Сотовые беспроводные сети

Сотовые технологии — основа мобильных беспроводных коммуникаций, которые обеспечивают связь с пользователем в таких местах, где использование проводных сетей невозможно. Сотовая технология — основная технология мобильных телефонов, персональных коммуникационных систем, беспроводного Интернета, а также многого другого.

Сотовая радиосвязь — технология, которая разработана для увеличения доступной пропускной способности мобильного телефонного сервиса. До внедрения сотовой радиосвязи мобильный телефонный сервис обеспечивался только с помощью передатчиков/приемников большой мощности. Обычная такая система поддерживает около 25 каналов с эффективным радиусом действия около 80 км.

Основа сотовой сети — использование множества маломощных передатчи­ков мощностью порядка 100 Ватт или ниже. Поскольку диапазон таких пе­редатчиков мал, область охвата подразделяется на ячейки, каждая из кото­рых обслуживается своей антенной. Для каждой ячейки назначается полоса частот, которая обслуживается базовой станцией (BS, Base Station), состоящей из передатчика, получателя и блока управления. Соседним ячей­кам назначаются другие частоты, чтобы избежать взаимного влияния или перекрестных помех. Однако ячейки, достаточно удаленные друг от друга, могут использовать одинаковую полосу частот.

Первое проектное решение — выбор формы ячеек для покрытия области. Простейший вариант - матрица квадратных ячеек (рис. 2.16, а). Однако при этом, если ширина квадрат­ной ячейки равна d , тогда у ячейки будет четыре соседа на расстоянии d ичетыре соседа на расстоянии √d. Когда мобильный пользователь внутри ячейки перемещается к ее границам, то лучше, если все соседние антенны будут эквидистантны. Это упрощает задачу определения момента переклю­чения пользователя на соседнюю антенну и выбор антенны. Шестиугольная форма обеспечивает эквидистантность антенн (рис. 2.16, б). Радиус шести­угольника определяется как радиус описанной окружности (который также равен расстоянию от центра до каждой вершины или длине стороны шести­угольника). Для ячейки радиуса R расстояние между центром ячейки и центром каждой соседней ячейки равно √3R.

На практике точная шестиугольная форма не используется. Отклонения от идеала происходят из-за топографических ограничений, местных условий рас­пространения сигнала и практических ограничений по размещению антенн.

В сотовой системе каждая ячейка имеет базовый приемопередатчик. Мощ­ность передачи тщательно контролируется, чтобы обеспечить связь внутри ячейки, используя данную частоту с ограничением ее мощности при переходе из этой ячейки в соседнюю. Цель состоит в том, чтобы использовать ту же частоту в других соседних ячейках, таким обра­зом, позволяя использовать эту частоту для множества одновременных се­ансов связи. Обычно на каждую ячейку назначается 50—100 частот в зави­симости от ожидаемого трафика.

Рис. 2.16. Геометрия сот: а — квадратный шаблон; б — шестиугольный шаблон

Вторая проблема состоит в определении количества ячеек, которые долж­ны находиться между двумя ячейками, и использовать ту же частоту, так чтобы две ячейки не мешали друг другу. По возможности различные значе­ния частоты назначаются повторно. На рис. 2.17 представлено несколько примеров. Если образец состоит из N ячеек и каждой ячейке присвоено одинаковое число частот, то каждая ячейка может иметь К/N частот, где К — общее число частот, назначенных данной системе.

Рис. 2.17. Шаблоны повторного использования частоты: а -для N = 4; б - для N = 7; в - черные ячейки указывают на повторное использование частоты для N = 19

При описании повторного использования частот обычно применяются сле­дующие параметры:

- D — минимальное расстояние между центрами ячеек, которые используют одну и ту же полосу частот (и называются внутриканальными);

- R — радиус ячейки;

- d — дистанция между центрами смежных ячеек (d =√3R)

- N — число ячеек в повторяющемся шаблоне (каждая ячейка в шаблоне использует уникальную полосу частот), оно называется коэффициентом повторного использования (reuse factor).

Увеличение пропускной способности системы достигают следующими способами:

- Добавление новых каналов. Обычно когда система устанавливается в данной области, то используются не все каналы, и разрастание и расшире­ние могут происходить упорядоченным способом путем добавления но­вых каналов.

- Заимствование частот. В простейшем случае перегруженные ячейки заимствуют частоты из соседних ячеек. Частоты могут также назначать­ся ячейкам динамически.

- Разбивка ячеек. Ячейки в областях интенсивного использования могут разбиваться на ячейки меньшего размера. В основном исход­ные ячейки имеют размер от 6,5 до 13 км. Однако размер ячейки в 1.5 км близок к практическому минимуму (микроячейки). Для использования ячеек меньшего размера необходимо уменьшать уровень мощности для сохра­нения сигнала внутри ячейки. Также по мере перемещения мобильного устройства, оно передается от ячейки к ячейке, что требует передачи вызова от одного базового приемопередатчика к другому. Этот процесс называется перепасовкой (hand-off). По мере того, как размер ячейки уменьшается, перепасовка становится все более частой. Радиус уменьшается с коэффициентом F, уменьшая область покрытия и увеличивая необходимое число базовых станций с коэффициентом F².

- Разбиение ячейки на секторы. При этом ячейка разбивается на некоторое число угловых секторов (обычно 3 или 6), каждый из которых имеет собственный набор каналов. Каждому сектору назначается отдельное подмножество каналов ячейки и направленные антенны базовой станции, которые используются для наведения каждого сектора.

- Микроячейки. По мере уменьшения ячеек антенны перемещаются от вершин высоких строений или холмов к вершинам небольших строений или к стенам больших строений и, наконец, на фонарные столбы, где они и формируют микроячейки. Каждое уменьшение размера ячейки сопровождается уменьшением уровня мощности излучения от базовой станции и мобильного устройства. Микроячейки полезны на городских улицах в перегруженных областях, вдоль скоростных трасс и внутри больших общественных зданий.

В табл. 2.1 предлагаются типичные параметры традиционных ячеек, кото­рые называются макроячейками и микроячейками в современных технологиях.

Таблица 2.17. Типовые параметры для макроячеек и микроячеек

Упрощенная схема сотовой сети проиллюстрирована на рис. 2.18.

Рис.2.18. Схема сотовой сети

Приблизитель­но в центре каждой ячейки находится базовая станция (BS). В состав BS входит антенна, контроллер и множество приемопередатчиков для комму­никации каналов, назначенных на эту ячейку. Контроллер используется для обработки процесса вызова между мобильным устройством и остальной ча­стью сети. В любой момент времени могут быть активны множество мо­бильных пользователей, которые перемещаются примерно внутри ячейки, связываясь с BS. Каждая BS связана с мобильным центром коммутации (MTSO, Mobile Telephone Switching Office), причем один MTSO обслуживает несколько BS. Обычно канал связи между MTSO и BS представляет собой проводную линию, хотя беспроводной канал связи также возможен. MTSO выполняет коммутацию звонков между мобильными устройствами, соединяет телефоны-автоматы или телекоммуникационную сеть, соединяет фиксированных абонентов с открытой сетью и мобильных абонентов с сотовой сетью. назначает голосовой канал на каждый звонок, выполняет прерывание разговора и контролирует теле­фонные звонки для выставления счетов. Использование сотовой системы полностью автоматическое и не требует дей­ствий со стороны пользователя, кроме выполнения вызова и ответа на звонок. Между мобильным устройством и BS возможны два типа каналов: управляю­щие каналы и каналы трафика. Управляющие каналы (control channels) исполь­зуются для обмена информацией, связанной с установкой и обслуживанием вызовов (звонков) и с установкой связи между мобильным устройством и бли­жайшей BS. По каналам трафика (traffic channels) передаются голос или дан­ные между подключенными пользователями. Рис. 2.19 иллюстрирует шаги при выполнении звонка между двумя мобильными пользователями.

1. Инициализация мобильного устройства (mobile unit initialization). Когда мобильное устройство включено, оно сканирует эфир и выбирает наилучший управляющий канал, использующийся для данной системы (рис. 2.19, а). Затем между мобильным устройством и MTSO, контролирующим данную ячейку, происходит квотирование установки связи через BS данной ячейки. Квотирование используется для идентификации пользователя и регистрации его ме­стоположения. До тех пор пока мобильное устройство включено, эта процедура сканирования повторяется периодически для расчета пере­мещения мобильного устройства. Если устройство входит в зону дейст­вия новой ячейки, тогда выбирается новая BS. Вдобавок мобильное устройство отслеживает пейджинг, о чем мы поговорим далее.

2. Вызов с мобильного устройства (mobile-originated call). Мобильное уст­ройство начинает вызов, посылая номер вызываемого устройства на предварительно выбранный канал (рис. 2.19, б). Когда выясняется, что канал свободен, мобильное устройство может переда­вать по соответствующему обратному каналу (к BS). BS отправляет за­прос на MTSO.

Рис.2.19.Этапы вызова в сотовой сети: а – наблюдение за сигналом; б - запрос на соединение; в – пейджинг; г – получение вызова; д - поступивший вызов; е - перепасовка

3. Пейджинг (paging). MTSO затем пытается завершить соединение с вы­званным объектом. MTSO посылает пейджинговое сообщение на неко­торую BS в зависимости от вызванного мобильного номера (рис. 2.19, в). Каждая BS передает пейджинговый сигнал на свой собст­венный присвоенный канал.

4. Прием вызова (call accepted). Вызванное мобильное устройство распозна­ет номер на проверяемом канале и отвечает MTSO. MTSO устанавлива­ет канал между вызывающей и вызываемой BS. В то же самое время MTSO выбирает доступный канал для трафика внутри каждой ячейки BS и уведомляет каждую BS, которая в свою очередь уведомляет свое мобильное устройство (рис. 2.19, г). Два мобильных устройства настраиваются на соответствующие назначенные каналы.

5. Обслуживание вызова (ongoing call). В процессе обслуживания соедине­ния два мобильных устройства обмениваются голосовыми данными или информационными сигналами, проходящими через соответствующие BS и MTSO (рис. 2.19, д).

6. Перепасовка (hand-off). Если мобильное устройство в процессе соедине­ния перемещается за сферу действия одной ячейки и входит в сферу действия другой, то канал трафика должен меняться на присвоенный BS в новой ячейке (рис. 2.19, е). Система выполняет это изменение без прерывания вызова или предупреждения пользователя.

Система выполняет также ряд других функций:

- Блокировка вызова (call blocking). Если все каналы трафика, назначенные на бли­жайшую BS, заняты, то мобильное устройство выполняет заранее опре­деленное число повторных попыток, и после некоторого числа безуспешных попыток сигнал занятости возвращается пользователю.

- Прерывание вызова (call termination). Когда один или оба пользователя вешают трубку, MTSO информируется об этом, и каналы трафика на двух BS удаляются.

- Сброс звонка (call drop). Во время соединения из-за интерференции или слабого сигнала в некоторых областях, если BS не может поддерживать минимально необходимый уровень сигнала в течение некоторого вре­мени, канал трафика к пользователям сбрасывается, и об этом инфор­мируется MTSO.

- Вызовы на/om фиксированного и удаленного мобильного абонента (calls to/from fixed and remote mobile subscriber). MTSO подключается к общей коммутируемой телефонной сети и поэтому может устанавливать соединение между мобильным пользователем в своей области и фикси­рованным абонентом через телефонную сеть, а также может подключаться к удаленной MTSO через телефонную сеть или через вы­деленные линии

В России сотовая связь начала внедряться с 1990 г., коммерческое использование началось с 9 сентября 1991 г., когда в Санкт-Петербурге компанией «Дельта Телеком» была запущена первая в России сотовая сеть (работала в стандарте NMT-450) и был совершён первый символический звонок по сотовой связи мэром Санкт-Петербурга Анатолием Собчаком.

GSM (Global System for Mobile Communications) относится к сетям второго поколения (2 Generation) (1G — аналоговая сотовая связь, 2G — цифровая сотовая связь, 3G — широкополосная цифровая сотовая связь, коммутируемая многоцелевыми компьютерными сетями, в том числе Интернет). Сотовые телефоны выпускаются для 4 диапазонов частот: 850 МГц, 900 МГц, 1800 МГц, 1900 МГц. GSM на сегодняшний день является наиболее распространённым стандартом связи. По данным ассоциации GSM (GSMA) на данный стандарт приходится 82% мирового рынка мобильной связи, 29% населения земного шара использует глобальные технологии GSM. В GSMA в настоящее время входят операторы более чем 210 стран и территорий.

Преимущества стандарта GSM:

- Меньшие по сравнению с аналоговыми стандартами (NMT-450, AMPS-800) размеры и вес телефонных аппаратов при большем времени работы без подзарядки аккумулятора.

- Хорошее качество связи при достаточной плотности размещения базовых станций.

- Большая ёмкость сети, возможность большого числа одновременных соединений.

- Низкий уровень индустриальных помех в данных частотных диапазонах.

- Улучшенная (по сравнению с аналоговыми системами) защита от подслушивания и нелегального использования, что достигается путём применения алгоритмов шифрования с разделяемым ключом.

- Эффективное кодирование (сжатие) речи.

- Возможность роуминга.

Недостатки стандарта GSM:

- Искажение речи при цифровой обработке и передаче.

- Связь возможна на расстоянии не более 120 км от ближайшей базовой станции даже при использовании усилителей и направленных антенн. Поэтому для покрытия определённой площади необходимо большее количество передатчиков, чем в NMT-450 и AMPS.

В CDMA (англ. Code Division Multiple Access — множественный доступ с кодовым разделением) телефонах, в отличие от GSM, одновременно применяется временное и кодовое разделение каналов. Сотовые телефоны CDMA используют очень широкую полосу частот для приема и передачи информации.

Расширение полосы частот CDMA телефонов позволяет получить следующие преимущества по сравнению с GSM.

1. Увеличение количества передаваемой информации за единицу времени. Это выражается в улучшенном качестве связи и большей скоростью доступа в Интернет.

2. Уменьшение мощности передатчика сотового телефона.

3. Улучшенная помехозащищенность.

Так же, как и в GSM телефонах, в CDMA используется криптографическое и помехоустойчивое кодирование.

Последующее развитие технологии CDMA происходит в рамках технологии CDMA2000. При построении системы мобильной связи на основе технологии CDMA2000 1Х первая фаза обеспечивает передачу данных со скоростью до 153 кбит/с, что позволяет предоставлять услуги голосовой связи, передачу коротких сообщений, работу с электронной почтой, Интернетом, базами данных, передачу данных и неподвижных изображений.

Разработчики оборудования CDMA связи решают вопрос достижения в ближайшее время следующих скоростей на одном частотном канале: 4,9 Мбит/с к абоненту и 2,4 Мбит/с от абонента.

Сетевые кабели

На практике в большинстве сетей приме­няют три основные группы кабелей:

1. Коаксиальный кабель;

2. Витая пара (экранированная и неэкранированная);

3. Оптоволоконный кабель

Коаксиальный кабель. Простой коаксиальный кабель (рис.2.1) состоит из медной жилы 1, окружающей её изоляции 2, экрана в виде металлической оплётки 3 и внешней оболочки 4.

Рис.2.1. Коаксиальный кабель

Могут применяться кабели с учетверённой экранизацией, которая состоит из двойного слоя фольги и двойного слоя метал­лической оплётки.

Электрические сигналы, кодирующие данные, передаются по жиле. Жила – это один провод или пучок проводов. Жила из­готавливается из меди и окружена диэлектрическим изоляцион­ным слоем, который отделяет её от металлической оплётки. Оп­лётка играет роль «земли» и защищает жилу от электрических шумов (или перекрёстных помех). Перекрёстные помехи – это электрические наводки, вызванные сигналами в соседних прово­дах. Проводящая жила и металлическая оплётка не должны со­прикасаться, иначе произойдёт короткое замыкание. Снаружи ка­бель покрыт непроводящим слоем из резины, тефлона или пла­стика. Коаксиальный кабель относительно помехоустойчив. За­тухание в нём меньше, чем в витой паре. Затухание – это ослабе­вание сигнала при его прохождении по кабелю.

Существует два типа коаксиальных кабелей: тонкий и тол­стый. Выбор типа кабеля зависит от потребности конкретной сети.

Тонкий коаксиальный кабель – это гибкий кабель, диамет­ром порядка 5 мм, прост в применении и подключается непо­средственно к плате сетевого адаптера компьютера; способен пе­редавать сигналы на расстояние до 200 метров без заметного ис­кажения, вызванного затуханием.

Толстый коаксиальный кабель – относительно жёсткий ка­бель диаметром порядка 10 мм. Способен передавать сигналы на расстояние до 500 метров, поэтому его чаще используют в каче­стве опорного кабеля или магистрали, который соединяет не­сколько сегментов сетей, построенных на тонком коаксиальном кабеле. Для подключения к толстому коаксиальному кабелю применяют специальное устройство – трансивер. Для тонкого коаксиального кабеля используют специальные коаксиальные разъёмы (по американской терминологии - BNC-коннекторы).

BNC-коннекторы либо припаиваются, либо обжимаются на концах кабеля. BNC-Т-коннектор соединяет сетевой кабель с платой сетевого адаптера.

Витая пара. Простая неэкранированная витая пара – это два перевитых друг против друга изолированных медных про­вода (UTP – Unshielded twisted pair).

Несколько витых пар часто помещают в одну защитную оболочку (рис. 2.2). Их количество в кабеле может быть раз­лично (1, 8, 16…). Завивка позволяет избавиться от электриче­ских помех, наводимых соседними парами и другими внешними источниками (двигателями, трансформаторами, реле).

Рис.2.2. Кабель витая пара

Кабель экранированной витой пары STP (Shielded twisted pair) имеет медную оплётку, которая обеспечивает более надёж­ную защиту от помех.

Для подключения витой пары к плате сетевого адаптера компьютера используется разъем RJ-45. Он имеет 8 контактов (рис.2.3) в отличие от телефонного разъема RJ-11 с четырьмя контактами, через который подключается модем.

Максимальная длина сегмента на экранированной витой паре - 100 метров.

Построить сложную кабельную систему помогают комму­тационные (кроссовые) панели, распределительные стойки, полки. Стандартные коммутационные панели поддерживают до 96 портов и скорость передачи до 100 Мбит в секунду.

а) вилка в колпачке б) розетка

Рис.2.3 Разъем RJ-45

Кабель на основе неэкранированной витой пары,используемый для проводки внутри здания, разделяется в международных стандартах на категории (от 1 до 7).

- Кабели категории 1 применяются там, где требования к скорости передачи минимальны. Обычно это кабель для цифровой и аналоговой передачи голоса и низкоскоростной (до 20 Кбит/с) передачи данных. До 1983 года это был ос­новной тип кабеля для телефонной разводки.

- Кабели категории 2 были впервые применены фирмой IBM при построении собственной кабельной системы. Главное требование к кабелям этой катего­рии — способность передавать сигналы со спектром до 1 МГц.

- Кабели категории 3 были стандартизованы в 1991 году. Стандарт EIA-568 определил электрические характеристики кабелей для частот в диапазоне до 16 МГц. Кабели категории 3, предназначенные как для передачи данных, так и для передачи голоса, составляют сейчас основу многих кабельных систем зданий.

- Кабели категории 4 представляют собой несколько улучшенный вариант ка­белей категории 3. Кабели категории 4 обязаны выдерживать тесты на час­тоте передачи сигнала 20 МГц и обеспечивать повышенную помехоустойчи­вость и низкие потери сигнала. На практике используются редко.

- Кабели категории 5 были специально разработаны для поддержки высо­коскоростных протоколов. Их характеристики определяются в диапазоне до 100 МГц. Большинство высокоскоростных технологий (FDDI, Fast Ethernet, ATM и Gigabit Ethernet) ориентируются на использование витой пары кате­гории 5. Кабель категории 5 пришел на замену кабелю категории 3, и сегодня все новые кабельные системы крупных зданий строятся именно на этом типе кабеля (в сочетании с оптоволоконными кабелями).

- Особое место занимают кабели категорий 6 и 7, которые промышленность на­чала выпускать сравнительно недавно. Для кабеля категории 6 характеристики определяются до частоты 250 МГц, а для кабелей категории 7 — до 600 МГц. Кабели категории 7 обязательно экранируются, причем как каждая пара, так и весь кабель в целом. Кабель категории 6 может быть как экранированным, так и неэкранированным. Основное назначение этих кабелей — поддержка высокоскоростных протоколов на отрезках кабеля большей длины, чем ка­бель UTP категории 5.

Все кабели UTP независимо от их категории выпускаются в 4-парном испол­нении. Каждая из четырех пар кабеля имеет определенный цвет и шаг скрутки. Обычно две пары предназначены для передачи данных, а две — для передачи голоса.

Оптоволоконный кабель. В оптоволоконном кабеле цифро­вые данные распространяются по оптическим волокнам в виде модулированных световых импульсов. Оптоволоконные линии предназначены для передачи больших объёмов данных на очень высоких скоростях до нескольких десятков гигабит в секунду, т.к. сигналы в них практически не затухают и не искажаются.

Строение оптоволоконного кабеля показано на рис.2.4. Оп­товолокно - это очень тонкий стеклянный цилиндр (1-А), назы­ваемый жилой. Он покрыт слоем стекла - оболочкой (2-А) с дру­гим, чем у жилы коэффициентом преломления.

Иногда оптоволокно делают из пластика. Пластик проще в монтаже, но передаёт световые импульсы на меньшее расстояние. Каждое оптоволокно передаёт сигналы только в одном направле­ нии, поэтому кабель состоит из двух волокон с самостоятель­ными разъёмами. Одно волокно служит для передачи, другое - для приёма. Жёсткость кабеля увеличивается покрытием из пла­стика (2-Б), а прочность - волокнами из кевлара (3-Б). Волокна кевлара располагаются между жилами (3-Б), заключёнными в пластик.

Рис.2.4. Строение оптоволоконного кабеля: А – жила в обо­лочке; Б – многожильный кабель в разрезе

В зависимости от распределения показателя преломления и от величины D диаметра сердечника различают одномодовые и многомодовые волокна. В одномодовом кабеле используется цен­тральный проводник очень малого диаметра, соизмеримого с длиной волны света (от 5 до 10 микрон). При этом все лучи света распространяются вдоль оси световода, не отражаясь от внеш­него проводника. Полоса пропускания для данного типа кабеля очень широкая (до сотен Ггц на километр). В многомодовых ка­белях используются более широкие внутренние сердечники, ко­торые легче изготавливать технологически. В многомодовых ка­белях во внутреннем проводнике одновременно существует не­сколько световых лучей, отражающихся под разными углами. Угол отражения называется модой луча. Многомодовые кабели имеют более узкую полосу пропускания (от 500 до 800 Мгц на километр). В качестве источников в одномодовых кабелях при­меняются только полупроводниковые лазеры, т.к. очень мал диа­метр жилы. Для многомодовых используются более дешёвые све­тодиодные излучатели.

Для передачи информации используется свет следующих длин волн: 1,55; 1,3; 0,85 мкм. Использование только этих длин волн связано с особенностью их амплитудно-частотных характе­ристик. Именно для этих длин волн наблюдаются ярко выражен­ные максимумы передачи мощности сигнала.

Стоимость оптоволоконных кабелей не намного превышает стоимость кабелей на витой паре, но проведение монтажных ра­бот с оптоволокном обходится дороже из-за трудоёмкости опера­ций и высокой стоимости применяемого монтажного оборудова­ния. В частности, присоединение оптоволокна к разъёму требует проведения высокоточной обрезки волокна в плоскости строго перпендикулярной оси волокна, а также выполнения соединения, например, путём сложной операции склеивания.

Поиск по сайту: