирань, затінень і загасання сигналу в опадах. Хоча сучасні методи модуляції і канального завадостійкого кодування FEC (Forward Error Correction) значно знижують рівень помилок BER (Bit Error Rate), вони часто залишаються неприйнятними для багатьох застосувань. Однак протокол TCP “вважає”, що всі втрати переданих даних відбуваються тільки через перевантаження в мережі. Як тільки виявляється втрата пакета, з метою боротьби з перевантаженням протокол TCP змен- шує розмір вікна у два рази, хоча насправді ніякого перевантаження й не було. Спеціально розроблений альтернативний протокол SCPS-TP (Space Communication Protocol Standards-Transport Protocol) передбачає заходи щодо визначення причин втрати пакетів і різну реакцію на них. Асиметричність супутникових каналів теж вносить свій вклад у зниження ефективності TCP. Асиметричні супутникові канали є не тільки в системах прямого мовлення, а й у мережах VSAT, де наземні термінали часто приймають значно більш високошвидкісні потоки даних, ніж здатні передати. Обмежена пропускна спроможність зворотного каналу приводить до запізнювання одержання давно очікуваних підтверджень. Інша внутрішня проблема TCP — це специфіка розподілу канального ресурсу між з’єднаннями з різними значеннями RTT: з’єднанню з більшим значенням RTT дістається менша частина пропускної спроможності фізичного каналу. Робоча група IETF, яка займається модифікацією протоколу TCP для супутникових мереж, розробила ряд рекомендацій, що поліпшують його ефективність. Опція вибіркового підтвердження TCP SACK (Selective Acknowledgment), описана в документі RFC2018, дає можливість приймачеві точно вказати перекручений сегмент. У результаті цього передавач повторно передасть тільки перекручені пакети. Дана опція також відновлює кілька перекручених сегментів у рамках вікна передачі з одним значенням RTT. Розширення TCP для коротких блоків даних T/TCP (TCP for Transaction), описане в документі RFC1644, призводить до скоро45
Сучасні телекомунікаційні системи
чення затримки встановлення з’єднання (handshaking latency) із двох до одного значення часу RTT, що має істотно підвищити швидкість передачі коротких блоків даних. Стале TCP-з’єднання, підтримуване протоколом HTTP 1.1 (RFC2068), дає можливість робити безліч низькошвидкісних передач даних у рамках одного сталого TCP-з’єднання. Механізм відкритого (discovery) MTU дає змогу протоколу TCP використовувати максимально можливий розмір пакета, що допустимо механізмом IP-сегментації. При цьому зменшується надлишковість службових заголовків і усувається вплив неоптимальності параметрів фрагментації/дефрагментації. Застосування кодів із виправленням помилок FEC реалізується на канальному рівні моделі ISO для поліпшення якості супутникових каналів. Однак кодування не може вирішити всіх проблем, зокрема пов’язаних із наявними завадами чи загасанням сигналу при опадах. Крім кодування FEC, інші механізми канального рівня, такі, як перемеження бітів і автоматичний запит повторення, теж можуть знизити рівень перекручення пакетів. Останні два напрямки не належать безпосередньо до транспортного рівня, однак сприяють підвищенню ефективності його роботи. Розширення TCP можуть перебороти ряд обмежень стандартної версії протоколу, до яких, однак, не належать такі проблеми, як велика кругова затримка й асиметричність використовуваного каналу. Один з шляхів зменшення впливу великої затримки — поділ ТСР-з’єднання на дві чи більше частин. Існують три варіанти поділу ТСР-з’єднання в супутниковій лінії: • TCP-spoofing. Вихідне з’єднання ділиться на дві частини точкою розриву, якою виступає шлюзова станція. Вона завчасно передає передавачеві неправдоподібні (spoofing) підтвердження на прийняті пакети, а при необхідності пересилає будь-які загублені дані приймачу; • TCP-splitting. На відміну від попереднього варіанта вихідне TCP-з’єднання ділиться на два чи більше повністю незалежних з’єднання. Специфічний транспортний протокол може бути задіяний у супутниковій мережі без перетинання зі стандартним TCP, що використовується в наземній мережі. Такий підхід вважається більше гнучким, оскільки в точці розриву можна конвертувати великий набір різних транспортних протоколів; 46
Розділ 3
• Web-кешування. У цьому випадку TCP-з’єднання ділиться за допомогою механізму Web-кешування. Якщо запитаний контент перебуває в кешуючому сервері, то користувачі супутникової мережі з’єднуються тільки з ним і не встановлюють TCP-з’єднань із Web-серверами, що перебувають за межами супутникової мережі. Web-кешування ефективно скорочує затримку з’єднання і непродуктивні втрати пропускної спроможності каналу. Супутниковий транспортний протокол STP (Satellite Transport Protocol) розроблено спеціально для варіанта розподілу вихідного TCP-з’єднання й виконання функцій керування трафіком у супутниковій мережі. STP заснований на протоколі SSCOP (Service Specific Connection-Oriented Protocol). Зворотний трафік мінімізований у ньому в такий спосіб. Передавач періодично запитує приймач на предмет успішного прийому, а у випадку втрати пакетів приймач посилає передавачу негативне селективне підтвердження. У такий спосіб реалізується гібридний механізм керування потоком. Протокол STP добре підходить для асиметричних каналів, тому що у зворотному напрямку його службовий трафік має невеликий об’єм. Однак він теж не розрізняє причин втрати пакетів і не усуває вплив RTT на ефективність роботи протоколу TCP. Крім зазначених проблем залишаються що такі, які необхідно вирішити при організації ефективної передачі IP-трафіку в супутникових мережах. Це забезпечення необхідної якості обслуговування в супутниковій транспортній мережі (IP QoS), а також організація керування трафіком і запобігання перевантажень. На сьогодні не існує загальноприйнятої класифікації технологій, використовуваних у корпоративних мережах супутникового зв’язку. Тому в публікаціях компаній-виробників устаткування супутникового зв’язку і компаній-інтеграторів зустрічаються як різні назви одних і тих же технологій, так і однакові позначення зовсім різних технологій. На наш погляд, доречно класифікувати ці технології таким чином: • один канал на несучу SCPC (Single Channel Per Carrier) і багато каналів на несучу MCPC (Multi Channel Per Carrier); • багатостанційний доступ із наданням каналів на вимогу DAMA (Demand Assigned Multiple Access); • комбінована технологія із часовим мультиплексуванням та багатостанційним доступом з часовим розділенням TDM/TDMA (Time Division Multiplexing/Time Division Multiple Access); 47
Сучасні телекомунікаційні системи
• багатостанційний доступ з частотним та часовим розділенням FTDMA (Frequency Time Division Multiple Access); • багаточастотний багатостанційний доступ з часовим розділенням MF-TDMA (Multi Frequency-Time Division Multiple Access). Технології SCPC і MCPC активно застосовуються для побудови невеликих мереж з інтенсивним трафіком. Кожна земна станція, що реалізує SCPC або MCPC, має виділений постійний сегмент ємності супутникового ретранслятора і підтримує постійне з’єднання. Основна перевага даних технологій полягає в тому, що вони гарантують необхідну пропускну спроможність каналу супутникового зв’язку, а головний недолік — відсутність можливості динамічного перерозподілу ресурсу ретранслятора між вузлами в тому випадку, коли необхідно передавати трафік зі швидкістю, більшою, ніж швидкість несучої станції мережі. Варто також відзначити, що канали SCPC прості в реалізації, однак ефективність використання дорогого космічного сегмента в корпоративній мережі на їх основі, як правило, нижче, ніж у будь-якій іншій системі супутникового зв’язку, що функціонує на базі технології багатостанційного доступу до одного частотного ресурсу (TDM, TDMA, DAMA та ін.). Технологія DAMA являє собою спосіб надання ресурсу супутникового ретранслятора на вимогу. У мережах DAMA канал виділяється користувачеві тільки на час проведення сеансу зв’язку, що забезпечує ощадливе використання супутникової ємності. У деяких реалізаціях технології DAMA передбачена можливість установлення SCPC-з’єднань із різною пропускною спроможністю (залежно від потреб користувачів). Устаткування DAMA підтримує повнозв’язну мережну топологію. Комбінована технологія TDM/TDMA використовується в мережах з топологією типу “зірка”. У мережі TDM/TDMA центральна ЗС (ЦЗС) зв’язується зі станціями користувачів за допомогою одного чи кількох закріплених каналів TDM. Передача інформації у зворотному напрямку здійснюється по каналах TDMA. Технологія FTDMA слугує для мереж з різними топологіями (повнозв’язна чи “зірка”), що вибирається залежно від типу основного трафіку (телефонія чи передача даних). У мережі FTDMA ЦЗС організує зв’язок для віддалених станцій, надаючи їм вільні часові слоти на кількох несучих. Технологія MF-TDMA надає безлічі станцій динамічний доступ до загальних частотних каналів із часовим розподілом. При цьому може використовуватися сукупність каналів із різною про48
Розділ 3
пускною спроможністю, тобто станція перестроюється не тільки за частотою, а й за швидкістю інформаційного потоку. Технологія MF-TDMA має дві важливі особливості: перша — можливість динамічного перепризначення всього супутникового ресурсу певному з’єднанню або навіть напрямку передачі трафіку; друга — схожість конфігурацій і робочих характеристик (діаметр антени і потужність прийомопередавача) ЦЗС і периферійних терміналів. Від останніх ЦЗС відрізняється наявністю системи керування мережею, що забезпечує моніторинг її роботи і можливість її переконфігурації. При необхідності цю систему можна розгорнути на будь-якому терміналі. Таким чином, земний сегмент мережі має високий ступінь відмовостійкості, однак ціна цьому — більш висока вартість терміналів. Для порівняння на рис. 6.1 наведено оптимальні зони використання для згаданих вище технологій залежно від середнього робочого навантаження абонентських терміналів та їх кількості в корпоративній мережі. Вибір тієї чи інСmax, кбіт/с шої технології зале4096 жить від типу ство2048 рюваної корпоратив1024 ної мережі. Оскільки 1 2 512 все різноманіття по3 256 тенційних застосувань систем супут128 4 никового зв’язку до64 сить повно відобра32 жається в режимах роботи їх перифе1 10 100 1000 NЗС рійних чи абонентРис. 6.1. Зони використання корпоративних супутниських терміналів, то кових технологій залежно від кількості абонентських будемо класифікуватерміналів: 1 — SCPC/MCPC (2—6 малих ЗС); 2 — ти корпоративні меMF-TDMA (10—200 малих ЗС); 3 — FTDMA (15—3000 режі за рівнем середмалих ЗС); 4 — TDM/TDMA (30—500 малих ЗС) нього робочого навантаження (у денний час і в робочі дні) цього терміналу, що підтримує передачу даних, телефонію і/чи інші застосування (наприклад, відеоконференцзв’язок). Звідси, усі корпоративні мережі можна розділити на мережі з низьким, середнім та високим навантаженням. 49
Сучасні телекомунікаційні системи
До категорії мереж з низьким навантаженням віднесемо мережі, в яких терміналу досить мати пропускну спроможність не більше 32 кбіт/с, що відповідає встановленню однієї звичайної телефонної лінії. Основні функції таких мереж — збір телеметрії, інтернетизація шкіл, забезпечення роботи мережі банкоматів та ін. Як правило, у них налічується від 50 до 10 тис. терміналів. Центральний вузол мережі обробляє переважно інформацію, що надходить від терміналів. Для мереж з низьким навантаженням типовими є протоколи передачі даних Х. 25 і IP [8]. Для організації мереж за топологією типу “зірка” і більшою кількістю абонентських терміналів із низьким навантаженням найефективнішими вважаються технології TDM/TDMA і FTDMA. У таких мережах всі термінали прямо (в один супутниковий стрибок) взаємодіють тільки із ЦЗС. Завдяки цьому з’являється можливість застосовувати малопотужні і недорогі термінали і компенсувати низькі значення їх енергетичних характеристик установкою на ЦЗС антени великого діаметра (5 м і більше) і потужного передавача. Наприклад, для роботи із супутником “Експрес-6А” в Ku-діапазоні можна використовувати термінали TDM/TDMA чи FTDMA з антеною діаметром 1,8 м і прийомопередавачем потужністю 1 Вт. У такий спосіб вдається істотно знизити вартість реалізації проектів із більшою кількістю терміналів. Крім високих енергетичних характеристик, ЦЗС повинна мати і високий рівень надійності, бо від стану цієї станції залежить функціонування мережі. Все це плюс наявність засобів керування мережею зумовлює високу вартість ЦЗС. Найбільш поширеними в усьому світі системами, на основі яких будуються мережі, є системи PES (Personal Earth Station) фірми Hughes Network System (США) і Skystar Advantage компанії Gilat (Ізраїль), що реалізують технології TDM/TDMA і FTDMA, відповідно. Для побудови більших мереж з низьким навантаженням, призначених для передачі даних і організації телефонного зв’язку між периферійними терміналами, доцільно використовувати систему, що об’єднує в собі технології TDM/TDMA (для передачі даних) і DAMA (для телефонії), або систему на базі технології FTDMA, що забезпечує зв’язок типу “кожний з кожним”. Термінали цих систем коштують дорожче ніж, наприклад, термінали мереж з топологією типу “зірка”, оскільки в них реалізовано додатковий режим роботи DAMA. До того ж для взаємодії один з одним вони повинні мати виші енергетичні характеристики. При використанні ретранслято50
Розділ 3
рів Ku-діапазону, установлених на російських супутниках, мінімальний діаметр антени для ЗС типу DAMA становить 2,4 м. Системи HES (Hybrid Earth Station) фірми Hughes Network System і Nextar АА/TDMA-BOD корпорації NEC підтримують технології TDM/TDMA і DAMA, а система FaraWay фірми Gilat заснована на технології FTDMA. Окрему групу утворюють супутникові мережі, що забезпечують широкосмуговий доступ в Інтернет. Вони характеризуються значною асиметрією трафіку: об’єм інформації, що пересилає із всіх абонентських терміналів на ЦЗС в 3—10 разів менше об’єму інформації, переданої самою ЦЗС. У цих мережах для передачі високошвидкісного (до 40 Мбіт/с) потоку даних від ЦЗС до абонентських терміналів використовується широко застосовувана в цифровому телебаченні технологія DVB, а доступ терміналів до супутникового сегмента (для передачі даних на ЦЗС) здійснюється за технологією TDMA або FTDMA. В принципі, технології мереж широкосмугового доступу в Інтернет застосовні й для дистанційного навчання чи телемедицини, але тільки в тому випадку, коли відеозображення потрібно транслювати лише в одному напрямку — від ЦЗС, а зв’язок у зворотному напрямку може бути обмежений передачею текстових запитів чи телефонних повідомлень. Внаслідок швидкого росту потреб підприємств та індивідуальних користувачів у доступі до Інтернет на ринку з’явилися спеціальні системи, покликані вирішити це завдання. До них належать такі системи: DirecWay фірми Hughes Network System і SkyBlaster компанії Gilat (обидві вони підтримують технологію DVB), LinkWayIP (реалізує технологію MF-TDMA) компанії Comsat, що ввійшла з недавніх пір до складу фірми ViaSat (США). Користувачами мереж із середнім навантаженням є банки, виробничі й торговельні компанії з розгалуженою інфраструктурою філій і відділень, яким для передачі даних та організації кількох телефонних каналів (а можливо, і відеоконференцзв’язку) потрібні ЗС із пропускною спроможністю 32—256 кбіт/с. Дане устаткування може застосовуватися і для організації дистанційного навчання і телемедицини. У мережах, про які йде мова, широко використовуються протоколи Frame Relay або IP, а їх топології (“зірка” або “ієрархічна зірка” з rskmrscnm. станцій від 10 до 100) відображають структуру підприємств. 51
Сучасні телекомунікаційні системи
Для реалізації корпоративних і відомчих мереж із середнім навантаженням і rskmrscnm. віддалених терміналів до 15 часто застосовуються виділені канали SCPC і технологія MCPC. Ці мережі можуть мати будь-яку топологію, причому на 3С кожний напрямок зв’язку забезпечується окремим каналоутворювальним модулем. На ринку представлені такі системи SCPC/MCPC: TRES фірми Hughes Network System, SkyPerformer компанії Clarent, а також станції супутникового зв’язку, зібрані з окремих модулів (антена, прийомопередавач, супутниковий модем) вітчизняного та імпортного виробництва. Для організації мереж із середнім навантаженням і кількістью терміналів більше 10 доцільно використовувати системи супутникового зв’язку, реалізовані на базі технології MF-TDMA, яка при необхідності побудови повнозв’язної мережі з великою пропускною спроможністю і нерівномірним трафіком, є оптимальною. При таких вимогах мережі на базі названих систем за сукупною вартістью володіння можуть успішно конкурувати з наземними зв’язними інфраструктурами. Тенденція розвитку корпоративних мереж вказує на великий попит на ці системи в найближчі роки. Як типові приклади систем MF-TDMA можна назвати SkyWAN фірми ND SatCom (Німеччина) і LinkWay 2000 (або її модернізований під VSAT—мережі варіант LinkWay 2100) компанії ViaSat. Крім супутникових систем MF-TDMA, у ряді випадків (велика кількість терміналів, необхідна швидкість передачі даних не перевищує 128 кбіт/с) можлива побудова корпоративної мережі на базі системи FaraWay компанії Gilat або HES фірми Hughes Network System. Ці системи забезпечують повнозв’язну топологію мережі і передачу даних у режимі DAMA із зазначеною вище швидкістю. Однак відзначимо, що необхідність придбання і установки дорогої ЦЗС робить їх конкурентоздатними (порівняно із системами MFTDMA) тільки при великій кількості абонентських терміналів. Технології MF-TDMA при побудові мережі з високим навантаженням практично не мають альтернативи (оскільки організація численних високошвидкісних каналів SCPC/MCPC економічно не ефективна). Мережі такого типу можна реалізувати на основі MF-TDMA-систем SkyWAN фірми ND SatCom, LinkWay 2000 компанії ViaSat і VSAT Plus II фірми NSI. Відмінною рисою системи LinkWay 2000 є можливість її роботи не тільки з протоколами IP і Frame Relay, а й з протоколами АТМ і SS7/ISDN. Загальна про52
Розділ 3
пускна спроможність корпоративної мережі, побудованої на базі даної системи, може досягати 32 Мбіт/с. Середня робоча швидкість станції в мережі з високим навантаженням становить 256—2048 кбіт/с, а самі ці станції використовуються для передачі змішаного трафіка (дані, Інтернет, телефонія, відеоконференцзв’язок). Як правило, у мережі з високим навантаженням налічується від 5 до 25 ЗС, між якими утворюється зв’язок типу “кожний з кожним” (з використанням технології ATM чи Frame Relay). Основні користувачі цих мереж — великі національні холдинги чи телекомунікаційні компанії, що застосовують супутникові канали з метою об’єднання великих регіональних офісів в єдину мережу або для резервування основної наземної мережі. На сьогодні спостерігається значне зростання реалізації послуг широкосмугового радіодоступу та передачі даних [7]. У сфері широкосмугової передачі даних і суміжною з нею сферою послуг супутникового Інтернету основні перспективи розвитку телекомунікаційного ринку України пов’язані з поширенням сучасних високоефективних стандартів передачі даних, яким приділяється ключова роль у забезпеченні універсальності і максимальної доступності пропонованих послуг. Так, на думку аналітиків Northern Sky Research, застосування для високошвидкісного доступу в Інтернет нового стандарту передачі даних DVB-S2 у прямому каналі і DVB-RCS у зворотному в сполученні з використанням багатопроменевих антен супутників і Ka-діапазону здатне на порядок зменшити вартість передачі даних через ретранслятор. Незважаючи на існування інших стандартів DOCSIS (Data Over Cable System Interface Standard) і IPos (IP over Satellite), реалізованих для широкосмугових супутникових застосувань компаніями WildBlue Communications і Hughes Network Systems, найбільшого поширення у світі і в Україні одержав саме стандарт DVB-RCS. Однак варто мати на увазі, що в тому бурхливому зростанні попиту на інтернет-послуги і послуги широкосмугового зв’язку, що прогнозується на найближчі роки, супутниковий зв’язок займе відповідну нішу і ні в якій мірі не складе конкуренцію кабельним, наземним безпроводовим, модемним і ADSL-мережам. Монополія операторів телефонних мереж і повільне проникнення технологій наземних широкосмугових мереж за межі головних українських мегаполісів, безумовно, сприяють підвищенню конкурентоздатності супутникових систем, але головними напрямками їх застосуван53
Сучасні телекомунікаційні системи
ня будуть надання “універсальних послуг” для жителів важкодоступних і малонаселених районів, а також послуг рухомого зв’язку. Зауважимо, що раніше вважалось, що кожна космічна держава повинна була мати власні штучні супутники для реалізації своїх каналів зв’язку. Але в 90-і роки минулого століття після розрядки міжнародних відносин на перше місце вийшли економічні підходи при вирішенні питань створення супутникових систем зв’язку і мовлення. Зараз вигідніше брати в оренду радіоканали чи ретранслятори штучних супутників зв’язку при побудові власних мереж зв’язку. Такий підхід набагато дешевший, ніж розробка, будівництво, запуск і експлуатація власного супутника. На сучасному ринку пропозиції щодо оренди радіоканалів супутникових систем зв’язку перевищують попит і це потрібно враховувати при проектуванні супутникових інформаційно-телекомунікаційних систем. Стан розвитку супутникового зв’язку в Україні варто розглянути на прикладі двох найбільших супутникових операторів компаній “Укрсат” і “Датасат”, що мають власні потужні телепорти з центрами керування супутниковим зв’язком. Акціонерне товариство “Укрсат” (“Українські сателітарні системи”), створене у червні 1993 р. як українська фірма-оператор у галузі телекомунікаційного та інформаційного забезпечення, на даний час розробляє і впроваджує комплексні рішення для глобальних, національних і місцевих інформаційно-телекомунікаційних систем, для комп’ютерних мереж будь-якого рівня, виконує оптимізацію і нарощування існуючих систем із застосуванням технологій та обладнання провідних фірм-виробників мережного і комунікаційного обладнання. Використання сучасного обладнання і досвід створення комплексних систем масштабу країни, регіону, міста та вирішення проблем “останньої милі” дає можливість АТ “Укрсат” вдало реалізовувати складні інформаційно-телекомунікаційні проекти для своїх користувачів, до яких належать: Адміністрація Президента України, Верховна Рада України, Кабінет Міністрів України, Міністерство закордонних справ України, Державна митна служба України, Адміністрація державної прикордонної служби України та інші органи виконавчої влади і державні установи [9]. АТ “Укрсат” є провідним та найбільшим оператором супутникового зв’язку, національним Інтернет-провайдером вищого рівня в Україні.
54
Розділ 3
Послідовно діючи в напрямку, визначеному принципом інтеграції (універсальності, багатофункціональності) послуг і безпосередньо пов’язаним з цим принципом об’єднанням апаратури і обладнання, АТ “Укрсат” побудував власний Телепорт, що підтримує технологію ISBN (Integrated Services Business Network). Різновидом ISBN є технології ІР-Аdvantage і Direct Way, які дають змогу досягти значного збільшення швидкостей передачі інформації в каналах (до 40 Мбіт/с), що апаратно вирішується на основі використання спеціальної приймальної приставки в периферійних станціях зв’язку. З лютого 2006 р. компанія ДАТАГРУП, структурним підрозділом якої є “Датасат”, експлуатує два комплекси супутникового зв’язку виробництва Hughes Network System DirecWay HUB, перший з яких був установлений в 2002 р. Кожен HUB складається з множини функціональних елементів, з обов’язковим резервуванням. Установка другого HUB зроблена для збільшення загальної виробничої потужності супутникової мережі ДАТАГРУП. Комплекси HUB працюють за допомогою різних супутників — Eutelsat-W2 (16° східної довготи) і Eutelsat-Sesat-2 (53° східної довготи). Робота із супутником Eutelsat-W2 дає можливість розширити зону обслуговування завдяки більшій зоні покриття, а також застосовувати антени діаметром 0,6—1,0 м через кращі, порівняно з Eutelsat-Sesat-2 енергетичні показники Eutelsat-W2. Застосування систем DirecWay HUB дає змогузабезпечити ефективні, захищені, інтерактивні канали зв’язку високої якості із сотнями і навіть із десятками тисяч віддалених терміналів, які можуть забезпечувати двосторонній супутниковий зв’язок або ж тільки приймати супутникове мовлення, використовуючи наявну наземну інфраструктуру для трафіку зворотних каналів. Робота системи супутникового зв’язку на основі DirecWay HUB перевірена чотирирічним досвідом експлуатації на Україні і показує, що система має найкращі технічні і цінові характеристики порівняно з аналогічними системами, пропонованими на світовому ринку. Можливості системи такі, що для задоволення запитів і вимог найрізноманітніших клієнтів не потрібно ніяких доробок. Тому компанія, що впровадила таку систему, не несе практично ніякого потенційного ризику при подальшому її використанні. На базі DirecWay HUB перевірені і стабільно працюють основні види переданої інформації — дані, голос, відео. 55
Сучасні телекомунікаційні системи
Треба зауважити, що успішний бізнес з надання послуг супутникового зв’язку сьогодні можливий тільки при наявності тісних партнерських відносин із провідними світовими виробниками і лідерами ринку послуг супутникового зв’язку. Партнерами “Датасат” є фірми: Hughes Network Systems, Inc. (США), Eutelsat (Франція), Viasat Comsat Labs (США), NEC Australia Pty. Ltd. (Австралія), SpaceChecker (Бельгія). Таким чином, зрілість і точний розрахунок разом із безупинно поповнюваним арсеналом послуг — так можна охарактеризувати сучасний етап розвитку СТС в Україні і світі. Cупутникові системи не повинні бути “річчю в собі”. Лишатися затребуваною, приносити прибуток СТС зможе тільки змінюючись відповідно до запитів споживачів, що постійно зростають і ускладнюються . Подальший розвиток СТС пов’язаний із впровадженням сучасних технологій цифрової обробки сигналів та каналоутворення, методів багатостанційного доступу, із застосуванням новітніх мікрохвильових технологій при розробці супутникового та термінального обладнання, нових підходів до створення багатостільникових робочих зон покриття, впровадженням технологій підвищення спектральної ефективності та нових транспортних мережних технологій, зокрема MPLS.
7. Ñèñòåìè íà áàç âèñîòíèõ àåðîïëàòôîðì Існуючі мережі зв’язку, які можуть забезпечити всезростаючі потреби суспільства у всіх видах широкосмугового сервісу (цифрове телебачення, відеоконференції, мультимедіа, передача даних і т.п.), традиційно поділяють на два типи: системи супутникового і наземного зв’язку. Переваги і супутникових, і наземних систем очевидні, так само як очевидні і їх недоліки. Наприклад, геостаціонарні супутники мають важливу властивість “стояння” в одній і тій же точці небокраю. Але зумовлюється високою орбітою і, як наслідок, високими загасанням і затримками поширення сигналу. Основним недоліком супутникових систем є значна нераціональність їх використання відносно надання послуг зв’язку (надмірність у малонаселених областях і дефіцит в урбанізованих центрах). Власне, прагнення вирішити цю проблему привело до 56
Розділ 3
розробок низькоорбітальних супутникових систем. Однак і вони не стали панацеєю у вирішенні даної проблеми. Скільки супутників не буде запущено, однак не можна зробити так, щоб вони концентрувалися саме над великими містами, де мешкає більшість користувачів. До наземних безпроводових систем, які мають забезпечувати широкосмуговий сервіс, належать системи фіксованого широкосмугового радіодоступу, локальні комп’ютерні радіомережі і широкосмугові системи мобільного зв’язку. Для забезпечення високих швидкостей передачі і, відповідно, широких частотних смуг наземні радіосистеми мають невпинно задіювати все більш високочастотні діапазони, аж до міліметрових хвиль. Все це потребує прямої видимості між антенами базової станції (БС) і терміналами користувачів, що виконати нелегко в умовах сучасного міста. Тому антенну систему БС намагаються встановити в найвищому місці. Кардинальним рішенням у забезпеченні інформаційних послуг, особливо, урбанізованих районів, повинна стати розробка нового виду систем широкосмугового безпроводового доступу, названих телекомунікаційними системами на базі висотних аероплатформ (ТСВА) [10], або англійською мовою — High Altitude Platform Station (HAPS). Основна ідея ТСВА полягає в реалізації широкосмугового зв’язку за допомогою ретранслюючої станції, розташованої на спеціальній аероплатформі (аеростат або літак) у стратосфері на висоті 14—30 км. У цьому зв’язку постала науково-технічна проблема створення принципів побудови та методів реалізації TCВА шляхом поєднання мікрохвильових і цифрових технологій із сучасними технологіями аеронавтики та авіації. Без науково обґрунтованих теоретичних передумов TCВА будуть приречені на роль другорядних зонових радіосистем, потенціал яких не буде повністю реалізований. Слід зазначити, що крім офіційного терміну HAPS, введеного в рекомендаціях МСЕ, існують й інші назви подібних систем, наприклад: висотні платформи HAPs (High Altitude Platforms), висотні платформи тривалої дії HALE (High Altitude Long Endurance), стратосферні мережі безпроводового доступу (Stratospheric Wireless Access Network), стратосферна радіо-платформа SPR (Stratospheric Platform Radio) тощо. Європейське космічне агентство ESA (European Space Agency) і МСЕ були залучені в область створення ТСВА з кінця 90-х рр. ми57
Сучасні телекомунікаційні системи
нулого століття. Всесвітній дослідницький форум безпроводових технологій WWRF (Wireless World Research Forum) створено для того, щоб сформулювати бачення стратегічних перспективних досліджень у галузі безпроводових технологій, генерувати, ідентифікувати й просувати ці дослідження, включивши ТСВА у свою програму 2001 р. Все це робить перспективу практичного впровадження ТСВА досить реалістичною. У лютому 1997 р. на вимогу деяких країн Радіорегуляторна комісія МСЕ RRB (Radio Regulations Board) виділила ТСВА як окрему категорію радіозасобів і визначилася щодо проведення попередньої процедури із створення відповідної рекомендації. Це було найперше міжнародне регулююче рішення відносно ТСВА. Небагато пізніше, на підставі різних запропонованих концепцій, МСЕ у своїй Рекомендації за номером F.1500 виклав загальні положення відносно ТСВА. Згідно з цими концепціями МСЕ ТСВА представляється як станція-ретранслятор на аероплатформі, розташованої в зазначеній, фіксованій точці відносно Землі на висоті 20—50 км. Це визначення не вказує на те, чи належна платформа може бути пілотованою, чи ні, і як на ній може здійснюватися подача електроживлення. Такі станції належать до наземної фіксованої служби і повинні бути позиціоновані на висотах, що перевищують зону проходження авіатрас цивільної авіації. Ці висоти мають бути достатніми, щоб забезпечити обслуговування великої площі з наданням при цьому послуг широкосмугового доступу з мінімальним залученням наземної мережної інфраструктури. Загальна структура ТСВА повинна складатися з однієї або більше квазіпостійних станцій на основі висотних аероплатформ (СВА), кожна з яких пов’язана з кількома наземними станціями і з численними мобільними й фіксованими абонентськими терміналами (АТ). Кожна СВА може розгорнути багатопроменеву антену, здатну до продукування численних променів у межах їх потенційної сфери охоплення. Станції ТСВА можуть взаємодіяти як між собою так і з іншими мережами: земного, супутникового загального доступу і частинами. Системна концепція ТСВА є глобальною за своїм характером, але національною (регіональною) по забезпеченню надання послуг. Рішення RRB відносно ТСВА було підтверджено на Всесвітній радіоконференції WRC (World Radiocommunication Conference) у Женеві в 1997 р. Конференція ввела офіційне визначення ТСВА в Регламент радіозв’язку і визначила умови дій ТСВА в межах фіксованої служби в діапазонах частот 47,2—47,5 і 47,9—48,2 ГГц. Водно58
Розділ 3
час WRC-97 ініціювала проведення ряду технічних досліджень у цій області. Дослідження відносно ТСВА проводить МСЕ і дотепер, зосереджуючись на питаннях інтерференції і ефективному використанні радіоспектра. Всесвітня конференція з питань радіозв’язку, що відбулася в Стамбулі в 2000 р., визначила, що смуги частот 1885— 1980, 2010—2025 і 2110—2170 МГц у регіонах 1 і 3, і смуги 1885— 1980 і 2110—2160 МГц у регіоні 2 можуть використовуватися ТСВА в усьому світі. Використання СВА як базової станції в межах земного компонента IMT-2000 є додатковим для адміністрацій, і таке використання не повинно мати ніякого пріоритету над земними системами IMT-2000. Крім того, зазначені смуги частот можуть використовуватися іншими первинними системами фіксованої і мобільної служб відповідно до регламенту радіозв’язку. Конференція вирішила також почати вивчення додаткових частотних смуг для ТСВА між 16 і 32 ГГц, зосереджуючи особливо на смугах 27,5— 28,35 і 31,0—31,3 ГГц. ТСВА повинні працювати на стратосферних висотах. Такі висоти не використовувалися дотепер телекомунікаційними системами широкосмугового доступу (крім випадків, пов’язаних із науковими дослідженнями атмосфери), і тому виникає безліч нових проблем і завдань з їх рішення. Структурно-функціональна побудова ТСВА. Загальна структурна схема одного стільника ТСВА наведена на рис. 7.1. До складу ТСВА можуть входити: • станція на базі високопіднятої аероплтформи (СВА), що являє собою ретранслятор зв’язку, розташований на аероплатформі в стратосфері; • наземна станція узгодження із зовнішніми мережами (шлюзова станція); • наземна станція керування мережею; • термінали повітряних користувачів; • термінали наземних користувачів. Слід відразу зазначити, що при описі структури ТСВА використовується термін “наземні станції”, а не “земні станції” як у супутниковому зв’язку. Це випливає із самого визначення земної станції як станції, розташованої на земній поверхні і призначеної для зв’язку з космічними станціями або іншими земними станціями через космічні станції. На відміну від цього станції наземних радіо59
Сучасні телекомунікаційні системи
систем, не призначені для зв’язку з космічними об’єктами і для радіоастрономічних цілей, називають наземними станціями. Супутники GPS+GLONASS+Galileo
Супутники зв’язку LEO/ MEO/GEO
Інші СВА
СВА (HAPS)
Термінали повітряних користувачів
Віддалена центральна станція системи
Наземні системи широкосмугового безпроводового доступу
Термінали наземних користувачів
Керування мережею
Станції Узгогдження із зовнішніми мережами
Рис. 7.1. Загальна структурна схема одного стільника ТСВА
У рамках території, що обслуговується ТСВА повинно забезпечити прямий обмін різнорідним трафіком (голос, дані, відео) між користувачами, а для зв’язку із зовнішніми джерелами інформації і користувачами застосовувати наземні мережі загального користування і супутникові канали зв’язку. Крім того, зона дії ТСВА являє собою окремий стільник, що дає змогу будувати на її базі багатостільникову мережу із забезпеченням міжстільникового трафіку винятково через стратосферну мережу з ряду СВА (рис. 7.2). Залежно від реалізованої щільності інформаційного трафіку ТСВА формують такі зони обслуговування: • міську (urban) — найменший радіус, найбільша щільність обслуговування; • приміську (suburban) — середня щільність обслуговування; • сільську (rural) — найбільший радіус, найменша щільність обслуговування. Структура ТСВА має відкритий характер, що дає змогу інтегрувати в межах системи різноманітні види телекомунікацій — від проводових до безпроводових. Проводові, головним чином оптичні, системи задіюються через шлюзову станцію для виходу до зовнішніх мереж, а безпроводові — комп’ютерні радіомережі, системи ши60
Розділ 3
рокосмугового радіодоступу — формують мікростільники абонентського доступу в зоні дії ТСВА. Для порівняння ТСВА з іншими телекомуні7 9 каційними системами широкосмугового доступу їх основні характеристики зведені в табл. 7.1. З таблиці 11 видно, що ТСВА стає конкурентом супутни1 3 5 кового зв’язку, хоча і 2 8 4 передбачає тісне співробітництво із супутниковими мережами й Рис. 7.2. Багатостільникова ТСВА з міжплатформенним зв’язком: 1 — супутникова наземна станція; 2 — намагається зайняти супутниковий макростільник; 3, 11 — наземні станції проміжне місце між узгодження із зовнішніми мережами й керування меназемними і супутнирежею ТСВА; 4 — магістральна лінія зв’язку; 5 — ковими широкосмугостільник ТСВА; 6 — супутник зв’язку; 7, 9 — аеропланвими системами. форма з СВА; 8 — наземні стільникові безпроводові Вимоги до мережсистеми; 10 — навігаційний супутник ної архітектури системи залежать від топології мережі, націленої на різні сегменти телекомунікаційного ринку. Для забезпечення послуг ТСВА можуть бути запропоновані такі топології (рис. 7.3): • мережа доступу — СВА поєднує кінцевих користувачів з обладнанням базової мережі. Це типова мережна конфігурація для широкосмугового Internet/Intranet та для групових послуг мовлення; • контентний (асоціативний) розподіл — комплекс послуг за надання змістовної інформації користувачам мережі. Тут СВА зв’язані з постачальниками оперативної інформації через ядро базової мережі. Контент розподіляється через СВА до терміналів кінцевого користувача. Дану конфігурацію можна розглядати як мережу доступу, але для контентного розподілу в наземному сегменті (станція—постачальник контентної інформації до СВА) необхідна висока пропускна спроможність; 6
10
61
Сучасні телекомунікаційні системи Таблиця 7.1. Порівняння ТСВА з іншими системами
Проблеми
Наземні безпроводові системи
Придатність і вартість мобільності
Малопотужні, з низькою вартістю мобільні АТ, що дають змогу забезпечити в невеликому стільнику високу рентабельність Практично відсутня
Затримка при поширенні радіохвилі Загроза здоров’ю через радіовипромінювання від користувацьких терміналів Технологічний ризик зв'язку
Малопотужні АТ
Опробувані передові технології і стійка індустрія
Час розгортання
Розгортання може базуватися на наявній інфраструктурі схожих наземних систем; сильно залежить від рельєфу і забудови місцевості
Нарощування системної ємності
Секторизація стільників збільшує ємність системи, але потрібне перепланування системи, нескладна модернізація устаткування
Системні складності через рух компонентів системи Складність функціонування і вартість
Мобільними є тільки АТ
“Якість” радіоканалу
Багатопроменеві завмирання обмежують дальність зв’язку і швидкість передачі
Покриття площ у середині будинків
Можливо реальне покриття
Дальність охоплення зони обслуговування Спільне використання частот на поверхні землі
Декілька кілометрів на одну БС
62
Позитивний баланс між складністю і вартістю
Викликає зазори в зоні покриття; потребує додаткового обладнання
Розділ 3
Супутникові системи
ТСВА
Спеціалізовані, високопотужні з малим запасом роботи батареї АТ, які викликають проблеми відносно рентабельності Значна затримка при поширенні радіохвиль, труднощі з голосовим зв’язком Високі рівні випромінюваної потужності персональних АТ, що викликає негативний вплив на здоров’я
Придатні наземні термінали
Невідпрацьовані нові технології для LEO і MEO; GEO усе ще за своїми характеристиками відстає в наданні персонального зв'язку
Передові технології наземних безпроводових систем із використанням багатопроменевих антен; кращі умови зв’язку із-за забезпечення для більшості абонентів прямої видимості
Робота не може початися, поки не буде розгорнута вся система
Для початку комерційної експлуатації достатня одна аероплатформа; від рельєфу і забудови не залежить
Ємність системи збільшується тільки шляхом виводу на орбіту нового супутника, неможливість модернізації супутникового обладнання
Ємність збільшується шляхом збільшення променів в антенній системі або/й запуску додаткової аероплатформи; обладнання доступно для модернізації на землі
Сам рух LEO і MEO є джерелом високої складності Дуже висока складність і вартість через необхідність періодичного запуску супутників
Повільний рух, головним чином для стабілізації положення аероплатформи Складна багатопроменева система близька до наземних рішень; вартість визначає аероплатформа; обладнання доступно для модернізації на землі Канал у вільному просторі на відстанях, порівнянних з наземними
Радіоканал у вільному просторі; великі відстані обмежують можливості нарощування швидкості передачі в системі; “якість” гірше серед порівнюваних радіосистем У загальному випадку неможливе, за винятком підняття на дуже високий рівень потужності випромінювання Величезний регіон для GEO; глобальний — для LEO і MEO Проблема тільки при низьких кутах місця
Практично відсутня Рівні потужності аналогічні наземним системам (за винятком покриття великих територій)
Можливе реальне покриття
Сотні кілометрів на аероплатформу Схожі із супутниками
63
Сучасні телекомунікаційні системи
• магістраль базової мережі (послуги опорної мережі) — СВА підключає 1 два пункти в межах базової мережі. Можуть формуватися приватні мережі типу “точка-точка” (з однонаправленими кана2 4 лами) як надбудова до 3 базової мережі, щоб забезпечити мережну стійкість. Сюди ж належать і міжплатформні підключення; Рис. 7.3. З’єднання ТСВА: 1 — аероплатформа з • приватна мережа СВА; 2 — мережа доступу; 3 — магістральна базова мережа; 4 — окрема мережа СВА підключає двох — чи більше користувачів шляхом формування віртуальної приватної мережі із забезпеченням прямого з’єднання з базовою мережею. Така мережа аналогічна класичній мережі VSAT передачі даних. Проект телекомунікаційних систем на базі висотних аероплатформ. Використання ТСВА особливо привабливо для країн, територія яких географічно зосереджена в певній компактній області, розмір якої не більше за зону дії одного супутника зв’язку (це можуть бути країни Європи, острівні країни тощо). До таких країн належить і Україна, для якої багатосупутниковий зв’язок є надмірним, а наземна телекомунікаційна інфраструктура, особливо для надання широкосмугових послуг, ще недостатньо розвинена. Розроблений авторами в НДІ телекомунікацій НТУУ “КПІ” проект ТСВА для України під назвою “Небесний стільник” направлений на побудову телекомунікаційної мережі широкосмугового безпроводового доступу на базі сучасних технологій ІР/АТМ при інтеграції з плезіохоронною та синхронною ієрархіями [11]. Основними інформаційними потоками вниз є STM0 і STM1, а вгору (від абонентів) — потоки від 32 кбіт/с до 32 Мбіт/с. Для фіксованої служби робочий діапазон системи становить 48 ГГц, для мобільної служби і мовлення — відповідно залежить від використовуваних стандартів. Структуру ТСВА “Небесний стільник” наведено на рис. 7.4. До неї ввійшли: 64
Розділ 3
• станція керування мережею; • станція узгодження із зовнішніми мережами (шлюзова станція); • абонентські термінали (АТ) мобільних, групових, корпоративних і індивідуальних користувачів; • СВА з бортовим обладнанням, що може реалізувати функції базових станцій мобільного зв’язку третьої генерації (наприклад, WCDMA), цифрового мовлення згідно з пакетом стандартів DVB, фіксованої системи широкосмугового радіодоступу; • наземна мережа ТСВА, що розташовується в зоні дії ТСВА і забезпечує вихід до радіоінтерфейсу системи кінцевому абонентСВА Бортове обладнання: прийомопередавачів, мобільного зв’язку, телемовлення, G PS, АТМ комутації
Загальний U NI
B-ICI
D VB
GPRS, WCDMA
Станція керування мереж ею
загальнийU NI
Станція узгодження із зовнішніми мережами
А Т групи користувачів
АТ мобільних користувачів G.703
LANE
АТ АТ АТ АТ Загальний U NI
ТМ ЗК, ISD N
B-ICI
АТ корпоративних користувачів
Ethernet або Token ring
АТМ комутатор
АТМ ком утатор АТМ мережа
приватний NNI
B-ICI АТМ ком утатор
загальнийU NI Internet
КА О
Комп’ютерний Комп ’ю терний Комп’ю терний термінал термінал термінал Наземна мережа ТСВА
Frame relay
АТМ комутатор
КАО
приватний NNI
КАО
КА О
Рис. 7.4. Структура ТСВА “Небесний стільник”: UNI, NNI, B-ICI — інтерфейси АТМ; LANE - технологія АТМ емуляції локальної мережі
65
Сучасні телекомунікаційні системи
ському обладнанню (КАО) індивідуальних користувачів, які не мають приймально-передавальної апаратури. В мережі ТСВА роль базової технології для підтримання різнорідного за своєю природою трафіку (голос, дані, відео) виконує АТМ. Для цього розроблено свій протокольний рівень ТСВА, призначений для прозорого підтримання з’єднань між АТ різних стандартів через спеціальний ТСВА-інтерфейс. Дія протоколів доступу ТСВА обмежується шлюзовою станцією і не поширюється на зовнішні мережі. Отже, немає потреби робити ніяких модифікацій до зовнішніх протоколів. Такий підхід найбільш підходить до мереж, які потребують пристосувань до різних типів АТ з варіюванням стандартів протоколів доступу і в яких АТМ не є домінуючим транспортним механізмом. СВА за допомогою антенної гратки формує на земній поверхні в своєму стільнику комірчасту структуру, подібну тій, що використовується при організації наземного зв’язку. Комірки, більш віддалені від центра зони обслуговування, будуть мати більші розміри і форму, подібну до еліпса. Кількість комірок в зоні обслуговування може бути різною. Як приклад, для станції на висоті 20 км при граничному куті підйому антен 30° формується зона обслуговування діаметром 70 км з 120 комірками. У “Небесному стільнику” плануються два варіанти формування комірок у зоні обслуговування: з чотирьох та семи частотних комбінацій. У першому випадку частотний діапазон використовується ефективніше, але показник відношення сигнал—інтерференція (RСІ) (RСІ — це відношення потужності корисного сигналу в центрі комірки, що розглядається, та потужності сигналів всіх інших комірок, що використовують ту ж частоту) більший за 30 дБ лише для 40 % території обслуговування. У другому випадку RСІ > 30 дБ для 100 % території, але використання частотного ресурсу погіршується майже вдвічі. Як аероплатформа для “Небесного стільника” на даний час розглядає: пілотований літак на базі розробок авіаційного науковотехнічного комплексу “Антонов” та стратостат жорсткої конструкції, наповнений гелієм. Для покриття території України достатньо мати не більше 25 ТСВА, що будуть знаходитись на висоті 20 км і формувати стільники радіусом 100 км, як наведено на рис. 7.5. Загалом на першому етапі впровадження ТСВА потрібно покрити тільки промислові та обласні центри, а іншу територію — за необхідністю. Треба заува66
Розділ 3
Рис. 7.5. Покриття території України 22-ма стільниками ТСВА (висота “зависання” СВА становить 20 км, радіус стільника — 100 км)
жити, що ТСВА може бути дуже затребуваною системою у випадках надзвичайних ситуацій, коли в результаті стихійного лиха наземна телекомунікаційна система виходить із ладу [2]. Таким чином, ТСВА докорінно можуть змінити наші уявлення про те, якими повинні бути сучасні мережі зв’язку. Розробки ТСВА в світі продовжують набирати обертів (табл. 7.2) завдяки таким своїм перевагам перед супутниковими та наземними системами: • велика швидкість розгортання; • досить велика зона обслуговування порівняно з наземними безпроводовими системами; • незначна затримка сигналу, що дає змогу працювати в реальному часі; • потужність переданого сигналу біля поверхні землі досить значна, щоб використовувати компактні малопотужні АТ; • висока інформаційна пропускна здатність; • впровадження високопіднятих платформ поодинці і тільки там, де виникає в цьому потреба; • добра порівняно з супутником захищеність апаратури від дії космічних випромінювань; 67
100 10—155 10—155
17—20 18—20 14—18
Geoscan Plc, UK
20
50—125
15—22 літак Helios літак HeliPlat стратостат Літак літак М-55
25—620
18—22
стратостат
National Aerospace Laboratory of Japan NASA, Aero Vironment Inc., USA Politecnico di Torino, ASI (Italian Space Agency) НДІ телекомунікацій НТУУ “КПІ”, Україна
52
14
літак Predator RQ-1
General Atomic, USA
52
52
20
літак Proteus
Angel Technology Co., USA
25—52
3—11
стратостат
Platforms Wireless International Co., USA
Airborne Relay Communications System (ARC-System) Система зв‘язку на основі ретранслятора, що знаходиться в повітрі, 1996 р. High Altitude Long Operation (HALO) Високопіднята платформа довгої дії, 1997 р. Aeriel Vehicle Communications System (AVCS) Система зв’язку на основі літального апарату, 1997 р. Stratospheric Platform (SPF) Стратосферна платформа, 1998 р. Sky Tower Небесна башта, 2000 р. HeliNet Сонячна мережа, 2000 р. Sky Cellular Небесний стільник, 2001 р. GEOSCAN NETWORK Мережа геостаціонарного сканування, 2002 р.
34
20
стратостат
1—2
0,1—10 0,1—10
1—10
1—10
10—25
2
1—10
1—10
2
Трафік обміну СВА з абонентами, Мбіт/с вниз вгору 10 2
21
Висота СВА, км
стратостат
Вид аероплатформи
Sky Station Intarnational, USA Advanced Technology Group (ATG), UK
Розробник
Sky Station Небесна станція, 1996 р. StratSat Стратосферний супутник, 1996 р.
Назва проекту ТСВА, рік початку
Таблиця 7.2. Розробки ТСВА в світі
—
800 1000
800
730
1000
800
1000
700
900
1000
Маса вантажу, кг
Розділ 3
• можливість постійної модернізації устаткування, встановленого на платформі; • готовність піднятої в повітря платформи до негайного надання послуг абонентам на своїй території, не чекаючи створення глобальної інфраструктури. Однак при всіх своїх перевагах подібні проекти при їх впровадженні в життя всерівно стикаються з певними проблемами: • конкуренція з боку інших систем зв’язку. Насамперед мова йде про різні супутникові комплекси, які через свої “звичності” і “традиційності” поки що залучають більше інвестицій; • проблема підтримки стабільного положення літального апарата в стратосфері. Використання стратостата передбачає досить складні технологічні рішення для стійкого керування; • існують певні побоювання щодо того, наскільки будуть безпечні стратосферні платформи (катастрофи дирижаблів 30-х років ще свіжі в пам’яті). Системи на основі високопіднятих платформ гарні тим, що вони існують і готуються до реалізації, а також тим, що вони можуть скласти гідну конкуренцію існуючим традиційним системам зв’язку.
8. Ñèñòåìè íà îñíîâ ìæïëàòôîðìåííèõ ëíé çâ’ÿçêó На сьогодні необхідність розвитку міжплатформенних ліній зв’язку для побудови перспективних космічних телекомунікаційних систем, де як платформа використовується космічний апарат, стала насущним завданням, важливість якого підкреслювалася неодноразово [12, 13]. Для ТСВА організація міжплатформенних ліній зв’язку має не менше значення, ніж для супутникових систем, причому тут під міжплатформенною лінією зв’язку мається на увазі як лінія станція на базі висотної аероплатформи (СВА)—СВА, так і лінія СВА—супутниковий ретранслятор. Також для зручності викладу подальшого матеріалу відоме скорочення МЛЗ, що часто означає міжсупутникові лінії зв’язку, будемо використовувати як більш загальне поняття — міжплатформенні лінії зв’язку. Для міжсупутникового радіозв’язку МСЕ виділив спеціальні регламентовані частоти, наведені в табл. 8.1. Частоти ж МЛЗ діючих на даний час деяких супутникових систем зазначені в табл. 8.2, 69
Сучасні телекомунікаційні системи
довжини хвиль для оптичного міжсупутникового зв’язку, які зараз використовуються в експериментальних космічних системах, вказані в табл. 8.3. Таблиця 8.1. Регламентовані МСЕ частоти міжсупутникового радіозв’язку
Діапазон частот, ГГц
Смуга робочих частот, МГц
Код діапазону
22,55—23,55 24,45—24,75 25,25—27,5 32—33 54,25—58,2
1000 300 2250 1000 3950
ISL-23 ISL-24 ISL-25 ISL-32 ISL-56
59—64 65—71 116—134 170—182 185—190
5000 6000 18000 12000 5000
ISL-60 ISL-67 ISL-125 — —
Таблиця 8.2. Частоти міжсупутникових ліній зв’язку діючих супутникових систем
Частоти міжсупутникових ліній зв’язку, ГГц
Супутникова система
Перші запуски, рік
36—38 2,0, 13,8 і 15 23 2,0, 2,3, 23 і 32, лазер 2,0, 13,8 й 15 2 23 і 25 59
LES-8 і LES-9 TDRS 1...6 Iridium ETS-6 ETS-7 COMETS ADEOS Globalstar
1976 1983 1997 1994 1997 1998 1998 1998
Таблиця 8.3. Довжини хвиль для оптичного міжсупутникового зв’язку
Довжина хвилі, мкм
Лазерне джерело випромінювання з діодним накачуванням з Nd на:
1,064—0,503 1,3—1,5 0,8
алюмо-іттриєвому гранаті (YAG) InGaAs AlGaAs
70
Розділ 3
Слід зазначити, що через те, що аероплатформи рухаються в просторі, перебувають на певній висоті над поверхнею землі і здійснюють спрямований рух, МЛЗ між ними можуть розглядатися як аналог супутникових МЛЗ. Тоді, мабуть, частотні діапазони, виділені для міжсупутникового зв’язку, і всі вимоги, що випливають звідси, по спільному використанню частот можуть бути віднесені й до міжаероплатформенних ліній зв’язку. При цьому особливості МЛЗ ТСВА на відміну від міжсупутникових полягають, головним чином, у: • близькості поверхні Землі і хмарності, що необхідно враховувати; • можливості мати довжини радіоліній від десятків до тисяч кілометрів; • більших можливостях з вертикальної структуризації архітектури багаторівневих мереж на основі МЛЗ; • можливості створення МЛЗ малої довжини між СВА, що дає змогу утворювати, тим самим, багатопрогонові повнодоступні вузлові мережі. Використання різноманітних платформ у МЛЗ відкриває широкі можливості з побудови просторових мереж на основі платформ різних рівнів: аероплатформ і супутників (рис. 8.1). При цьому СВА може бути подана як вузловий осередок у мережі на основі МЛЗ із горизонтальними зв’язками між аероплатформами одного рівня і вертикальними зв’язками між аероплатформами різних рівнів, або між СВА і супутником. Платформи одного рівня за допомогою МЛЗ можуть утворювати багатопрогонові повнодоступні вузлові безпроводові мережі (mesh networks) [14]. 1
2 3 4
5
Рис. 8.1. Рівні в мережі СВА на основі МЛЗ: 1 — супутника; 2 — аероплатформ верхні рівні (20—30 км); 3 — аероплатформ, середні рівні (вище 12 км); 4 — прив'язних аеростатів; 5 — поверхні Землі (суцільні прямі — зв’язки горизонтального рівня; пунктирні — вертикальні зв’язки між рівнями)
71
Сучасні телекомунікаційні системи
Оптичні міжплатформенні лінії зв’язку. Техніка зв’язку постійно освоює все більш високочастотні діапазони, аж до оптичного. Головною рушійною силою при цьому є можливість використання ширшої смуги частот, що дає змогу збільшити пропускну спроможність передачі інформації. Крім того, із зростанням несучої частоти підсилюється властивість спрямованості радіопроменя, тобто при однаковій площі апертури антен для більш високих частот ширина променя буде менша. У супутниковому зв’язку використання мікрохвильового діапазону для міжсупутникових ліній зв’язку вважається традиційним. Однак протягом, принаймні, 25 років лазерні системи досліджуються як альтернатива мікрохвильовим [15, 16]. Тут більші надії покладаються на зниження маси, споживану потужність, розміру приймально-передавального модуля оптичної системи зв’язку, а також на більш економічну (з погляду на паливні витрати на борту) і відносно малогабаритну систему наведення лазерної системи. Однак залишається проблемою точне наведення і утримання вузького лазерного променя між передавачем і приймачем, рознесеними на великі відстані один від одного. Перехід з мікрохвильових на оптичні МЛЗ може дати такі переваги: • стійкість до радіо- і електромагнітних завад; • високу спрямованість прийому і випромінювання при малих габаритах оптичних пристроїв, що забезпечує додаткову селекцію, скритість і захист магістральних каналів від несанкціонованого доступу; • малі розміри антенної системи (< 0,3 м); • невелику вагу (40—100 кг) і рівень споживаної потужності (100—200 Вт); • просте оптичне мультиплексування, комутація для мережного застосування; • масштабовану архітектуру в широкому діапазоні швидкостей передачі і довжин ліній зв’язку, що дає змогу генерувати найрізноманітніші системні рішення при побудові міжплатформенної мережі; • максимальне використання напрацьованих технічних рішень і компонентів звичайних оптоволоконних систем. • потенційно високу пропускну спроможність, підвищений ступінь захисту інформації, безпека і живучість.
72
Розділ 3
Основні відмінності оптичних МЛЗ. Зупинимося на основних відмінностях оптичних МЛЗ від оптоволоконних і мікрохвильових систем передачі. Порівняно з ВОЛЗ оптичні МЛЗ не мають проблем із дисперсією і нелінійними ефектами. Тут переданий сигнал у каналі, що являє собою вільний простір, потребує тільки антену (напрямну систему), якою є звичайно, телескопічна система. Звичайно, фонове випромінювання, що найбільше надходить від Сонця, може викликати проблеми, але не ті, що виникають при використанні ретрансляційних підсилювачів і регенераторів у ВОЛЗ великої довжини. Якщо просторова лінія зв’язку повинна передавати дані одночасно в обидва кінці (забезпечувати дуплексний режим передачі) на термінали з однією антеною, то останні за допомогою вбудованих диплексорів розводять передані і прийняті промені. Кутова величина розв’язки між переданим (500 мВт) і прийнятим (5 мВт) променями повинна досягати порядку 90 дБ, щоб не було перехресних завад. Основна причина такої вимоги полягає в дуже низькому рівні світлового потоку на диплексорі приймальної частини. Сам диплексор може бути побудований на базі спектральної дискримінації (фільтрації), поляризаційній розв’язці (15 дБ) або на основі їх обох. У загальному випадку, коли обидва термінали рухаються вздовж лінії прямої видимості з відносною швидкістю v, матиме місце ефект Доплера, що дасть частотний зсув Δf у прийнятий сигнал. Поки v набагато менше швидкості світла, то Δ f = v/λ. Для гіршого випадку, коли маємо МЛЗ між аероплатформою і низькоорбітальним супутником, v може досягати ± 8⋅103 м/с. Через малу довжину хвилі результуючий доплеровський зсув виходить досить великим і становить, наприклад, для λ = 1,06 мкм приблизно 7,5 ГГц. Таким великим частотним зсувом у приймачі з прямим підсиленням і вузькосмуговим оптичним фільтром можна знехтувати, але в супергетеродинному приймачі цей зсув має бути компенсований за допомогою настроювання лазерного гетеродина чи гетеродина на проміжній частоті. У просторовій системі, як і у випадку підводної прокладки ВОЛЗ, дуже важливою є максимально можлива тривалість безперервної роботи системи передачі, тобто її надійність. Якщо в наземній системі можна дублювати як приймально-передавальне устаткування, так і самі лінії зв’язку (оптичні кабелі), то в просторовій системі дублювати можна тільки модулі приймальної і передаваль73
Сучасні телекомунікаційні системи
ної частин, а антенні системи, звичайно, не резервуються, щоб не викликати на борту платформи надмірності ваги. В оптичному діапазоні значення ширини променя θ дуже мале (∼ 5 мкрад при коефіцієнті підсилення (КП) антени ∼ 115 дБ). Однак така перевага потребує дуже точної системи наведення і супроводу надвузького променя зв’язку (рис. 8.2). 1
2
0,46 м
3
КП, дБ 30 34
50
113
0,14 м
4
Рис. 8.2. Порівняння ширини променів мікрохвильових і оптичних антен: 1 — 4,2°, Х-діапазон; 2 — 2,8°, Ku-діапазон; 3 — 0,45°, 95 ГГц; 4 — 9,5 мкрад, лазер з λ = 850 нм
Відношення сигнал/шум для оптичної системи становить:
SNR =
η P O ПРМ , 2 hP f B
де η — квантова ефективність детектора (0,7—1, типово); hР — стала Планка (6,63⋅10 −34 Дж/с); f — оптична частота; B — смуга пропускання фільтра, Гц. Одним із критичних аспектів оптичної МЛЗ є вимога по врахуванню кута точки випередження (point ahead angle). Через обмеженість швидкості світла с0 і відносної кутової швидкості двох терміналів, що рухаються в просторі, промінь передавача повинен бути спрямований у напрямку до такої позиції приймача, яку він буде мати тільки через деякий час. Такий кут точки випередження обчислюється за формулою βт.в = 2v/с0, де v — складова відносної швидкості приймача і передавача, ортогональна до лінії прямої видимості між терміналами. У загальному випадку врахування βт.в потрібно для обох напрямків. Такий кут може досягати 70—80 мкрад для ліній зв’язку СВА-геостаціонарний супутник і 40 мкрад для ліній геостаціонарний—геостаціонарний 74
Розділ 3
супутники. Це вказує на те, що βт.в може бути значно більше ширини випромінюваного променя. Кут точки випередження може бути введений у систему наведення приймальної чи передавальної частин трансиверу і він повинен постійно підстроюватися під зміни v у зв’язку з текучістю часу. Це, у свою чергу, веде до ускладнення системи наведення і супроводження в оптичних МЛЗ. Приклади реалізації оптичних МЛЗ. Через те що на даний час оптичних МЛЗ на базі аероплатформ не було заявлено, і в ТСВА, в остаточному підсумку, планується використовуватим оптичні термінали, розроблені для оптичних міжсупутникових ліній зв’язку, то буде цілком коректно розглянути деякі з останніх досягнень у галузі оптичних МЛЗ саме на прикладах реалізації міжсупутникового зв’язку. За замовленням Європейського космічного агентства ESA (European Space Agency) розроблено проект Європейської системи космічного оптичного зв’язку DRS (Data Relay Satellite), що включає геостаціонарні й низькоорбітальні супутники-ретранслятори. На рис. 8.3 показаний багатокутник, у вершинах якого розташовані супутники DRS, що підтримують оптичну МЛЗ і фідерні лінії із земними станціями в Fucino, Madrid, Liverpool, Oslo, Malmo і Vienna. В DRS передбачається застосування напівпровідникових джерел когерентного оптичного випромінювання на сполуках GaAlAs у передавачах і способу прямого фотодетектування в приймачах. У системі використовуються три різних приймачі випромінювання для наведення, супроводу і прийому інформації. Перші два являють собою матриці приладів із зарядовим зв’язком (ПЗЗ), а останній — лавинний фотодіод. Для наведення низькоорбітального супутника служить спеціальний маяк, що вимикається під час передачі інформації. Частина прийнятого сигнаРис. 8.3. Зона розташування оптичної МЛЗ між лу використовується для супутниками DRS 75
Сучасні телекомунікаційні системи
роботи системи наведення і супроводу. Оцінюється оптимальний поділ оптичного сигналу для прийому інформації та утримання орієнтації, що забезпечує мінімальний діаметр телескопа. Параметрами Європейської системи оптичної МЛЗ є такі параметри. Робочі довжини хвиль, мкм ......................................... Середня випромінювана потужність, мВт ................. Швидкість передачі інформації, Мбіт/с/канал ......... Діаметр антени геостаціонарного супутника, см . ..... Діаметр антени низькоорбітального супутника, см .. Динамічна помилка наведення, мкрад ....................... Статична помилка наведення, мкрад ......................... Імовірність помилкового прийому символу .............. Розрахункова дальність зв’язку, км ...…………………….
0,81—0,87 50 1—120 35 20 0,3 0,5 − 10 6 45000
Чисельне моделювання системи DRS показало, що основним елементом, який визначає ресурс і стабільність роботи, є оптичний передавач. Важливим міжнародним проектом є SILEX (Semiconductor Laser Intersatellite Link Experiment), що проходить під егідою ESA. Проект SILEX передбачає здійснення лазерного зв’язку між низькоорбітальним космічним апаратом і геостаціонарними супутниками. Експерименти за даним проектом проводилися з 1989 р. Система містить у собі два оптичних термінали Pastel і Opale. Термінал Pastel було установлено на французький супутник Spot 4 (висота орбіти 800 км) у березні 1998 р., а Opale — на супутник ARTEMIS (Advanced Relay and Technology Mission) (висота орбіти 31000 км), запущений у липні 2001 р. (почав функціонувати на своїй заданій орбіті тільки у квітні 2003 р.). Наведено характеристики терміналів. Загальна маса, кг ........................................................... Маса рухомої частини, кг ............................................ Діаметр телескопа, м .................................................... Максимальна дальність, км .......................................... Довжина хвилі несучої, мкм, ....................................... Середня потужність передавача, мВт ......................... Потужність споживання, Вт ........................................
150 70 0,25 45000 0,8—0,85 60 130
Загальна концепція експерименту проекту SILEX зображена на рис. 8.4. У 2002 р. відбувся перший сеанс передачі відеозображення в реальному часі зі швидкістю 50 Мбіт/с по оптичній МЛЗ від Spot 4 на ARTEMIS. 76
Розділ 3
1
50 Мбіт/с
7
50 Мбіт/с
1х50 Мбіт/с
5
4
2
3
6
Рис. 8.4. Концепція проекту SILEX: 1 — геостаціонарний супутник; 2 — наземний оптичний термінал; 3 — земна станція керування; 4 — 50 Мбіт/с, лінія вниз 17,7—20,2 ГГц; 5 — 50 Мбіт/с, лінія нагору 27,5— 30 ГГц; 6 — низькоорбітальний супутник SPOT 4; 7 — геостаціонарний супутник ARTEMIS
У програмі японського національного космічного агентства NASDA (National Space Development Agency) по створенню оптичної МЛЗ досліджуються лазерні комунікаційні блоки LCE (Laser Communication Experiment), розміщені на борту експериментального геостаціонарного супутника ETS-VI (Engineering Test Satellite VI) і низькоорбітальному супутнику KIRARI (орбіта висотою 610 км, запущений у серпні 2005 р.), офіційно названу OICETS (Optical Interorbit Communications Engineering Test Satellite). У грудні 2005 р. було успішно здійснено перший двунаправлений оптичний зв’язок між супутником KIRARI і супутником ESA ARTEMIS. KIRARI став другим супутником, що зробив оптичну передачу інформації за допомогою супутника ARTEMIS. Експеримент KIRARI є результатом тривалої угоди між NASDA і ESA зі спільного здійснення передачі даних і розрахований на розгортання системи SILEX. Експерименти з налагодження оптичного зв’язку між апаратами KIRARI і ARTEMIS тривають і зараз. Технологія оптичної передачі даних робить можливою передачу більших потоків інформації за допомогою невеликих терміналів, що споживають небагато енергії, а також забезпечує безпечне з’єднання, захищене від зовнішніх втручань. Завдяки системі SILEX супутник KIRARI може передавати дані на Землю із швидкістю 50 Мбіт/с і одержувати їх назад на швидкості 2 Мбіт/с. Дані, передані через ARTEMIS, потім попадають на земну станцію в Реду (Бельгія), з’єднану по каналах зв’язку з центром керування в японському місті Тсукуба. Американський проект припускає здійснення оптичного зв’язку між спеціалізованим геостаціонарним супутником ACTS (Advanced Communications Technology Satellite) і Землею, а також на тра77
Сучасні телекомунікаційні системи
сах ACTS—низькоорбітальний супутник і ACTS—літак. Тут експерименти проводяться з приймачами прямого детектування і гетеродинним через загальну антену, а також здійснюється багатооканальний зв’язок із спектральним розділенням каналів (розроблено мультиплексори на чотири і сім каналів). На сьогодні можна виділити три основних напрямки робіт у даній галузі: • створення ефективних передавальних і приймальних модулів; • дослідження впливів навколишнього середовища на характеристики оптичного випромінювання; • розробка стратегії й тактики застосування засобів зв’язку оптичного діапазону для підвищення якості послуг зв’язку. 9. Óíôêîâàí öèôðîâ ìêðîõâèëüîâ ðàäîðåëåéí ñèñòåìè
З огляду на загальні тенденції цифровізації інформаційнотелекомунікаційних мереж на даний час особливого значення набувають малогабаритні мікрохвильові цифрові радіорелейні системи (ЦРС). Зростання і розвиток сучасних телекомунікаційних мереж особливо потребує наявності високоефективних наземних цифрових мікрохвильових систем, що легко могли б бути інтегровані як у звичайні телефонні лінії зв’язку (потоки Е 1, Е 2 і Е 3), так і в лінії синхронної цифрової ієрархії (155 Мбіт/с), комп’ютерні мережі (10, 100 Мбіт/с). При цьому, крім утримання високих значень електричних характеристик і параметрів надійності радіосистем, виставляються вимоги до реалізації можливості оперативної зміни трафіку радіолінії і робочих частот, дистанційного телеконтролю і керування всією системою радіоліній у цілому, а також до модульної побудови і максимальної уніфікації устаткування. Реалізувати такі вимоги стара класична схемотехніка побудови радіолінії на основі фіксованих одночастотних радіорелейних станцій не дає можливості. Удосконалювання елементної бази в напрямку її максимальної модульної інтеграції аж до мікрочипів (у тому числі програмованих), розвиток цифрової частини устаткування, застосування більш ефективних методів модуляції в поєднанні з кодуванням із корекцією помилок зумовили потребу в розробці нових структурно-функціональних побудов ЦРС. 78
Розділ 3
У цьому зв’язку на базі результатів, отриманих при проведенні ряду досліджень мікрохвильових систем у НДІ телекомунікацій НТУУ “КПІ” за участю ВАТ «НВП “Сатурн”» і узагальненні досвіду світових виробників радіорелейного устаткування, були розроблені принципи побудови недорогих мікрохвильових ЦРС оптимальних з погляду на реалізацію вказаних вище вимог до створення сучасної інформаційно-телекомунікаційної інфраструктури. При цьому забезпечуються такі основні переваги ЦРС: • відповідність пропускної спроможності стволів ЦРС необхідній у перспективі продуктивності реальних джерел інформації на внутрішньозонових і особливо на сільських та міських ділянок національної телекомунікаційної мережі, принаймні, на найближчі десятиліття; • велика економічна ефективність розвитку і експлуатації сільських, внутрішньозонових, міських і технологічних радіорелейних комунікацій порівняно з кабельними, у тому числі волоконнооптичними, особливо в умовах, коли малі трафіки і великі довжини ліній не дають можливості забезпечити ефективну охорону розподілених кабельних лінійних споруджень; • істотно менша пошкоджуваність від грозових, тектонічних, гідрометеорних та інших природних явищ, від вандалізму і від господарської діяльності людини на землі; • більш ефективне резервування лінійного тракту порівняно з будь-якими кабельними трактами, що прокладаються по одній трасі: землерийні машини або зсуви не відрізняють основний кабель від резервного; • істотно менший середній час відновлення при ушкодженнях і скорочення частки важко механізованої праці співробітників лінійної служби оператора; • менша потреба у відводі земельних ділянок під траси ЦРС (порівняно з кабельними), відсутність шкідливого екологічного впливу ЦРС, у тому числі, на ерозію сільськогосподарських земельних угідь. Цифрова радіорелейна система. Вона являє собою комплекс однієї чи ряду зв’язаних радіоліній типу «“точка-точка”, що складаються з набору цифрових радіорелейних станцій (терміналів) і дистанційної системи керування і контролю, яка побудована на базі комп’ютерних мережних технологій у вигляді окремого програмного модуля і візуально відображуваних інтерфейсів на модемному устаткуванні. У свою чергу термінал складається з двох основних 79
Сучасні телекомунікаційні системи
частин: зовнішнього мікрохвильового радіоблока з антеною, одного (для окремого дуплексного каналу зв’язку) коаксіального кабелю зниження довжиною до 500 м і внутрішньої апаратури доступу, яка розташована в приміщенні і являє собою цифровий модем із мультиплексором. Слід зазначити, що у випадку використання ЦРС як ретранслятора модемне устаткування може розміщуватися поряд із радіоблоком у герметичному корпусі. Антена з радіоблоком за допомогою опорно-поворотного пристрою може настроюватись по вертикальній і горизонтальній поляризаціях. При цьому забезпечується точне юстирування за азимутом і кутом місця. Накопичений досвід при розробці, виробництві та експлуатації ЦРС, що сформувався до останнього часу, об’єктивні економічні умови, перехід ринку передачі інформації на цифрову основу призвели до необхідності перегляду старої концепції побудови станцій як окремих унікальних систем і визначення нової — створення єдиного однорідного ряду ЦРС, що ґрунтувався б на одній найбільш технологічній і уніфікованій структурній побудові [1]. У цьому зв’язку можна визначити такі головні напрямки науково-технічного розвитку ЦРС. 1. Єдина базова схемотехнічна побудова ЦРС, що враховує досвід їх розробки, виробництва та експлуатації. 2. Уніфікація вузлів і деталей для їх крупносерійного виробництва, перехід до типових взаємосумісних модулів, інформаційна та інша сумісність частин системи. 3. Розширення функціональних можливостей побудови цифрових комунікацій на базі ЦРС: реалізація різних схем резервування і підключення ЦРС; розширення сервісних функцій при збільшенні простоти в експлуатації; удосконалення систем телесигналізації і телекерування. 4. Впровадження нових схемотехнічних, конструктивних і технологічних рішень при побудові окремих модулів станції з метою підвищення її електричних характеристик і параметрів надійності. Для забезпечення зазначених вище напрямків розвитку вітчизняних ЦРС на базі ВАТ «НВП “Сатурн”» було створено єдиний ряд ЦРС серії “Сатурн-Е” у діапазонах частот 7, 8, 11, 13, 15, 23 і 38 ГГц для швидкостей передачі 2,048, 8,448, 10 і 34,368 Мбіт/с. Основою побудови ЦРС серії “Сатурн-Е” є цифрові радіорелейні станції (термінали), що залежно від вимог до радіолінії можуть формувати прикінцеві, ретрансляційні чи проміжні станції. 80
Розділ 3
Довільний термінал може бути сконфігурований так, щоб забезпечити: • регенерацію цифрового потоку без виділення в радіоблоках та його ретрансляцію; • ретрансляцію цифрового потоку по 70 (140) МГц за допомогою безпосереднього стику радіоблоків між собою; • доступ і можливість виділення цифрових потоків за допомогою модуля доступу в апаратній. Модемне обладнання може бути сконфігуровано так, щоб: • обслужити необхідне число напрямків (радіоліній); • оперувати радіоблоками з гарячим резервуванням (1+1) і без нього (1+0); • реалізувати прольоти в різних частотних діапазонах з різною пропускною здатністю в кожному напрямку. Радіоблок. Базова схема радіоблока (рис. 9.1) будується за супергетеродинним принципом з двома перетвореннями частоти вниз до проміжної частоти (ПЧ) 70 чи 140 МГц у приймальному тракті (ПРМ) і з одним перетворенням вгору в передавальному тракті (ПРД) [17]. Проміжна частота передавача вибирається в діапазоні 200—850 МГц, що дає змогу одержати досить велике відстроювання від гармонік перетворювача, що виникають при перетвореннях вгору, і знизити вимоги до смугового фільтра після змішувача. Можливість використання високої ПЧ у тракті передавача зумовлена появою для таких частот інтегральних мікросхем модуляторів і перетворювачів. Рівень вихідної потужності визначає підсилювач потужності (ПП), величину рівня якої відслідковує ланцюжок: детектор, операційний підсилювач, компаратор і керований атенюатор. Як опорний сигнал на компаратор надходить керуючий сигнал із блоку контролю та керування (БК). Джерелом місцевого гетеродину служить синтезатор частоти (СЧ), діапазон перебудови якого визначається смугою пропускання фільтрів вхідного/вихідного хвилеводного диплексора. У якості параметрів контролю радіоблоку, що надходять через БК униз до апаратури доступу, служать рівні вихідної потужності ПП, СЧ і виходу тракту прийому, а також сумарного струму споживання, відліків виставленої частоти СЧ. Керуючими є сигнали виставлення робочої частоти СЧ і рівня вихідної потужності ПП.
81
Сучасні телекомунікаційні системи
Деякі радіоблоки ЦРС з антенами наведені на рис. 9.2, а можливі конфігурації радіоблоків зведені в табл. 9.1. ПП Е f
дБ
α
fПРД
ПРД ПЧ
СЗ
MX
БК БЖ СЧ
fСЧ f ПРМ
f
ПЧ1
ПРМ
МШП α
ПЧ2
G
fПРМ
fГ
Рис. 9.1. Структурна схема прийомопередавача ЦРС: СЧ — синтезатор частоти; БК — блок контролю та керування; БЖ — блок живлення; Е — еквалайзер; МХ — мультиплексор; СЗ — службовий зв’язок; МШП — малошумливий підсилювач; G — опорний генератор
а
б
Рис. 9.2. Радіоблоки ЦРС діапазонів 7—13 ГГц (а) і 20—38 ГГц (б)
82
Розділ 3 Таблиця 9.1. Конфігурації радіоблоків
Модель ЦРС Е/8 Е/11 Е/13 Е/15 Е/18 Е/22 Е/28 Е/38
Частотний діапазон, ГГц 7,9—8,4 10,7—11,7 12,75—13,25 14,5—15,35 17,7—19,7 21,2—23,6 27,5—29,5 36,19—38,4
Рознесення ПРМ/ПРД, МГц
Проліт лінії в км, не більше
266 530 266 420 1010 1010 1008 1260
50 25 25 25 20 20 15 10
Модемне устаткування. У модемному устаткуванні ЦРС забезпечується пряма корекція помилок з використанням у модуляторі згортаючого кодера і кодера Ріда—Соломона, а в демодуляторі — декодерів Вітербі (або послідовний) і Ріда—Соломона. Перспективно також застосування завадастійкого кодування на основі турбокодів. Для трафіку до 10 Мбіт/с ефективно використовується ФМ4, а для 34 Мбіт/с у діапазонах частот нижче 10 ГГц — КАМ, вище 15 ГГц — ФМ4. У системах передачі потоків 100 Мбіт/с і більше застосовується високорівнева КАМ. Потреба сучасних мереж (особливо у випадку розподільних систем типу “точка-багатоточка”) у передачі і прийомі на одному терміналі різних трафіків визначає побудову цифрових модемів як двох незалежних блоків модулятора і демодулятора, що обробляють різні цифрові потоки. У даному випадку вимога прямої корекції помилок обов’язкова. Модемне устаткування забезпечує повний доступ обслуговуючого персоналу до загальної системи телеконтролю, телесигналізації і службового зв’язку через стандартні інтерфейси. На рис. 9.3 наведено спрощену структурну схему цифрового модему для цифрових потоків, кратних потоків Е1. Цифровий сигнал (код HDB3) від зовнішнього устаткування із швидкістю Е1(Е2 чи Е3) надходить на вхід модему, де відбувається його регенерація, перетворення з коду HDB3 у NRZ і виділення тактової частоти. Далі сигнал з виділеною тактовою частотою подається на схеми формування групового потоку, завадостійкого кодування, скремблювання і поділу на два рівношвидкісних потоки. 83
Сучасні телекомунікаційні системи До радіоблока Модуль розділення трактів ПЧ, телеуправління і телесигналізації, службового зв‘язку та живлення RS 232
RS 485
Модуль телекерування, телесигналізації і службового зв‘язку, модулі формування каналів і обміну
70 (140) МГц
Модуль живлення
Модуль тракту ПЧ у складі модулятора/демодулятора, схеми АРП, синхронізатора, завадостійкого кодера/декодера, схеми контролю помилок і модуля обміну G.703
Система керування, контролю, сигналізації, синхронізації та індикації
Цифровий лінійний тракт 2/ 8/16/34 Мбіт/с із системою виділення сигналів телекерування, телесигналізації і службового зв‘язку, визначення аварійного стану Цифровий потік HDB3
Рис. 9.3. Спрощена структурна схема цифрового модему для потоків плезіохронної цифрової ієрархії
Кожен потік піддається передмодуляційній фільтрації, після чого вони подаються на квадратурний модулятор. Сформований сигнал із несучою частотою 70 (140) МГц підсилюється, фільтрується, поєднується із сигналами телекерування, телесигналізації радіоблока і подається на вхід передавача ЦРС. Фазомодульований сигнал несучої частоти 70 (140) МГц із виходу приймача ЦРС подається на модуль поділу трактів службового зв’язку, телеконтролю і телесигналізації від ПЧ. Виділений сигнал подається на вхід квадратурного демодулятора, де розкладається на дві квадратурні складові, які фільтруються, демодулюються, декодуються за алгоритмом Вітербі і перетворюються у вихідний потік. Далі відбувається декодування коду Ріда—Соломона, дескремблювання, виділення з групового потоку сигналу в NRZ-коді, що перетворюється в код HDB3. 84
Розділ 3
Рис. 9.4. Зовнішній вигляд цифрових модемів для ЦРС
Зовнішній вигляд розробленого цифрового модему на швидкість передачі 2 (8) Мбіт/с наведений на рис. 9.4, а швидкості та смуги пропускання серії цифрових модемів — у табл. 9.2. Модеми за позиціями 1, 3, 4, 6, 7, 9, 10, 12, 13 у табл. 9.2 повністю відповідають рекомендації ETSI EN301128 (2001—02) відносно спектральної густини потужності передавача для обладнання 1-го класу.
Таблиця 9.2. Швидкості та смуги пропускання серії цифрових модемів ФМ4
№ модему
Позначення моделі
1 2
Швидкість передачі, Мбіт/с
Смуга пропускання, МГц, не більше, по рівню
Інформаційна
Із врахуванням службових каналів
Із врахуванням кодування RS
Із врахуванням кодування згортаючим кодером 3/4
—3 дБ
—30 дБ
Е1
2,048
2,129
2,457
—
0,62
2,00
Е1
2,048
2,129
2,457
3,276
0,82
2,60
3
Е1хЕ1
4,096
4,510
—
—
1,13
3,58
4
Е1хЕ1
4,096
4,510
4,893
—
1,23
3,88
5
Е1хЕ1
4,096
4,510
4,893
6,524
1,63
5,20
6
Е2
8,448
8,650
—
—
2,17
6,87
7
Е2
8,448
8,650
9,387
—
2,35
7,46
8
Е2
8,448
8,650
9,387
12,516
3,13
9,94
9
Е2хЕ2
16,896
17,310
—
—
4,33
13,75
10
Е2хЕ2
16,896
17,310
18,780
—
4,70
14,90
11
Е2хЕ2
16,896
17,310
18,780
25,040
6,26
19,87
12
Е3
34,368
34,570
—
—
8,65
27,45
13
Е3
34,368
34,570
37,512
—
9,38
29,78
14
Е3
34,368
34,570
37,512
50,016
12,51
39,70
85
Сучасні телекомунікаційні системи
Основні технічні характеристики ЦРС. Радіорелейна система конфігурується різними способами, що дозволяє будівництво від одного прольоту без резервування з найпростішою системою керування до кількох десятків прольотів радіолінії із складною системою керування, резервування, виділення потоків на проміжних і прикінцевих терміналах. Робочі частоти системи визначаються радіоблоками ЦРС і не залежать від конфігурації їх модулів доступу, і, відповідно, ємність системи визначається модулем доступу і не залежить від конфігурації радіоблоків. Термінали легко конфігуруються згідно з технічними вимогами замовників. Необхідна конфігурація вузла досягається об’єднанням різних блоків модуля доступу. Порівняльний аналіз основних технічних характеристик ЦРС “Сатурн-Е” з характеристиками ЦРС виробництва корпорацій NEC, ALLGOL, ERICSSON, SAGEM наведений у табл. 9.3. Таким чином, при проведенні розробки і реалізації ЦРС серії “Сатурн-Е” отримані такі основні результати: • розроблено принципи побудови уніфікованих малогабаритних ЦРС, що можуть бути використані як при розробці нових радіорелейних систем, так і при модернізації наявних; • розроблено нові структурно-функціональні схеми побудови радіоблоків мікрохвильових ЦРС прямої видимості; • розроблене модемне устаткування ЦРС, де забезпечується пряма корекція помилок із використанням у модуляторі згортаючого кодера і кодера Ріда—Соломона, а в демодуляторі — декодерів Вітербі і Ріда—Соломона. За своїми технічними характеристиками модемне устаткування повністю відповідає Рекомендаціям МСЕ, що підтверджує його світовий рівень; • розроблена серія ЦРС “Сатурн-Е” за своїми технічними характеристиками повністю відповідає Рекомендаціям МСЕ і державним стандартам України (діючий державний сертифікат відповідності), що підтверджує її світовий рівень; • серія ЦРС повністю перекриває діапазони частот від 7 до 38 ГГц, реалізує передачу трафіку від 2 до 32 Мбіт/с, може формувати довільні радіорелейні мережі, задіюючи різноманітні способи резервування. При цьому, при істотно нижчій собівартості порівняно з іноземними системами, ЦРС “Сатурн-Е” забезпечує високу надійність роботи радіоліній. За останні роки на базі розробленої серії ЦРС реалізовано близько 100 телекомунікаційних радіоліній як в Україні, так і за її межами.
86
Вид модуляції
±5 Pasolink 4PSK
90 87 80 ± 10 Allgon
90 84 81 93 90 84
90 84 81 90 87 80
23/25 84,5 81,5 75,5
87 84 78 90 84 81 93 90 84
23/25
23/27 86,5 83,5 73,5
20/23 81,5 78,5 72,5
87 86 84 83 78 77 90 87 84 82 81 79 90 87 87 84 80 79 ±1 5 Mini-Link C-QPSK
20/23 82,5 79,5 73,5
88
89
88
18/20 71,5 68,5 62,5
15
16,5
19
15
38
86 85 81 83 82 78 77 76 72 87 86 85 82 81 81 79 78 78 87 86 86 84 83 82 79 78 76 ± 10 ±2 Sagem-Link Сатурн-Е QPSK QPSK
18/20 77,0 74,0 68,0
15
10/18
20
20
28
18/20 80,5 77,5 71,5
17
23/27 86,5 83,5 73,5
2Е1 Pasolink Е2 Е3 2E1 Allgon E2 E3 2E1 Mini-Link E2 E3 2E1 SagemLink E2 E3 2Е1 Сатурн-Е Е2 Е3 Стабільність частоти, × 10−6
16
17/24
Сатурн-Е
20
18/25
23
23
20
20
23
18
24
23
15
21/28
25
3
Sagem-Link
24
11
Mini-Link
27
8 20
27
7
Allgon
Pasolink
Діапазон частот, ГГц
Таблиця 9.3. Порівняльні характеристики ЦРС різних виробників
Вихідна потужність передавача, дБм
Чутливість приймача при BER = 10 −6, −дБм
Сучасні телекомунікаційні системи Ñïèñîê ëòåðàòóðè 1.
2.
3. 4. 5. 6. 7.
8.
9.
10. 11.
12.
13. 14.
15. 16. 17.
88
Ильченко М.Е., Кравчук С.А. Информационно-телекомуникационные системы широкополосного радиодоступа / Проблемы управления и информатики. — 2006. — № 1-2. — С. 285—293 с. Микроволновые устройства телекоммуникационных систем / М.З. Згуровский, М.Е. Ильченко, С.А. Кравчук, С.А. Нарытник, Ю.И. Якименко. — К.: Політехніка, 2003. — Т. 1. — 456 с.; Т. 2. — 615 с. Микроволновые технологии в телекоммуникационных системах / Т.Н. Нарытник, М.Е. Ильченко, С.А. Кравчук и др. — К.: Техніка, 2000. — 304 с. Ільченко М.Ю., Кравчук С.О. Супутникові телекомунікації в Україні // Наукові вісті НТУУ “КПІ”. — 2006. — № 6. — С. 15—22. Аболиц А.И. Системы спутниковой связи. Основы структурно-параметрической теории и эффективность. — М.: ИТИС, 2004. — 426 с. Руководство по технологиям объединенных сетей / М. Форд, Х.К. Лью, С. Спэйнир и др.; пер. с англ. — М.: Изд. дом “Вильямс”, 2002. — 1040 с. Ilchenko M.E., Kravchuk S.A. Information Telecommunication Broadband Radio Access Systems // J. of Automation and Information Sciences. — 2006. — 38, Issue 4. — P. 69—77. Исследование эффективности работы спутниковых корпоративных сетей Frame Relay / М.Е. Ильченко, К.С. Сундучков, С.И. Сушко и др. // Вісник Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій. — 2005. — 3. — № 3-4. — C. 34—37. Інформаційно-телекомунікаційні системи з використанням мікрохвильових технологій і спеціалізованих обчислювальних засобів / М.Ю. Ільченко, С.Г. Бунін, С.О. Кравчук та ін. — К.: НТУУ “КПІ”, 2004. — 316 с. Ільченко М.Ю., Кравчук С.О., Антоненко Р.А. Телекомунікаційні системи на базі високопіднятих аероплатформ // Зв’язок. — 2003. — № 3. — С. 37—41. Ільченко М.Ю., Кравчук С.О. Інформаційно-телекомунікаційні системи на базі високопіднятих аероплатформ // Винахідник і раціоналізатор. — 2004. — № 6. — С. 9—12. Телекоммуникационные системы и технологии миллиметрового диапазона волн / Т.Н. Нарытник, С.А. Кравчук, М.Е. Ильченко и др. // Матер. 7-й Междунар. Крымской микроволновой конф. КрыМиКо’97 “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии”, 15—18 сентября 1997 г., Севастополь, Крым, Украина. — К., 1997. Том.1. — С. 50—55. Горностаев Ю.М., Соколов В.В., Невдяев Л.М. Перспективные спутниковые системы связи. — М.: Горячая линия—Телеком, 2000. — 132 с. Кравчук С.А. Создание многопролетных полнодоступных узловых беспроводных сетей в системах широкополосного радиодоступа // Тр. 7-й междунар. науч.-практ. конф. СИЭТ “Современные информационные и электронные технологии”, 22— 26 мая 2006 г., Одесса, Украина. Том 1. — Одесса: ВМВ, 2006. — 189 с. Васильев В.П. Разработка межспутниковых лазерных линий связи // Техника средств связи. — 1990. — Сер.ТРС, вып.1. — С. 38—42. Гуляев Ю.Д., Манжура Ю.Г. Лазерные космические системы связи // Зарубеж. радиоэлектроника. — 1979. — № 9. — С. 38—49. Сучасні уніфіковані цифрові мікрохвильові радіорелейні системи / В.М. Чміль, С.О. Кравчук, М.М. Кайденко та ін. // Винахідник і раціоналізатор. — 2004. — № 6. — С. 22—25.
Ðîçäë 4 Ðàäîìåðåæ ïåðñîíàëüíîãî òà ëîêàëüíîãî ðâíâ
10. Ïåðñîíàëüí áåçïðîâîäîâ ìåðåæ Безпроводові персональні мережі передачі інформації WPAN (Wireless Personal Area Network) — це технології, які повинні без проводів забезпечувати взаємодію інформаційних пристроїв у радіусі від десятків сантиметрів до десяти метрів. Найпростіший і знайомий кожному приклад таких пристроїв — пульт дистанційного керування побутовою технікою, що діє в інфрачервоному діапазоні. Незважаючи на примітивність виконуваних функцій, підтримувані цими пристроями протоколи обміну (їх небагато, найпоширеніший з них — RC-5) цілком відповідають найпростішим вимогам мережних протоколів. Можна згадати й інфрачервоні порти в комп’ютерах та їх периферії (протоколи IRDA). Однак зв’язок в інфрачервоному діапазоні має ряд непереборних недоліків, найважливіший з яких — необхідність прямої видимості між приймачем і передавачем. Більш досконалі технології, що активно розвивалися з 90-х років минулого століття, — це безпроводові радіомережі. У персональних безпроводових мереж донедавна було тільки два основних конкуренти — специфікації Bluetooth і HomeRF 2.0 [1]. На даний час із впевненістю можна сказати, що масове поширення одержав саме стандарт Bluetooth. Дуже важливо, що Bluetooth визнаний всім світовим співтовариством. У 2000 р. між альянсом розроблювачів Bluetooth і провідною стандартизуючою в галузі безпроводових мереж організацією — Інститутом інженерів електроніки й електротехніки (IEEE) — було досягнуто згоди, згідно з якою специфікація Bluetooth увійшла в стандарт IEEE 802.15.1 (опублікований 14 червня 2002 р.) “Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Wireless Personal Area Networks (WPANs)” (Специфікації контролю доступу до безпроводового каналу і фізичного рівня безпроводових персональних мереж).
Сучасні телекомунікаційні системи
Незважаючи на всю свою привабливість і універсальність, технологія Bluetooth як дійсно мережний стандарт використовується сьогодні рідко. Найпоширеніше його застосування — заміна проводу, що з’єднує два пристрої (наприклад, гарнітуру і стільниковий телефон). Крім того, це все-таки ще нова технологія, і можлива причина полягає в тому, що Bluetooth занадто універсальний. Тому в одних застосуваннях йому бракує швидкості обміну (наприклад, передача відеосигналу), в інших — потрібні більш прості і дешеві пристрої. Щоб розв’язати ці протиріччя і остаточно стандартизувати принципи організації персональних мереж передачі даних (МПД), робоча група IEEE 802.15 не зупинилась на стандарті IEEE 802.15.1, а створила ще дві дослідницькі групи (Tg3 і Tg4). У результаті наприкінці вересня 2003 р. були опубліковані два нових стандарти: IEEE 802.15.3 “Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for High Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs)” і IEEE 802.15.4 “Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low_Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs)” — стандарти для високошвидкісних і низькошвидкісних персональних безпроводових МПД, відповідно. Основні характеристики персональних мереж, що будуть розглядатися далі, наведені в табл. 10.1. Стандарт IEEE 802.15.1 (Bluetooth). Активно впроваджувана консорціумом Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG) технологія Bluetooth (стандарт IEEE 802.15.1 базується на специфікаціях Bluetooth v1.x) призначена для побудови персональних безпроводових мереж. Безпроводова технологія Bluetooth де-факто є стандартом, так само як і набором специфікацій, що визначають функціонування компактних систем зв’язку на невеликих відстанях між мобільними персональними комп’ютерами, мобільними телефонами та іншими портативними пристроями. Bluetooth являє собою недорогий радіоінтерфейс із низьким енергоспоживанням (потужність передавача всього порядку 1 мВт) для організації персональних мереж, що забезпечує передачу в режимі реального часу як цифрових даних, так і звукових сигналів. З самого початку дальність дії радіоінтерфейсу бралася 10 м (тобто приблизно в межах однієї кімнати), однак зараз специфікаціями Bluetooth уже визначено і другу зону — близько 100 м — для покриття стандартного будинку. При цьому немає необхідності в тому, 90
Розділ 4
щоб з’єднувати пристрої, які перебували в зоні прямої видимості один від одного, їх можуть розділяти “радіопрозорі” перешкоди (стіни, меблі тощо), і до того ж прилади можуть рухатися. Для роботи радіоінтерфейсу Bluetooth використовується так званий нижній (2,45 ГГц) діапазон ISM (industrial, scientific, medical), призначений для роботи промислових, наукових і медичних приладів. Таблиця 10.1. Порівняння характеристик стандартів 802.15 і 802.11b
Стандарт
802.15.4 ZigBee
802.15.1 Bluetooth
802.15.3 WPAN, WiMedia
802.15.3а UWB
802.11b WiFi
Застосування
Моніторинг, кеГолос, да- Потокове мультимерування, мережі ні, заміна діа, заміна кабелів датчиків, домаш- кабелів аудіо/відео систем ня/промислова автоматика
Дані, відео, локальні мережі
Переваги
Ціна, енергозбереження, розміри мережі
Швидкість, гнучкість
Частота, ГГц
0,868 0,915
20 40 250 Максимальна кбіт/с кбіт/с кбіт/с швидкість Вихідна потужність, 0 дБм Дальність, м 10—100 Чутливість, −92 −85 дБм Розмір стеку, 4—32 кбайт Строк служби 100—1000 батареї, днів
Ціна, енер- Висока швидкість, гозбереенергозбереження ження, передача голосу 3,1—10,6
2,4
2,4
1 Мбіт/с
22—55 Мбіт/с
0—20
0
< 24
20
10—100
5—50
4—10
100
−70
−75
—
−76
> 250
—
—
> 1000
1— 7
110—480 11 Мбіт/с Мбіт/с
> 1000
0,5—5
Радіоканал має повну пропускну спроможність в 1 Мбіт/с, що забезпечує створення асиметричного каналу передачі даних на швидкостях 723,3/57,6 кбіт/с чи повнодуплексного каналу на швидкості 433,9 кбіт/с. Якщо дані не передаються, то через Bluetoothз’єднання можна передавати до трьох дуплексних аудіоканалів по 64 кбіт/с у кожному напрямку. Можлива також і комбінована пе91
Сучасні телекомунікаційні системи
редача даних і звуку. У частині організації обміну даними Bluetooth відповідає специфікації стандарту локальних мереж IEEE 802 і використовує сигнали з розширенням спектра шляхом стрибкоподібної перебудови частоти (FHSS) за псевдовипадковим законом зі швидкістю 1600 перемикань у секунду в смузі 2400—2483,5 МГц. Bluetooth працює як багатоточковий радіоканал, керований, аналогічно стільниковому зв’язку GSM, багаторівневим протоколом. Як міру захисту в Bluetooth передбачене кодування переданих даних, а також виконання процедури авторизації пристроїв. При цьому можливі три рівні захисту: мінімальний (дані кодуються загальним ключем і можуть прийматися будь-якими пристроями без обмежень); захист на рівні пристроїв (безпосередньо в чипі прописується рівень доступу, відповідно до якого пристрій може одержувати певні дані від інших пристроїв); захист на рівні сеансу зв’язку (дані кодуються 128-бітними випадковими числами, що зберігаються в кожній парі пристроїв, що беруть участь у конкретному сеансі зв’язку). Стандарт IEEE 802.15.3. Стандарт IEEE 802.15.3 описує роботу малої безпроводової МПД — пікомережі (piconet). Пікомережа в стандарті IEEE 802.15.3 — це так звана ad hoc-система, в якій кілька незалежних пристроїв можуть безпосередньо взаємодіяти один з одним. Розміри пікомережі, як правило, не перевищують 10 м. Основні вимоги до неї — висока швидкість передачі даних, проста інфраструктура, легкість установлення з’єднання і входження в мережу, засоби захисту даних і надання для певних типів даних гарантованих параметрів передачі (гарантія якості обслуговування, QoS). Пікомережа (рис. 10.1) може об’єднувати кілька пристроїв, одне з яких виконує функції керування PNC (piconet coordinator). Стандарт також передбачає можливість формування так званих дочірніх пікомереж й описує взаємодію між незалежними сусідніми пікомережами. У пікомережі можливий обмін як асинхронними, так і ізохронними (потоковими) даними. До останнього належать, наприклад, звук і відео. Весь інформаційний обмін у пікомережі заснований на послідовності суперкадрів. Кожен кадр (рис. 10.2) вміщує керуючий сегмент (beacon), інтервал конкурентного доступу CAP (contention access period) і набір часових інтервалів (каналів), призначених для певних пристроїв. PCN визначає межі всіх інтервалів і розподіляє канали між пристроями. Під час САР доступ до каналу відбувається на основі механізму контролю несучої із запобіганням 92
Розділ 4 Пристрій
Пристрій
Керуючий пристрій (PNC) Пристрій
Пристрій
Рис. 10.1. Структура пікомережі IEEE 802.15.3 (неперервна лінія — дані; пунтирна лінія — керування)
Суперкадр m − 1
Керуючий заголовок
Суперкадр m
Суперкадр m + 1
Інтервал Канальні інтервали (СТА) конкурентного СТА n −1 СТАn СТА1 СТА2 СТА3 СТА4 доступу ⋅⋅⋅
Рис. 10.2. Структура кадрів фізичного рівня мережі IEEE 802.15.3
колізій — CSMA/CA (як і в стандарті IEEE 802.11), тобто хто перший встиг зайняти канал, той і працює. У цей період передаються команди або асинхронні дані. PCN присвоює кожному пристрою чи групі пристроїв канальні інтервали (СТА) за запитом з їх боку. У керуючому сегменті для кожного з них задається момент початку і тривалість. Присвоювання інтервалів СТА для певного пристрою означає, що ніякий інший пристрій у цей момент не може працювати на передачу. СТА можуть динамічно розподілятися в суперкадрі (для асинхронних та ізохронних даних) чи бути фіксованими (тільки для ізохронних даних). Специфікація фізичного каналу в документі IEEE 802.15.3 наведена тільки для діапазону 2400—2483,5 МГц. Вона передбачає п’ять допустимих швидкостей передачі (табл. 10.2). Швидкість 22 Мбіт/с є базовою, тому її повинні підтримувати всі пристрої 93
Сучасні телекомунікаційні системи
IEEE 802.15.3. При роботі на цій швидкості дані не кодуються. В інших випадках дані перед формуванням модуляційних символів кодуються за допомогою згортаючого кодера з трирозрядним зсувним регістром (так звана модуляція за допомогою ґратчастого коду з восьми станами). При цьому в кодері до вихідного набору з 1/3 / 4/5 біт (при QPSK / 16 QAM / 32 QAM / 64 QAM) додається кодовий біт з виходу трирозрядного зсувного регістра. Таблиця 10.2. Модуляція і швидкості передачі даних у мережах IEEE 802.15.3 в діапазоні 2,4 ГГц
Вид модуляції
Швидкість передачі, Мбіт/с
Вид модуляції
Швидкість передачі, Мбіт/с
QPSK DQPSK 16QAM
11 22 33
32QAM 64QAM
44 55
За стандартом IEEE 802.15.3 вимагається, щоб пристрої працювали в кожному з п’яти можливих частотних каналів (2,412, 2,428, 2,437, 2,445, 2,462 ГГц), причому передбачається два канальних плани — режим високої щільності (чотири канали в допустимому діапазоні) і режим сумісності з мережею стандарту IEEE 802.11b (три дозволених канали). Це означає, що кожен пристрій перед початком роботи сканує діапазон, знаходить вільні канали, визначає наявність працюючої мережі 802.11b. Надширокосмугові сигнали. Для того щоб перейти до наступного стандарту персональних мереж, розглянемо одну з найперспективніших технологій радіодоступу. Найважливіша проблема розвитку систем і мереж радіозв’язку полягає в обмеженості спектра радіочастот для розміщення в ньому всіх радіосистем і радіослужб. Разом з тим вважається, що освоєний діапазон радіохвиль використовується на 10—15 %. Причина цього полягає в тому, що частотна селекція використовується як основний метод селекції радіозасобів. Для збільшення кількості одночасно працюючих радіозасобів, тобто для економії спектра радіочастот, фахівці протягом майже ста років працювали над тим, щоб звужувати спектри випромінюваних сигналів і підвищувати частотну вибірковість приймачів. Проте з середини минулого століття рядом фахівців (починаючи з Клода Шеннона, 1947 р.) було показано, що кількість пере94
Розділ 4
даваної інформації в одиницю часу, тобто швидкість передачі, прямо пропорційна смузі, зайнятій сигналом в ефірі, і в меншій мірі залежить від співвідношення сигнал—шум у місці прийому. Тому для збільшення швидкості передаваної інформації слід розширювати, а не звужувати спектри випромінюваних сигналів. Широкосмугові сигнали на відміну від вузькосмугових, дають можливість одночасно використовувати смуги частот багатьма радіозасобами, створюючи рівні взаємних перешкод, обернено пропорційні ширині спектрів сигналів, і, тим самим успішніше вирішувати проблему “перенаселеності” ефіру. Широкосмугові сигнали утворюються за допомогою модуляції синусоїдального сигналу цифровою шумоподібною послідовністю або шляхом швидких змін частоти сигналу, що передається відповідно до кодової послідовності. Зазначимо також, що випромінювання синусоїдальних сигналів має ряд недоліків, головним з яких є відносно низька ефективність перетворення струму в антені в електромагнітне коливання, що пов’язане з малою похідною синусоїдального струму. (Похідна синусоїдального сигналу найменша з усіх можливих для періодичних сигналів, оскільки синусоїда є найбільш гладкою функцією з усіх періодичних функцій.) Від похідної, згідно з рівнянням Максвелла, залежить ефективність випромінювання електромагнітної енергії. Враховуючи цей недолік, а також прагнення розширити спектр сигналу для збільшення швидкості передачі, останнім часом фахівці основну увагу приділяли вивченню надширокосмугових сигналів UWB (Ultra Wide Band) [2]. Під надширокосмуговим сигналом розуміють сигнал, в якого зайнята ним смуга більша на 25 % від середньої частоти. Надширокосмугові сигнали, зазвичай, є короткими одно- або двополярними імпульсами, що генеруються відповідно до коду передаючих символів. Імпульси подаються безпосередньо в передавальну антену без будь-якої модуляції. На приймальній стороні здійснюють кореляцію послідовності імпульсів, яка надходить, із зразками кодових послідовностей. У разі їх повного або мажоритарного збігу приймається рішення про переданий символ. Надширокосмугові імпульсні сигнали мають ряд унікальних переваг над синусоїдальними при використанні їх у системах зв’язку, а також у радіолокації. До цих переваг належать: • велика пропускна спроможність каналів зв’язку і велика ємкість мереж на їх основі; 95
Сучасні телекомунікаційні системи
• істотно менша потужність, споживана терміналами; • дуже хороші проникаючі властивості сигналів завдяки їх великій смузі частот, що важливо при розгортанні систем зв’язку в межах будівель, міської забудови, у лісах; • висока ефективність селекції променів в умовах багатопроменевого поширення; • сумісність з вузькосмуговими сигналами (у зв’язку з малим ступенем впливу останніх на прийом надширокосмугових сигналів і малою спектральною щільністю широкосмугових сигналів, що істотно не впливає на прийом вузькосмугових сигналів); • важке виявлення й детектеруванння сигналів, що зменшує вірогідність несанкціонованого доступу до інформації, яка передається; • можливість локалізації терміналів з високою точністю (сантиметри при дальності в кілометри); • малі розміри приймачів (наприклад, розміром з монету), їх малопотужність, низька вартість у зв’язку з тим, що вони є цифровими пристроями; • антени можуть бути невеликими у вигляді струмових нерезонансних рамок, що розміщуються безпосередньо на цифрових мікроелектронних пристроях. Стандарт IEEE 802.15.3a (UWB). Специфікацію IEEE 802.15.3 ще не встигли затвердити (а відбулося це 12 червня 2003 р.), як увесь телекомунікаційний світ став чекати появи нового стандарту — IEEE 802.15.3a. Мова йде про розробку принципів побудови пікомережі зі швидкістю обміну 110—480 Мбіт/с і вище (до 1320 Мбіт/с). Досягти таких високих швидкостей можна, тільки збільшуючи спектральну ширину каналу, переходячи в область UWB. У США це стало можливим після 14 лютого 2002 р., коли Федеральна комісія зв’язку (FCC) США дозволила застосовувати надширокосмугові пристрої всередині приміщень у діапазоні 3100— 10600 МГц при максимальній щільності потужності випромінювання 7,41⋅10 −14 Вт/Гц (− 41,3 дБм/МГц). Для вироблення єдиного підходу до збільшення швидкостей обміну в мережах IEEE 802.15.3 в 2002 р. утворилася дослідницька група Tg3а. У неї ввійшли представники практично всіх найбільших напівпровідникових і телекомунікаційних фірм. Незабаром з’явилися дві конкуруючі пропозиції за технологією UWB-передачі — на основі ортогональних кодів (так званий мультисмуговий мно96
Розділ 4
жинний доступ за допомогою ортогональних несучих, MB-OFDM) і шляхом розширення спектра сигналу методом прямої послідовності (DS-UWB). Першу пропозицію підтримувала більшість фірм на чолі з гігантами Texas Instruments і Intel (у березні 2003 р. було створено навіть спеціальне об’єднання MBOA — Multiband OFDM Alliance), прихильників другої очолили компанії Motorola і XtremeSpectrum. За прийнятими в комітеті IEEE 802 правилами, для того щоб затвердити стандарт, за запропонований варіант повинні проголосувати не менш 75 % членів робочої групи. Однак незважаючи на чисельну перевагу прихильників MB-OFDM, а в MBOA входить 170 компаній, серед яких — дев’ять з десяти найбільших напівпровідникових компаній (крім TSMC), на голосуваннях їм не вдалося набрати заповітні 75 % голосів від загального числа компаній, що працюють над стандартом IEEE 802.15.3а. Одна з причин, можливо, криється в самій технології MB-OFDM. Суть її в тому, що весь дозволений діапазон ділиться на смуги шириною 528 МГц. У стандартному режимі передбачено три смуги, у розширеному — сім (рис. 10.3). Кожна смуга, у свою чергу, розбивається на 128 частотних піднесучих із кроком 4,125 МГц. З них використовується 122 піднесучих: 100 для модуляції даних, 12 — пілотні, а ще 10 — захисні. Кожна піднесуча модулюється за допомогою QPSK. Один символ OFDM містить 100 чи 200 кодованих біт (100 — у випадку, коли однаково модулюються дві піднесучі, симетричні щодо центральної). Період проходження символів дорівнює 312,5 нс. Дотепер все відповідає звичайній OFDM. Мультисмуговість означає, що наступний символ може передаватися в іншій частотній смузі за жорстко визначеною схемою для кожного логічного каналу (передбачається чотири таких канали). Основні смуги частот 1
2
3432
3960
3
4488
Додаткові смуги частот 6
6336
7
6864
8
9
7392 7920 Частота, МГц
Рис. 10.3. Пропонований розподіл каналів у стандарті IEEE 802.3a в США
97
Сучасні телекомунікаційні системи
Послідовність переходу з однієї смуги на іншу називають частотно-часовим кодом. Поки що використовують чотири таких коди (табл. 10.3). Крім переходу з частоти на частоту передбачено режим, коли один символ може передаватися кілька разів (два або чотири). Наприклад, код 1 → 2 → 3 → 1 → 2 → 3 означає, що перший OFDM-символ передається в смугах 1 і 2, другий — у смугах 3 і 1, третій — у смугах 2 і 3. Таблиця 10.3. Частотно-часові коди
Номер логічного каналу
Режим трьох смуг
1 2 3 4
1 1 1 1
→ → → →
2 3 1 1
→ → → →
3 2 2 3
→ → → →
1 1 2 3
→ → → →
Режим семи смуг 2 3 3 2
→ → → →
3 2 3 2
1 1 1 1
→ → → →
2 7 4 3
→ → → →
3 6 7 5
→ → → →
4 5 3 7
→ → → →
5 4 6 2
→ → → →
6 3 2 4
→ → → →
7 2 5 6
Структура кадрів фізичного рівня відрізняється від описаної в стандарті IEEE 802.15.3 — у них не передбачені канальні інтервали для кожного з пристроїв, тобто одномоментно інформацією можуть обмінюватися лише два пристрої. Кадр складається з преамбули (набору синхронізуючих послідовностей), заголовка (керуюча інформація) і поля даних. Преамбула і заголовок завжди транслюються з найменшою з можливих швидкостей — 55 Мбіт/с. Наявність чотирьох логічних каналів зумовлює те, що в безпосередній близькості можуть працювати принаймні чотири пікомережі. Для цього кожному логічному каналу відповідає унікальний вид синхропослідовності в преамбулі. Таким чином, пропонується комбінація OFDM і відомого механізму частотних стрибків (FH). У результаті, залежно від швидкості кодування і числа повторів символів і формується спектр швидкостей від 55 до 480 Мбіт/с. Змінюючи вид модуляції, можна досягти й більших швидкостей — так, застосування QAM16 при тій же схемі кодування дасть уже 480 × 2 = 960 кбіт/с. Інший шлях — використання для передачі одночасно трьох діапазонів. Тоді при модуляції QPSK і швидкості згорткового кодування 3/4 досягається швидкість обміну 480 × 3 = 1440 Мбіт/с. Проблема в тому, що метод частотних стрибків — не найефективніший з погляду на використання спектрального діапазону. Опо98
Розділ 4
ненти MB-OFDM вказують, що прихильники даної технології у своїх вимірах середньої потужності випромінювання передавача усередняють її в часовому інтервалу порядку 1 мс. Цей час відповідає тривалості трьох символів. Реально ж, при використанні механізму повторів (і при вимірах) символ в одному субканалі за цей час передається тільки один раз. У результаті щільність потужності випромінювання при роботі передавача може перевищувати допустимі — 41,3 дБм/МГц. А це вже серйозна проблема, оскільки мова йде про сигнал зі смугою понад 500 МГц. Прихильники технології DS-UWB пропонують для розширення спектра класичний метод прямої послідовності. При цьому кожен біт заміняється спеціальною кодовою послідовністю довжиною до 24 біт. Передбачено два види модуляції — двійкова фазова BPSK (один біт на символ) і так звана 4ВОК-модуляція (модуляція на основі чотирьох ортогональних двійкових кодів). 4ВОК — фактично варіант квадратурної модуляції (один 4ВОК-символ містить 2 біти). Весь діапазон мовлення розбито на дві зони — 3,1—4,85 ГГц (нижній діапазон) і 6,9—9,7 ГГц (верхній діапазон). У кожному діапазоні передбачено по шість каналів пікомережі (з кроком 39 МГц у нижньому діапазоні, починаючи з 3900 МГц, і з кроком 78 МГц — у верхньому, починаючи з 7800 МГц). Обов’язковими для підтримки кожним пристроєм вважаються тільки чотири смуги нижнього діапазону з центральними частотами — 3939, 3978, 4017 і 4056 МГц, інші смуги — додаткові. Частота проходження модуляційних символів у кожному каналі дорівнює 1/3 його центральної частоти. Залежно від швидкості попереднього кодування, виду модуляції і довжини кодової послідовності швидкість передачі даних може становити 28, 55, 110, 220, 500, 660, 1000 і 1320 Мбіт/с. За допомогою UWB-технології можна створювати спеціальні мережі, в яких декілька понадширокосмугових пристроїв зможуть підтримувати зв’язок між будь-якими вузлами. Короткі сигнали UWB порівняно стійкі до багатопроменевого загасання, що виникає при відбитті хвилі від стін, стелі, будинків, транспортних засобів. Високошвидкісні UWB-пристрої добре підходять для роботи з відеопотоками і застосуваннями, що вимагають високої пропускної спроможності. Стандарт IEEE 802.15.4 (ZigBee). Безпроводові мережі на базі стандарту IEEE 802.15.4 являють собою альтернативу проводовим з’єднанням у розподілених системах моніторингу і керування і від99
Сучасні телекомунікаційні системи
різняються більш гнучкою архітектурою, потребують менших витрат при їх установці та експлуатації. Його розроблювачами виступив альянс компаній (Invensys, Honeywell, Mitsubishi Electric, Motorola, Philips та ін.), що назвав себе ZigBee (від Zigzag — зиґзаґ і Вее — бджола). Малося на увазі, що топологія мережі буде нагадувати зиґзаґоподібну траєкторію польоту бджоли від квітки до квітки. Під такою назвою технологія ZigBee і одержує все більшого поширення. Стандарт IEEE 802.15.4 (ZigBee) передбачає роботу в трьох діапазонах: один канал — 868,0—868,6 МГц (для Європи); 10 каналів — у діапазоні 902—928 МГц (крок центральних частот — 2 МГц, найнижча з них — 906 МГц); 16 каналів — у діапазоні 2450 МГц (крок центральних частот — 5 МГц, найнижча з них — 2405 МГц). Відповідно, швидкість у каналах становить 20 кбіт/с (у діапазоні 868 МГц), 40 кбіт/с (915 МГц) і 250 кбіт/с (2450 МГц) (табл. 10.4) [3]. Таблиця 10.4. Частотні діапазони та швидкості передачі в мережах IEEE 802.15.4
Частотний діапазон, МГц
Чипова швидкість, кчип/с
Модуляція
Бітова швидкість, кбіт/с
Швидкість символів, К символів/с
868—868,6
300
BPSK
20
20
902—928
600
BPSK
40
40
2400—2483,5
2000
O-QPSK
250
62,5
У радіоканалі використано метод широкосмугової передачі з розширенням спектра прямою послідовністю (DSSS). Модуляція і розширювальні послідовності для діапазонів 868/915 і 2450 МГц різні. У діапазоні 2450 МГц потік немодульованих даних розбивається на групи по чотири біта. Кожна група заміняється однією з 16 квазіортогональних послідовностей довжиною 32 біта (чипа). Послідовності наведено в стандарті. Модуляція даних — квадратурна фазова QPSK. Парні чипи квазіортогональної послідовності (починаючи з нульового) модулюють синфазний (I ) канал, непарні — квадратурний (Q) канал. У результаті послідовність у квадратурному каналі зміщена щодо синфазного на період одного чипа, тому модуляція називається Offset-QPSK (QPSK зі зсувом). Тривалість імпульсу після квадратурного модулятора вдвічі більше, ніж трива100
Розділ 4
лість одного чипа (форма імпульсу — половина періоду синусоїди з частотою, удвічі меншою частоти чипів). Мережа стандарту IEEE 802.15.4 містить два типи пристроїв: так звані повнофункціональні пристрої (FFD) і пристрої зі зменшеною функціональністю (RFD). Їх основне розходження в тому, що FFD можуть установлювати з’єднання з будь-якими пристроями, а RFD — тільки з FFD. У кожної пікомережі (PAN) має бути пристрій-координатор PAN. Його функції може виконувати лише FFD. Мережа, що складається з одного FFD і кількох RFD, утворить топологію типу “зірка”. Якщо в мережі кілька FFD, топологія може бути більш складною — типу “кожний з кожним” (рис. 10.4) чи являти собою об’єднання кількох зіркоподібних кластерів (рис. 10.5). Але в кожному разі одне з FFD виконує функцію координатора мережі. Кожному пристрою мережі присвоюється 64-розрядна адреса. Відзначимо, що стандарт передбачає взаємодію пристроїв не тільки в рамках однієї PAN, але й між різними сусідніми PAN (для чого й потрібна розвинена система адресації). Для спрощення обміну всередині мережі координатор PAN може присвоїти пристроям більш короткі 16-розрядні адреси. У цьому випадку для міжмережевої взаємодії використовуються 16-розрядні ідентифікатори мереж, також присвоювані координатором. 2
3
4 1
а
б
Рис. 10.4. Топологія мережі IEEE 802.15.4 типу “зірка” (а) і “кожній з кожним” (б): 1, 4 — координатор мережі; 2 — пристрої із зменшеною функціональністю; 3 — повнофункціональні пристрої
Інформаційний обмін у пікомережі відбувається за допомогою послідовності суперфреймів. У загальному випадку суперфрейм вміщує керуючий інтервал (beacon), за ним іде інтервал конкурентного доступу (САР), відповідно до механізму CSMA/CA, і період присвоєного доступу. Останній містить набір часових інтервалів, присвоєних певним пристроям, чутливим до затримок, для передачі даних (гарантовані тайм-слоти, GTS), наприклад, для зв’язку 101
Сучасні телекомунікаційні системи
CID=4
CLH5 CID=5 CID=0 20 12 11 4 8
2
1
0 3 10
14 5
6
7 9 22
CID=1 5 CLH1 0
1
6 8
2 3
CID=2 1 CLH2 0 2
4 CLH3
CLH4
5
3 CID=3 CLH6
CID=6
Рис. 10.5. Об’єднання кількох кластерів у мережі IEEE 802.15.4 (коло — пристрій мережі; зафарбоване коло — керуючий пристрій (вершина) кластера (CLH); трикутник — координатор мережі)
безпроводового маніпулятора “миша” з комп’ютером. Керуючий інтервал передає тільки координатор PAN. Відзначимо, що в суперфреймі може не бути ні керуючого інтервалу, ні GTS. Загалом, структура суперфреймів аналогічна прийнятій у стандарті IEEE 802.15.3 (див. рис. 10.2). Кожен пристрій передає інформацію за допомогою фреймів (пакетів). Вони можуть бути чотирьох типів — керуючі (beacon frame), фрейми даних, фрейми підтвердження прийому даних і фрейми команд МАС-рівня. Фрейми фізичного рівня (рис. 10.6) містять заголовок із синхропослідовністю та інформацією про розмір фрейму (до 127 байт) і власне поле даних — пакет МАС-рівня. Останній містить заголовок з усією необхідною інформацією про фрейм (тип, наявність криптозахисту, необхідність підтвердження прийому тощо), адреси та ідентифікатори пристрою — відправника і одержувача, власне поле даних і перевірну контрольну суму (рис. 10.7). Сама процедура обміну інформацією може використовувати пакети підтвердження прийому даних (якщо втрата пакета критична).
102
Розділ 4
Заголовок синхронізації Маркер початку Преамбула фрейму 4 байт 1 байт
Заголовок фізичного рівня Довжина Зарезервовано фрейму 7 біт 1 біт
Поле даних Довільно
Рис. 10.6. Структура пакетів фізичного рівня стандарту IEEE 802.15.4
Поле даних
Перевірна послідовність
0/2 байта
Адреса джерела
Ідентифікатор пристрою призначення
1 байт
Адресні поля 0/2/8 0/2 байта байта
Шдентифікатор мережі джерела
Ідентифікатор мережі призначення
2 байта
Номер послідовності
Контроль кадру
Заголовок МАС-рівня
0/2/8 байта
Довільно
2 байта
Рис. 10.7. Структура кадрів МАС-рівня стандарту IEEE 802.15.4
10. Ëîêàëüí áåçïðîâîäîâ ìåðåæ На даний час рівень локальних безпроводових мереж (їх також називають безпроводовими місцевими комп’ютерними мережами) з радіусом дії до кількох сотень метрів практично повністю визначають специфікації стандарту IEEE 802.11. Початковий стандарт IEEE 802.11 було розроблено Інститутом інженерів електротехніки і електроніки в червні 1997 р. Розроблявся він протягом семи років, результатом чого став факт, що до моменту прийняття він уже застарів. Головним показником морального старіння була швидкість передачі в 2 Мбіт/с, яка була закладена ще в 1990 р., але в 1997 р. уже не могла вважатися задовільною. Для вирішення цієї й іншої проблем розроблялися і приймалися нові версії стандарту, у найменуванні яких є латинська буква, що відповідає робочій групі, що вирішує конкретну проблему. Набір стандартів IEEE 802.11 визначає цілий ряд технологій реалізації фізичного рівня PHY (Physical Layer Protocol), які можуть бути використані підрівнем керування доступом до середовища MAC (Medium Acces Control). 103
Сучасні телекомунікаційні системи
Основне призначення фізичних рівнів стандарту IEEE 802.11 — забезпечити механізми безпроводової передачі для підрівня MAC, а також підтримувати виконання вторинних функцій, таких, як оцінка стану безпроводового середовища і повідомлення про нього підрівню MAC. Рівні МАС і PHY розроблялися так, щоб вони були незалежними. Саме незалежність між MAC і підрівнем PHY і дозволила використовувати додаткові високошвидкісні фізичні рівні, описані в стандартах IEEE 802.11b, IEEE 802.11а й IEEE 802.11g. Кожен із фізичних рівнів стандарту IEEE 802.11 має два підрівня: • Physical Layer Convergence Procedure (PLCP) — процедура визначення стану фізичного рівня; • Physical Medium Dependent (PMD) — підрівень фізичного рівня, що залежить від середовища передачі. На рис. 11.1 показано, як підрівні PLCP і PMD співвідносяться між собою і з іншими рівнями в моделі взаємодії відкритих систем OSI (Open System Interconnection). Підрівень PLCP, власне кажучи, є рівнем забезпечення взаємодії, на якому здійснюється переміщення елементів даних протоколу MAC MPDU (MAC Protocol Data Units) між МАС-станціями з використанням підрівня PMD, на якому реалізується той чи інший метод передачі і прийому даних через безпроводове середовище. Підрівні PLCP й PMD відрізняються для різних варіантів стандарту IEEE 802.11. Почнемо розгляд локальних безпроводових мереж з опису самого IEEE 802.11, оскільки всі наступні специфікації були його продовженням Рівень застосувань і не змінювали суті, а крім того, здеРівень представлень більшого мали бути Сеансовий рівень програмно і апаратПідрівень LLC Транспортний рівень но сумісні [4, 5]. Підрівень MAC Мережний рівень IEEE 802.11 визначає два типи усКанальний рівень таткування — клієнт, Фізичний рівень що звичайно являє Підрівень PLCD собою комп’ютер Підрівень PMD (станція), укомплектований безпроводовою мережною інРис. 11.1. Підрівні рівня PHY 104
Розділ 4
терфейсною картою NIC (Network Interface Card), і точка доступу AP (Access point), що виконує роль мосту між безпроводовою і проводовою мережами. Точка доступу звичайно містить у собі приймально-передавальний модуль, інтерфейс проводової мережі (IEEE 802.3), а також програмне забезпечення, що займається обробкою даних. Як безпроводоваї станція може виступати ISA, PCI чи PC Card, мережна карта в стандарті IEEE 802.11 або вбудовані рішення, наприклад телефонна гарнітура IEEE 802.11. Стандарт IEEE 802.11 визначає три структурні режими роботи мережі: • незалежного базового набору обслуговування IBSS (Independent Basic Service Set); • базовий набір обслуговування BSS (Basic Service Set); • розширений набір обслуговування ESS (Extended Service Set). IBSS являє собою групу станцій, що працюють згідно зі стандартом IEEE 802.11 і зв’язані безпосередньо одна з одною. IBSS також називають спеціальною чи епізодичною (Ad-hoc) мережею (рис. 11.2). Епізодична мережа, або незалежна базова зона обслуговування (IBSS), виникає, коли окремі пристрої-клієнти формують мережу, що самопідтримується, без використання окремої точки доступу. При створенні таких мереж не розробляють які-небудь карти місця їх розгортання і попередніх планів, тому вони, звичайно, невеликі і мають обмежену довжину, достатню для передачі спільно використовуваних даних при виникненні такої необхідності. На відміну від варіанта використання розширеної зони обслуговування (ESS) клієнти безпосередньо встановлюють зв’язок один з одним, у результаті чого створюється тільки одна базова зона обслуговування (BSS), що не має інтерфейсу для підключення до проводової локальної мережі (тобто відсутня будь-яка розподільна система, що необхідна для об’єднання BSS і організації в такий спосіб ESS). He існує ніяких обговорених стандартом обмежень на кількість пристроїв, які можуть вхоРис. 11.2. Інфраструктура IBSS дити в одну незалежну 105
Сучасні телекомунікаційні системи
базову зону обслуговування. Але, оскільки кожен пристрій є клієнтом, найчастіше певне число членів IBSS не може зв’язуватися один з одним внаслідок проблеми прихованого вузла (hidden node issue). Незважаючи на це, в IBSS не існує ніякого механізму для реалізації функції ретрансляції. Оскільки в IBSS відсутня точка доступу, то розподіл часу (timing) здійснюється нецентралізовано. Клієнт, що починає передачу в IBSS, задає сигнальний (його ще називають сигнальним маяком) інтервал (beacon interval) для створення набору моментів часу передачі сигналу маяка TBTT (set of target beacon transmission time). Коли завершується ТВТТ, кожен клієнт IBSS виконує такі дії: • спиняє всі таймери затримки (backoff timer), що не спрацювали, з попереднього ТВТТ; • визначає нову випадкову затримку; • при надходженні сигналу маяка до закінчення випадкової затримки відновляє роботу припинених таймерів затримки. Якщо ніякий сигнал маяка не надходить до закінчення випадкової затримки, посилає сигнал маяку і відновляє роботу припинених таймерів затримки. Розподіл часу для передачі сигналів маяка здійснюється в епізодичних мережах не точкою доступу і не якимсь одним із клієнтів. Оскільки такій схемі зв’язку властива проблема прихованого вузла, цілком можливо, що протягом сигнального інтервалу буде передана безліч сигналів маяка від різних клієнтів і інші клієнти отримають безліч сигналів маяка. Однак стандарт припускає таку ситуацію і ніяких проблем не виникає, оскільки клієнти очікують прийому тільки першого сигналу маяка, що належить до їх власного таймера випадкової затримки. У сигнали маяка вбудована функція синхронізації таймера TSF (timer synchronization function). Кожен клієнт порівнює TSF у сигналі маяка із своїм власним таймером і, якщо отримане значення більше, вважає, що годинники передавальної станції йдуть швидше і підстроює свій власний таймер відповідно до отриманого значення. Це має довгостроковий ефект синхронізації роботи всієї епізодичної мережі по клієнту з найшвидшим таймером. У більш розподілених епізодичних мережах, коли багато клієнтів не можуть зв’язуватися прямо, може знадобитися якийсь час для досягнення синхронізації всіх клієнтів. Базові зони обслуговування BSS являють собою групу працюючих за стандартом IEEE 802.11 станцій, що зв’язуються одна 106
Розділ 4
з одною. Технологія BSS припускає наявність точки доступу, яка є центральним пунктом зв’язку 4 для всіх станцій BSS. Клі3 єнтські станції не зв’язуються безпосередньо одна з одною. Замість цього вони зв’язуються з точкою доступу, а вже вона спрямо2 вує фрейми станції-адресата. Точка доступу може Рис. 11.3. Структура ESS: 1 — проводова меремати порт висхідного кажа; 2 — BSS; 3 — станція; 4 — точка доступу налу (uplink port), через який BSS підключається до проводової мережі (наприклад, канал Ethernet). Тому BSS іноді називають інфраструктурною BSS. Кілька інфраструктур BSS можуть бути з’єднані через їх інтерфейси висхідного каналу. Там, де діє стандарт IEEE 802.11, інтерфейс висхідного каналу з’єднує BBS з розподільною системою DS (distribution system). Декілька BBS, з’єднаних між собою через розподільну систему, утворюють розширену зону обслуговування ESS. Висхідний канал до розподільної системи не обов’язково повинен використовувати проводове з’єднання. На рис. 11.3 наведено приклад практичного втілення ESS. Специфікація стандарту IEEE 802.11 залишає можливість реалізації цього каналу у вигляді безпроводового. Але частіше висхідні канали до розподільної системи являють собою канали проводового Ethernet. Фізичний рівень IEEE 802.11. На фізичному рівні визначено два широкосмугових радіочастотних методи передачі і один — в інфрачервоному діапазоні. Радіочастотні методи працюють в ISM-діапазоні 2,4 ГГц і використовують смугу 83 МГц від 2,400 до 2,483 ГГц. Технології широкосмугового сигналу, які використовуваються в радіочастотних методах, збільшують надійність, пропускну спроможність, дають можливість багатьом не зв’язаним один з одним пристроям розділяти одну смугу частот з мінімальними завадами один для одного. Стандарт IEEE 802.11 використовує метод прямої послідовності DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) і метод частотних стрибків FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum,). Ці методи кардинально відрізняються між собою і несумісні один з одним. 1
107
Сучасні телекомунікаційні системи
Для модуляції сигналу FHSS застосоовує технологію Frequency Shift Keying (FSK). При роботі на швидкості 1 Мбіт/с використовується FSK-модуляція за Гауссом другого рівня, а при роботі на швидкості 2 Мбіт/с — за Гауссом четвертого рівня. Метод DSSS застосовує фазову маніпуляцію PSK (Phase Shift Keying). При цьому на швидкості 1 Мбіт/с використовується диференціальна двійкова PSK, а на швидкості 2 Мбіт/с — диференціальна квадратична PSK-модуляція. Заголовки фізичного рівня завжди передаються на швидкості 1 Мбіт/с, у той час як дані можуть передаватися із швидкостями 1 і 2 Мбіт/с. Реалізація методу передачі в інфрачервоному діапазоні (IR) у стандарті IEEE 802.11 заснована на випромінюванні інфрачервоним (ІК) передавачем ненаправленого (diffuse IR) сигналу. Замість спрямованої передачі, що вимагає відповідної орієнтації випромінювача і приймача, переданий ІК-сигнал випромінюється в стелю. Потім відбувається відбиття сигналу і його прийом. Такий метод має очевидні переваги порівняно з використанням спрямованих випромінювачів, однак є й істотні недоліки — потрібна стеля, що може відбивати ІК-випромінювання в заданому діапазоні довжин хвиль (850—950 нм); радіус дії всієї системи обмежений десяти метрами. Крім того, ІК промені дуже чутливі до погодних умов, тому метод рекомендується застосовувати тільки всередині приміщень. Підтримуються дві швидкості передачі даних — 1 і 2 Мбіт/с. На швидкості 1 Мбіт/с потік даних розбивається на квартети, кожний з яких потім під час модуляції кодується в один із шістнадцяти імпульсів. На швидкості 2 Мбіт/с метод модуляції мало відрізняється від попереднього — потік даних ділиться на бітові пари, кожна з яких модулюється в один із чотирьох імпульсів. Пікова потужність переданого сигналу становить 2 Вт. При використанні методу частотних стрибків FHSS смуга 2,4 ГГц ділиться на 79 підканалів по 1 МГц. Відправник і одержувач узгоджують схему переключення каналів (на вибір є 22 такі схеми) і дані посилають послідовно по різних каналах з використанням цієї схеми. Кожна передача даних у мережі IEEE 802.11 відбувається по різних схемах переключення, а самі схеми розроблені таким чином, щоб звести до мінімуму ту обставину, що два відправники будуть використовувати той самий канал одночасно. Метод FHSS дає можливість користуватися дуже простою схемою приймально-передавального модуля, однак він обмежений 108
Розділ 4
максимальною швидкістю 2 Мбіт/с. Таке обмеження викликане тим, що для одного каналу виділяється лише 1 МГц, що змушує FHSS-системи використовувати весь діапазон 2,4 ГГц. Це означає, що має відбуватися часте переключення каналів (наприклад, у США встановлена мінімальна швидкість 2,5 переключення в секунду), що, у свою чергу, призводить до збільшення накладних витрат. Метод DSSS ділить діапазон 2,4 ГГц на 14 каналів, що частково перекриваються (у США доступно тільки 11 каналів). Для того щоб кілька каналів могли використовуватися одночасно в одному і тому самому місці, необхідно, щоб вони знаходилися один від одного на відстані 25 МГц (не перекривалися), для усування взаємних завад. Таким чином, в одному місці може одночасно використовуватися максимум три канали. Дані пересилаються з використанням одного з цих каналів без переключення на інші канали. Щоб компенсувати сторонні шуми, береться 11-бітна послідовність Баркера, коли кожен біт даних користувача перетвориться в 11 біт переданих даних. Така висока надлишковість для кожного біта дає можливість істотно підвищити надійність передачі, при цьому значно знизивши потужність переданого сигналу. Навіть якщо частина сигналу буде втрачена, він у більшості випадків буде відновлений. Тим самим мінімізується кількість повторних передач даних. Канальний (Data Link) рівень IEEE 802.11. Канальний рівень 802.11 складається з двох підрівнів: керування логічним з’єднанням LLC (Logical Link Control) і керування доступом до середовища MAC. IEEE 802.11 використовує той самий LLC і 48-бітову адресацію, що й інші мережі IEEE 802, що дає змогу легко поєднувати безпроводові і проводові мережі, однак MAC-рівень має кардинальні відмінності. MAC-рівень IEEE 802.11 дуже схожий на реалізований в IEEE 802.3, де він підтримує безліч користувачів на спільному носії, коли користувач перевіряє носій перед доступом до нього. Для Ethernet-мереж IEEE 802.3 використовується протокол Carrier Sence Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD), що визначає, як станції Ethernet одержують доступ до проводової лінії і як вони виявляють і обробляють колізії, що виникають у тому випадку, коли кілька пристроїв намагаються одночасно встановити зв’язок по мережі. Щоб виявити колізію, станція повинна мати здатність і приймати, і передавати одночасно. Стандарт IEEE 802.11 передбачає використання напівдуплексних приймально-пе109
Сучасні телекомунікаційні системи
редавальних модулів, тому в безпроводових мережах IEEE 802.11 станція не може виявити колізію під час передачі. Щоб врахувати цю відмінність, IEEE 802.11 використовує модифікований протокол, відомий як Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA) або Distributed Coordination Function (DCF). CSMA/CA намагається уникнути колізії шляхом використання явного підтвердження пакета (ACK), що означає, що приймальна станція посилає ACK-пакет для підтвердження того, що пакет отриманий неушкодженим. CSMA/CA працює в такий спосіб. Станція, яка повинна передавати дані, тестує канал і, якщо не виявлено активності, чекає протягом деякого проміжку часу, а потім передає, якщо середовище передачі даних усе ще вільне. Якщо пакет приходить цілим, то приймальна станція посилає пакет ACK, з прийомом якого відправником завершується процес передачі. Якщо передавальна станція не одержала пакет ACK у зв’язку з тим, що не був отриманий пакет даних або надійшов ушкоджений ACK, робиться припущення, що відбулася колізія, і пакет даних передається знову через деякий проміжок часу. Для визначення того, чи є канал вільним, використовується алгоритм оцінки чистоти каналу CCA (Channel Clearance Algorithm). Його суть полягає у тому, що вимірюється енергія сигналу на антені і визначається потужність прийнятого сигналу (RSSI). Якщо потужність прийнятого сигналу нижче певного граничного значення, то канал оголошується вільним, і MAC-рівень одержує статус CTS. Якщо потужність вище граничного значення, то передача даних затримується згідно з правилами протоколу. Стандарт надає ще одну можливість визначення незайнятості каналу, що може використовуватися окремо або разом з вимірюванням RSSI — метод перевірки несучої. Цей метод є більш вибірковим, тому що з його допомогою проводиться перевірка на той же тип несучої, що й за специфікацією IEEE 802.11. Найкращий метод для використання залежить від того, який рівень завад у робочій області. Таким чином, CSMA/CA надає спосіб розподілу доступу до радіоканалу. Механізм явного підтвердження ефективно вирішує проблеми завад. Однак він додає деякі додаткові накладні витрати, яких немає в IEEE 802.3, тому мережі IEEE 802.11 будуть завжди працювати повільніше, ніж еквівалентні їм локальні мережі Ethernet. Інша специфічна проблема MAC-рівня — це проблема “прихованої точки”, коли дві станції можуть разом “чути” точку дос110
Розділ 4
тупу, але не можуть “чути” один одного 2 у зв’язку з великою відстанню чи наявними завадами 1 4 (рис. 11.4). Для вирішення цієї проблеми в IEEE 802.11 3 на MAC-рівні додано необов’язковий Рис. 11.4. Ілюстрація проблеми “прихованої точки”: протокол Request to 1, 4 — станція; 2 — точка доступу; 3 — перешкода Send/Clear to Send (RTS/CTS). Коли використовується цей протокол, станція-джерело передає RTS і чекає відповіді точки доступу з CTS. Оскільки всі станції в мережі можуть “чути” точку доступу, сигнал CTS змушує їх відкласти свої передачі, що дає змогу передавальній станції передати дані й одержати ACK-пакет без можливості колізій. Через те що RTS/CTS додає додаткові накладні витрати на мережу, тимчасово резервуючи носій, він звичайно використовується тільки для пакетів дуже великого об’єму, для яких повторна передача була б занадто дорогою. Нарешті, MAC-рівень IEEE 802.11 надає можливість розрахунку CRC (Cyclic Redundancy Check) і фрагментації пакетів. Кожний пакет має свою контрольну суму CRC, що розраховується і прикріплюється до пакета. Тут спостерігається відмінність від мереж Ethernet, в яких обробкою помилок займаються протоколи вищого рівня (наприклад, TCP). Фрагментація пакетів дозволяє розбивати великі пакети на менші при передачі по радіоканалу, що доцільно в дуже “заселених” середовищах або в тих випадках, коли існують значні завади, тому що в менших пакетів менші шанси бути ушкодженими. Цей метод у більшості випадків зменшує необхідність повторної передачі і, таким чином, збільшує продуктивність всієї безпроводової мережі. MAC-рівень відповідає за складання отриманих фрагментів, роблячи цей процес “прозорим” для протоколів вищого рівня. MAC-рівень IEEE 802.11 відповідає за те, яким чином клієнт підключається до точки доступу. Коли клієнт IEEE 802.11 попадає в зону дії однієї чи кількох точок доступу, він на основі потужності сигналу і спостережуваного значення кількості помилок вибирає одну з них і підключається до неї. Як тільки клієнт одержує підтвердження того, що він прийнятий точкою доступу, він настрою111
Сучасні телекомунікаційні системи
ється на радіоканал, в якому вона працює. Час від часу він перевіряє всі канали IEEE 802.11, щоб визначити, чи не надає інша точка доступу служби більш високу якість. Якщо така точка доступу знаходиться, то станція підключається до неї, перенастроюючись на її частоту (рис. 11.5). Перепідключення звичайно відбувається в тому випадку, коли станція була переміщена далі від 1 точки доступу, що спри1 чинило до ослаблення 6 сигналу. В інших випадках повторне підключен11 11 ня відбувається завдяки зміні радіочастотних характеристик будівлі або 1 просто у зв’язку з великим мережним трафіком через початкову точку доступу. В останньому Рис. 11.5. Підключення до мережі та ілюстрація випадку ця функція проправильного призначення каналів для точок токолу відома як “баландоступу сування навантаження”, бо її головне призначення — розподіл загального навантаження на безпроводову мережу — найбільш ефективне по всій доступній інфраструктурі мережі. Процес динамічного підключення і перепідключення дає змогу мережним адміністраторам встановлювати безпроводові мережі з дуже широким покриттям, створювати “стільники”, що частково перекриваються. Ідеальним варіантом є такий, при якому сусідні точки доступу, що перекриваються, будуть використовувати різні DSSS-канали, щоб не створювати завад у роботі одна одній (див. рис. 11.5). Потокові дані, такі, як відео чи голос, підтримуються в специфікації IEEE 802.11 на MAC-рівні за допомогою PCF (Point Coordination Function). На противагу DCF (Distributed Coordination Function), де керування розподілено між всіма станціями, у режимі PCF тільки точка доступу управляє доступом до каналу. У тому випадку, коли встановлено BSS із включеною PCF, час рівномірно розподіляється проміжками для роботи в режимах PCF і CSMA/CA. 112
Розділ 4
Під час періодів, коли система перебуває в режимі PCF, точка доступу опитує всі станції на предмет одержання даних. На кожну станцію виділяється фіксований проміжок часу, після закінчення якого проводиться опитування наступної станції. Жодна із станцій не може передавати в цей час, за винятком тієї, яка опитується. Оскільки PCF дає можливість кожній станції передавати в певний час, то гарантується максимальна латентність. Недоліком такої схеми є те, що точка доступу повинна робити опитування всіх станцій, що стає надзвичайно неефективним у великих мережах. Додатково, стосовно керування доступом до носія, MAC-рівень IEEE 802.11 підтримує енергозберігаючі режими для продовження терміну служби батарей мобільних пристроїв. Стандарт підтримує два режими споживання енергії — так звані “режим тривалої роботи” і “режим, що зберігає”. У першому випадку радіо завжди перебуває у ввімкненому стані, у той час як у другому випадку воно періодично вмикається через певні проміжки часу для прийому сигналів маяка, які постійно посилає точка доступу. Ці сигнали містять у собі інформацію щодо того, яка станція має прийняти дані. Таким чином, клієнт може прийняти сигнал маяка і дані, а потім знову перейти в “сплячий” режим. IEEE 802.11b. Цей стандарт є найбільш популярним на сьогодні, і, власне, він має торговельну марку Wi-Fi. Як і в первісному стандарті IEEE 802.11, для передачі в даній версії використовується діапазон 2,4 ГГц (табл. 11.1). Він майже не зачіпає канального рівня і вносить зміни в IEEE 802.11 тільки на фізичному рівні. Таблиця 11.1. Частоти IEEE 802.11b
Канал
Частота, ГГц
Канал
Частота, ГГц
1 2 3 4 5 6 7
2,412 2,417 2,422 2,427 2,432 2,437 2,442
8 9 10 11 12 13 14
2,447 2,452 2,457 2,462 2,467 2,472 2,484
Основне доповнення, внесене IEEE 802.11b в основний стандарт, — це підтримка двох нових швидкостей передачі даних — 5,5 і 11 Мбіт/с. Для досягнення цих швидкостей було вибрано метод 113
Сучасні телекомунікаційні системи
DSSS, оскільки метод частотних стрибків через обмеження FCC не може підтримувати більш високі швидкості. Для передачі сигналу з використанням DSSS весь діапазон ділиться на п’ять під діапазонів, які перекривають один одного і по кожному з яких передається інформація. Значення кожного біта кодується послідовністю додаткових кодів (Complementary Code Keying). З цього випливає, що системи IEEE 802.11b сумісні з DSSS-системами IEEE 802.11, але не будуть працювати із системами FHSS IEEE 802.11. Для підтримки дуже зашумлених середовищ, а також роботи на великих відстанях мережі IEEE 802.11b використовують динамічний зсув швидкості, що дає можливість автоматично змінювати швидкість передачі даних залежно від властивостей радіоканалу. Наприклад, користувач може підключитися з максимальною швидкістю 11 Мбіт/с, але в тому випадку, коли підвищиться рівень завад або користувач віддалиться на велику відстань, мобільний пристрій почне передавати дані на меншій швидкості — 5,5, 2 чи 1 Мбіт/с. У тому випадку, коли можлива усталена робота на вищій швидкості, мобільний пристрій автоматично почне передавати дані з такою ж швидкістю. Зсув швидкості — механізм фізичного рівня, і він є прозорим для розташованих вище рівнів і користувача. IEEE 802.11b забезпечує контроль доступу на MAC-рівні, і механізми шифрування відомі, як Wired Equivalent Privacy (WEP), метою яких є забезпечення безпроводової мережі засобами безпеки, еквівалентними засобам безпеки проводових мереж. Коли включено WEP, то він захищає тільки пакет даних, але не захищає заголовки фізичного рівня, так що інші станції в мережі можуть переглядати дані, необхідні для керування мережею. Для контролю доступу в кожній точці доступу міститься так званий ESSID (або WLAN Service Area ID), без знання якого мобільна станція не зможе підключитися до точки доступу. Додатково точка доступу може зберігати список дозволених MAC-адрес — так званий список контролю доступу ACL (Access Control List), який дає доступ тільки тим клієнтам, чиї MAC-адреси знаходяться в списку [5]. Для шифрування даних стандарт надає можливості шифрування з використанням алгоритму RC4 з 40-бітним розподільним ключем. Після того як станція підключається до точки доступу, всі передані дані можуть бути зашифровані з використанням цього ключа. Коли використовується шифрування, точка доступу буде посилати зашифрований пакет будь-якої станції, яка намагається підключитися до неї. Клієнт повинен використовувати свій ключ 114
Розділ 4
для шифрування коректної відповіді, для того щоб аутентифікувати себе і одержати доступ у мережу. Вище другого рівня мережі IEEE 802.11b підтримують ті самі стандарти для контролю доступу і шифрування (наприклад, IPSec), що й інші мережі IEEE 802. IEEE 802.11a. У стандарті IEEE 802.11a смуга пропускання збільшувалася за рахунок використання більш високо частотного діапазону. Дана версія є начебто “бічною гілкою” основного стандарту IEEE 802.11. Для збільшення пропускної спроможності каналу тут використовується діапазон частот передачі 5,5 ГГц (рис. 11.6). Для передачі в IEEE 802.11a застосовується метод множини несучих, коли діапазон частот розбивається на підканали з різними несучими частотами OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), по яких потік передається паралельно каналам, розбитим на частини. Використання методу квадратурної фазової модуляції дає змогу досягти пропускної спроможності каналу 54 Мбіт/с [6]. 30 МГц
5150
20 МГц
30 МГц
5180 5200 5220 5240 5260 5280 5300 5320
5350
200 МГц 20 МГц
5725 5745 5765 5785 5805 5825 100 МГц
Рис. 11.6. Поділ діапазону IEEE 802.11a на 12 частотних піддіапазонів
Стандарт IEEE 802.11a визначає характеристики устаткування, застосовуваного в офісних чи міських умовах, коли поширення сигналу відбувається по багатопроменевих каналах через безліч відбиттів.
115
Сучасні телекомунікаційні системи
В IEEE 802.11а кожний кадр передається за допомогою 52 ортогональних піднесучих, кожна із шириною смуги порядку 300 кГц (20 МГц/64). Ширина одного каналу — 20 МГц. Несучі модулюють за допомогою BPSK, QPSK, а також 16- і 64-позиційної квадратурної амплітудної модуляції (QAM). У сукупності з різними швидкостями кодування r (для фазових маніпуляцій — 1/2 і 3/4, для 64-QAM — 2/3 і 3/4) утворюється набір швидкостей передачі 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 і 54 Мбіт/с. У табл. 11.2 показано, як необхідна швидкість передачі даних перетворюється у відповідні параметри вузлів передавача OFDM. Таблиця 11.2. Параметри передавача стандарту IEEE 802.11а
Швидкість передачі даних, Мбіт/с
Модуляція
Швидкість згорткового кодування
Кількість канальних бітів на піднесучу
Кількість канальних бітів на символ
Кількість бітів даних на символ OFDM
6 9 12 18 24 36 48 54
BPSK BPSK QPSK QPSK 16-QAM 16-QAM 64-QAM 64-QAM
1/2 3/4 1/2 3/4 1/2 3/4 2/3 3/4
1 1 2 2 4 4 6 6
48 48 96 96 192 192 288 288
24 36 48 72 96 144 192 216
З 52 несучих 48 призначені для передачі інформаційних символів, інші 4 — службові. Структура заголовків фізичного рівня відрізняється від прийнятого в специфікації IEEE 802.11b, але ненабагато (рис. 11.7). BPSK, r = 1/2
PLCP-преамбула 12 символів
Заголовок 1 OFDM-символ
Швидкість вказана в заголовку
Інформаційне поле
Рис. 11.7. Структура заголовка фізичного рівня стандарту IEEE 802.11а
116
Розділ 4
Кадр вмістить у собі преамбулу (12 символів синхропослідовності), заголовок фізичного рівня (PLCP-заголовок) і власне інформаційне поле, сформоване на МАС-рівні. У заголовку передається інформація про швидкості кодування, тип модуляції і довжину кадру. Преамбула і заголовок транслюються з мінімально можливою швидкістю (BPSK, швидкість кодування r = 1/2), а інформаційне поле — із зазначеною в заголовку, як правило, максимальною швидкістю залежно від умов обміну. OFDM-символи передаються через кожні 4 мкс, причому кожному символу тривалістю 3,2 мкс передує захисний інтервал 0,8 мкс (повторювана частина символу). Останній необхідний для боротьби з багатопроменевим поширенням сигналу — відбитий і прийнятий із затримкою символ потрапить у захисний інтервал і не зашкодить наступному символу. IEEE 802.11j. Специфікація регламентує роботу згідно з правилами стандарту IEEE 802.11а в діапазоні 4,9 ГГц, виділеному в Японії і США для громадського застосування з дотриманням правил безпеки, а також в діапазоні 5,03—5,091 ГГц у Японії. У схемі нумерації каналів (Channel Numbering Scheme) цим каналам присвоєно номери з 240 по 255, ширина кожного з яких становить 5 МГц. IEEE 802.11g. Метою розробки даного стандарту було підвищення пропускної спроможності каналу до 54 Мбст/с за умови сумісності з початковими версіями (використання діапазону 2,4 ГГц). Можна вважати, що стандарт g став симбіозом стандартів a і b. Для сумісності в даному методі обов’язковим є як кодування за допомогою Complementary Code Keying, так і мультиплексування частот за допомогою OFDM. Пряма і обернена сумісність передбачає можливість роботи пристроїв стандарту IEEE 802.11g у мережах IEEE 802.11b і навпаки. Діапазон підтримуваних IEEE 802.11g швидкостей наведений у табл. 11.3. IEEE 802.11c. Цей стандарт регламентує роботу безпроводових мостів. Дана специфікація використовується виробниками безпроводових пристроїв при розробці точок доступу. IEEE 802.11d. Даний стандарт визначає вимоги до фізичних параметрів каналів (потужність випромінювання і діапазони частот) і пристроїв безпроводових мереж з метою забезпечення їх відповідності законодавчим нормам різних країн.
117
Сучасні телекомунікаційні системи
IEEE 802.11e. Створення даного стандарту пов’язане з розв’язанням завдання забезпечення високої якості обслуговування для підтримки чутливих до затримок застосувань, таких, як передача голосу і відео. Тут призначаються три основних механізми, що відповідають за забезпечення QoS: • класифікація трафіку; • позначка трафіку відповідним значенням QoS; • диференціювання і пріоритезація трафіку, що ґрунтуються на значенні QoS. Таблиця 11.3. Можливі швидкості і тип модуляції в специфікації IEEE 802.11g
Швидкість, Мбіт/с 1 2 5,5 6 9 11 12 18 22 24 33 36 48 54
Тип модуляції Обов’язковий Послідовність Баркера Послідовність Баркера CCK OFDM CCK OFDM
OFDM
Припустимий
РВСС* OFDM OFDM, CCK-OFDM РВСС CCK-OFDM OFDM, CCK-OFDM РВСС CCK-OFDM РВСС OFDM, CCK-OFDM OFDM, CCK-OFDM OFDM, CCK-OFDM
* РВСС — пакетне бінарне згорткове кодування.
IEEE 802.11f. Даний стандарт, пов’язаний з аутентифікацією, визначає механізм взаємодії точок доступу між собою при переміщенні клієнта між сегментами мережі. Інша назва стандарту — Inter Access Point Protocol. IEEE 802.11h. Розробка даного стандарту пов’язана з проблемами при використанні IEEE 802.11а в Європі, де в діапазоні 5 ГГц працюють деякі системи супутникового зв’язку. Для запобігання взаємних завад стандарт 802.11h має механізм “квазіінтелектуального”
118
Розділ 4
керування потужністю випромінювання і вибором несучої частоти передачі. IEEE 802.11i. Метою створення даної специфікації є підвищення рівня безпеки безпроводових мереж. У ній реалізовано набір захисних функцій при обміні інформацією через безпроводові мережі, зокрема, технологія AES (Advanced Encryption Standard) – алгоритм шифрування, що підтримує ключі довжиною 128, 192 і 256 біт. Передбачається сумісність всіх використовуваних тепер пристроїв, зокрема, Intel Centrino, з IEEE 802.11i-мережами. IEEE 802.11k. Дана специфікація повинна забезпечити зворотний зв’язок між клієнтськими пристроями, точками доступу і комутаторами WLAN, що дає можливість реалізувати такі функції: • організація самостійного переходу клієнта між точками доступу, що забезпечує підвищення пропускної спроможності мережі за рахунок развантаження точок доступу з високою кількістю запитів; • оптимізацію вибору радіоканалу (клієнт буде передавати відомості про рівень шумів у каналі, про завантаження і тривалість використання даного каналу). IEEE 802.11n. Метою даного стандарту стала розробка нового фізичного рівня (PHY) і рівня доступу до середовища передачі (MAC), які б дали змогу досягти реальної швидкості передачі даних, як мінімум, 100 Мбіт/с, тобто збільшити її порівняно з існуючими сьогодні рішеннями приблизно в чотири рази (мається на увазі реальна пропускна спроможність). Все це, разом із зворотною сумісністю з існуючими стандартами, повинне буде не тільки зробити роботу в безпроводових мережах більш комфортною, але й забезпечити достатній запас швидкості на найближче майбутнє. Безпосередню участь у розробці і процесі розвитку стандарту бере компанія Intel, що очолила комітет, який розробляє основу для реалізації стандарту. У сферу діяльності компанії також входить розробка рівнів MAC і PHY та інші аспекти. Однією з основних технологій, за допомогою якої буде досягнута така висока швидкість передачі, є MIMO. IEEE 802.11r. Даний стандарт передбачає створення універсальної і сумісної системи роумінгу для можливості переходу користувача із зони дії однієї мережі в зону дії іншої. IEEE 802.11s. Стандарт описує Mesh-архітектуру побудови локальних комп’ютерних мереж. Основною для специфікації IEEE 802.11s є компромісна угода між двома підходами, запропоновани119
Сучасні телекомунікаційні системи
ми SEEMesh (Intel, Cisco) і Wi-Mesh Alliance (Philips, Nortel, Swisscom Innovations). Очікується, що специфікація IEEE 802.11s буде описувати як децентралізовану топологію, так і основні функції Mesh, які дадуть можливість безпроводовим вузлам знаходити один одного, аутентифікувати і встановлювати зв’язки між собою, виробляючи при цьому найбільш ефективний маршрут для передачі трафіку. Додатково вводиться поняття Mesh-порталів — пристроїв, які мають зв’язувати між собою мережі різного типу (Mesh, класичні мережі IEEE 802.11, нові мережі типу IEEE 802.11n, вузли систем широкосмугового радіодоступу та ін.). IEEE 802.11u. Стандарт розглядає взаємодію не з IEEE 802-мережами, а наприклад, із стільниковими мережами зв’язку. Підбиваючи підсумок викладеному вище матеріалу, можна помітити, що розробки специфікацій стандарту IEEE 802.11 значно наблизили безпроводові мережі по параметрах до звичайних, проводових мереж. Поряд із стандартами IEEE інтенсивно поширюється європейський проект мереж широкосмугового радіодоступу BRAN (Broadband Radio Access Networks), у рамках якого для локальних радіомереж рекомендовані стандарти так званих локальних комп’ютерних радіомереж із високими експлуатаційними характеристиками HIPERLAN (High Performance Radio Local Area Networks). Для забезпечення високої надійності і високих швидкостей передачі даних у мережах HIPERLAN необхідна прогнозована обстановка з погляду на спільне використання частот. Тому для HIPERLAN були визначені ліцензійні смуги частот у діапазоні 5,15—5,35 ГГц. Перший стандарт HIPERLAN 1 є практично повним аналогом стандарту IEEE 802.11. Орієнтація побудови телекомунікацій на єдиній основі з використанням пакетної та АТМ-технологій послужила поштовхом до розробки HIPERLAN2 у рамках європейського проекту IP-мереж широкосмугового радіодоступу BRAIN (Broadband Radio Access for IP based Networks). Між HIPERLAN типу 1 і 2 існують два головних розходження: перше — HIPERLAN 1 не підтримує QoS, а HIPERLAN 2 — підтримує, використовуючи для цього централізований планувальник; друге — фізичний рівень HIPERLAN 1 ґрунтується на GMSK, а HIPERLAN 2 — на OFDM, що й дає змогу останній підтримувати швидкості передачі до 54 Мбіт/с.
120
Розділ 4
Головна відмінність HIPERLAN 2 від IEEE 802.11а полягає в тому, що всі стандарти IEEE 802 використовують на своєму МАС-рівні множинний доступ із контролем несучої і запобіганням колізій CSMA/CA, що дуже схоже на специфікацію проводового Ethernet, лише замість визначення зіткнень передбачено їх запобігання, а HIPERLAN 2 використовує централізований розподільник — МАС-рівень, заснований на безпроводовій АТМ. Ñïèñîê ëòåðàòóðè 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Шахнович И.В. Современные технологии беспроводной связи. — М.: Техносфера, 2006. — 288 с. Ільченко М.Ю., Бунін С.Г., Войтер А.П. Стільникові радіомережі з комутацією пакетів. — К.: Наук. думка, 2003. м 260 с. Prasad R., Ruggieri M. Technology Trends in Wireless Communications. — Boston, London: Artech House, 2003. — 310 p. Микроволновые технологии в телекоммуникационных системах / Т.Н. Нарытник, М.Е. Ильченко, С.А. Кравчук и др. — К.: Техніка, 2000. — 304 с. Рошан П., Лиэри Дж. Основы построения беспроводных локальных сетей стандарта 802.11. / Пер. c англ. — М.: Изд. дом “Вильямс”, 2004. — 304 с. Мауфер Т. WLAN: Практическое руководство для администраторов и профессиональных пользователей / Пер. с англ. — М.: КУДИЦ-ОБРАЗ, 2005. — 368 с.
121
Ðîçäë 5
Ñèñòåìè øèðîêîñìóãîâîãî áåçïðîâîäîâîãî äîñòóïó
12. ñèñòåìè øèðîêîñìóãîâîãî ðàäîäîñòóïó На даний час розвиток техніки широкосмугового безпроводового доступу (ШБД) точніше за все можна охарактеризувати як вибухоподібний. Цьому сприяють значно зрослі потреби у високошвидкісних технологіях передачі мультимедійного трафіку, постійне прагнення користувачів до безпроводової незалежності і дуже помітні економічні вигоди від використання безпроводових технологій. У даній галузі відбувається бурхливий підйом досліджень, народжуються нестандартні технології і визначаються нові наукові напрямки. Все це визначає високу актуальність у науково-технічному забезпеченні розглядуваного безпроводового напрямку розвитку телекомунікаційних систем, що й знайшло своє відображення в даному розділі. Сам термін “широкосмуговий безпроводовий доступ” (англійська абревіатура BWA — Broadband Wireless Access) означає забезпечення з’єднань зі швидкостями передачі більш ніж 1,544 Мбіт/с (Т1) або 2,048 Мбіт/с (Е1). У цьому зв’язку синонімом ШБД стало поняття високошвидкісного безпроводового доступу (High Rate Wireless Access), а системи ШБД, які підтримують безпроводовий обмін більш ніж одного з таких видів інформації, як графіка, текст, звуку, зображення, дані і відео, називають мультимедійними безпроводовими системами MWS (Multimedia Wireless System). Для побудови безпроводових телекомунікаційних мереж ШБД міського (регіонального) рівня WirelessMAN слугують так звані, системи широкосмугового радіодоступу (СШР), або в англомовній абревіатурі BRAS (Broadband Radio Access System).
Розділ 5
СШР — це система широкосмугового безпроводового доступу зі структурою типу “точка-багатоточка” або “багатоточка-багатоточка” з підтримкою стільникової конфігурації, що формує масштабовану радіозону обслуговування в мікрохвильовому діапазоні довжин хвиль, надає в ній різноманітні види телекомунікаційних послуг і передачу різнорідних видів трафіку із забезпеченням заданої якості обслуговування [1, 2]. Структура СШР формується за допомогою розгортання в необхідній зоні обслуговування однієї безпроводової точки доступу (базової станції (БС)) і ряду абонентських терміналів (АТ), яким надається внутрішній обмін інформацією і вихід у зовнішні мережі за допомогою все тієї ж точки доступу. При цьому, як правило, від БС до всіх АТ формується один широкосмуговий радіоканал (прямий), а для утворення окремих радіоканалів (зворотних) до БС використовуються різні види багатостанційного доступу (рис. 12.1). В окремому радіоканалі забезпечуються швидкості передачі інформації від одного до сотень Мбіт/с.
5
8
2 6
3
9 7
1 4
Рис. 12.1. Одностільникова СШР: 1, 2, 5 — індивідуальні АТ; 3 — обладнання БС; 4 — радіолінія точка-точка; 6 — Інтернет; 7 — телефонна мережа загального користування; 8, 9 — АТ корпоративних користувачів
Така система надає можливість створювати фіксовану безпроводову мережу масштабу міста, району і регіону, а також входити (інтегруватися) в мультимедійну високошвидкісну кабельну мережу як радіозасіб “останньої милі”. 123
Сучасні телекомунікаційні системи
Завдяки своїй безпроводовій природі СШР потребують менше часу на розгортання, вони простіші в масштабуванні і гнучкіші, ніж проводові системи, що дає змогу використовувати їх для обслуговування користувачів, які не охоплені проводовими широкосмуговими альтернативами або не задоволені ними. Гнучкість — не єдина перевага СШР. Більші можливості закладені в їх масштабуванні. Система надає широкі можливості для масштабування, необхідного для забезпечення підтримки сотень тисяч користувачів силами однієї БС, і дозволяє диференціювати рівні надаваних послуг. Системи широкосмугового радіодоступу своїм масовим розвитком зобов’язані телебаченню, яке потребувало все нових і більш високошвидкісних засобів доставки телевізійних програм до глядачів. СШР починають свою історію з початку 70-х рр., коли в США було організовано телевізійну двоканальну багатоточкову розподільну службу MDS (Multipoint Distribution Service) у діапазоні 2,150—2,162 ГГц. Їй на зміну в 1983 р. Федеральна комісія зв’язку FCC (Federal Communication Commission) США ввела багатоканальну систему MMDS (Multichannel MDS) у діапазоні 2,5—2,686 ГГц із можливістю трансляції до 30 програм телебачення. Обидві ці системи використовували для передачі амплітудну модуляцію (АМ), що забезпечувало простий прийом абонентами телесигналу, але вимагало підвищених рівнів потужності передавачів [3]. У 1986—1989 рр. зрослі потреби в якісному місцевому багатопрограмному телебаченні і завантаженість дециметрового діапазону різними радіослужбами привели до розробки нових телевізійних розподільних систем з використанням частотної модуляції (ЧМ): у США — це локальна багатоточкова розподільна служба LMDS (Local MDS) з робочим діапазоном 27,5—29,5 ГГц, а в Англії — багатоточкова служба розподілу телебачення MVDS (Multipoint Video Distribution Service) діапазону 40,5—42,5 ГГц. Уже в 1993 р. для таких розподільних систем Британським Агентством по радіозв’язку (UK Radiocommunications Agency) було прийнято специфікацію MPT 1550, яка регламентує використання технології супутникового мовлення з частотно-модульованим сигналом для наземних систем. У 1998 р. FCC оголосила про початок ліцензування LMDS. Першою реально діючою LMDS-системою стала стільникова телевізійна мережа компанії Cellular Vision у районі Брайтон-Бич (цей район Брукліна не був охоплений мережею кабельного телебачення).
124
Розділ 5
Системи LMDS/MVDS називають стільниковим телебаченням, оскільки радіус дії кожного ретранслятора невеликий – порядку 3—8 км. У системах використовують відносно малопотужні передавачі — не більше десятків ват у групових передавачах (до 100—300 мВт на канал). Крім того, у міліметровому діапазоні загасання радіохвиль досить велике. Але, з іншого боку, хвилі цього діапазону відбиваються від завад з малими втратами, що можна ефективно використовувати в умовах міської забудови, працюючи на перевідбитих сигналах. Стільникова структура мереж LMDS/MVDS відкрила широкі можливості для частотного планування за допомогою таких механізмів, як різна поляризація сигналів, застосування секторних антен, використання тих самих каналів у різних стільниках і т.д. Важливо відзначити, що в сучасних трансляційних системах твердотільні вихідні підсилювачі підсилюють сигнал тільки в активних каналах, а не у всій смузі відразу. Саме це й зумовлює відносно невисоку потужність випромінювання групових передавачів. У 1994 р. на Україні почала свою роботу в діапазоні 11,7— 12,5 ГГц перша вітчизняна розподільна система МІТРІС — мікрохвильова інтегрована телерадіоінформаційна система [4]. Спочатку основним призначенням МІТРІС було приймати телевізійні сигнали із супутників за допомогою потужного телепорту, оснащеного великими приймальними супутниковими антенами, а потім через систему одноканальних передавачів, об’єднаних за допомогою мостових з’єднань на одну антену з круговою діаграмою спрямованості, перетранслювати прийняті супутникові канали в єдиному частотному пакеті телепрограм. Усі зазначені вище системи аналогового телемовлення склали перше покоління СШР (табл. 12.1). Введення стандарту цифрового телемовлення DVB (Digital Video Broadcasting) ознаменувало появу другого покоління СШР, яка на відміну від першого додатково забезпечувало мовлення телепрограм у цифровій формі, симплексну широкосмугову передачу даних і можливість утворення зворотних запитальних каналів від користувачів. Для регламентації таких систем ETSI (European Telecommunications Standarts Institute) прийняв стандарти ETS300748 і ETS300749. Друге покоління — це колишні системи MMDS, LMDS, MVDS і МІТРІС, тільки модернізовані для роботи з цифровим сигналом (зазвичай, потоком MPEG), а також ряд нових: у Канаді — локальна багатоточкова система зв’язку LMCS (Local Multipoint Communication System), у 125
Сучасні телекомунікаційні системи
Кореї — широкосмуговий абонентський доступ B-WLL (Broadband Wireless Local Loop), у Франції — безпроводова асиметрична цифрова абонентська лінія WADSL (Wireless Asymmetric Digital Subscriber Line), у Росії — СТВ (стільникове телебачення). Таблиця 12.1. Особливості різних поколінь систем широкосмугового радіодоступу
Покоління СШР
Особливості 1-е
2-е
3-е
4-е
Базові технології
Аналогові системи з амплітудною і частотною модуляцією
Дуплексні цифрові радіосистеми з використанням технологій АТМ, IP і PDH
Системи на базі стандарту IEEE 802.16
Період
1970—1996 рр.
Системи на базі стандарту цифрового телемовлення DVB з інтерактивними запитальними каналами 1996—2001 рр.
2000—2004 рр.
2003 і пізніше
У період побудови другого покоління СШР значний розвиток набула МІТРІС, конфігурація якої з моменту виникнення зазнала цілий ряд істотних змін. В дію були введені кілька модифікацій МІТРІС. Так, МІТРІС-М забезпечувала мовлення ТВ- та радіопрограм в аналоговому форматі при зоні обслуговування радіусом до 60 км в частотному діапазоні 11,7—12,5 ГГц. АТ в цій конфігурації, що мають тюнер, приймальний конвертер та гостронаправлену антену, приймають вибрані за допомогою тюнера телепрограми. Кількість телевізійних програм, що транслюються, становить не менш 50. Конфігурація МІТРІС-КОМ має два рівня обслуговування: в діапазоні 11,7—12,5 ГГц працює як і у випадку МІТРІС-М; в дециметровому діапазоні від ретранслятора ведеться прийом на спеціальну АТ дециметрового діапазону (кількість телепрограм, як правило, не перевищує 10). Інтерактивне телебачення та доступ до Інтернет призначені реалізувати МІТРІС-К за допомогою організації цифрових каналів на базі технології DVB (рис. 12.2). Дальшим розвитком даної конфігурації стали МІТРІС-ІНТ та МІДІС. Третім поколінням СШР стали розробки дуплексних радіосистем з використанням технологій АТМ, IP, SDH і PDH. Так, у рамках Єв126
Розділ 5
а
б
Рис. 12.2. Обладнання МІТРІС: а — антена з круговою діаграмою спрямованості та ряду секторних антен БС; б — приймальний передавач АТ
ропейської дослідної програми “Передові технології й послуги зв’язку” ACTS (Advanced Communications Technologies & Services) велася розробка проектів: демонстратор безпроводової АТМ-мережі WAND (Wireless ATM Network Demonstrator), система зв’язку безпроводового доступу на основі АТМ AWACS (ATM Wireless Access Communication System) і стільниковий радіодоступ для широкосмугових служб CRABS (Celluiar Radio Access for Broadband Services). В Україні СШР 3-го покоління під назвою мікрохвильова телекомунікаційна розподільна система МТРС (Microwave Telecommunication Distribution System — MTDS) розроблялася в НДІ телекомунікацій НТУУ “КПІ” [5]. МТРС є повністю цифровою радіосистемою, яка забезпечує повне покриття обслуговуваної території і призначена для університетських кампусових і різних корпоративних мереж в умовах міста. При використанні системи в сільській місцевості можлива конфігурація з частковим покриттям окремих територій, що зумовлено нерівномірним розміщенням абонентів і рельєфом місцевості. Структурно система будується за топологією “зірка”. У центральному вузлі “зірки” БС розміщується вузол комутації (маршрутизації) потоків, а в периферійних вузлах — вузли абонентської комутації. У системі, в межах одного високошвидкісного частотного стовбура, використовується комбінований метод багатостанційного доступу: у напрямку від БС до АТ — один потік із часовим розділенням каналів, а в напрямку від АТ до БС — з частотно-часовим розділенням. При використанні 12-ти секторних антен з азимутальними кутами 30° і швидкості передачі 34 Мбіт/с в одному частотному каналі БС—АТ максимальний сумарний повнодуплексний 127
Сучасні телекомунікаційні системи
n × 16 × 2 Mбіт/с
трафік одностільникової системи з ФМ4 становитиме 2,448 Гбіт/с, а з КАМ64 — 7,344 Гбіт/с (рис. 12.3). Основу системи становить БС, до складу n × 34 Mбіт/с якої входять ряд одноПРД … … секторних вузлів, теБС лепорт (при потребі), блок живлення і керуАТ 1 вання. Кожний одноПРМ АТ i секторний вузол складається з таких комАТ N понентів: антенна сиD1 стема; блок високоDi частотних передавачів; DN прийомний конвертор; блок одноканальних Рис. 12.3. Організація транспортного доступу сисприймачів; окремі блотеми на базі багатостанційного доступу з частотноки цифрових модулячасовим розділенням сигналів (ПРМ — приймач; ПРД — передавач; АТ — абонентський термінал) торів і демодуляторів; окремі блоки мультиплексорів, демультиплексорів і маршрутизаторів; блок кроскомутаторів; устаткування, що забезпечує зовнішній інтерфейс із некомутованими мережами. На АТ використовуються спрямовані антени, які поліпшують енергетичні параметри радіолінії і забезпечують просторову розв’язку між каналами. Реалізацією МТРС став проект одностільникової радіомережі “Кампус-КПІ” частотного діапазону 27,5—29,5 ГГц для створення на її основі цифрової мережі передачі інформації з інтеграцією послуг для кампуса НТУУ “КПІ” (м. Київ). Радіус дії БС системи становить 4—5 км при використанні ФМ4 та інтенсивності опадів 20 мм/год. Цікавим розвитком СШР 3-го покоління стала система поліпшеної інформаційної доставки і вирішення доступу AIDAAS (Advance Information Delivery And Access Solutions) — спільна розробка українських та малайзійських партнерів, що набула поширення в тихоокеанському регіоні. Система AIDAAS застосовує технологію DVB-S (Digital Video Broadcast-Satellite) для створення єдиної наземної безпроводової платформи, що забезпечує послуги цифрового мовлення й широкосмугового мультимедійного доступу. 128
Розділ 5
При подальшому розвитку СШР з інтеграцією послуг стало зрозуміло, що основні принципи, закладені в безпроводові системи на попередніх етапах, потребують істотного корегування. На сигнальному рівні першорядного значення набуло оптимальне використання спектрального ресурсу радіоканалу при будь-яких співвідношеннях швидкість пердачі/завадостійкість, а на рівні протоколів стало необхідним забезпечувати заданий рівень якості обслуговування будь-якому абонентові мережі. Різними назвами СШР фактично позначались тільки тип сервісу і найголовніші функціональні можливості, а не методи практичної реалізації. Єдиної технічної концепції (методи модуляції, механізми доступу до каналів і т.п.) не було. Вирішенням виниклої проблеми стала розробка стандарту широкосмугових регіональних мереж 4-го покоління. Так, у рамках проекту BRAN (Broadband Radio Access Networks) почалася розробка специфікації HIPERACCESS і HIPERMAN, а IEEE у даному напрямку висунуло проект стандарту IEEE 802.16. Всі стандарти групи 802.16 описують два нижніх рівні моделі взаємодії відкритих систем OSI (Open System Interconnection) — фізичний рівень і рівень контролю доступу до середовища передачі MAC (Medium Access Control). У стандартах цієї групи мова йде про радіоінтерфейс, методах модуляції і доступу до каналів, систему керування потоками, структури переданих даних, механізми зв’язку протоколів передачі даних верхніх рівнів (насамперед ATM й IP) із протоколами фізичного рівня IEEE 802.16 та ін. На даний час специфікація IEEE 802.16 стала по суті стандартом з побудови уніфікованих СШР 4-го покоління, що відкриває великі можливості по їх масовому впровадженню і виходу безпроводового широкосмугового доступу на якісно новий рівень, що дає можливість не тільки створювати системи по заповненню не охоплених зв’язком зон “останньої милі”, але й будувати потужні регіональні безпроводові мережі. Технологія WiMAX. Найбільш відомою СШР 4-го покоління є технологія WiMAX, що базується на групі стандартів IEEE 802.16. Майже відразу ж після прийняття стандарту IEEE 802.16 ведучі виробники телекомунікаційного устаткування створили WiMAX-Forum, головним завданням якого, крім просування стандарту, стало забезпечення сумісності устаткування різних виробників, вироблення спільних профілів устаткування і розробка специфікацій для його стандартизації. У наступні роки було прийнято кілька доповнень до стандарту і, нарешті, у жовтні 2004 було прийнято і опублікова129
Сучасні телекомунікаційні системи
но стандарт IEEE 802.16-2004 для фіксованих мереж широкосмугового безпроводового радіодоступу для діапазонів 10—66 ГГц і менше. У грудні 2005 р. були введені доповнення і виправлення до стандарту IEEE 802.16-2004, що описують як мережі фіксованого, так і мобільного безпроводового радіодоступу. Єдиний документ дістав назву IEEE 802.16-2005. На даний час інтенсивно освоюються діапазони 2,5, 3,5 і 5,8 ГГц. Основною відмінною рисою технології WiMAX для цих діапазонів є використання методу ортогонального частотного ущільнення OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) з 256 і 1024 піднесучими. Використання багатьох піднесучих дає можливість передавати дані на кожній з них з меншою швидкістю, при цьому за рахунок збільшення тривалості елементарного символу можна одночасно приймати прямі і відбиті від перешкод сигнали або взагалі працювати тільки на відбитих сигналах поза межами прямої видимості БС. Наступною відмінною рисою є багаторівнева масштабованість WiMAX. Для фіксованих додатків використовуються частотні плани 3,5 і 7 МГц при частотному дуплексі FDD (Frequency Division Duplex) і до 10 МГц при часовому дуплексі TDD (Time Division Duplex). Для мобільних додатків передбачається використання різних частотних планів із смугами частот від 1,25 до 20 МГц разом із технологією OFDMA (OFDM Access), що при використанні 1024 піднесучих дозволяє призначати групи піднесучих для окремих користувачів і забезпечує тим самим, крім TDMA (Time-Division Multiple Access), додаткові можливості багатостанційного доступу, а це дає ще більшу гнучкість у керуванні смугою пропускання — за рахунок оперативного вибору виду модуляції (BPSK, QPSK, QAM16, QAM64) і швидкості завадостійкого коду, а в перспективі і його виду. При цьому використовуються оптимальні алгоритми оцінки каналів в умовах частотно-селективних завмирань. Наявність різних профілів для різних діапазонів частот викликають, з одного боку, серйозні проблеми сумісності устаткування різних виробників, а з іншого, змінюються підходи до частотнотериторіального планування телекомунікаційних мереж на базі технології WiMAX. При цьому планування таких мереж істотно ускладнюється із врахуванням додаткових можливостей роботи радіоустаткування в умовах непрямої видимості. Таке ускладнення має й позитивні риси. Так, на рівні системного моделювання показано, що для мобільної мережі WiMAX з OFDMA можлива побу130
Розділ 5
дова стільникової мережі з використанням схеми частотно-територіального планування “1—3—1” (одна частота — три сектори в стільнику — один сегмент у частотному каналі). Такі підходи дають можливість будувати мережі WiMAX з оптимальною спектральною ефективністю в умовах обмеження (часто недостатнього) кількості виділених частотних смуг. При побудові мереж на базі технології WiMAX необхідно враховувати орієнтованість таких мереж, основні функціональні вимоги до них і, як наслідок, можливі мережні архітектури. При цьому основними функціональними вимогами є: • орієнтованість на фіксовані, портативні і мобільні моделі використання; • незалежні і взаємодіючі рішення; • різні області операторів залежно від мереж, з якими або в складі яких буде працювати WiMAX-мережа; • різні моделі обслуговування; • стандартні інтерфейси зв’язку клієнта і мережі; • сумісність мереж різних операторів; • масштабованість мереж; • мультисервісність мережі (VoIP, відео, потоковий звук) і забезпечення наскрізної якості обслуговування. Мережі WiMAX можуть бути організовані як незалежні і, як інтегровані в існуючі операторські мережі. Також мережі WiMAX можуть впроваджуватись постачальниками послуг Інтернету, постачальниками широкосмугового безпроводового доступу, телекомунікаційними компаніями (DSL і кабельні мережі), операторами традиційних стільникових мереж (GSM, CDMA, WCDMA). Спільними задачами в цих мережах, розв’язуваними за рахунок використання WiMAX, є зниження навантаження і надання послуг широкосмугового доступу. Для успішного розв’язання цих задач потрібна IP-орієнтована архітектура мереж. Можна виділити такі основні особливості побудови мереж широкосмугового доступу на базі технології WiMAX: • оптимальне об’єднання унікальних можливостей адаптації фізичного рівня устаткування до умов роботи, що змінюються; • можливість вибору найбільш підходящого профілю устаткування із врахуванням обмеженості виділюваного частотного ресурсу; • частотно-територіальне планування для забезпечення максимальної пропускної спроможності мережі;
131
Сучасні телекомунікаційні системи
• IP-орієнтовані архітектурні рішення з організації мереж і взаємодії з іншими мережами; • орієнтація на надання мультисервісних послуг. 2 3 7 4
8 5 6 9
1 10/100BaseT
Рис. 12.4. Обладнання Libra MX: 1 — маршрутизатор; 2 — секторна антена; 3 — високочастотний прийомопередавач; 4 — кабель проміжної частоти IDU — RFU; 5 — шасі Libra MX IDU 4U (цифрові плати (N+1), комутаційна карта (1+1), блок живлення (N+1); 6 — обладнання користувача; 7 — зовнішній модуль СРЕ; 8 — кабель зниження; 9 — адаптер
Як приклад, на рис. 12.4 наведено обладнання Libra MX preWiMAX канадської компанії Wi-LAN. На базі даного обладнання в м. Києві була розгорнута СШР на основі двох БС (із двома 90°-ними секторними антенами ТА-3404-8-90), розташованих на дахах корпусу Інституту телекомунікаційних систем (ІТС) НТУУ “КПІ” (50°26′34,23′′ північної широти, 30°26′36,55′′ східної довготи, 190 м над рівнем моря) і адміністративного корпусу науково-виробничого об’єднання “Меридіан” (50°26′43,70′′ північної широти, 30°24′51,86′′ східної довготи, 243 м над рівнем моря), та кількох абонентських терміналів для зовнішньої установки CPE (Customer Premises Equipment) (рис. 12.5). Діапазон робочих частот обладнання становив 3,4 і 3,5 ГГц (частотний дуплекс з розносом в 100 МГц); смуга пропускання каналу — 3,5 МГц; максимальна потужність передавача БС/СРЕ — 26/23 дБм для модуляції ФМ2, ФМ4 і КАМ16; гранична чутливість приймача БС/СРЕ —88—92/— 85—88 дБм; максимальний коефіцієнт підсилення (КП) антен СРЕ із шириною променя 20° (TA-3408 Panel) становить 18 дБі, а з шириною променя 12° 132
Розділ 5
(TA-3418 Solid Parabolic) — 21 дБі. Спектральну характеристику сигналу OFDM/QPSK наведено на рис. 12.6. Азимути секторних антен з КП = 15,5 дБі БС ІТС і “Меридіана” становили 344°, 150° і 92°, відповідно. Усі антени, що використовувались у СШР, були виробництва канадської компанії TIL-TEK.
Рис. 12.5. Карта зон покриття БС: БС4 — ІТС НТУУ “КПІ”; БС6 — “Меридіан”
P, дБ − 32 − 42 − 52 − 62 − 72 − 82 − 92 − 102
3533,25
1 2
3540,25
3529,75 f, МГц
Рис. 12.6. Спектральна характеристика сигналу OFDM/QPSK обладнання Libra MX відносно референсного рівня − 23,5 дБм (1 — спектральна маска; 2 — експериментальні виміри)
133
Сучасні телекомунікаційні системи
При віддаленому доступі для моніторингу і керування станцій СШР використовувався обмін за одним з протоколів TELNET чи SNMP (Simple Network Management Protocol). Крім того, для обміну файлами між комп’ютером і станціями використовувався протокол FTP (File Transfer Protocol). Для зручності зчитування технологічних даних із станцій Libra MX та забезпечення їх адміністрування було розроблено спеціальне програмне забезпечення на мові Java. На даному обладнанні було проведено унікальні наукові експерименти щодо оцінки втрат на поширення радіохвиль в умовах міста. Вимірювання здійснювались у стандартному режимі “Link Test” обладнання Libra MX. При цьому як з боку БС, так і з боку СРЕ були доступними такі дані: рівень потужності сигналу на вході приймача; запас з потужності до порогового рівня чутливості приймача; нерівномірність сигналу в смузі прийому; імовірність появи однобітових помилок. Для інженерних розрахунків на основі аналізу експериментальних даних були запропоновані аналітичні вирази для визначення ослаблення на радіотрасах в умовах забудов районів міст України. Проблематика подальшого розвитку СШР. Прийняття стандарту IEEE 802.16, звичайно, полегшило розробку обладнання СШР через уніфікацію радіоінтерфейсу, запропонованого в стандарті, але одночасно поставило перед розроблювачами цього обладнання цілий ряд технічних вимог, виконання яких потребує розв’язання складних науково-технічних задач. До них належать: загальні принципи побудови зонових мікрохвильових СШР, частотно-територіальне планування нових топологій побудови СШР (наприклад, Mesh-структура типу “багатоточка-багатоточка”), прогнозування стану радіолінії, раціональне променетворення антенної решітки з метою найкращого покриття зони обслуговування, оптимальний розподіл ресурсів системи (особливо частотних і трафіку), електромагнітна сумісність з іншими радіосистемами, використання багатоантенної техніки, реалізація адаптивної модуляції і динамічного розподілу каналів, нова системотехніка радіомодулів, системні питання побудови мережі на базі СШР і передачі різнорідної інформації в єдиному цифровому потоці та ін. Зупинимося тільки на деяких із зазначених задач. Значно підвищити пропускну спроможність (до сотень Мбіт/с) СШР, особливо при переході до надання мобільних сервісів, покликана технологія просторово-часово-частотної обробки МIMO (Multiple Input Multiple Output) і алгоритми її реалізації BLAST (Bell Labs 134
Розділ 5
Layered Space-Times), PARC (Per Antenna Rate Control) і PU2RC (Per User Unitary Control) та ін. [6]. Систему з МIMO можна розглядати як систему зв’язку з кількома просторовими каналами, причому всі канали можуть працювати в одній і тій же смузі частот та в той самий час і розділяються тільки за рахунок просторового рознесення випромінюючих і приймальних антен. Можливість організації багатьох просторових каналів пояснює високу спектральну ефективність таких багатоантенних систем. У загальному випадку відповідно до технології MIMO структура канальної системи має у своєму складі N передавачів (передавальних антен T) і М приймачів (приймальних антен R) (рис. 12.7). Високошвидкісний потік даних (a1, b1, c1, d1, a2,…) розбивається на N незалежних послідовностей з 1/N швидкостями, які потім передаються одночасно з кількох антен; відповідно використовується тільки 1/N їх первинної смуги частот. На приймальній стороні відбувається виділення кожного з цих потоків. 5
1 Ta
a1 a2 …
3
Tb
b1 b2 … c1 c2 …
Rb
Db
Rd
Td Ta
Da
Rc 4 Dc
2 Tc
d1 d2 …
Ra
Dd
Ra
Da
Tb
Rb
Db
Tc
Rc
Dc
Td
Rd
Dd
a1 b1 c1 d1 a2 b2 c2 d2 …
a1 a2 … b1 b2 … c1 c2 … d1 d2 … a1 b1 c1 d1 a2 b2 c2 d2 …
Рис. 12.7. Структура канальної системи МІМО: 1 — передавач; 2 — модуляція та перетворення даних; 3 — радіоканал з розсіянням; 4 — цифрова обробка сигналу; 5 — приймач
Для розглядуваної системи з N передавальних і М приймальних антен та при рівнорозподіленій потужності між передавальними антенами маємо спектральну ефективність (зведену до робочої смуги частот пропускну спроможність)
⎡ SNR ⎛ ∗ ⎞⎤ CMIMO = log 2 ⎢det ⎜ I M + HH ⎟ ⎥ (біт/с/Гц), N ⎝ ⎠⎦ ⎣ 135
Сучасні телекомунікаційні системи
де (∗) означає транспоновано-спряжений; Н — канальна матриця розміром М × N; ІМ — одинична матриця розмірністю М; SNR — відношення сигнал—шум. Технологія MIMO дозволяє зменшити число помилок при радіообміні даними без зниження швидкості передачі в умовах множинних перевідбиттів сигналів. При цьому досягається також: розширення площі покриття радіосигналами і згладжування в ній мертвих зон; використання кількох шляхів поширення сигналу, що збільшує ймовірність роботи на тих радіотрасах, на яких менше проблем із завмираннями, перевідбиттями тощо; збільшення пропускної спроможності ліній зв’язку за рахунок формування фізично різних каналів (розділених просторово, за допомогою ортогональних кодів, частот, поляризаційних мод). Крім того застосування MIMO дає можливість створювати нові структурні рішення для радіосистем. Так, комбінація традиційних розподілених антенних систем і MIMO формує новий вид розподілених MIMO-систем, в яких антенні елементи приймально-передавального пристрою базової станції рознесені по території стільника, що обслуговується. В іншій архітектурі створюються віртуальні антенні ґрати за допомогою спільного об’єднання антен групи ретрансляторів, якими виступають термінали користувачів з однією антеною. Такі віртуальні антенні ґрати дають змогу у межах стільника реалізовувати MIMO-канал між базовою станцією і користувачами, а також звичайні радіоканали між користувачами. Однак головною перешкодою на шляху якнайшвидшого впровадження даної технології є труднощі апаратної реалізації досить складного математичного алгоритму MIMO з кодування і декодування сигналів. Інша важлива проблема стосується побудови потужних стільникових мереж на основі СШР. Роблячи ставку на IP-технологію, необхідно оптимально сформувати базову магістральну мережу, що для надійності повинна будуватися на базі мережного середовища другого рівня моделі OSI. Класичним рішенням такої побудови могла б стати АТМ, розроблювачі якої спочатку розглядали її як загальну мультимедійну технологію. Однак IP і АТМ являють собою зовсім різні технології. Маршрутизовані IP-мережі з’єднуються між собою за допомогою постійних віртуальних каналів через середовище АТМ або Frame Relay. Таким чином, створюється модель із накладенням, що не допускає розширення і керування насамперед тому, що всі маршрутизатори в такій IP-мережі є сусідами. 136
Розділ 5
При цьому ресурси мережі використовуються неефективно, оскільки комутатори АТМ другого рівня “невидимі” для IP-маршрутизації. Найбільш ефективне рішення проблеми мережного забезпечення якості обслуговування QoS при передачі мультимедійної інформації в реальному часі із врахуванням таких показників, як затримка, тремтіння фази, перевантаження тощо, може бути досягнуто за допомогою використання багатопротокольної комутації по мітках MPLS (MultiProtocol Label Switching). MPLS є універсальним рішенням проблем забезпечення заданої якості обслуговування, що стоять перед сучасними пакетними мережами, рішенням, що забезпечує швидкість передачі, масштабованість, оптимізацію розподілу трафіку і ефективну маршрутизацію в пакетних мережах IP, ATM і Frame Relay. Лідерство MPLS зумовлено вдало вибраною позицією, що дає змогу оптимально чином відображати наскрізний трафік третього рівня від вихідного мережного вузла (маршрутизатора) до вхідного вузла в трафік між сусідніми вузлами на другому рівні мережної ієрархії. Важливим напрямком розвитку MPLS є використання цієї технології для пересилання різнорідного трафіку другого рівня через спеціальним чином сконфігуровані LSP (Label-Switched Path)-тунелі. Таким чином, MPLS може виконувати роль універсального механізму доступу і такого ж універсального трубопроводу для різнотипного трафіку в єдиній інформаційно-телекомунікаційній мережі. Ця техніка може використовуватися для створення захищених віртуальних мереж другого рівня. І, нарешті, MPLS вирішує проблеми повнозв’язних топологій, які виникають при накладенні, що дає змогу відмовитися від дорогого середовища АТМ і скористатися звичайним середовищем Ethernet. Створюючи мережу на базі MPLS, можна зробити широкосмугові безпроводові мережі вигідними для сервіс-провайдерів, які перетворюються в мультимедійні компанії, що пропонують послуги “три в одному” (triple play), тобто телефонію, інтернет-доступ і розваги: телебачення (BTV), відео на вимогу (Vo), персональний відеозапис (PVR), ігри і багато чого іншого. У такій мережі вся обробка системної інформації може бути централізована в одному місці і системній інформації для різних транспортних потоків у різних вузлах може генеруватися центральним сервером. Такий підхід має ту перевагу, що місцеві вузли, встановлювані на БС, ста137
Сучасні телекомунікаційні системи
ють досить простими і не мають потреби в дорогому обладнанні обробки системної інформації. Важливу роль у СШР четвертого покоління відіграють різні механізми адаптації, основним завданням яких є пристосування радіосистеми (недопущення погіршення каналу зв’язку) до впливу на неї зовнішніх умов і забезпечення найбільш ефективного розподілу ресурсу телетрафіку між АТ залежно від їх віддалення від БС. Останнє може бути врегульоване шляхом застосування адаптивної зміни виду модуляції (від двійкової фазової до 32-рівневої квадратурної амплітудної маніпуляції) залежно від коефіцієнта помилок по бітах. При цьому суть проблеми полягає в створенні найбільш раціонального і надійного керуючого алгоритму для такої зміни модуляції. Таким чином, на даний час повністю сформувався окремий вид безпроводових телекомунікацій — СШР, які дають можливість надавати повний набір широкосмугових послуг зв’язку і мовлення і, звільнити користувачів від проводової залежності. СШР формують напрямок радіодоступу, що динамічно розвивається і створює фіксовану чи рухому безпроводову мережу масштабу міста, району і регіону, а також входить (інтегрується) у мультимедійну високошвидкісну кабельну мережу як радіозасіб “останньої милі”. Унікальні можливості СШР дозволяють їм ставати основою для розвитку нових видів телекомунікацій, зокрема ТСВА. 13. Êîãíòèâíå ðàäî ðåãîíàëüí áåçïðîâîäîâ ìåðåæ
Стрімкий розвиток безпроводових телекомунікаційних систем, таких, як системи стільникового і супутникового радіозв’язку, локальні безпроводові мережі й Інтернет за технологією Wi-Fi і WiMAX, виявив серйозну проблему. Практично весь частотний діапазон до теперішнього часу розділений на смуги частот, розподілений і ліцензований, однак при цьому, як показали дослідження Федеральної комісії зв’язку США, спектр як дорогоцінний природний ресурс, використовується не досить ефективно. У результаті, впровадження і використання нових послуг, для роботи яких необхідна наявність вільних частотних діапазонів, стають важкими, а в деяких випадках зовсім неможливим. Істотно підвищити ефективність використання спектра дозволяє механізм динамічного керування спектром, відповідно до якого 138
Розділ 5
вторинним користувачам (не закріпленим за даним частотним діапазоном) надається можливість використовувати діапазони первинних користувачів (закріплених за даним діапазоном) на час, поки цей діапазон не використовується первинним користувачем. Механізм динамічного керування спектром досить складний технічно і може застосовуватися тільки в так званих інтелектуальних радіосистемах. Відмінною рисою таких систем, що виділяє їх в окрему групу, є здатність здобувати й аналізувати інформацію з навколишнього радіосередовища, прогнозувати зміни каналу зв’язку і оптимально підстроювати свої внутрішні параметри стану, адаптуючись до змін радіосередовища. Для опису таких інтелектуальних радіосистем у 1999 р. Д. Мітолою (Joseph Mitola) [7] було запропоновано термін “когнітивне радіо” CR (Cognitive Radio). Мається на увазі, що властивість когнітивності (дослівно — спроможність до пізнавання і самонавчання) — це спроможність радіосистеми вирішувати такі завдання: • оцінювати (моніторинг) так званої шумової температури радіосередовища, виявляти невикористовувані в цей момент часу спектральні діапазони (спектральні діри); • аналізувати параметри радіоканалу, оцінювати канальну інформацію, прогнозувати стан радіоканалу; • контролювати випромінювану потужність і динамічне керування спектром. Когнітивне радіо — це, по суті, обчислювальна модель [8]. В CR закладена інформація про власні інтелектуальні можливості, а також про спектр дій, які з ним може виконувати користувач. Ця обчислювальна модель накопичує інформацію про себе саму, користувача і мережі, а машинне навчання означає, що користувачеві непотрібно перепрограмовувати пристрій і знову вказувати, що варто робити. Архітектура CR будується на базі програмного забезпечення. Воно зможе відстежувати особливості апаратур, для того щоб програмувати за смугою частот чи режимом використання. Тому, замість того щоб жорстко орієнтуватися на смугу 800—900 МГц, можна адаптувати її до смуги частот ISM або IEEE, або до 5 ГГц. CR буде “знати”, що йому треба робити на основі “накопиченого досвіду”. CR оцінює, як поширюється радіосигнал, його інтенсивність, якість у різних смугах частот. Воно створює свою внутрішню базу даних, в якій зберігаються відомості про те, що воно може робити, коли і де. 139
Сучасні телекомунікаційні системи
Когнітивне радіо повністю реалізується на технології програмно-керованого радіо SDR (Software Defined Radio), що дає змогу змінювати експлуатаційні параметри радіоустаткування на рівні програмного забезпечення (ПЗ). Перша ліцензія на використання даної технології видана на початку 2006 р. ірландським державним органом у сфері регулювання зв’язку. Пристрої зв’язку, в яких передбачена можливість зміни робочого діапазону, типу модуляції, стандарту зв’язку і ряду інших параметрів, можна назвати справжньою панацеєю в нинішній ситуації, коли є кілька різних стандартів і технологій, націлених на різні застосування, і маса найчастіше несумісного радіоустаткування. Технологія SDR покликана вирішити проблеми несумісності — вона дозволяє створювати уніфіковані багатофункціональні безпроводові термінали з великим терміном життя. Втім, це не єдине її перевага. Для операторів і провайдерів SDR — насамперед можливість швидкого і відносно економічного запуску нових сервісів (сьогодні, як правило, для цього доводиться купувати і нове дороге обладнання). А виробники, у свою чергу, одержать єдиний стандарт для широкого спектра безпроводових пристроїв. Розуміючи очевидні вигоди від впровадження програмно-керованого радіо, для координації своїх зусиль компанії-розроблювачі в 2001 р. сформували SDR Forum, в який увійшли традиційні лідери галузі: Fujitsu, Intel, Motorola, NEC, Samsung, Siemens та ін. RF секція
Baseband секція
IF секція
ПРМ ADC
DDC
DAC
DUC
Baseband Processing
RF front-end
ПРД Рис. 13.1. Апаратна частина SDR
SDR має апаратну і програмну частини. Апаратна складається з трьох функціональних блоків (рис. 13.1): RF-секції, IF-секції і секції базової смуги. RF-секція, яка називається також RF front-end — 140
Розділ 5
високочастотний приймально-передавальний модуль) вміщує тільки аналогові апаратні модулі (у той час як дві інші містять цифрову апаратуру) і відповідає за передачу/приймання радіосигналу. IF-секція (секція проміжної частоти) відповідає за цифро-аналогове перетворення і модуляцію/демодуляцію сигналу. Секція базової смуги, що містить протокол другого рівня (Layer 2, згідно з семирівневою моделлю OSI), виконує базові операції зв’язку: установку сеансу зв’язку, вирівнювання, хопінг, відновлення таймінгу, кореляцію тощо. У програмно-керованому радіо протокол другого рівня й операції модуляції/демодуляції реалізовані програмно. Архітектуру програмної частини зображено на рис. 13.2. По суті, її функція зводиться до розподілу апаратних ресурсів для їх використання різними застосуваннями зв’язку і трансляції протоколу другого рівня (WAP, TCP/IP).
Рис. 13.2. Архітектура програмної частини SDR
Із самого початку своєї діяльності SDR Forum запропонував так звану систему рівнів підтримки SDR у безпроводових пристроях. Іншими словами, дослідники пішли по шляху поступового впровадження SDR у кінцеве радіоустаткування, що в нинішніх умовах і з врахуванням специфіки ринку безпроводових телекомунікацій найбільш оптимально. Пристрої нульового рівня підтримки (що свідчить про повну відсутність підтримки SDR) являють собою чисто апаратні рішення, звідси й назва — Hardware Radio. Будь-яка зміна функціональності таких пристроїв неможлива без зміни їх конструкції. Перший рівень сформований так званим програмно-керованим устаткуванням (Software Controlled Radio). Ці пристрої характеризуються обмеженими функціями програмного керування. Тип 141
Сучасні телекомунікаційні системи
модуляції чи робочий діапазон залишаються незмінними. Використання кількох програмно-керованих приймальних передавачів в одному пристрої дає можливість організувати підтримку багатостандартності. Як приклад можна навести двостандартні (GSM/CDMA) мобільні телефони, а також дводіапазонні точки доступу Wi-Fi. Другий рівень (Software Defined Radio) становлять власне SDR-пристрої. У них за допомогою ПЗ можна керувати такими параметрами, як ширина смуги пропускання, тип модуляції, безпека (наприклад, хопінг) у широкому діапазоні частот. У цей час окремі елементи, що належать до цього рівня, використовуються в базових станціях операторів безпроводового зв’язку. Передбачається, що провідні виробники устаткування широкосмугового безпроводового доступу реалізують SDR у своїх WiMAX-системах. У результаті не виникне проблем, наприклад, з використанням устаткування, сертифікованого для діапазону 5,8 ГГц і навіть, можливо, понад 6 ГГц. У більш віддалені плани входить реалізація SDR в абонентських терміналах. SDR Forum описав також і третій рівень, який називається Ideal Software Radio — ідеально програмувальні радіопристрої. У даному устаткуванні всі процеси цифрові, за винятком (у випадку мобільного телефону) таких аналогових елементів, як антена, мікрофон і гучномовець. Подібних пристроїв поки що не має на ринку, але саме з ними SDR Forum пов’язує якісний стрибок у розвитку технології SDR. Є й четвертий рівень — Ultimate Software Radio (повністю програмувальні радіопристрої). За визначенням SDR Forum, устаткування, що відповідає даному рівню, допускає повний контроль і керування трафіком, підтримує широкий діапазон частот, радіоінтерфейсів і застосувань, здатне миттєво переключатися з одного радіоінтерфейсу на іншій, використовувати систему GPS для відстеження місця розташування користувача, забезпечувати трансляцію відео на мобільний термінал з найближчої станції мовлення, передавати супутниковий сигнал і т.д. Стандарт IEEE 802.22 описує побудову безпроводових регіональних мереж WRAN (Wireless Regional Area Network) на базі агрегації радіоспектра різних систем зв’язку та телебачення (TV) із задіянням принципу когнітивного радіо (рис. 13.3). Системи стандарту IEEE 802.22 мають топологію типу “точкабагатоточка” з центральною керуючою базовою станцією та ряду користувацьких терміналів CPE (Consumer Premise Equipments), як 142
Розділ 5
RAN < 100 км
WAN < 15 км
Рис. 13.3. Класифікація мереж за величиною зони покриття: PAN (Personal Area Network) IEEE 802.15 — персональні; LAN (Local Area Network) IEEE 802.11 — локальні; MAN (Metropolitan Area Network) IEEE 802.16 — міські; WAN (Wide Area Network) IEEE 802.20 — мобільні з широким комірковим покриттям; RAN (Regional Area Network) IEEE 802.22 — регіональні
MAN < 10 км
LAN < 200 м PAN < 10 м
5
4 7
2
6 1 3
Рис. 13.4. Ієрархія WRAN: 1 — користувацький термінал; 2 − сервер аутофекації, авторизації і білингу AAA (Authentication, Authorization and Account Server); 3 — базова станція WRAN; 4 — ІР-мережа сервіс-провайдера; 5 — зовнішня ІР-мережа; 6 − маршрутизатор керування доступом ACR (Access Control Router); 7 − домашній агент HA (Home Agent)
показано на рис. 13.4 і 13.5. БС контролює доступ до ресурсів стільника і передає в прямому каналі дані та управляючу інформацію для користувацьких терміналів. Для того щоб гарантувати захист виконання затребуваних сервісів система IEEE 802.22 відстежує точне співвідношення провідний/підопічний (masters/slave), де роль провідного виконує БС, а подобічного — CPE. БС контролює всі високочастотні (RF) характеристики системи (модуляцію, кодування, смугу частот тощо), використовуючи при цьому виміри CPE. Крім того, БС IEEE 802.22 разом з традиційним регулюванням пе143
Сучасні телекомунікаційні системи
редачі даних у стільнику має унікальну функцію розподіленого моніторингу середовища локалізації стільника. Спрощений алгоритм такого спектрального моніторингу наведено на рис. 13.6.
4
1
2
3 5 6
Рис. 13.5. Сценарій розгортання: 1, 5 − базова станція WRAN; 2, 6 — ретранслятор; 3 — телевізійний передавач; 4 — користувацькі термінали Початок моніторингу Швидкий моніторинг для широкої смуги частот (Analog, RSSI, MRSS, FFT, …) МАС (вибір окремого каналу)
Покращений наступний моніторинг для окремого каналу
FFT
CSFD
Синхронізація полів
Оптимальний радіометр
Спектральна кореляція
AAC
ATSC cегментна синхронізація
Багатоциклічний детектор
База даних використання спектра (БС) Так Зайнятий? Закінчення моніторингу
Ні
Рис. 13.6. Спрощений алгоритм спектрального розподіленого моніторингу
144
Розділ 5
Істотною відмінністю WRAN стандарту IEEE 802.22 від звичайних систем IEEE 802 є великий радіус зони покриття, який може досягати 100 км. Основні системні параметри IEEE 802.22 наведено в табл. 13.1. Найбільш критичною (істотною) вимогою для радіоінтерфейсу IEEE 802.22 є гнучкість і адаптивність, котрі дають можливість працювати радіосистемі в складному електромагнітному оточенні, вибираючи для своєї роботи окремі смуги частот як у часі, так і в просторі. Таблиця 13.1. Системні параметри
Параметри
Специфікація
Частотний діапазон, МГц
54—862
Зона обслуговування, км типова максимальна Обов’язкова ширина смуги, МГц
33 100 6, 7, 8
Швидкість передачі даних, Мбіт/с максимум мінімум Спектральна ефективність, біт/с/Гц максимум мінімум Тип модуляції Потужність передавача, Вт Багатостанційний доступ
Примітка
Опційно використовується телевідеоканал (до 3-х каналів) Максимум 23 Mбіт/с для 6 МГц
72,6 4,8 Окремий TВ-канал 6 МГц 4,03 0,81 QPSK, 16QAM, 64QAM 4
FFT мода
Адаптивна OFDMA 2K
Циклічний префікс
1/4, 1/8, 1/16, 1/32
Дуплекс Мережна топологія
TDD Типу “точкабагатоточка”
Фрагментальний розподіл частотної смуги 1K/4K опційно, 2K/4K/6K для канального з’єднання FDD підтримує
145
Сучасні телекомунікаційні системи
Як приклад, на рис. 13.7 наведено сценарій роботи трьох регіональних систем з відповідними базовими станціями БС1, БС2, БС3. На початку сценарію в одній частотній смузі а працюють тільки віддалені одна від одної БС1 і БС2. При цьому вважається, що через значну відстань між системами рівень інтерференції в їх зонах покриття буде досить низьким, щоб не робити перешкод одна одній. При включенні БС3, що відповідає IEEE 802.22, виконується процедура так званого конкурентного включення за вимогою (рис. 13.8). Ця процедура через канал керування запускає на БС1 і БС2 запит на конкурентне включення БС3 в смузі а, де система на основі БС3 є первинною. БС1 і БС2 дають відповідь на конкуренте включення, що являє собою згоду на передачу смуги а в користування БС3. Після певного інтервалу узгодження БС1 і БС2 переходять на вільну в даному регіоні смугу частот b, а БС3 починає працювати в смузі а.
БС1
БС3
БС2
Рис. 13.7. Сценарій роботи трьох регіональних систем 5
1 БС1
БС3
2 3
БС2
4
146
Рис. 13.8. Схема роботи конкурентного включення за вимогою: 1 — частотна смуга а; 2 — запит на конкурентне включення; 3 — відповідь на конкурентне включення; 4 — інтервал узгодження; 5 — частотна смуга b
Розділ 5
Вихід технології Cognitive Radio на комерційний ринок розглядається як подія віддаленого майбутнього (порядку 5—10 років), але ніхто не сумнівається, що вона здатна принципово змінити ландшафт безпроводового світу. І насамперед зміни повинні торкнутися підходу до ліцензування радіочастот, адже тоді головний “камінь спотикання” — перехресний вплив електромагнітних завад, пов’язаних з випромінюванням від різних типів пристроїв — буде усунений зі шляху розвитку телекомунікацій. Система понадвисокого вузла UHS. До регіональних безпроводових систем можна віднести так звану систему понадвисокого вузла UHS (Ultra High Site) [9], що формується за допомогою багатосекторної антени БС, встановленої на високому місці, наприклад на телевізійній вежі чи висотному будинку. При цьому площа покриття, яку можна досягнути, перевищує звичайні безпроводові структури на базі макростільника. Однак загальна пропускна спроможність відносно площі обслуговування зменшується відповідно до збільшення цієї площі. Конфігурацію багатосекторної зони покриття UHS наведено на рис. 13.9. Серед розробників UHS можна відзначити німецького оператора E-Plus, що пропонує проект радіосистеми (БС на висоті 120 м) із зоною покриття, утвореною 24 секторами у внутрішньому колі і 72 секторами в зовнішньому колі. Така тестова UHS з 12 секторами працює в Erlangen (Німеччина), забезпечуючи пропускну спроможність на одного абонента 384 кбіт/с, а з 24 і 72 секторами — в Munich (Німеччина). До UHS також належить і вітчизняна мікрохвильова інтегрована телерадіоінформаційна система МІТРІС, у тому числі використовувана досить ефективно як опорна розподільна мережа на регіональному рівні [10—12]. У створенні систем типу МІТРІС знайшли своє втілення результати наукових розробок НТУУ “КПІ”. Система МІТРІС захищена багатьма патентами УкраїРис. 13.9. Конфігурація багатосекторної зони покриття UHS ни і закордонними патентами. 147
Сучасні телекомунікаційні системи
На сьогодні як система мовлення вона працює практично в кожному обласному центрі, у Києві, Київській і Чернігівській областях, під торгівельною маркою “Максимум ТВ” ведеться трансляція 111 телевізійних програм у цифровому стандарті DVB-S, причому для забезпечення в межах прямої видимості зони покриття до 60 км потужність випромінювання на одну програму становить до 3—5 мВт. Регіональні мережі на рівні області будуються в Херсоні, Львові, Луганську та ін. Є позитивний досвід створення та експлуатації таких мереж і за кордоном: Латвії, Грузії, Вірменії, Малайзії і в інших країнах. Національна Рада України з телебачення і радіомовлення здійснює за заявками операторів етап національного впровадження цифрового мовлення на базі технології МІТРІС. Наступними кроками розвитку систем класу МІТРІС як регіональної системи є системи мультимедійного доступу, що сполучають у собі всі переваги цифрового наземного мовлення і передачі даних. Такою системою є UMDS [13]. У системі UMDS при цифровому телевізійному мовленні використовується стандарт MPEG-2, а при передачі даних — такі стандарти і протоколи: • у прямих каналах — стандарт DVB-S, технологія MPE та інкапсуляція IP-пакетів; • у зворотних каналах — стандарти множинного доступу TDMA, FDMA, спеціально розроблений протокол канального рівня та інкапсуляції IP-пакетів; • у мережі центральної станції — стандарт Fast Ethernet на канальному рівні, а на мережевому рівні — протокол IP. Центральна і абонентська станції системи МІТРІС—UMDS рішеннями Національної комісії з питань регулювання зв’язку України № 348 від 06.04.2006 р. і № 544 від 18.01.2007 р. введені до Реєстру радіоелектронних засобів і випромінюючих пристроїв, які можуть застосовуватися на території України в смугах радіочастот загального користування. Динамічний розподіл радіочастотного ресурсу для забезпечення IP-послуг у рухомому транспорті. В рамках 5-ї програми досліджень IST Єврокомісії (EU 5th Framework — IST Action Line: IV.5.2 — Terrestrial Wireless Systems and Networks) було розглянуто концепцію динамічного розподілу спектра DSA (Dynamic Spectrum Allocation) під назвою динамічний розподіл радіочастотного ресурсу (РЧС) для забезпечення IP-послуг в рухомому транспорті DRiVE (Dynamic Radio for IP Services in Vehicular Environments), що передбачає 148
Розділ 5
оптимізацію використання РЧС за рахунок його динамічного CN перерозподілу між такими системами радіодоступу, як GSM, BG BG GPRS, UMTS, WLAN, DAB Базова DriVE-мережа (Digital Audio Bbroadcast) і DVB [14]. Крім того, дана концепція, SA TC MM будучи дуже близькою до когнітивного радіо, припускає виIU IU IU бір тієї чи іншої системи радіоСистеми доступу доступу для одержання послуги із заданою якістю обслуговуванDSA/TC DSA/TC DSA/TC ня (приміром, UMTS, WLAN). Приклад архітектури DRiVE наведено на рис. 13.10 [15], де Прикінцева MN система CN — Correspondent Node (відповідний вузол); BG — Border Рис. 13.10. Приклад архітектури DRiVE Gateway (граничний шлюз); SA — Subscriber Authentication (аутентифікація коритувача); TC — Traffic Control (керування трафіком); MM — Mobility Management (керування мобільністю); IU — Interface Unit (інтерфейс); DSA — Dynamic Spectrum Allocation (динамічний розподіл спектра); MN — Mobile Node (мобільний термінал). Як видно з рисунка, DRiVE — гібридна система, що об’єднує різні технології доступу в одну спільну архітектуру. При такій архітектурі повна ефективність використання радіочастотного спектра збільшується за рахунок оптимального вибору відповідної технології для кожного виду послуг. При цьому функції контролю трафіком ТС визначають тип термінала користувача, пріоритет користувача, необхідні параметри якості послуги, статус мережі. Функціональну архітектуру контролю трафіку наведено на рис. 13.11 [14]. Важливою є процедура вибору RS (RAN Selection) мережі радіодоступу RAN (radio access network). Процедура RS має місце на початку сесії або у випадку зміни стану радіоканалу. Ключовим критерієм вибору для RS є необхідна якість обслуговування. Крім того, функції контролю трафіку з боку мережі вміщують: менеджер обслуговування SM (Service Manager), оптимізатор ефективності ЕО (Efficiency Optimization unit), оцінювач трафіку ТМ (Traffic Measurer) і провісник трафіку ТР (Traffic Predictor). Функція SM взаємодіє з RS з метою оптимізації ефективного виЗовнішня мережа
149
Сучасні телекомунікаційні системи
користання спектра із врахуванням даних ЕО, які впливають на розподіл трафіку між різними RAN чи комірками. Базова DriVE-мережа
TP
TD IU1
DSA
DSA RAN1
TM EO
IU3
IU2
RAN2 SM
SM MN1
TP TM EO
MN2 RS
RS
Рис. 13.11. Функціональна архітектура контролю трафіку
Конфігурація послуг мережі типу ad hoc
Сервер
Адаптивна база послуг ІР-інфраструктура
Динамічна радіомережа
Адаптивна база послуг Internet
Сервер
Профелі послуг
Система мережного керування
IP IP IP
IP IP
Базова ІР-мережа
DAB, DVB-T
Радіосистема зі змінною конфігурацією
Вибір радіоінтерфейсу Рис. 13.12. Загальна архітектура для забезпечення мультимедійних послуг в динамічному багатосистемному радіооточенні
150
Розділ 5
При цьому ЕО оцінює трафік, зважений у ТЕ для кожної комірки, і отриману інформацію від вузлів DSA про доступний спектр. Приклад реалізації концепції DRiVE наведено на рис. 13.12. Динамічний розподіл радіочастотного спектра між системами може бути здійснений за двома схемами: розподіл суміжних смуг частот (рис. 13.13, а) і розподіл фрагментів спектра у відповідному діапазоні частот (рис. 13.13, б) [8].
а
б
Рис. 13.13. Динамічний розподіл радіочастотного спектра між системами
Потрібний ресурс спектру
2,0
1 1,5
2
1,0
3 0,5
4
0 0
3
6
9
12 15 Час t, год
18
21
Рис. 13.14. Статистика часових змін трафіку: 1 — виграш від DSA; 2 — UTRAN + DVB-T; 3 — DVB-T; 4 — UTRAN
Характерною рисою технології DSA є те, що алгоритми динамічного розподілу спектра між системами будуються на знанні ста151
Сучасні телекомунікаційні системи
тистики часових змін трафіку в них (рис. 13.14). Для оцінки цієї статистики повинен бути застосований адаптивний алгоритм, що має довгострокову пам’ять і здатний швидко реагувати на зміну ситуації (швидке прогнозування). Як основу для синтезу такого алгоритму слід розглядати фільтри Кальмана, нейронні мережі й генетичні алгоритми.
14. Ñèñòåìè ìëìåòðîâîãî ñóáìëìåòðîâîãî äàïàçîíâ õâèëü
Структура і можливості використовуваних у радіосистемі каналів зв’язку визначають такі найважливіші характеристики, як пропускна спроможність, вірогідність передачі, зона дії, ступінь зв’язності, вартість та ін. Якщо для проводових каналів граничну пропускну спроможність визначають первинні й вторинні характеристики застосовуваних кабелів (опір, ємність, індуктивність, коефіцієнт поширення і хвильовий опір), то для радіосистем основними характеристиками є робоча смуга частот і їх діапазон, в якому ця смуга виділена. Виділена смуга частот — це той частотний ресурс, що обмежує максимальну швидкість передачі. Діапазон частот визначає можливі механізми поширення радіохвиль, рівні завад, вид і вартість приймально-передвального устаткування. Слід зазначити, що частотний ресурс — це вид природного ресурсу, що має такі особливості: він не витрачається потім, але й не може бути добутий і використаний у кількостях, більших, ніж та ділянка частотного діапазону, що освоєна для радіозв’язку на даний час. Майже у всіх освоєних низькочастотних діапазонах (аж до сантиметрового) спостерігається гострий дефіцит частотних смуг для розгортання нових і розвитку діючих радіосистем. Звідси велика увага розроблювачів привертається до освоєння міліметрового (ММДХ) і субміліметрового (СММДХ) діапазонів довжин хвиль, де доступні широкі частотні смуги для реалізації високошвидкісного радіозв’язку [16]. Практична цінність діапазонів ММДХ і СММДХ для телекомунікаційних систем визначається їх великою інформаційною ємністю. Дійсно, всі діапазони від наддовгих до сантиметрових хвиль займають лише смугу частот 30 ГГц, а діапазони ММДХ і СММДХ — близько 3000 ГГц. Отже, у них за той самий проміжок часу можна передати, принаймні, в 100 разів більше інформації, 152
Розділ 5
ніж в інших низькочастотних діапазонах. Більше того, велика смуга частот цих діапазонів дає можливість завдяки використанню завадостійких широкосмугових методів модуляції здійснювати високоякісну передачу високошвидкісних потоків інформації. Радіохвилі діапазонів ММДХ і СММДХ мають такі квазіоптичні властивості [17]: • у вільному просторі — напрямок їх поширення прямолінійний (малий діаметр першої зони Френеля); • поблизу поверхні Землі — для ММДХ рефракція й дифракція мала, а для СММДХ ними можна знехтувати; • при поширенні через область з опадами вони ослаблюються (цей ефект зростає з укороченням хвилі); • при попаданні на плоскі поверхні радіохвилі проявляють високу відбивну здатність. На деяких частотах діапазонів ММДХ і СММДХ проявляється резонансне поглинання в парах води і у газах атмосфери, внаслідок чого в них мають місце вікна прозорості і піки поглинання. На ММДХ і СММДХ досить малий рівень атмосферних і промислових завад, особливо якщо їх джерела перебувають за горизонтом поза прямою видимістю. У цьому діапазоні порівняно нескладно створювати антени з розмірами, які в багато разів перевищують довжину хвилі і мають внаслідок цього гостронаправлене випромінювання. Антени таких прийнятних габаритів, що забезпечують просторову селекцію сигналів, дають можливість організовувати в заданому географічному районі велику кількість радіоліній, у тому числі з повторюваними робочими частотами, з виконанням умов їх електромагнітної сумісності. Властивості ММДХ і СММДХ допускають здійснення зв’язку між об’єктами тільки за умови їх прямої взаємної видимості. Якщо вона відсутня, то потрібні активні чи пасивні проміжні ретранслятори сигналів. Незважаючи на очевидні переваги використання діапазонів ММДХ і СММДХ в галузі телекомунікацій, мають місце контраргументи, що зводяться до положення про неможливість реалізації в розглянутих діапазонах хвиль звичних радіотрас довжиною в кілька десятків кілометрів, що є звичайним для діапазонів сантиметрових і дециметрових довжин хвиль. Однак при цьому залишається поза увагою те, що дальність радіозв’язку не є, у більшості випадків, головним параметром наземної радіосистеми, якщо вона спеціально 153
Сучасні телекомунікаційні системи
не призначена для далекої дії. Пропускна спроможність, вартість і надійність є більш важливими параметрами сучасної системи, а все ширше впроваджувана побудова радіосистем за стільниковим принципом знижує вимоги до збільшення діаметра зони охоплення користувачів одного стільника. Продовжують розвиватися засоби персонального радіозв’язку, радіус дії яких не перевищує десятків метрів (Bluetooth, HomeRF та ін.). Слід зазначити нераціональне використання для таких радіозасобів діапазонів 2,4 і 5,8 ГГц, смуги яких дуже обмежені. Та й чи не так вже істотно зменшується дальність радіозв’язку в діапазонах ММДХ і СММДХ. Розглянемо симплексну радіолінію типу “точка-точка” з потужністю передавача 10 мВт, однаковими коефіцієнтами підсилення приймальної і передавальної антен 36 дБ, коефіцієнтом шуму приймача 7 дБ. Частотна залежність максимальної дальності дії D такої радіолінії в умовах релєєвських завмирань при передачі ФМ4 сигналів з необхідним відношенням сигнал/шум 24 дБ і за умови роботи приймача на своїй граничній чутливості наведена на рис. 14.1 для кількох значень інтенсивності опадів R. Як видно з рисунка, радіосистеми залежно від використовуваної смуги діапазону хвиль можуть мати різну дальність дії. Так, при будь-яких погодних умовах найбільшу дальність дії D ≤ D, км ≤ 3—8 км мають системи діа20 пазону довгохвильової частини ММДХ (30—50 ГГц), а 10 1 найменшу D ≤ 0,1 км — системи СММДХ. Крім того, 5 видно, що для систем з коротким прольотом далеко не настільки істотне зна2 чення має поглинання розг1 лянутих хвиль в атмосфері і 3 опадах. При прольотах мен0,5 ше 0,5 км можуть використовуватися передавачі з потужністю порядку 1 мВт, і 0,2 20 100 500 f, ГГц вони здатні забезпечити надійний зв’язок при будьРис. 14.1. Частотна залежність максимальної яких погодних умовах. На дальності дії D радіолінії при інтенсивності опадів R, мм/год: 1 — 0; 2 — 20; 3 — 40 коротких прольотах, вимі154
Розділ 5
рюваних сотнями метрів, радіолінії можуть працювати у всіх вікнах прозорості діапазонів ММДХ і СММДХ. А проблеми, пов’язані з поглинанням ММДХ і СММДХ в атмосферних опадах, значною мірою втрачають силу. З іншого боку, радіоустаткування діапазонів ММДХ і СММДХ має малі габарити і вагу, можливість передачі великого обсягу інформації без залучення складних методів модуляції і вузьку діаграму спрямованості, що при малій потужності забезпечує екологічну безпеку системи і затрудняє несанкціоновані перехоплення інформації. Системи, побудовані з використанням радіоустаткування розглянутих діапазонів, не потребують великих витрат при їх будівництві та експлуатації, сталі при будь-яких катастрофах. Поглинання радіохвиль у діапазонах ММДХ і СММДХ для ближнього зв’язку може розглядатися не як недолік, а як перевага, тому що атмосфера начебто екранує окремі системи одна від одної і усуває їх взаємні завади. На даний час набули широкого поширення радіорелейні системи (РРС) прямої видимості довгохвильової частини ММДХ (частоти 30—50 ГГц) [18, 19]. Вони забезпечують радіолінії між БС стільникового зв’язку, поєднують комп’ютерні мережі і районні АТС, використовуються для зв’язку з віддаленими пунктами в межах міської забудови і промислових зон, де прокладка кабелів затруднена. Особливо актуальні РРС діапазону ММДХ у великих містах при виборі трас, де відчуваються проблеми, пов’язані із взаємними завадами станцій між собою і із супутниковими системами. У діапазоні ММДХ значно більший простір при виборі робочих частот. Однак у діапазонах ММДХ і СММДХ є й певні проблеми. РРС розглянутих діапазонів призначені тільки для коротких трас пря-мої видимості (менше 10 км), апаратура і елементна база таких систем, особливо СММДХ, ще недостатньо освоєні в масовому виробництві і поки що мають високу вартість. Так, до теперішнього часу просування високочастотної транзисторної інтегральної елементної бази досягло тільки частот порядку 50 ГГц. Найбільш перспективними напрямками розвитку РРС розглянутих діапазонів є впровадження нових схемотехнічних рішень при побудові нової приймально-передавальної апаратури РРС, що дозволяють, з одного боку, здешевити устаткування, а з іншого, підвищити його високочастотні характеристики, пов’язані насамперед з поліпшенням частотної стабільності і лінійності радіотракту, що дасть можливість використовувати більш ефективні методи модуляції. Тут безперечно необхідний перехід від класичної побудови 155
Сучасні телекомунікаційні системи
апаратури РРС ММДХ, успадкованого від НВЧ-техніки, до квазіоптичної побудови, що базується на відкритих резонаторах, дифракційних ґратах та ін. Практичне використання РРС-діапазонів ММДХ і СММДХ вже закладено в цифрових синхронних і асинхронних мережах, де потрібна передача інформації зі швидкостями 155 Мбіт/с і більше. Незважаючи на безліч переваг ММДХ, існує цілий ряд проблем реалізації в ММДХ безпроводових систем доступу типу “точкабагатоточка”. Вони пов’язані з наявністю в ММДХ високого загасання поширення радіохвиль і його сильної залежності від зовнішніх погодних умов, а також наявних труднощів у забезпеченні високої стабільності пристроїв, що генерують, та їх синхронізації. Все це призводить до того, що площа обслуговування системи ММДХ стає невеликою, практично мікростільниковою, і потребує для створення стільникової мережі ММДХ безлічі БС, що значно збільшує вартість побудови такої мережі. Тому найбільш успішними на даний час проектами реалізації систем ММДХ виявилися мікростільникові радіосистеми, призначені для роботи всередині приміщень [20]. Одним із перспективних напрямків створення безпроводових систем доступу ММДХ є побудова СШР ММДХ із розподіленою стільниковою архітектурою, яка покликана реалізувати всі переваги ММДХ і вирішити зазначені вище проблеми створення систем даного діапазону [21]. Основою успіху реалізації пропонованої СШР ММДХ є застосування в ній нових телекомунікаційних технологій: розподіленої антенної системи (РАС) [22], гібридного з’єднання оптоволокнорадіоканал (ГЗОР) [23], цифрового діаграмотворення, кооперативної ретрансляції з MIMO (Multiple Input—Multiple Output) [24] та ін. Технологія РАС забезпечує рознесення антен однієї БС для компенсації завмирань і зменшення відстані між окремими антенами БС і абонентським мобільним терміналом (МТ) за допомогою розподілу положення антен БС на місцевості. У цьому випадку істотно поліпшується енергетика радіоліній і, тим самим, з’являється можливість без підвищення рівня випромінюваної потужності розширити зону покриття однієї БС, причому без установки додаткових БС. Звідси, залежно від геометрії необхідної зони покриття можлива реалізація ряду варіантів побудови розподіленої безпроводової архітектури, як показано на рис. 14.2. Для одержання максимального підсилення в напрямку обслуговуваного МТ і зниження інтерференції від інших антен МТ оптимальним рішенням 156
Розділ 5
для СШР із РАС є використання антен з адаптивною діаграмою спрямованості (ДС) [25]. Крім того, у РАС може бути успішно застосована технологія макрорознесення з множинним детектуванням MDM (MultiplyDetected Macrodiversity) [26]. При звичайному методі макрорознесення сигнали від МТ приймаються одночасно кількома БС, де
БС БС 2 1 а
3 4
б
БС в
5
БС г
6
БС д
Рис. 14.2. Варіанти побудови СШР зі стільниковою розподіленою архітектурою: а — секторне перекриття; б — мікростільникове покриття; в — послідовне покриття ланцюжком; г — покриття вздовж доріг із зустрічним перекриттям; д — односпрямоване покриття вздовж доріг; 1 — секторні антени (показана лише ДС); 2 — межі необхідної площі покриття; 3 — мікростільники, що обслуговуються однією антеною; 4 — антени з круговою ДС; 5 — зона двостороннього покриття, утворена спрямованими назустріч одна одній антенами; 6 — зона з однобічним покриттям
157
Сучасні телекомунікаційні системи
вибирається один сигнал із найкращим показником якості за потужністю, відношенню сигнал/шум та ін. В MDM немає такого відбору, а безліч прийнятих сигналів комбінуються за допомогою алгоритму декодування за максимальною імовірністю, що максимізує ймовірність коректного вибору (рішення) сигналу з кращою якістю. Порівняно із звичайним макрорознесенням MDM може істотно (порядку 25 %) знизити рівень помилок при прийомі сигналу від МТ. Технологія ГЗОР використовується для спрощення і мініатюризації складових частин БС шляхом надання радіопристроям простого і ефективного інтерфейсу з ВОЛЗ. Дана технологія забезпечує з’єднання РАС із приймально-передавальним блоком БС і дає змогу поєднувати центральний радіоконтролер мережі з кількома БС, подаючи при цьому на кожну БС опорний сигнал ММДХ і відповідні інформаційні несучі. Тут оптична піднесуча модулюється сигналом ММДХ, передається по ВОЛЗ із використанням технології хвильового чи щільного хвильового мультиплексування WDM/DWDM і за допомогою фотодетектора виділяється на приймальному кінці. У такий спосіб реалізується подача (зняття) сигналів на (з) РАС і забезпечення обладнання БС зовнішнім опорним сигналом із стабільністю квантового генератора, що істотно знижує вартість БС (відпадає необхідність у високостабільних внутрішніх генеруючих пристроях) і дає високошвидкісний інтерфейс із транспортною проводовою мережею. Через те що розглядається багатоантенна СШР, то істотно підвищити пропускну спроможність такої системи, особливо в умовах різних завмирань у радіоканалі, дозволить застосування технології MIMO. При цьому, щоб не створювати дорогі антенні ґрати, які скупчені в одному місці, в нашому випадку можна скористатися розподіленими по площі обслуговування антенами БС для створення на їх основі так званих віртуальних антенних ґрат і реалізації їх кооперативної (спільної) ретрансляції з MIMO. При цьому на МТ можуть розміщуватися один чи безліч антенних елементів. У першому випадку в прямому каналі реалізується режим MISO (Multiple Input-Single Output), а в другому — більш дорогий режим традиційної MIMO. Для компенсації сильної залежності поширення сигналу ММДХ від зміни погодних умов, особливо при випаданні дощових опадів і туманів, необхідно залучення системи адаптації за потужністю, пропонованої, наприклад, у праці [27].
158
Розділ 5
Базовою технологією доступу для швидкостей передачі даних до кількох сотень мегабіт на секунду може послужити системний профіль Wireless MAN-SC стандарту IEEE 802.16-2005, а для вищих швидкостей передачі японською Асоціацією радіоіндустрії і бізнесу ARIB (Association of Radio Industries and Business) (організація стандартизації) у своїх рекомендаціях STD-T69 і STD-T74 пропонується системний профіль “Понадвисокошвидкісні безпроводові системи”. Другим кардинальним рішенням у розвитку СШР ММДХ і, особливо, СММДХ є реалізація квазіоптичного підходу при побудові радіосистем даних діапазонів. Залучення квазіоптики дає змогу перейти на нову приладову базу, що використовує високодобротні резонансні контури, маловтратні фідерні тракти, високостабільні мазерні джерела коливань, техніку просторової обробки частотного сигналу за допомогою поляризаційних ґрат і кутових відбивачів та ін. Крім того, такі СШР можуть дуже швидко просунутися в діапазон СММДХ, підтримуючи інформаційні потоки із швидкостями більше 1 Гбіт/с без застосування складних видів модуляції і не завантажуючи довгохвильові освоєні діапазони хвиль. Використання квазіоптичного підходу в СШР відкриває великі перспективи створення нових раціональних схемних рішень. Прикладом такого рішення є реалізація радіосистеми “точка-точка” через центральний ретранслятор у вигляді плоскої напіввідбиваючої поверхні як показано на рис. 14.3. При класичній побудові для реалізації дуплексного зв’язку між чотирма радіотерміналами (РТ) треба було б мати вісім частотних літер. У про3 понованому на рис. 14.3 способі використовуютьf3 ся тільки чотири частоти f1, …, f4, які є індивідуf4 2 альними частотами пе4 f2 редавачів РТ. Обмін інформаційними потоками 3, 4 1, 2 ПРМ між терміналами відбувається в такий спосіб. f1 РТ 1 передає сигнал f1 на термінали 3 і 4 за доf f f f 1 2 3 4 1 помогою ретрансляційної ПРД напіввідбиваючої поверхРис. 14.3. Дуплексна радіосистема з використанні, що розподіляє паданям квазіоптичного ретранслятора “напівпрозоючий на неї сигнал шлярого” типу 159
Сучасні телекомунікаційні системи
хом його 50 %-ного відбиття на РТ 4 і 50 % пропущення на РТ 3. Аналогічно працюють й інші РТ. При цьому РТ 1 і 2 мають по два приймальних трактів f3 і f4 від відповідних РТ 3 і 4, а РТ 3 і 4 приймають сигнали на частотах f1 і f2. Це сприяє спрощенню вимог до розв’язки трактів прийому і передачі в РТ і знижує їх вартість. Однак у даному схемному рішенні за економію частотного ресурсу потрібно заплатити збільшенням трафіку на двох радіолініях. Зверніть увагу на те, що РТ 1 має прямий обмін у повнодуплексному режимі між РТ 3 і 4, а із РТ 2 їй доводиться підтримувати один канал через РТ 3 або 4. У цьому випадку останні відіграють роль ретрансляторів. Високі властивості відбивання хвиль ММДХ і СММДХ відкривають широкі можливості щодо використання будь-яких видів пасивних ретрансляторів, що змінюють не тільки напрямок випромінювання, але й здатні ефективно керувати поляризаційними характеристиками сигналів. Велика перспектива відкривається при використанні ММДХ і СММДХ для створення радіосистем, що працюють у критих спортивних, торгових і виставочних комплексах, тунелях метро, шахтах, різних будинках. Захищеність таких місць від погодних впливів забезпечує радіосистемам розглянутих діапазонів досягнення їх гранично можливих характеристик. Висока пропускна спроможність, скритість, простота установки таких радіосистем робить їх просто незамінними при модернізації чи навіть повній заміні зв’язного кабельного господарства в тунелях метро, шахтах та ін. Приклад реалізації такої квазіоптичної системи наведений на рис. 14.4. Слід також зазначити, що як спрямоване середовище поширення сигналів ММДХ і СММДХ можуть використовуватися металеві вентиляційні комунікації і труби, що дозволяє за допомогою подібних систем реалізувати радіомережі в місцях, де прокладка кабелю і використання звичайних радізасобів затруднені.
Рис. 14.4. Реалізація радіомережі ММДХ і СММДХ в умовах тунелів і шахт
160
Розділ 5
Бюджет радіолінії ММДХ. Для забезпечення високошвидкісної передачі даних необхідна підтримка на радіолінії певного рівня імовірності появи бітових помилок BER, що визначає граничне значення відношення сигнал/шум SNR на вході приймача. В ідеальному випадку — каналу з адитивним білим гауссівським шумом (АБГШ) — досягається найкраща відповідність між BER і SNR, що дає можливість отримати максимальну пропускну спроможність у радіоканалі. На рис. 14.5 наведено залежності BER від SNR, що розраховані згідно з методикою [28] із залученням функцій пакета MatLab в каналі з АБГШ без кодування, для ряду маніпуляцій: фазової (ФМ), відносної фазової (ВФМ), частотної (ЧМ), амплітудно-імпульсної (АІМ), квадратурно-амплітудної (КАМ), з мінімальним зсувом MSK (Minimum Shift Keying). lg(BER) 0 −1 −2 10
−3
11
−4
1
2
−5 −6
9
3
−7
5 6
−8 −9
4
7 8
6
8
10 12 14
16 18 20
22 24 26 28 SNR, дБ
Рис. 14.5. Залежності імовірності бітової помилки від відношення сигнал/шум для різних видів маніпуляції в каналі з АБГШ без кодування: 1 — ФМ2, MSK; 2 — ВФМ2; 3 — ФМ4, ЧМ2; 4 — ВФМ4; 5 — АІМ4; 6 — ФМ8; 7 — КАМ16; 8 — ВФМ8; 9 — АІМ8; 10 — КАМ32; 11 — КАМ64
Підтримання сучасних сервісів потребує достатньо низьких значень BER. Так, для передачі даних із гігабітними швидкостями BER може бути на рівні 10 −6, а для трансляції цифрового телебачення з високою чіткістю забезпечується BER 10 −12. При цьому досягнення необхідного значення SNR в каналі з АБГШ не є проблематичним навіть у випадку високорівневих видів маніпуляцій. Проблема полягає в тому, що радіоканали наземних систем типу “точка−багатоточка” зазнають різних завмирань і не являють со161
Сучасні телекомунікаційні системи
бою канали з АБГШ, а найчастіше зображаються каналами з повільними релєєвськими завмираннями (особливо у випадку фіксованої служби). При цьому в умовах рухомого радіотерміналу чи відбивача канал може мати також і швидкі релєєвські завмирання. При розгляді радіоканалів наземних СШР зупинимось на трьох моделях каналу: з АБГШ (ідеальний випадок), з релєєвськими завмираннями (випадок мобільної системи) і “типу 1” згідно зі стандартом IEEE 802.16—2004, що описує СШР фіксованої служби в реальних умовах міської забудови з частковим врахуванням багатопроменевого розсіяння. На рис. 14.6 наведено залежності BER від SNR для каналу з релєєвськими завмираннями, а на рис. 14.7 — для каналу “типу 1”. Також на рис. 14.6 показані криві 1, 3, 5 і 6, які зображують техніку просторово-часового кодування за допомогою блокового коду Аламоуті з різною кількістю передавальних антен. З аналізу отриманих співвідношень між BER і SNR без врахування кодування можна визначити необхідні значення SNR для підтримки в каналі заданого BER при застосуванні різних видів маніпуляцій (табл. 14.1). З таблиці видно, що досягнення необхідного рівня BER в каналах з релєєвськими завмираннями потребує обов’язкового канального кодування та застосування різного виду техніки боротьби із завмираннями в радіоканалі (рознесення та lg(BER) 0 −1 −2
2
−3
11
4 6
−4 1 −5
7
5
14 8 9
3
−6 10 12 16 20 24
12 13
28 32
10
36 40 44 48
52 SNR, дБ
Рис. 14.6. Залежності імовірності бітової помилки від відношення сигнал/шум для різних видів маніпуляції в каналі з релєєвськими завмираннями: 1 — ФМ2 (1×4); 2 — ВФМ4; 3 — ЧМ2 (1×4); 4 — ВФМ2; 5 — ФМ2 (1×2); 6 — ЧМ2 (1×2); 7 — ФМ2; 8 — ФМ4, ЧМ2; 9 — ФМ8, АІM4; 10 — ВФМ8, КАМ16; 11 — ФМ16, КАМ32; 12 — АІМ8; 13 — ВФМ16, КАМ64; 14 — АІМ16
162
Розділ 5
ін.). Як і в стандартах мобільного зв’язку, необхідно підтримувати мінімальний рівень SNR, при якому в радіоканалі без кодування забезпечується BER ≤ 10 −3. Це дає змогу успішно використовувати при ініціалізації зв’язку відомі методи конкурентного доступу із залученням простих видів маніпуляцій. lg(BER) 0 −1
7
1 −2
5
2
−3
8 9
4
−4 −5
3 −6
6
6
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34
36 SNR, дБ
Рис. 14.7. Залежності імовірності бітової помилки маніпуляцій ФМ4 (1, 2, 3), КАМ16 (4, 5, 6) та КАМ64 (7, 8, 9) від відношення сигнал/шум для різних моделей каналу: 1, 4, 7 — “типу 1” згідно зі стандартом IEEE 802.16—2004 з кодом Ріда— Соломона RS (255, 240); 2, 5, 8 — “типу 1” згідно зі стандартом IEEE 802.16—2004 без кодування; 3, 6, 9 — АБГШ Таблиця 14.1. Значення відношення сигнал/шум різних видів маніпуляцій для заданого значення імовірності бітової помилки та виду моделі каналу
SNR, дБ Вид маніпуляції
10 −3 АБГШ
10 −6
10 −9
Релєєв“Типу Релєєв“Типу РелєєвАБГШ АБГШ ський 1” ський 1” ський
ФМ2 ФМ4 ФМ8 ФМ16 ФМ32
6,8 9,8 14,8 20,3 26,2
6,8 9,8 18 —
24 26 28 32 —
10,5 13,5 18,7 24,4 30,3
12 14,8 23 —
52 56 58 62 —
12,5 15,5 20,8 26,5 32,5
84 87 88 92 —
ВФМ2 ВФМ 4 ВФМ 8 ВФМ 16
7,9 12,2 17,8 23,3
8 12,5 23 —
26 28 31 35
11,2 15,8 21,7 27,4
12 17 25 —
52 58 61,2 65
13 17,9 23,8 29,6
84 87 91 95
163
Сучасні телекомунікаційні системи Кінець табл. 14.1
SNR, дБ Вид маніпуляції
BER ⋅ 10
−3
BER ⋅ 10 −6
BER ⋅ 10 −9
АБГШ
Релєєв“Типу Релєєв“Типу РелєєвАБГШ АБГШ ський 1” ський 1” ський
ЧМ2
9,8
10
30
13,5
14
60
16,6
90
MSK2 MSK4
6,75 9,75
6,8 9,8
27 30
10,5 13,5
11 14,5
— —
12,5 15,6
— —
AІM2 AІM 4 AІM 8 AІM 16 AІM 32
6,8 13,5 19,4 25,3 31,2
— — — — —
— 60 67 — —
12,5 19,4 25,7 31,6 37,6
— — — — —
16,5 19,7 22,5 25,5 28,4
25 30 35 40 − 33 35 38 — —
10,4 17,3 23,4 29,4 35,4
КAM16 КAM32 КAM64 КAM128 КAM256
7 15 25 − − 17 22 27 — —
20,4 23,6 26,6 29,6 32,6
21,8 26 39,5 — —
62 65 68 — —
22,3 25,7 28,7 31,7 34,7
— — — — —
Виходячи з аналізу національної таблиці “Розподіл смуг частот між радіослужбами України” для СШР ММДХ як системи, що може бути віднесена до фіксованої й рухомої служб, розглянемо такі смуги частот у довгохвильовій частині ММДХ (як найбільш освоєної частини діапазону апаратними засобами й елементною базою): 31,5—33,4; 39,5—40,5; 42,5—43,5; 50,2—51,4; 54,25—58,2 і 59—64 ГГц. Розглядаючи енергетику радіолінії ММДХ, необхідно враховувати ослаблення поширення радіохвиль даного діапазону в умовах наявності опадів, особливо у вигляді дощу. Відповідно до рекомендації МСЕ-Р Р.837-4 “Characteristics of Precipitation for Propagation Modelling” для центральної та більшої частини України інтенсивність дощу з середньорічною імовірністю 0,01 % становить R (0,01) = 30 мм/год. Загальне ослаблення поширення радіохвиль через тропосферу і стратосферу може бути визначено за допомогою формули [29] 2
2
Lsum = LO + L H O + L rain , 2
2
де LO , LH O і L rain — ослаблення в кисні (сухому повітрі), парах 2
2
води і в умовах дощу, відповідно. Всі ці ослаблення можна знайти за допомогою даних, наведених у праці [30]. 164
Розділ 5
Отримані значення ослаблення радіохвиль для діапазону частот, що розглядається, із врахуванням вертикальної (V ) і горизонтальної (H ) поляризації наведені в табл. 14.2. Таблиця 14.2. Ослаблення в газах атмосфери і дощу з інтенсивністю опадів R = 30 мм/год Ослаблення, дБ/км Частота, ГГц 32,5 40 43 51 56 60
в кисні LO 2 0,03 0,05 0,07 0,4 8 16
в парах води LH 2O
в умовах дощу Lrain при поляризації
0,08 0,09 0,1 0,15 0,2 0,25
5,61 7,2645 7,863 9,286 10,056 10,612
V
H 6,66 8,42 9,04 10,506 11,288 11,848
сумарне Lsum при поляризації V 5,64 7,315 7,934 9,687 18,058 26,615
H 6,69 8,47 9,114 10,91 19,29 27,85
Очевидно, що домогтися значення BER ≤ 10 −6 в приймальній системі ММДХ можна тільки залученням технік прямого корегування помилок і рознесення [31]. При цьому для декодування можна застосовувати згорткове кодування (Convolution Coding), згорткове турбокодування (Convolution Turbo Coding) зі змінною швидкістю коду і повторним кодуванням, блокове турбокодування (Block Turbo Coding), кодування низької щільності з перевіркою на парність LDPC (Low Density Parity Check Coding). У випадку релєєвських завмирань для мобільної СШР високу ефективність демонструє кодування з бітовим перемежовуванням BICM (BitInterleaved Coded Modulation), для якого на рис. 14.8 наведено залежності BER від SNR. Комбінації різних маніпуляцій і кодових швидкостей забезпечують дуже зручне настроювання пропускної спроможності системи для передачі даних. Тепер можна обчислити необхідне співвідношення між потужністю передавача БС РПРД та радіусом максимальної зони покриття згідно з методикою, викладеною в [32]. На рис. 14.9 наведено результати розрахунку необхідної РПРД прямого каналу радіосистеми в умовах прямої видимості, що має КП антени передавача 16 дБі і приймача − 24 дБ, КШ = 6 дБ, наскрізну смугу частот 50 МГц (на вході приймального радіотерміналу підтримується значення SNR = = 26 дБ). З рисунка видно, що вплив опадів на ослаблення ра165
Сучасні телекомунікаційні системи lg(BER) 0 −1 4
−2
8 11
9
1 −3 2
3
5
12
−4 7 6
−5
10
−6 0
5
10
15
20
25 SNR, дБ
Рис. 14.8. Залежності імовірності бітової помилки від відношення сигнал/шум для ряду маніпуляцій у каналі з АБГШ та з BICMкодуванням: 1 — ФМ4, r = 1/2; 2 — ФМ4, r = 2/3; 3 — ФМ4, r = 3/4; 4 — ФМ4, r = 1; 5 — КАМ16, r = 1/2; 6 — КАМ16, r = 2/3; 7 — КАМ16, r = 3/4; 8 — КАМ16, r = 1; 9 — КАМ64, r = 1/2; 10 — КАМ64, r = 2/3; 11 — КАМ64, r = 3/4; 12 — КАМ64, r = 1 (r — швидкість кодування)
PПРД, дБм 30
6 20 1
2
3
4
5
10 8
9
10
11 12
7
0
−10 0
100
200
300
400
d, м
Рис. 14.9. Залежності необхідної потужності передавача РПРД БС від максимальної відстані між БС і радіотерміналом, на вході якого підтримується SNR = 26 дБ, в умовах дощу з R = 30 мм/год (3, 4, 6, 10, 11, 12) і в ясну погоду (1, 2, 5, 7, 8, 9 ) для діапазонів частот, ГГц: 1, 3 — 60; 2, 4 — 56; 5, 6 — 51; 8, 10 — 43; 9, 11 — 40; 7, 12 — 32,5
діохвиль на трасі зменшується на малих відстанях від передавача БС, причому різниця в ослабленні для розглянутих діапазонів частот також зменшується з укороченням відстані між передавачем і приймачем. Отже, побудова широкосмугових радіосистем ММДХ рівня стільника і мікростільника цілком можлива, а це відкриває великі можливості щодо створення високошвидкісних розподілених систем ММДХ не тільки фіксованої служби, а й рухомої. 166
Розділ 5
Треба зауважити, що для систем з малим радіусом дії застосування вузьконаправлених антен може створити велику проблему, пов’язану з можливістю роботи антен радіотерміналів у ближній зоні й зоні Френеля, де діаграма спрямованості (ДС) антени ще не сформована, а початок дальньої зони dF (зони Фраунгофера) може сформуватися тільки поблизу межі зони дії системи. Це особливо актуально для малих довжин хвиль у ММДХ, тому що значення початку зони Фраунгофера обернено пропорційне довжині хвилі λ: 2 dF = 2D / λ, де D — максимальний лінійний розмір апертури антени. Для розглянутих частотних діапазонів на рис. 14.10 показана залежність dF від максимального лінійного розміру апертури. З рисунка видно, що для D > 0,17 м (для апертурної антени КП > 27 дБі) необхідна відстань для формування ДС перевищує 10 м. dF, м
1
10
2
3
4
5
6
1
0,1
0
0,05
0,10
0,15
0,20
D, м
Рис. 14.10. Залежності початку зони Фраунгофера від максимального лінійного розміру апертури антени для діапазонів частот, ГГц: 1 — 60; 2 — 56; 3 — 51; 4 — 43; 5 — 40; 6 — 32,5
Зазначимо, що одним із шляхів покращення характеристик радіоканалу, тобто наближення його до каналу з АБГШ, є використання двох технік: • супровідного юстирування та підстроювання напрямку антени абонентського терміналу [33]; • інтелектуальних антен (ІА) — з перемиканням чи адаптивних. Розташування ІА на абонентському терміналі дозволяє не встановлювати ІА на БС, що зменшує обчислювальну роботу процесора БС. Якщо ІА розмістити ще й на БС, то така система буде ще більш ефективна, але дорожча. Однак на БС можна встановити антену із перемиканням ДС, а не адаптивну, що значно знизить витрати. 167
Сучасні телекомунікаційні системи
Як приклад, антенна система терміналу може складатися з двох підсистем: основної ІА, через яку проводиться сеанс зв’язку, і пілотної антени, яка знаходить напрямок приходу кращого сигналу (SNR) і, тим самим, визначає напрямок наступного перенацілювання ІА. Слід зазначити, що функцію пілотної антени може виконувати й сама ІА, але тоді дуже зростають вимоги до обчислювальних ресурсів, що веде до різкого збільшення вартості системи з ІА. Характеристики OFDM-сигналу радіосистем мобільного зв’язку ММДХ. Можливість задіяти широку частотну смугу для радіосистем зв’язку міліметрового діапазону довжин хвиль дозволяє збільшити їх ПС. Однак при цьому така широкосмугова радіосистема, особливо у випадку рухомої служби (повністю мобільна система), стикається з рядом проблем: зниження завадостійкості; потреба в збільшенні рівня переданої потужності (для підтримки на необхідному рівні відношення сигнал/шум); можливість виникнення швидких і частотно-селективних завмирань, що може повністю нівелювати очікуване збільшення ПС [34]. Одним із кардинальних рішень зазначених вище проблем може бути застосування для мобільних радіосистем ММДХ не простої модуляції з однією несучою, а методу модуляції з багатьма піднесучими OFDM. Це пов’язано з тим, що саме OFDM може ефективно повернути частотно-селективний канал у частотно-неселективний із плоскими завмираннями за допомогою розділення високошвидкісного потоку на ряд паралельних низькошвидкісних підпотоків. Існуючі на даний час радіосистеми (мобільний WiMAX та ін.), що підтримують мобільність і використовують OFDM-сигнал, призначені переважно для роботи в діапазонах частот, менших за 5 ГГц. Відомі радіосистеми ММДХ із OFDM використовуються для роботи всередині приміщень і формування пікостільникової структури в рамках фіксованої служби. Прикладом опису такої радіосистеми персонального рівня може послужити стандарт IEEE 802.15.3с. У цьому зв’язку привертає увагу проблема розрахунку й аналізу OFDM-сигналу, призначеного для мікростільникових і стільникових широкосмугових радіосистем мобільного зв’язку ММДХ. Однією з важливих характеристик OFDM-сигналу є величина рознесення між піднесучими Δfс, що значною мірою визначає умови роботи каналу з повільними завмираннями в часовій області і частотно-неселективними завмираннями в частотній області. При виборі Δfс варто визначити інтервал зміни його припустимих значень. Нижню межу значень Δfс визначає максимальний доплерів168
Розділ 5
ський зсув fD = f v/c0 (де v — швидкість руху терміналу відносно БС; f — частота несучої; c0 — швидкість світла), при якому відсутнє перекручування, пов’язане зі швидкими завмираннями. На рис. 14.11 наведено залежність максимального доплерівського зсуву fD від швидкості руху терміналу абонента для кількох діапазонів частот. fD, кГц 12 2
8
3
1 5
4
0
6
4
0
50
100
150
200
v, км/год
Рис. 14.11. Залежності максимального доплерівського зсуву fD від швидкості руху терміналу абонента для кількох діапазонів частот, ГГц: 1 — 60; 2 — 56; 3 — 51; 4 — 43; 5 — 40; 6 — 32,5; пунктирні лінії — значення смуг когерентності
Нижня межа Δfс може бути обрана із співвідношення Δfс × 10fD [35]. Верхню межу швидкості передачі сигналів внаслідок їх дисперсії встановлює ширина смуги когерентності Δf0, при якій відсутнє частотно-селективне перекручування. Смуга когерентності пов’язана з максимальним середньоквадратичним розкидом затримки поширення τrms за допомогою оберненої залежності Δ f0 = 1/(αВ τrms), де αВ — коефіцієнт, який дорівнює 5 або 50 залежно від значення частотної кореляції 50 або 90 %, відповідно. Згідно з [36] отримані значення τrms у процесі вимірювань і моделювання різних каналів мобільного зв’язку знаходяться в межах від 5 до 300 нс всередині приміщень. Для мікростільника τrms звичайно дорівнює 0,35—2 мкс, а для макростільника — 5 і більше мкс. При цьому τrms сильно залежить від виду навколишньої місцевості (плоска, горбкувата та ін.). У нашому випадку ми обмежимося роботою в межах мікростільника, тобто нас цікавлять значення τrms, що становлять 1, 2 або 3 мкс. 169
Сучасні телекомунікаційні системи
Із результатів проведених розрахунків видно, що зі зростанням частоти припустимий інтервал зміни значень Δfс зменшується, що призводить до істотного обмеження його вибору. Щоб збільшити інтервал змін Δfс у ММДХ варто вибирати τrms якомога менше, але це, у свою чергу, веде до зменшення середнього радіуса дії стільника lrms і, відповідно, до переходу від мікростільникових до пікостільникових систем (наприклад, стандарт IEEE 802.15.3c). Таким чином, очевидно, що із зростанням частоти більш широкий вибір можливих значень Δfс при високій швидкості руху (повній мобільності абонентського терміналу) дають системи з меншим радіусом дії. В OFDM-сигналі значення Δfс залежить від частоти дискретизації Fs і розміру швидкого перетворення Фур’є NFFT (кількості піднесучих) у вигляді Δfс = Fs/NFFT. Частота дискретизації при реалізації швидкого перетворення Фур’є обмежується можливостями обчислювальної потужності сучасних цифрових схем і є порядку 100—120 МГц. Подальше збільшення Fs вимагає застосування складних витратних методів одержання піднесучих, наприклад формування спеціального гребінчастого спектра з індивідуальною обробкою кожної з піднесучих. Після визначення Δfс і прийняття до уваги впливу фазового шуму можна провести остаточний розрахунок основних параметрів OFDM-сигналу: тривалість використовуваного символу Tb = 1/Δfс; тривалість циклічного префіксу Tg = G Tb, де G — відношення захисного періоду з типовими значеннями 1/4, 1/8, 1/16 чи 1/32 (в подальшому буде використовуватись G = 1/8); загальна довжина OFDM-символу — Ts = Tb + Tg; кількість використовуваних піднесучих — Nused (згідно з рекомендаціями IEEE 802.16 множина Nused ∈ {106, 200, 433, 865, 1729} співвідноситься з відповідними значеннями множини NFFT ∈ {128, 256, 512, 1024, 2048}); кількість пілотних піднесучих — NPilot — визначається з вимог до синхронізації піднесучих [37]. Слід зазначити, що вибір Tg буде зумовлювати відстань припустимої затримки lT = c 0Tg (с0 — швидкість світла) для OFDM-сигналу. g
Крім того, необхідно порівнювати тривалість символу Ts з часом когерентності Т0 з метою перевірки виконання умов наявності 170
Розділ 5
в каналі тільки повільних завмирань, тобто виконання нерівності Т0 > Ts. Таблиця 14.3. Параметри OFDM-сигналу груп А і В (n = 8/7, G = 1/8, швидкість кодування vк = ѕ) Значення для підгруп
Параметри A1 Δ f, MГц
20
A2
A3
40
80
A4 160
B1 25
B2 50
B3 100
B4 200
NFFT
256
512
1024
2048
256
512
1024
2048
Nused
200
433
865
1729
200
433
865
1729
Fs, ГГц
22,8571 45,7143 91,4286 182,8571 28,5714 57,1429 114,2857 228,5714
Δ fс, MГц
0,08928571
0,11160714
Tb, мкс
11,2
8,96
Tg, мкс
1,40
1,12
lTg, м
420
336
12,60
10,08
Ts, мкс С, Мбіт/с при: ФМ2
11,9
25,77
51,49
102,92
14,88
32,22
64,36
128,65
ФМ4
23,81
51,55
102,98
205,83
29,76
64,43
128,72
257,29
КАМ16
47,62
103,1
205,95
411,67
59,52
128,87
257,44
514,58
КАМ64
71,43
154,64
308,93
617,5
89,29
193,30
386,16
771,88
15,87
34,37
68,65
137,22
19,84
42,96
85,81
171,53
31,75
68,73
137,30
274,44
39,68
85,91
171,63
343,06
С0, Мбіт/с при: ФМ2 ФМ4 КАМ16
63,49
137,46
274,60
548,89
79,37
171,83
343,25
686,11
КАМ64
95,24
206,19
411,91
823,33
119,05
257,74
514,88
1029,17
Інформаційна швидкість передачі бітів в OFDM-сигналі з кодуванням С і загальна швидкість передачі з кодуванням С0 визначалися згідно з методикою [38]. З використанням наведеної вище методики розрахунку і з огляду на частотну нестабільність для довгохвильової частини ММДХ розраховані OFDM-сигнали ММДХ, які були розділені на групи від А до G зі спектральною ефективністю більше 90 %. Перші дві групи сигналів А і В (табл. 14.3) призна171
Сучасні телекомунікаційні системи
чені саме для рухомої служби, а інші групи орієнтовані, головним чином, на фіксовану службу, що працює в умовах релєєвських завмирань. Можливість застосування отриманих OFDM-сигналів для мобільного зв’язку в діапазонах частот 32,5, 40, 43, 51, 56 і 60 ГГц оцінювалася за допомогою розрахунку значень інтерференції CIR між піднесучими при русі радіотерміналу згідно з методикою [39]. Результати розрахунків наведено на рис. 14.12. Для порівняння на рисунку наведені також розрахунки CIR OFDM-сигналів мобільної технології WiBro, що використовується для роботи в довгохвильовій частині сантиметрового діапазону. Із рисунка видно, що OFDM-сигнал, який призначений для WiBro, має значно нижчі значення CIR в ММДХ, ніж OFDM-сигнали, що були спеціально розроблені для цього діапазону. CIR, дБ 50 1 40
2
7 3
30
4
20
5
6
8
10 0
50
100
150
200
9 250
ν, км/год
Рис. 14.12. Залежності CIR OFDM-сигналу (NFFT = 1024) групи В (1—6) і WiBro (7— 9) від швидкості руху терміналу абонента для частот, ГГц: 1 — 32,5; 2,8 — 40; 3 — 43; 4, 9 — 51; 5 — 56; 6 — 60; 7 — 3,5
Із проведених розрахунків й аналізу запропонованих параметрів OFDM-сигналу видно, що підвищення частоти, швидкості руху і смуги частот ведуть до зменшення відстані дії припустимої затримки, що, у свою чергу, спричиняє зменшення радіуса робочої зони системи з OFDM аж до пікостільника. З іншого боку, збільшення коефіцієнта захисного періоду G і кількості піднесучих призводить до зростання радіуса зони дії радіосистеми, але знижує швидкість передачі.
172
Розділ 5
Оскільки збільшення значень NFFT обмежене можливостями цифрової обробки, то при значному зростанні Δf і незмінному NFFT підвищується ймовірність виникнення частотно-селективних завмирань. Крім того, збільшення Δ f і NFFT вимагає також підвищення рівня випромінюваної потужності. Таким чином, ситуація, що склалася на даний час щодо розвитку СШР ММДХ, підтверджує актуальність і перспективність даного напрямку, але при цьому демонструє для радіосистем, головним чином зовнішньої установки, цілий ряд невирішених проблем, що гальмують реалізацію радіосистем ММДХ як перспективних безпроводових систем з гігабітною швидкістю передачі. До таких проблем можна віднести такі: • накладення на повільні релєєвські завмирання значних додаткових завмирань, зумовлених різними атмосферними явищами (насамперед, опадами); • перевага роботи радіосистем в умовах прямої видимості; • збільшення впливу ефекту Доплера із зросанням частоти; • значна довжина зони Фраунгофера, що робить небезпечним використання вузьконаправлених антен у мікро- і пікостільниках; • висока відбивна здатність хвиль ММДХ, яка може викликати збільшення амплітуди завмирань при багатопроменевому розсіюванні; • необхідність розширення меж адаптивного керування потужністю; • зниження рівня вихідної потужності генеруючих пристроїв із зростанням частоти; • забезпечення високої стабільності генеруючих пристроїв і їх синхронізації; • невизначеність у виборі оптимального виду модуляції для систем ММДХ; • істотно вища вартість аналогової елементної бази ММДХ відносно низькочастотної; • складність реалізації цифрової обробки сигналу з широкою смугою пропущення через високі необхідні значення частоти дискретизації; • надлишкова (необґрунтовано велика) широкосмуговість, яка веде до зниження завадостійкості системи, потреби в збільшенні рівня переданої потужності (для підтримки на необхідному рівні відношення сигнал/шум), можливості виникнення швидких і 173
Сучасні телекомунікаційні системи
частотно-селективних завмирань, а також фазових перекручувань на краях смуги пропускання; • системна архітектура, що практично дублює побудову низькочастотних систем, які не враховують особливостей ММДХ; • часте неврахування при побудові стільникової мережі ММДХ того, що вона є системою з обмеженим рівнем інтерференції. Для розв’язання перерахованих проблем у СШР ММДХ необхідне застосування нових телекомунікаційних технологій і підходів до системної побудови. Це зумовлює такі напрямки розвитку СШР ММДХ: • зменшення розміру зони дії одного антенного елемента (сектора базової станції) до рівня мікро- і пікостільника; • побудова мережі ММДХ відповідно до концепції розподілених систем при залученні технологій розподілених антенних систем і гібридного з’єднання оптоволокно—радіо; • доцільність в умовах міської забудови використання хвилеводного ефекту поширення хвиль уздовж вулиць за рахунок високої відбивної здатності ММДХ; • реалізація повністю мобільних широкосмугових систем ММДХ із використанням модуляції з багатьма несучими і з однією несучою із включенням циклічного префікса; • вибір оптимальних з погляду спектральної ефективності і складності реалізації цифрових видів маніпуляції; • реалізація технології MIMO (Multiple Input-Multiple Output) та її різновидів кооперативної ретрансляції; • посилена увага до адаптації за потужністю; • збільшення пропускної спроможності до гігабітних швидкостей передачі; • підвищення стабільності генеруючих пристроїв використанням цифрових синтезаторів частоти або квантових генераторів; • збільшення частки цифрових сигнальних процесорів і програмувальних мікросхем у складі устаткування ММДХ і створення багатодіапазонних систем; • зниження енергоспоживання в абонентських терміналах; • створення мереж з ретрансляцією типу “ad hoc” і “mesh” з використанням вузьконаправлених антен; • побудова комбінованих систем, що використовують устаткування ММДХ і низькочастотних діапазонів також; • застосування інтелектуальних адаптивних антенних ґрат і антенних систем супроводження для мобільних систем ММДХ; 174
Розділ 5
• реалізація квазіоптичного підходу до побудови радіосистем СММДХ; • розширення області застосування систем ММДХ від звичайних фіксованої і супутникової служб до зв’язку між транспортними засобами на дорогах і на аероплатформах у стратосфері. Ñïèñîê ëòåðàòóðè 1.
2.
3. 4.
5. 6.
7.
8. 9.
10.
11.
12.
13.
Ільченко М.Ю., Кравчук С.О. Становлення нового виду телекомунікацій — систем широкосмугового бездротового доступу // Винахідник і раціоналізатор. — 2004. — № 9. — С. 14—21. Ильченко М.Е., Кравчук С.А. Информационно-телекоммуникационные системы широкополосного радиодоступа // Пробл. управления и информатики. — 2006. — № 1-2. — С. 285—293. Микроволновые технологии в телекоммуникационных системах / Т.Н. Нарытник, М.Е. Ильченко, С.А. Кравчук и др. — К.: Техніка, 2000. — 304 с. Микроволновая интегрированная телерадиоинформационная система / М.Е. Ильченко, Т.Н. Нарытник, В.Н. Денисенко и др. // Изв. вузов. Радиоэлектроника. — 1999. — 42, № 11. — С. 40—50. Ільченко М.Ю., Кравчук С.О. Мікрохвильова телекомунікаційна розподільна система // Винахідник і раціоналізатор. — 2004. — № 6. — С. 18—21. Кравчук С.А. Проблемы развития MIMO-технологии // Зб. матеріалів наук.техн. конференції ПТ-07 “Проблеми телекомунікацій”, 25—27 квітня, 2007 р., м. Київ. — К..: НТУУ “КПІ”, 2007. — С. 53—54. Mitola J. Cognitive Radio for Flexible Multimedia Communications // IEEE International Workshop “Mobile Multimedia Communications” (MoMuC ′99). — 1999. — Р. 3—10. Mitola J. Cognitive Radio Architecture: The Engineering Foundations of Radio. — London; New York: WILEY, 2006. — 473 p. Understanding UMTS Radio Network Modelling, Planning and Automated Optimisation. Theory and Practice / Edited by M.J. Nawrocki, M. Dohler, A.H. Aghvami. — London; New York: John Wiley & Sons Ltd, 2006. — 548 р. Создание сетей с интеграцией услуг на базе микроволновых телерадиоинформационных систем. Ч. 1. / Т.Н. Нарытник, С.А. Кравчук, М.Е. Ильченко, А.Я. Савченко // Зв’язок. — 1999. — № 6. — С. 14—18. Создание сетей с интеграцией услуг на базе микроволновых телерадиоинформационных систем. Ч. 2. / Т.Н. Нарытник, С.А. Кравчук, М.Е. Ильченко, А.Я. Савченко // Там же. — 2000. — № 1. — С. 36—37. Широкосмугові мікрохвильові розподільні системи і їх застосування в наземних мережах Інтернет-доступу / М.Ю. Ільченко, Т.М. Наритник, С.О. Кравчук, Б.О. Непомящий // Наукові вісті НТУУ “КПІ”. — 2002. — № 6. — С. 15—26. Патент України № 5319 на корисну модель “Універсальна мультимедійна дистрибутивна система UMDS” / М.Ю. Ільченко, Т.М. Наритник, С.О.Кравчук та ін. // Бюл. № 3. — 2005.
175
Сучасні телекомунікаційні системи 14. Architecture for a Future Generation Multi-Access Wireless System with Dynamic Spectrum Allocation / R. Tonjes, P. Benko, J. Huschke, T. Lohmar etc. // MMC 2000, Workshop on Multiradio Multimedia Communications. Provisioning the Future Mobile Internet in the Car, Berlin, 29—30 November, 2000. — P. 00-10-02 01 — 0010-02 13. (http://www.ist-drive.org). 15. Величко В.В. Передача данных в сетях мобильной связи третьего поколения / Под ред. чл.-кор. РАН Ю.Б. Зубарева. — М.: Радио и связь, Горячая линия— Телеком, 2005. — 332 с. 16. Концепция применения миллиметровых и субмиллиметровых электромагнитных волн в телекоммуникационных информационных системах / Б.М. Булгаков, С.А. Кравчук, Т.Н. Нарытник и др. // Радиотехника. — 2003. — Вып. 133. — С. 9—19. 17. Телекоммуникационные системы и технологии миллиметрового диапазона волн / Т.Н. Нарытник, С.А. Кравчук, М.Е. Ильченко и др. // Матер. 7-й Междунар. Крымской микроволновой конф. КрыМиКо′ 97 “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии”, 15—18 сентября 1997 г., Севастополь, Крым, Украина. Т. 1. — Севастополь, 1997. — С. 50—55. 18. Сучасні уніфіковані цифрові мікрохвильові радіорелейні системи / В.М. Чміль, С.О. Кравчук, М.М. Кайденко та ін. // Винахідник і раціоналізатор. — 2004. — № 6. — С. 22—25. 19. Кравчук С.А., Липатов А.А. Современные телекоммуникационные технологии диапазона миллиметровых волн // Матер. 12—й Междунар. конф. КрыМиКо′ 2002 “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии”, 9—13 сентября 2002 г., Севастополь, Крым, Украина. — Севастополь: Вебер, 2002. — С. 41—42. 20. Yong S.K., Chong C.C. An Overview of Multigigabit Wireless through Millimeter Wave Technology: Potentials and Technical Challenges // EURASIP Jornal on Wireless Communications and Networking. — 2007. — ID 78907. — P. 1—10. 21. Кравчук С.А. Система широкополосного радиодоступа миллиметрового диапазона длин волн с распределенной сотовой архитектурой // Электроника и связь. Тем. вып. “Проблемы электроники”. — 2008. — № 1-2. — С. 193—195. 22. Saleh A.M., Rustako A.J., Roman R.S. Distributed antenna for indoor radio communications // IEEE Trans. Commun. — 1987. — COMM-35, N 12. — Р. 1245— 1251. 23. Микроволновые устройства телекоммуникационных систем. В 2 т. Том 2: Устройства приемного и передающего трактов. Проектирование устройств и реализация систем / М.З. Згуровский, М.Е. Ильченко, С.А. Кравчук, Т.Н. Нарытник, Ю.И. Якименко. — К.: ІВЦ “Видавництво “Політехніка”, 2003. — 616 с. 24. Кравчук С.А. Проблемы развития MIMO технологии // Зб. тез наук.-техн. конф. ПТ-07 “Проблеми телекомунікацій”, 25—27 квітня, 2007 р., Київ. — К.: НТУУ “КПІ”, 2007. — С. 53—54. 25. Godara L.C. Smart Antennas. — London; New York; Washington: CRC PRESS, 2004. — 458 p. 26. Li C.P., Haas Z.J. Macrodiversity techniques for improvement in BER in wireless systems // Electronics Letters. — 1997. — 33, N 7. — P. 556—557. 27. Кравчук С.О. Система адаптації по потужності до зміни погодних умов для мікрохвильової системи широкосмугового радіодоступу // Наукові вісті НТУУ “КПІ”. — 2003. — № 4. — С. 27—34.
176
Розділ 5 28. Principles of Communication Systems Simulation with Wireless Applications / W.H. Tranter, K.S. Shanmugan, T.S. Rappaport, K.L. Kosbar. — New York; London: Prentice Hall, 2003. — 800 p. 29. Кравчук С.А. Моделирование распространения волн сантиметрового и миллиметрового диапазонов в тропосфере и стратосфере для прогнозирования линий связи стратосферных и спутниковых систем // Матер. 15-й Междунар. конф. КрыМиКо′ 2005 “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии” в 2-х т., 12—16 сентября 2005 г., Севастополь, Крым, Украина. Т. 1. — Севастополь: Вебер, 2005. — С. 290−291. 30. Микроволновые устройства телекоммуникационных систем. В 2 т. Т. 1: Распространение радиоволн. Антенные и частотно-избирательные устройства / М.З. Згуровский, М.Е. Ильченко, С.А. Кравчук, Т.Н. Нарытник, Ю.И. Якименко. — К.: ІВЦ «Видавництво “Політехніка”», 2003. — 456 с. 31. Золотарев В.В., Овечкин Г.В. Помехоустойчивое кодирование. Методы и алгоритмы: Справочник / Под ред. чл.-кор. РАН Ю.Б. Зубарева. — М.: Горячая линия—Телеком, 2004. — 126 с. 32. Кравчук С.О. Дослідження втрат на поширення радіохвиль в умовах міської забудови для системи WiMAX // Наукові вісті НТУУ “КПІ”. — 2007. — № 5. — С. 30—35. 33. Лоза В.Я., Кравчук С.А. Технология отслеживания мобильного абонента в сотовой системе широкополосного радиодоступа миллиметрового диапазона волн // Сб. матер. 4-й Междунар. науч.-техн. конф. “Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций”, 21—25 апреля, 2008 г., Севастополь, Крым. — Севастополь, 2008. — С. 91. 34. Кравчук С.А., Лоза В.Я. Проблемы выбора частотной полосы и вида модуляции для систем широкополосного радиодоступа миллиметрового диапазона волн // Зб. матер. 2-ї Міжнар. наук.-техн. конф. “Проблеми телекомунікацій”, 20— 23 травня 2008 р., Київ, Україна. — К., 2008. — С. 130—132. 35. Yaghoobi H. Scalable OFDMA Physical Layer in IEEE 802.16 WirelessMAN // Intel Technology Jornal. — 2004. — 8, N 3. — P. 201 — 212. 36. Understanding UMTS Radio Network Modelling, Planning and Automated Optimisation. Theory and Practice / Edited by M.J. Nawrocki, M. Dohler, A. H. Aghvami. — New York, Lоndon: John Wiley & Sons, 2006. — 546 p. 37. Li H., Li G. OFDM-Based Broadband Wireless Networks. Design and Optimization. — New York: John Wiley, 2005. 38. Веретюк С.М., Пілінський В.В. Можливість реалізації мобільного зв’язку на базі технології WiMAX // Электроника и связь. Темат. вып. “Проблемы электроники”, ч. 3. — 2007. — С. 116—119. 39. Performance Degradation of OFDM Systems Due to Doppler Spreading / T. Wang, J.G. Proakis, E. Masry, J.R. Zeidler // IEEE Trans. on Wireless on Communications. — 2006. — 5, N 6. — P. 1422—1432. 40. Cергієнко І.В. Невід’ємна складова інформатизації держави // Дзеркало тижня, № 36 (510), 4 вересня 2004 р. 41. Микроволновые устройства телекоммуникационных систем / М.З. Згуровский, М.Е. Ильченко, С.А. Кравчук, С.А. Нарытник, Ю.И. Якименко. — К.: Політехніка, 2003. — Т. 1. — 456 с.; Т. 2. — 615 с.
177
Сучасні телекомунікаційні системи 42. Ільченко М.Ю., Наритник Т.М., Кравчук С.О. та ін. Широкосмугові мікрохвильові розподільні системи і їх застосування в наземних мережах Інтернетдоступу // Наукові вісті НТУУ “КПІ”. — 2002. — № 6. — С. 15—26. 43. Кравчук С.О., Шонін В.О. Основи комп’ютерної техніки: Компоненти, системи, мережі. — К.: Каравела, 2006. — 344 с. 44. Кравчук С.А. Архитектура фиксированных систем широкополосного радиодоступа // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2003. — № 4. — С. 15—18. 45. Кучерявый Е.А. Управление трафиком и качество обслуживания в сети Интернет. — СПб.: Наука и техника, 2004. — 336 с. 46. Ильченко М.Е., Кайденко Н.Н., Кравчук С.А. Процесс конвергенции в телекоммуникационных сетях // Зб. матер. наук.-техн. конф. ПТ—07 “Проблеми телекомунікацій”, м. Київ, 25—27 квітня, 2007 р. — К.: НТУУ “КПІ”, 2007. — С. 14—15.
178
Ðîçäë 6
ÑÈÑÒÅÌÈ ÌÎÁ²ËÜÍÎÃÎ ÇÂ’ÿçêó
15. Ñèñòåìè ñòëüíèêîâîãî ìîáëüíîãî çâ’ÿçêó На початку 80-х ХХ ст. років у багатьох європейських країнах почався швидкий ріст телефонних систем мобільного зв’язку першого покоління (1G), заснованих на аналоговій технології. У кожній країні було розроблено власну систему, несумісну з іншими з погляду на устаткування і функціонування (табл. 15.1). Це призвело до того, що виникла необхідність у створенні загальної європейської системи мобільного зв’язку з високою пропускною спроможністю та зоною покриття всієї європейської території. Останнє означало, що ті самі мобільні телефони могли б використовуватися у всіх європейських країнах і що вхідні виклики повинні були автоматично направлятися в мобільний телефон незалежно від місцезнаходження користувача (автоматичний роумінг). Крім того, очікувалося, що єдиний європейський ринок із загальними стандартами приведе до здешевлення використованого устаткування та мережних елементів незалежно від виробника. І, нарешті, використання сучасної цифрової технології повинне було привести до зменшення габаритів портативних пристроїв і поліпшення функціональних можливостей і якості. У 1982 р. Європейська конференція поштових і телекомунікаційних відомств СЕРТ ухвалила рішення щодо створення спеціальної групи Groupe Special Mobile. Її метою була розробка єдиного європейського стандарту цифрового стільникового зв’язку. Було ухвалено рішення використати діапазон 900 МГц, а трохи пізніше, з огляду на перспективи розвитку стільникового зв’язку в Європі і в усьому світі, прийнято рішення про виділення для нового стандарту і діапазону 1800 МГц. Новий стандарт дістав назву GSM (Global System for Mobile Communications). Першою країною, що запустила мережу GSM, була Фінляндія, яка відкрила комерційну мережу цього стандарту в 1992 р. У наступному році у Великобри-
Сучасні телекомунікаційні системи
танії запрацювала перша мережа GSM-1800 One-2-One. З цього моменту починається глобальне поширення стандарту GSM по всьому світу [1]. Таблиця 15.1. Стандарти аналогового стільникового зв’язку першого покоління
Характеристика
AMPS
TACS
NMT (450/900)
NTT
C-450
RC2000
Частота зворотного 824—849 890—915 453—458/ каналу, МГц 890—915
925—940 450— 455,74
414,8— 418
Частота прямого каналу, МГц
869—894 935—960 463—468/ 935—960
870—885 460— 465,74
424,8— 428,0
Вид модуляції
FM
FM
FM
FM
FM
FM
Міжканальне рознесення, кГц
30
25
25/12,5
25
10
12,5
Кількість каналів
832
1000
180/1999
600
573
256
Багатостанційний доступ
FDMA
FDMA
FDMA
FDMA
FDMA
FDMA
У створенні мереж стільникового зв’язку другого покоління Європа і США також йшли різними шляхами. У 1990 р. американська Промислова Асоціація в області зв’язку TIA (Telecommunications Industry Association) затвердила національний стандарт IS-54 цифрового стільникового зв’язку. Цей стандарт більш відомий під абревіатурою D-AMPS або ADC. На відміну від Європи у США не були виділені нові частотні діапазони, тому система повинна була працювати в смузі частот, відведеної для аналогової системи AMPS. Таке рішення значно прискорило перехід американських мереж стільникового зв’язку на цифровий стандарт. Одночасно американська компанія Qualcomm почала активну розробку нового стандарту стільникового зв’язку, заснованого на технології шумоподібних сигналів і кодовому розділенні каналів, — CDMA (Code Division Multiple Access) (табл. 15.2). Японія стала третім світовим центром розвитку стільникового зв’язку другого покоління. У цій країні було розроблено власний стандарт стільникового зв’язку JDC (Japanese Digital Cellular), близький за своїми показниками до американського стандарту D-AMPS. Стандарт JDC було затверджено в 1991 р. Міністерством пошт і зв’язку Японії. 180
Розділ 6 Таблиця 15.2. Стандарти цифрового стільникового зв’язку другого покоління (2G)
Характеристика
GSM
IS-136
IS-95 (cdmaOne)
Частота зворотного каналу, МГц
890—915
824—849
824—849
Частота прямого каналу, МГц
935—960
869—894
869—894
810—830, 1429—1453 940—960, 1477—1501
Розносення несучих, кГц
200
30
1250
25
Кількість каналів
1000
2500
2500
3000
Вид модуляції
GMSK
π/4 DQPSK BPSK/QPSK
13
7,95
1,2—9,6 (змінна)
6,7
270,833
48,6
(1,2288 Мчіп/с)
42
Кодова швидкість
1/2
1/2
1/2 (DL), 1/3 (UL)
1/2
ISI зниження/ рознесення
Еквалайзер
Еквалайзер
RAKE, SHO
Еквалайзер
Багатостанційний доступ
TDMA/ Slow FH TDMA
CDMA
TDMA
Швидкість компресії голосу, кбіт/с Канальна швидкість передачі, кбіт/с
PDC
π/4 DQPSK
У 1993 р. TIA прийняла стандарт CDMA як внутрішній американський стандарт цифрового стільникового зв’язку, назвавши його IS-95. У вересні 1995 р. у Гонконгу було відкрито першу мережу цього стандарту. У другому поколінні мереж стільникового зв’язку були усунуті недоліки, властиві першому поколінню аналогових стільникових систем, і кількість абонентів стала стрімко зростати, досягши в середині 2005 р. двох мільярдів. Загальна кількість абонентів на даний час становить приблизно третину населення Земної кулі. Більша частина з них використовують мережі зв’язку стандарту GSM. Мережі цього стандарту працюють у 212 країнах світу. За прогнозами, до 2010 р. половина населення Землі буде мати мобільні телефони. Основний приріст кількості стільникових абонентів забезпечують великі регіони з найменш розвиненим ринком стільникового зв’язку, такі, як Китай, Індія, Східна Європа, Латинська Америка і Африка. В Україні на даний час стільниковий зв’язок забезпечують цілий ряд компаній-операторів. Зупинимось на кількох із них. Це 181
Сучасні телекомунікаційні системи
насамперед UMC (Ukrainian Mobile Communications), яка була заснована в 1992 р. і з 2007 р. має назву МТС. У 2003 р. 100 %-ним власником UMC став ВАТ “Мобільні ТелеСистеми” — найбільший оператор стільникового зв’язку в Росії, Східній та Центральній Європі за кількістю абонентів. Спільно зі своїми дочірніми компаніями МТС обслуговує понад 11,7 млн абонентів. Населення 58 регіонів Росії, а також Білорусі та України, де компанія має ліцензії на надання послуг у стандарті GSM, становить близько 169,2 млн осіб. Забезпечує мобільний зв’язок України в стандартах GSM900/1800 ЗАТ “Київстар GSM”, засноване в 1994 р. Мережа компанії розгорнута в 980 містах і 13 тис. населених пунктах України. На сьогоднішній день мережею охоплено 80 % території країни, де проживає 84 % українців. Міжнародний роумінг для контрактних абонентів компанії працює в 125 країнах світу. Контрольний пакет акцій компанії “Київстар” належить норвезькій телекомунікаційній компанії Telenor. Оператор Beeline представляє ЗАТ “Українські радіосистеми”, що засноване в 1995 р. З 2005 р. 100 % акцій компанії належать ВАТ “Вимпел комунікації”, одній із найбільших телекомунікаційних компаній на території Росії. На даний час мережа Beeline покриває більш ніж 500 населених пунктів України. З січня 2005 р. з’явився оператор мобільного стільникового зв’язку ВАТ “Астеліт” під маркою life:). “Aстеліт” є міжнародною компанією, 51 % акцій якої володіє турецька компанія Turkcell. Крім кількісного росту, стільникові мережі стали надавати безліч послуг нової якості (табл. 15.3). Найвідомішою і найпопулярнішою послугою стала передача коротких текстових повідомлень — SMS (Short Message Service). Бурхливий розвиток Інтернету наприкінці 90-х років ХХ ст. призвів до того, що багато користувачів стільникового зв’язку захотіли одержати доступ до цієї мережі зі своїх мобільних терміналів. Для цього технологію GSM було доповнено WAP-протоколом (Wireless Application Protocol). Але цей протокол мав ряд недоліків, зокрема він використовував для передачі даних голосовий канал, тому застосовувався абонентами стільникових мереж досить рідко. У рамках стандарту GSM було розроблено технологію GPRS (General Packed Radio Services), де використовується принцип розділення каналів для передачі голосу і даних, а також зберігається можливість приймати телефонні виклики і SMS-повідомлення під час GPRS-з’єднання. 182
Розділ 6 Таблиця 15.3. Покращення стандарту 2G до 2,5G
2G Стандарт
2,5G Покращений стандарт
Техніка
Швидкість передачі максимальна/ середня, кбіт/с
GSM
HSCSD
Агрегація таймслотів
57,6/14,4—57,6
GSM/IS-136
GPRS
Агрегація таймслотів з пакетною комутацією
140,8/56
GPRS з перемінними модуляцією/кодуванням
384/200
Агрегація з функціями Уолша
115/64
EDGE IS-95
IS-95b
Після появи технологій GPRS мережі стали іменуватися мережами зв’язку 2,5-го покоління. Розроблювачі і оператори тепер пропонують усе більше й більше додаткових послуг служб передачі даних і мультимедійних послуг. Так, було створено новий формат передачі повідомлень MMS (Multimedia Messaging Service). Він дозволяє відправляти з абонентського терміналу різну мультимедіа-інформацію, наприклад звукозапис, фотографії і навіть відеокліпи. Сьогодні абоненти мереж рухомого зв’язку активно користуються послугою передачі SMS. З’явився, наприклад, новий напрямок фінансової діяльності — SMS-банкінг, який дає змогу здійснювати дистанційне банківське обслуговування фізичних і юридичних осіб за допомогою обміну SMS-повідомленнями. Менш активно користувачі звертаються до інших послуг служб передачі даних. У звіті компанії Forrester Research (2005 р.) тільки 9 % європейських власників мобільних телефонів використовують їх для одержання інформації з мережі Інтернет. Активно ведуться роботи зі створення мереж зв’язку третього покоління. МСЕ розробив концепцію створення таких мереж — IMT-2000 (International Mobile Telecjmmunications). Під мобільним зв’язком третього покоління 3G (3-rd Generation) розуміємо мережу, що забезпечує такі швидкості передачі даних: • для абонентів з високою мобільністю (до 120 км/ч) — не менш 144 кбіт/с; • для абонентів з низькою мобільністю (до 3 км/ч) — 384 кбіт/с;
183
Сучасні телекомунікаційні системи
• для нерухомих об’єктів на коротких відстанях (всередині — офісний зв’язок) — 2,048 Мбіт/с. У мережах зв’язку третього покоління передача даних істотно домінує над передачею голосової інформації. Стандарт 3G містить у собі широкий спектр конкуруючих безпроводових технологій: UMTS (Universal Mobile Telecommunications Service) і CDMA. Система UMTS розроблена в Європі, заснована на еволюційному розвитку стандарту GSM і припускає тривале співіснування систем другого і третього покоління. Одним із кроків цієї еволюції стала технологія HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) – високошвидкісна передача даних з комутацією каналів. Вона базується на використанні існуючих GSM-каналів, в яких канальні інтервали об’єднуються в групи по чотири, створюючи загальний канал із пропускною здатністю 38,4 кбіт/с (4 канали по 9,6 кбіт/с) чи теоретично 57,6 кбіт/с (4 канали по 14,4 кбіт/с). Впровадження цієї технології не змінює інфраструктуру діючої мережі GSM, оскільки модифікуються лише протоколи верхнього рівня, роботу з якими забезпечує прикладна HSCSD-служба передачі даних. Наступним кроком на цьому етапі, як уже вказувалося, стала технологія GPRS, що забезпечує пакетну передачу на швидкості до 114 кбіт/с. Далі на шляху до UMTS передбачене застосування технології збільшеної швидкості передачі даних EDGE (Enhanced Data Rates for the Global Evolution) [2]. Процес еволюції від GSM до UMTS демонструє рис. 15.1, а структура UMTS наведена на рис. 15.2.
GSM 2G
HSCS
GPRS
EDGE
2,5G
UMTS 3G
Рис. 15.1. Еволюція технології GSM
В основі технології CDMA 2000 лежить принцип еволюційного переходу від вузькосмугових систем з кодовим розділенням каналів (стандарт IS-95) до широкосмугових систем CDMA (табл. 15.4). Відмінними рисами архітектури CDMA 2000 є: • можливість надання користувачам широкого комплексу послуг із забезпеченням вимог якості обслуговування для різних категорій користувачів;
184
Розділ 6
5 1
3
ATM/IP 6
2
ТМЗК
9
10
ІР-мережа
4 7 11 8
12
Рис. 15.2. Структура UMTS: 1, 2 — користувацькі термінали; 3, 4 — вузол node B (БС); 5 — контролер радіомережі RNC (Radio Network Controller); 6 — сервісний вузол підтримки GPRS SGSN (Serving GPRS Support Node); 7 — центр розподілу послуг; 8 — внутрішній контент-провайдер; 9 — мобільний центр комутації MSC (Mobile Switching Center); 10 — шлюзовий вузол підтримки GPRS GGSN (Gateway GPRS Support Node); 11 — міжмережевий екран; 12 — зовнішній контент-провайдер
• ефективність системи сигналізації при передачі різних видів інформації, що дає можливість знизити витрати на передачу службового трафіку і, тим самим, підвищити пропускну спроможність системи; • можливість взаємодії з існуючими і перспективними IP-мережами і мережами з комутацією каналів; • можливість впровадження нових протоколів і послуг без пред’явлення додаткових вимог до існуючих мереж; • надійність системи і плавна “деградація” у випадку відмови окремих елементів мережі; • погодженість з ієрархічною структурою систем третього покоління; • еволюційний перехід від існуючих систем CDMA до мереж зв’язку третього покоління. Початкова реалізація CDMA 2000 1Х забезпечує максимальну швидкість передачі даних до 153,6 кбіт/с, удосконалений стандарт CDMA 2000 1xEV-DO дає можливість збільшити швидкість передачі до 2,4 Мбіт/с. 185
Сучасні телекомунікаційні системи Таблиця 15.4. Стандарти стільникового зв’язку третього покоління (3G)
Характеритика
CDMA2000
Підклас
1X
Ширина каналу, МГц
1,25
Чіпова швидкість, Mчіп/с Пікова швидкість передачі, Мбіт/с Вид модуляції Кодування
1XEV-DO 1XEV-DV 3X 1,25
2,4
UMTS FOMA J-Phone
3,75
1,2288
0,144
W-CDMA
3,6864
4,8
5— 8
5 3,84
2,4 (8—10 з HSDPA)
QPSK (прямий), BPSK (зворотний) Convolutional (низька швидкість), Turbo (висока швидкість)
Останнім часом на ринку стільникового зв’язку з’явилися системи CDMA, що працюють у діапазоні 450 МГц, — CDMA 450. Швидкість передачі даних у мережі CDMA 450 приблизно відповідає швидкостям в HSCSD. На відміну від еволюційного переходу до нових технологій третього покоління у рамках концепції IMT-2000 передбачена і революційна стратегія в рамках технології WCDMA. Вона передбачає повну заміну обладнання і програмного забезпечення. Найбільш успішним у плані розвитку 3G-мереж залишається азіатсько-тихоокеанський регіон. У жовтні 2001 р. японська компанія NTT DoCoMo запустила першу мережу 3G (на основі WCDMA) для комерційного використання. Сьогодні в Японії половина населення вже користується послугами мереж сухопутного рухомого зв’язку третього покоління. В Європі і США 3G-зв’язок розвивається поки що більш повільними темпами. На кінець 2005 р. у світі налічувалося всього 44,4 млн абонентів WCDMA. Послуги стільникового зв’язку стандарту WCDMA зараз доступні в багатьох країнах. Але третє покоління — це проміжний етап у розвитку стільникових мереж. На виставці, що супроводжувала Всесвітній конгрес 3GSM у Барселоні в 2006 р., демонструвалися комерційно доступні рішення HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) — технології, названі супер 3G або 3,5 G. В Японії вже розгорнута дослідна зона мережі за технологією HSDPA. Про початок виробництва обладнання HSDPA заявили ряд компаній. 186
Розділ 6
Японські компанії вже приступили до тестування стільникових мереж зв’язку четвертого покоління. У ході експерименту, проведеного корпорацією NTT DoCoMo, вдалося домогтися швидкості передачі інформації до 2,5 Гбіт/с при фізичному переміщенні термінала зі швидкістю 20 км/г. Для мереж сухопутного мобільного зв’язку загального користування розроблені спеціальні абонентські термінали. Одним із напрямків тут є конвергенція в одному терміналі різних технологій стільникового зв’язку, наприклад CDMA і GSM. Для використання в мережах зв’язку третього покоління створені абонентські пристрої (термінали), названі комунікаторами. Комунікатори діляться на чотири категорії: • мобільний телефон; • плата для комп’ютера; • блок, інтегрований у ноутбук; • блок, інтегрований в Pocket PC. Прикінцевий термінал усе більше й більше стає багатофункціональним пристроєм. Уже не викликає подив мобільний телефон із вбудованим у нього фотоапаратом або відеокамерою. Створено моделі, в яких сполучається телефон і музичний плеєр. Нові методи захисту інформації дозволяють використовувати мобільний телефон як кредитну карту (мобільний банкінг). Важливим напрямком розвитку комунікаторів є їх конвергенція з іншими технологіями безпроводового доступу. Так, Асоціація GSM і корпорація Intel за участю інших зацікавлених організацій ведуть роботи з використання SIM-карт, застосовуваних у мережах GSM, також у пристроях, що працюють за технологією радіоезернет Wi-Fi. Варто зазначити, що тенденція конвергенції характерна не тільки для комунікаторів, а й загалом для мереж сухопутного мобільного зв’язку і мереж широкосмугового безпроводового доступу. Процес конвергенції тут полягає у взаємодоповненні мереж, що дістало своє підтвердження на Конгресі 3GSM у Барселоні, який відбувся в лютому 2006 р. Такий підхід насамперед вигідний операторам стільникових мереж, які зможуть зменшити об’єм високошвидкісного трафіку в мережах, знизити витрати на забезпечення рівня якості надаваних послуг і, відповідно, вартість послуг. Взаємодоповнюючі рішення дозволяють також підвищити ефективність використання радіочастотного спектра. Передбачається, що облад-
187
Сучасні телекомунікаційні системи
нання безпроводового доступу стане частиною радіопідсистем мереж стільникового зв’язку чи навпаки. Використання технологій безпроводового доступу у взаємодоповнюючих мережах дає змогу операторам стільникових мереж підготувати своїх користувачів до впровадження нових послуг зі значно меншими витратами, ніж на розгортання повноцінної мережі стільникового зв’язку третього покоління. Wi-Fi стала першою технологією безпроводового доступу, використаною як доповнення до мереж стільникового зв’язку. Найбільших успіхів у цьому напрямку досягла компанія T-Mobile USA, що розгорнула на території США мережу точок доступу Wi-Fi, послугами якої користуються більш півмільйона абонентів. Великі надії покладають на технологію WiMAX. У перспективі роль мереж широкосмугового безпроводового доступу у взаємодоповнюючих мережах буде збільшуватися. На даний час стало очевидно, що удосконалювання мереж UMTS, яке мінімум на десятиліття забезпечить їм міцні позиції на ринку високошвидкісної безпроводової передачі даних (насамперед в умовах жорсткої конкуренції з мережами WiMAX), не може обмежитися тільки інтерфейсною частиною. Воно повинно торкнутися системної архітектури і технології передачі даних у спадному і висхідному напрямках. У результаті робота над новим сімейством стандартів E-UTRAN (Evolved UTRAN) розбилася на три напрямки — System Architecture Evolution (SAE), Long Term Evolution (LTE) і HSPA Evolution (HSPA+). Ці терміни і відповідні технічні характеристики були офіційно сформульовані в документі Mobile Broadband (The Global Evolution of UMTS/HSPA Release 7 and Beyond), затвердженому консорціумом 3GPP (серед професіоналів він більше відомий як 3GPP Rel-7). Тут варто зупинитися на специфікації LTE. У мережах, що відповідають специфікаціям LTE, передача даних у спадному напрямку повинна здійснюватися зі швидкістю 100 Мбіт/с, а у висхідному — 50 Мбіт/с (обидва показники належать до смуги частот шириною 20 МГц). Мережі LTE зможуть одночасно підтримувати мінімум 200 активних абонентів на кожен стільник у спектральній смузі шириною 5 МГц. Для реалізації послуг VoIP та інших сервісів, чутливих до затримок передачі трафіку, передбачене значне зниження затримок. Відповідно до попередньої версії стандарту при малому навантаженні (один абонент працює з одним потоком даних) затримка передачі коротких IP-пакетів не буде перевищувати 5 мс. 188
Розділ 6
Доступна абонентові пропускна спроможність у перерахунку на 1 МГц повинна в спадному напрямку в три-чотири рази перевищити аналогічний параметр мереж HSDPA, а у висхідному бути у два-три рази більшою пропускної спроможності розширеного каналу (Enhanced Uplink), описаного в документі 3GPP Rel-6. Точно такі ж пропорції встановлені для спектральної ефективності спадного і висхідного каналів в умовах високого завантаження мережі. Більш розпливчасті показники були сформульовані для обміну даними зі швидко переміщуваним абонентом. Передбачається, що оптимальні параметри передачі підтримуватимуться на швидкостях до 15 км/год. Високошвидкісна передача даних повинна залишатися доступною і при русі абонента зі швидкістю 15—120 км/год, але конкретний діапазон значень пропускної спроможності не уточнюється. Нарешті, у цілому підтримка мобільності в стільникових мережах LTE має зберігатися аж до швидкостей 350 км/ч. Авторами специфікацій сформульовано нові вимоги і до розмірів стільника. Максимальні значення пропускної спроможності, спектральної ефективності і підтримка мобільності повинні зберігатися на відстані 5 км від базової станції. При віддаленні від неї на 30 км передбачене слабке погіршення цих характеристик. Не виключалось навіть, що іноді радіус дії БС може доходити до 100 км. Серед інших характеристик майбутніх мереж LTE відзначимо одночасну підтримку голосового трафіку і розширених широкомовних мультимедіа-послуг MBMS (Multimedia Broadcast Multicast Service), що буде досягнута без істотного ускладнення термінальних пристроїв. Мережі LTE стануть підтримувати хендовер із системами, заснованими на нинішніх технологіях радіодоступу 3GPP GERAN/UTRAN, з відновленням сервісів реального часу менш ніж за 300 мс. Такі мережі забезпечать наскрізне керування QoS і можливість вирівнювання навантаження між різними технологіями радіодоступу. Розроблювачі стандарту виходили з того, що устаткування LTE має використовувати спектр, виділений під діючі мережі 2G і 3G, вміти працювати в смугах радіоспектра різної ширини (1,25, 1,6, 2,5, 5, 10, 15 і 20 МГц) в обох напрямках передачі, підтримувати дуплексні технології TDD і FDD. Задовго до завершення робіт над стандартом LTE його автори зійшлися на тому, що двома ключовими технологіями мереж нового типу будуть OFDM і MIMO. Вибір алгоритмів OFDM для передачі даних на окремій несучій і OFDMA для множинного доступу продиктований високою стійкістю OFDM-сигналу до інтер189
Сучасні телекомунікаційні системи
ференційних завад. В останні роки переваги OFDM були перевірені на практиці завдяки застосуванню цього алгоритму в мережах Wi-Fi і WiMAX. Специфікації LTE передбачають використання максимум 2048 піднесучих, рознесених одна від одної на 15 кГц. Конкретні реалізації методу OFDM у мережах LTE будуть різними для спадного і висхідного з’єднань. Це пов’язано з розходженнями як швидкостей передачі трафіку в протилежних напрямках, так і устаткування на різних кінцях з’єднання. Скажімо, для передачі даних у висхідному напрямку передбачається використовувати метод доступу з єдиною несучою SC-FDMA (Single Carrier FDMA). Це дозволить вирішити одну з ключових проблем мереж третього покоління на базі технології кодового ущільнення каналів (CDMA) — усунути значні розходження між піковими і середніми значеннями енергоспоживання і зумовлену ними низьку ефективність підсилювачів потужності на передавальному кінці з’єднання, що приводить до помітного зменшення часу роботи акумуляторів. Отже, за технічними характеристиками мережі LTE значно перевищують системи, що відповідають базовим стандартам групи 3G і навіть специфікаціям HSDPA/HSUPA. У цьому зв’язку деякі експерти називають LTE мережами покоління 3,99, підкреслюючи як їх явну близькість до систем четвертого покоління, так і відмінності від технологій “справжніх” мереж 4G. На закінчення підрозділу про мобільний зв’язок уявляється за доцільне вказати ті технології, які мають призвести до створення мобільних безпроводових мереж четвертого покоління. Такі перспективні технології можна розділити на сім напрямків: • високошвидкісна передача з високою спектральною ефективністю; • багатосистемні безпроводові термінали; • підтримання заданої якості обслуговування; • керування хендовером/мобільністю; • техніка формування цілісних (безшовних) мереж; • організація міжмережної взаємодії; • мобільне широкомовлення. До першого напрямку, найбільш насиченого з точки зору наукової проробки, належать роботи з дослідження таких технологій: частотного і кодового ущільнення з ортогональними несучими та змінним фактором розширення VSF-OFCDM (Variable Spreading Factor-Orthogonal Frequency and Code Division Multiplexing), багато190
Розділ 6
станційного доступу з кодовим розділенням каналів на багатьох несучих з селекцією піднесучої SCS-MC-CDMA (Subcarrier Selecting Multi Carrier Code Division Multiple Access), багатостанційного доступу на базі частотного розділення з ортогональними несучими OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access), багатостанційного доступу з частотним розділенням каналів та перемеженням IFDMA (Interleaved Frequency Division Multiple Access), OFDM адаптивної модуляції із змінною швидкістю кодування, OFDM зі стрибкоподібною зміною частоти FH-OFDM (Frequency Hopping OFDM), методу зниження пікової потужності для OFDMсигналу, що використовує адаптивне повернення контрольного розряду парності біт, зниження пікової потужності OFCDM сигналів, що базуються на відсіканні та фільтрації, зниження впливу інтерференції та завмирань, багатостанційного доступу з кодовим розділенням каналів і прямим розширенням спектра з частковою доменною корекцією (Single Carrier DS-CDMA with Frequency Domain Equalization), удосконаленої адаптивної антенної гратки, багатоантенної техніки МІМО та ін. Напрямок багатосистемних безпроводових терміналів потребує технології, які повинні створити обладнання, що може працювати з цілим рядом безпроводових стандартів та частотних смуг на базі радіотерміналів з програмним керуванням SDR (Software Defined Radio). Напрямок підтримання заданої якості обслуговування розглядає створення спеціальної сервісної мережної архітектури, що зможе реалізувати керування доступом та техніку планування розподілення ресурсів безпроводової мережі. Керування хендовером (автоматичним перемиканням) для будь-якої рухомої радіосистеми має велике значення, бо саме хендовер забезпечує естафетну передачу користувача від однієї БС до іншої. При побудові мобільних систем четвертого покоління, які повністю базуються на ІР-технологіях, виникає проблема керування мобільністю (хендовером) на рівні базової транспортної мережі. Формування цілісних (безшовних) мереж передачі різнорідного контенту потребує перегляду існуючих мережних архітектур, створення специфічних віртуальних мереж доступу та нових протоколів передачі та маршрутизації. Створення систем четвертого покоління припускає організацію міжмережної взаємодії, що повинно реалізувати взаємодію між стільниковим зв’язком та безпроводовими мережами фіксованого доступу. 191
Сучасні телекомунікаційні системи
Нарешті, напрямок мобільного широкомовлення розглядає реалізацію мережного широкомовлення в мобільних безпроводових системах. Це — мобільне телебачення, потокове відео та інші технології, що призначені для демонстрації відеоконтенту на універсальних ручних терміналах.
16. Ìîáëüíèé WMAX ñóïóòí éîìó áåçïðîâîäîâ ðøåííÿ Значний вклад у розвиток парадигми сучасних та перспективних конвергентних систем радіодоступу вніс мобільний WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access — всесвітній доступ для взаємодії мікрохвильових мереж) на основі стандарту IEEE 802.16е. Мобільний WiMAX може забезпечити швидкість у десятки мегабіт на секунду для основних конфігурацій базових станцій, реалізованих за системою стандартів (системному профілю WirelessMAN-OFDM) безпроводового зв’язку IEEE 802.16 [3]. Висока швидкість дає можливість ефективно мультиплексувати дані й зменшити затримки за часом при передачі даних. Сервісні служби, які можуть підтримувати системи на основі WiMAX, включають широкосмугові послуги, які потребують високих швидкостей передачі даних, в тому числі потоки відео і VoIP, з високою якістю обслуговування. Характеристики мобільного WiMAX допускають взаємодію між ним і широкосмуговими проводовими системами, включаючи цифрові абонентські лінії, які використовують технології xDSL. Важливою вимогою для успіху проекту є забезпечення послуг мобільного Інтернету. Нарощувана архітектура, висока продуктивність при передачі даних і низька порівняно з іншими системами вартість послуг, що використовують широкосмугові системи, роблять мобільний WiMAX лідером безпроводових широкосмугових послуг. Інші переваги WiMAX полягають у відкритій структурі стандартів, “дружніх” інтерфейсах і забезпеченні здорової екосистеми. Основні характеристики мобільного WiMAX. Технологія мобільного WiMAX базується на двох стандартах — на стандарті IEEE 802.16-2004 (Air Interface Standard) і прийнятому 7 грудня 2005 р. стандарті IEEE 802.16e-2005, що буде відігравати ключову роль при побудові широкосмугової радіомережі міста. 192
Розділ 6
7 грудня 2005 р. IEEE ратифікував виправлення до стандарту IEEE 802.16, названому IEEE 802.16е. Ці виправлення розширюють вимоги і перелік характеристик, необхідних для забезпечення роботи мобільних абонентів WiMAX. Базуючись на виправленнях IEEE 802.16e, що стосуються мобільності, група WiMAX Forum визначила основні характеристики і профіль сертифікації. Для наземної мережі він визначив архітектуру, необхідну для того, щоб здійснити мобільні з’єднання WiMAX “з кінця в кінець”. Мобільний WiMAX — це система безпроводового зв’язку, що допускає і забезпечує конвергенцію (поступове зближення) мобільної широкосмугової і стаціонарної мереж на основі технології радіодоступу і гнучкої архітектури мережі. У системі мобільного WiMAX для радіоінтерфейсу прийнятий ортогональний багатостанційний доступ із частотним розподілом каналів OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access), що забезпечує добрі характеристики в умовах багатопроменевості і відсутності прямої видимості. Цей метод доступу полягає в тому, що послідовний потік інформації з N символів розбивається на n блоків по N/n символів у кожному, причому символи різних блоків передаються паралельно, кожний на своїй піднесучій. Перевага даного методу полягає в тому, що він дає змогу знизити до мінімуму чи повністю усунути міжсимвольні перекручування, що виникають у радіоканалі. Для того щоб дати можливість нарощувати пропускну спроможність каналу від 1,25 до 20 МГц виправленнями IEEE 802.16е, було введено метод за назвою “нарощуваний чи масштабований OFDMA” S-OFDMA (Scalable OFDMA). Група WiMAX Forum, що займається забезпеченням мобільності, розробила системні профілі, які зумовлюють обов’язкові і додаткові характеристики, необхідні для побудови гнучкого радіоінтерфейсу. Системний профіль мобільного WiMAX дає можливість створювати мобільні системи на підставі загальної бази і загального набору характеристик, які гарантують повністю сумісні основні функціональні можливості для терміналів і базових станцій [2, 3]. Деякі з характеристик системних профілів не обов’язкові: вони забезпечують гнучкість при створенні мереж і пристроїв на базі різних сценаріїв і оптимізують їх характеристики в конкретних умовах. Група NWG (Network Working Group), що входить в WiMAX Forum і займається мережними питаннями, визначила специфіка193
Сучасні телекомунікаційні системи
ції вищого рівня, крім тих, які визначені в стандартах IEEE 802.16 для радіоінтерфейсу. Об’єднання зусиль розроблювачів IEEE 802.16 і WiMAX Forum допомогло знайти рішення для встановлення WiMAX-з’єднання “з кінця в кінець” для мобільних об’єктів. Мобільні системи WiMAX пропонують технології і архітектуру, які забезпечують нарощування радіодоступу і мережних послуг, підтримуючи в такий спосіб більшу гнучкість мереж. Розглянемо деякі із суттєвих характеристик, які забезпечуються мобільним WiMAX. Висока швидкість передачі даних підтримується застосуванням MIMO (Multi Input—Multi Output) антени разом з гнучкими схемами каналотворення, удосконаленим кодуванням і модуляцією. Все це дозволяє технології мобільного WiMAX підтримувати пікову швидкість даних до 63 Мбіт/с в напрямку “вниз” і пікову швидкість даних до 28 Мбіт/с у напрямку “вгору”. Якість обслуговування QoS є фундаментальною умовою архітектури протоколів доступу до середовища (IEEE 802.16 MAC — Media Access Control). У системі WiMAX якість обслуговування визначається застосуванням методу DiffServ — диференційованого обслуговування, що є стандартизованим методом для підтримки служб із різними рівнями якості. При цьому трафік розділяється за допомогою міток на кілька груп залежно від QoS. Мобільний WiMAX передбачає застосування MPLS. Ця технологія використовує мітки в пакетах даних і дає можливість створювати виділені комутовані потоки. Її застосування дозволяє здійснювати IP-з’єднання із врахуванням QoS. Оптимальне використання часу, простору і частоти забезпечується механізмом утворення підгруп каналів на заданий час (subcanalization) і сигналізацією по ОКС, що використовує спеціальні сигнальні протоколи прикладного рівня MAP (Mobile Application Part). Технологія WiMAX розроблена таким чином, що вона здатна нарощувати число каналів і працювати при різних методах формування каналів у спектрі від 1,25 до 20 МГц, щоб задовольнити різні вимоги до використання діапазону. Все це дає змогу досягти вигідних економічних рішень у конкретній географічній зоні, наприклад, забезпечити доступний безпроводовий Інтернет у сільській місцевості, надати мобільний зв’язок в передмістях з малою щільністю абонентів і т.п. Застосовувані засоби безпеки є кращими в класі розширюваних протоколів аутентифікації ЕАР (Extensible Authentication Pro194
Розділ 6
tocol). Ці методи засновані на застосуванні додаткових засобів, крім SIM-карти (одноразові маркери, цифрові підписи тощо). Схеми шифрування засновані на вдосконаленому стандарті шифрування AES (Advanced Encryption Standard) і коді аутентифікації повідомлень на основі хешування НМАС (Hash based Message Authentication Code). Методи безпеки підтримують різні засоби аутентифікації: SIM- чи USIM-карти, інтелектуальні карти (Smart Card), цифрові підписи, схеми “користувач—пароль”. Мобільний WiMAX підтримує оптимальні схеми естафетної передачі з’єднання (хендовера) із часом затримки менш 50 мс, що гарантує роботу застосувань реального масштабу часу, таких, як VoIP. Вони виконуються без погіршення якості обслуговування. Гнучкі схеми керування ключами гарантують безпеку в процесі естафетної передачі з’єднання. Архітектура мобільного WiMAX. У стандарті IEEE 802.16е визначені два рівні: фізичний і доступу до середовища (МАС-рівень). Такий підхід задовольняв технології безпроводових мереж Ethernet, які використовували протоколи “Робочої групи по інженірінгу Інтернету IETF” (Internet Engineering Task Force), зокрема протоколи TCP/IP, SIP, VoIP. Для безпроводового зв’язку використовуються інші протоколи, наприклад набір протоколів 3GPP, що підтримує широкий перелік інтерфейсів і протоколів. Останні стосуються не тільки радіотракту, але також взаємодії мереж, устаткування різних виробників для здійснення роумінгу і взаємних розрахунків між компаніями, що надають послуги безпроводового зв’язку. Виробники, усвідомивши ці потреби, сформували додаткові робочі групи для розробки стандартів мережі і еталонних моделей для відкритих міжмережних інтерфейсів. Дві з них зосередилися на дослідженні питань створення специфікацій для розробки мереж, що використовують різні види доступу: фіксований (fixed access); сеансовий (nomadic access); у режимі транспортування (portable access); спрощений мобільний (simple mobile access); повнофункціональний (full mobile access). Як вказувалося, для перших двох видів доступу мається на увазі, що користувач перебуває у фіксованій і обмеженій зонах. У першому випадку користувач зв’язується з однієї і тією ж базовою станцією, у другому випадку він може зв’язуватися з різними базовими станціями, але залишатися в цій зоні на час сеансу. Доступ під час транспортування допускає переміщення з обмеженою швидкістю в межах обмеженого числа зон переміщення в 195
Сучасні телекомунікаційні системи
кожному місці розташування. При цьому можливо обмеження видів сервісу, надаваних безупинно при переміщенні. При спрощеному і повнофункціональному мобільному видах доступу користувач може переміщатися по всіх стільниках мережі з високою швидкістю. Спрощений мобільний доступ при цьому гарантує безперервність для деякого набору послуг, а повнофункціональний забезпечує це для всіх видів послуг. Робочі групи WiMAX Forum — Network Working Group (мережна робоча група) і Service Provider Working Group (робоча група постачальників послуг) — визначили вимоги — розставили пріоритети по розробці стандартів мережі. Архітектура мобільного WiMAX побудована на платформі All-IP (Bce-IP), тобто прийнята технологія заснована на передачі і комутації пакетів без використання каналів традиційної телефонії. Такий підхід припускає, що будуть зменшені витрати на всіх етапах “життєвого циклу” (проектування, розгортання і експлуатація) мережі. Використання принципу All-IP означає, що загальне ядро мережі може не підтримувати обидві відомі технології комутації. Подальші переваги принципу All-IP засновані на прогнозах росту мережі за законом Мура, згідно з яким розвиток технологій обробки інформації на основі комп’ютерних систем іде швидше, ніж розвиток засобів телекомунікацій, що відбувається через те, що обробка інформації не обмежена установкою і модернізацією апаратури, як це має місце в мережах з комутацією каналів. Вибір принципу пакетної комутації припускає низьку вартість, високий ступінь нарощування, швидкий розвиток функціональних можливостей, тобто всі переваги систем, заснованих на використанні програмного забезпечення. Для того щоб успішно розвивати комерційні системи, були розроблені специфікації фізичного рівня і рівня доступу до середовища (IEEE 802.16 — PHY/MAC) для радіоінтерфейсу. Вони забезпечують підтримку базовою мережею набору необхідних функцій за рахунок системної архітектури. Перш ніж вдаватися в деталі архітектури мобільного WiMAX, розглянемо кілька основних принципів: • архітектура базується на структурі, прийнятій у пакетній комутації, і процедурах, заснованих на стандарті IEEE 802.16 і його виправленнях згідно з документами IEFT і специфікаціями Ethernet; • архітектура дозволяє відокремити систему доступу від послуг IP-зв’язку; 196
Розділ 6
• модульність і гнучкість архітектури має забезпечувати: o створення мереж WiMAX різного масштабу з різним кроком їх нарощування; o використання радіосередовища поширення, які працюють у ліцензованому чи частотному діапазонах, що звільняють, для міських, приміських і сільських районів; o ієрархічні топології з додатковими вузлами чи без них; o всі п’ять видів доступу, згаданих раніше. Підтримка послуг і застосувань. Архітектура забезпечує підтримку: • мови, мультимедійних послуг та інших прийнятих офіційних послуг, таких, наприклад, як екстренна допомога і законне перехоплення інформації (система оперативно-розшукових заходів); • доступу до різних прикладних послуг постачальника, наприклад до Інтернету; • мобільного телефонного зв’язку з використанням VoIP; • взаємодії шлюзів, що забезпечують доставку загальноприйнятих послуг, переданих через IP-мережу (служби коротких повідомлень SMS, служби доступу до додатків бездротового зв’язку WAP) до мережі WiMAX; • групової і широкомовної доставки пакетної інформації з IP-протоколу через мережу WiMAX. Взаємодія і роумінг. Це також ключові моменти архітектури мережі мобільного WiMAX, що підтримує безліч сценаріїв, зокрема: • довільну архітектуру взаємодії з існуючими безпроводовими мережами, такими, як 3GPP, а також такими, як DSL і MSO (мультисервісний оператор, що має можливість сполучати послуги телефонії, мультимедіа, кабельного телебачення тощо), системами, що базуються на наборі протоколів Інтернет; • глобальний роумінг між операторами WiMAX, включаючи забезпечення повторного використання частот, послідовного використання системи аутентифікації, установлення автентичності і ведення обліку ААА (Authentication, Authorization and Accounting), складання індивідуальних і загальних рахунків і урегулювання претензій; • використання різних платіжних механізмів, таких, як повідомлення імені і пароля користувача, цифровий підпис, модуль абонентської ідентифікації (SIM), універсальний модуль SIM (USIM) і змінний модуль ідентифікації користувача RUIM (Removable User Identify Module). 197
Сучасні телекомунікаційні системи
Учасники WiMAX Forum визначили еталонну модель мережі WiMAX NRM (Network Reference Model), що являє собою логічну архітектуру мережі. NRM визначає функціональні об’єкти і еталонні точки, через які взаємодіють між собою ці функціональні об’єкти. Архітектура розроблена з метою уніфікації підтримки, необхідної для всього періоду розвитку мережі (наприклад, від фіксованої мережі до сеансової — транспортуючої, тобто простої мобільної, і далі до повнофункціональної мобільної мережі). На рис. 16.1 наведена NRM, яка складається з таких логічних об’єктів: мобільної станції (MS), мережі доступу до послуг ASN (Access Service Network), мережі взаємодії з послугою CSN (Connectivity Service Network) і виділених еталонних точок для взаємодії між логічними об’єктами. Рис. 16.1 дає ключові нормативні точки R1,...,R5. Кожен об’єкт являє собою групу інших функціональних об’єктів, які можуть бути реалізовані окремим фізичним пристроєм або розподілені по багатьох фізичних пристроях. R2
R2 R1 Мобільна станція
Домашня мережа постачальника взаємодії з послугою
Візитна мережа постачальника взаємодії з послугою
Мережа доступу до послуг ASN
R3
Мережа взаємодії з послугою CSN
R5
Мережа взаємодії з послугою CSN
R4 Інша мережа доступу до послуг Мережа постачальника доступу до послуг
Постачальник прикладних послуг чи Інтернет NSP
Постачальник прикладних послуг чи Інтернет NSP
Рис. 16.1. Еталонна модель WiMAX (неперервна лінія — фізичний зв’язок; пунктирна лінія — логічний зв’язок)
Групування і розподіл функцій по фізичних пристроях функціональних об’єктів (таких, як ASN) спрощує вибір способу їх реалізації. Виготовлювач може вибрати будь-яку фізичну реалізацію функцій — індивідуальну, комбіновану, що задовольняють функціональні вимоги і вимоги за взаємодією. 198
Розділ 6
Ціль еталонної моделі NRM полягає в тому, щоб забезпечити множину способів реалізації функціональних об’єктів і досягти взаємодії між їх різними реалізаціями. Взаємодія заснована на визначенні протоколів зв’язку і реалізації процесів обміну між функціональними об’єктами таким чином, щоб досягти виконання функцій у повному обсязі, наприклад забезпечення безпеки або керування та адміністрування. Отже, еталонна модель є набором функцій керування і засобів їх виконання. Логічний об’єкт “мережа доступу до послуг ASN” визначає логічну межу і надає зручний спосіб опису сукупності функціональних об’єктів, об’єднаних єдиним завданням, і відповідних потоків повідомлень, пов’язаних з виконанням послуг доступу. ASN являє собою границю функціональної взаємодії WiMAX із клієнтом, вона підтримує можливості взаємодії WiMAX по виконанню функцій сервісу і об’єднання функцій, реалізованих різними виробниками. Відображення функціональних об’єктів у логічні мережі доступу до послуг ASN може бути виконано різними способами. WiMAX Forum у процесі розробки специфікацій заклав принципи, які надають можливість виробникам використовувати найрізноманітніші шляхи по їх виконанню. Мережа взаємодії з послугою CSN визначена як набір функцій, які забезпечують взаємодію абонентів WiMAX з послугою через IP. Вона може містити такі мережні елементи, як маршрутизатори, засоби впізнавання, аутентифікації і обліку вартості, бази користуцьких даних і шлюзи взаємодії. Вона може бути реалізована як частина мережі постачальника прикладних послуг NSP (Network Service Provider). Мережні специфікації для систем, заснованих на WiMAX, базуються на таких принципах архітектури: • логічний поділ між процедурами з адресацією IP і процедурами маршрутизації, керування і взаємодії, а також відповідними протоколами, що дають можливість використовувати примітиви (програмні модулі) як автономно, так і у взаємодії з оточенням; • підтримка спільного використання ASN-мережі одним постачальником послуг доступу NAP (Network Access Provider) для безлічі постачальників послуг NSP; • підтримка однієї мережі взаємодії з послугами CSN для керування багатьма мережами доступу до послуг ASN; 199
Сучасні телекомунікаційні системи
• підтримка засобів виявлення і вибору мобільною станцією або станцією обслуговування одного з доступних постачальників послуг; • підтримка доступу до призначеного сервісу за допомогою функцій взаємодії; • специфікація певних еталонних точок, розміщених між різними групами мережних функціональних об’єктів (між ASN, між ASN і CSN, між CSN й, особливо, між MS, ASN і CSN), для того щоб забезпечити взаємодію апаратур різних виробників; • підтримка взаємодії між різними моделями використання, що забезпечує розумні технічні обмеження; • надання різним виробникам можливості реалізації апаратури з використанням сполучення різних програмних і апаратних засобів; • підтримка деяких приватних сценаріїв окремих операторів, розроблених для мережі доступу з обмеженими послугами базової мережі, наприклад основні послуги Інтернету без роумінгу. На рис. 16.2 відображено кілька об’єктів у межах мережі доступу до послуг і їх функціональне групування, місця протоколів та еталонних точок, як це визначено в специфікаціях. Інтерфейси взаємодії Мобільний WiMAX-термінал Транспортований WiMAX-термінал
Мобільна станція WiMAX
Фіксований WiMAX-термінал
Користувацькі термінали Радіоінтерфейс
ІР-послуги
Шлюз мережі доступу до послуг
Мережа доступу до послуг
Медіасервіс
Сервіс аутентифікації Білінговий сервіс
Роумінгінтерфейс
Базова мережа
Рис. 16.2. Архітектура мобільного WiMAX на основі ІР
Архітектура WiMAX дозволяє забезпечити IP- і Ethernet-послуги в мобільному варіанті, причому перехід від архітектури фіксованого WiMAX до мобільного не потребує принципової переробки та заміни обладнання безпроводового доступу, що показано на 200
Розділ 6
рис. 16.3 і 16.4. Для того щоб гнучко й погоджено підтримувати роботу операторів, які використовують апаратуру різних виготовлювачів, WiMAX-мережі мають властивості, розглянуті нижче. 5
7
9
11
12
13
16 Мережа контенту
1 10
6
20
8
2
17
14 8
3
19
Агрегативна мережа MPLS, IP, Ethernet
22
21
Транспортна мережа IP / MPLS
4 15
8
ASN
18
CSN
Рис. 16.3. Архітектура системи широкосмугового радіодоступу на базі фіксованого WiMAX: 1 — корпоративна мережа; 2, 3 — абонентська мережа; 4 — mesh-мережа WіFі; 5 — портал; 6 — вузол доступу WiMAX; 7 — моніторинг; 8 — вузол доступу; 9 — біллінг; 10 — площина політики керування (на кожного абонента); 11 — база даних на користувача; 12 — ідентифікація; 13 — адресування; 14, 15 — вузол агрегування; 16 — політика визначення; 17 — BRAS/ISG; 18 — SCE; 19 — MPLS PE; 20 — VoD; 21 — SIP; 22 — IPTV (ASN — Access Service Network; CSN — Core Service Network) 5
7
9
11
12
13
16 Мережа контенту
1 10
6
20
8
17
2
21
14 8
3
R6
22
19
Агрегативна мережа R4 MPLS, IP, Ethernet
Транспортна мережа IP / MPLS
Home agent
4 ASN
8
15
18 SEF
CSN
Рис. 16.4. Архітектура системи широкосмугового радіодоступу на базі конвергенції фіксованого й мобільного WiMAX (позначення на рисунку відповідають тим, що і на рис. 16.3, крім таких: 3 — мобільний користувач; 8 — вузол агрегування; 14, 15 — ASN Gateway; SEF — IMS integration)
201
Сучасні телекомунікаційні системи
Безпека мобільного WiMAX. Архітектура мережі WiMAX базується в частині безпеки на врахуванні таких параметрів: типу оператора, топології мережі. Вона реалізує різні сценарії, зокрема, підтримує: • строгу відповідність процедур аутентифікації устаткування між мобільною станцією і мережею WiMAX, базуючись на стандарті IEEE 802.16е в частині безпеки; • всі механізми аутентифікації в домашній і візитній мережах, які базуються на послідовних і розширювальних процедурах аутентифікації; • механізми безпеки, що забезпечують збереження цілісності даних, конфіденційність, виявлення непогодженості використовуваних ключів; • використання мобільною станцією таких механізмів, як ініціювання чи закріплення за терміналами додаткових можливостей організацією, наприклад, віртуальної приватної мережі (VPN); • стандарт, що забезпечує механізм керування IP-адресами між мобільною станцією (станцією послуги) і візитною чи домашньою мережею постачальника послуг. Мобільність і естафетна передача виклику. Архітектура мережі WiMAX реалізує безліч можливостей мобільності і хендовера. Вона припускає підтримку: • передачі виклику мережам з різними технологіями — WiFi, 3GPP, xDSL чи MSO (Multi Service Operator), якщо мобільна станція допускає роботу в кількох режимах; • різних версій протоколу IP (IPv4 чи IPv6), пов’язаних із безпроводовим доступом; у межах такої архітектури повинна бути вбудована система, що постачає мобільну станцію IP-адресами для обох версій протоколу (IPv4 і IPv6); • роумінгу при передачі з’єднання між мережами постачальників послуг; • використання механізмів плавного хендоверу для засобів, що швидко рухаються, і під час користування деякими послугами; • таких послуг: o можливості динамічної зміни конфігурації домашньої адреси абонента; o динамічного призначення домашнього агента (проміжного пристрою з адресою і можливістю реалізації деяких послуг, які не надаються центральними засобами); це призначення забезпечує оптимізацію маршрутизації та регулювання навантаження; 202
Розділ 6
o призначення домашнього агента з адміністративних міркувань (наприклад, по спільних чи лімітованих розрахунках). Розширення і нарощуваність, вибір зони покриття і оператора. Архітектура мобільного WiMAX має широкі можливості для розширення і нарощування, а також забезпечує гнучкість у виборі оператора. Зокрема, передбачається: • проста зміна параметрів при проектуванні мереж доступу до послуг та основної мережі як вбік збільшення, так і зменшення; це стосується зони покриття і ємності системи; • можливість пристосування до будь-якої топології: індивідуальної (“зніми трубку і говори”), ієрархічної і/чи з’єднань із багатьма проміжними вузлами; • забезпечення роботи з різними ретрансляційними лініями, проводовими і безпроводовими, що мають різні часові затримки і пропускну спроможність; • підтримка розвитку інфраструктури; • підтримка поетапного впровадження IP-послуг, які повинні нарощуватись відповідно до зростання числа активних користувачів і числа послуг, використовуваних кожним абонентом; • підтримка нарощування числа базових станцій і їх введення в мережах різної ємності і зони покриття, наприклад, піко- і макростільникових; • підтримка декомпозиції та інтеграції функцій доступу мережі взаємодії з послугою CSN при розробці і за заявками користувачів для створення схем балансу навантаження і ефективності використання спектра і мережних ресурсів. Здатність до взаємодії устаткування різних виробників. Інший важливий аспект архітектури мережі мобільного WiMAX — підтримка взаємодії устаткування різних виготовлювачів при реалізації функцій мережі доступу. Така взаємодія повинна забезпечувати: • транзит через BS до устаткування іншого постачальника, що виконує функції доступу до мережі; • застосування різних елементів для реалізації функцій мережі доступу (можливо різних виготовлювачів) і основної мережі з мінімальним погіршенням чи без нього як по виконуваних функціях, так і по пропускній спроможності. Стандарт IEEE 802.16е передбачає кілька підрівнів конвергенції. Архітектура мережі мобільного WiMAX підтримує різні типи мереж і версії протоколів (Ethernet, IPv4 і IPv6). 203
Сучасні телекомунікаційні системи
Якість обслуговування. Мобільний WiMAX користується різними засобами для підтримки механізмів забезпечення якості обслуговування. Зокрема, надає можливість гнучкої підтримки (зі зміною співвідношення обсягу трафіку і надаваних послуг) одночасної роботи, різні набори ІР-послуг. Архітектура підтримує: • диференційовані рівні якості обслуговування – грубе настроювання на задану якість роботи для користувача і тонке настроювання для потоку послуг користувача; • керування доступом; • керування смугою пропускання; • реалізацію політики операторів, заснованій на їх угоді про гарантований рівень обслуговування SLA (Service Level Agreement), а також політику стосовно окремих користувачів, груп користувачів, і, крім того, врахування таких факторів, як місце знаходження, час дня тощо. Для керування політикою взаємодії між операторами широко використовуються стандарти, що діють у відношенні Інтернету. Конфігурації мережі доступу до послуг визначені профілями, що включають розподілену і централізовану архітектуру. Крім того, WiMAX Forum визначає взаємодію як усередині мереж доступу, так і між мережами доступу, виконаними на устаткуванні різних виробників [4]. Основні параметри мобільного WiMAX. Оскільки мобільний WiMAX заснований на нарощуваному OFDMA, він може гнучко створювати конфігурації, пристосовані для роботи із системами, що мають різні пропускні спроможності, завдяки настроюванню системних параметрів. Дані, що нижче наводяться, можна розглядати як деякий приклад для оцінки робочих характеристик. Наведені таблиці містять наступні відомості: табл. 16.1 — робочі характеристики системи, табл. 16.2 — параметри OFDMA, табл. 16.3 відображає дані, що стосуються моделі поширення радіосигналів COST 231 Suburban (COST — Cooperation in field Of Scientific and Technical research — Європейське співробітництво в галузі науково-технічних досліджень) для оцінки параметрів мобільного WiMAX. WiBro. Технологія WiBro (скорочення від Wireless Broadband) є власною розробкою південнокорейських компаній LG і Samsung. Перша демонстрація технології WiBro відбулася в листопаді 2004 р., а в середині 2005 р. було представлене обладнання на її ба204
Розділ 6
зі. Ця технологія є аналогом мобільного WiMAX і з фізичної точки зору являє собою ту саму специфікацію 802.16e, але з деякими відмінностями, які видно з порівняльної табл. 16.4. Таблиця 16.1. Робочі характеристики мобільного WiMAX
Робочі характеристики Число трисекторних стільників
Значення 19
Робоча частота, МГц
2500
Дуплекс (дуплексна передача з часовим розділенням)
TDD
Ширина смуги каналу, МГц
10
Відстань “базова станція—базова станція”, км
28
Мінімальна відстань від мобільної станції б ї Висота антени базової станції, м
36
Висота антени термінала мобільної станції, м
1,5
Коефіцієнт підсилення антени базової станції, дБ
15
Коефіцієнт підсилення антени мобільної станції, дБ
−1
Максимальна потужність підсилювача базової станції, дБ
43
Максимальна потужність підсилювача терміналу мобільної станції, дБ
23
Приймальні і передавальні антени базової станції Приймальні і передавальні антени мобільної станції
32
2 чи 4 приймальні, 2 4 1 передавальна, 2 приймальні
Коефіцієнт шуму базової станції, дБ
4
Коефіцієнт шуму мобільної станції, дБ
7
Модель антени
70° (−3 дБ) з відношенням “вперед—назад” 20 дБ
205
Сучасні телекомунікаційні системи Таблиця 16.2. Параметри OFDMA
Параметри Системна смуга каналу, МГц
Значення 10
Частота дискретизації (Fϕ), МГц
11,2
Розмір перетворення Фур’є (NFFT)
1024
Рознесення частот піднесучих, кГц
10,94
Корисний час символу (Тb = 1/f ), мкс
91,4
Захисний час (Tg = Тb/8), мкс
11,4
Тривалість OFDMA-символу (Ts = Tb + Tg), мкс
102,9
Тривалість кадру, мс
5
Кількість символів в кадрі
48
Часткове використання піднесучих. Напрямок “вниз”. Кількість
Нульові піднесучі Піднесучі пілот-сигналу Піднесучі даних Підканали
184 120 720 30
Часткове використання піднесучих. Напрямок “вгору”. Кількість
Нульові піднесучі Піднесучі пілот-сигналу Піднесучі даних Підканали
184 280 560 35
Таблиця 16.3. Модель поширення радіосигналу
Параметри Модель поширення Відхилення завмирання за нормальним законом, дБ
Значення COST 231 Suburban 8
Взаємна кореляція завмирань між базовими станціями
0,5
Втрати на поширення, дБ
10
206
Розділ 6 Таблиця 16.4. Порівння параметрів різних версій стандарту серії ІЕЕЕ 802.16
Параметри
Технологія 802.16
802.16-2004
802.16e-2005
WiBro
Розмір перетворення Фур’є
256
2048
2048, 1024, 512, 128
1024
Користувацькі піднесучі
200
1680/1728
змінні
864/840
8
166/192
змінні
96
Пілотні піднесучі Ширина смуги, МГц Модуляція
1,25—28
1,25—28
1,25—28
8,75
BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM
QPSK, 16QAM, 64QAM
QPSK, 16QAM, 64QAM
QPSK, 16QAM, 64QAM
Дуплекс
TDD/FDD
TDD/FDD
TDD/ FDD
TDD
Захисний інтервал
1/4, 1/8, 1/16, 1/32
1/4, 1/8, 1/16, 1/32
1/4, 1/8, 1/16, 1/32
1/8
MIMO
має місце
має місце
має місце
має місце
Технологія Flash-OFDM. Технологія Flash-OFDM (Fast LowLatency Access with Seamless Handoff Orthogonal Frequency Division Multiplexing) первинно розроблялася для мобільних мереж широкосмугового доступу. Її основною відмінною рисою порівняно з іншими мобільними безпроводовими технологіями є забезпечення високого ступеня мобільності абонента (можливість працювати в русі на швидкостях до 250 км/год, наявність хендоверу). Розроблювач цієї технології — компанія Flarion — в 2002 р. ініціювала розробку стандарту IEEE 802.20, в основу якого було покладено технологію Flash-OFDM. Середня швидкість у мережі Flash-OFDM становить 1—1,5 Мбіт/с у напрямку до абонента, а пікова швидкість досягає 3,2 Мбіт/с, швидкість у висхідному каналі (від абонента) — 300—500 кбіт/с. За допомогою технології Flarion Flash-OFDM, інтегрованої з IP, оператори мобільного зв’язку можуть ефективно об’єднувати корпоративні, локальні мережі в безпроводову глобальну мережу. Запуск першої тестової мережі Flash-OFDM відбувся ще в 2001 р. Однак на сьогоднішній день у світі на базі цієї техноло207
Сучасні телекомунікаційні системи
гії працюють лише кілька комерційних мереж у США і Європі, а кілька мереж перебувають у тестовій експлуатації чи в процесі розгортання. У липні 2005 р. Flarion була придбана корпорацією Qualcomm, що збирається просувати технологію Flash-OFDM на міжнародному ринку і використовувати її у своїх розробках. Технологія UMB. Технологію понадмобільного широкосмугового доступу UMB (Ultra Mobile Broadband) компанія Qualcomm позиціює як альтернативу технологіям HSDPA і WiMAX. У 2007 р. компанія анонсувала CSM8900 і MDM8900 (CSM — Cell Site Modem, MDM — Mobile Data Modem) — устаткування для базової станції і клієнтського термінала, відповідно. CSM8900 і MDM8900 відповідають вимогам стандарту 3GPP2 UMB і для досягнення високої пропускної спроможності використовують стандарт CDMA2000 з розбивкою на піддіапазони шириною 20 МГц (як і в WiMAX), технології мультиплексування по ортогональних несучих і MIMO. За заявою компанії, MDM8900 забезпечує завантаження даних зі швидкістю до 40 Мбіт/с і відправлення — зі швидкістю до 10 Мбіт/с. Це значно перевищує максимум для HSDPA (14,4 Мбіт/с для завантаження даних), але не “дотягує” до теоретичного максимуму для WiMAX (75 Мбіт/с). В CSM8900 використовується платформа Qualcomm Snapdragon і підтримується конфігурація MIMO 4х4. Слід зазначити, що нову платформу Snapdragon передбачається інтегрувати в портативні ігрові пристрої, кишенькові комп’ютери, комунікатори i смартфони. До складу платформи входить одногігогерцовий мікропроцесор Scorpion, спарений з 600 МГц 128-розрядним цифровим сигнальним процесором для прискорення обробки мультимедійних даних. Як очікується, поставки пробних екземплярів MDM8900 і CSM8900 почнуться в 2008 р. Багаточастотні UMB-пристрої, що працюють на частотах 450, 700, 850, 1700, 1900, 1700/2100 (AWS), 1900/2100 (IMT) і 2500 МГц, здатні значно розширити вибір 3G CDMA-пристроїв. За попередніми даними, комерційне використання цього стандарту почнеться в 2009 р. Як передбачається, UMB стане глобальним стандартом. Його підтримують компанії Association of Radio Industries and Businesses (ARIB) в Японії, China Communications Standards Association (CCSA), Telecommunications Industry Association (TIA) у Північній Америці, Telecommunications Technology Association (TTA) у Кореї і Telecommunications Technology Committee (TTC) в Японії. 208
Розділ 6
Організація CDG (CDMA Development Group) оголосила про те, що вона вибрала назву “Ultra Mobile Broadband” (UMB) як бренд для розвинутих технологій і сервісів, які будуть підтримувати стандарт CDMA2000 1xEV-DO Revision C (Rev.C). Очікується, що новий стандарт стане доступний у світовому масштабі на комерційній основі на початку 2009 р. Технологія iBurst. Технологія iBurst — це мобільна система широкосмугового радіодоступу, що була вперше розроблена ArrayComm і пізніше прийнята альянсом ATIS (Alliance of Telecommunications Industry Solutions) під назвою HC-SDMA (High Capacity — Spatial Division Multiple Access — багатостанційний доступ з просторовим розділенням і високою пропускною спроможністю) як радіоінтерфейсний стандарт ATIS-0700004-2005. Стандарт був підготовлений підкомітетом Wireless Wideband Internet Access альянсу ATIS’ WTSC (Wireless Technology and Systems Committee’s) і прийнятий American National Standard (рис. 16.5). У 2006 р. iBurst був проголошений як офіційна специфікація стандарту IEEE 802.20 “Mobile Broadband Wireless Access Working Group”. Технологія HC-SDMA забезпечує широкосмуговий безпроводовий доступ на значній території для фіксованого та рухомого застосування. Ця технологія використовує інтелектуальні адаптивні антенні грати для значного поліпшення радіопокриття та пропускної спроможності. На рис. 16.6 зображена така антенна гратка базової станції iBurst. Основні технічні характеристики системи iBurst наведені в табл. 16.5.
Рис. 16.5. Система iBurst
Рис. 16.6. Базова станція iBurst з інтелектуальними адаптивними антенними гратами
209
Сучасні телекомунікаційні системи Таблиця 16.5. Основні технічні характеристики системи iBurst
Параметри
Значення
Смуга частот, МГц
1785—1805
Метод радіодоступу
FDMA/SDMA/TDMA
Максимальна кількість абонентів на БС
640
Необхідна ширина смуги частот, МГц
5
Кількість частотних каналів
8
Ширина частотного каналу, кГц
625
Пропускна спроможність базової станції
32,4 Мбіт/с (24,4 Мбіт/с — Dowlink, 8 Мбіт/с — Uplink)
Пропускна спроможність абонента
1061 кбіт/с БС → Абонент, 346 кбіт/с Абонент → БС
Вихідна потужність, дБм
44,6
Зона покриття, км
До 4 — в місті, до 12 — за містом
Чутливість, дБм
від −94,6 до −108,6 (в залежності від класу модуляції)
Антени
Система адаптивних всенаправлених антен
Модуляція
BPSK-24QAM
Проведені експериментальні заміри системи iBurst в умовах міста Москви (липень 2006 р.) показали такі результати. Пропускна спроможність системи при швидкості руху мобільного термінала 60—90 км/год в прямому каналі БС → АТ (абонентський термінал) становить 595 кбіт/с (середня), 50 кбіт/с (мінімальна) та 1684 кбіт/с (максимальна) (рис. 16.7), а в зворотному каналі АТ → БС — 183 кбіт/с (середня), 50 кбіт/с (мінімальна) та 330 кбіт/с (максимальна) (рис. 16.8). На рис. 16.9 і в табл. 16.6 наведені характеристики системи iBurst та інших мобільних безпроводових систем для їх порівняння. Очевидно, що найбільшою перевагою системи iBurst є її дуже висока спектральна ефективність.
210
Розділ 6 С, Мбіт/с
t, год : хв: с
Рис. 16.7. Часова залежність пропускної спроможності в каналі БС → АТ при швидкості руху мобільного термінала 60—90 км/год С, Мбіт/с
t, год : хв : с
Рис. 16.8. Часова залежність пропускної спроможності в каналі АТ → БС при швидкості руху мобільного термінала 60—90 км/год Таблиця 16.6. Характеристики систем мобільного безпроводного доступу
Система CDMA 2000 1X EVDO Rev.0 CDMA 2000 1X EVDO Rev.A WCDMA HSDPA WiBro iBurst
Ширина смуги, МГц
Максимальна пропускна Спектральна ефективність, біт/с/Гц спроможність (прямий канал), Мбіт/с максимум середня
1,25
2,4
1,92
0,64
1,25 5 5 8,75 5
3,1 2 14,4 18,4 24,4
2,48 0,4 2,8 2,1 6,4
0,8 0,2 0,6—0,8 1,5 3,4
211
Сучасні телекомунікаційні системи
Cuser, кбіт/с 2500 2000 1500
3
1
4
1000
2 500 0
0
10
20
30
40
Nuser
Рис. 16.9. Залежність пропускної спроможності на одного абонента від кількості абонентів, що обслуговуються БС водночас: 1 — EVDO 1X; 2 — WiBro; 3 — HSDPA; 4 — iBurst)
Стандарт TD-CDMA. Стандарт UMTS (Universal Mobile Telecommunication System — універсальна система мобільного зв’язку) крім відомої специфікації W-CDMA (UTRA FDD) також містить іншу специфікацію, про яку згадується набагато рідше, ніж про W-CDMA. Мова йде про TD-CDMA (Time Duplex — Code Division Multiple Access) (інша назва — TDD UTRA). Стандарт TD-CDMA використовує технологію TDD, і на відміну від W-CDMA, що застосовує технологію FDD, що потребує парного спектра, може використовувати непарний спектр, тобто займати меншу смугу частот (1900—1920 і 2010—2025 МГц). Технологія TDD добре пристосована для передачі даних по одному взаємному каналу, що дає можливість реалізувати керовану оптимізацію асиметричності прийнятих і переданих посилок. Технологія TDD апаратно важко реалізується через жорсткість вимог, пред’явлених до синхронізму приймача і передавача, а також всієї мережі в цілому. Це пояснюється необхідністю синхронізації абонента, що пересувається, як у стільнику, так і між стільниками. Друга складність полягає в необхідності контролю потужності випромінювання в мережі для адаптивного регулювання і підтримки оптимального рівня випромінювання. У TD-CDMA-мережах на даний час швидкість обміну даними між базовою станцією й клієнтським терміналом становить 2 Мбіт/с. Однак, якщо проаналізувати реальну потребу клієнта, то для прийому відеопрограми у форматі MPEG-4 достатньо смуги швидкості 800 кбіт/с, для телефонної розмови по IP-телефонії — 12 кбіт/с, для одержання послуг Інтернет — до 512 кбіт/с. Отже, більшість потреб клієнтів у сервісах може бути задоволена при пропускній спроможності 1,5 Мбіт/с на клієнтський термінал. 212
Розділ 6
У мережах мобільного зв’язку швидкість передачі даних за технологією GPRS становить 10—20 кбіт/с і після проведеної модернізації вона збільшиться лише в чотири рази. Для надання широкосмугових послуг у мережах GSM і CDMA необхідна повна модернізація обладнання. Основні характеристики TD-CDMA Мінімальні частотні смуги, Мгц.................. 5, 1,6 Голосовий кодек .......................................... AMR (та GSM EFR) Канальне кодування .................................... згортковий код та турбокоди Часові слоти, які складає TDMA-кадр........ 15 Чіпова швидкість передачі, Мчіп/с ............. 3,84 чи 1,28 Канальний растр, кГц .................................. 200 Довжина кадру, мс ....................................... 0 Кількість слотів/кадр.................................... 15 Хендовер ...................................................... жорсткий Діапазон регулювання потужності, дБ ........ 65 (UL), 30 (DL) Мобільна пікова потужність (дБм) при класі потужності: 1 ................................................................ +33 2 ................................................................ 27 3 ................................................................ 24 4 ................................................................ +21 Кількість унікальних ідентифікаційних кодів базової станції .................................... 512/частоту
На Україні компанія “Перша інвестиційна спілка” готує до запуску в комерційну експлуатацію безпроводову широкосмугову мультисервісну мережу передачі даних (інтернет, телефонія та відео) у стандарті TD-CDMA (рис. 16.10). У результаті виконання проекту мають з’явитися широкі можливості для вирішення державних, корпоративних і бізнесових завдань. Слід зауважити, що на даний час технологія TD-CDMA має у своєму розпорядженні платформу мобільного телемовлення TDtv, що відповідає специфікації 3GPP MBMS (multimedia broadcast and multicast service) для UMTS. Платформа TDtv може забезпечувати одночасну передачу до 15 телевізійних каналів у 3G-мережі. На закінчення треба згадати про схожий з TD-CDMA китайський стандарт TD-SCDMA (Time Division — Synchronous Code Division Multiple Access, названий UTRA-TDD low chiprate mode), що є спробою створення у виділеному діапазоні (1900—1920 і 2010— 213
Сучасні телекомунікаційні системи
2025 МГц) устаткування, що забезпечує насамперед передачу голосового трафіка, що робить неясною позицію розроблювачів даного рішення із врахуванням того, що вже існує відпрацьована технологія з використанням парних смуг (та ж UTRA FDD). Технологія є національним стандартом для Китаю і на даний момент немає ясності, яким чином вона буде розвиватися і чи відбудеться масове проникнення її на інші ринки, чи ні. У цей час мережа на базі технології TD-SCDMA розгорнута в Китаї на базі рішень компаній Alcatel і Datang. Свої рішення по розвитку даного стандарту мають компанії Siemens і Huawei Technologies. Застосування / Білинг 15 Користувачі
Доступ 11
7
12
14 16
8
1 4
6 9
10 13 Управління
2
17
NGN
18 ТМЗК
IP / MPLS транспортна мережа
3
Інтернет
19 5
Рис. 16.10. Проект широкосмугової мультимедійної мережі з використанням безпроводового обладнання TD-CDMA: 1 — безпроводовий модем TD-CDMA; 2 — xDSL-модем; 3 — PBX (Private Branch eXchange) — приватна автоматична телефонна станція; 4 — базова станція TD-CDMA (Node B); 5 — MG (Media Gateway) — транспортний шлюз (медіашлюз); 6 — INC (Integrated Network Controller) — інтегруючий контролер мережі; 7 — білингова система; 8 — RADIUS/HLR (Remote Access Dial-In User Service / Home Location Register) — протокол аутентифікації та обліку при віддаленому доступі користувача/домашній регістр місцезнаходження користувача; 9 — LNS (L2TP (Layer 2 Tunneling Protocol) Network Server) — мережний сервер протоколу тунелювання 2-го рівня; 10 — RADIUS; 11 — Virtual PBX; 12 — Conference; 13 — SSW4 / SSW5; 14 — VPN (Virtual Private Network); 15 — IVR (Interactive Voice Response) — інтерактивна голосова система; 16 — Radius/HLR; 17 — MG; 18 — SBC (Session Border Controller) — граничний контролер сеансів зв’язку; 19 — Firewall
214
Розділ 6 Ñïèñîê ëòåðàòóðè 1. 2.
3.
4. 5.
6.
Весоловский К. Системы подвижной радиосвязи. — М.: Горячая линия—Телеком, 2006. — 536 с. Understanding UMTS Radio Network Modelling, Planning and Automated Optimisation. Theory and Practice / Edited by M.J. Nawrocki, M. Dohler, A.H. Aghvami.— N.Y.: John Wiley, 2006. — 548 p. WiMAX — технология беспроводной связи: основы теории, стандарты, применение / В.С. Сюваткин, В.И. Есипенко, И.П. Ковалев, В.Г. Сухоребров. — СПб.: БХВ-Петербург, 2005.— 368 с. Берлин А.Н. Цифровые сотовые системы связи. — М.: Эко-Трендз, 2007. — 296 с. Ильченко М.Е., Кайденко Н.Н., Кравчук С.А. Особенности построения сетей широкополосного радиодоступа на базе технологии WiMAX // Матер. 16-й Междунар. конф. КрыМиКо′2006 “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологи”, в 2-х томах, 11—15 сентября 2006 г., Севастополь, Крым, Украина. — Москва; Киев; Минск; Севастополь: Вебер, 2006. —С. 328—329. Кравчук С.А., Шонин В.А. Мониторинг и управление сетью WiMAX на основе оборудования Libra MX // Электроника и связь. Темат. выпуск “Проблемы электроники”. — 2007. — Ч.3. — С. 65—67.
215
Ðîçäë 7
Áåçïðîâîäîâ òåëåêîìóíêàöéí ñèñòåìè íàñòóïíîãî ïîêîëííÿ
17. Ðîçïîäëåí áåçïðîâîäîâ ìåðåæ ç ðåòðàíñëÿöºþ Забезпечення високих швидкостей передачі інформації, прогнозоване в безпроводових системах наступного покоління, на великих площах покриття може бути здійснене тільки у випадку залучення нової широкої смуги спектра частот чи шляхом значного збільшення щільності розташування точок доступу (базових станцій). Однак на даний час не передбачається можливості відведення під СШР великої смуги частот, а збільшення кількості точок доступу економічно невигідно. Тому в останні роки збільшується інтерес до розподілених безпроводових мереж з ретрансляцією (РБМР) чи, як їх ще називають, узагальнених багатопрогонових мереж (generic multihop network). Для побудови таких мереж, крім прикінцевих терміналів, використовують проміжні термінали, які виконують функції ретрансляторів-маршрутизаторів. Таким чином, створюється розподілена безпроводова мережа з набору незалежних терміналів, що уявляються їх користувачам єдиною об’єднаною системою. Тут обговорюються два моменти: перший стосується апаратури — всі термінали автономні, другий — програмного забезпечення — користувачі думають, що мають справу з єдиною системою. Важливі обидва моменти. Можливо, замість того щоб розглядати визначення розподілених мереж, розумніше буде зосередитися на їх важливих характеристиках. Перша з таких характеристик полягає в тому, що від користувачів прихована різниця між терміналами і способами зв’язку між ними. Те саме стосується й зовнішньої організації розподілених мереж. Іншою важливою характеристикою розподілених мереж
Розділ 7
є спосіб, за допомогою якого користувачі і застосування працюють у розподілених системах незалежно від того, де й коли відбувається їх взаємодія. Розподілені мережі повинні також відносно легко піддаватися розширенню чи масштабуванню. Ця характеристика є прямим наслідком наявності незалежних терміналів, але в той же час вона не показує, яким чином ці термінали насправді об’єднуються в єдину систему. Розподілені мережі звичайно функціонують постійно, однак деякі їх частини можуть тимчасово виходити з ладу. Користувачі і застосування не повинні повідомлятися про те, що ці частини замінені або полагоджені, або що додано нові частини для підтримки додаткових користувачів чи застосувань. Для того щоб підтримати зображення різних терміналів і систем у вигляді єдиної мережі, організація розподілених мереж часто містить у собі додатковий проміжний рівень програмного забезпечення (middleware), що знаходиться між верхнім рівнем, на якому перебувають користувачі і застосування, і нижнім рівнем, що складається з операційних систем [1]. В умовах постійного росту вимог до мережних технологій і окремих протоколів у стратегії функціонування розподілених безпроводових мереж з ретрансляцією вводяться елементи самоорганізації [2]. Безпроводові системи, що самоорганізуються, являють собою досить широкий клас мереж із динамічною топологією, із забезпеченням розподіленої координації функцій між вузлами-терміналами. Реалізація функцій самоорганізації накладає додатковий відбиток на склад і функції систем (технологій) мережного керування і окремих керуючих механізмів і протоколів. Процес керування має носити безперервний характер, ґрунтуючись на постійному і максимально повному моніторингу і безперервній обробці інформації про стан мережі (її структурі, завантаженості тощо), і здійснюватися переважно в реальному масштабі часу. В умовах відсутності постійної топології мережі керування повинне зводитися не тільки до параметричної оптимізації, а й обов’язково торкатися аспектів структурної адаптації. Вироблення керуючого сигналу має бути адекватною реакцією системи керування на кожну (випадкову чи детерміновану) зміну як у самій мережі, так і в зовнішніх умовах її функціонування. З огляду на перераховані вище особливості побудови безпроводових систем, що самоорганізуються, до основних вимог, які мають ставитися до перспективних моделей і методів керування, можна віднести такі: 217
Сучасні телекомунікаційні системи
• забезпечення системності прийнятих рішень; • врахування динамічного і стохастичного характеру змін як топології мережі, так і процесів інформаційного обміну, що протікають у ній; • розширення (порівняно з існуючими моделями і методами) переліку керованих параметрів і характеристик з метою більш повної реалізації переваг спільної параметричної і структурної адаптації. Слід зазначити, що специфіка проектування і експлуатації мереж, що самоорганізуються, породжує ряд проблем [3]. Наприклад, з огляду на територіальну розподіленість, різнорідність (мультипротокольність) сучасних телекомунікаційних систем і стохастичність динаміки зміни їх структурно-функціональних параметрів, здійснити комплексне вирішення перерахованих завдань, ґрунтуючись на використанні сучасного інструментарію керування, не завжди представляється можливим. У більшості випадків задача керування зводиться до розв’язання окремих мережних задач, що належать до різних рівнів еталонної моделі взаємодії відкритих систем: окремо розв’язуються задачі і розробляються відповідні протоколи рівня доступу, мережного рівня (задача маршрутизації в безпроводових мережах), транспортного рівня (задача підвищення продуктивності протоколу TCP). Використання “просторової” розмірності і властивої їй можливості макрорознесення веде в РБМР до створення різних архітектурних форм. У відомих джерелах [4, 5] варіанти таких нових системних архітектур розподіляються відповідно до таких ключових слів: • повнодоступна вузлова мережа з інфраструктурою (mesh network); • стільникові багатопрогонові мережі (cellular multihop networks); • епізодична мережа з довільною структурою (ad hoc networks); • багатостанційний доступ з керованими можливостями ODMA (Opportunity-Driven Multiple Access); • спільне (кооперативне) користувацьке рознесення (user cooperative diversity); • багатокористувацьке рознесення (multiuser diversity). У той час як перші три ключових слова роблять особливий наголос на архітектурі таких систем, то наступні три надають особливого значення їх здатності до рознесення. Різноманітна топологія РБМР може складатися з таких канальних конфігурацій (рис. 17.1): ретрансляції (послідовної із 218
Розділ 7
прямим каналом); паралельної ретрансляції; широкомовлення; множинного доступу; інтерференційної; кооперативного розR R2 несення. а б Концепція цифрової ретрансляції вивчалася як D1 теоретична проблема в меS1 S D режній теорії інформації D2 S2 ще в 70-х і 80-х роках минулого сторіччя. Тоді ж буг в ло визначено області можливої пропускної спроможності простих каналів D1 S1 S1 D1 ретрансляції [6, 7]. S2 D2 S2 Варто акцентувати уваD2 гу на базовій відмінності у фундаментальному прие д значенні звичайних епізоРис. 17.1. Основні конфігурації топології РБМР: дичних мереж і багатопроа — ретрансляції (послідовної з прямим канагонових мереж з інфралом); б — паралельної ретрансляції; в — широструктурою: у той час як комовлення; г — множинного доступу; д — основне призначення епіінтерференції; е — кооперативного рознесення; зодичних мереж у функS — Source (джерело); R — Retransmitter (ретранслятор); D — Destination (пункт призначення ціонуванні без будь-якої інфраструктури, то призначення мереж з інфраструктурою є майже повсюдне забезпечення покриття з високою пропускною спроможністю. Ретрансляція в РБМР може мати такі особливості: • вибірна ретрансляція: звичайна ретрансляція “в сліпу” (передача без підтвердження прийому) може створювати значну інтерференцію при множинному доступі; тому вибір сайту розташування ретранслятора має важливе значення; • канальна селекція: ретранслятори використовують найбільш підходящий канал (частота/часовий слот чи код) з необхідною потужністю передачі і/чи модуляційного рівня для зниження інтерференції; • декодування проти ретрансляції з підсиленням: ретрансляція з декодуванням відповідає випадку, коли ретранслятор здійсS
D
S
R1
D
219
Сучасні телекомунікаційні системи
нює цифрове декодування і повторне кодування сигналу до його ретрансляції далі. При ретрансляції з підсиленням ретранслятор просто підсилює прийнятий сигнал. Інакше кажучи, ретрансляція з декодуванням є регенеруючою, у той час як ретрансляція з підсиленням не регенерує. Декодувальну ретрансляцію і з підсиленням іноді відповідно називають цифровою і аналоговою ретрансляцією; • макрорознесення: для досягнення виграшу рознесення термінал може в один і той же час з’єднуватися з більш ніж одним ретранслятором, так само як і з БС; • мобільність ретрансляторів: ретранслятори не обмежуються тільки фіксованими терміналами, кожний із мобільних терміналів може виконувати функції ретрансляції з потенційно однаковими можливостями радіодоступу; • адаптація: локалізація ретранслятора може змінюватися так само, як і властивості радіоканалу, що вимагає постійного перерозподілу радіоресурсу. Епізодичні мережі (ad hoc). Існують ситуації, коли користувачі мережі не можуть сподіватися на інфраструктуру, тому що вона занадто дорога чи її немає взагалі. У такій ситуації єдиною альтернативою можуть бути епізодичні мережі (ad hoc), які являють собою безпроводове об’єднання із самоорганізацією довільних терміналів-ретрансляторів при відсутності визначеної мережної інфраструктури. Нижче наводяться приклади використання епізодичних мереж. Миттєва інфраструктура [8]. Незаплановані зустрічі, спонтанне спілкування між людьми й т.п. не можуть покладатися на яку-небудь інфраструктуру. Інфраструктура потребує планування і адміністрування, але створення такої інфраструктури буде занадто довгим, тому виходить, що варто скористатися з можливості епізодичного з’єднання. Зони стихійного лиха. У таких зонах інфраструктура найчастіше буває зруйнована. Урагани обривають телефонні лінії і лінії електропередач, повені руйнують базові станції, пожежі знищують сервери. Таким чином, аварійні рятувальні команди покладаються тільки на ту інфраструктуру, що вони створять самі. Заздалегідь спланувати нічого не вдасться, тому настроювання має бути максимально швидким і надійним. Те саме можна сказати й стосовно багатьох військових акцій. Важкодоступні райони. Навіть якщо інфраструктуру можна спланувати заздалегідь, іноді виявляється занадто дорого створюва220
Розділ 7
ти її в малонаселених районах. Залежно від структури комунікацій епізодичні мережі чи супутникові інфраструктури можуть виявитися цілком підходящими. Армійський зв’язок [9]. На полі бою знищення чи порушення інфраструктури може поставити під загрозу бойові дії, а наявність розподіленої самоорганізуючої мережі значно підвищить живучість керування та координації ведення бойових дій. Ефективність. Служби існуючої інфраструктури можуть бути занадто дорогими для деяких застосувань. Якщо, наприклад, існує тільки стільникова мережа, орієнтована на установку з’єднання, а застосування щохвилини відсилає лише незначну інформацію про поточний стан, то більш дешева епізодична мережа з пакетною передачею може виявитися кращим рішенням. Крім того, процедура реєстрації може бути занадто тривалою, і службові витрати можуть не виправдати передану інформацію. Таким чином, епізодичні мережі, що підстроюються під конкретні задачі, можуть привести до кращого рішення. Якщо безпроводові мережі з інфраструктурною підтримкою базової станції мають доступ до всіх мобільних вузлів, то це не завжди справедливо у випадку епізодичної мережі. Цільовий вузол може перебувати поза досяжністю вихідного вузла, що передає пакети. Таким чином, для знаходження шляху між джерелом і пунктом призначення, а також для правильного пересилання пакетів необхідна маршрутизація. У безпроводових мережах, що використовують інфраструктуру, визначені комірки. Усередині комірки базова станція може зв’язатися з усіма вузлами за допомогою широкомовлення без маршрутизації. У ситуації ж з епізодичною мережею кожен вузол має бути здатний переправляти дані для інших вузлів. Через це виникає багато нових проблем, які розглядаються нижче. На рис. 17.2 зображено простий приклад епізодичної мережі [10]. У певний момент часу t1 топологія мережі може виглядати так, як показано на рис. 17.2, а. П’ять вузлів, від N1 до N5, з’єднані залежно від поточних характеристик передачі між ними. На цьому рисунку вузол N4 може добре приймати дані, що посилає N1, але Nl може приймати повідомлення від N4 лише по слабкій лінії зв’язку. Таким чином, лінії зв’язку необов’язково повинні мати однакові характеристики в обох напрямках. Причиною можуть бути, наприклад, різні характеристики антен чи різна випромінювана потужність. Вузол N1 не може приймати передач від N2 зовсім, а N2 може приймати тільки сигнали від N1. 221
Сучасні телекомунікаційні системи
Дана ситуація може дуже швидко змінитися, як показано на рис. 17.2, б у момент часу t2. Вузол N1 більше взагалі не може приймати сигнали від N4, а N4 приймає сигнали від N1, але через слабку лінію зв’язку. Тепер між N1 і N2 існує асиметрична двонаправлена лінія зв’язку, якої раніше не було. N2
N1
N1
N3 N4
N5 а
N6
N3
N2 N4
N5
N6
б
Рис. 17.2. Приклад епізодичної мережі в момент часу: а — t1; б — t2; суцільна стрілка — сильна лінія зв’язку; пунктирна стрілка — слабка лінія зв’язку
Цей дуже простий приклад показує фундаментальну відмінність епізодичної безпроводової мережі від проводової мережі з погляду на маршрутизацію. Асиметричні лінії зв’язку. Якщо вузол А приймає сигнал від вузла Б, то це ще нічого не говорить про якість зв’язку у зворотному напрямку. Вузол Б може взагалі нічого не приймати, мати слабкий зв’язок чи ж мати навіть кращий зв’язок, ніж у протилежному напрямку. Таким чином, маршрутна інформація, зібрана по одному напрямку, практично марна для іншого. Втім, багато алгоритмів маршрутизації для проводових мереж ґрунтуються на симетричному сценарії. Надлишкові лінії зв’язку. Проводові мережі також мають надлишкові лінії зв’язку для захисту від збоїв. У той же час у проводових мережах є лише деяка надмірність, що до того ж контролюється мережним адміністратором. В епізодичних мережах ніхто не контролює надмірність, так що в цьому випадку може бути багато надлишкових ліній зв’язку, аж до появи ґратчастої топології. Алгоритми маршрутизації можуть добре справлятися з невеликою надмірністю, але сильна надмірність може створювати занадто велике обчислювальне навантаження по відновленню таблиць маршрутизації. Інтерференція. У проводових мережах зв’язок існує лише при наявності провідників, а з’єднання плануються мережними адміністраторами. Для безпроводових епізодичних мереж це не так. Лінії зв’язку з’являються і зникають залежно від характеру передачі, а одна передача може інтерферувати з іншою, вузли можуть перехо222
Розділ 7
плювати повідомлення від інших вузлів. Таким чином, інтерференція створює нові проблеми появи “незапланованих” ліній зв’язку між вузлами: якщо два окремих вузли здійснюють дві передачі, то ці передачі можуть інтерферувати і придушити одна одну. З іншого боку, інтерференція може полегшити маршрутизацію. Вузол може вивчити топологію за допомогою пакетної службової інформації. Динамічна топологія. Найбільш серйозну проблему для маршрутизації становить високодинамічна топологія. Мобільні вузли можуть переміщатися, як показано на рис. 17.2, чи можуть змінюватися характеристики середовища. Це призводить до частої зміни топології, так що таке розташування буде дійсним протягом дуже короткого часу. В епізодичних мережах таблиці маршрутизації повинні так чи інакше відображати ці часті зміни в топології і підбудовувати алгоритми маршрутизації. Алгоритми маршрутизації, використовувані в проводових мережах, або будуть реагувати занадто повільно, або будуть породжувати занадто багато оновлень, намагаючись відобразити всі зміни топології. Таблиця маршрутизації в проводовій мережі обновляється, наприклад, кожних 30 с. Така частота відновлення може виявитися занадто низькою, щоб її можна було застосувати в епізодичних мережах. Крім того, деякі алгоритми залежать від повної схеми всієї мережі. Це спрацьовує в проводовій мережі, де відновлення досить рідкісні, але це абсолютно неприйнятно в епізодичних мережах. Топологія змінюється під час поширення “поточного” стану, і його фіксація не потрібна. Повернемося до прикладу мережі, зображеному на рис. 17.2, і припустимо, що вузол N1 хоче відіслати дані вузлу N3 і потребує підтвердження. Якщо N1 має повну картину мережі (яка не зовсім є епізодичною) на момент t1, то він повинен вибрати шлях N1, N2, N3 тому що це потребує лише двох маршрутних ділянок (якщо маршрутні ділянки розглядаються як метрика). Підтвердження не може відбутися тим же шляхом — N3 вибирає шлях N3, N5, N4, N1. Для цього потрібно три маршрутні ділянки, і можна побачити, що маршрутизація дуже впливає на функції вищих рівнів. Наприклад, TCP при обчисленнях, пов’язаних з періодом кругового обігу пакета, припускає однаковий шлях в обох напрямках. Очевидно, що в розглянутому прикладі це не так, тому воно призведе до невірного тлумачення вимірів і зниження ефективності роботи протоколу ТСР. В наступну мить (момент t2) топологія зміниться. Тепер N3 більше не може використовувати той же шлях для відправлення пі223
Сучасні телекомунікаційні системи
дтвердження назад до N1, тоді як вузлу N1 усе ще доступний старий шлях до N3. Хоча сформована ситуація вже є більш складною, ніж стаціонарна мережа, передбачається, що вузлам відома поточна топологія мережі. Оптимальною інформацією для кожного вузла був би опис існуючої на даний момент зв’язності всіх вузлів, очікуваних інформаційних потоків, пропускної спроможності ліній зв’язку, затримок на кожній із ліній і обчислювальної потужності кожного вузла. Відзначимо, що навіть у стаціонарних мережах інформаційні потоки важко передбачити, а в епізодичних мережах — до того ж з невідомими пропускними спроможностями ліній зв’язку — це зовсім неможливо. Пропускна спроможність кожної лінії зв’язку може змінюватися від нуля до максимального значення, яке допускає технологія передачі. У реальних епізодичних мережах жодному вузлу не відомі всі ці фактори, і збір найсвіжішої інформації про поточний стан майже неможливий. Застосування в епізодичних мережах мобільних комп’ютерів породжує нові проблеми, пов’язані з обмеженнями апаратного забезпечення, а використання стандартних протоколів маршрутизації з періодичним відновленням призводить до витрати енергії джерелами живлення навіть без передачі користувацьких даних і виключає застосування режиму очікування. Крім того, періодичне відновлення витрачає пропускну спроможність — і без того вбогий ресурс безпроводових ліній зв’язку. Ще однією проблемою, відсутньою в проводових мережах, є інтерференція між двома і більше передачами, які не використовують однакові вузли при пересиланні. Якщо, наприклад, друга передача з вузла N4 у вузол N5 (див. рис. 17.2) відбувається одночасно з передачею від N1 до N3, тo вони можуть інтерферувати. Інтерференція може виникнути в N2, коли він приймає сигнали від N1 і N4, чи в N5, коли він прийме сигнали від N4 і N2. Розглядаючи всі додаткові труднощі, що виникають порівняно з проводовими мережами, можна зробити такі висновки щодо епізодичних мереж з рухомими вузлами. Традиційні алгоритми маршрутизації, застосовувані в проводових мережах, працюють неефективно (наприклад, дистанційновекторні алгоритми, такі, як RIP (Routing Information Protocol), сходяться занадто повільно) або цілком непридатні (наприклад, алгоритм маршрутизації, при якому шлях вибирається на підставі інформації про стан каналу, такий, як OSPF (Open Shortest Path First), потребує повного знання стану мережі). Ці алгоритми роз224
Розділ 7
роблялися без врахування високодинамічної топології асиметричних ліній зв’язку чи інтерференції. Маршрутизація в безпроводових епізодичних мережах не може базуватися тільки на інформації третього рівня. Інформація з нижніх рівнів, що стосується зв’язності чи інтерференції, може значно полегшити завдання алгоритмів маршрутизації по відшуканню кращого шляху. Централізовані підходи не працюють, оскільки вони потребують занадто багато часу на збір відомостей про поточний стан і передачу цієї інформації в протилежному напрямку. За цей час топологія може помінятися. Багатьом вузлам потрібні можливості маршрутизації. Хоча деякі вузли зможуть без цього обійтися, але, принаймні, один маршрутизатор повинен бути в межах досяжності кожного вузла. Алгоритми повинні ощадливо витрачати обмежену потужність джерел живлення цих вузлів. Поняття з’єднання з деякими характеристиками не може використовуватися адекватно. Епізодичні мережі будуть працювати без установлення з’єднання — в оточенні, що швидко змінюється, неможливо підтримувати з’єднання і пересилати по ньому дані. Вузлам потрібно приймати локальні рішення для пересилання і відправлення пакетів приблизно в напрямку пункту призначення. Останньою альтернативою для пересилання пакетів при невідомій топології є лавинна маршрутизація. Ця модель завжди працює при низькому завантаженні, але вона дуже неефективна. Щоб уникнути зациклення, до кожного пакета прикріплюється лічильник маршрутних ділянок, причому має бути відомий діаметр епізодичної мережі, тобто максимальна кількість маршрутних ділянок. (Як верхню оцінку діаметра мережі можна використати кількість вузлів.) Може виявитися корисною ієрархічна кластеризація вузлів. Якщо вдасться ідентифікувати кілька груп вузлів, зв’язаних разом, можна створити кластери. Тоді як окремі вузли можуть переміщатися швидше, цілий кластер може бути більш стаціонарним. Отже, маршрутизація між кластерами може виявитися простішою і менш динамічною. Таким чином, епізодичні мережі пропонують абсолютно новий шлях організації мобільного зв’язку при відсутності інфраструктури. У цих мережах головним питанням є маршрутизація, оскільки тут немає базової станції, що має доступ до всіх вузлів че225
Сучасні телекомунікаційні системи
рез широкомовний зв’язок, як у стільникових мережах. Традиційні алгоритми маршрутизації виявляються неефективні у високодинамічному середовищі епізодичних мереж, а виходить, потрібна модифікація існуючих алгоритмів чи залучення зовсім нових [11]. Важливою відмінністю безпроводових мереж є потреба в інформації про характеристики другого рівня. При знаходженні гарного маршруту як метрика можуть використовуватися відомості про інтерференцію і підтвердження. Багато питань, що стосуються мобільного мережного рівня, залишаються відкритими. Важливо бачити, як багато різних підходів можна скомбінувати. Наприклад, розширення можливостей чужих агентів, що допускають множинні маршрути до мобільних вузлів, можна об’єднати з протоколом Mobile IP в епізодичних мережах. Останнім часом з’явилося багато робіт зі створення епізодичних обчислювальних мереж із протоколом Mobile IP. Група розвитку мобільних епізодичних мереж MANET (mobile ad hoc networking group) пропонує все нові механізми інкапсуляції і протоколи маршрутизації. Безпроводова mesh-мережа. Багатопрогонову повнодоступну вузлову безпроводову архітектуру називають безпроводовою meshмережею WMN (Wireless Mesh Networks). Мережа WMN являє собою динамічну структуру із самоорганізацією (типу “багатоточка-багатоточка”), що складається з нерівноправних безпроводових вузлів, з’єднання між якими і керування цими з’єднаннями відбувається як розподіленим, так і централізованим способом [12]. Поняття mesh насамперед визначає принцип побудови мережі, відмінною рисою якої є архітектура, що самоорганізується, реалізуючи такі можливості: • створення зон суцільного інформаційного покриття великої площі; • масштабованість мережі (збільшення площі зони покриття і щільності інформаційного забезпечення) у режимі самоорганізації; • використання безпроводових транспортних каналів (backhaul) для зв’язку точок доступу в режимі “кожний із кожним”; • стійкість мережі до втрати окремих елементів. Mesh-мережі будуються як сукупність кластерів (рис. 17.3) [13]. Територія покриття поділяється на кластерні зони, кількість яких теоретично не обмежене. В одному кластері розміщається від 8 до 16 точок доступу. Одна з таких точок є вузловою (gateway) і 226
Розділ 7
Транспортна ІР-мережа
3 2
1
а
3 2
1
б Рис. 17.3. Структура mesh-мережі та її основні функціональні елементи: а — загальна структурна схема по рівнях доступу; б — мережа з однією вузловою точкою доступу; 1 — mesh-клієнти (абоненти); 2 — mesh-маршрутизатори (абонентські точки доступу); 3 — вузлові точки доступу (gateway)
227
Сучасні телекомунікаційні системи
підключається до магістрального інформаційного каналу за допомогою оптичного кабелю чи по радіоканалу (з використанням систем широкосмугового доступу). Вузлові точки доступу, так само як і абонентські точки доступу (mesh-маршрутизатори) у кластері, з’єднуються між собою (з найближчими сусідами) по транспортному радіоканалу. Залежно від конкретного рішення точки доступу можуть виконувати функції ретранслятора (транспортний канал) або функції ретранслятора і абонентської точки доступу. Особливістю mesh є використання спеціальних протоколів, що дають можливість кожній точці доступу створювати таблиці абонентів мережі з контролем стану транспортного каналу і підтримкою динамічної маршрутизації трафіку по оптимальному маршруту між сусідніми точками. При відмові якої-небудь із них відбувається автоматичний перенапрямок трафіку по іншому маршруті, що гарантує не просто доставку трафіку адресатові, а доставку за мінімальний час. Процедура розширення мережі в межах кластера обмежується установкою нових точок доступу, інтеграція яких в існуючу мережу відбувається автоматично. Недолік подібних мереж полягає в тому, що вони використовують проміжні пункти для передачі даних; а це може викликати затримку при пересиланні інформації і, як наслідок, знизити якість трафіку реального часу (наприклад, голосу чи відео). У зв’язку з цим існують обмеження на кількість точок доступу в одному кластері. Таким чином, існує два типи безпроводових вузлів: перший — це mesh-маршрутизатори, другий — mesh-клієнти. Такий поділ зроблений з наступних міркувань: mesh-маршрутизатор є вузлом з мінімальною рухливістю і виконує функції: агрегації навантаження WMN для передачі і прийому в зовнішні мережі; організовує опорну мережу WMN і виконує функції маршрутизації внутрішнього навантаження. Для виконання таких завдань маршрутизатор оснащений необхідними інтерфейсами і програмним забезпеченням. Даний підхід дає можливість максимально розвантажити mesh-клієнтів відносно кількості інтерфейсів, а також програмного забезпечення за умови збереження основних постулатів WMN: самоорганізації й самонастроювання. Клієнти мережі відповідно до правил маршрутизації можуть установлювати з’єднання як із своїми ж клієнтами, так і з клієнтами інших мереж, використовуючи маршрутизатор як шлюз.
228
Розділ 7
У загальному випадку WMN можна розглядати як продовження розвитку мереж ad hoc із врахуванням нових вимог до підвищення пропускної спроможності і надійності з’єднань у розподіленій безпроводовій мережі. Основна відмінність WMN від ad hoc виражається в існуванні в mesh-мережі конкретної інфраструктури. Завдяки стаціонарним (чи з мінімальною рухливістю) вузламмаршрутизаторам у мережу вводяться імовірно розташовані вузли, навколо яких зосереджуються випадкові термінали. Однак WMNмережа не виключає можливості з’єднання між собою випадкових терміналів без участі вузла-маршрутизатора. Як приклад розглянемо використання WMN в стандарті СШР. Mesh-мережа стандарту IEEE 802.16. Тут mesh-мережа розглядається як один із видів топології безпроводової мережі стандарту IEEE 802.16-2004. Основна відмінність mesh-мережі від архітектури “точка-багатоточка” полягає в тому, що якщо в останньому випадку AC може спілкуватися тільки з БС, то в mesh-мережі можлива взаємодія безпосередньо між AC. Оскільки мережі стандарту IEEE 802.16-2004 орієнтовані на роботу з широкими частотними каналами з високою пропускною спроможністю, то mesh-мережі ввели до стандарту зовсім не для створення однорангових локальних мереж — для цього є стандарти групи IEEE 802.11. Причина в іншому — необхідно мати інструмент побудови широкосмугової мережі, в якій трафік може передаватися по ланцюжку з кількох станцій, ліквідовуючи тим самим проблеми передачі за відсутності прямої видимості. Відповідно і всі механізми керування, що в принципі дають можливість побудувати децентралізовану розподілену мережу, орієнтовані все ж таки на деревоподібну архітектуру з виділеною базовою станцією (основний вузол) і домінуючими потоками БС—АС. Зовнішня мережа
2 1
Рис. 17.4. Приклад mesh-мережі стандарту IEEE 802.16-2004: 1 — абонентський термінал; 2 — точка доступу (базова станція)
229
Сучасні телекомунікаційні системи
У mesh-мережі всі станції (вузли) формально рівноправні. Проте практично завжди обмін трафіку mesh-мережі із зовнішнім оточенням відбувається через один певний вузол (рис. 17.4). Такий вузол називають базовою станцією (точкою доступу) mesh-мережі і саме на нього покладають частину необхідних для керування mesh-мережею функцій. При цьому керування доступом може відбуватися або на основі механізму розподіленого керування, або централізованим способом — під керуванням БС. Можлива і комбінація цих методів. Базове поняття в mesh-мережі — сусіди. Під сусідами певного вузла розуміють всі вузли, які можуть встановлювати з ним безпосереднє з’єднання. Всі вони утворюють сусідське оточення. Вузли, зв’язані із заданим вузлом через сусідські вузли, називають сусідами другого порядку. Можуть бути сусіди третього порядку і т.д. У mesh-мережі немає поняття висхідних/низхідних каналів. Весь обмін відбувається за допомогою кадрів. Станції передають повідомлення або у відведені їм часові інтервали (відповідно до попереднього призначення каналів), або отримують доступ до каналів довільним (випадковим) чином. Кожен вузол має унікальну 48-розрядну МАС-адресу. Крім того, для ідентифікації всередині mesh-мережі станціям присвоюється 16-розрядний мережевий ідентифікатор. Кожен вузол постійно зберігає список даних про всіх своїх сусідів (відомості про віддаленість, сектори для направленої антени, показову необхідну потужність передавача для зв’язку, затримку поширення сигналу тощо) і транслює його в мережу із заданою періодичністю. На підставі цих списків від кожного з вузлів і відбувається керування мережею. Кадр mesh-мережі ділиться на керуючий субкадр і субкадр даних (рис. 17.5). Довжина керуючого субкадру — змінна величина, що задається БС. Керуючий субкадр становить набір пакетів МАС-рівня з тією різницею, що відразу після загального заголовку МАС-пакета іде підзаголовок mesh-мережі. Керуючий субкадр, залежно від реалізованих функцій, може бути двох типів — керування мережею (network control) і керування послідовністю доступу до каналів зв’язку (schedule control). У субкадрах завжди використовується модуляція QPSK із швидкістю кодування 1/2. Субкадри керування вміщують інтервали для підключення до мережі нових пристроїв (Network entry — “мережний вхід”) і повідомлення “конфігурація мережі”, які ідуть за ними. Повідомлен230
Розділ 7
Рис. 17.5. Структура кадру mesh-мережі
ня типу “конфігурація мережі” містять всю необхідну інформацію про склад мережі. Вони ж реалізують процедури керування. Ці повідомлення генерує кожен вузол і транслює по мережі через своє сусідське оточення. Серед інформації, яка передається, списки сусідів кожного вузла, ідентифікаційний номер БС і кількість її сусідів, номер логічного каналу для передачі трафіку доступу до каналів, віддаленість вузла (ранг сусідства) від БС і т.д. За допомогою таких повідомлень із заданою періодичністю транслюється дескриптор мережі — таблиця, що повністю описує поточні параметри мережі. Серед них — тривалість кадрів, довжина керуючого субкадру, кількість інтервалів для повідомлень децентралізованого розподілу ресурсів, періодичність проходження субпакетів розподілу ресурсів, профілі пакетів, тип кодування, відповідність логічних каналів фізичним і т.п. Дескриптор мережі передається від базової станції її сусідському оточенню, від нього — вузлам із наступним рангом сусідства і т.д. Періодичність передачі дескриптора мережі нормована. “Мережний вхід” — це інтервал, протягом якого новий вузол може послати повідомлення (NENT) про свій намір підключитися 231
Сучасні телекомунікаційні системи
до мережі (аналог інтервалу конкурентного доступу в мережі “точка-багатоточка”). Перед цим він повинен прийняти повідомлення про конфігурацію мережі, вибрати вузол для підключення, синхронізуватися з ним і лише потім відправляти запит. У відповідь вузол або відмовить у доступі, або призначить новому вузлу мережний ідентифікатор, канал і часовий інтервал для проведення процедур аутентифікації. Розподіл канальних ресурсів у mesh-мережі може бути централізованим і децентралізованим (розподіленим). У свою чергу децентралізований розподіл буває координованим з БС і не координованим з нею. Децентралізований розподіл ресурсів передбачає, що розподіл відбувається в межах однієї групи сусідів (тобто між станціями, здатними безпосередньо зв’язуватися одна з одною). При координованому децентралізованому розподілі вузли обмінюються між собою спеціальними повідомленнями керування розподілом DSCH (distributed scheduling). Координованість полягає в тому, що період видачі таких повідомлень кожною станцією визначений і відомий її сусідам. Координовані DSCH-повідомлення передаються в субкадрах керування послідовністю доступу в обумовлених у мережному дескрипторі інтервалах. Некоординовані DSCH-повідомлення передаються в субкадрі даних. DSCH-повідомлення — це запити на отримання канального ресурсу і повідомлення з відповіддю з наданням (підтвердженням) вільного ресурсу (часового інтервалу в субкадрі даних). Ресурс надається сусідом під конкретне з’єднання. Централізований розподіл ресурсів передбачає деревоподібну топологію мережі з БС у вершині. Воно реалізоване за допомогою двох типів повідомлень — централізованої конфігурації CSCF (Centralized Configuration) і централізованого планування CSCH (Centralized scheduling). Ці керуючі повідомлення розміщуються на початку субкадру керування трафіком доступу. Використовуючи повідомлення централізованого планування CSCH, кожен вузол визначає потребу в трафіку своїх дочірніх вузлів (тобто трафік яких від (до) БС проходить через даний вузол) і повідомляє свою потребу вузлу, що знаходиться вище, — аж до БС. Проаналізувавши потребу, БС розсилає повідомлення CSCH, інформуючи кожен вузол про виділену йому смугу пропускання (у біт/с) у висхідному і низхідному напрямах. Виходячи з цих даних, кожен вузол вже сам “запрошує” (або призначає) пакети у субкадр даних у (для) своїх 232
Розділ 7
сусідських вузлів за допомогою повідомлень децентралізованого планування DSCH. Повідомлення централізованої конфігурації CSCF формуються БС і транслюються по мережі для інформування всіх її вузлів про поточний стан. CSCF вводить таку інформацію, як кількість доступних логічних каналів і їх перелік, перелік вузлів у мережі з вказівкою кількості дочірніх вузлів для кожного з них, а також профілі висхідних/низхідних пакетів для кожного дочірнього вузла. Кооперативна MIMO-ретрансляція. У традиційному сценарії, де одна передавальна станція посилає інформацію до такої ж однієї приймальної станції, технологія MIMО може бути реалізована за допомогою установки множини антен на цих передавальній і приймальній станціях (рис. 17.6). Такий підхід можна використовувати і для впровадження MIMO в інфраструктуру ретрансляційної системи, але існує інший підхід, при якому за допомогою спільного об’єднання (кооперації) окремих антен групи вузлів-ретрансляторів формуються так звані віртуальні антенні ґрати VAA (Virtual Antenna Arrays) (рис. 17.7). Тут ретранслятори передають одночасно по різних каналах сигнал, який вони прийняли від БС для цільового приймального термінала (випадок прямого каналу), або сигнал, що цільовий передавальний термінал хоче послати до БС (випадок зворотного каналу). Така система з VAA може розглядатися як MIMO-система, хоча використовувані конкретні приймач (прямий канал) чи передавач (зворотний канал) мають тільки по одній антені. У результаті такого гібридного набору формуються мережі спільної (кооперативної) MIMO-ретрансляції CMIMOR (Сooperative Multiple—Input Multiple—Output Relaying Networks) [14]. 3 4
1 МТ
БС
2 МТ
МТ
Рис. 17.6. Традиційний сценарій: стільника з БС і мобільними терміналами (МТ), що реалізують між собою канали MIMO
Рис. 17.7. Сценарій кооперативного MIMO: 1 — БС; 2 — ретрансляційні станції (РС); 3 — віртуальні антенні ґрати; 4 — цільовий приймач на МТ
233
Сучасні телекомунікаційні системи
MIMO здійснюється від множини передавальних станцій на одну приймальну станцію (режим MISO). Наприклад, на рис. 17.7 у першому прольоті ретрансляції БС має передачу на три РС, які здійснюють повний прийом і декодування передачі. На другому прольоті цільовий приймач МТ приймає передачі від чотирьох передавальних станцій (однієї БС і трьох РС). Маючи множину джерел передачі для єдиного приймача, можна отримати виграш за допомогою використання множини передавальних станцій, які розглядаються як різні антенні елементи одного джерела. Термін “кооперативне MIMO” використовується для того, щоб відрізнити таку схему від традиційної MIMO, що діє без будь-якої кооперації між передавальними станціями. У традиційній технології MIMO передавальні станції формують MIMO-канал без врахування інших передавальних станцій. Тому, якщо всі передавальні станції мають однакову кількість передавальних антен, то всі вони будуть передавати ідентичні сигнали. Наприклад, якщо MT з N приймальними антенами приймає передачі від Q різних передавальних станцій, кожна з яких має M передавальних антен, то МТ прийме до обробки тільки M×N MIMO-передач. Навпаки, у кооперативній MIMO різні передавальні станції не будуть передавати ідентичні сигнали, а будуть передавати різні рівні просторово кодованого сигналу. Так, якщо MT з N приймальними антенами приймає передачі від Q різних передавальних станцій, кожна з яких має M антен, то МТ буде приймати QM різних версій ідентичної інформації. Це реалізує MIMO-передачу з розмірністю QM×N. Однією з переваг кооперативної MIMO є те, що покращення коефіцієнта передачі внаслідок просторового мультиплексування може бути досягнуто навіть тоді, коли передавальні станції не мають множини передавальних антен, але за умови наявності множини антен на приймальній станції. Кооперативне MIMO, що використовується для поліпшення характеристик ретрансляційної системи з інфраструктурою, може бути реалізоване за допомогою наявності БС і множини РС, що беруть участь у ретрансляції і формують ідентичні процеси з просторовочасовим кодуванням, але передають різні рівні просторовочасового коду, тобто БС і РС генерують однакову кодовану послідовність, але передають різні її порції, діючи так начебто вони є різними антенними елементами спільного передавача. У праці [15] показано, що мережа CMIMOR може мати ергодичну пропускну спроможність, в два-три рази більшу, ніж мережі традиційної архітектури. 234
Розділ 7
Вплив вибору топології ретрансляції на пропускну спроможність безпроводової mesh-мережі на основі CМIМОR. Ретрансляція є однією з найважливіших безпроводових технологій, що може значно збільшити швидкість передачі інформації в умовах постійно змінного стану безпроводового каналу. За допомогою вибору положення ретранслятора між джерелом і одержувачем можливе поліпшення передачі шляхом підвищення швидкості передачі і розширення площі покриття. Розглянемо інфраструктуру ретрансляції в mesh-мережі з однією БС і множиною фіксованих РС. Тут можливі три топології ретрансляції: послідовна, паралельна і змішана. Швидкість передачі в кожному випадку визначається для умов роботи радіоканалу з релєєвськими завмираннями. Додатково для збільшення ПС mesh-мережі застосуємо технологію кооперативної MIMO. Припускаємо, що всі передавачі працюють у напівдуплексному режимі з часовим розділенням каналів TDM (Time Division Multiplexiny) і тому РС не може передавати і приймати в один і той же часовий період. Це вимагає вести передачу сигналу від БС до цільового терміналу у більш ніж двох часових слотах, які не обов’язково будуть послідовними. У першому часовому слоті БС проводить передачу, що приймається однією або більше РС. У другому часовому слоті БС і РС, яка успішно декодувала передачу від БС у першому часовому слоті, проводять наступну передачу. Випадок використання рівних часових слотів належить до схеми фіксованого часового розподілу (fixed time allocation), а випадок зі слотами різної часової тривалості — до схеми адаптивного часового розподілу (adaptive time allocation). Максимальну швидкість передачі для будь-якої mesh-структури можна визначати за допомогою встановлення походження взаємної інформації з кінця в кінець (end-to-end mutual information). Для цього припускаємо, що сума тривалостей часових слотів, використовуваних для повністю закінченої ретрансляції від БС до цільового терміналу, завжди дорівнює 1. Це означає, що для К прольотів ретрансляції, які використовують фіксований часовий розподіл, передача в кожному з прольотів проводиться при фіксованій тривалості 1/К. Тому взаємна інформація з кінця в кінець буде мінімумом взаємної інформації кожного прольоту, яка змасштабована за допомогою фактора 1/К, і може бути записана в такому вигляді:
I relay =
1 min I , K k k 235
Сучасні телекомунікаційні системи
де I k — взаємна інформація k-го прольоту ретрансляції. При збільшенні кількості прольотів масштабуючий фактор 1/К знижується. Для того щоб ретрансляція мала перевагу над передачею без ретрансляції, вона повинна вміти перебороти це зниження масштабуючого фактора за допомогою збільшення мінімальної взаємної інформації залучених до передачі прольотів. З іншого боку, для схеми адаптивного часового розподілу взаємна інформація з кінця в кінець буде залежати від того, як буде ділитися час між К слотами. У цьому випадку тривалість часових слотів буде визначатися так, щоб максимізувати взаємну інформацію з кінця в кінець. Тривалість часу tk k-го часового слота, що задовольняє цю умову, може бути визначений з рівняння t nI n = t k I k , де 1 ≤ n < k ≤ K . Розв’язком даного рівняння в наближенні Σtk = 1 буде таким
∏ Ii
i ≠k K
tk =
.
∑∏ I i i =1 i ≠ k
Звідси взаємна інформація з кінця в кінець для схеми адаптивного часового розподілу може бути записана у вигляді I relay = t k I k =
∏ Ii K
∑∏ I i
=
1 m (I ), K harmonic k
i =1 i ≠ k
де mharmonic() — оператор гармонійного середнього (harmonic mean operator). Порівняно з результатом попереднього виразу взаємна інформація в даному рівнянні має такий самий фактор масштабування, але замість мінімальної взаємної інформації індивідуальних прольотів застосовується гармонійне середнє взаємної інформації. Очевидно, що взяте гармонійне середнє завжди буде давати більше значення, ніж мінімум. Ґрунтуючись на двох останніх виразах, взаємну інформацію з кінця в кінець можна отримати для будь-якої схеми ретрансляції так само, як і взаємну інформацію для індивідуального прольоту Ik. У випадку послідовної ретрансляції кількість РС, що безпосередньо беруть участь у ретрансляції, зростає відповідно зі збільшенням кількості прольотів, тобто кількість РС, які беруть участь у 236
Розділ 7
k-му стані, становить k − 1. Із збільшенням РС загальна передана потужність (k − 1)Pr + Ps також зростає (Pr і Ps — потужності ретранслятора і БС, відповідно). Збільшення переданої потужності є сприятливим для зростання швидкості передачі. Однак недолік збільшення загальної кількості прольотів Nhop веде до зниження фактора масштабування 1/Nhop. Для випадку k-го прольоту ПС матиме вигляд ser
Ck
=
M sr
∑ log 2 ⎡⎣⎢1 + λi ( ℵ(k )G(k ) ℵ(k ) 2
H
i =1
)/ N 0 ⎤ , ⎦⎥
(17.1)
де λ i (A ) — і-е власне значення матриці А; M sr = min (N k , M sr ) = = min (N k , M s + (k − 1)M r ) ; Mr і Ms — кількість передавальних антен на k-ій РС і БС, відповідно; Nk — кількість приймальних антен на k-ій РС; ℵ(k ) i G (k ) — складені канальні матриці між k-ми передавачами, для яких k-а РС приймає передачу. Матриця ℵ(k ) має розмірність N r × (M s + (k − 1)Mr ) і може бути подана у вигляді каскадного включення k канальних матриць H. Така матриця визначає завмирання на короткій відстані для k передавачів, так що ℵ(k ) = || H (0,kk) H 1,(kk) L H (kk−)1,k || . Матриця G (k ) має розмірність (M s + + (k − 1)M r ) × (M s + (k − 1)Mr ) і є діагональною матрицею, що описує вплив далеких завмирань на потужність передачі і має вигляд γ 0,k G
де I M і I M r
(k )
=
Ps
L
0
M
O
M
0
L γ k −1, k
Ms
IM
s
Pr Mr
, IM
r
— одиничні матриці кількості передавачів РС і цільоd
вого терміналу, відповідно; γа,b — загальний коефіцієнт ослаблення поширення радіохвиль із врахуванням ефекту затінення між передавачем а і приймачем b. 237
Сучасні телекомунікаційні системи
Головним розходженням між паралельною і послідовною ретрансляцією є те, що для паралельної інфраструктури число прольотів фіксоване і дорівнює 2 (індекс 0 — для БС і 1 — для РС) для будь-якої кількості РС. Оскільки число прольотів не є функцією кількості РС, то паралельна ретрансляція не має такого ж, як у випадку послідовної ретрансляції, компромісу між високою потужністю передачі і малим масштабуючим фактором. Крім того, у послідовній ретрансляції число приймальних станцій може бути одна і більше, залежно від політики передачі. У паралельній ретрансляції, напевно, можна використовувати всі L РС або підмножину цих РС (L — кількість РС, які можуть брати участь у паралельній ретрансляції). Надалі покладатимемо, що з L РС тільки певна кількість РС із найкращим каналом БС → РС буде використовуватись у передачі до цільової приймальної станції. Підмножина РС, що бере участь у передачі, позначатиметься ℑ. У випадку паралельної ретрансляції ПС може бути визначена для фіксованого часового розподілу у вигляді par
2C1
= log 2 ⎡ min(min Δ N , Δ N ) ⎤ , ⎢⎣ r d ⎥ l ∈ℑ ⎦
а для адаптивного часового розподілу вона становитиме par
C2
= min log 2(Δ N ) ⋅ log 2(Δ N )/ ⎡ min log 2(Δ N ) + log 2(Δ N )⎤ , ⎥ r d r d ⎦ l ∈ℑ ⎣⎢ l ∈ℑ
H H ⎛ ⎛ ⎞ (1) (1) ⎞ (2) (2)2 (2) /N 0 ⎟ ; де Δ N = det ⎜ I N + Psr H 0,l H 0,l ⎟ ; Δ N = det ⎜ I N + ℵ G ℵ r d ⎝ r ⎠ ⎝ d ⎠
ℵ(2) і G (2) — ті ж самі матриці, що і в (17.1), за винятком того факту, що окремі компоненти містять у собі тільки ті РС, які належать 2 / N 0 M s ; gs,d до множини ℑ; Psr = Ps g 0, k
— об’єднаний вплив втрат
при поширенні і затіненні радіохвиль між передавачем s і приймачем d, що моделюється логарифмічно нормальним розподілом зі стандартною дисперсією 8 дБ; I N і I N — одиничні матриці кільr
d
кості приймачів РС і цільового терміналу, відповідно; Nr і Nd — кількість приймальних антен РС і цільового терміналу, відповідно. Результати чисельного моделювання ПС послідовної і паралельної топологій наведені на рис. 17.8, де у випадках кривих 2, 4 і 6 використовувалися термінали з однією антеною, а у випадках кривих 1, 3 і 5 — цільовий приймач з двома антенами. У випадку 238
Розділ 7
паралельної ретрансляції відстань між БС і РС становила 1 км для одноантенних терміналів та 1,8 км — для двохантенного цільового приймача. Coutage(0,1), біт/с/Гц 0,7
Coutage(0,1), біт/с/Гц 0,7
0,6
0,6
1
0,5
0,5
3
1
2
0,4
4
0,3 0,2
5
0,3
2
0,2
5
4
0,1
0,1 0
3
0,4
6 2
4
8
12
а
16
20
Nhop
0
6 1
2
3
4
5
6
7
NPC
б
Рис. 17.8. ПС із врахуванням 10 % переривання зв’язку для послідовної (а) і паралельної (б) ретрансляції від різної кількості прольотів Nhop і РС NPC: 1, 2 — кооперативне MIMO і адаптивний часовий розподіл; 3, 4 — кооперативне MIMO і фіксований часовий розподіл; 5, 6 — традиційне MIMO і фіксований часовий розподіл
Безпроводові сенсорні мережі. Безпроводові сенсорні мережі WSN (wireless sensor network) є новим класом РБМР, що складаються з множини розподілених у просторі пристроїв, що мають набір датчиків (чи інших джерел інформації), мікроконтролер і радіочастотний приймально-передавальний модуль для зв’язку на короткі відстані (рис. 17.9). Основними особливостями безпроводових сенсорних мереж є самоорганізація і адаптивність до змін в умовах експлуатації, тому, як наслідок, потребуються мінімальні зусилля при установці, настроюванні і наступному супроводі подібної мережі. Крім того, здатність вузлів ретранслювати повідомлення забезпечує значну площу покриття системи при малій потужності передавачів і стійкість до відмов окремих вузлів з різних причин (поява завад або перешкод, фізичне пошкодження тощо), що дає можливість експлуатувати мережу в будинках і на промислових об’єктах. При цьому вузли самостійно визначають оптимальні маршрути доставки даних і коректують їх при зміні топології мережі. 239
Сучасні телекомунікаційні системи 1
6
2
7
10
11
3
8 4 13
15
5 9 12
14
Рис. 17.9. Структура безпроводової сенсорної мережі: 1 — радіочастина; 2 — мікропроцесор; 3 — збір даних; 4 — розподіл даних; 5 — робоча станція; 6 — датчик; 7 — джерело напруги; 8 — безпроводова мережа; 9 — персональний комунікатор; 10 — безпроводові сенсори; 11 — двонаправлений радіоканал; 12 — мобільний телефон; 13 — радіомодем; 14 — ноутбук; 15 — сервер
Апаратне забезпечення безпроводового вузла і протоколи мережної взаємодії між вузлами оптимізовані по енергоспоживанню для забезпечення тривалого строку експлуатації системи при автономних джерелах живлення. Залежно від режиму роботи час життя вузла може досягати кількох років. Таким чином, рішення на базі безпроводових сенсорних мереж мають такі переваги порівняно з проводовими системами: • відсутність необхідності в прокладанні кабелів для електроживлення і передачі даних; • низька вартість монтажу, пуску-наладки і технічного обслуговування системи; • мінімальні обмеження з розміщення безпроводових пристроїв; • можливість впровадження і модифікації мережі на експлуатованому об’єкті без втручання в процес функціонування; 240
Розділ 7
• надійність і відмовостійкість всієї системи в цілому при порушенні окремих з’єднань між вузлами. Індивідуальні пристрої безпроводової сенсорної мережі мають обмежені ресурси (швидкість обробки даних, об’єм пам’яті, пропускна спроможність комунікацій). Необхідно навчитися спільно використовувати ці обмежені можливості для досягнення потужного сумарного ефекту. WSN звичайно повинна функціонувати в автономному безпроводовому режимі протягом довгого часу, обмеженому, однак, строком життя джерел живлення. Для економії енергії більша частина компонентів сенсорних пристроїв майже завжди перебуває у виключеному стані, тому можливі різні варіації у зв’язності мережі, з огляду на, крім того, реальну можливість відмов пристроїв через складні природні умови експлуатації. Висока щільність розташування сенсорних пристроїв приводить до наявності безлічі взаємодій між вузлами WSN, що ускладнює мережні протоколи. При цьому потрібно, щоб вартість розгортання і супроводу вузлів WSN залишалася невисокою. Конфігурування вручну великих мереж мініатюрних пристроїв виявляються непрактичним: вузли повинні мати здатність до самоорганізації, а мережа могла адмініструватися і програмуватися як єдине ціле. Застосування сенсорних мереж можна розділити на три категорії: просторовий моніторинг (моніторинг навколишнього середовища, клімат-контроль приміщень, технічний нагляд тощо); предметний моніторинг (екофізіологія, медична діагностика та ін.); моніторинг взаємодії предметів між собою і з навколишнім середовищем (керування катастрофами, охорона здоров’я, керування виробничими процесами й т.д.). Прийнято вважати, що сенсорні мережі базуються на технології з трьох різних дослідницьких областей: сенсорне сприйняття, комунікації і комп’ютерна обробка. В області сенсорних мереж для охорони навколишнього середовища важливим додатковим компонентом є знання особливостей навколишнього середовища, зокрема температури, тиску, рівня вібрації та ін. Крім того, на розробку механізмів комунікації і забезпечення безпеки дуже впливає специфіка збору та інтерпретації даних. У міру розвитку технології відбувся перехід від локальних систем моніторингу до великомасштабних систем спостереження і прогнозування EOFS (environmental observations and forecasting system). В університеті Саутгемптона виконувалося кілька проектів EOFS. У рамках проекту FloodNet розроблялася інтелектуальна сенсорна мережа, що забезпечує уточнені 241
Сучасні телекомунікаційні системи
попередження повеней. Наступним логічним кроком є поширення моніторингу в більш віддалені і несприятливі райони. Проект GlacsWeb присвячений розробці системи моніторингу льодовикового середовища. Він орієнтований на дослідження деформацій ложа льодовиків, що впливає на їх рух. Сенсорна мережа складається із сенсорних вузлів, кожний з яких зв’язаний радіоканалом тільки зі своєю базовою станцією. Базові станції передають накопичені дані серверу сенсорної мережі, використовуючи радіорелейний зв’язок, а у випадку її збою — глобальну систему мобільних комунікацій. Сервер обробляє дані і публікує їх в Web. Метою проекту WiseNet (WiseNet An Ultralow-Power Wireless Sensor Network Solution — рішення для безпроводових сенсорних мереж з наднизьким енергоспоживанням) є створення платформи для реалізації сенсорних мереж із мінімальним енергоспоживанням вузлів. Потрібно, щоб сенсорний вузол міг автономно функціонувати протягом кількох років від звичайної півторавольтової батарейки. Для зниження енергоспоживання більша частина апаратури вузлів повинна майже завжди перебувати в “сплячому” стані. При передачі даних від одного вузла до іншого приймально-передавальні модулі обох вузлів повинні бути в активному стані — при комунікації вузлів підвищується енергоспоживання не тільки через безпосередню передачу даних, але й у зв’язку з потребою активізації (“пробудження”) вузлів. Є три визнаних види архітектури безпроводових мереж. Граничними випадками є mesh-архітектура, заснована на визначеній інфраструктурі, і архітектура епізодичних ad hoc-мереж. У першому випадку всі вузли мережі взаємодіють через виділені точки доступу, у другому — використовується так звана багатоланкова (multihop) передача за участю проміжних сусідніх вузлів. У гібридній безпроводовій архітектурі частково використовуються можливості обох випадків. Основними компонентами WiseNet є оригінальний енергозберігаючий радіомодуль і протокол безпроводого зв’язку WiseMAC, що враховує особливості цього обладнання. Одна з основних ідей полягає в тому, що поведінка кожного вузла (тобто частота його пробуджень) залежить від спостережуваного ним поводження сусідніх вузлів. 18. Êîíöåïöÿ ïîáóäîâè ìóëüòèìåäéíî¿ IP-îðºíòîâàíî¿ ïäñèñòåìè çâ’ÿçêó
Концепція мультимедійної IP-орієнтованої підсистеми зв’язку IMS (IP Multimedia Subsystem) описує нову універсальну мережну 242
Розділ 7
архітектуру, основним елементом якої є пакетна транспортна мережа, що підтримує всі технології доступу і забезпечує реалізацію великої кількості інфокомунікаційних послуг. Її авторство належить міжнародному співтовариству Third Generation Partnership Project (3GPP), що об’єднали European Telecommunications Standardization Institute (ETSI) і кілька національних організацій стандартизації. IMS спочатку розроблялася стосовно побудови мобільних мереж третього покоління на базі протоколу IP. Згодом концепція була прийнята комітетом ETSI-TISPAN, зусилля якого були спрямовані на специфікацію протоколів та інтерфейсів, необхідних для підтримки і реалізації широкого спектра послуг у стаціонарних мережах з використанням стеку протоколів IP [16]. На даний час архітектура IMS розглядається багатьма операторами і сервіс-провайдерами, а також постачальниками обладнання як можливе рішення для побудови мереж наступного покоління і як основа конвергенції мобільних і стаціонарних мереж на платформі IP. Причину виникнення концепції IMS саме в середовищі розроблювачів стандартів для мобільних мереж можна пояснити таким чином. Як відомо, в останні роки оператори стаціонарних мереж активно підтримують перехід від традиційних телефонних мереж до NGN, пов’язуючи з ними певні надії на скорочення операційних витрат і капітальних вкладень, а також на розвиток нових послуг, очікуючи, як наслідок, істотного підвищення доходів. Природно, ідея побудови мереж NGN виявилася привабливою і для мобільних операторів, які в останні роки зіткнулися з різким падінням доходів, що пов’язано, у тому числі, і з перерегулюванням ринку, збільшенням конкуренції, тарифними війнами, високим відтоком абонентів і т.д. Однак слід визнати, що основна технологічна ідея мереж NGN — поділ транспортних процесів і процесів керування викликами і сеансами на базі елементів платформи Softswitch — не була підтримана своєчасною розробкою відповідного набору стандартів. Це призвело до того, що основні мережні елементи NGN, що поставляються різними виробниками, найчастіше виявляються несумісними між собою. У мережах мобільних операторів, де одним з основних джерел доходів є роумінг, така несумісність виявляється куди більш значним недоліком, ніж у стаціонарних мережах. Саме це й визначило 243
Сучасні телекомунікаційні системи
активність міжнародних організацій (насамперед ETSI і 3GPP), які почали розробку нових принципів побудови і стандартів мобільних мереж 3G, ґрунтуючись на багаторівневій архітектурі NGN. Власне кажучи, концепція IMS виникла в результаті еволюції мереж UMTS, коли область керування мультимедійними викликами і сеансами на базі протоколу SIP додали до архітектури мереж 3G. Серед основних властивостей архітектури IMS можна виділити такі [2]: • багаторівневість — розділяє рівні транспорту, керування й застосувань; • незалежність від середовища доступу — дає змогу операторам і сервіс-провайдерам конвергувати фіксовані і мобільні мережі; • підтримка мультимедійного персонального обміну інформацією в реальному часі (голос, відео-телефонія) і аналогічного обміну інформацією між людьми і комп’ютерами; • повна інтеграція мультимедійних застосувань реального і нереального часу (наприклад потокові застосування і чати); • можливість взаємодії різних видів послуг; • можливість підтримки кількох служб в одному сеансі або організації кількох одночасних синхронізованих сеансів. Стандартизація архітектури IMS. Стандартизація є предметом уваги широкого кола міжнародних організацій завдяки ключовій ролі IMS в еволюції мереж у напрямку до 4G. Концепція IMS в її теперішньому вигляді є, головним чином, результатом робіт трьох міжнародних організацій із стандартизації — 3GPP, 3GPP2 і ETSI. Партнерство 3GPP було створено наприкінці 1998 р. з ініціативи інституту ETSI з метою розробки технічних специфікацій і стандартів для мобільних мереж зв’язку третього покоління (мереж UMTS). Партнерство 3GPP2 з’явилося в 1998 р. також з ініціативи ETSI і Міжнародного союзу електрозв’язку (МСЕ) для розробки стандартів мереж 3G (мережі CDMA2000) у рамках проекту IMT2000, створеного під егідою того ж МСЕ. Воно було створено практично тими ж організаціями, що й у випадку 3GPP. Основним внеском організації 3GPP2 у розвиток стандартів для мобільних мереж 3G було розширення концепції IMS на мережі CDMA2000 (IP-транспорт, SIP-сигналізація), описане в специфікації під загальною назвою MMD (MultiMedia Domain). Обидва партнерства розробляють стандарти мереж 3G, орієнтуючись на широке застосування IP-орієнтованих протоколів, стан244
Розділ 7
дартизованих Комітетом IETF, та використовуючи основні ідеї архітектури мереж NGN. Уперше концепцію IMS було подано в документі 3GPP Release 5 (березень 2002 р.), в якому сформульовано основну її мету — підтримку мультимедійних послуг у мобільних мережах на базі протоколу IP — і специфіковано механізми взаємодії мобільних мереж 3G на базі архітектури IMS з безпроводовими мережами 2G. Архітектура мереж 3G згідно з концепцією IMS має кілька рівнів (площин) з поділом по рівнях транспорту, керування викликами і застосувань. Підсистема IMS повинна бути повністю незалежна від технологій доступу й забезпечувати взаємодію з усіма існуючими мережами — мобільними і стаціонарними, телефонними, комп’ютерними та ін. У документі 3GPP Release 6 (грудень 2003 р.) ряд положень концепції IMS було уточнено, додано питання взаємодії з безпроводовими локальними мережами і захисту інформації (використання ключів, абонентських сертифікатів). У Release 6 і 7 визначено ідеологію здійснення IP-комунікацій за допомогою SIP. Відповідно до неї SIP починається безпосередньо з мобільного термінала. Специфікація Release 7 додає дві основні функції, які є ключовими в стаціонарних мережах: • Network Attachment, яка забезпечує механізм аутентифікації абонентів і необхідна в стаціонарних мережах, оскільки в них відсутні SIM-карти ідентифікації користувача; • Resource Admission, що резервує мережні ресурси в стаціонарних мережах для забезпечення сеансів зв’язку. Роботи, спрямовані на розширення концепції IMS на стаціонарні мережі, проводяться Комітетом TISPAN. Інтерес до архітектури IMS з боку ETSI привів до створення нової робочої групи (2003 р.), що об’єднала відому групу TIPHON (Telecommunications and Internet Protocol Harmonization Over Networks) і Технічний комітет SPAN (Services and Protocols for Advanced Networks), що відповідає за стандартизацію стаціонарних мереж. Нова група, що одержала назву TISPAN (Telecommunications and Internet converged Services and Protocols for Advanced Networking), відповідає за стандартизацію сучасних і перспективних конвергованих мереж, включаючи VoIP і NGN, а також усе, що пов’язане з архітектурою IMS [18].
245
Сучасні телекомунікаційні системи
Архітектура IMS. Принцип, на якому будується концепція IMS, полягає в тому, що доставка будь-якої послуги ніяким чином не співвідноситься з комунікаційною інфраструктурою (за винятком обмежень з пропускної спроможності). Втіленням цього принципу є багаторівневий підхід, який використовується при побудові IMS. Він дозволяє реалізувати незалежний від технології доступу відкритий механізм доставки послуг, що дає можливість задіяти в мережі застосування сторонніх постачальників послуг. У складі IMS виділяються три рівні: транспортний рівень, рівень керування й рівень послуг (рис. 18.1). Application Server (AS) SIP AS, IM SSF, OSA SCS
HSS
Площина послуг та застосувань
SCIM
S-CSCF
I-CSCF
MGCF
P-CSCF
SGW
RACS NASS
A-RACS
Площина керування
BGCF
CSCF
I-BCF / SIP ALG
(S)PDF
ТМЗК
MRF MRCF UE
DSLAM
BAS/ A=BGF
WAG
PDG
xDSL UE
WiFi (3GPP Rel.6) UE
RAN
GGSN SGSN
GPRS / UMTS (3GPP Rel.5)
MGW
MRFP
Опорна мережа
Мережа IPv4
I-BGF / TrGW
Транспортна площина
Мережа IPv6
Рис. 18.1. Архітектура 3GPP/TISPAN IMS (суцільна лінія — дані; пунктирна лінія — сигналізація)
Транспортний рівень відповідає за підключення абонентів до інфраструктури IMS за допомогою користувацького устаткування UE (User Equipment). У ролі даного устаткування можуть виступати будь-який термінал IMS (наприклад, телефон (смартфон) 3G, комп’ютер із підтримкою Wi-Fi, або ж широкосмуговий доступ). Також можливе підключення через шлюзи не-IMS терміналів (наприклад, термінали ТМЗК). Основне устаткування транспортного рівня: 246
Розділ 7
• MRF (Media Resource Function) — медіасервер. Складається з процесора мультимедійних ресурсів MRFP (Media Resource Function Processor) і контролера MRFC; • MRFC — забезпечує реалізацію таких послуг, як конференц-зв’язок, оповіщення чи перекодування переданого сигналу. Передбачалося, що MRFC повинен обробляти SIP-повідомлення, одержувані через вузол S-CSCF (Serving Call Session Control Function), і використовувати команди протоколу керування медіашлюзом (MGCP, H.248 MEGACO) для керування процесором MRFP. Однак зараз вживають заходи по просуванню протоколу на основі SIP/XML для взаємодії між MRFC і MRFP. До того ж MRFC забезпечує надання необхідної інформації системам тарифікації і білингу; • MRFP — розподіляє медіаресурси мережі відповідно до команд від MRFC. Його основними функціями є: o обслуговування потоків мультимедійних даних для служб оповіщення та ін.; o об’єднання вхідних мультимедіапотоків; o обробка потоків мультимедійних даних, наприклад транскодування; • MGW (Media GateWay) — транспортний шлюз; забезпечує пряме і зворотне перетворення потоків RTP у потоки мереж з комутацією каналів (ТМЗК); • BGF (Interconnect Border Gateway Function) — міжмережний прикордонний шлюз; забезпечує взаємодію між мережами IPv4 і IPv6; відповідає за виконання функцій безпеки (трансляцію адрес і портів NAPT, функції firewall, інструменти QoS); • GGSN (Gateway GPRS Support Node) — шлюзовий вузол GPRS чи вузол маршрутизації; являє собою шлюз між стільниковою мережею (її частиною GPRS) і IMS. GGSN містить всю необхідну інформацію про мережі, куди абоненти GPRS можуть одержувати доступ, а також параметри з’єднання. Основною функцією GGSN є роумінг (маршрутизація) даних, що йдуть до абонента і від нього через SGSN; • SGSN (Serving GPRS Support Node) — вузол обслуговування абонентів GPRS; основний компонент GPRS-системи з реалізації всіх функцій обробки пакетної інформації; • RAN (Radio Access Network) — устаткування радіодоступу; забезпечує взаємодію IMS і стільникових систем зв’язку; 247
Сучасні телекомунікаційні системи
• PDG (Packet Data Gateway) — пакетний шлюз; даний мережний елемент забезпечує доступ користувальницького устаткування WLAN до IMS; відповідає за трансляцію вилученої IP-адреси, реєстрацію користувацького устаткування в IMS, забезпечує виконання функцій безпеки; • WAG (Wireless Access Gateway) — шлюз безпроводового доступу; забезпечує з’єднання мереж WLAN і IMS; • BGF/BAS (Access Border Gateway Function/Broadband Access Switch) — забезпечує доступ широкосмугового користувацького устаткування до IMS; виконує функції, аналогічні I-BGF; • DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer) — цифровий абонентський шлюз доступу; забезпечує з’єднання абонентів, що використовують широкосмуговий доступ (стаціонарний, наприклад xDSL, мережі кабельного телебачення) до IMS. Рівень керування – це сукупність функцій IMS, які здійснюють всі дії з керування сеансами зв’язку. Основні його елементи: • CSCF (Call Session Control Function) — елемент із функціями керування викликами і сеансами. Функція CSCF є основною на площині керування IMS-платформи. Модуль CSCF згідно з протоколом SIP виконує функції, що забезпечують доставку безлічі послуг реального часу за допомогою транспорту IP. Функція CSCF використовує динамічну інформацію для ефективного керування мережними ресурсами (граничні пристрої, шлюзи і сервери додатків) залежно від профілю користувача і застосувань. Модуль CSCF включає три основні функції: o Serving CSCF (S-CSCF) — обслуговуюча CSCF; обробляє всі SIP-повідомлення, якими обмінюється прикінцевий пристрій; o Proxy CSCF (P-CSCF) — через неї в систему IMS надходить весь користувацький трафік; o Interrogating CSCF (I-CSCF) — CSCF, що приймає запит; являє собою точку з’єднання з домашньою мережею. I-CSCF звертається до HSS, щоб знайти S-CSCF для конкретного абонента; • S-CSCF — забезпечує керування сеансами доставки мультимедійних повідомлень транспорту IP, куди входять реєстрація терміналів, двостороння взаємодія із сервером HSS (одержання від нього користувацьких даних), аналіз повідомлення, маршрутизація, керування мережними ресурсами (шлюзами, серверами, прикордонними пристроями) залежно від додатків і профілю користувача; 248
Розділ 7
• P-CSCF — створює першу контактну точку на сигнальному рівні всередині ядра IMS для терміналів IMS даної мережі. Функція P-CSCF приймає запит від чи до термінала і посилає його до елементів ядра IMS. Термінал користувача закріплюється за функцією P-CSCF при реєстрації в мережі на весь час реєстрації. Модуль P-CSCF реалізує функції, пов’язані з аутентифікацією користувача, формує облікові записи і передає їх у сервер нарахування плати. Одним з елементів модуля P-CSCF є Policy Decision Function (PDF) — функція вибору політики, що оперує з характеристиками інформаційного трафіку (наприклад, необхідна пропускна спроможність) і визначає можливість організації сеансу чи його заборони, необхідність зміни параметрів сеансу та ін.; • CSCF — створює першу контактну точку на сигнальному рівні всередині ядра IMS для всіх зовнішніх з’єднань з абонентами даної мережі або візитних абонентів, що тимчасово перебувають у мережі. Основне завдання модуля I-CSCF — ідентифікація привілеїв зовнішнього абонента по доступу до послуг, вибір відповідного сервера застосувань і забезпечення доступу до нього; • BGCF (Breakout Gateway Control Function) — функція керування шлюзами; керує пересиланням викликів між доменом комутації каналів (ТМЗК чи GSM) і мережею IMS. Даний модуль здійснює маршрутизацію на основі телефонних номерів і вибирає шлюз у домені комутації каналів (КК), через який мережа IMS (де розташований сервер BGCF) буде взаємодіяти з ТМЗК чи GSM. Тут також провадиться генерація відповідних облікових записів для нарахування плати абонентам мереж КК; • MGCF (Media GatewaysControl Function) — функція керування шлюзами (Media Gateways); керує з’єднаннями в транспортних шлюзах IMS, використовуючи H.248/MEGACO; • SGW (Signaling Gateway) — сигнальний шлюз; забезпечує перетворення сигналізації ТМЗК у вигляд, зрозумілий для MGCF; пов’язаний з ядром IMS через інтерфейси групи протоколів SIG-TRAN; • RACS (The Resource and Access Control) — підсистема керування ресурсами і доступом; забезпечує функції керування доступом (на підставі наявних у розпорядженні ресурсів, місцевої політики та авторизації на підставі профілів користувачів) і входу в мережу за допомогою керування шлюзом (gate control), включаючи керування перетворенням мережних адрес і портів, і присвоєння пріоритету; 249
Сучасні телекомунікаційні системи
• PDF (Policy Decision Function) — функція вибору політики, що оперує з характеристиками інформаційного трафіку (наприклад, необхідна пропускна спроможність), і визначальна можливість організації сеансу чи його заборони, необхідність зміни параметрів сеансу тощо; • NASS (Network Attachment Subsystem) — підсистема підключення мережі; в її основні завдання входить динамічне призначення IP-адрес (використовуючи DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol)), аутентифікація на рівні IP, авторизація доступу до мережі, керування місцезнаходженням на рівні IP. Рівень послуг (застосувань). Верхній рівень еталонної архітектури IMS містить набір серверів застосувань, які, в принципі не є елементами IMS. Ці елементи верхньої площини вміщують у собі як мультимедійні IP-застосування, що базуються на протоколі SIP, так і застосування, реалізовані в мобільних мережах на базі віртуального домашнього середовища. Архітектура застосувань IMS досить складна, але ключовим моментом тут є висока гнучкість при створенні нових застосувань та інтеграції з традиційними застосуваннями. Наприклад, середовище пересилання повідомлень може інтегрувати традиційні властивості телефонного виклику, наприклад зворотний виклик і очікування виклику, з викликом Інтернет. Щоб зробити це, архітектура IMS дає можливість запустити безліч послуг і керувати транзакціями між ними: • SCIM (Service Capability Interaction Manager) — забезпечує керування взаємодією площини застосувань і ядра IMS; • SIP AS (SIP Application Server) — сервер застосувань, службовець для виконання послуг, що базуються на протоколі SIP. Очікується, що всі нові послуги в IMS будуть перебувати саме в сервері SIP AS; • OSA-SCS (Open Service Access-Service Capability Server) — сервер можливих послуг, що забезпечує інтерфейс до послуг, що базуються на відкритому доступі послугам OSA (Open Service Access). Метою є забезпечення послугам можливості доступу до мережних функцій за допомогою стандартного програмного інтерфейсу застосувань; • IM-SSF (IP Multimedia-Service Switching Function) — сервер комутації послуги, служить для з’єднання підсистеми IMS з послугами в системі пристосованих до користувача застосувань для поліпшення логіки мобільної мережі CAMEL (Customized Applications 250
Розділ 7
for Mobile network Enhanced Logic). Мова йде про послуги, розроблені для глобальної системи мобільного зв’язку GSM, а за допомогою функції IM-SSF (функції комутації послуг) використання даних послуг можливо і в IMS; • TAS (Telephony Application Server) — сервер телефонних застосувань; приймає і обробляє повідомлення протоколу SIP, a також визначає, яким чином має бути ініційований вихідний виклик. Сервісна логіка TAS забезпечує базові сервіси обробки викликів, включаючи аналіз цифр, маршрутизацію, установлення, очікування і перенаправлення викликів, конференц-зв’язок і т.д. TAS також забезпечує сервісну логіку для звертання до медіасерверу при необхідності відтворення повідомлень і сигналів проходження виклику. Якщо виклик ініційований чи термінований у ТМЗК, сервер TAS відповідає за сигналізацію SIP до функції MGCF для видачі команди медіашлюзам на перетворення бітів мовного потоку TDM (ТМЗК) у потік IP RTP і напрямок його на IP-адресу відповідного IP-телефону. В одному повідомленні IMS можуть міститися дані про кілька TAS, що надають певні послуги різним типам абонентських пристроїв. Наприклад, один сервер TAS надає послуги IP Centrex (індивідуальні плани нумерації, загальні довідники, автоматичний розподіл викликів і т.д.), інший сервер підтримує відомчу автоматичну телефонну станцію і надає послуги VPN. Взаємодія декількох серверів застосувань здійснюється за допомогою сигналізації SIP-I для завершення викликів між абонентськими пристроями різних класів; • HSS (Home Subscriber Server) — сервер домашніх абонентів, аналогічний елементу мереж GSM — серверу HLR (Home Location Register); є базою користувацьких даних. Сервер HSS забезпечує відкритий доступ у режимі читання/запису до індивідуальних даних користувача, пов’язаним з послугами. Доступ здійснюється з різних точок закінчення, таких, як телефон, застосування Web і SMS, телевізійні приставки типу set-top box та ін. В HSS реалізується також функція SLF (Subscription Locator Function), що визначає положення бази даних, утримуючи дані конкретного абонента, у відповідь на запит від модуля I-CSCF чи від серверу застосувань. Нарешті, до складу серверу HSS входять модулі HLR і Аuс (Authentication Center) для роботи з мережами 2G. У середовищі IMS сервер HSS діє як відкрита база даних про кожного користувача і про послуги, задіяних абонентом: на які послуги підписаний 251
Сучасні телекомунікаційні системи
користувач, чи активізовані ці послуги, які параметри керування були встановлені користувачем. Порівняння Softswitch і IMS. Архітектури Softswitch і IMS мають рівневий розподіл, причому границі рівнів проходять на тих самих місцях. Для архітектури Softswitch зображені насамперед пристрої мережі, а архітектура IMS визначена на рівні функцій. Ідентичні також ідея надання всіх послуг на базі IP-мережі і поділ функцій керування викликом і комутації. По суті, до вже відомих функцій Softswitch додаються функції шлюзу OSA і сервер абонентських даних. Оцінивши списки функцій в обох архітектурах, можна помітити, що склад функцій практично не відрізняється. Можна було б припустити, що обидві архітектури майже тотожні. Це вірно, але тільки частково: вони ідентичні з погляду на архітектуру. Якщо ж розібрати зміст кожної з функцій, то виявляються значні розходження в системах Softswitch і IMS. Наприклад, з опису функції CSCF вже видно відмінність її від аналогічних функцій в Softswitch. До того ж, якщо в архітектурі Softswitch функції мають досить умовний розподіл і опис, то в документах IMS дається жорсткий опис функцій і процедур їх взаємодії, а також визначено і стандартизовано інтерфейси між функціями системи. Розходження починаються з основної концепції систем. Softswitch — це насамперед устаткування конвергентних мереж. Функція керування шлюзами (і відповідно протоколи MGCP/MEGACO) є в ньому домінуючою (протокол SIP для взаємодії двох Softswitch/ MGC). IMS проектувалася в рамках мережі 3G, що повністю базується на IP. Основним її протоколом є SIP, що дає можливість встановлювати однорангові сесії між абонентами і використовувати IMS лише як систему, що надає сервісні функції з безпеки, авторизації, доступу до послуг і т.д. Функція керування шлюзами і сам медіашлюз тут є лише засобом для зв’язку абонентів 3G з абонентами фіксованих мереж, причому маються на увазі лише ТМЗК. До особливостей IMS належить також орієнтованість на протокол IPv6: багато фахівців вважають, що популярність IMS послужить поштовхом до впровадження шостої версії протоколу IP. Але поки що це становить деяку проблему: мережі UMTS підтримують як IPv4, так і IPv6, у той час як IMS, зазвичай, тільки IPv6. Тому на вході в IMS-мережі необхідна наявність шлюзів, що пе-
252
Розділ 7
ретворять формат заголовків і адресну інформацію. Ця проблема властива не тільки IMS, а й усім мережам IPv6. Продовжуючи тему проблем IMS, варто сказати про протокол SIP. Справа в тому, що SIP розроблений і специфікований комітетом IETF, але для використання в IMS він був частково дороблений і змінений. У результаті може виникнути ситуація, коли при одержанні запитів SIP чи відправленню їх у зовнішні мережі підфункція S-CSCF може виявити відсутність підтримки відповідних розширень протоколу SIP і/або відмовити у встановленні з’єднання, а також обробити його некоректно. Однією із сильних сторін підходу NGN на даний час є його поширеність: у світі існує безліч мереж, що пішли цим шляхом розвитку, і вже накопичений великий досвід щодо впровадження SoftSwitch-архітектур. Велика кількість підтримуваних технологій дає можливість операторові підібрати устаткування, що найбільш відповідає його вимогам і дозволяє оптимальним чином взаємодіяти з уже наявними мережними ресурсами. SoftSwitch-рішення відносно легко масштабувати, починаючи з найпростішої архітектури, що обслуговує корпоративний сектор, і закінчуючи великомасштабними проектами міжрегіонального оператора. Таким чином, оператор може мінімізувати первісні вкладення в мережу NGN. Ця ж особливість дає можливість операторові, що створює великомасштабний проект, використовувати нові мережні ресурси (і, отже, діставати прибуток) відразу після їх установки. Якщо узагальнювати перелічені переваги, то їх можна охарактеризувати одним словом — “гнучкість”, маючи на увазі під ним адаптацію до будь-яких запитів оператора. Однак на рішення NGN можна поглянути і з іншого боку. Різноманіття устаткування, яке є в даному сегменті ринку, породжує проблему його сумісності. Численні центри із забезпечення системної взаємодії допомагають вирішити її лише частково, оскільки найчастіше тести не встигають за відновленням версій програмного забезпечення і не можуть охопити всі можливі комбінації пристроїв, що працюють у мережах операторів. Це також породжує більш широку проблему взаємодії операторів один з одним і зводить нанівець передбачені багатьма технологіями можливості із забезпечення мобільності користувача і послуг. Деякі виробники устаткування надають фірмові системи керування мережею, які не завжди коректно і повноцінно працюють з устаткуванням сторонніх постачальників при його інтеграції в мережу оператора, оскіль253
Сучасні телекомунікаційні системи
ки є відмінності не тільки в реалізації, а й у функціональності багатьох систем. В IMS частково згладжуються проблеми сумісності устаткування, оскільки взаємодія функціональних модулів регулюється стандартами. Новий підхід до надання послуг виявився надзвичайно вдалим і забезпечив роумінг послуг, що має принести додатковий прибуток операторові. Використання в проводових мережах NGN і мобільних мережах 3G однакових систем IMS дозволяє бачити в перспективі можливість конвергенції фіксованих і мобільних мереж — ідеї, що набирає популярність в усьому світі, підтвердженням чому є постійне збільшення учасників FMCA (Fixed-Mobile Convergence Alliance) — міжнародного об’єднання найкрупніших операторів зв’язку. Ñïèñîê ëòåðàòóðè 1.
Лунтовский А.О., Глоба Л.С., Кравчук С.А. Реализация мобильных приложений на базе технологий широкополосного беспроводного доступа // Безпека дорожнього руху України. — К.: ТОВ «Журнал “Радуга”». — 2004. — № 3 (18). — С. 93—104. 2. Молчанов Д.А. Самоорганизующиеся сети и проблемы их построения // Электросвязь. — 2006. — № 6. — С. 24—28. 3. Евсеева О.Ю. Мультиструктурная модель и метод управления в самоорганизующейся телекоммуникационной сети // Радиотехника. — 2007. — Вып. 151. — С. 98—105. 4. Yanikomeroglu H. Fixed and mobile relaying technologies for cellular networks // Second Workshop on Applications and Services in Wireless Networks (ASWN’02), 3— 5 July, 2002, Paris, France. — Paris, 2002. — Р. 75—81. 5. Кравчук С.А. Архитектура фиксированных систем широкополосного радиодоступа // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2003. — № 4. — С. 15—18. 6. El Gamal A. Capasity of a class of broadcast channels // IEEE Trans. оn Information Theory. — 1979. — 25, N 2. — P. 166—169. 7. Zhang Z. Partial conversa for a relay channel // Ibid. — 1988. — 34, N 5. — P. 1106— 1110. 8. Романюк В.А. Мобильные радиосети — перспективы беспроводных технологий // Сети и телекоммуникации. — 2003. — № 12. — С. 62—68. 9. Романюк В.А. Мобільні радіомережі (MANET) — основа побудови тактичних мереж зв’язку // Матер. 4-го наук.-практ. семінару “Пріоритетні напрямки розвитку телекомунікаційних систем та мереж спеціального призначення”, 22 листопада, 2007 р. — К.: ВІТІ НТУУ “КПІ”, 2007. — С. 15—28. 10. Шиллер Й. Мобильные коммуникации. — М.: Изд. дом “Вильямс”, 2002. — 384 с. 11. Ильченко М.Е., Бунин С.Г., Войтер А.П. Сотовые радиосети с коммутацией пакетов. — К.: Наук. думка, 2003. — 266 с.
254
Розділ 7 12. Кравчук С.А. Создание многопролетных полнодоступных узловых беспроводных сетей в системах широкополосного радиодоступа // Тр. 7-й междунар. науч.практ. конф. СИЭТ “Современные информационные и электронные технологии”, 22—26 мая 2006 г., Одесса, Украина. — Одесса: ВМВ, 2006. — 189 с. 13. Чайковский Ю.А., Кравчук С.А. Беспроводные широкополосные MESH сети // Зб. тез наук.-техн. конф. ПТ-07 “Проблеми телекомунікацій”, 25—27 квітня, 2007 р., Київ. — К.: НТУУ “КПІ”, 2007. — С. 58—59. 14. Кравчук С.А. Проблемы развития MIMO технологии // Там же. — С. 53—54. 15. Кравчук С.А. Сравнение эргодической пропускной способности традиционных однопролетных, многопролетных и кооперативных сетей широкополосного радиодоступа с ретрансляцией // Там же. — С. 55. 16. Ильченко М.Е., Кайденко Н.Н., Кравчук С.А. Процесс конвергенции в телекоммуникационных сетях // Там же. — С. 14—15. 17. Гулевич Д.С. Сети следующего поколения. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. — 183 с. 18. Сети UMTS. Архитектура, мобильность, сервисы / Х. Кааранен, А. Ахтиайнен, Л. Лаитинен и др. — М.: Техносфера, 2007. — 464 с.
255
Ðîçäë 8
Öèôðîâå òåëåâçéíå ìîâëåííÿ
19. Ñèñòåìè öèôðîâîãî òåëåáà÷åííÿ Сьогодні значну увагу світового співтовариства привертає цифрове телебачення (ЦТБ). Перехід до цифрового телебачення відкриває нові величезні можливості не тільки для підвищення якості і збільшення кількості доступних програм, а й для надання нових послуг населенню. Для України перехід на цифрове мовлення досить актуальний. Згідно із затвердженою в 2006 р. Кабінетом Міністрів України Концепцією впровадження цифрового телевізійного мовлення [1] і Плану використання радіочастотного ресурсу України в смугах частот 174—230 МГц (третій телевізійний діапазон), 470—862 МГц (четвертий і п’ятий телевізійні діапазони) передбачається впровадження радіотехнологій цифрового наземного телевізійного мовлення стандарту DVB-T (Digital Video Broadcasting-Terrestrial): у смугах частот 10150—10300, 10500—10650 МГц — радіотехнології мультисервісного радіодоступу стандарту 802.16, у смугах частот 11700— 12500 МГц — радіотехнології багатоканального наземного телерадіомовлення стандарту DVB-S (Digital Video Broadcasting-Satellite). Впровадження цифрового телевізійного мовлення істотно відрізняється від впровадження інших телекомунікаційних технологій. Особливість переходу на цифровий формат у телебаченні полягає в тому, що введено обмеження на час співіснування аналогового і цифрового телебачення принаймні в одному географічному регіоні. На темпи переходу до цифрового телебачення в Україні великий вплив будуть мати ті пропорції, які склалися між наземним (ефірним), з одного боку, і мікрохвильовим ефірним, кабельним і супутниковим способами доставки телевізійних програм до глядача, з іншого боку, а також інтенсивний розвиток останніх. Перехідний період. Регіональна конференція радіозв’язку (РКР-06), що проходила у травні-червні 2006 р. у Женеві, розгля-
Розділ 8
нула планування цифрової наземної радіомовної служби в Районах 1 і 3 (Європа, Африка і частина Азії) у смугах частот 174—230 і 470—862 МГц, розробила і прийняла новий частотний план для систем цифрового наземного ТВ-мовлення (ЦНТВ) DVB-T і звукового мовлення T-DAB. Крім того, РКР-06 ухвалила, що перехідний період від аналогового до цифрового мовлення повинен завершитися 17 червня 2015 р. Однак у деяких країнах цей період може бути продовжений ще на п’ять років стосовно діапазону 174— 230 МГц. Закінчення перехідного періоду не означає обов’язкового вимикання аналогового мовлення по всій країні. Але з цього моменту знімаються вимоги по захисту засобів аналогового ТВ-мовлення (АТВ) від завад з боку цифрового мовлення в прикордонних областях, і країни можуть без обмежень користуватися частотними планами РКР-06. Для ряду країн, особливо невеликих за територією, це, безсумнівно, послужить серйозним стимулом для повного відключення АТВ [2]. Багато країн Західної Європи ввели ЦТБ в більшості своїх промислово розвинених і густонаселених регіонів і тепер знаходяться на шляху до повного відключення аналогового телебачення. Європейський союз мовлення (EBU) опублікував звіт, згідно з яким відключення АТВ в Європі має бути проведене з 2007 по 2015 рік. За рекомендацією Євросоюзу повне відключення АТВ повинно відбутися в період з початку 2010 р. до початку 2012 р. У більшості країн прийнято підхід, згідно з яким перехід з аналогового на цифрове мовлення повинен здійснюватися від регіону до регіону. Такий підхід кращий як з політичної, так і з практичної точки зору. Справді, відключення АТВ в одному з регіонів є передумовою до розширення зони покриття в сусідньому регіоні. Крім того, загальна стратегія передбачає мінімізацію змішаного періоду аналогового і цифрового мовлення. Так, Люксембург, а потім і Нідерланди першими в Європі повністю перейшли на цифрове мовлення. Переважна структура мультиплексів — багатопрограмне телебачення стандартної чіткості. Одночасно є блоки звукових програм радіомовних станцій і дані. Домінуюча європейська модель переходу на цифру — мовлення без закриття каналу (Free-to-air) з деякими платними елементами [3]. В Європі ця модель прийнята повсюдно, крім Голландії, Швеції і Норвегії. Загальний підхід полягає в тому, що спочатку в ефір запускається вся програмна платформа без обмеження, що створює базу матеріалу для перегляду, а потім до неї додаються 257
Сучасні телекомунікаційні системи
деякі невеликі платні служби, що надають додаткову привабливість. Стандарти стиснення. У системах цифрового ТВ-мовлення з самого початку застосовувався стандарт кодування і стиснення аудіовізуальної інформації MPEG-2 [4]. В останні роки все більшу популярність набуває спільний стандарт МСЕ-Т і ISO/IEC, названий відповідно H.264/AVC і ISO/IEC 14496-10:2005. Цей стандарт, відомий також під назвами H.264/MPEG-4 Part 10 AVC, H.264/ MPEG-4 AVC чи MPEG-4.10, є новою перспективною технологією стиснення. Його ефективність (об’єм стиснутої інформації) при однаковій якості приблизно в 2—2,5 раза вище, ніж стандарту MPEG-2 при кодуванні зображень низької і високої чіткості, і приблизно в 1,5 раза вище для зображень стандартної чіткості, причому останній показник має тенденцію до зростання і згідно з прогнозами через два-три роки досягне значення 2. Варто відзначити, що відповідно до технічних вимог EBU використання стандарту MPEG-4.10 регламентується для всіх нових служб телебачення високої чіткості (ТВЧ), що вводиться після 2005 р. Стандарт MPEG-4.10 також широко застосовується для кодування зображень телебачення низької чіткості (ТНЧ) у системах мобільного телебачення DVB-H. Але для зображень телебачення стандартної чіткості (ТСЧ) рекомендується стандарт MPEG-2. Тому в більшості країн, що почали перехід на цифрове телебачення в числі перших, для кодування і стиснення джерел програм використовується стандарт MPEG-2. Однак технічний прогрес диктує свої умови, і можна констатувати появу винятків із загального правила. У Франції для програм ТСЧ прийнято стандарт стиснення MPEG-2, а для платних програм ТВЧ — стандарт MPEG-4.10. У той же час ведуться інтенсивні дослідження із застосування стандарту MPEG-4.10 для всіх типів програм. У Норвегії стандарт MPEG-4.10 прийнято для всіх служб мовлення. Країни Прибалтики, Словенія і Польща, що почали перехід на ЦТБ не настільки давно, також роблять ставку на стандарт MPEG-4.10. Ряд країн ще не визначилися остаточно з вибором стандарту стиснення, але за опублікованими даними схиляються до стандарту MPEG-4.10. Параметри схеми модуляції COFDM. Як відомо, у системі DVB-T існує можливість вибору виду модуляції, кодової швидкості, тривалості захисного інтервалу. Різні сполучення цих параметрів дозволяють одержати 60 варіантів (тільки для неієрархічного 258
Розділ 8
режиму) структури переданого COFDM-сигналу, що відрізняються завадостійкістю і швидкістю передачі даних. Вибір конкретного варіанта є результатом розрахунку планованої зони мовлення. Тому цікаво проаналізувати, які варіанти схеми модуляції COFDM вибираються в країнах, що переходять на ЦНТВ. З цією метою в табл. 19.1 наведено відомості про відповідні технічні параметри закордонних мереж мовлення DVB-T. Там же зазначені смуга каналу і тип мережі (MFN — багаточастотна, SFN — одночастотна). Таблиця 19.1. Технічні параметри закордонних мереж мовлення DVB-T
Країна
Австралія
Тип мережі мовлення
Розмірність ШПФ
Швидкість передачі, Мбіт/с
Відносний захисний інтервал
Кодова швидкість 3/4 2/3 3/4
64-QAM 16-QAM
23,05 19,35 16,59
Модуляція
8k
Австрія
MFN, SFN SFN
8k
1/16 1/8 1/8
Бельгія
SFN
8k
1/8
Великобританія
MFN
2k 1/32 8k (перспектива)
3/4 2/3
16-QAM 64-QAM
18,10 24,13
Угорщина
MFN, SFN
8k
1/32
2/3
64-QAM
24,13
Німеччина
SFN
8k
1/8
3/4 2/3
16-QAM
14,52 14,75
Данія
MFN, SFN
8k
1/4
2/3
64-QAM
19,91
Ірландія
MFN
8k
Іспанія
MFN, SFN
8k
1/4
2/3
64-QAM
19,91
Італія
УВЧ/8 MFN
8k
1/32
3/4 2/3
64-QAM
23,75 24,13
Люксембург SFN
8k
1/8
2/3
16-QAM
14,75
Нідерланди
8k
1/8
2/3
64-QAM
22,12
MFN, SFN
259
Сучасні телекомунікаційні системи
Кінець табл. 19.1
Країна
Тип мережі мовлення
Розмірність ШПФ
Відносний захисний інтервал
Кодова швидкість
Модуляція
Швидкість передачі, Мбіт/с
Норвегія
MFN, SFN
8k
Польща
MFN
8k
1/32
2/3
64-QAM 24,13 16-QAM 16,09
Португалія
SFN
8k
1/4
2/3
64-QAM 19,91
Сінгапур
MFN,
1/4 2k (мобільного) 8k (фіксо- 1/8 ваний)
1/2
QPSK
4,98
2/3
64-QAM
22,12
SFN
64-QAM
Тайвань
MFN, SFN
8k
1/8
1/2 3/4
16-QAM 8,29 12,44
Фінляндія
MFN
8k
1/8
2/3
64-QAM 22,12
Франція
MFN SFN
8k
1/8
2/3
64-QAM 22,12
Швейцарія
MFN
8k
Швеція
MFN SFN
8k
Росія
MFN SFN
8k
64-QAM 1/8
2/3
64-QAM 22,12
2/3
64-QAM 24,13 QPSK 6,64
Згідно табл. 19.1 і вихідним матеріалам, практично загальноприйнятою є схема модуляції COFDM з розмірністю швидкого перетворення Фур’є (ШПФ) 8k (6817 несучих). Режим 2k (1705 несучих), реалізований історично першим і прийнятий у Великобританії, здає свої позиції. Британський оператор Ofcom ухвалив рішення щодо переходу на режим 8k у всіх створюваних одночастотних мережах, а до 2012 р. — у всіх інших мережах [5]. Цим же рішенням регламентується використання в майбутньому тільки модуляції 64-QAM. Режим 2k використовується в Сінгапурі і лише для прийому ЦНТВ на транспорті (для фіксованого прийому там застосовують режим 8k). Цей вибір виправданий доброю стійкістю режиму 2k стосовно ефекту Доплера. 260
Розділ 8
У більшості країн ЦНТВ організується в діапазоні 470—862 МГц у каналах із шириною смуги 8 МГц. Найчастіше заявляється про створення або про плани розгортання і одночастотних, і багаточастотних мереж. За станом на сьогоднішній день типова картина — одночастотні мережі складаються з двох-трьох передавачів. Найкоротші (1/32) і найдовші (1/4) відносні захисні інтервали трапляються однаково часто, але рідше за найпоширеніший інтервал (1/8), що дозволяє гарантовано створювати зони мовлення з радіусом до 35 км. Модуляція 64-QAM превалює над 16-QAM, модуляція QPSK використовується тільки для прийому на рухомих засобах. Найбільш популярний вибір кодової швидкості — 2/3, на другому місці — 3/4. Отже, у випадку чотирьох програм на мультиплекс найпоширеніша схема COFDM має параметри {16-QAM, 2/3}, а при шести програмах — {64-QAM, 2/3}. Залежно від довжини захисного інтервалу відповідні швидкості передачі дорівнюють 13—16 і 20—24 Мбіт/с. Цифровий дивіденд. Вибір методів стиснення джерел і параметрів схеми модуляції при передачі сигналу в підсумку визначає загальну ефективність використання частотного ресурсу і виражається поняттям “цифровий дивіденд” [6, 7]. Цифровий дивіденд — це фактичний виграш завдяки звільненню спектра після відключення аналогового мовлення, і реалізується він за рахунок: • збільшення числа мультиплексів або цифрових служб у мультиплексах; • розширення зон покриття цифровим мовленням і якості прийому сигналів у цих зонах; • можливості введення в експлуатацію систем мобільного телебачення DVB-H, а також зв’язних служб, таких, як мобільна телефонія третього покоління (3G), системи WiMAX та ін.; • організації мовлення програм ТВЧ по наземних мережах. Ще однією складовою цифрового дивіденду можуть стати аналогові ТВ-передавачі I-II ТВ-діапазонів, які формально не підпадають під дію документів РКР-06 і можуть продовжувати мовлення. Але їх перспективи після повної цифровізації мовлення досить туманні, і, мабуть, можна знайти варіанти їх використання, що доповнюють цифрові системи DVB-T/H в III—V ТВ-діапазонах. Телебачення високої чіткості. Уже з перших років активного впровадження телебачення у світі було очевидно, що його технічні можливості обмежують чіткість прийнятого відеозображення. Технічні обмеження передавальної камери далі продовжувались у трак261
Сучасні телекомунікаційні системи
ті передачі і поширення і, можна сказати, закінчувалися власне в телевізорі. Протягом всієї другої половини XX ст. велася науково-інженерна боротьба за подолання природних труднощів на шляху до ТВЧ. Крім того, йшов безперервний підігрів інтересу глядачів до телебачення високої чіткості. Однак відсутність великих екранів у телевізорів стримувало цей процес. Поява на грані століть плоских рідко-кристалічних і плазмових екранів змінило ситуацію в сфері засобів відображення. Почалося повільне, але неминуче відмирання кінескопів. У міру появи екранів, здатних сприймати ТВЧ, але при відсутності мовних програм, вільна ніша стала заповнюватися цифровими відеодисками високої чіткості. Телебачення високої чіткості широко впроваджується в США, Японії, Південній Кореї, Австралії. Наприклад, у США ТВЧ-мовлення ведуть вісім мереж. Загальний парк ТВЧ-приймачів в ефірному, кабельному і супутниковому варіантах у стандарті MPEG-2 у США і Японії становить більше 11 млн шт. Проводиться впровадження і в європейських країнах. З січня 2005 р. по чотири-п’ять годин у день почав передачі перший в Європі супутниковий ТВЧ-канал Euro 1080 Channel. Передачі ведуть два канали HD1 і HD2, дивитися які при наявності ТВЧ-декодера можуть телеглядачі всієї Європи. З 5 серпня 2005 р. німецька мовна компанія Premiere транслює ТВЧ-програми, і всі матчі 64-го чемпіонату світу з футболу 2006 р. передавалися у форматі високої чіткості. Першопрохідниками ТВЧ-мовлення у Європі, як і у випадку переходу на цифровий формат, є супутникові системи зв’язку. Мовлення одного каналу ТВЧ в MPEG-2 потребує використання швидкості 16—20 Мбіт/с. Так, ведеться ТВЧ-мовлення в США через супутник Direc TV. У стандарті DVB-S по стандартному супутниковому стовбурі можна передати лише два канали ТВЧ (або шість каналів стандартної якості). Для підвищення пропускної спроможності ретрансляторів було розроблено стандарт супутникового мовлення DVB-S2, який на 30 % економічніший за DVB-S. Найважливішим стимулом розвитку ТВЧ-мовлення став стандарт MPEG-4 AVC (H.264). Далеко не однозначним виявився вибір стандарту ТВЧ для Європейського Співтовариства. Яка повинна бути розгортка — колишня черезрядкова чи прогресивна. Всі “за” і “проти” багато разів зважувались. Остаточно питання не вирішене до сьогоднішнього дня. Хоча загальне тяжіння до прогресивного розгортання про262
Розділ 8
глядається все сильніше й сильніше. Економічно виправданим сьогодні вважається формат 720р/50, а більш досконалим — формат 1080р. Цілком імовірно, що останній буде прийнятий в Європі повсюдно до 2012 р. Формат 1080i, що дістав найбільше поширення, має розмір кадру 1920×1080 пікселів при 60(50) черезстрочних кадрів у секунду. Артефакти, породжувані черезрядковим розгорненням, знижують чіткість зображення, що теоретично повинно визначатися кількістю пікселів у форматі 1080і (2073600). Тому продовжує втримувати позиції і формат 720р, що має розмір кадру 1280×720 пікселів при 60 прогресивних кадрів у секунду. Прогресивне розгорнення з розкладанням 1080×720 забезпечують значно кращу передачу об’єктів, що рухаються, більшість дисплеїв ТВЧ використовує прогресивний спосіб розгорнення. Але при цьому на вході кодера швидкість цифрового потоку досягає 3 Гбіт/с. Незважаючи на ще існуючі проблеми, майбутнє належить телебаченню високої чіткості, і ТВЧ як послуга все більше місце буде займати в споживчому інформаційному кошику. Телебачення високої чіткості є наступним кроком за цифровим телебаченням стандартної чіткості і вже до 2050 р. повністю може завоювати світ.
20. Ïåðñïåêòèâí òåõíîëîã¿ öèôðîâîãî Òåëåâçéíîãî ìîâëåííÿ DVB-T2. Хоча у Франції і Норвегії є плани вводу в найближчому майбутньому цифрових наземних служб ТВЧ, для інших європейських країн — це досить віддалена перспектива. Зараз цифрове наземне ТВ-мовлення практично повністю засноване на багатопрограмному ТСЧ. Навіть якщо оператори приймуть стандарт стиснення MPEG-4 AVC, то реальний цифровий дивіденд дозволить організувати тільки кілька служб ТВЧ. Тому, з огляду на привабливість для користувачів служб ТВЧ, у консорціумі “Проект DVB” почата розробка стандартів нового покоління для цифрового наземного ТВ-мовлення. Створювана система дістала назву DVB-T2, і очікується, що вона забезпечить істотне збільшення спектральної ефективності порівняно з DVB-T. Розгортання системи DVB-T2 планується після 2012 р., коли буде відбуватися масове відключення аналогового ТВ-мовлення і відповідне звільнення спектра. 263
Сучасні телекомунікаційні системи
Істотним моментом є те, що система DVB-T2 може не мати зворотної сумісності із системою DVB-T і завдяки принципово новим методам кодування і модуляції сигналу дає можливість досягти максимальної ефективності. Передбачається, що в новій системі швидкість передачі даних буде близько 30 Мбіт/с, а на одну службу ТВЧ буде приділятися не більше 6 Мбіт/с (такий рівень стиснення був недавно продемонстрований кодерами MPEG-4 AVC фірм Tandberg і Harmonic). У новий стандарт DVB-T2 передбачається ввести також механізм статистичного мультиплексування — у результаті буде отримано дійсно багатопрограмний мультиплекс із службами ТВЧ. У випадку успіху даної розробки можна прогнозувати, що оператори наземних мереж мовлення будуть закривати деякі з існуючих служб ТСЧ, щоб відкрити замість них служби ТВЧ. Для полегшення цього процесу необхідний довгостроковий план, особливо із врахуванням того, що перехід від аналогового до цифрового телебачення все ще не завершений. Після оголошення про розробку DVB-T2 оператори наземного мовлення повинні планувати введення ТВЧ, активно підтримуючи розробку специфікації DVB-T2. У противному випадку, а також при протидії регулювальних органів ринок устаткування наземного ТВ-мовлення неминуче скоротиться. DVB-H. Система мобільного телебачення DVB-H призначена для передачі на ручні і рухомі термінали таких служб мультимедіа: ТВ-програм, зображень, звукової інформації, текстових даних, двійкових файлів. Роботу зі стандартизації системи DVB-H було почато восени 2002 р. і закінчено в лютому 2004 р. На даний час система DVB-H введена в регулярну експлуатацію в Албанії, В’єтнамі, Німеччині, Італії, США, Фінляндії. У 2007 р. очікувався запуск цієї системи в Іспанії, Росії, Франції, ПАР, трохи пізніше — ще в ряді країн. Система DVB-H може працювати як автономна система мовлення чи використовувати на фізичному рівні технічні засоби системи цифрового наземного ТВ-мовлення DVB-T. В останньому випадку при виборі нового режиму 4k система DVB-T дасть змогу будувати одночастотні мережі DVB-T/H з рознесенням передавачів на 33—35 км. По одному радіоканалу зі смугою 8 МГц у системі DVB-T/H можна доставляти на мобільні термінали 30—50 потоків відеослужб (ТВ-програм зниженої чіткості). Основними особливостями системи DVB-H є: 264
Розділ 8
• пакетний режим передачі програм (квантування часу), коли кожна служба передається на високій швидкості протягом короткого інтервалу часу; • економія енергоспоживання мобільного термінала (приблизно 90 %), за рахунок відключення живлення тюнера-демодулятора протягом квантів часу, які не відносяться до прийнятої програми; • використання багатопротокольної інкапсуляції IP-дейтаграм із додатковим кодовим захистом (MPE-FEC) для підвищення завадостійкості прийому і реалізації мобільності; • поліпшення системи сигналізації (TPS); • можливість спільного застосування мультиплекса DVB-T стандартними службами MPEG-2 і IP-службами системи DVB-H; • в європейських країнах допускається автономне використання системи DVB-H в L-діапазоні в смузі 1,452—1,492 ГГц. З цією метою в стандарт на систему DVB-T введена опція для роботи в каналах зі смугою 5 МГц — за межами ТВ-діапазонів. Згідно з [25] для системи DVB-H кращим є IV ТВ-діапазон, в якому частоти досить низькі для поширення на великі відстані і досить високі для того, щоб уникнути індустріальних перешкод. На цих частотах можна робити антени прийнятних розмірів, а ефект Доплера нижче, ніж у V ТВ-діапазоні. DVB-H2. Хоча система DVB-H є новою і практично тільки починає розгортатися, одночасно з анонсом системи DVB-T2 “Проектом DVB” було заявлено про розробку системи DVB-H2, призначеної для надання мобільного телебачення. Її відмінною рисою буде використання на фізичному рівні технічних засобів системи DVB-T2. DVB-SH. Систему DVB-SH було розроблено для передачі IP-дейтаграм служб мультимедіа на ручні і рухомі термінали користувачів за допомогою супутників. Система DVB-SH працює в смугах частот нижче 3 ГГц, звичайно, в S-діапазоні 2,5—2,7 ГГц. Для захисту від помилок у системі застосовуються турбокоди. Оскільки між супутником і мобільним терміналом немає прямої видимості, повне покриття здійснюється за допомогою наземних ретрансляторів. При цьому супутниковий сегмент забезпечує покриття великої площі, а наземний гарантує зв’язок у тих випадках, коли супутниковий сигнал не може бути прийнятий. Система DVB-SH працює у двох експлуатаційних режимах. У режимі SH-A використовується схема модуляції COFDM як у су265
Сучасні телекомунікаційні системи
путникових, так і в наземних трактах з можливістю роботи обох трактів у режимі одночастотної мережі. У режимі SH-B застосовується часовий поділ каналів (TDM) у супутниковому тракті і схема модуляції COFDM у наземному тракті. Технологія IPTV. Триваюча IP-перебудова світових телекомунікацій набирає оберти. Чергова хвиля її розвитку асоціюється сьогодні з терміном IPTV, що з’явився буквально кілька років назад. IPTV дуже швидко став базою для передачі операторами зв’язку медійних чи контентних послуг на базі IP-технологій. Очевидно, що процес появи і розвитку IPTV прив’язаний до процесу розвитку мереж широкосмугового IP-доступу, що сам по собі почався не дуже давно, усього років п’ять назад, але йде дуже швидко — число “широкосмугових” абонентів у світі сьогодні обчислюється вже сотнями мільйонів. Абонентська база IPTV набагато скромніша, поки що — одиниці мільйонів, але вона швидко росте, а головне — це те, що про плани побудови відповідних мереж оголосили всі найбільші (і не тільки) оператори. Таким чином, можна сказати, що тема IPTV стала сьогодні однією з головних перспектив розвитку операторів, що надають мультимедійні послуги. Поки що даний сегмент ринку копіює моделі розвитку традиційного телебачення (ефірних, супутникових і кабельного), але немає ніяких сумнівів, що це протриває недовго. Сьогодні працюючі мережі IPTV дають своїм абонентам можливість дивитися широкий спектр телеканалів, слухати високоякісне аудіо як радіоканали, так і тематичні добірки музики, дивитися фільми та інші відеоматеріали в режимі “відео на вимогу” чи “віртуальний кінозал”, а також одержувати ряд довідково-інформаційних послуг — погода, розклади, новини та ін. Відмінності IPTV від традиційного телебачення — “уроджена” інтерактивність IPTV і можливість інтеграції його послуг з іншими інформаційними, комунікаційними, освітніми і розважальними послугами на базі IP-технологій — дозволять операторам будувати зовсім нові бізнес-моделі, не відомі сьогодні ні зв’язківцям, ні тим, хто створює і поширює контент. Рішення на базі IPTV містять у собі багато способів моніторингу переваг і вибору глядачів, у зв’язку з чим IPTV уявляється ідеальною платформою для персоналізованої реклами і e-commerce. IPTV — це платформа, що створюється і контролюється оператором-постачальником телекомунікаційних структур. Споживач вза266
Розділ 8
ємодіє безпосередньо зі своїм оператором. У цьому значенні оператор IPTV майже не відрізняється від існуючих кабельних телевізійних операторів. IPTV являє собою закриту чи напівзакриту мережу. Вся інфраструктура належить операторові і не доступна повністю з мережі Інтернет. Більше того, всі пристрої, підключені до мережі, контролюються оператором. Введення IPTV в експлуатацію припускає масивне зв’язне відновлення інфраструктури протягом кількох років, істотні зміни в пристроях зв’язку і доставки на боці оператора і на боці споживача. Одне з основних властивостей IPTV — це географічна прив’язка. Крім того, що інфраструктура IPTV фізично прив’язана до будинків, пристроїв і телевізорів споживачів, ще існує місцеве регулювання і політика, що так само є факторами, що обмежують IPTV на географічному рівні. Інтеграція послуг означає, що з виникненням і розвитком IPTV з’являється можливість розглядати телевізор не як “ящик”, що показує фіксований набір ТВ-програм, а як живе вікно у світ, як медіа, інформаційний і комунікаційний центр, як комп’ютер, а не телевізор. Інтерактивні інформаційні сервіси — довідки, погода, розклад те, що сьогодні споживається через телефон або через комп’ютер — може бути доступно на телевізійному екрані. Послуги Triple Play. Triple Play — нерозривно пов’язана з IPTV технологія, що стає однією з основних маркетингових принад для споживачів і навіть своєрідним символом комерційної успішності розробок. Суть цієї технології проста: підключившись один раз по каналу широкосмугового доступу, можна одержати відразу три сервіси замість одного — високошвидкісний Інтернет, цифрове телебачення і телефонію або TCP/IP + IPTV + VoIP. Три послуги і один провайдер, і все це — по одному проводу чи радіоканалу. Варто відзначити, що Triple Play дозволяє не замикатися на якихось одних мережах (наприклад, на базі DSL) і визначається тільки доступом. Користувачі зможуть одержувати дані як через проводові мережі, так і через мережі стільникового і супутникового зв’язку, Wi-Fi і т.д. Перехід у всьому світі від мереж комутації каналів до IP-мереж, перетворення телекомунікацій в IP-комунікації та інфокомунікації, перетворення Інтернету з модної іграшки в глобальне середовище ведення бізнесу, перетворення ринку зв’язку в ринок інфокомунікаційних послуг, насичений неймовірною їх розмаїтістю, 267
Сучасні телекомунікаційні системи
нарощуваний темп появи все нових і нових технологічних, організаційних і бізнес-ідей створює відчуття нової інфокомунікаційної реальності. Приміром, все більшу вагу набуває думка, що IP-телефонія — це IP-сервіс із загального пакета, а не просто телефонія. У рамках NGN вона легко обмінюється ресурсом пропускної спроможності з TCP/IP і IPTV залежно від поточних запитів споживача, маніпулює внутрішньокорпоративною нумерацією. Вона є важливою частиною віртуальних корпоративних мереж і стає основою конвергенції фіксованого і мобільного зв’язку. Вона, нарешті, як і весь Triple Play, досить просто вбудовується в бізнес-процес споживача. Наступний на черзі запитів користувачів — IPTV. Технологія доставки трафіків голосу, даних і відео по загальному каналу зв’язку цілком зрозуміла, однак не менш важливе інформаційне наповнення. Послуги нового покоління характеризуються інтерактивністю, і в професійну термінологію вже ввійшло поняття “контент за замовленням»” (content-on-demand). Наприклад, в Bell Labs розроблена система mPhase TV+, що являє собою третє покоління рішень IPTV, за допомогою якої звичайна телефонна мережа перетворюється в систему ТВ-мовлення і доставки широкосмугових IP-застосувань. Впровадивши mPhase TV+, оператори одержують можливість надавати глядачам інтерактивні, персоналізовані послуги, які можна буде приймати на будь-який термінальний пристрій. З метою забезпечення стабільно високої якості при невеликій смузі пропускання ведуться роботи зі створення систем передачі ТВ-сигналу в мобільних мережах зв’язку. Імпульс для подальшого розвитку Triple Play надає платформа IMS, що здійснює конвергенцію мобільних і фіксованих мереж зв’язку. Вона також дає абонентам можливість одержувати персоналізовані послуги в єдиному пакеті в зручній для них формі і навіть оптимізувати ці витрати, одержувати єдиний рахунок і користуватися єдиною сервісною службою, але вже поза залежністю від знаходження абонента. Але якщо в цьому випадку оператори ще повинні домовитися про загальний сервісний пакет і поділ прибутку, то власники широкосмугових мереж доступу вже можуть доставляти Triple Play. Адже технологія, яке дозволяє забезпечити розгортання послуг Triple Play в інфраструктурі оператора зв’язку, досягла достатнього ступеня розвитку. До того ж, у всіх операторів з’явилася можливість відірватися від конкурентів у своїй ринковій ніші, захоплювати сусідні ніші і пропонувати більш об’ємний сервісний пакет. 268
Розділ 8
Раніше телефонні оператори побоювалися операторів мереж кабельного телебачення через можливе впровадження останніми послуг телефонії, тепер же телефоністи самі виходять на ринок ТВ-послуг. Але це ще не все, тому що оператори повинні брати участь у формуванні додаткових послуг і контента, інакше контент-провайдери зможуть позбавити їх більшої частини доходів від відео, підключивши клієнтів безпосередньо до своїх каналів, які також забезпечують нові технології. Приміром, навіщо у ТВ-мережі створювати багато частотних ТВ-каналів (що складно і дорого), коли користувачеві звичайно потрібний усього один IP-канал, який він вибирає за допомогою місцевого маршрутизатора IP-мережі, а не за допомогою телевізора. У цьому значенні телефонна мережа з DSL чи безпроводова мережа WiMAX ефективно розв’язують великий спектр задач, для яких мережам кабельного телебачення чи ефірного ТВ-мовлення будуть потрібні величезні інвестиції (цифровізація, зворотні канали, радіочастотний спектр і т.д.). Парадокс у тому, що ТВ-мережам потрібно відмовлятися від “традиційних” технологічних досягнень у частині забезпечення багатопрограмного ТВ-мовлення, щоб перетворитися в більш ефективну “одну велику трубу IP”, по якій підуть усі послуги. І цим вони будуть схожі на телефонні та інші мережі майбутнього, що прагнуть до того ж самого. Одночасно в усьому світі створюються альтернативні (але цілком конкурентні) середовища передачі на базі систем WiMAX і PLC (електропроводка), якими взагалі можуть скористатися для виходу на ринок з Triple Play будь-які альтернативні оператори. Одна з найбільших технічних проблем при переході до передачі голосу і відео по пакетних мережах полягає в забезпеченні гарантованої якості обслуговування (QoS), що дозволяє одержати зображення і звук без перекручувань і завад. Безумовно, найбільшу лепту в завантаження смуги пропущення вносить відеотрафік. QoS є основним критерієм при реалізації сервіса Triple Play. Питання полягає в тому, як гарантувати передачу пакетів для різних видів трафіку, при можливості без затримки чи викиду пакета (за допомогою трафіку з низьким пріоритетом). Зупинимось на цьому більш докладніше. Аналіз вимог QoS для передачі відеоданих. Інтеграція ТВ-мовлення і асоційованими з відео сервісами в мультисервісних мережах приводить до ряду проблем для сервіс-провайдерів. Можливо, одна з найважливіших вимог споживача — забезпечення операто269
Сучасні телекомунікаційні системи
ром зв’язку 100 % QoS. Відео (зокрема, відео по запиту), мовлення багатоканального телебачення і HDTV вимагають більше ресурсів мережі, ніж голос і дані. У більшості існуючих ATM-мереж і діючих мереж наступного покоління IP/MPLS таких вимог до QoS раніше не ставилось. Вимоги до QoS у відео-застосувань набагато різноманітніші, ніж у даних. Навіть самі затребувані застосування передачі даних можуть задовольнити ці вимоги при наявності затримок (джиттерів) і з невеликим відсотком втрати пакетів. Однак відео поверх IP(ATM) має чіткі вимоги для мінімальних втрат пакетів (у діапазоні 10-9), а це на практиці означає, що пакети можуть бути відкинуті тільки в результаті помилкових бітів і перевантаження мережі. Існують два основних типи відеозастосувань: інтерактивне відео (наприклад, відеоконференції) і потокове відео (IP/TV, що може використовувати як одно-, так і багатоадресне розсилання). На підставі проведеного аналізу рекомендацій МСЕ-Т і IETF узагальнимо основні вимоги до характеристик QoS при реалізації передачі відеоданих. Вимоги для трафіку інтерактивного відео. Для інтерактивного відео (відеоконференцій) до характеристик QoS пред’являються такі вимоги [8]: • інтерактивний відеотрафік (відповідно до “Базових основ QoS”) має бути з маркером AF41; • втрати — не більше 1 %; • односпрямована затримка — не більше 150 мс; • коливання затримки — не більше 30 мс; • мінімально гарантована смуга пропускання (LLQ) повинна дорівнювати розміру сесії відеоконференції плюс 20 %. Наприклад, сесія відеоконференції в 384 кбіт/с вимагає настроювання 460 кбіт/с смуги трафіку гарантованого пріоритету. Оскільки відеоконференція включає аудіокодек G.711 для голосу, то вона має й відповідні до голосового трафіку вимоги до втрат, затримки і коливанням затримки. Однак трафік відеоконференції радикально відрізняється від трафіку голосу. Вимоги для трафіку потокового відео. Для потокового відео до характеристик QoS пред’являються такі вимоги [8]: • потокове відео (одноадресного чи багатоадресного розсилання) згідно з “Базовими основами QoS” має бути з маркером CS4; • втрати — менш 2 %; 270
Розділ 8
• затримка — менш 4-5 с (залежно від можливостей буферизації відеозастосувань); • відсутність значних вимог по коливанню затримки; • вимоги по гарантіях смуги (CBWFQ) повинні залежати від формату кодування швидкості відеопотоку; • потокове відео зазвичай односпрямоване і тому у вилучених філіях маршрутизатори можна не настроювати на підтримку потокового відео в напрямку від філії до центра; • неважливі застосування потокового відео, такі, як відео для розваги, можуть бути помічені маркером DSCP CS1 і для них необхідний мінімум гарантій смуги пропускання в черзі CBWFQ. Застосування потокового відео менш вимогливі до QoS, оскільки менш чутливі до затримок і нечутливі до коливань затримки (завдяки буферизації на рівні застосувань). Однак потокове відео може містити таку важливу інформацію, як електронне навчання чи трансляцію корпоративних нарад і, отже, вимагати гарантій QoS. “Неважливий” відеозміст може розглядатися як Інтернетсервіс (сервіс, який гірший за “Best Effort”). Це означає, що потоки працюють доти, поки є смуга пропускання, але витісняються при виникненні перевантажень у мережі. У табл. 19.2 наведені вимоги до швидкостей передачі при різних стандартах передачі відеоданих. Виходячи з розглянутих вимог і характеристик QoS, автори [9] визначили такі вимоги до мережі доступу для послуг Triple Play: • цифровий доступ по абонентській телефонній лінії за технологією ADSL2 +; дозволяє передавати дані користувачеві зі швидкістю до 25 Мбіт/с, а від користувача — до 1 Мбіт/с; • мінімальна швидкість передачі відеопотоку для телебачення (для застосовуваної якості доставки послуги): • стандарту SDTV при використанні стиснення MPEG-4 чи Windows Media 9 концерну Microsoft становить від 1,5 до 3 Мбіт/с; • стандарту HDTV при використанні стиснення MPEG-4/ Н.264 дорівнює 15 Мбіт/с; • мінімальна смуга пропускання для голосу — 16 кбіт/с; • мінімальна смуга пропускання для передачі даних — 128 кбіт/с; • затримка (доставки даних) — не більше 150 мс; • джитер — не більше 30 мс; • втрата пакетів — не більше 1%. 271
Сучасні телекомунікаційні системи
Таблиця 19.2. Вимоги до швидкостей передачі даних
Метод або стандарт
Швидкість передачі, Мбіт/с
Компресія
Якість відеоконференції
Н. 261
0,1
Так
Якість VCR
MPEG-1
1,2
Так
MPEG-2
Від 2 до 4*
Так
ITU-R601 MPEG-2 H.264/MPEG-4
166 Від 3 до 6** Від 2 до 4
Так Так
CD-DA MPEG-2 H.264/MPEG-4
2000 25—34 15—30
Так Так
Якість
Якість телепередач Якість цифрового телебачення студійне без компресії з компресією з компресією HDTV без компресії з компресією з компресією П р и м і т к а.
* **
— планується; поточна швидкість передачі від 4 до 7 Мбіт/с; — планується; поточна швидкість передачі від 6 до 10 Мбіт/с.
Зі зростанням комплексних потреб корпоративних клієнтів у сфері інтегрованих послуг з передачі голосу, відео і даних усе більш критичним стає взаємодія між клієнтами і операторами для забезпечення наскрізного рівня послуг. QoS — це ключовий компонент гарантій рівнів сервісу. Оператори повинні використовувати QoS при плануванні своїх мереж для скорочення витрат, пов’язаних з використанням великої смуги пропускання, а також для забезпечення своїх корпоративних клієнтів сервісами з жорсткими гарантіями QoS при наданні таких послуг, як Triple Play. Таким чином, цифрове ТВ-мовлення активно завойовує позиції. Заключний Акт конференції РКР-06, що визначив частотні плани та умови переходу на цифрове наземне ТВ-мовлення DVB-T, підписали 118 країн. Близько двох десятків країн мають показники охоплення населення цифровим мовленням від 50 % і вище. При організації зон цифрового ТВ-мовлення все більше застосування знаходять одночастотні мережі. У міру відключення аналогового ТВ-мовлення і зниження взаємних завад довжина одночастотних мереж буде зростати. 272
Розділ 8
При плануванні кількості та інформаційного змісту цифрових мультиплексів DVB-T варто орієнтуватися на типові швидкості передачі даних: 13—16 Мбіт/с — для важких умов прийому і 20— 24 Мбіт/с для нормальних умов. У перспективі після появи системи DVB-T2 швидкість передачі буде збільшена до 30 Мбіт/с. Прогрес технологій обробки і передачі сигналів, а також зниження цін на користувацьке устаткування в Європі зумовлюють зростання інтересу до мовлення ТВ-програм високої чіткості. Зростає привабливість мобільного телебачення. Свідченням тому є поява ряду нових стандартів, що забезпечують доступність цієї служби в різноманітних умовах. Сучасні ІР-мережі зв’язку становлять інтерес насамперед з погляду на свою пропускну спроможність і можливості передачі широкого набору послуг передачі — послуги Triple Play (відео, голос, дані). Чи зможе послуга Triple Play в частині IPTV частково чи повністю замінити собою традиційні послуги ефірного або кабельного ТВ-мовлення, покажуть найближчі кілька років. Ñïèñîê ëòåðàòóðè 1. 2.
3. 4. 5. 6. 7.
8. 9.
Концепція Державної програми впровадження цифрового телерадіомовлення. — Розпорядження Кабінету Міністрів України від 20.11.2006 р., № 592-Р. Final Acts of the Regional Radiocommunication Conference for planning of the digital terrestrial broadcasting service in parts of Regions 1 and 3, in the frequency bands 174—230 MHz and 470—862 MHz (RRC-06). — Geneva: ITU, 2006. — http://www.itu.int/ITU-R/conferences/rrc/rrc-06/index.asp. Красносельский И.Н. Анализ зарубежного опыта и тенденций перехода на цифровое наземное ТВ-вещание // Элетросвязь. — 2007. — № 3. — С. 18—22. Микроволновые технологии в телекоммуникационных системах / Т.Н. Нарытник, М.Е. Ильченко, С.А. Кравчук и др. — К.: Техніка, 2000. — 304 с. Planning Options for Digital Switchover Statement. — Ofcom. 1 June 2005. — http://www.ofcom.org.uk/consult/condocs/podsl/main/statement/sta tement.pdf. Laven P. Editorial. The digital dividend // EBU Technical Review. — October 2006. — № 308. — http://www.ebu.ch/en/technical/trev/trev_308-editorial.html. ECC Report 4. Initial Ideas Concerning the Revision of the Stockholm (1961) Agreement // Electronic Communications Committee (ECC) within the European Conference of Postal and Telecommunications Administrations (CEPT). — Lisbon, January 2002. — http://www.ero.dk/CBD3BA7D-7149-466A-86E9-28A38226CB9B?frames = no&. Szigeti Т., Hattingh С. End-to-End QoS Network Design: Quality of Service in LANs, WANs and VPNs/ Published by Cisco Press. — Nov 9. — 2004; Copyright 2005. Джагацпанян Г.Г. Требования к абонентскому каналу для услуги Triple Play // Электросвязь. — 2007. — № 5. — С. 41—43.
273
Сучасні телекомунікаційні системи
Çàãàëüí âèñíîâêè За майже двісті років розвитку проводових телекомунікацій відбулася низка принципових змін. Від повітряних ліній зв’язку перейшли до підземних і підводних кабельних ліній зв’язку з аналоговими системами ущільнення, а потім до оптоволоконних ліній з передачею на хвилях багатьох довжин. змінилися і методи комутації в мережах зв’язку — від ручної комутації каналів було здійснено перехід до їх автоматичної комутації. Поява комп’ютерів та їх об’єднання в мережі потребувало корінної зміни методу комутації — замість комутації каналів перейшли до комутації пакетів. Перехід на пакетну передачу інформації і комутацію пакетів пов’язаний з неможливістю контролювати помилки при безперервній передачі. Тому зв’язок між комп’ютерами почав здійснюватися шляхом передачі частин повідомлень — пакетами, що містять перевірні та корегуючі коди. Комп’ютер, як правило, генерує інформацію не безперервно, а епізодично, перемежовуючи сеанси передачі відносно тривалими паузами. Такий режим передачі привів до того, що канали зв’язку, які з’єднують пари абонентів, почали використовуватися неефективно. Виходом із цієї ситуації стало колективне використання окремих каналів зв’язку багатьма абонентами за допомогою динамічного мультиплексування пакетів у каналах зв’язку. Завдяки динамічному мультиплексуванню істотно підвищилася ефективність використання каналів зв’язку. Але доступ багатьох абонентів до каналів зв’язку породив проблему множинного доступу — необхідність розробки правил (протоколів) такого доступу з метою максимізації їх пропускної спроможності і мінімізації затримок пакетів. Пакетна передача інформації лежить в основі створення мережі Інтернет — всесвітньої цифрової мережі, що змінила нашу цивілізацію. Створений з окремих розрізнених комп’ютерних мереж, Інтернет став глобальним засобом спілкування людей, джерелом інформації, демократизатором людського суспільства. Завдяки Інтернету люди, що перебувають в різних кінцях країни або світу, можуть працювати над загальними проектами, здійснювати продажі і покупки, проводити теле- і відеоконференції, отримувати необхідні документи, впливати на політичні рішення.
274
Розділ 8
Оскільки передача інформації в цифровій формі потенційно забезпечує її безпомилковість завдяки відсутності накопичення шумів і перешкод при ретрансляції сигналів і можливості контролю і виправлення помилок у разі їх появи, то в цифровій формі зараз передається і “аналогова” інформація — телефонні, телевізійні сигнали. Комутація пакетів стає всеосяжною. Істотні зміни зазнав і радіозв’язок. За невеликий відрізок часу — більше ніж сто років з дня винаходу радіо — радіозв’язок пройшов шлях від безпосереднього зв’язку типу “точка-точка” до масових стільникових мереж телефонного зв’язку і високошвидкісної передачі даних, розвинулося високоякісне радіо- і телемовлення. З’явилися радіорелейні і супутникові системи зв’язку і мовлення. Їх цифровізація стала повсюдною. Третє тисячоліття характеризується всеосяжним впровадженням засобів телекомунікацій у життя людей. Стільникові телефонні мережі витісняють стаціонарні абонентські мережі. Підвищення ступеня інтеграції апаратури телекомунікацій і, як наслідок, підвищення її інтелектуальності дало змогу зробити засоби телекомунікацій універсальними пристроями (телефон, Інтернет дисплей, засіб для електронної пошти і коротких повідомлень, діловий щоденник, фотоапарат, відеокамера, радіоприймач, плеєр та ін.). Якщо раніше людина була прив’язана до телефону, то тепер телефон прив’язаний до людини. І цей телефон стає кишеньковим терміналом, що пов’язує людину з рештою світу і суспільством. Оцінюючи сучасний стан телекомунікацій і перспективи їх розвитку, можна зробити такі висновки: • стався перехід телекомунікаційних систем на ІР-основу із забезпеченням наскрізної якості обслуговування; • відбувся перехід оводових транспортних мереж до ідеології NGN; • проводиться конвергенція послуг, обладнання та мереж; • здійснюється конвергенція рухомої та фіксованої радіослужб; • спільно впроваджуються стільникові мережі третього покоління та систем широкосмугового радіодоступу; • головним транспортним середовищем телекомунікаційних мереж стають ОВЛЗ з використанням технології DWDM; • широко впроваджуються технології MPLS; • відбувся повний перехід телекомунікаційних мереж на комутацію пакетів, проведена заміна телефонії з комутацією каналів на технологію “голос поверх ІР” (ІР-телефонію). 275
Сучасні телекомунікаційні системи
Перспективними розробками в системах радіозв’язку наступної генерації можна вважати: • використання технології МІМО; • розробку інтелектуальних засобів телекомунікацій, зокрема адаптивних антенних граток; • створення розподілених мереж з використанням технологій кооперації, розподілених антенних систем та гібридних систем оптоволокно—радіо; • створення багатосистемних та багаточастотних терміналів на принципах цифрового програмованого радіо; • розвиток ретрансляційних мереж типу ad hoc та mesh; • подальший розвиток стільникових систем широкосмугового радіодоступу в напрямку конвергенції мобільного та фіксованого зв’язку; • впровадження радіосистем міліметрового діапазону хвиль; • застосування нових видів телекомунікаційних систем, зокрема ТСВА та на базі UWB. Розвитку розглянутих телекомунікаційних технологій сприяють фундаментальні і прикладні роботи, здійснювані, зокрема, в Інституті телекомунікаційних систем НТУУ “КПІ”.
276
Àíãëî-óêðà¿íñüêèé ñëîâíèê âæèâàíèõ òåðìíâ A
− інтерфейс у системі GSM між центром комутації мобільного зв’язку MSC і системою базових станцій BSS (підсистема базових станцій − BSC+BTC); забезпечує передачу повідомлень для керування BSS, передачу виклику (хендоверу), керування при зміні місцезнаходження
AAL (ATM adaptation layer)
− рівень адаптації ATM. Рівень AAL отримує дані від різних застосувань і передає їх рівню ATM у вигляді 48-байтових АТМ-сегментів корисного навантаження. Рівень AAL складається з двох підрівнів: CS і SAR. Рівні AAL розрізняються залежно від типу сигналізації між відправником і одержувачем, швидкості CBR або VBR, а також від режиму передачі даних: з установкою з’єднання чи без неї. У цей час ITU-T стандартизував чотири типи рівнів AAL: AAL1, AAL2, AAL3/4 і AAL5
AB (Access Burst)
− слот доступу, призначений для дозволу доступу MS до BSS; передається по каналу довільного доступу RACH − (Random Access Channel) як перший запит, коли станції ще не ввійшли в синхронний режим і час проходження сигналу невідомий
Abis
− інтерфейс у системі GSM між контролером базової станції BSC і базовою приймально-передавальною станцією BTS; призначений для процесів установлення з’єднань і керування обладнанням. Передача здійснюється цифровими потоками 2,048 Мбіт/с. Можливе використання фізичного інтерфейсу 64 кбіт/с
ABR (Available Bit Rate)
− доступна швидкість передачі. Клас якості обслуговування, визначений форумом ATM для ATM-мереж. Швидкість ABR використовується для з’єднань, в яких не потрібно часової синхронізації між відправником і одержувачем. Клас ABR не дає ніяких гарантій відносно втрати чи затримки комірок, забезпечуючи лише негарантовану доставку
access probe
− проба доступу − короткий пакет, що використовується при керуванні потужністю; його інформація дозволяє регулювати рівень потужності
Сучасні телекомунікаційні системи
ACH (Access Channel)
− канал доступу − канал, що забезпечує зв’язок рухомої станції з базовою, коли рухома станція ще не використовує канал трафіку
active set
− група активних сигналів − група, що містить пілот-сигнали, пов’язані з каналами трафіку, які йдуть від базової станції (розділеними за допомогою функцій Уолша)
ad hoc
− епізодичні мережі, які являють собою безпроводове об’єднання із самоорганізацією довільних терміналівретрансляторів при відсутності визначеної мережної інфраструктури
ADC − адміністративний центр − мережна служба, що відпові(Administration дає за організацію зв’язку, адміністративне керування Center) мережею і дотримання встановлених правил доступу ADM (Add Drop Multiplexer)
− мультиплексор видалення ї вставки сигналу. Цифрове устаткування для мультиплексування, що забезпечує інтерфейс між різними сигналами в мережі
Admission control
− керування доступом. Сукупність дій, що вживаються мережними пристроями, у результаті яких окремий авторизований і агрегований потік даних приймається чи відкидається. Така сукупність дій може визначатися доступними ресурсами або використовуваними правилами обробки трафіку
AES (Advanced − удосконалений стандарт шифрування Encryption Standard) AF (Assured Forwarding)
− гарантоване пересилання; класифікація пакетів, виконувана за допомогою диференційованих служб (Differentiated Services); задає пріоритет відкидання для кожного пакета
Affinity
− схожість. Узагальнена назва вимог, пропонованих до атрибутів каналів зв’язку з боку тунелю перерозподілу потоків MPLS. Схожі біти тунелю і маски тунелю повинні відповідати бітам атрибутів різних каналів зв’язку, через які проходить тунель
278
Англо-український словник вживаних термінів
AGCH (Access − канал надання доступу − вихідний канал тільки від меGrant Channel) режі до MS. BTS розподіляє канали ТСН чи SDCCH до мобільної станції, дозволяючи MS у такий спосіб доступ до мережі AICH (Acquisition Indication Channel)
− канал індикації входження в синхронізм − канал системи UMTS, що використовується, щоб повідомити користувацькому устаткуванню UE дані про канал даних (DCH); може застосовуватися для того, щоб зв’язатися з вузлом В
ALCAP (Access − протокол керування ланкою доступу − протокол, що Link Control використовується для встановлення транспортних каApplication) налів у площині керування транспортною мережею для площини користувача ANI (Automatic − автоматична ідентифікація (впізнавання) номера (АIН) Number абонента, який викликається − процес, що дає змогу Identificatio) цьому абонентові або станції визначити номер абонента APS (Automatic Protection Switching)
− автоматичне захисне перемикання. Механізм комутації, при використанні якого у випадку відмови мережного пристрою чи розриву з’єднання потоки даних перенаправляються з робочих каналів для захисту цілісності даних
ARIB − японська Асоціація радіоіндустрії і бізнесу (організація (Association of стандартизації) Radio Industries and Business) ASN (Access − мережа доступу до послуг Service Network) ATIS (Alliance − альянс телекомунікаційних індустріальних рішень of Telecommunications Industry Solutions) ATM (Asynchronous Mode)
− асинхронний режим передачі. Міжнародний стандарт заелементної передачі, при використанні якого різні типи даних (голосові, відео чи цифрові) передаються у вигляді комірок фіксованої довжини (53 байта). Комірки фіксованої довжини можуть оброблятися на апаратному рівні, що дає можливість скоротити затримки при передачі. Режим ATM дозволяє скористатися перевага279
Сучасні телекомунікаційні системи
ми високошвидкісних технологій передачі даних, таких, як середовище SONET ATM edge LSR − граничний LSR-пристрій мережі ATM. ATM − маршрутизатор, приєднаний до середовища ATM-LSR-пристроїв за допомогою інтерфейсів LC-ATM. Цей пристрій додає мітки до непомічених пакетів і видаляє мітки з позначених пакетів ATM switch
− комутатор ATM − пристрій, що виконує функції таких мережних елементів, як маршрутизатор і міст
ATM-LSR
− маршрутизатор, що виконує комутацію по мітках з кількома інтерфейсами LC-ATM. Такий маршрутизатор відправляє комірки зі своїх інтерфейсів, використовуючи мітки, які переносяться в поле VPI/VCI заголовка комірки ATM
AuC − центр аутентифікації − сукупність апаратних і програм(Authentication них засобів, що забезпечують формування ключів і Center) протоколів аутентифікації authentication
− аутентифікація − перевірка прав і повноважень абонента, який викликається
AWACS (ATM − система зв’язку безпроводового доступу на основі АТМ Wireless Access Communication System) B
− інтерфейс у системі GSM між MSC і візитним регістром місця розташування VLR
BA (Behavior Aggregate)
− об’єднання режиму роботи. Набір пакетів, що мають однакове значення DSCP і проходять через елемент мережі в певному напрямку
BCCH (Broadcast Control Channel)
− широкомовний канал керування − канал, який передає загальну інформацію, що стосується стільника, наприклад код зони місця розташування, ідентифікатор мережного оператора, тип доступу, параметри, список сусідніх комірок і т.д.
280
Англо-український словник вживаних термінів
BCH (Broadcast Channel)
− широкомовні канали − група каналів, які доставляють інформацію від станції до абонента. Вони призначені, головним чином, для корекції частоти і синхронізації
BER (Bit Error Rate)
− коефіцієнт бітових помилок − імовірність помилки на біт
BGP (Border Gateway Protocol)
− протокол граничного шлюзу. Міждоменний протокол маршрутизації, що здійснює обмін інформацією про досяжність з іншими BGP-системами. Описаний у специфікації RFC 1163
BRAN (Broadband Radio Access Networks)
− мережі широкосмугового радіодоступу
BRAS (Broadband Radio Access System)
− система широкосмугового радіодоступу — це система широкосмугового безпроводового доступу зі структурою типу а точка-багатоточка або “багатоточка-багатоточка” з підтримкою стільникової конфігурації, що формує масштабовану радіозону обслуговування в мікрохвильовому діапазоні довжин хвиль, надає в ній різноманітні види телекомунікаційних послуг і передачу різнорідних видів трафіку із забезпеченням заданої якості обслуговування
BRI (Basic Rate Interface)
− інтерфейс основної швидкості − інтерфейс цифрової мережі з інтеграцією служб (ISDN), що забезпечує передачу двох каналів трафіку (В-канали) зі швидкістю 64 кбіт/с і одного каналу сигналізації (D-каналу) зі швидкістю 16 кбіт/с
Bridge
− міст − пристрій, що об’єднує кілька однотипних фрагментів мережі з подібними протоколами обміну в мережні фрагменти більшого розміру
Broadcasting
− широкомовна передача (мовлення) − передача однієї і тієї ж інформації всім підключеним до даного передавача станціям
BSC (Base Station Controller)
− контролер базової станції − елемент мережі, що керує кількома базовими станціями
281
Сучасні телекомунікаційні системи
BSS (Base − підсистема базових станцій − устаткування, що забезпеStation System) чує інтерфейс між центром комутації мобільного зв’язку і контролером базової станції BSSAP (Base Station System Application Part)
− прикладна частина (підсистема) системи базової станції − система протоколів, що призначена для обслуговування взаємодії BSS і MSC. Користувацькі функції BSSAP розділені на дві окремі групи: прикладну систему керування базовою станцією (BSSMAP) і прикладну систему для прямої передачі (DTAP)
BSSMAP (Base − прикладна частина (підсистема) адміністративного кеStation System рування підсистемою базової станції − система протоManagement колів 3-го рівня, призначена для керування ресурсами Application Part) й хендовером BTS (Base Transceiver Station)
− базова приймально-передавальна станція − стаціонарна станція, що забезпечує передачу і приймання радіосигналів, керування потужністю мобільних станцій
BTSM (Base Transceiver Station Management)
− керування прийомом і передачею базової станції − протокол взаємодії BSC−BTS (Base Station Controller−Base Transceiver Station) або інтерфейс Abis
BWA − широкосмуговий безпроводовий доступ (Broadband Wireless Access) B-WLL (Broadband Wireless Local Loop)
− широкосмуговий абонентський доступ
C
− інтерфейс у системі GSM між MSC і домашнім регістром місця розташування HLR
Call admission precedence
− пріоритет прийняття викликів. При необхідності тунель перерозподілу потоків MPLS з вищим пріоритетом витісняє аналогічний тунель із нижчим пріоритетом. Передбачається, що тунелі, які важче маршрутизувати, мають вищий пріоритет і зможуть витиснути тунелі, які легше піддаються маршрутизації і внаслідок цього зможуть знайти інший маршрут
282
Англо-український словник вживаних термінів
candidate set
− група кандидатів на пілот-сигнал − група, що містить пілоти-сигнали, які в цей час не входять в активну групу. Однак ці пілот-сигнали мають достатню інтенсивність, що вказує на те, що пов’язані з ними канали прямого трафіку можуть бути успішно використані мобільною станцією
CAR (Committed access rate)
− погоджена швидкість доступу; використовується для пріоритезації керування потоками даних, а також для надання функцій РНВ класам AF на межі і всередині DS-домену
CBR (Constant Bit Rate)
− постійна швидкість передачі бітів. Клас QoS, визначений форумом ATM для ATM-мереж. Швидкість CBR використовується для з’єднань, що потребують точної синхронізації для неспотвореної доставки. Клас CBR може використовуватися для емуляції каналів TDM
CBWFQ (Class-based weighted fair queuing)
− справедлива зважена черговість на основі класів; дозволяє задати класи потоків даних, засновані на певних критеріях відповідності, таких, як списки керування доступом, ім’я вхідного інтерфейсу, використовуваний протокол чи мітка якості обслуговування
CCCH (Common Control Channel)
− загальні канали керування − група каналів зв’язку від абонента до станції і канали зв’язку від мережі до MS. Наприклад, у групу можуть входити широкомовні канали коротких повідомлень (виклику) РСН, канал надання доступу AGCH
CCH (Control Channel)
− канал керування − канал, утворений між двома контролерами радіомережі для обміну керуючими сигналами при хендовері та інших процесах
CCS7 (Common Channel Signaling)
− загальноканальна сигналізація ЗКС-7 (ОКС-7) − метод сигналізації, при якому для передачі керуючої інформації з множини каналів для сигналізації утворюється груповий тракт
CD/CAICH − канал виявлення конфліктів/індикатор призначення ка(Collision Deналу − канал універсальної мобільної телекомунікаційtection/Channel ної системи (UMTS), використовуваний у напрямку від Assignment станції до UE для того, щоб вказати, чи є канал активIndication ним чи неактивним Channel) 283
Сучасні телекомунікаційні системи
CDMA (Code − багатостанційний доступ з кодовим розподілом − техDivision нологія, заснована на застосуванні сигналів, сформоваMultiple Access) них на базі кодових псевдовипадкових послідовностей cdma2000
− проект стандарту широкосмугової мобільної системи 3-го покоління, що розрахована на поступову модернізацію систем 2-го покоління CDMA
cdmaOne
− система 2-го покоління, що розвивається в систему 3-го покоління (1ХМС, 3ХМС)
CE router − граничний маршрутизатор користувача. Маршрутиза(Customer edge тор, що є частиною устаткування користувача (Custoroute) mer Premises Equipment − CPE), і використовуваний інтерфейс із граничним маршрутизатором провайдера (Provider Edge Router − РЕ) CELP (Code Excited Linear Prediction)
− лінійне прогнозування з кодовим збудженням − метод низькошвидкісного стиснення мовного сигналу, при якому замість кодування сигналів “відлік за відліком” кодером різницевого сигналу застосовується “кодова книга збудження”, з якої вибираються сигнали для порівняння з попередніми сигналами і прогнозуванням наступних сигналів. Існує велика кількість різновидів “кодових книг”
Chip
− чіп − елемент сигналу, що розширює спектр
chip rate
− чіпова швидкість − швидкість передачі елементів розширювальної послідовності
CLEC − альтернативний місцевий оператор зв’язку. Провайдер (Competitive (раніше це була телефонна компанія), що надає служби Local Exchange своїм клієнтам, як альтернатива місцевої телефонної Carrier) компанії closed loop power control
Cluster
284
− керування потужністю по замкнутому циклу − процес, що припускає вимірювання базовою станцією рівня потужності, прийнятою базовою станцією від мобільної станції, і вирівнювання цього рівня по керуючому каналу − кластер − група з близько розташованих стільників, у межах якої неприпустимо повторне використання частот через небезпеку перевищення рівня взаємних завад
Англо-український словник вживаних термінів
CM (Connection Management)
− керування з’єднанням − підрівень 3-го рівня протоколів радіоінтерфейсу; обробляє загальний процес керування встановленням з’єднання і сигналізацією, а також керує додатковими послугами і службою передачі коротких повідомлень
CMIMOR − мережі спільної (кооперативної) MIMO ретрансляції (Сooperative Multiple-Input Multiple-Output Relaying Networks) CN (Core Network)
− базова (основна) мережа − підсистема мобільного зв’язку, що поєднує комутаційне і мережне устаткування
CO (Central Office)
− АТС. Типовий центр оператора зв’язку, в якому розташоване комутаційне устаткування і на якому закінчуються абонентські лінії користувачів.
CоS (Class of service)
− клас обслуговування; функція, що реалізує розширювані диференційовані типи обслуговування в мережах MPLS
Congestion avoidance
− запобігання заторів. Сукупність дій, що вживаються мережею для запобігання ситуації, коли потоки не одержують необхідного рівня обслуговування. Такі дії можуть міcтити явне або неявне розпорядження джерелу зменшити поточну швидкість передачі
constrain length − довжина кодового обмеження − величина, яка використовується при згортковому кодуванні, що вказує довжину регістра зсуву, що запам’ятовує поле вхідного потоку Constraint-based − маршрутизація на основі обмежень. Набір процедур і routing протоколів, які визначають маршрут через магістраль, з огляду на вимоги до ресурсів та їх доступність замість використання стандартного алгоритму найкоротшого шляху convolution coding
− згорткове кодування − метод кодування, при якому кожний символ, що складається з k бітів, перетвориться в n-бітовий потік (див. швидкість кодування, довжину кодового обмеження) 285
Сучасні телекомунікаційні системи
COPS (Common Open Policy Service)
− загальна відкрита служба настанови правил. Відкрита архітектура для реалізації правил QoS на мережних елементах з використанням програмного забезпечення менеджера правил QoS
COST (Coope- − Європейське співробітництво в галузі науково-технічration in field них досліджень of Scientific and Technical research) Coverage
− зона покриття − зона на земній поверхні, в межах якої забезпечується поширення радіохвиль від передавача до приймача
CPCH (Common Packet Channel)
− загальний канал передачі пакетів − односпрямований канал зв’язку універсальної мобільної телекомунікаційної системи (UMTS) від устаткування користувача UE до станції. Забезпечує можливості, що доповнюють канал випадкового доступу RACH, а також передає сигнали швидкого регулювання потужності
CPE (Customer − устаткування клієнта (користувача) Premises Equipment) CPICH − загальний пілот-канал − інформаційний канал універ(Common Pilot сальної мобільної телекомунікаційної системи (UMTS). Channel) Інформація з цього каналу передається кожним вузлом У для того, щоб UE було здатне підтримувати синхронізацію C-plane
− площина керування − група протоколів загальної моделі універсальної мобільної телекомунікаційної системи (UMTS), які визначають всі функції сигналізації, встановлення, контролю й роз’єднання з’єднань
CR (Cognitive Radio)
− когнітивне радіо, що має спроможність розв’язувати такі задачі: виявлення невикористовуваних у даний момент часу спектральних діапазонів; аналіз параметрів радіоканалу, оцінка канальної інформації, прогнозування стану радіоканалу; контроль випромінюваної потужності й динамічне керування спектром
286
Англо-український словник вживаних термінів
CRABS − стільниковий радіодоступ для широкосмугових служб (Celluiar Radio Access for Broadband Services) CR-LDP (ConstraintBased Routing Label Distribution Protocol)
− протокол розподілу міток і маршрутизації, що враховує обмеження. Набір розширень протоколу LDP, які дають змогу виконувати маршрутизацію із врахуванням обмежень з резервування рівня обслуговування QoS у мережі MPLS
CS (Circuit Switching)
− комутація каналів − процедура встановлення фізичного з’єднання між двома прикінцевими пристроями за допомогою одного чи кількох комутаторів на весь час зв’язку
CSICH (СРСН − канал індикації стану СРСН − канал, що застосовується Status тільки в напрямку від станції до UE для передачі стану Indication і може також використовуватися для передачі зайвого Channel) навантаження при її сплеску або переривчастому характері навантаження CSN (Connectivity Service Network)
− мережа взаємодії з послугою.
CSN (Circuit Switching Network)
− мережа з комутацією каналів − мережа, заснована на способі організації зв’язку без буферизації даних, використовувана в телефонних мережах
CSPF (Constraint shortest path first)
− розширення алгоритму найкоротшого шляху (Shortest Path First − SPF), в якому тільки задовольняючим заданим обмеженням розглядаються для введення в дерево найкоротшого маршруту
CTCH (Common Traffic Channel)
− загальний канал трафіку − односпрямований канал універсальної мобільної телекомунікаційної системи (від станції до абонента), що використовується для передачі спеціалізованої користувацької інформації групі устаткування користувачів UE
287
Сучасні телекомунікаційні системи
CT-plane
− площина керування транспортною мережею − група протоколів загальної моделі універсальної мобільної телекомунікаційної системи (UMTS), які використовуються для керування і організації каналів сигналізації на транспортному рівні
CUG (Closed User Group)
− закрита група користувачів − група абонентів, в якій установлюється з’єднання і відбувається обмін інформацією переважно в межах цієї групи
D
− інтерфейс у системі GSM між домашнім регістром місця розташування HLR і візитним регістром місця розташування VLR. Використовується для розширення обміну даними про положення рухомої станції, керування процесом зв’язку
DAMA (Demand Assigned Multiple Access)
− багатостанційний доступ з наданням каналів на вимогу
Dark fiber
− “темний” оптоволоконний кабель. Звичайно, при прокладці оптоволоконних кабелів деякі з них залишаються невикористовуваними. Оптоволоконний кабель в активному стані називається “підсвіченим” (lit fiber)
DB (Dummy Burst )
− порожній слот − це допоміжний пакет, що містить два поля по 58 біт, які не несуть інформації. Він передається з метою оповіщення про те, що станція перебуває в працездатному стані
DCCH (Dedicated Control Channel)
− виділені канали керування − група каналів, які призначені, наприклад, для обслуговування роумінгу, зміни місця розташування, передачі з’єднання (хендовер), шифрування і т.д.
DCH (Dedicated transport Channel)
− спеціалізований (виділений) транспортний канал − двонаправлений канал у системі UMTS, що використовується для того, щоб передати дані конкретному устаткуванню користувача UE. Кожен UE має свій власний DCH у кожному напрямку
288
Англо-український словник вживаних термінів
DECT (Digital − європейський стандарт по цифровому безпроводовому European зв’язку Cordless Telecommunications) DES (Data Encryption Standard)
− стандарт шифрування даних − стандарт шифрування для використання неосвоєними й некласифікованими користувачами (користувачами, яким не присвоєний клас таємності)
DiffServ (Differentiated services)
− диференційовані служби. Структура забезпечення якості обслуговування, що використовує для класифікації пакетів біти типу обслуговування (Type of Service) в IPзаголовку пакета
Diversity
− рознесення − метод боротьби із завмираннями, заснований на організації кількох каналів для прийому сигналів з однією і тією ж інформацією
DLCI (Data− ідентифікатор з’єднання канального рівня. Номер, виLink Connection користовуваний у мережах Frame Relay для ідентифікаIdentifier) ції каналів DOCSIS (Data − специфікація інтерфейсу передачі даних через кабель Over Cable Service Interface Specification) DPCCH − спеціалізований (виділений) фізичний канал керуван(Dedicated ня − двонаправлений канал UMTS, що доставляє керуPhysical Control юча інформація до/від UE. В обох напрямках канал доChannel) ставляє біти пілотного сигналу DPDCH (Dedicated Physical Data Channel)
− спеціалізований (виділений) фізичний канал даних − двонаправлений канал системи UMTS, що використовується, для передачі користувацьких даних
DRiVE − динамічний розподіл радіочастотного ресурсу для за(Dynamic Radio безпечення IP-послуг у рухомому транспорті for IP Services in Vehicular Environments)
289
Сучасні телекомунікаційні системи
DRS (Data Relay Satellite)
− проект Європейської системи космічного оптичного зв’язку
DRX (Discontinuous Reception)
− переривчасте приймання − метод, при якому передавач із метою економії витрати енергії при відсутності з’єднання періодично переводиться в черговий режим
DSCH (Downlink Shared Channel)
− канал спільного використання “вниз” − однобічний канал UMTS від станції до устаткування користувача. Цей канал може бути розділений між кількома користувачами і використовується для даних, які є “вибуховими” за природою
DSCP (Differentiated services code point)
− перші шість бітів поля типу обслуговування (Type of Service) в IP-заголовку. Може бути використаний для ідентифікації не більш ніж 64 класів обслуговування
DSL (Digital − цифрова абонентська лінія Subscriber Loop) DTAP (Direct Transfer Application Part)
− прикладна підсистема для прямої передачі — система протоколів, що застосовується для передачі повідомлень керування з’єднанням і керування рухомістю між MS і MSC. Повідомлення прямої передачі не обробляються в BSS, а тільки перетворюються у відповідні сигнали радіоінтерфейсу і назад
DTCH − спеціалізований (виділений) канал трафіку — двонаправ(Dedicated лений канал у системі UMTS; використовується для Traffic Channel) доставки користувацьких даних або трафіку DT-DVTR − дискретно-часова динамічна віртуальна маршрутиза(Discrete-Time ція — назва алгоритму маршрутизації супутникового Dynamic Virtual зв’язку Topology Routing) DTX (Discontinuous Transmission Mode)
− переривчаста передача — метод, при якому передавач із метою економії витрати енергії вимикається протягом періодів мовчання
DVB (Digital Video Broadcasting)
− набір стандартів цифрового телебачення
290
Англо-український словник вживаних термінів
DWDM (Dense − мультиплексування по довжині хвилі високої щільності. wavelength Технологія оптичної передачі кількох сигналів за допоdivision могою близько розташованих довжин хвиль у діапазоні multiplexing) 1550 нм. Частотні проміжки між сигналами звичайно дорівнюють 100 чи 200 ГГц, що відповідає 0,8 чи 1,6 нм E
− інтерфейс у системі GSM між MSC; забезпечує взаємодію між різними MSC при здійсненні процедури хендоверу
EAP (Extensible − клас розширюваних протоколів аутентифікації Authentication Protocol) EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifiers)
− оптоволоконний підсилювач із домішками ербію. Підсилювач заснований на добавці рідкоземельного елемента ербію до складу оптоволоконного кабелю, що дає змогу зменшити загасання сигналу від зовнішнього джерела світла з довжиною хвилі в околі 1550 нм
EDGE − система, реалізована на базі стандартів GSM; забезпе(Enhanced чує плавний перехід до систем 3-го покоління, дозвоData for Global ляє збільшити швидкість передачі даних до 384 кбіт/с Evolution) Edge LSR (Edge Label Switch Router)
− граничний маршрутизатор, що здійснює комутацію по мітках. Маршрутизатор, що приєднує до пакетів мітки на вході в мережу і видаляє їх на виході
EF (Expedited forwarding)
− прискорене пересилання. Маркування пакета, що гарантує мінімальну затримку і малу ймовірність втрати пакета
EIR (Equipment Identity Register )
− регістр ідентифікації устаткування — централізована база даних, що містить списки міжнародних розпізнавальних кодів мобільного устаткування IMEI та їх статус (використання дозволене, украдений, відмовлено в обслуговуванні)
energy to spectral noise ratio
− відношення Eb/No — показник завадостійкості каналу зв’язку, дорівнює відношенню енергії сигналу, що припадає на один біт — Eb (Дж/біт), до спектральної щільності шуму — No (Вт/Гц)
291
Сучасні телекомунікаційні системи
ERO (Explicit route object)
− об’єкт явно заданого маршруту. Об’єкт, переданий по протоколу установки маршруту LSP, такому як RSVP чи LDP, для визначення послідовності транзитних переходів, через які повинен пройти явно намічуваний маршрут LSP
ESA (European − європейське космічне агентство Space Agency) ETSI (European − європейський інститут стандартизації в галузі телекоTelecommunica мунікацій tions Standarts Institute) FACH (Forward Access Channel)
− канал прямого доступу — односпрямований канал у системі UMTS від станції до абонента, що передає дані або інформацію до UE, зареєстрованому в системі. У стільнику може бути більше, ніж один FACH
Fade
− замирання — явище, при якому протягом певного інтервалу часу відбувається то поступове посилення, то ослаблення сигналу
FB (Frequency correction Burst)
− слот підстроювання частоти — слот, що призначений для синхронізації частот мобільної станції. Для передачі цих слотів виділяється канал підстроювання частоти FCCH
FCC (Federal − федеральна комісія зв’язку США Communication Commission) FCCH (Frequency Correction Channel)
− канал підстроювання частоти — канал зв’язку від мережі до мобільної станції, призначений для корекції і передачі частоти до MS. Він також використовується для входження в синхронізм
FDD − дуплексна передача з частотним розділенням каналів — (Frequency режим роботи лінії зв’язку, при якому частоти передачі Division Duplex) і прийому знаходяться в різних частотних смугах FDMA − багатостанційний доступ із частотним розподілом кана(Frequency лів — метод доступу, при якому весь виділений діапазон Division частот поділяється на смуги, що не перекриваються Multiple Access) При організації зв’язку кожному абонентові виділяється окремий канал, сигнали по якому передаються на своїй несучій частоті 292
Англо-український словник вживаних термінів
FEC (Forward Error Correction)
− канальне завадостійке кодування
FEC (Forwarding Equivalence Class)
− клас еквівалентності при пересиланні. Набір пакетів 3-го рівня, що відправляють одним способом по одному маршрутові з однаковою для всіх обробкою при пересиланні
FER (Frame Error Rate)
− коефіцієнт появи помилок у кадрі — відношення кількості кадрів, прийнятих із помилками, до загального числа переданих
Fixed access
− фіксований доступ — один із видів організації радіозв’язку, при якому користувач може встановлювати безпроводовий зв’язок тільки з однієї зони з однією базовою станцією
Flash-OFDM (Fast Low-Latency Access with Seamless Handoff Orthogonal Frequency Division Multiplexing)
− технологія безпроводового широкосмугового доступу для високомобільних користувачів
Flow
— потік. Пакети з корисним навантаженням, що надходять у магістраль в одній точці присутності POP — (Point Of Presence) і виходять з неї в іншій точці POP. При переміщенні по магістралі до них застосовується перерозподіл потоків. Корисне навантаження потоку передається по одному чи кількох LSP-тунелях, що з’єднують вхідну точку POP з вихідною
Frame merge
− злиття фреймів. Злиття міток у середовищі передачі фреймів, що запобігає чергуванню комірок
frequency hopping
− стрибок частоти. Під стрибкоподібною зміною частоти розуміють періодичну перебудову однієї чи кількох частот при передачі
293
Сучасні телекомунікаційні системи
frequency reuse
− повторне використання частот — спосіб організації зв’язку, при якому одні і ті самі частоти багаторазово використовуються в різних зонах обслуговування
frequency reuse distance
− відстань повторного використання частот. Відстань між центрами двох віддалених стільників, починаючи з якого допускається повторне використання частот
FRTS (Frame Relay Traffic Shaping)
− обмеження потоків даних Frame Relay. Механізм, який застосовується для обмеження трафіку в мережах Frame Relay і використовуюються такі параметри, як погоджена швидкість передачі інформації CIR (Committed Information Rate), пряме й зворотне повідомлення про затор FECN/BECN (Forward або Backward Explicit Congestion Notification) і біт дозволу на знищення DE (Discard Eligibility bit)
FTCH − канал прямого трафіку — канал у системі CDMA, приз(Forward Traffic начений для передачі мовних повідомлень і даних, а Channel) також керуючої інформації від базової станції до мобільної. Передає будь-які користувацькі дані FTDMA − багатостанційний доступ з частотним та часовим розді(Frequency ленням Time Division Multiple Access) full mobile access
− доступ мобільний повнофункціональний — вид доступу, що забезпечує користувачеві можливість переміщатися по всіх стільниках мережі з високою швидкістю. При цьому гарантується безперервність для всього набору послуг
gateway MSC
− шлюз MSC — апаратно-програмний комплекс, що забезпечує міжмережену взаємодію MSC з іншими мережами
GMSK − гауссова маніпуляція з мінімальним фазовим зсувом — (Gaussian вид маніпуляції, який відрізняється тим, що імпульси Minimum Shift вхідної послідовності згладжуються за допомогою фільKeying) тра нижніх частот і приводяться до форми гауссової кривої GPRS (General − загальна служба пакетної радіопередачі — служба пакетPacket Radio ної передачі даних, розроблена в рамках системи GSM Service)
294
Англо-український словник вживаних термінів
GPS (Global − глобальна супутникова навігаційна система — система Positioning Міністерства оборони США, призначена для визначенSatellite (System) ня місця розташування і точного часу GSM (Global − глобальна система мобільного зв’язку — система і станSystem for дарт стільникової системи зв’язку, розроблений спеціMobile альною групою Європейського інституту стандартів елекcommunications) трозв’язку (ETSI) GTS (Generic traffic shaping)
− типове обмеження потоків. Функція GTS надає механізм керування потоками даних на окремому інтерфейсі. Даний механізм зменшує обсяг вихідних потоків шляхом обмеження потоків заданим значенням швидкості передачі (він також відомий як алгоритм маркерної групи) при установці в чергу сплесків трафіку окремих заданих потоків
Hadamar matrix − матриця Адамара — сімейство матриць, які формуються при збільшенні розміру у відповідності зі спеціальним алгоритмом; використовується для побудови функцій Уолша HALE (High Altitude Long Endurance)
− висотні платформи тривалої дії
Handover
− хендовер — переключення мобільної станції з однієї базової станції на іншу. Можливі твердий хендовер — з погіршенням якості зв’язку під час такого переходу, м’який хендовер — без втрати якості
HAPS (High − телекомунікаційна система на базі висотної аероплатAltitude Platform форми Station) HAPs (High Altitude Platforms)
− висотні платформи
HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request)
− гібридний автоматичний запит на повторну передачу — режим передачі, який дає змогу використовувати N каналів у стартостопному режимі з поблочним повторенням. При використанні цього методу після відправлен295
Сучасні телекомунікаційні системи
ня кадру передавач робить паузу, протягом якої очікується прийняття підтвердження. Залежно від типу підтвердження (позитивне — АСК чи негативне — NAK) джерело передає наступний кадр чи повторює попередній HC-SDMA − багатостанційний доступ з просторовим розділенням і (High Capacityвисокою пропускною спроможністю Spatial Division Multiple Access) Headend
− головний вузол. Кінець тунелю, де здійснюється передача
HFR (Hybrid Fiber Radio)
− гібридне з’єднання оптоволокно—радіоканал, що реалізують передачу інформації через оптоволоконне та безпроводове мікрохвильове обладнання
HLR (Home Location Register)
− домашній регістр місця розташування — база даних мобільної мережі зв’язку, в якій зберігається інформація про постійно зареєстровані в мережі абоненти
HMAC (Hash based Message Authentication Code)
− код аутентифікації повідомлень на основі хешування
iBurst
− мобільна система широкосмугового радіодоступу, яка була вперше розроблена ArrayComm і пізніше прийнята альянсом ATIS під назвою HC-SDMA яка радіоінтерфейсний стандарт ATIS-0700004-2005. У 2006 р. iBurst був проголошений як офіційна специфікація стандарту IEEE 802.20 “Mobile Broadband Wireless Access Working Group”.
IETF (Internet Engineering Task Force)
− робоча група по інженерінгу Інтернету
IGP (Interior Gateway Protocol)
− протокол внутрішнього шлюзу. Протокол мережі Internet, використовуваний для обміну маршрутною інформацією всередині автономної системи. Прикладами IGP можуть служити протоколи IGRP, OSPF і RIP
296
Англо-український словник вживаних термінів
ILM (Incoming − перетворення вхідної мітки Label Map) IMEI (International Mobile Equipment Identity)
− міжнародний розпізнавальний код мобільного устаткування — номер, який використовується для ідентифікації мобільної станції
IMS (IP Multimedia Subsystem)
− концепція мультимедійної IP-орієнтованої підсистеми зв’язку описує нову універсальну мережну архітектуру, основним елементом якої є пакетна транспортна мережа, що підтримує всі технології доступу і забезпечує реалізацію великої кількості інфокомунікаційних послуг
IMSI (International Mobile Station Identity)
− міжнародний розпізнавальний код мобільного абонента — номер, що використовується для ідентифікації абонента і включає код країни, код мережі оператора і номер абонента в мережі
IMT-2000 − міжнародна програма і проекти стандартів зв’язку мо(International більного зв’язку 3-го покоління Mobile Telecommunications 2000) Interface
− інтерфейс — сукупність апаратних і програмних засобів, а також правил, що забезпечують їх сполучення на фізичному чи логічному рівнях
Interleaving
− перемежовування (перестановка) — зміна позицій блоків інформації відносно один одного, що дає змогу рознести розташовані поряд символи, що належать одному й тому самому повідомленню
IntServ (Integrated Services)
− інтегровані служби. Розглянута як єдине ціле структура забезпечення якості обслуговування, розроблена групою IETF. Протоколом сигналізації інтегрованих служб IntServ є протокол RSVP − явно заданий IP-маршрут. Список IP-адрес, кожна з яких являє собою вузол чи канал явно заданого маршруту
IP explicit path
297
Сучасні телекомунікаційні системи
IP Precedence
− IP-пріоритет при відкиданні. 3-бітове значення в байті типу обслуговування TOS (Type Of Service), яке використовується для задання IP-пакетам пріоритету на знищення
ISDN (Integrated Services Digital Network)
− цифрова мережа з інтеграцією служб
ISDN (Integrated Services Digital Network)
− цифрова мережа з інтеграцією служб — мережа, призначена для надання різних видів послуг на базі єдиного цифрового каналу зі швидкістю 64 кбіт/с
IS-IS (Intermediate System-toIntermediate System)
− протокол взаємодії проміжних систем. Ієрархічний протокол маршрутизації із врахуванням стану каналів, в якому проміжні системи (маршрутизатори) для визначення мережної топології обмінюються маршрутною інформацією на основі однієї метрики
ISM (industrial, scientific, medical)
− діапазон, призначений для роботи промислових, наукових і медичних приладів
Iu
− інтерфейс у мережі 3-го покоління UTRAN між радіоконтролером RNC і приймально-передавальною станцією BTS
Iub
− інтерфейс у мережі 3-го покоління UTRAN між радіоконтролером RNC і центром комутації мобільного зв’язку MSC
IXC (InterExchange Carrier)
− оператор міжміського зв’язку; здійснює зв’язок між кількома транспортними областями й областями локального доступу. Вони протиставляються місцевим операторам зв’язку LEC (Local Exchange Carrier)
JDC (Japanese Digital Cellular)
− стандарт японського стільникового зв’язку
298
Англо-український словник вживаних термінів
Keying
− маніпуляція — процес впливу на несучу частоту за допомогою вхідного цифрового сигналу з метою зміни її параметрів (амплітуди, частоти, фази). На даний час є велика кількість способів модуляції і маніпуляції
LA (Location Area)
− локальна географічна зона — зона в мобільному зв’язку, в якій зосереджені базові станції. Кожній із локальних зон присвоюється свій ідентифікаційний номер LAC (Location Area Code)
Label
− мітка. Короткий фізично безперервний ідентифікатор, який використовується для ідентифікації класу еквівалентності FEC і звичайно має локальне значення
Label imposition − присвоєння мітки пакета. Перше присвоєння мітки пакета при вході його в MPLS-мережу Label merging
− злиття міток. Заміна кількох вхідних міток для конкретного класу еквівалентності FEC однією вихідною міткою
Label stack
− стeк міток. Упорядкований набір міток
Label swap
− зміна мітки. Основна операція при пересиланні, що полягає в аналізі вхідної мітки з метою визначення вихідної мітки, типу інкапсуляції, порту та іншої інформації, що потрібно для обробки даних
Label swapping
− заміна мітки. Метод пересилання, що дає змогу потоково відправляти дані з використанням міток для ідентифікації класів пакетів даних, які обробляються при пересиланні однаково
Label switch
− комутатор, що здійснює комутацію по мітках. Вузол, що передає дані (пакети чи комірки) з мітками
Label switched hop
− перехід на основі мітки; перехід між двома MPLS-вузлами, на якому для пересилання використовуються мітки
LAN (Local Area Network)
− локальна мережа
LAPD (Link Access Procedure for the D-channel)
− процедура доступу до ланки передачі даних для каналу D — процедура обміну сигналами при встановленні з’єднання між двома сусідніми вузлами ISDN у режимі “точка-точка” 299
Сучасні телекомунікаційні системи
LC-ATM interface
− LC-інтерфейс мережі ATM. Керований по мітках інтерфейс ATM. Інтерфейс маршрутизатора чи комутатора, що використовує процедури поширення міток для узгодження VC-каналів з використанням міток
LDP (Label Distribution Protocol)
− протокол розподілу міток. Визначений IETF протокол розподілу міток між LSR-пристроями
LEC (Local Exchange Carrier)
− місцевий оператор зв’язку. Телефонна компанія, що надає користувачеві доступ до відкритої комутованої мережі через одну зі своїх телефонних станцій
LER (Label Edge Router)
− граничний маршрутизатор міток. Маршрутизатор, що присвоює пакетам мітки на вході в мережу
LFIB (Label Forwarding Information Base)
− інформаційна база пересилання по мітках. Структура даних, що використовується в комутації по мітках для зберігання інформації про вхідні і вихідні мітки, інтерфейси і пов’язані з ними класи еквівалентності FEC
LIB (Label Information Base)
− інформаційна база міток. База даних,що використовується LSR-пристроєм для зберігання міток, отриманих від інших LSR − пристроїв і міток, призначених самим пристроєм
LLQ (Low Latency Queuing)
− черга з малою затримкою. При використанні цього типу черговості встановлюється строга пріоритетність для заснованої на класах рівноправної зваженої черговості. CBWFQ (Class-Based Weighted Fair Queuing). Задання строгих пріоритетів дає змогу відправляти в першу чергу чутливі до затримки дані, такі, як голос, перед пакетами з інших черг. У результаті такого підходу чутливі до затримки дані при обробці одержують перевагу перед іншими типами даних
LMCS (Local − локальна багатоточкова система зв’язку Multipoint Communication System) LMDS (Local MDS)
300
− локальна багатоточкова розподільна служба з робочим діапазоном 27,5—29,5 ГГц
Англо-український словник вживаних термінів
Loop Detection
− виявлення петель. Метод обробки циклічних маршрутів, коли допускається їх утворення і проходження по них даних. Однак пізніше такі петлі виявляються і ліквідуються
Loop Prevention − запобігання петель. Метод обробки петель, при використанні якого передача даних по петлях не допускається LPC (Linear Predictive Coding)
− кодування з лінійним пророгнозуванням — метод низькошвидкісного перетворення мовного сигналу, який пов’язаний із пророгнозуванням зміни вихідного сигналу, шляхом аналізу мови за допомогою фільтрів зі змінюваними в часі параметрами
LSA (Link-State − анонс про стан каналу. Лавинно переданий пакет, що Advertisement) містить інформацію про сусідні маршрутизатори і вартість маршрутів. У протоколі IS-IS LSA-пакети використовуються приймальними маршрутизаторами для відновлення таблиць маршрутизації LSP (Labelswitched path)
− маршрут, на якому здійснюється комутація по мітках. Шлях через один або більше LSR-пристроїв одного ієрархічного рівня, по якому проходять пакети того самого класу еквівалентності FEC. Такий маршрут може вибиратися динамічно на основі звичайних методів маршрутизації чи конфігуруватися вручну
LSP tunnel (LabelSwitched Path tunnel)
− тунель маршруту, на якому здійснюється комутація по мітках. Сконфігуроване з’єднання між двома маршрутизаторами, в якому при пересиланні пакетів використовується комутація по мітках
LSR (Label Switch Router)
− маршрутизатор, що здійснює комутацію по мітках, або LSR-пристрій. Вузол MPLS, що може пересилати вихідні пакети 3-го рівня. LSR-пристрої пересилають пакети на основі мітки, приєднаної до пакета
LTE (Long Term Evolution)
− довготривалий розвиток — специфікація конвергентного безпроводового зв’язку, згідно з якою передача даних у спадному напрямку повинна здійснюватися зі швидкістю 100 Мбіт/с, а у висхідному — 50 Мбіт/с. Мережі LTE зможуть одночасно підтримувати мінімум 200 активних абонентів на кожний стільник у спектральній смузі шириною 5 МГц
301
Сучасні телекомунікаційні системи
Lur
− інтерфейс у мережі 3-го покоління UTRAN між радіоконтролерами RNC
LVC (Label switch controlled virtual circuit)
− віртуальний канал з комутацією по мітках. З’єднання LVC являють собою віртуальні канали ATM, установлювані за допомогою процедур поширення міток, виконуваних LSR-пристроями мережі ATM
M
− внутрішній інтерфейс контролера базової станції в системі GSM; забезпечує зв’язок між різним устаткуванням BSC і устаткуванням транскодування (ТСЕ)
MAHO (Mobile − хендовер, керований базовою станцією, тобто хендовер, Assisted при якому мобільна станція виконує вимірювання інHandover) тенсивності сигналу і передає ці дані на базову станцію MANET (mobile ad hoc network )
− мобільні епізодичні мережі
MCHO (Mobile Controlled Handover)
− хендовер, керований мобільною станцією, тобто хендовер, при якому рівень сигналів, прийнятих від різних базових станцій, керується мобільною станцією. Вона ж приймає рішення, де і який хендовер їй необхідний
MCPC (Multi Channel Per Carrier)
− багато каналів на несучу
MDM − технологія макрорознесення з множинним детектуван(Multiplyням Detected Macrodiversity) MDS (Multipoint Distribution Service)
− багатоточкова розподільна служба (у діапазоні 2,150— 2,162 ГГц)
Merge Point
− точка злиття, вузол, на якому відбувається злиття міток
Mesh
− мережа, що являє собою динамічну повнодоступну вузлову структуру з самоорганізацією (типу “багатоточкабагатоточка”), що складається з нерівноправних вузлів,
302
Англо-український словник вживаних термінів
з’єднання між якими і керування цими з’єднаннями відбувається як розподіленим, так і централізованим способом MF-TDMA − багаточастотний багатостанційний доступ з часовим ро(Multi зділенням Frequency-Time Division Multiple Access) MIMO − технологія багатоантенної техніки “багато входів — ба(Multiple гато виходів”, яка спроможна поєднати просторові роInput — Multiple знесення та мультиплексування Output) MISO (Multiple Input — Single Output)
− структура безпроводового каналу “багато входів — один вихід”, що формується багатьма передавальними антенами та однією приймальною антеною
MM (Mobility Management)
− керування мобільністю — підрівень 3-го рівня протоколів радіоінтерфейсу, що керує відновленням місця розташування і процедурами реєстрації, а також захистом та аутентифікацією
MMDS (Multichannel MDS) MMS (Multimedia Messaging Service)
− багатоканальна MDS у смузі 2,5—2,686 ГГц із можливістю трансляції до 30 програм аналогового телебачення
Modulation
− модуляція — процес зміни параметрів несучої частоти (амплітуди, частоти або фази) за заданим законом, що здійснюється з більш низькою швидкістю порівняно з періодом високочастотного коливання
MPλS (MultiProtocol Lambda Switching)
− мультипротокольна лямбда-комутація
− служба мультимедійних повідомлень
303
Сучасні телекомунікаційні системи
MPLPC (Multi-Pulse LPC)
− багатоімпульсне кодування з лінійним пророгнозуванням — один з видів кодування мови з лінійним пророгнозуванням LPC; відрізняється тим, що пророгнозування стосується не основного тону, а параметрів переданих і прийнятих імпульсів
MPLS (Multiprotocol Label Switching)
− багатопротокольна комутація по мітках. Набір стандартів IETF, призначених для опису способу комутації, при якому пересилання пакетів відбувається на основі міток, а не шляхом аналізу адреси одержувача. В основі MPLS лежить використання маршрутизації на межі MPLS-мережі і комутації в її магістральній частині
MPLS domain
− домен MPLS. Зв’язний набір вузлів, що здійснюють маршрутизацію MPLS, відправлення пакетів і перебувають в одному домені маршрутизації чи в адміністративному домені
MPLS edge node
− граничний вузол MPLS — вузол мережі MPLS, що з’єднує домен MPLS з іншим вузлом, що перебуває поза цим доменом, оскільки інший вузол не підтримує функції MPLS й/або перебуває в іншому домені
MPLS egress node
− вихідний вузол MPLS. Граничний вузол мережі MPLS, що обробляє потоки даних на виході з домену MPLS
MPLS ingress node
− вихідний вузол MPLS, що обробляє потоки даних на вході в домен MPLS
MPLS label
− мітка MPLS — мітка, що переноситься в заголовку пакета і представляє клас еквівалентності FEC пакета
MPLS node
− вузол MPLS. Вузол, що здійснює комутацію по мітках. Вузол MPLS, який розпізнає керуючі протоколи технології MPLS, використає один чи кілька протоколів маршрутизації 3-го рівня і може пересилати пакети на основі міток, які в них містяться. У деяких випадках вузол MPLS може також пересилати вихідні пакети 3-го рівня
MQC (Modular − модульний інтерфейс командного рядка механізму якості QoS CLI) обслуговування. Термін MQS стосується модульної реалізації засобів QoS у мережі, що використовує інтерфейс командного рядка операційної системи IOS 304
Англо-український словник вживаних термінів
MS (Mobile Station)
− мобільна станція — загальна назва радіостанцій, призначених для використання абонентами під час пересування
MSC (Mobile Switching Center)
− центр комутації мобільний зв’язку — центр комутації, який пов’язаний з кількома базовими станціями і через них забезпечує наземне обслуговування мобільних станцій
MSK (Minimum Shift Keying)
− маніпуляція з мінімальним частотним зсувом — окремий випадок частотної модуляції. Звичайно MSK являє собою двійкову частотну маніпуляцію з двома сигнальними частотами, зсув по фазі між якими становить 180° на кожному тактовому інтервалі
MSRN (Mobile − тимчасовий роумінговий номер мобільної станції — ноStation мер, що присвоюється мобільній станції при переході з Roaming домашньої мережі в іншу на час обслуговування з’єдNumber) нання у візитній зоні роумінгу MSS (Mobile Satellite Service)
− мобільна супутникова служба — служба радіозв’язку для організації інформаційного обміну між мобільними наземними станціями чи між мобільними і стаціонарними наземними станціями
MTDS (Microwave Telecommunication Distribution System)
− мікрохвильова телекомунікаційна розподільна система (МТРС)
MTP (Message Transfer Part)
− підсистема передачі повідомлень — підсистема системи ЗКС-7, що забезпечує достовірну передачу інформації без перекручувань, втрат, дублювання й у встановленій послідовності
multipath propagation
− багатопроменеве поширення — поширення радіохвиль від передавача до приймача одночасно по кількох траєкторіях
MVDS (Multipoint Video Distribution Service)
− багатоточкова служба розподілу телебачення (діапазон 40,5—42,5 ГГц)
305
Сучасні телекомунікаційні системи
MWS − мультимедійна безпроводова система (Multimedia Wireless System) NAP (Network − постачальник послуг доступу Access Provider) NASDA − японське національне космічне агентство (National Space Development Agency) NBAP (Network Base station Application Protocol)
− прикладний протокол взаємодії базових станцій — протокол, що використовується для керування завданнями сигналізації на ділянці між базовими станціями (вузлами В) і радіоконтролерами RNC
neighbor set
− група сусідніх пілот-сигналів — група, що містить сусідні пілот-сигнали, які в цей час не входять ні в активну групу, ні в групу кандидатів на пілот-сигнал, але їх використання ймовірно при хендовері
NGN (Next Generation Network)
− мережа наступного покоління – це мережа на базі пакетів, що здатна надавати служби/послуги телекомунікацій і надавати можливість використовувати кілька широкосмугових транспортних технологій, які забезпечують якість обслуговування і в яких функції, що відносяться до служб, незалежні від технологій, що знаходяться нижче і стосуються транспортування
NHLFE (Next Hop Label Forwarding Entry)
− позиція мітки наступного транзитного переходу при пересиланні
NHRP (Next − протокол визначення наступного транзитного переходу. Hop Resolution Протокол для створення наскрізних маршрутів, устаноProtocol) влюваних між логічними IP-підмережами в мережі ATM NIC (Network Interface Card)
306
− карта мережного інтерфейсу — електронний пристрій, установлюваний усередині станції і утримуючої схеми, які забезпечують її початкове підключення до мережі
Англо-український словник вживаних термінів
NLRI (Network − інформація про досяжність на мережному рівні. ПротоLayer кол BGP посилає повідомлення про відновлення марReachability шрутів, що містять інформацію NLRI для опису маршInformation) руту і способу його досягнення. У цьому контексті NLRI-інформація є префіксом. BGP-анонс містить один чи кілька NLRI-префіксів і атрибути маршруту для NLRI-префіксів. Атрибути маршруту включають BGP-адресу шлюзу наступного транзитного переходу, групові значення та іншу інформацію NMC (Network − центр керування мережею — мережний вузол, який дає Management змогу забезпечувати раціональне ієрархічне керування Center) мережею. Він забезпечує експлуатацію і технічне обслуговування на рівні всієї мережі, підтримуваної центрами експлуатації і технічного обслуговування (ОМС) Node B
− вузол В — елемент мережі UTRAN, що виконує функції, аналогічні функціям базової станції в інших мобільних мережах
Nomadic access − доступ сеансовий — один із видів організації радіозв’язку, при якому користувач може встановлювати безпроводовий зв’язок з різними базовими станціями, але повинен залишатися в зоні однієї станції на час сеансу NRM(Network Reference Model)
− еталонна модель мережі WiMAX
O
− інтерфейс у системі GSM між контролерами базової станції BSC і центром експлуатації та технічного обслуговування ОМС. Використовується в мережах пакетної комутації, згідно з протоколом Х.25
OADM (Optical − оптичний мультиплексор видалення і введення сигналу. add drop Оптичний мультиплексор, що надає інтерфейс для пеmultiplexer) реданих у мережі сигналів OAN (Optical Access Networks)
− мережі оптичного доступу
307
Сучасні телекомунікаційні системи
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiple)
− ортогональний частотний розподіл каналів — метод мультиплексування, що підрозділяє смугу каналу на множину піднесучих частот. При цьому послідовний потік інформації довжиною N розбивається на n блоків (n — кількість піднесучих), а символи різних блоків передаються паралельно кожний на своїй піднесучій
OFDMA − ортогональний багатостанційний доступ із частотним (Orthogonal розподілом каналів Frequency Division Multiple Access) OMC − центр експлуатації і технічного обслуговування — центр, (Operations and що забезпечує контроль і керування компонентами меMaintenance режі і контроль якості її роботи Center) open loop power − керування потужністю по відкритому циклу — процес, control при якому мобільна станція визначає рівень потужності передачі, вимірює рівень потужності сигналів, що надходять по прямій лінії. При цьому передбачається, що втрати на передачу в обох напрямках однакові orthogonal functions
− ортогональні функції — функції, в яких взаємна кореляція дорівнює нулю
OSA (Open Service Access)
− концепція відкритого доступу до послуг
OSI − еталонна модель взаємодії відкритих систем (Open System Interconnection) OTAR − перепрограмування по ефіру — процедура зміни пара(Over The Air метрів настроювання чи програми передачею по радіоReprogramming) каналу в зашифрованому вигляді OTDR (Optical − оптичний рефлектометр — прилад, що використовуTime Domain ється при проектуванні і діагностиці мережі для виявReflectometer) лення несправностей, а також для оцінки ослаблення сигналу в оптичних мережах
308
Англо-український словник вживаних термінів
pair bands
− парна смуга частот — смуга частот, що вміщує два частотних інтервали, один із яких виділений для передачі, а інший — для прийому
PCCH (Paging Control Channel)
− широкомовний керуючий канал оповіщення — канал сигналізації, спрямований від станції до абонента. Цей канал пов’язаний з PICH і використовується для повідомлення і широкомовних передач виклику
PCCPCH − первинний загальний фізичний канал керування в од(Primary ному напрямку каналом UMTS від станції до устаткуCommon вання користувача. Цей широкомовний канал безуControl Physical пинно передає системну ідентифікацію (наприклад, Channel) номери рухомого устаткування) і інформацію керування доступом (наприклад, номер пріоритету абонента) PCG (Power − група керування потужністю — група біт, які вказують Control Group) на необхідність збільшення чи зменшення потужності PCH (Paging Channel)
− широкомовний канал коротких повідомлень (канал виклику) — вихідний канал тільки від мережі до MS; BTS інформує MS про вхідні виклики через РСН
PDSCH − фізичний спільно використовуваний канал по напрям(Physical ку “вниз”) — односпрямований канал універсальної Downlink мобільної телекомунікаційної системи (UMTS) від BTS Shared Channel) до устаткування користувача UE. Цей канал спільно використовується UE для пересилання керуючої інформації в межах області охоплення вузла В PE router (Provider edge router)
− граничний маршрутизатор провайдера. LSR-пристрій РЕ є частиною мережі провайдера. РЕ-маршрутизатори приєднані до граничних маршрутизаторів користувача (Customer Edge — РE router). Всі функції керування VPN-мережами виконуються РЕ-маршрутизаторами
PHB (Реr-Нор Behavior)
− правила обробки трафіку на окремому транзитному переході. Цей термін застосовується стосовно установки пакетів у чергу, операцій по плануванню чи обмеженню трафіку, виконуваних вузлом над всіма пакетами, що належать до одного класу
Phonemes
− фонеми — окремі піки енергії, що виникають в одному частотному діапазоні 309
Сучасні телекомунікаційні системи
PICH (Paging Indication Channel)
− канал індикації виклику — канал, що забезпечує інформацією устаткування користувача UE у неактивному стані і схоронність ресурсів батареї при спостереженні в цьому режимі за каналом виклику (Paging Channel). PICH визначає момент дезактивації UE
PICH (Pilot Channel)
− пілотний канал — службовий канал системи CDMA, призначений для встановлення початкової синхронізації, контролю рівня сигналу базової станції за часом, частоті і фазі, ідентифікації базової станції
pilot signal
− пілотний сигнал — сигнал, призначений для контролю і порівняння умов поширення радіохвиль від різних мобільних станцій
PLC (Power Line Communications)
− стандарт HomePlug, що дає змогу, разом із вже існуючою електричною проводкою будівлі побудувати комп’ютерну мережу з доступом в Інтернет
PLMN (Public Land Mobile Network)
− мобільна наземна мережа загального користування — загальна назва мереж морського, повітряного і наземного радіозв’язку (крім супутникової)
PNNI (Private Network— Network Interface)
− інтерфейс між приватними мережами. Протокол маршрутизації ATM, що використовується для встановлення зв’язку між комутаторами ATM
Policing
− регулювання, тобто сукупність дій, що вживають у мережі для моніторингу і керування рухом потоків даних для захисту мережних ресурсів, таких, як смуга пропускання, від несанкціонованого чи зловмисного використання
PON (Passive Optical Networks)
− мережі пасивного оптичного доступу
Portable access
− доступ у режимі транспортування — один із видів організації радіозв’язку, при якому допускається переміщення з обмеженою швидкістю в межах обмеженого числа зон. При цьому можливо обмеження видів сервісів, надаваних безпереревно при переміщенні
310
Англо-український словник вживаних термінів
POS (Packet over SONET)
− передача пакетів по мережі SONET. Технологія, в якій пакети протоколу IP перетворяться у фрейми SONET із залученням одного з рівнів ATM
power control
− керування потужністю — процес, що підтримує рівень потужності мобільної станції, який забезпечує характеристики якості обслуговування і низький рівень міжканальної інтерференції.
PRACH − фізичний канал довільного доступу — односпрямований (Physical канал зв’язку універсальної мобільної телекомунікаційRandom Access ної системи (UMTS) від устаткування користувача UE Channel) до станції. Цей канал дає можливість UE передати повідомлення довільного доступу при спробі звернення до мережі. PRI (Primary Rate Interface)
− інтерфейс первинної швидкості — інтерфейс цифрової мережі з інтеграцією служб (ISDN), що забезпечує швидкість передачі 2,048 Мбіт/с
private key
− індивідуальний секретний ключ шифрування/дешифрування — ключ шифрування, що може використовуватися тільки парою пристроїв — передавачем і приймачем. При використанні загальнодоступних ключів індивідуальний ключ використовується тільки приймачем
P-router (Provider core router)
− маршрутизатор магістральної мережі провайдера. Р — маршрутизатор являє собою LSR-пристрій, що не є термінальною точкою ні однієї з VPN-мереж. Він може бути LSR-ATM чи LSR-пристроєм, що передає пакети
PS (Packet Switching)
− комутація пакетів — технологія передачі даних, що характеризується тим, що переданий потік розбивається на пакети фіксованої чи змінної довжини, які обробляються і комутуються, як незалежні блоки
pseudorandom sequence
− псевдовипадкова послідовність — періодична послідовність символів, які генерується детермінованим чином, однак має властивості, які властиві випадковим сигналам (наприклад, досить великий період повторюваності тих самих символів)
PSK (Phase Sift − фазова маніпуляція — метод n-рівневої маніпуляції, при Keying) якому кодування сигналу здійснюється шляхом зміни 311
Сучасні телекомунікаційні системи
фази на величину, що дорівнює k (2π/n), де 2π/n — величина, на яку відрізняються фази сусідніх сигналів; k — значення рівня сигналу, що кодується PSN (Packet Switching Network)
− мережа з комутацією пакетів — мережа, в якій реалізована технологія передачі даних з комутацією пакетів на вузлах
public key enckription
− шифрування за допомогою загальнодоступного ключа — метод шифрування, заснований на односпрямованому алгоритмі. Метод використовує два типи ключів: загальнодоступний, вибраний із загальнодоступної множини, і приватний, відомий тільки приймачеві
PVC (Permanent virtual circuit)
− постійний віртуальний канал — постійно підтримуваний віртуальний канал у технологіях 2-го рівня, таких, як ATM чи Frame Relay
QAM (Quadrature Amplitude Modulation)
− квадратурно-амплітудна модуляція (KAM) — незалежна амплітудна модуляція двох сигналів квадратурного зображення за допомогою однієї й тієї ж несучої
QoS (Quality of − якість обслуговування. Показник ефективності системи Service) передачі даних, що відображає якість передачі трафіку й доступність служби QoS policy
− правило реалізації якості обслуговування. Механізм відповідності ознак потоків і реєстрації профілів із конкретними мережними правилами, куди входять допуск чи відмова в доступі для ідентифікованих потоків до одержання якості обслуговування більшого, ніж звичайна негарантована доставка (однак тільки до цього правила не зводяться). Правила QoS також містять у собі завдання простих пріоритетів або резервування певної частини смуги пропускання для ідентифікованих або агрегованих потоків даних
QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)
− квадратурна фазова маніпуляція — метод маніпуляції, при якому кожній групі з двох біт (00,01,10,11) ставиться у відповідність чотири значення фази сигналу однієї й тієї ж частоти
312
Англо-український словник вживаних термінів
quadrature signal image
− квадратурне зображення сигналу — зображення синусоїдального коливання як лінійної комбінації синусоїдального і косинусоїдального коливань із нульовою початковою фазою
RACCH − канал керування довільним доступом — канал, що ви(Random Access користовується при роботі із системою випадкового досControl тупу Channel) RACH (Random − канал (зв’язку) з довільним доступом — канал зв’язку Control від абонента до станції. Цей канал передає запити на Channel) обслуговування від UE, що звертається до системи RAKE-receiver
− приймач, що одержує сигнали по кількох шляхах і підсумовує ці сигнали з відповідними ваговими коефіцієнтами
RAN (radio − мережа радіодоступу access network) RANAP (Radio − прикладні протоколи мережі радіодоступу — протоколи, Access Network які застосовуються для керування завданнями сигналіApplication) зації на ділянці радіодоступу RNC—MSC як частина інтерфейсу Iub random access
− випадковий доступ — метод доступу, при якому кілька станцій встановлюють з’єднання через загальний канал зв’язку. У випадку конфлікту спроба з’єднання повторюється кожним учасником через випадковий час
RED (Random − довільне раннє виявлення. Механізм запобігання переearly detection) вантаження, що використовує TCP-функції керування заторами. Вибираючи довільним чином і відкидаючи пакети до настання перевантаження, механізм RED повідомляє відправникам пакетів про необхідність зменшити швидкість передачі. Якщо відправник пакета використовує протокол TCP, то він зменшує швидкість передачі до того рівня, при якому пакети прийдуть у пункт призначення, вказуючи що переповнення ліквідовано redirected call
− переадресація виклику — додаткова послуга, при якій вхідний виклик за певних умов направляється на іншу адресу 313
Сучасні телекомунікаційні системи
Registration ()
− реєстрація — процедура перевірки прав і повноважень користувача при вході в систему
RELP (Residual − лінійне пророгнозування зі збудженням по залишковоExcited Linear му (усіченому) сигналу — метод вокодерного зображенPredication) ня сигналу, що відрізняється від RPE-LPC тим, що в результаті обробки кодується і пророгнозується частина мовного спектра, що зменшує число оброблюваних і пророгнозованих відліків Reoptimization
− повторна оптимізація. Переоцінка параметрів із врахуванням конкретних обмежень найбільш підходящого маршруту для використання його тунелем
RNC (Radio Network Controller)
− контролер радіомережі — елемент мережі 3-го покоління UTRAN. У системі GSM він називається контролером базової станції (BSC)
RNSAP (Radio − прикладна підсистема радіомережі — протокол, що виNetwork користовується для керування завданнями сигналізації Subsystem на ділянці радіомережі RNC—RNC як частина інтерApplication Part) фейсу Iur Roumong
− роумінг — послуга надання зв’язку при переміщенні в зону обслуговування іншого оператора
Route distinguisher
− ознака маршруту. Восьмибайтове значення, що з’єднується з префіксом IPv4 для створення унікального префікса мережі VPN IPv4. Ознака маршрутів використовується в VPN-мережах MPLS для забезпечення унікальності адресних префіксів у середовищі кількох VPN-мереж у тих випадках, коли вони спільно використовують один адресний простір
Route Target
− цільовий маршрут. Розширене співтовариство, що ідентифікує групу маршрутизаторів. У кожному маршрутизаторі такої групи піднабір таблиць пересилання, що підтримується маршрутизатором і може бути поширений засобами протоколу BGP, який підтримує розширене співтовариство
Router
− маршрутизатор — пристрій чи програма, що виконує вибір маршруту на підставі власної таблиці чи даних, що містяться в заголовку повідомлень
314
Англо-український словник вживаних термінів
RPE-LPC (Regular Pulse Excitation Linear Prediction Code)
− лінійне пророгнозування зі збудженням регулярною імпульсною послідовністю — метод вокодерного подання сигналу. В основу цього методу покладений принцип пророгнозування, коли інформація від попередніх часових відліків використовується, щоб спрогнозувати поточний часовий відлік. Коефіцієнти лінійної комбінації попередніх часових відліків, закодована форма залишкових сигналів, різниця між попередніми і фактичним часовими відліками надає можливість відновити сигнал на приймальному кінці
RRM (Radio Resources Management)
− керування радіоресурсами — підрівень 3-го рівня протоколів радіоінтерфейсу, що керує установкою і обслуговуванням радіоканалів, включаючи хендовер
RSVP (Resource Reservation Protocol)
− протокол резервування ресурсів. Протокол, що резервує мережні ресурси для забезпечення гарантованої якості обслуговування потокам даних користувацьких застосувань
RTCH (Reverse − канал зворотного трафіку — канал у системі CDMA для Traffic прийому базовою станцією інформації від мобільної; Channel) забезпечує передачу мовних повідомлень і керуючої інформації від рухомої на базову станцію SACCH (Slow Associated Control Channel)
− низькошвидкісний сполучений канал керування — канал, що передає в середині кожного часового інтервалу пакета безперервні повідомлення про вимірювання (наприклад, напруженості поля) і інформацію, що міститься в навчальній послідовності
SB (Synchronization Burst)
− слот синхронізації — слот, що призначений для синхронізації за часом базової й мобільної станцій. Слот містить синхропослідовність (64 біта), зашифровану інформацію про номер кадру TDMA і код ідентифікації базової станції. Для передачі цих слотів виділяється окремий канал синхронізації SCH
SCCP (Signaling Connection Control Part)
− підсистема керування з’єднанням каналів сигналізації — підсистема мережного рівня ЗКС-7, що забезпечує логічні канали даних у системах, орієнтованих і не орієнтованих на з’єднання
315
Сучасні телекомунікаційні системи
SCCPCH − вторинний загальний фізичний канал керування — од(Secondary носпрямований канал від станції до устаткування кориCommon стувача UE. Цей канал доставляє інформацію каналу Control Physical прямого доступу (FACH) і каналу широкомовного виChannel) клику (РСН) з повідомленнями для UE, які зареєстровані в мережі SCH (Synchronizing Channel)
− канал синхронізації — службовий канал у системі CDMA; забезпечує підтримку рівня випромінювання пілотного сигналу, а також фази псевдовипадкової послідовності базової станції
Scheduling
− планування. Набір мережних механізмів, що фізично виділяє і розподіляє мережні ресурси для індивідуальних або агрегованих потоків даних
SCPC (Single Channel Per Carrier)
− один канал на несучу
SCPS-TP (Space Communication Protocol StandardsTransport Protocol)
− протокол для супутникового зв’язку, альтернативний TCP; передбачає заходи щодо визначення причин втрати пакетів і різну реакцію на них
SDCCH (Stand-alone Dedicated Control Channel)
− автономний виділений канал керування — канал, що з’єднує MS і BTS, призначений для передачі сигналів у процесі встановлення з’єднання до того моменту, поки не буде знайдений канал трафіку (ТСН)
SDH (Synchronous Digital Hierarchy)
− синхронна цифрова ієрархія. Європейський стандарт, що визначає швидкості передачі і формати даних, переданих по оптоволоконному кабелю з використанням технології ATM і SONET.
sectorized antenna
− секторизована антена — антена, в якій зона покриття поділяється на сектори
sectorized cell
− секторизований стільник — стільник, в якому обслуговування абонентів здійснюється базовою станцією із секторизованою антеною
316
Англо-український словник вживаних термінів
SF (Spreading Factor)
− коефіцієнт розширення спектра; визначається як відношення чіпової швидкості до швидкості передачі інформації
SHA (Secure Hash Algorithm)
− алгоритм безпеки із застосуванням хешування — алгоритм, що породжує дайджест сталої величини з тексту змінної довжини
SHCCH − загальнодоступний канал керування — двонаправлений (Shared Control канал, застосовуваний тільки в режимі часового дуChannel) лексного розділення TDD (Time Division Duplex) WCDMA/UMTS; використовується для транспортування загальнодоступної керуючої інформації каналу simple mobile access
− доступ, спрощений мобільний — один із видів організації радіозв’язку, при якому користувач може переміщатися по всіх стільниках мережі з високою швидкістю, при цьому гарантується безперервність тільки для деякого набору послуг
SIM-карта (Subscriber Identification Module)
− модуль ідентифікації абонента — пристрій, що гарантує санкціонований доступ у мобільну мережу. На даний час цей модуль виконаний у вигляді пластикової карти
SLA (Service Level Agreement)
− гарантований рівень обслуговування
SMS (Short Massage Service)
− служба передачі коротких повідомлень — спеціальна служба мобільного зв’язку, що забезпечує передачу повідомлень обмеженої довжини
S-OFDMA (Scalable OFDMA)
− нарощуваний ортогональний частотний розподіл каналів OFDM — ортогональний частотний розподіл каналів, при якому здійснюється збільшення або зменшення числа піднесучих, що використовуються для переносу інформації з метою гнучкого використання частотного спектра
soft handover
− м’який хендовер — переключення робочого каналу з однієї базової станції на іншу без втрати інформації
317
Сучасні телекомунікаційні системи
softer handover
− більш м’який хендовер — хендовер, при якому не потрібна процедура повторного входження в синхронізм
SONET (Synchronous Optical Network)
− синхронна оптична мережа. Стандарт інтерфейсу, розроблений компанією Bellcore і широко використовуваний у телекомунікаційній індустрії для високошвидкісної синхронної передачі по оптоволоконному кабелю
SPR − стратосферна радіоплатформа (Stratospheric Platform Radio) spread spectrum − розширений спектр — спектр переданого сигналу, при якому займана ним смуга частот у радіоканалі в багато разів ширше, ніж смуга вихідного інформаційного сигналу spreading sequence
− розширювальна послідовність — кодова послідовність, застосовувана для розширення спектра в системах з кодовим розподілом каналів (наприклад, в CDMA)
STP (Satellite Transport Protocol)
− супутниковий транспортний протокол, розроблений спеціально для варіанта розподілу вихідного TCP-з’єднання і виконання функцій керування трафіком у супутниковій мережі
SU (Selector Unit)
− пристрій оцінки якості і вибору блоків — пристрій базової станції, що приймає сигнали від мобільної станції, які приходять різними шляхами. Вибирає один сигнал, що має кращу якість
SVC (Switched Virtual Circuit)
− комутований віртуальний канал. Такі канали створюються динамічно, на вимогу і розриваються по закінченні передачі. Канал SVC застосовується в тих випадках, коли передача даних має спорадичний характер. У термінології ATM — віртуальне з’єднання з комутацією
Switched Path
− маршрут з комутацією. Синонім терміна “маршрут з комутацією по мітках”
Tail bits
− “Хвостові” біти (заключні біти) — біти, що розташовуються по краях одного блоку і вказують на його границі. Вони захищають інформацію при зсуві
318
Англо-український словник вживаних термінів
Tail-end
− прикінцева точка; прикінцева точка тунелю в напрямку руху основних потоків даних
T-carrier
− Т-носій. Загальна назва кількох телекомунікаційних систем, що використовують цифрове мультиплексування. Двома найбільш типовими системами такого типу є лінії Т1, по яких передаються дані формату DS-1 зі швидкістю 1,544 Мбіт/с, і лінії ТЗ, по яких передаються дані формату DS-3 зі швидкістю 44,736 Мбіт/с
TCE (Transcoder Equipment)
− транскодер — пристрій, що забезпечує перетворення вихідних сигналів мови і даних MSC (64 кбіт/с ІКМ) до виду, що відповідає рекомендаціям GSM по радіоінтерфейсу
TCH (Traffic Channel)
− канал трафіку — канал зв’язку, який працює між мобільною і базовою станціями
TDD (Time Division Duplex)
− дуплексна передача з часовим розділенням каналів — двостороння передача цифрової інформації на одній несучій частоті з ущільненням каналів прийому і передачі в різних часових інтервалах одного кадру
TDM/TDMA (Time Division Multiplexing/ Time Division Multiple Access)
− комбінована технологія з часовим мультиплексуванням та багатостанційним доступом з часовим розділенням
TDMA Time Division Multiple Access()
− багатостанційний доступ з часовим розділенням — метод доступу, при якому всі абоненти передають інформацію на одній несучій частоті, але в різних часових положеннях
TDMA ALOHA − багатостанційний доступ з часовим розподілом типу (Time Division ALOHA. Принцип доступу, заснований на тому, що всі Multiple Access станції використовують один канал зв’язку, контролюALOHA) ючи його роботу, а передача здійснюється у випадкові моменти часу, що зменшує ймовірність конфліктів TE (Terminal Equipment)
− термінальне устаткування — прикінцеве устаткування в мережі ISDN
319
Сучасні телекомунікаційні системи
Telecommunications
− телекомунікації; являють собою всі способи передачі і прийому різного виду інформації (голос, дані, факсиміле, відео і мультимедіа) за допомогою проводової, радіо, оптичної або інших електромагнітних систем
Telefax
− телефакс — служба передачі факсимільних повідомлень по телефонних каналах
Teletext
− телетекст — служба передачі текстових повідомлень, що може відображатися на екрані телевізора або дисплея
time hopping
− псевдовипадкова перебудова за часом — метод розширення спектра, при якому виробляється стиснення інформаційного сигналу в часовій області з наступною його передачею у випадкові інтервали часу
TISPAN (Telecommunications and Internet converged Services and Protocols for Advanced Networking)
− група, що відповідає за стандартизацію сучасних і перспективних конвергованих мереж, включаючи VoIP і NGN, а також усе, що пов’язане з архітектурою IMS
TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity)
− тимчасовий ідентифікаційний номер рухомого абонента — номер, що присвоюється мобільній станції при переході з домашньої мережі в іншу на час обслуговування з’єднання у візитній зоні
Traffic
− трафік — потік інформації (корисної, керуючої, допоміжної тощо), переданий по каналу зв’язку. Середня інтенсивність трафіку звичайно виміряється в ерлангах
Traffic Engineering
− перерозподіл потоків. Механізми і процеси, використовувані для того, щоб примусово направити потоки даних у мережі по маршрутах, що відрізняються від тих, які б були вибрані при використанні звичайних методів маршрутизації
Traffic Engineering Tunnel
− тунель перерозподілу потоків. При перерозподілі потоків використаються тунелі з комутацією по мітках. Такі тунелі встановлюються за допомогою засобів, які відріз-
320
Англо-український словник вживаних термінів
няються від звичайної маршрутизації на 3-м рівні. Вони використовуються для напрямку потоків даних по маршрутах, що відрізняються від тих, по яких вони були б спрямовані у випадку використання маршрутизації 3-го рівня Traffic Profile
− профіль трафіку. Набір параметрів потоку даних, що містить у собі, як кількісні характеристики (наприклад, смуга пропускання, затримка, джитер), так і якісні (наприклад, імовірність втрати пакетів). У термінології інтегрованих служб використовується термін “специфікації потоку” (flowspec), а у термінології мереж ATM і Frame Relay — термін “ідентифікатор потоку при керуванні” (Traffic Management traffic descriptor)
training sequence
− навчальна послідовність — послідовність, що використовується для оцінки характеристик каналу при поширенні радіохвиль. Передається, зазвичай, в середині кожного часового інтервалу пакета
Tunneling
− тунелювання. Структура, що забезпечує служби для реалізації будь-якої стандартної схеми інкапсуляції типу “точка-точка”.
UBR (Unspecified bit rate)
− невизначена бітова швидкість. Клас якості обслуговування визначений ATM-форумом для мереж ATM. Клас UBR дає змогу пересилати по мережі будь-який обсяг даних, який не перевищує заданий максимум, однак без гарантій відносно затримки і можливості втрати пакетів
UE (User Equipment)
− устаткування користувача — абонентське устаткування в системі UMTS, що призначено для роботи в русі
UHS (Ultra High Site)
− система понадвисокого вузла, що належить до одностільникових регіональних безпроводових систем
UK Radiocommunications Agency
− британське Агентство по радіозв’язку
Um
− інтерфейс у системі GSM між мобільною станцією MS і базовою приймально-передавальною станцією BTS
321
Сучасні телекомунікаційні системи
UMB (Ultra Mobile Broadband)
− понадмобільний широкосмуговий доступ — технологія, яку компанія Qualcomm позиціює як альтернативу технологіям HSDPA і WiMAX
UMTS − універсальна мобільна телекомунікаційна система — про(Universal ект загальноєвропейської мобільної системи 3-го покоMobile ління Telecommunications System) U-plane
− площина користувача значають всі функції переданої і прийнятої портування всіх видів відними механізмами керування потоком
URAN
− УРАН — Українська науково-освітня мережа, що призначена для забезпечення установ, організацій та фізичних осіб у сферах освіти, науки та культури України інформаційними послугами на основі Інтернет-технологій
— сукупність протоколів, які випередачі і прийому інформації, користувачем, включаючи трансінформації, у сукупності з відпозахисту від помилок, контролю і
UTRAN (UMTS − мережа наземного радіодоступу UMTS; UTRAN — меTerrestrial Radio режа, що використовує стандарт радіоінтерфейсу, який Access забезпечує наземний радіодоступ у систему UMTS Network) Uu
− інтерфейс у мережі 3-го покоління UTRAN між користувацьким устаткуванням UE і приймально-передавальною станцією BTS
UWB (Ultra Wide Band)
− надширокосмуговий сигнал — сигнал, в якого займана ним смуга більше 25 % від середньої частоти. Надширокосмугові сигнали зазвичай є короткими одно- чи двополярними імпульсами, що генеруються відповідно до коду передавальних символів. Імпульси подаються безпосередньо в передавальну антену без будь-якої модуляції. На приймальній стороні здійснюють кореляцію послідовності імпульсів, яка приймається, із зразками кодових послідовностей
VAA (Virtual − віртуальні антенні ґрати Antenna Arrays) 322
Англо-український словник вживаних термінів
VAD (Voice Activity Detection)
− виявлення голосової активності — дія, що виявляє появи мови після режиму мовчання. Головне завдання — відрізнити мову від шумів
VBR (Variable bit rate)
− змінна бітова швидкість. Клас якості обслуговування, визначений ATM-форумом для мереж ATM. Клас VBR підрозділяється на підклас реального часу (real-time — RT) і підклас без використання режиму реального часу (non-real-time — NRT class). Підклас VBR-RT використовується для з’єднань, в яких існує строга часова відповідність між окремими порціями інформації. Підклас VBR-NRT використовується для з’єднань, в яких не потрібна строга часова відповідність, але потрібна гарантована якість обслуговування по інших параметрах
VC (Virtual Circuit)
− віртуальний канал. Віртуальні канали використовуються в технологіях із установленням з’єднання 2-го рівня, таких, як ATM і Frame Relay, де потрібна підтримка інформації про стан мережі на комутаторах 2-го рівня
VC merge (Virtual Circuit merge)
− злиття віртуальних каналів. Передача міток MPLS у поле VCI технології ATM (або в комбінованому полі VPI/VCI), що дозволяє об’єднати кілька віртуальних підканалів VC в один канал
videotext
− відеотекст — інтерактивна служба передачі відеозображення для відображення на дисплей чи екран телевізора
Viterbi decoding − алгоритм Вітербі — декодування, при якому обчислюється оцінка найбільш імовірної вихідної послідовності за методом максимальної правдоподібності VLR (Visit Location Register)
− візитний регістр місця розташування — база даних мережі мобільного зв’язку, в якій зберігається інформація про переміщення абонентів
VN (Virtual Node)
− віртуальний вузол — назва алгоритму маршрутизації СТС
voice mailbox
− мовна пошта — інтерактивна служба, що дає змогу запам’ятовувати і зберігати мовні повідомлення
VoIP (Voice over IP)
− передача голосового трафіку (телефонних розмов) через Інтернет 323
Сучасні телекомунікаційні системи
VP merge (Virtual Path merge)
− злиття віртуальних маршрутів. Злиття міток, при якому передача міток MPLS у поле VCI ATM дозволяє об’єднати кілька віртуальних маршрутів VP в один VP-маршрут. У цьому випадку дві комірки будуть мати однакові значення ідентифікаторів VCI тільки в тому випадку, якщо вони вийшли з одного вузла. Такий підхід дає можливість розрізняти комірки від різних відправників за значенням поля VCI
VPC (Virtual Path Connection)
− віртуальний шлях з’єднання.
VPN (Virtual Private Network)
− віртуальна приватна мережа. Захищена замкнута група користувачів у мережі 3-го рівня, що спільно використовує ресурси однієї чи більше мереж 2-го рівня. VPN-мережі містять географічно віддалені один від одного вузли, які можуть безпечно зв’язуватися по магістралі, що спільно використовується
VPNv4
− віртуальна приватна мережа версії 4. Використовується як ключове слово в командах для вказівки префіксів VPN-IPv4. Такі префікси являють собою VPN-адреси, кожна з яких стає унікальною після додавання 8-бітового ідентифікатора маршруту
VRF (VPN routing/ forwarding instance)
− комплекс маршрутизації і пересилання VPN. Комплекс VRF складається з таблиці маршрутизації IP, отриманої з таблиці пересилання, набору інтерфейсів, що використовують цю таблицю пересилання, і набору правил і протоколів маршрутизації, що визначають, які дані повинні заноситися в таблицю пересилання. У загальному випадку екземпляр VRF містить у собі інформацію про маршрутизацію, що визначає VPN-вузол користувача, приєднаний до маршрутизатора РЕ
VSAT (Very Small Aperture Terminal)
− малогабаритні термінальні станції супутникового зв’язку
WADSL − безпроводова асиметрична цифрова абонентська лінія (Wireless Asymmetric Digital Subscriber Line) 324
Англо-український словник вживаних термінів
Walsh functions
− функції Уолша — набір з n ортогональних послідовностей довжиною 2n (n — ціле число), в яких використовуються тільки 0 і 1. Є дискретними аналогами синусоїд (косинусоїд)
WAND (Wireless ATM Network Demonstrator)
− демонстратор безпроводової АТМ-мережі
WCDMA (Wideband CDMA)
− широкосмуговий CDMA — технологія багатостанційного доступу, заснована на використанні сигналів з розширеним спектром і застосовувана для високошвидкісної передачі даних і відео
WDM (Wavelength Division Multiplexing)
− спектральне (чи хвильове) ущільнення
WFQ (Weighted fair queuing)
− справедливо зважена черговість. При використанні черги WFQ як метод установки послідовності відправлення пакетів ця черговість визначається класом потоку даних; при цьому кожному потоку гарантується певна частина всієї доступної смуги пропускання. Крім того, метод WFQ розподіляє доступну смугу пропускання на основі індивідуальної інформації про потоки відповідно до параметрів повідомлень
WiBro (Wireless Broadband)
− технологія є власною розробкою південнокорейських компаній LG і Samsung. Ця технологія є аналогом мобільного WiMAX і з фізичної точки зору являє собою ту саму специфікацію 802.16e, але з деякими відмінностями
WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access)
− всесвітній доступ для взаємодії мікрохвильових мереж, реалізованих відповідно до системи стандартів безпроводового доступу IEEE 802.16 (системний профіль WirelessMAN-OFDM)
WiseNet − проект “рішення для безпроводових сенсорних мереж з (WiseNet An наднизьким енергоспоживанням” Ultralow-Power Wireless Sensor Network Solution) 325
Сучасні телекомунікаційні системи
WMN (Wireless Mesh Networks)
− безпроводова mesh-мережа, що являє собою динамічну структуру із самоорганізацією (типу “багатоточка-багатоточка”), що складається з нерівноправних безпроводових вузлів, з’єднання між якими і керування цими з’єднаннями відбувається як розподіленим, так і централізованим способом
WPAN (Wireless Personal Area Network)
− безпроводові персональні мережі передачі інформації — це технології, що мають без проводів забезпечувати взаємодію інформаційних пристроїв у радіусі від десятків сантиметрів до 10 м
WRC (World Radiocommunication Conference)
− всесвітня радіоконференція
WSN (wireless − безпроводові сенсорні мережі sensor network) WWRF − всесвітній дослідницький форум безпроводових техно(Wireless World логій Research Forum) X
− мережний інтерфейс у системі GSM між центрами експлуатації і технічного обслуговування ОМС різних мереж і мережею, що обслуговує, так званий керуючий інтерфейс між ОМС і елементами мережі
Х.25
− протокол передачі даних для мереж з комутацією пакетів
326
Англо-український словник вживаних термінів
Ç̲ÑÒ Передмова ....................................................................................................... 3 Розділ 1. Загальні відомості про телекомунікаційні системи .......................... 7 1. Властивості та класифікація ................................................................ 7 2. Основні тенденції розвитку ............................................... ................. 11 Розділ 2. Проводові мережі телекомунікаційних систем................................ 18 3. Волоконно-оптичні системи .............................................................. 18 4. Мережі доступу ................................................................................... 24 Розділ 3. Безпроводова багаторівнева телекомунікаційна інфраструктура ... 5. Концепція побудови національної інформаційно-телекомунікаційної багаторівневої інфраструктури ................................ 6. Супутникові системи .......................................................................... 7. Системи на базі висотних аероплатформ ......................................... 8. Системи на основі міжплатформенних ліній зв’язку ...................... 9. Уніфіковані цифрові мікрохвильові радіорелейні системи ..............
31 31 37 56 69 78
Розділ 4. Радіомережі персонального та локального рівнів ........................... 89 10. Персональні безпроводові мережі ................................................... 89 11. Локальні безпроводові мережі ........................................................ 103 Розділ 12. 13. 14.
5. Системи широкосмугового безпроводового доступу ..................... Системи широкосмугового радіодоступу ...................................... Когнітивне радіо і регіональні безпроводові мережі .................... Системи міліметрового і субміліметрового діапазонів хвиль........
122 122 138 152
Розділ 6. Системи мобільного зв’язку .......................................................... 179 15. Системи стільникового мобільного зв’язку .................................... 179 16. Мобільний WiMAX і супутні йому безпроводові рішення .......... 192 Розділ 7. Безпроводові телекомунікаційні системи наступного покоління... 216 17. Розподілені безпроводові мережі з ретрансляцією …………………. . 216 18. Концепція побудови мультимедійної ІР-орієнтованої підсистеми зв‘язку ......................................................................... 242 Розділ 8. Цифрове телевізійне мовлення ..................................................... 256 19. Системи цифрового телебачення ................................................... 256 20. Перспективні технології цифрового телевізійного мовлення ....... 263 Загальні висновки ......................................................................................... 274 Англо-український словник вживаних термінів ......................................... 277
327
Сучасні телекомунікаційні системи
Наукове видання НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ “КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ“
Ільченко Михайло Юхимович Кравчук Сергій Олександрович
ÑÓ×ÀÑͲ ÒÅËÅÊÎÌÓͲÊÀÖ²ÉͲ ÑÈÑÒÅÌÈ Київ, НВП “Видавництво “Наукова думка” НАН України”, 2008
Комп’ютерна верстка О.М. Нестеренко Оригінал-макет підготовлено в Національному технічному університеті України “КПІ”
Здано до складання 00.09.08. Підп. до друку 00.00.08. Формат 70х90/16. Папір офс. №1. Гарн. Таймс. Друк офс. Обл.-вид. арк. 00. Наклад 300. Зам. № 00-0.
НВП “Видавництво “Наукова думка” НАН України” 01601, Київ 1, вул. Терещенківська,3. Свідоцтво про внесення до Державного реєстру серія ДК № 2440 від 15.03.2006 Друкарня ТОВ “ВД “ЕКМО” 00000, Київ-00, вул. Раєвського, 23. 328
