Типы сетей беспроводного абонентского радиодоступа и методы многоканального доступа

[gl]Тема 2. Типы сетей беспроводного абонентского радиодоступа и методы многоканального доступа. [:]

Рассматриваемые вопросы:

1.Абонентский доступ. Понятие. Сравнение различных видов организации абонентского доступа.

2.Перспективы развития беспроводного способа организации абонентского доступа.

3.Методы множественного/многоканального доступа. Принципы разделения каналов в МДЧР и МДВР.

4.Принципы кодового разделения каналов.

5. Широкополосные  сигналы и их использования.

Основная литература:

1.Карташевский В.Г. и др. Сети подвижной связи/ Карташевский В.Г., Семенов С.Н., Фирстова Т.В. – М:Экотрендз, 2001

Рекомендуемые материалы

2.Ратынский М.В. Основы сотовой связи/ Под ред. Д.Е.Зимина. – 2-е изд., перераб и доп. – М: Радио и связь, 2000

3.Телекоммуникационные системы и сети: Учебное пособие. Том 2. – Радиосвязь, радиовещание, телевидение/ Катунин Г.П., Мамчев Г.В., Попантонопуло В.Н., Шувалов В.П.; под ред. Шувалова В.П. – Изд.2-е, испр. И доп. – М:Горячая линия – Телеком, 2005.

Дополнительная литература:

1.Денисьева О.М., Мирошников Д.Г. Средства связи на «последней мили».-М.: Эко-Трендз, 1999., 136 стр.

2. Интернет ресурсы.

Термин "последняя миля"- это  участок сети связи от телефонной (коммутационной) станции до абонентских оконечных устройств. Другое обозначение того же понятия - сеть абонентского доступа. Оба определения берут свое начало от английских выражений ("Last Mile" и "Access Network"). Интерес к участку "последней мили" резко возрос в развитых странах в конце 80-х - начале 90-х годов (ХХ-века), когда, с одной стороны, стало ясно, что одни лишь услуги аналоговой телефонии перестали удовлетворять пользователей, а, с другой стороны, прошла модерниза­ция и цифровизация магистральных сетей и коммутационных станций, позволившая удовлетворить потребность в новых услугах. Однако уже в начале 90-х годов появились технологии, позволившие снять напряжен­ность на участке доступа. Прежде всего, это гамма решений xDSL, давших новую жизнь мед­ным абонентским линиям. Одновременно с модернизацией медных линий полным ходом шло развитие сетей абонентского доступа, основанных на использовании оптических кабелей и радиоканалов.

Рынок средств связи для "последней мили" в настоящее время стремительно развива­ется. Появилась необходимость резкого расширения абонентской распредели­тельной сети, что может явиться непростой задачей для традиционного кабельного решения, особенно если новая АТС устанавливается в районе, где кабельная канализация перегружена или отсутствует.

Стремительное развитие рынка средств связи является следствием рест­руктуризации отрасли, появлением значительного числа инвесторов и собственников средств связи. Одновременное развитие рыночных отношений в других сферах экономики привело к бурному росту числа предприятий различных форм собственности, а значит и росту числа новых абонентов (пользователей), преимущественно делового сектора. Такие абоненты, как правило, нуждаются не только в телефонной связи, но и в подключении к электронной почте, получении видеоконференцсвязи, услуг интеллектуальной сети и ISDN, доступе к сети Internet и всевозможным базам данных. Все это требует развития сетей абонентского доступа. Простое увеличение числа мед­ных кабелей далеко не всегда целесообразно по экономическим показателям. Современная индустрия средств связи для "последней мили" предлагает несколько альтернативных реше­ний. В тех случаях, когда прокладка кабельных линий, а также для мобильного развертывания сети доступа нецелесообразна, эффективным может оказаться беспроводное подключение    абонентов (Wireless Local Loop). Ниже в таблице даны сравнительные характеристики этих способов.

Таблица - Основные способы решения проблемы «последней мили»

Примечание: Знаком (+) показано определенное преимущество способа перед другими; знаком (-) - дан­ный способ проигрывает по сравнению с другими

Радиодоступ (радиоудлинение) или беспроводное подключение (WLL - Wireless Local Loop) обеспечивает максимальную мобильность и оперативность связи, является быстрым способом организации связи, особенный эффект достигается, если прокладка кабеля связана со значительными затратами, или невозможна (например, в помещениях, имеющих железобе­тонные полы и стены, и т.д.) или нецелесообразна (например, в помещении, снятом на корот­кий срок). Полоса пропускания для систем радиодоступа также ограничивается частотным ресурсом.

В настоящее время все большее распространение для организации абонентского ра­диодоступа начинают получать системы WLL, как наиболее экономичные и отвечающие ос­новным задачам операторов связи.

При сравнении способов организации абонентского доступа необходимо учесть сле­дующее. Системы WLL по сравнению с кабельной распределительной сетью имеют: меньшую трудоемкость строительно-монтажных работ, следовательно более короткие сроки ввода в эксплуатацию; меньшие начальные затраты и малый срок окупаемости; большую гибкость и легкую транформацию; несомненные преимущества при сооружении сети на сильно пересеченной местности с большим числом водных преград и водоемов, а также в случае сложных грунтов.

Применение оборудования WLL экономически оправдано во многих практических при­ложениях, например: при создании операторами новой сети радиодоступа с частичным использованием су­ществующих линейно-кабельных сооружений в городских и пригородных районах; при телефонизации сельских районов, где телефонная плотность (число абонентов на квадратный километр) невелика и прокладка длинных кабельных абонентских линий мо­жет оказаться невыгодной;  при подключении абонентов в условиях отсутствия свободных пар в кабеле на абонент­ском участке ГТС ( при средней телефонной плотности); при невозможности прокладки кабеля, например, в труднодоступных районах; при организации временной связи, например, для организации выставок.

Понятие многоканального доступа связано с организацией совместного использования ограниченного участка спектра многими пользователями. Субъект, организующий информационный обмен, самостоятельно выбирает степень защиты информации, может произвольно определять местоположение абонентов; защищенный информационный обмен организуется с тем же территориальным доступом, с которым реализуется обмен незащищенный; требуется взаимное доверие только от взаимодействующих абонентов. Одним из вопросов, возникающих на этом пути, является оценка доступности для злоумышленника используемых линий связи и коммутационных узлов государственной сети. По состоянию правопорядка на настоящее время приходится ориентироваться на полную доступность всех линий и коммутационного оборудования. Препятствием можно считать только технические сложности при перехвате уплотненного магистрального канала или неудобства доступа к кабельным линиям. В случае использования радиовставок для удаленных или подвижных абонентов следует ориентироваться на полную незащищенность их от перехвата.

В системах радиосвязи (беспроводной связи) широко используются самые различные технологии организа­ции множественного (многоканального) доступа, в частности, следующие:

FDMA (Frequency Division Multiple Access) - множественный доступ с частотным разде­лением, при этом выделенный для определенной системы спектр делится на полосы частот, в которых осуществляется передача канальной информации от разных абонентов;

TDMA (Time Division Multiple Access) - множественный доступ с временным разделени­ем, при этом выделенная полоса частот предоставляется для передачи канальной информа­ции на определенный короткий промежуток времени, в следующий промежуток времени осу­ществляется передача информации от другого абонента;

CDMA (Code Division Multiple Access) - множественный доступ с кодовым разделением, сообщения от абонентов шифруются и передаются одновременно, этот способ имеет опре­деленные достоинства (например, скрытность информации), но при этом для передачи тре буется довольно широкая полоса частот, что может быть недостатком при ограниченности частотного ресурса.

Наиболее широко в оборудовании радиодоступа применяются перечисленные ниже стандарты: СТ-2 (и ее модификации), DECT (PRE-DECT). CDMA (IS-95), D-AMPS. MGW Hopping (MultiGain Wireless).

Технология СТ-2 использует метод множественного доступа с частотным разделением каналов FDMA, совмещенный с временным дуплексным разделением режимов передачи и приема TDD. при котором в одном временном интервале осуществляется передача сообще­ния от абонента, а в следующий момент - прием сообщения от базовой станции. Таким обра­зом используется только одна несущая частота для передачи и приема информации.

Такой стандарт принят, например, для создания системы Telepoint. предназначенной для связи подвижных абонентов с абонентами фиксированной сети. Эта система получи­ла в Европе широкое распространение: в Великобритании это системы Phonepoint и Zonephone, в Германии это служба Birdie. Стандарт СТ-2 обеспечивает конфиденциальность переговоров и высокое качество приема речевых сообщений.

В стандарте DECT используется временное разделение каналов TDMA в сочетании с таким же, как в стандарте СТ-2, временным дуплексным разделением TDD. Предусматривает­ся возможность присоединения к цифровым сетям ISDN. Технология DECT может применять­ся как для построения оборудования абонентского радиодоступа, так и радиотелефонной бесшнуровой связи.

В странах СНГ, в том числе России разрешено применение оборудования стандартов СТ-2, работающее в полосе частот 864-868,2 МГц, и оборудование DECT, работающее в полосе 1880-1900 МГц.

МДЧР (многоканальный доступ с частотным разделением каналов) или FDMA  является наиболее простым и распространенным методом, используемым как в аналоговых, так и цифровых системах БС.

В системах с МДЧР передача может осуществляться как многоканальными сигналами, так и одноканальными с использованием принципа передачи "один канал на несущей" (ОКН). Метод ОКН применяют в основном в сети станций с небольшим числом каналов. Основное преимущество метода состоит в возможности реализации принципа предоставления каналов по требованию. Метод МДЧР широко используется в ССС "Интерспутник", Intelsat, национальных ССС многих стран. Данный метод сложно использовать для подключения большого числа компьютерных абонентских станций и сетей ЭВМ (беспроводных локальных сетях).

Метод МДВР (многоканальный доступ с временным разделением каналов) или TDMA нашел применение в связи с реализацией цифровых методов передачи. Метод МДВР получает развитие для передачи данных большого числа абонентских станций, подключенных к сети цифровой телефонной связи.

Принципы кодового разделения каналов связи (CDMA -Code Division Multiple Access) основаны на использовании широкополосных сигналов (ШПС), полоса которых значительно превышает полосу частот, необходимую для обычной передачи сообщений, например, в узкополосных системах с частотным разделением каналов (FDMA).

Данный способ организации каналов применяется в сотовой системе подвижной радиосвязи общего пользования с кодовым разделением каналов (CDMA). Технология  впервые была разработана фирмой Qualcomm (США). Основная цель разработки состояла в том, чтобы увеличить емкость системы сотовой связи по сравнению с аналоговой не менее, чем на порядок и, соответственно, увеличить эффективность использования выделенного спектра частот.

В каналах системы CDMA применяется сверточное кодирование со скоростью 1/2 (в каналах от базовой станции) и 1/3 (в каналах от подвижной станции), декодер Витерби с мягким решением, перемежение передаваемых сообщений. Общая полоса канала связи составляет 1,25 МГц.

В стандарте используется раздельная обработка отраженных сигналов, приходящих с разными задержками, и последующее их весовое сложение, что значительно снижает отрицательное влияние эффекта многолучевости. При раздельной обработке лучей в каждом канале приема на базовой станции используется 4 параллельно работающих коррелятора, а на подвижной станции -3 коррелятора. Наличие параллельно работающих корреляторов позволяет осуществить мягкий режим "эстафетной передачи" (Soft Handoff) при переходе из соты в соту. Мягкий режим "эстафетной передачи" происходит за счет управления подвижной станцией двумя или более базовыми станциями. Транскодер, входящий в состав основного оборудования, проводит оценку качества приема сигналов от двух базовых станций последовательно кадр за кадром. Процесс выбора лучшего кадра приводит к тому, что результирующий сигнал может быть сформирован в процессе непрерывной коммутации и последующего "склеивания" кадров, принимаемых разными базовыми станциями, участвующими в "эстафетной передаче". Мягкое переключение обеспечивает высокое качество приема речевых сообщений и устраняет перерывы в сеансах связи, что имеет место в сотовых сетях связи других стандартов.

Широкополосной называется система, которая передает сигнал, занимающий очень широкую полосу частот, значительно превосходящую ту минимальную ширину полосы частот, которая фактически требуется для передачи информации. Так например, низкочастотный сигнал может быть передан с помощью амплитудной модуляции (AM) в полосе частот, в 2 раза превосходящей полосу частот этого сигнала. Другие виды модуляции, такие как частотная модуляция (ЧМ) с малой девиацией и однополосная AM, позволяют осуществить передачу информации в полосе частот, сравнимой с полосой частот информационного сигнала. В широкополосной системе исходный модулирующий сигнал (например, сигнал телефонного канала) с полосой всего несколько килогерц распределяют в полосе частот, ширина которой может быть несколько мегагерц. Последнее осуществляется путем двойной модуляции несущей передаваемым информационным сигналом и широкополосным кодирующим сигналом.

Основной характеристикой широкополосного сигнала является его база В, определяемая как произведение ширины спектра сигнала F на его период Т.

В результате перемножения сигнала источника псевдослучайного шума с информационным сигналом энергия последнего распределяется в широкой полосе частот, т. е. его спектр расширяется.

Метод широкополосной передачи был открыт К. Е. Шенноном, который первым ввел понятие пропускной способности канала и установил связь между возможностью осуществления безошибочной передачи информации по каналу с заданным отношением сигнал/шум и полосой частот, отведенной для передачи информации. Для любого заданного отношения сигнал/шум малая частота ошибок при передаче достигается при увеличении полосы частот, отводимой для передачи информации.

Следует отметить, что сама информация может быть введена в широкополосный сигнал несколькими способами. Наиболее известный способ заключается в наложении информации на широкополосную модулирующую кодовую последовательность перед модуляцией несущей для получения широкополосного шумоподобного сигнала ШПС.

Контрольные вопросы:

Лекция "Литература Великобритании" также может быть Вам полезна.

1.Перечичлить основные типы сетей беспроводного абонентского доступа.

2.Многоканальный доступ: преимущества и недостатки.

3.Объяснить принцип МДЧР и МДВР.

4.Пояснить кодовое разделении е каналов.

5.Основные характеристики широкополосного сигнала.[kgl]