5.3 Бездротові мережі

5.3.1 Мобільний зв'язок [27]

Бездротовий зв'язок – це передача інформації на відстань без використання електричних провідників/дротів. Ця відстань може бути як малою (декілька метрів, як у телевізійному дистанційному керуванні), так і дуже великою (тисячі або навіть мільйони кілометрів для телекомунікацій). Бездротовий зв'язок як правило розглядається як галузь телекомунікацій.

Залежно від технологій та передавальних середовищ, які використовують, є такі класи безпроводових мереж: мережі на радіомодемах; мережі на стільникових модемах; інфрачервоні системи; системи VSAT; системи з використанням низькоорбітальних супутників; системи з технологією SST; радіорелейні системи; системи лазерного зв'язку.

У 1970-х роках компанією Bell Telephone Laboratories, була розроблена перша комерційна система бездротової передачі сигналів. Вона складалася з трьох основних компонентів: базових станцій, комутатора мобільного зв'язку (Mobile Telephone Switching Office, MTSO) і власне стільникових / мобільних телефонів. Ці копоненти і зараз формують інфраструктуру більшості сучасних систем мобільного зв'язку.

Вся поверхня Землі ділиться на ділянки, звані стільниками. Базова станція, розташована на кожній з таких ділянок, працює на певних частотах. Для запобігання накладенню між стільниками в системі AMPS (Analog Mobile Phone System - аналоговий мобільний телефонний зв'язок), яка є першою серед засобів мобільних бездротових комунікацій, використовується модель, в якій задіяно сім стільників. Це гарантує, що в прилеглих стільниках не будуть застосовуватися однакові частоти. Фактично кожен стільник складається з базової станції і антени, що забезпечують роботу в широкому діапазоні частот. Однак у будь-який момент часу на кожній з частот, підтримуваних в стільнику, може обслуговуватися тільки один дзвінок - тобто, в будь-який момент часу у двох прилеглих стільниках не застосовуються однакові частоти.

Федеральна комісія з електрозв'язку США (FCC) визначила такі категорії PCS (Personal Communication Services) та відповідні смуги частот: вузькосмугові PCS (діапазон 900 - 901, 930 - 931, 940 - 941 МГц) для швидкісних пейджерних мереж, двонапрямленого передавання повідомлень, передавання повідомлень мовлення; широкосмугові PCS (120, 1850 - 2200 МГц); стільниковий зв'язок - цифрове передавання мовлення та даних; неліцензовані PCS (40 МГц, від 1890 до 1930 МГц) - безпроводові ЛКМ та АТС організацій у найближчому радіусі дії - у межах одного / групи будівель. Неліцензовані PCS забезпечують передавання даних зі швидкістю до 10 Мбіт/с.

Рис. 5.17. Приклад поділу Землі а стільники

5.3.2 Взаємодія компонентів мобільного зв’язку [2]

AMPS (Advanced Mobile Phone Service - вдосконалена рухома телефонна служба) - аналоговий стандарт мобільного зв'язку в діапазоні частот (825 ÷ 890) МГц. Відноситься до першого покоління бездротових мобільних комунікаційних систем. У ній використовується метод множинного доступу з поділом частот (Frequency-Division Multiple Access, FDMA).

Табл. 5.2 – При використанні методу FDMA смуга частот, що виділяється для AMPS, ділиться на множину каналів, по кожному з яких можна передавати мовний сигнал

ч а с т о т а	fn	Канал n
		… … …
	f3	Канал 3
	f2	Канал 2
	f1	Канал 1
час

У районі частоти 800 МГц Федеральна комісія з комунікацій (FCC) виділила системі AMPS для використання технології FDMA смугу шириною 50 МГц. Ця смуга розділена на канали, кожний з яких має ширину 30 кГц і підтримує одну односторонню телефонну розмову (тобто для забезпечення звичайної розмови необхідно задіяти два канали). Згідно з рішенням FCC, смуга частот, виділена AMPS, на кожній террріторіі розподіляється між двома компаніями-операторами (які називаються оператор діапазону А і оператор діапазону В), які отримали дозвіл на надання даної служби абонентам. Кожен оператор отримав смугу шириною 25 МГц, а це означає, що, оскільки для кожного каналу відведено 30 кГц, всього підтримується 832 каналу стільникового зв'язку. Однак, у випадку повнодуплексного зв'язку кількість сеансів зв'язку, одночасно підтримуваних в стільнику, буде 416, оскільки один канал використовується для передачі сигналу від базової станції абоненту, а другий канал - для прийому базовою станцією сигналу від абонента.

Оскільки AMPS є аналоговою технологією, передавати дані з її допомогою відносно нескладно, для цього потрібно просто приєднати модем до AMPS-сумісного стільниковому телефону. Однак у зв'язку з потенційною можливіс-тю накладення сигналів необхідний модем, розроблений для біс-провідної передачі, який підтримує зміну довжини пакету та виправлення помилок, що виникають при передачі (повторне пересилання пошкоджених пакетів). Оскільки у виділену для AMPS-каналу смугу частот шириною 30 кГц включені частоти, попередньо призначені для спеціального використання, максимальна швидкість передачі даних, доступна для каналу, становить усього 9,6 кбіт / с.

На рубежі тисячоліть з усіх систем бездротового зв'язку AMPS покривала найбільшу територію. Проте саме завдяки такому успіху виникла потреба в іншій технології. З ростом числа користувачів, що купили AMPS-сумісні мобільні телефони, все частіше, особливо в міських районах, стали спостерігатися випадки, коли абоненти не могли зателефонувати. Ця ситуація, блокування, виникає, коли в стільнику, що підтримує тільки 416 тимчасових сеансів зв'язку, намагається подзвонити 417-й абонент. Блокування також відбувається при переміщенні мобільного користувача в стільник, де відсутній вільний канал. Після довгих пошуків прийнятного вирішення цієї проблеми розробники мобільних систем прийшли до висновку, що при використанні аналогової системи і стільників фіксованого розміру неможливо забезпечити подальше зростання числа абонентів служби.

Результатом такого рішення була поява двох нових методів множинного доступу з: тимчасовим поділом (Time Division Multiple Access, TDMA); кодовим поділом каналів (Code Division Multiple Access, CDMA).

Завдяки впровадженню цих методів вдалося збільшити кількість одночасно обслуговуваних користувачів і підвищити ефективність використання потужностей передачі стільників.

TDMA ( Time Division Multiple Access - множинний доступ з поділом за часом) - спосіб використання радіочастот, коли в одному частотному інтервалі знаходяться декілька абонентів, різні абоненти використовують різні тимчасові слоти (інтервали) для передачі.

При використанні методу множинного доступу з поділом часу (TDMA) канали, виділені для AMPS, поділяються на тимчасові слоти. Кожен AMPS-канал ділиться на повторювані послідовності з трьох часових слотів, тобто абонентові виділяються частота і тимчасовий слот, як це показано на fr3рис. 5.18.

ч а с т о т а	fn	SS1	SS2	SS3	S1	…
		… … …
	f2	SS1	SS2	SS3	S1	…
	f1	SS1	SS2	SS3	S1	…
час

Рис. 5.18 – При множинному доступі з поділом часу (ТDМА) кожен АМРS-канал ділиться на повторювані послідовності, що складаються з трьох часових слотів (S - тимчасовий слот)

TDMA надає кожному користувачеві повний доступ до інтервалу частоти протягом короткого періоду часу (у GSM один частотний інтервал ділиться на 8 тимчасових слотів). TDMA в даний час є домінуючою технологією для мобільних стільникових мереж і використовується в стандартах GSM, TDMA (ANSI-136), PDC.

PCS (Personal Communications System — персональна комунікаційна система) — друга версія TDMA, що працює на частоті 1900 МГц. Системи PCS працюють на більш високій частоті, ніж D-AMPS, і, отже, в них використовуються хвилі меншої довжини. Тому стільники системи PCS мають менший розмір, ніж стільники системи, яка працює на частоті 800 МГц. Отже, одна і та ж територія буде розбита на більшу кількість стільників. Цим пояснюється той факт, що при використанні системи PCS відносно легше виділити користувачеві канал в міських районах або уздовж жвавих магістралей. Однак при переміщенні абонента у сільську місцевість його телефон, що підтримує два режими, буде працювати з системою AMPS.

У світі використовуються системи PCS таких типів: D-AMPS 1900, що працює на частоті 1900 МГц, глобальна система мобільного зв'язку GSM (Global System for Mobile); CDMA. Система GSM схожа на D-AMPS 1900 тим, що вона також заснована на застосуванні методу TDMA, в той час як в CDMA використовується абсолютно інша технологія доступу.

Основна перевага системи PCS полягає в тому, що метод TDMA можна модифікувати так, що в певний період часу будуть підтримуватись не три, а два виклики. У цьому режимі тимчасові слоти можуть бути використані для підтримки цифрового каналу керування (Digital Control Channel, DCC). У результаті застосування DCC у PCS-телефонів з'явилася можливість передавати та отримувати алфавітно-цифрові повідомлення. Ця служба отримала назву SMS (Short Message Service — служба коротких повідомлень), a PCS-сумісні стільникові телефони стали виконувати функції пейджерів.

Використання методу TDMA у системах D-AMPS і GSM дозволило збільшити термін служби батарей стільникових телефонів цих систем у порівнянні з AMPS-телефонами. Головною причиною продовження життя батарей є те, що час передачі сигналу при використанні методу TDMA у більшості випадків становить одну третину від часу, що витрачається на передачу AMPS-телефонами. До більш економних витрат енергії також призводить здатність PCS-телефонів при роботі в холостому режимі періодично перевіряти канал керування - чи немає вхідного дзвінка. Якщо в каналі керування сигнал не виявлено, телефон продовжує залишатися у «сплячому» режимі.

GSM (Global System for Mobile Communications - глобальна система мобільного зв'язку) — міжнародний стандарт для мобільного цифрового стільникового зв'язку з розділенням каналу за принципом TDMA та високим рівнем безпеки за рахунок шифрування з відкритим ключем. Стандарт був розроблений Європейським інститутом стандартизації електрозв'язку (ETSI) наприкінці 80-х років.

Історія створення GSM сягає своїм корінням в 1980-і роки, коли в північних країнах спостерігалося бурхливе зростання числа абонентів служб аналогових стільникових систем. Настільки стрімке зростання призвело до необхідності введення стандартів для цифрових стільникових систем зв'язку. Після п'яти років напруженої роботи 13 фірм-операторів підписали документ про стандартизацію GSM (Global System for Mobile Communications).

Європейська версія GSM працює в смузі частот 890-925 МГц і використовується в країнах Євросоюзу. В США для GSM виділена частота 1900 МГц, на якій і працює система персонального зв'язку США. GSM представляє собою TDMA-версію системи PCS, в якій використовується цифрова технологія. Перед модуляцією даних в ній виконується стиснення мовлення із застосуванням змішаного кодування, в результаті чого аналоговий сигнал перетвориться в потік двійкових цифр, які передаються зі швидкістю 13 кбіт / с. Ця цифрова технологія дозволяє підключати цифрове джерело даних не-посередньо до стільникового телефону системи GSM без використання модему. Однак найбільша швидкість передачі даних - це 14,4 кбіт / с.

Більшість мереж GSM працюють у діапазоні 900 МГц або 1800 МГц. Деякі країни Америки використовують діапазони 850 МГц та 1900 МГц, оскільки стандартні діапазони 900 та 1800 МГц зайняті іншими системами.

Діапазони 400 та 450 МГц використовуються у деяких країнах (включаючи країни Скандинавії та деякі острівні країни).

При роботі у стандартному діапазоні 900 МГц використовуються діапазон 890 -915 МГц для зв'язку від терміналу до базової станції, та 935—960 МГц для зв'язку від базової станції до терміналу. У деяких країнах діапазон частот GSM-900 був розширений до 880 - 915 Мгц (MS -> BTS) і 925—960 Мгц (MS <- BTS), завдяки чому максимальна кількість каналів зв'язку збільшилася на 50. Така модифікація була названа E-GSM (extended GSM).

Смуга у 25 МГц ділиться на 124 канали (несучі), кожен шириною у 200 кГц. Часове розділення каналів (TDMA) дозволяє у кожному каналі розміщувати вісім повношвидкісних (full-rate) чи шістнадцять напівшвидкісних (half-rate) голосових каналів.

Стандарт GSM використовує декілька голосових кодеків, які дозволяють передавати голосовий канал шириною 3.1 кГц на швидкостях від 5.6 до 13 кбіт/с.

Послуги, що можуть надаватися мережами GSM: передача голосової інформації; послуга передачі даних (синхронний та ансинхронний обмін даними, в тому числі пакетна передача даних - GPRS); передача коротних повідомлень (SMS); передача факсів.

CDMA (Code Division Multiple Access - множинний доступ з кодовим поділом) - найпередовіша технологія, яка використовує цифрове передавання. Технологія множинного доступу з кодовим поділом каналів відома давно. Перша робота, присвячена цій темі, була опублікована в 1935 році Д. В. Агєєвим.

На відміну від AMPS і TDMA, які працюють у вузькій смузі частот, сигнали CDMA займають більш широку смугу частот. Цей метод передачі називається розширенням спектра радіосигналу за методом прямої послідовності (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS) або просто методом розширення сигналу. Головна перевага методу полягає в тому, що, згідно теоремі Шеннона, та ж сама пропускна здатність такого каналу зв'язку може підтримуватися при меншому рівні потужності сигналу. Тобто компоненти CDMA здатні функціонувати при використанні сигналів меншої потужності.

У CDMA розширення спектру відбувається за допомогою використання псевдовипадкового (PN) цифрового коду, «розтягуючого» кожен біт. PN-сигнал отримав назву чіп-коду, в якому кожен чіп являє біт даних, про розроблені за допомогою PN-коду. Кожен переданий біт даних спочатку складається по модулю 2 з кожним бітом PN-коду, а потім отримана послідовність розширених бітів модулюється для передачі по каналу з смугою пропускання 1,23 МГц.

У табл. 5.3 показано приклад процесу розтягування послідовності бітів, в якому 5-бітовий PN-код використовується для розтягування 3-бітового повідомлення. У результаті кожен біт даних передається п'ять разів, тобто одна одиниця інформації передається за одну чіп-операцію. У приймальнику для отримання початкової послідовності бітів також виконується операція додавання за модулем 2 «розтягнутого» біти з PN-кодом. При цьому отриманий «розтягнутий» біт повинен складатися або з однієї одиниці, або з одних нулів (у нашому випадку з п'яти), що дозволяє приймати та відновлювати дані, які були частково пошкоджені при передачі. Алгоритм відновлення даних дуже простий: якщо в отриманому після додавання за модулем 2 «розтягнутому» бите будуть присутні і одиниці і нулі, то прийнятим вважається значення, яке зустрічається частіше.

Наприклад, якщо в «розтягнутому» біті чотири одиниці і один нуль, прийнятим вважається значення 1.

Табл.5.3 При передачі сигналу з розширеним спектром кожен біт даних складається по

модулю 2 з PN-кодом

Біти даних	101
PIN-код	10110
Дані, що передаються	01001	10110	01001

У CDMA один канал займає діапазон частот шириною 1,23 Мгц. Це значно більше, ніж діапазон частот, що відводиться для каналів у системах AMPS і TDMA, але зате в CDMA в кожному стільнику всі доступні діапазони частот можуть використовуватися неодноразово. Крім того, завдяки зміні PN-коду в системі CDMA можна підтримувати пропускну здатність каналу в кілька разів більшу, ніж у системі TDMA. Відповідно до проведених досліджень, в одному стільнику система CDMA в змозі обслуговувати одночасно в 10 разів більше користувачів, ніж система TDMA, яка, у свою чергу, в 3 рази продуктивніше системи AMPS.