Взаимное отображение физических, транспортных и логических каналов

Перспективы развития передачи данных в сотовой связи при переходе к системам третьего поколения (3G).

Международным союзом электросвязи – МСЭ (ITU) при непосредственном участии Европейского института стандартизации в области телекоммуникаций (ETSI–EuropenTelecommunicationStandartsInstitute) разработана концепция глобальной будущей наземной сети телефонной связи (FPLMTS–FuturePublicLandMobileTelecommunicationsSystem), которая в настоящем именуетсяIMT-2000 (InternationalMobileTelecommunications– 2000), а в Европе -UMTS(UniversalMobileTelecommunicationsService). В этой концепции показаны возможности развития множества дополнительных услуг, конвергенции услуг подвижной и фиксированной связи не только для передачи речи, данных, но и мультимедийных услуг. Сеть стандартовIMT-2000 рассматриваются как подвижная составляющая глобальной информационной сети, основой которой являетсяInternet.

В рекомендациях ITU-RМ.1457 представлены основные положения для создания радиоинтерфейсовIMT-2000, основные принципы которых можно сформулировать следующим образом:

- во всей зоне обслуживания при высокой мобильности достичь скорости 144 кбит/с с перспективой ее увеличения до 384 кбит/с;

- ограниченное покрытие зоны обслуживания при скорости передачи до 2 Мбит/с;

- повысить спектральную эффективность;

- создать условия для большей гибкости при введении новых услуг.

Указанные скорости передачи данных были выбраны по аналогии с сетями ISDN(IntegratedServiceDigitalNetwork) - цифровыми сетями с интеграцией услуг [2]. Скорость 144 кбит/с применяется в 2В-Dканале, 384 кбит/с – в НDканале и 1920 кбит/с в Н12-канале.

Условно, с позиций скорости передачи данных, возможности сотовых систем подвижной cвязи различных стандартов и поколений можно охарактеризовать [2] в зависимости от hазмеров зоны обслуживания и мобильности (подвижности) АС в виде рис.

Рис. 16 Скорость передачи данных в зависимости от размеров зоны обслуживания и подвижности АС

.

В Европе принят проект IMT-2000 (UMTS) с интерфейсами IMT-DC и IMT-TC. В аналогичном проекте IMT-2000 – радиоинтерфейс IMT-MC и IMT-SC за счет TDMA может служить развитием GPRS технологии до уровня EDGE в GSM системах.Касаясь радиоинтерфейсаIMT-FT, можно отметить, что он конкретно ориентирован на микросотовые сети.

При разработке вышеуказанных стандартов было принято несколько важных рекомендаций, среди которых следует отметить такие как – предоставление услуг требующих разных скоростей передачи (не только по запросу пользователя, но и в зависимости от условий и качества приема) и применения пакетной передача данных.

Рис. Упрощенная схема сети UMTS.

В соответствии с этим, структура сотовой сети претерпела некоторые изменения (см. рис.). Подсистема сети и коммуникации – ПССК (SSS) выполняет не только функцию коммуникации каналов (CS–ChannelSwitching) с помощью коммутатора (КК) – МSС через шлюзовой (Gateway) коммутатор (ШКК)MSK(GMSC), через который осуществляется связь с «внешними» сетями, например – с ТФОП, а также - функции коммутации пакетов (PS–PackedSwitching) с помощью узла коммутации пакетов (УКП) –SGSN(ServerGPRSServiceNetwork) через узел межсетевого переходаGPRSк внешним сетям (УМСП) –GGSN(GatewayGSN). Такой комплекс именуется как «базовая (основная) сеть» -CN(ConeNetwork).

На рис. не указаны узлы VLRиHLR, взаимодействующие сGMSCиGGSN.

Сеть радиодоступа на этой упрощенной схеме включает в себя контроллер радиосети (КРС) –RNC(RadioNetworkController), представляющий собой точку доступа к «базовой сети» -CN, управляющий ресурсами радиосети, и базовые станции – БС (Node-B), которые преобразуют поток данных (в том числе и речи) для их радиопередачи. Подробно сеть радиодоступа для Европейского проектаUTRANрассмотрена в [25].

В перспективе планируется всю систему перевести на одну универсальную сеть, полностью базирующуюся на IP-технологии. Применение для этих целей сегодняшней версии протоколаInternetсети (IPV4) в перспективе нецелесообразно из-за ограниченной его адресной емкости, поэтому для мобильного интернета, когда каждой АС (UE–userequvipment) будет присвоен свойIP-адрес, планируется использование новой версии -IPV6, которая не только удовлетворяет адресной емкости, но и позволяет улучшить качество услуг и безопасность передачи информации.

Важной задачей является стыковка IP протокола с протоколами радиоинтерфейса. Решение этой задачи в сотовой системах стандартаIMT-MC-450, которые в настоящее время внедряются в нашей стране, сделано с помощью системы протоколовIMT-MC1X[27]. Проходя через эту систему протоколов к пакету данных добавляется служебная информация в виде заголовка (т.е. осуществляется «инкапсуляция») и в итоге такие

Как отмечалось выше, что одним из важнейших приложений в сетях сотовой связи является предоставление MMSуслуги. Рабочей группой 3GPPпредложен вариантMMSсети, показанный на рис.

Рис. Структурная схема предоставления MMSуслуги в ПНС сотовыми системами различных поколений.

Особенность этого варианта – возможность взаимодействия в ней сотовых сетей различных поколений. Кроме того, в этом варианте учитывалось, что также как и SMS, MMS являются открытыми промышленными стандартами, и сообщения могут передаваться с использованием существующих сетей и протоколов.

Рассмотрим структуру MMSсети.

Идеологи MMSопределили всех участников процесса доставкиMMS-сообщения[24], какMMS-среду.

Ядром услуги MMSслужитMMS-центр. Он включаетMMS-сервер иMMS-коммутатор. ИменноMMS-центр сети, в которой находится АС, отправляющийMMS

Широкополосный высокоскоростной беспроводной радиодоступ.

Эти системы могут применяться и для абонентского, и для межстанционного доступа.

Особенности:

Высокие скорости передачи информации, с которыми не могут сравниться цифровые линии DSL. Т.к. доступ широкополосный, то радионесущая – высокая частота. Широкая полоса – порядка единиц – десятков МГц.

Диапазон частот: 2, 3, 4, 5, 11 ГГц.

Поскольку скорости большие, можно осуществлять мультимедийные услуги.

Деление систем широкополосного доступа по степени мобильности и размерам зоны доступа.

PAN (Personal Area Network) - ориентированы на покрытие персонального пространства человека (10 м).

LAN (Local Area Network) – для обслуживания офиса и близко расположенных помещений, территорий (Wi-Fi – 100 м).

MAN (Metropolitan Area Network) – ориентированы на обслуживание города (50 км).

WAN (Wide Area Network) – обеспечивают сохдание и передачу трафика даже между государствами.

Протоколы и скорости передачи, мобильность, размер зон.

WiMAX - Worldwide Interoperability for Microwave Access

Рабочие диапазоны WiMAX, Wi-Fi.

	Wi-Fi	WiMAX 802.16	WiMAX 802.16 d/e
f, ГГц	2,4; 5	10÷66	2÷11
∆f, МГц	22	20; 28	15; 28
R, км	0,1÷0,2	2÷5	2÷7

Виды радиосигналов (модуляции).

Wi-Fi: DSSS () – прямое расширение спектра

OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing) – модуляция с ортогональным частотным разделением спектра

WiMAX:OFDM

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Скорости передачи и изменение модуляции в зависимости от качества канала

Системы WiMAX адаптивны к качеству канала, т.е. уменьшают скорость передачи, изменяя вид модуляции, при изменении уровня помех.

Как правило, ухудшение качества канала связано с расширением зоны действия.

=22 дБ

= 16 дБ

= 9 дБ

= 6 дБ

Высокоскоростной беспроводной (радио) доступ для подвижной связи.(4G)

Наиболее трудным звеном в реализации высокоскоростной передачи данных в системах подвижной связи является участок базовая станция (ретранслятор) - мобильный абонент (на «последней миле»). Одним из перспективных вариантов построения этого звена может быть основано на абонентском радио (беспроводном) доступе с использованием Wi-Fi(WirelessFidelity) иWiMAX(WordWideInteroperabilityforMicrowaveAccess) технологий.

Анализируя типы и назначения протоколов этих технологий, необходимо учитывать реалии и перспективность их использования не только с точки зрения скорости передачи данных, но и с позиций допустимой степени мобильности абонентов, которым передаются (осуществляется обмен) эти данные. На основании [18, 19] на рис. 20 приводятся наименования протоколов указанных технологий, показатели скорости передачи данных, степени мобильности абонента (размеры зоны действия) и реальность (сплошные линии) и ближайшую перспективу (пунктирные линии) их внедрения.

По степени мобильности (размерам зоны действия) системы беспроводных сетей высокоскоростного (широкополосного) доступа можно классифицировать на следующие типы:(Это упоминалось выше)

- персональные сети (Personalareanetworks–PAN) ориентированные на покрытие личного пространства человека (домашних помещений) с радиусом действия порядка 10м,

- локальные сети (Localareanetworks–LAN) для обслуживания офиса или близко расположенных помещений и территорий вне здания офиса с радиусом действия не более 100 м,

- городские сети (Metropolitanareanetworks–MAN) ориентированы на обслуживание районов или всего города с радиусом действия порядка 50 км,

- глобальные сети (Wideareanetworks–WAN) – способны обеспечить соединение и передачу трафика в множестве городов – глобального масштаба.

Рис. Скорости передачи данных для различных протоколов WI-FIиWiMAXв зависимости от размеров зоны действия радиодоступа.

Все вышеуказанные сети высокоскоростной передачи данных рассчитаны на работу в диапазонах 1; 2; 3 и 5 ГГц с использованием широкополосных сигналов.

PANсети (BluetoothиUWB–UltraWideBandс протоколами 802.15.3 и 802.15.1) с очень низкой мобильностью можно отнести к классу – «бесшнуровых».

Сети LAN основанные на Wi–Fi технологии(протоколы IEEE 802.11.a/q и 802.11.b)имеют небольшую мобильность. Скорости передачи данных могут достигать от единиц до десятков Мбит/с (см. рис. 20). Обычно радиосвязь мобильных абонентов осуществляется от узлов общего пользования (через точку доступа – «хотспот»), обслуживающим соответствующую зону. В свою очередь хотспот связан с магистральной сетью (например, сInternet). Способы этой связи могут быть различными – как проводная, так и беспроводная, например, через направленные ретрансляторы. При определенном развитииWi-Fiтехнологии за счет использования «ячеистой» структуры мобильность их может быть увеличена, но полное решение проблемы обеспечения мобильности с равномерным по качеству связи такой «ячеистой» зоны действия при этом не достигается [18]. Все же следует отметить, чтоWi-Fi– это реально применяемые технологии. Большинство современных переносных компьютеров снабжены радио блокамиWi-Fi.

В большей степени к категории мобильных систем связи подходят MAN и WAN сети, создание которых сориентировано на WiMAX протоколы (802.16.e и 802.20) соскоростями передачи до десятков Мбит/с (см. рис.). Однако, несмотря на заманчивую перспективу таких сетей,WiMAXтехнологии находятся в стадии доработки. В настоящее время пока эффективное внедрение их используется для работы в режимах «точка-точка» или «точка - много точек», например, от магистральной точки доступа к ретрансляторам или между ретрансляторами.

Для более наглядного представления использования Wi-Fi и WiMAX технологий на рис. 21 представлена в обобщенном виде структурная схема совместного действия этих технологий.

Соединения с магистралью (например, сетью Internet) осуществляется через «точку доступа к магистрали» - ТДМ.

Связь от ТДМ до базовых станций и клиентских станций может быть двумя способами: или на основе линий связи, например, с помощью волоконно-оптической линии связи, по высокоскоростному каналу передачи данных – ВКПД, или с помощью радио ретрансляторов (РР). При использовании ретрансляторов используется WiMAXтехнология. РР, подключенный к ТДМ может работать в режиме «точка – точка» или «точка – много точек». В зависимости от зоны (трассы) связи с базовыми станциями (БС) могут использоваться промежуточные РР. С базовой станции, в зоне ее действия, сигналWiMAXможет приниматься клиентской станцией, расположенной, например, в здании, с последующей «раздачей» (обмена) потока данных на персональные компьютеры. «Раздача» может происходить или через проводные компьютерные сети, или с помощью беспроводнойWi-Fiтехнологии через «хотспот»(см.рис.21 зону действия БС1).

При WiMAXвозможна связь БС с мобильными персональными компьютерами – абонентскими терминалами (АТ), например , перемещаемыми на транспорте (см.рис.21 зону действия БС2WiMAX- жилой микрорайон).

Wi-Fiтехнология, кроме функций «раздачи» внутри зданий, дополняющихWiMAXсистему, может обслуживать самостоятельно свою, ограниченную условиямиLAN, зону действия, например, близлежащую местность около здания, где расположенWi=Fiхотспот (см. на рис. зону действияWi-Fi).

Рис.Упрощенная схема организации WI-FIиWiMAXрадио доступа.

Основные характеристики Wi-Fi технологии представлены в таблице 2.

Таблица 2

Стандарт	IEEE802.11.b	IEEE 802.11.a	IEEE 802.11.g
Диапазоны радиочастот, ГГц	2,4	5	2,4
*Тип радиосигналов (модуляция)	DSSS	OFDM	OFDM
**Максимальная скорость передачи, Мбит/с	11	54	54

*) DSSS(DirectSequenceSpreadSpectrum) – модуляция с прямым расширением спектра;

OFDM(OrthogonalFrequencyDevisingMultiplexing) – модуляция с ортогональным частотным разделения спектра. Поскольку технология этой модуляции более адаптивна к среде распространения радиоволн в условиях интерференции , то она используется чаще. Стандартом этой технологии предусматривается 64 поднесущих0.

**) Максимальная скорость передачи распределяется между одновременно работающими пользователями.

Касаясь WiMAX технологии можно заметить, что стандарты этой технологии достаточногибкие, с возможностью работы в диапазоне от 2 до 66 ГГц, со значениями полосы занимаемых радиочастот от 1,25 до 20 МГц и адаптивными кодированием и модуляцией.

Автоматический выбор управления и вида модуляции поднесущих OFDMсигналов в радиоканале зависит от его качества (отношения сигнал/помеха), и как одной из причин этого - стационарности или мобильности пользователя и размеров зоны действия системы. В соответствии с этим меняется полоса частот радиосигналов и скорости передачи – от единиц до десятков Мбит/с для мобильных терминалов (стандартаIEEE802.16.е) и - 136 Мбит/с для стационарных пользователей.

В таблице 3 приводятся основные характеристики семейства стандарта IEEE808.16[18].

Таблица 3.

Стандарт	802.16	802.16а	802.16е
Дата принятия стандарта	декабрь 2001	январь 2003	Середина 2004
Частотный диапазон	10 – 66 ГГц	2 – 11 ГГц	2 – 6 ГГц
Скорость передачи	32–135 Мбит/с (максимальная скорость для радиоканала шириной 28 МГц)	до 75 Мбит/с (для канала 28 МГц)	до 15 Мбит/с (для 5 МГц-канала)
Модуляция	QPSK, 16QAM, 64QAM	OFDM 256, QPSK, 16QAM, 64QAM	OFDM 256, QPSK, 16QAM, 64 QAM
Ширина канала	20, 25 и 28 МГц	Регулируемая. 1,5 – 20 МГц	Регулируемая. 1,5 – 20 МГц
Радиус действия	2 – 5 км	7 – 10 км. Макс. радиус 50 км	2 – 5 км
Условия работы	Прямая видимость	Прямая и непрямая видимость (возможность работы на отраженных лучах распространения радиоволн)	Прямая и непрямая видимость (возможность работы на отраженных лучах распространения радиоволн)

Наряду с квадратурной фазовой манипуляцией QPSK(QuadraturePhoseShiftKeying) может применяться и квадратурная амплитудная модуляция –QAM(QuadratureAmplitudeModulation) технологииOFDM(OFDM256 – имеет 256 поднесущих). Заметим, что максимальные скорости реализуются при модуляции 64QAM. Планируется дляIEEE802.16е при применениеOFDMA(A-Access, т.е.OFDMс множественным доступом) использование нескольких вариантов количества поднесущих от 128 до 2048 и расширение диапазона несущих до 11 ГГц [18].

Не останавливаясь на анализе конкретных внутрисистемных протоколов и учитывая, что технологии WiMAX строятся по общепринятой для современных открытых систем OSI (Open System Interconnection) основе семиуровневой модели взаимодействия, интересно выделить архитектуры доступа пользователей на нижних уровнях, уровнях доступа к средеMAC(MediaAccessControl) и физической среде.

Подуровень конвергенции

Уровень доступа к среде (МАС)

Подуровень управления передачей/приемом

Физическая среда

Рис. Архитектура доступа пользователей в многоуровневой модели.

На рис. показаны [18] отдельные источники данных во взаимодействии с моделью указанных уровней. Подуровень конвергенциипредопределяет доступность работы с транспортными технологиями – цифровой телефонией,IP,VOIP, цифрового телевидения, системами, работающими в режиме асинхронной передачи –AMT(AsynchronousTransMode) и т.д. Т.е. этот подуровень выполняет интерфейсные функции, соответствующие узлу ИД на рис. 1. На уровне доступа к среде - MACпротокол между базовой и пользовательской станциями (для мобильного пользователя – терминалами) определяет характеристики доступа к радиоканалу. В системе нет общего центра коммутации, как в сотовой связи, а применяется так называемый «многоточечный доступ с распределением по запросу» -DAMA(DemandAssignedMultipleAccess). С помощьюMACрешаются задачи организации связи как «вниз», так и «вверх». Дополнительно может решаться также задача по защите пользовательской информации с помощью методов криптографии.

На физическом уровнеосуществляется управление передачей/приемом данных и формирование протокола радиопередачи и сама передача по радиоканалу (физической среде). Может использоваться два вида дуплекса: частотный и временной.

В обобщенном виде структуру формата кадра радиоинтерфейса в стандарте IEEE802.16 можно представить в виде рис.

Заголовок МАС, 48 ¸ 56 бит

Информационная часть (переменный размер)

Контрольные биты

Рис.Структура кадра радиоинтерфейса WiMAX.

Перспективы реорганизации инфраструктуры сетей связи для передачи данных. NGN.

Для реализации систем связи с большими скоростями передачи данных мультимедийного уровня, необходима реорганизация всей сети связи (скажем городского или межрегионального ровней), т.е. – постепенный переход к сетям следующего поколения. Такого рода перспективой являются сети NGN(NewGenerationNеtworks), с инфраструктурой, на которую планируется поэтапно переводить существующие сети связи.NGN[20] – это единая сеть, которая обеспечивает многочисленные услуги (передачи речи, данных, видеоинформации и т.д.), предоставляемые на различные терминальные устройства, как стационарные, так и мобильные. Причем все эти услуги и приложения к ним могут обеспечиваться через канал доступа на все терминалы пользователя (см. рис.1), независимо от того, какой это канал проводной или беспроводной.

Основой построения такой сети служит пакетная передача данных с Internetпротоколом (IP), т.е. все услуги транспортируются по общейIP-сети.IP-протокол на сетяхNGNможет стать универсальным «сервисным интергратором» для телефонии, передачи данных и видеоприложений, в том числе и услугInternetсети. Поскольку с помощьюIP-протокола начинается и заканчивается обработка поступающей информации непосредственно в терминалах, сеть становится «прозрачной» от одного пользователя до другого, что значительно унифицирует работу служб управления и обслуживания такой сети.

Таким образом при дальнейшем решении проблемы высокоскоростной передачи данных планируется реструктуризация инфраструктуры построения сетей связи, взаимодействующих с традиционными службами мобильной связи через соответствующие шлюзы доступа.

Обобщение результатов оценки организации передачи данных в ПНС

Подытоживая выше рассмотренные принципы и методы организации передачи данных в ПНС для обобщенного представления их эволюции на рис. 24 для сравнения показаны значения скоростей передачи данных для большинства из рассмотренных систем ПНС.

Рис. Обобщенное представление о системном развитии передачи данных в подвижной связи общего пользования.

На рисунке не показаны характеристики для транкинговых систем и Wi-Fi технологий.

Транкинговые системы относятся к профессиональной (ведомственной) связи и их развитие идет по пути аналогичному для сотовых систем общего пользования. (Например, для действующих систем цифрового стандарта TETRAскорость передачи может достигать от 7,2 до 28,87 кбит/с).ХарактеристикиWi-Fi–технологий не показаны по причине ее низкой мобильности из-заLANназначения. Пунктиром показаны характеристики которые ожидаются в перспективе.

Анализируя сегодняшнее состояние и ближайшие перспективы передачи данных мобильнымпользователям во взаимосвязи величины скорости передачи, подвижности пользователя и размеров зоны действия систем (следовательно, и числа пользователей), можно увидеть некую обратную зависимость скорости передачи, приходящейся на одного пользователя, от подвижности пользователя и размеров зоны покрытия. Так, в глобальных системах, использующих спутниковую связь, скорости исчисляются десятками кбит/с, в региональных и межрегиональных сетях, обслуживаемых сотовой связью, скорости могут достигать, в лучшем случае, сотен кбит/с. В локальных зонах действия, охватывающие отдельные части города, кварталы или крупные бизнес-центры, которые могут обслуживаться как сотовой связью, так и системами широкополосного доступа, скорости могут достигать от несколько сотен кбит/с до единиц Мбит/с. И наконец, для помещений зданий при использовании широкополосного доступа (сетиPANиLAN) скорости могут достигать десятки-сотни Мбит/с.

85