Лекции 2010-го года (1130544), страница 44
Текст из файла (страница 44)
Цифровая сотовая радиосвязьЗдесь мы рассмотрим иной подход к беспроводной сетевой связи, отличающийся от того,что мы рассматривали для беспроводных LAN. Он основан на идеях сотовой радиосвязи,предшественником которой была система AMPS, которую мы рассматривали впредыдущей главе. Эти системы ближе к телефонным, так как они ориентированы наустановление соединения на каждый звонок, а не на пакет. Установление соединения вэтих сетях может длиться минуты, а не доли секунд. В этом разделе мы рассмотрим, каквыделяются каналы и устанавливаются соединения в двух системах – GSM и CDMA.4.2.7.1.
GSM – Глобальная система для мобильной связиСистемы сотовой радиосвязи на физическом уровне мы достаточно подробнорассматривали в главе 2. Хотя первые системы сотовой радиосвязи были аналоговыми, ихпотомки стали цифровыми. Этому есть, как мы уже говорили, как минимум три причины:природа оцифрованных данных не важна, а поэтому можно интегрировать в одноми том же канале и голос, и факс, и данные• для оцифрованных данных есть хорошие алгоритмы сжатия, обнаружения иисправления ошибок•18•данные в цифровой форме можно шифровать с целью безопасностиКонечно, было бы весьма желательно создать один стандарт для всех в области сотовойсвязи.
Однако, как мы уже отмечали, в области радиосвязи это невозможно. В США иЯпонии, созданы свои системы IS-54 и JDC, выделены свои диапазоны частот, отличныеот Европейских.Европейская система GSM, которая с самого начала создавалась как цифровая, свободнаот каких-либо компромиссов ради достижения совместимости с уже существующимисистемами. На сегодня эта самая распространенная система, которая есть и в США,правда в несколько отличном от европейского диапазона частот. В Европе используютчастоты 900 и 1800 МГц, а в США - 1900 МГц.Рисунок 4-12.
Устройство GSM-каналовНапомним, что в каждой соте выделается до 200 каналов: 124 канала - для абонентов,остальные - резервные и служебные. Каждый канал состоит из двух полос: входящей – отбазы к мобильной станции (терминалу) и исходящей – от мобильной станции (терминала)к базе. Каждая полоса имеет ширину в 200 кГц (рисунок 4-12). Каждый из 124 частотныхканалов может поддерживать до 8 соединений, используя технику TDMмультиплексирования.
Теоретически может быть до 992 соединений одновременно.Однако не все каналы используются в интересах качества передачи из-за частотныхконфликтов между каналами. На рисунке 4-13 показана иерархия кадров в GSM, котораяимеет достаточно сложную структуру. Каждый TDM-слот состоит из 8 кадров данных по148 бит каждый. Один 1250-битовый TDM-кадр занимает 4,615 мсек. TDM-кадрыобъединяются в 26-слотовый мультикадр, который занимает 120 мсек. Кроме этого, есть51-слотовый мультикадр, который не показан на рисунке и который используется длянескольких каналов управления на системном уровне.
Например, таких, как каналуправления сотой – по этому каналу передается информация для поддержки базы данныхсоты, канал общего управления, который отвечает за регистрацию новых мобильныхтерминалов, поступивших в зону соты, выделение слотов для таких терминалов и многоедругое.Рисунок 4-13. Иерархия кадров в GSM194.2.7.2. CDMA (Code Division Multiple Access) – множественный доступна основе разделения кодовGSM – пример системы, где использована довольно сложная комбинация техник FDM,TDM, ALOHA для беспроводной сотовой связи.
В ней ни один из пользователей системыне может использовать всю полосу пропускания, предоставленную системе. Если приэтом принять в расчет сужение полосы пропускания из-за проблем на границе сот,падение мощности сигналов от мобильных терминалов в пограничных сотовых зонах,накладных расходов на шифрование в целях безопасности, то становится ясно, чтовысокую скорость передачи в этой системе получить не просто.Метод CDMA основан на принципиально иной идеи – каждый участник связи можетиспользовать всю полосу пропускания канала.
У каждого свой уникальный «язык»,поэтому все могут говорить сразу. Понимать друг друга будут только те, кто говорит наодном языке.В CDMA-системе каждый бит сообщения кодируется последовательностью из m частиц.Бит со значением 0 передается инвертированной последовательностью частиц, бит 1 –прямой. Каждой мобильной станции присваивается уникальный код – последовательностьчастиц.Ясно, что такая техника возможна, только если при увеличении объема передаваемойинформации будет пропорционально увеличиваться ширина полосы пропускания.
Прииспользовании техники FDM канал 1 МГц может быть разделен на 100 подканалов по 10кГц каждый. Таким образом, мы сможем осуществлять передачу по таким подканалам соскоростью 10 кбит/сек. (1 бит на 1 Гц). В случае CDMA каждый может использовать всюполосу, т.е. 1 МГц. Если мы будем использовать 10-разрядные последовательности частиц(что предполагает 210 разных последовательностей), то сможем передавать данные соскоростью 100 кбит/сек.Кроме этого, поскольку каждая станция имеет уникальную последовательность частиц, тоне требуется дополнительного шифрования. Отсюда ясно преимущество CDMA поотношению к TDM- и FDM-техникам.Идея уникальности последовательности частиц для каждой станции основана наортогональных кодах.
Суть этих кодов состоит в следующем: если обозначитьпоследовательности частиц для станции S как S, а для станции T - T, то20На рисунке 4-14 приведен пример, поясняющий механизм работы ортогональныхпоследовательностей.Рисунок 4-14. Метод ортогональных последовательностейКак получатель узнает последовательность частиц отправителя? Например, за счетсоответствующего быстродействия он может слышать всех, обрабатывая алгоритмомдекодирования для каждой последовательности в параллель.
На практике поступаютнесколько иначе. Однако мы не будем здесь заниматься этим вопросом.Раздел 4.3. Стандарт IEEE 802 для локальных имуниципальных сетей.Перейдем от изучения абстрактных протоколов к рассмотрению конкретных стандартов,используемых в реальных транспортных системах. Все стандарты для локальных сетейсконцентрированы в документе IEEE 802. Этот документ разделен на части. IEEE 802.1содержит введение в стандарты и описание примитивов. IEEE 802.2 описывает протоколLLC (Logical Link Control – управление логическим каналом), который является верхнейчастью канального протокола. Стандарты с IEEE 802.3 по IEEE 802.5 описываютпротоколы CSMA/CD для локальных сетей, шину с маркером и кольцо с маркером.21Каждый стандарт покрывает физический уровень и МАС-подуровень. К их изучению мыи переходим.4.3.1. Стандарт IEEE 802.3 и EthernetСтандарт IEEE 802.3 относится к 1-настойчивым протоколам CSMA/CD для локальныхсетей.
Напомним, что прежде чем начать передачу, станция, использующая такойпротокол, опрашивает канал. Если он занят, то она ждет и как только он освободится, онаначинает передачу. Если несколько станций одновременно начали передачу, то возникаетколлизия. Тут же передача прекращается. Станции ожидают некоторый случайныйотрезок времени, и все начинается сначала.Стандарт IEEE 802.3 имеет очень интересную историю. Начало положила ALOHA. Потомкомпания XEROX построила CSMA/CD канал на 2,94 Мбит/сек., объединивший 100персональных компьютеров на 1 километре кабеля. Эта система была названа Ethernet(сетевой эфир) по аналогии с люминофорным эфиром, который был той средой, котораяпередавала свет.
Когда Максвелл теоретически описал электромагнитное излучение,долгое время считалось, что оно распространяется в некоей среде - эфире. И лишь в 1887году Мейхельсон и Морли экспериментально показали, что электромагнитное излучениеможет распространяться в вакууме.Ethernet Xerox’а получил такой большой успех, что Xerox, DEC и Intel решилиобъединиться и создали Ethernet 10 Мбит/сек.
Эта разработка и составила основустандарта IEEE 802.3. Отличие стандарта от оригинальной разработки состояло в том, чтостандарт охватывал все семейство 1-настойчивых алгоритмов, работающих со скоростьюот 1-10 Мбит/сек. Есть отличия в заголовке кадров. Стандарт определяет также параметрыфизической среды для 50-омного коаксиального кабеля.4.3.1.1. IEEE 802.
КабелиВсего по стандарту допускается четыре категории кабелей, которые перечислены втаблице 4-15. Исторически первым был так называемый «толстый» Ethernet - 10Base5. Этожелтого цвета кабель с отметками через каждые 2,5 метра, которые указывают, где можноделать подключения. Подключение делается через специальные розетки с трансивером,которые монтируются прямо на кабеле. 10Base5 означает, что кабель обеспечиваетпропускную способность на 10 Мбит/сек., использует аналоговый сигнал, и максимальнаядлина сегмента равна 500 метров.Таблица 4-15. Наиболее распространенные средства передачи данных стандарта IEEE 802НазваниеТип кабеляМаксимальнаядлина сегментаКол-во узлов на Преимуществасегмент10Base5Толстый коаксиал500 м100Подходит для магистралей10Base2Тонкий коаксиал200 м30Самый дешевый10Base-TВитая пара100 м1024Простое обслуживание10Base-FОптоволокно2000 м1024Идеально для соединения зданийВторым исторически появился кабель 10Base2 - «тонкий» Ethernet.
Это более простой вупотреблении кабель с простым подключением через BNC-коннектор. Этот коннекторпредставляет собой Т-образное соединение коаксиальных кабелей. Кабель для тонкогоEthernet дешевле. Однако его сегмент не должен превосходить 200 метров и содержатьболее 30 машин.22Проблемы поиска обрыва, частичного повреждения кабеля или плохого контакта вконнекторе привели к созданию совершенно иной кабельной конфигурации на витой паре.Здесь каждая машина соединена со специальным устройством - хабом (hub) витой парой.Этот способ подключения называется 10Base-T.Данные три способа подключения показаны на рисунке 4-16. В 10Base5 (рисунок 4-16 (a))трансивер размещается прямо на кабеле.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
