Мобильные телекоммуникации

Мобильные телекоммуникации

В 80-х – 90-х годах весьма активное развитие получила мобильная телефония. В последнее время услуги мобильной связи стали применяться и для передачи цифровых данных. Мобильные телекоммуникации использует диапазоны в интервале 50 МГц – 1 ГГц. Мобильные системы работают при малых выходных мощностях передатчика, что ограничивает размер зоны приема. Вне этой зоны другие передатчики могут функционировать независимо. Такие зоны называются сотами (ячейками). По аналогии с пчелиными сотами их часто изображают шестигранными, хотя реально они могут иметь самую причудливую форму в зависимости от профиля местности. Ячейки должны перекрываться, так как показано на рис.1

Рис. 1. Схема расположения ячеек при сотовой связи

Светлыми кружками отмечены реальные границы ячеек, их перекрытие должно обеспечить перекрытие всей зоны телекоммуникаций. В центре ячейки находится базовая станция ретранслятор. Такая станция содержит в себе ЭВМ и приемо-передатчик, соединенный с антенной. Такие системы могут обслуживать пейджерную или мобильную телефонную сеть. Пейджерные каналы однонаправлены а телефонные двунапрвлены (см. рис. 2). Пейджинговые системы требуют небольшой полосы пропускания. А одно сообщение редко содержит более 30 байт. Большинство современных пейджигновых систем работает в частотном диапазоне 930-932 МГц (старые занимали 150-174 МГц).

Рис. 2. Каналы пейджерной (слева) и мобильной телефонной сети (справа).

В небольших системах все базовые станции соединены с MTSO(mobile telephone switching office). В больших сетях может потребоваться несколько MTSO, которые в свою очередь управляются mtso следующего уровня и т.д.. Узловая MTSO соединена со станцией коммутируемой телефонной сети. В любой момент времени каждый мобильный телефон логически находится в одной определенной ячейке и управляется одной базовой станцией. Когда телефон покидает ячейку, базовая станция обнаруживает падение уровня сигнала и запрашивает окружающие станции об уровне сигнала для данного аппарата. Управление аппаратом передается станции с наибольшим входным сигналом. Телефон информируется о смене управляющей станции, при этом предлагается переключиться на новый частотный канал (в смежных ячейках должны использоваться разные частотные каналы). Процесс переключения занимает около 300 мсек (handoff), что должно быть практически незаметно для пользователя. Присвоением частот управляет MTSO. Сигнал передатчика падает по мере удаления от центра ячейки, где он должен быть расположен. Там же должен находиться и приемник. В пределах ячейки предусмотрено несколько каналов для приема/передачи, разнесенные по частоте. Эти каналы управляются центральным коммутатором ячейки (MSC – mobile-service switching centre).

В рамках американского стандарта первого поколения AMPS (advanced mobile phone service; 1982) формируется 40 МГц канал в интервале 800-900 МГц. Система использует 832 полнодуплексных каналов. Данный частотный диапазон делится пополам, 20 МГц выделяется для передачи и столько же для приема. Данные диапазоны делятся в свою очередь на 666 двусторонних каналов, каждый по 30 кГц. Эти каналы расщепляются на 21 субканал, сгруппированные по 3. Обычно, как показано на рис.1, гексагональные ячейки группируются по 7 (центральная и 6 ее соседей). Имея 666 каналов, можно выделить три набора по 31 каналу для каждой ячейки. Такая схема удобна в случае возникновения необходимости увеличения числа каналов, для этого достаточно уменьшить размер ячейки – число ячеек увеличится и, как следствие, увеличится число каналов на единицу площади. В хорошо спланированной сети плотность ячеек пропорциональна плотности пользователей. AMPS для разделения каналов использует метод мультиплексирования по частоте.

Каждый мобильный телефон в amps имеет 32-битовый серийный номер и телефонный номер, характеризуемый 10 цифрами. Телефонный номер представляется как код зоны (3 десятичные цифры) и номер подписчика (7 десятичных цифр). Когда телефон включается, он сканирует список из 21 управляющих каналов и находит тот, у которого наиболее мощный сигнал. Управляющая информация передается в цифровой форме, хотя сам голосовой сигнал является аналоговым. При нормальной работе мобильный телефон перерегистрируется в MTSO (mobile telephone switching office) каждые 15 мин.

При осуществлении вызова пользователь набирает номер телефона и нажимает кнопку send. Аппарат посылает набранный номер и свой идентификационный код. Базовая станция принимает вызов и передает его MTSO. Если звонящий является клиентом mtso или ее партнером, ишется свободный канал и мобильный телефон переключается на него, ожидая когда адресат снимет трубку.

В режиме приема аппарат постоянно прослушивает канал пейджинга, чтобы обнаружить обращенный к нему вызов. Осуществляется обмен командными сообщениями с MTSO, после чего раздается звонок вызова.

Аналоговые сотовые телефоны не обеспечивают конфиденциальности. С помощью широкополосного сканера можно зафиксировать вызов и осуществить прослушивание. Другим недостатком является возможность кражи эфирного времени. Вседиапазонный приемник, подключенный к ЭВМ, может записать 32-битовый серийный номер и 34-битовый телефонный номер всех телефонов, работающих поблизости. Собрав такие данные вор может по очереди пользоваться любым из перехваченных номеров.

AMPS базируется на аналоговой модуляции, существует еще полдюжины аналогичных не стыкуемых друг с другом систем. В последнее время аналоговая модуляция повсеместно вытесняется цифровой. В Европе принят единый стандарт для систем мобильной связи GSM (groupe special mobile, второе поколение мобильных средств связи). gsm использует диапазоны 900 и 1800 МГц. Это довольно сложный стандарт, его описание занимает около 5000 страниц. Идеологически система имеет много общего с ISDN (например, переадресацию вызовов). GSM имеет 200 полнодуплексных каналов на ячейку, с полосой частот 200 кГц, что позволяет ей обеспечить пропускную способность 270,833 бит/с на канал. Каждый из 124 частотных каналов делится в GSM между восемью пользователями (мультиплексирование по времени). Теоретически в каждой ячейке может существовать 992 канала, на практике многие из них недоступны из-за интерференции с соседними ячейками.

Система мультиплексирования по времени имеет специфическую структуру. Отдельные временные домены объединяются в мультифреймы. Упрощенная схема структуры показана на рис. 3.

Рис. 3. Структура кадров в GSM

Каждый временной домен (TDM) содержит 148-битовый кадр данных, начинающийся и завершающийся последовательностью из трех нулей. Кадр имеет два 57-битовых поля данных, каждое из которых имеет специальный бит, который указывает на то, что лежит в кадре — голос или данные. Между информационными полями размещается поле синхронизации (Sync). Хотя информационный кадр имеет длительность 547 мксек, передатчику позволено передавать его лишь раз в 4615 мксек, так остальное время зарезервировано для передачи другими станциями. Если исключить накладные расходы каждому соединению выделена полоса (без учета сжатия данных) 9600 кбит/с.

Восемь информационных кадров образуют TDM-кадр, а 26 TDM-кадров объединяются в 128-микросекундный мультифрейм. Как видно из рисунка 4.1.8.1.2 позиция 12 в мультифрейме занята для целей управления, а 25-я зарезервирована для будущих применений. Существует также стандарт на 51-позиционный мультифрейм, содержащий больше управляющих вставок. Управляющий канал используется для регистрации, актуализации положения и формирования соединения. Каждая стационарная станция поддерживает базу данных, где хранится информация обо всех обслуживаемых в данный момент клиентах. Общий управляющий канал делится на три субканала. Первый служит для обслуживания вызовов (paging channel), второй (random access channel) реализует произвольный доступ в рамках системы ALOHA (устанавливаются параметры вызова). Третий субканал служит для предоставления доступа (access grant channel).

Алгоритмы обслуживания мобильной связи достаточно нетривиальны. Из рисунка 4.1.8.1.1 видно, что области перекрываются (иначе бы существовали «мертвые» зоны без связи). Существуют даже субобласти, накрываемые тремя MSC. По это причине процедура должна четко определить, с каким из MSC клиент должен быть связан, и при каких условиях его следует переключить на соседний MSC, не прерывая связи. Система должна также компенсировать падение сигнала, иногда достаточно резкое, чтобы обеспечить комфортную связь и безошибочную передачу информации. По этой причине частота ошибок (BER) в таких сетях составляет 10^-3 (против 10^-6 для обычных стационарных цифровых каналов связи). Следует иметь в виду, что в условиях города сигнал падает пропорционально не квадрату, а четвертой степени расстояния. На распространение радиоволн в городе влияют ориентация улиц (до 20 дБ), туннели (до 30 дБ) и листва деревьев в сельской местности (до 18 дБ).

GSM — система базирующаяся в основном на коммутации каналов. Применение модема на переносной ЭВМ позволяет подключиться к сети Интернет. Но здесь не все беспроблемно. Базовые станции временами теряют связь друг с другом (переключение с канала на канал), это может приводить к 300 миллисекундным потерям данных. Как уже говорилось выше, здесь высока вероятность ошибок. Так, нажав клавишу «a», можно получить на экране букву «я». Да и расценка за минуту работы в Интернет здесь весьма высока. В связи с этим был разработан стандарт на цифровую систему коммутации пакетов CDPD (Cellular Digital Packet Data). Система работает поверх AMPS. Система обеспечивает информационную пропускную способность на уровне 9,6 кбит/с. CDPD довольно точно следует модели OSI. В CDPD определены три типа интерфейсов. Е-интерфейс (внешний по отношению CDPD-провайдеру) соединяют CDPD-область с определенной сетью. I-интерфейс (внутренний по отношению CDPD-провайдеру) соединяет CDPD-области друг с другом. A-интерфейс (эфирный) используется для связи базовой станции с мобильной ЭВМ. В функции этого интерфейса входит сжатие и шифрование данных, а также исправление ошибок. 274-битные блоки сжатой и зашифрованной информации вкладываются в 378-битовые блоки, предназначенные для коррекции ошибок согласно алгоритму Рида-Соломона. К каждому такому блоку добавляется семь 6-битовых флагов. Результирующие блоки имеют 420 бит и передаются в виде семи 60-битовых микроблоков. Эти микроблоки передаются к базовой станции со скоростью 19,2 кбит/с. Канал с аналогичным быстродействием создается для пересылки информации в противоположном направлении. При обмене применяется мультиплексирование с делением по времени. При этом временные домены имеют длительность 3,125 мсек (60 бит).

Когда мобильная ЭВМ хочет что-то передать, прослушивается канал базовой станции и проверяется флаг, сообщающий, свободен ли входной канал базовой станции. Если канал занят, ЭВМ вместо ожидания до очередного временного домена, пропуская псевдослучайное число временных доменов, после чего повторяет попытку. Если повторная попытка неудачна, время ожидания увеличивается примерно вдвое. Когда, наконец, ЭВМ обнаруживает, что канал свободен, она начинает пересылку своих микроблоков. Предусмотрена процедура, препятствующая попытке всех ЭВМ, готовых к передаче, захватить канал, как только он оказался свободным. Этот алгоритм называется DSMA (Digital Sense Multiple Access). Но, несмотря на применение DSMA, столкновение все же возможно, так как две или более ЭВМ могут воспользоваться одним и тем же временным доменом для начала передачи. Для выявления столкновений предусмотрен специальный флаг, который позволяет судить, корректно ли доставлен предыдущий микроблок. К сожалению это происходит не мгновенно а лишь спустя несколько микроблоков. При обнаружении ошибки передача прерывается. Следует иметь в виду, что информационный обмен имеет более низкий приоритет по отношению передачи голосовых данных. Предусмотрена возможность создания выделенных CDPD-каналов.

GSM использует довольно сложную комбинацию методик ALOHA, TDM и FDM. CDPD для передачи одиночных кадров не вполне согласуется с алгоритмом CSMA. Впрочем существует еще один метод формирования радио каналов — CDMA (Code Division Multiple Access).

Метод CDMA принципиально отличается от описанных выше, которые использовали для дультиплексирования доступа FDM, TDM или ALOHA. CDMA позволяет каждой станции осуществлять передачу во всем частотном диапазоне постоянно. Множественные передачи реализуются с привлечением теории кодирования. Здесь предполагается, что сигналы, совпадающие по времени складываются линейно. В CDMA каждый бит-тайм делится на m коротких интервалов, называемых чипами. Обычно используется 64 или 128 чипов на бит. Каждой станции присваивается уникальный m-битный код (chip sequence). Чтобы передать 1 бит станция посылает свой чип-код. Для простоты далее будем предполагать, что m=8. Для того чтобы послать нулевой бит, посылается дополнение чип-кода по модулю один. Никакие другие кодовые последовательности не разрешены. Например, пусть станции 1 поставлен в соответствие чип-код 01010101, тогда при посылке логической 1 она отправляет код 01010101, а при отправке логического нуля — 10101010. Если имеется канал с полосой 1 МГц и 100 станций с FDM, то каждая из них получит по 10 КГц (10 кбит/c при 1 бите на Гц). При CDMA каждая станция использует весь частотный диапазон, так что будет получена скорость передачи 1 мегачип в секунду. При менее 100 чипов на бит CDMA обеспечивает большую пропускную способность, чем FDM. Для упрощения введем двуполярную нотацию, где нулю соответствует -1, а единице +1. Тогда чип-код станции 1 получит вид -1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 +1. Каждая из станций получает уникальный чип-код. Чип-коды можно представить в виде m-компонентных векторов. Чип-коды выбираются так, что все они попарно ортогональны (не любой уникальный чип-код пригоден, так, если станция 1 имеет чип-код 01010101, то станция 2 не может иметь чип-код 10101001, но чип-код 10100101 вполне допустим). Математически это можно выразить следующим образом:

,

где H_i и G_i компоненты векторов чип-кодов H и G. Это равенство указывает, что число разных компонентов равно числу равных. Если G и H ортогональны, то и =0. В то же время:

[1]

Когда сигналы от разных станций совпадают во времени и складываются, принимающая сторона легко может вычислить наличие соответствующей компоненты. Если компоненты суммарного сигнала S_i, то компоненты G_i вычисляются с помощью произведения S_i*H. Действительно, если:

Здесь первые два слагаемых равны нулю в силу ортогональности выбранных чип-кодов. Последнее же слагаемое равно 1 согласно [1]. Во всех этих рассуждениях предполагалось, что все станции работают синхронно и начинают передачу чип-кодов одновременно.

Для пояснения метода рассмотрим конкретный пример в выше предложенной нотации. присвоим станциям F, G, H, I ортогональные чип-коды:

F=01010101 ? -1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 +1
G=10100101 ? +1 -1 +1 -1 -1 +1 -1 +1
H=10011001 ? +1 -1 -1 +1 +1 -1 -1 +1
I=11111111 ? +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1

Теперь рассмотрим четыре варианта наложений:

Только F ? S₁=[-1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 +1]
F+I ? S₂=[0 +2 0 +2 0 +2 0 +2]
F+G+H ? S₃=[+1 -1 -1 +1 -1 +1 -3 +3]
? S₄=[-1 +1 -3 +3 +1 -1 -1 +1]

Для выявления наличия компоненты G выполним операции «умножения» согласно описанным выше правилам.

S₁*G =[-1 -1 -1 -1 +1 +1 +1 +1]/8=0 (G отсутствует)
S₂*G =[0 -2 0 -2 — +2 0 +2]/8=0 (G отсутствует)
S₃*G =[+1 +1 -1 -1 +1 +1 +3 +3]/8=1 (G имеется — передана логическая 1)
S₄*G =[-1 -1 -3 -3 -1 -1 +1 +1]/8=-1 (G имеется — передан логический 0)

Хотя теоретически здесь все прекрасно, наложение слишком большого числа чип-кодов может создать проблемы и, в конечном итоге, привести к ошибкам.

Идеальная мобильная система связи представляется в виде телефонной трубки, которой человек пользуется дома, в автомобиле, в отпуске или командировке. При этом телефонный номер не меняется, где бы вы не находились. Такая система разрабатывается в настоящее время и называется PCS (Personal Communication Services) в США. В остальном мире эта система имеет имя PCN (Personal Communications Network). PCS использует технику сотовой телефонной сети. Но здесь размер ячейки лежит в пределах 50-100 м (против 20 км для AMPS). Это позволяет работать с малой выходной мощностью порядка 0,25 Вт и понизить вес аппарата. При этом для покрытия той же области требуется в 40000 раз больше ячеек и, следовательно, такая система будет значительно дороже даже с учетом более низкой цены одной ячейки. Некоторые телефонные компании осознали, что старомодные телеграфные столбы являются идеальным местом для размещения базовых станций новой системы (провода уже имеются!). Для системы PCS зарегервирован диапазон частот 1,7-2,3 ГГц.

Семёнов Ю.А. (ГНЦ ИТЭФ), book.itep.ru