Сотовые сети

Рис. 4.1.8.1.1. 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 двунаправлены (см. рис. 4.1.8.1.2). 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. 4.1.8.1.2. 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).

Стандарт AMPS

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. 4.1.8.1.1, гексагональные ячейки группируются по 7 (центральная и 6 ее соседей). Имея 666 каналов, можно выделить три набора по 31 каналу для каждой ячейки.

AMPS для разделения каналов использует метод мультиплексирования по частоте. Каждый канал AMPS может использоваться для аналоговых и цифровых коммуникаций.

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.

Стандарт GSM

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.

Рис. 4.1.8.1.3. Частотные каналы GSM

Восемь выделенных на рис. 4.1.8.1.3 доменов соответствуют одному и тому же каналу (клиенту принадлежит канал 2). Четыре из них служат для связи клиента с базой, а 4 другие - для связи базы с клиентом. Если мобильной станции выделена частота 890.4.935.4 и домен 2 желает что-то передать базовой станции, будут задействованы нижние 4 (затененные на рисунке) домена. В них будут помещаться данные до тех пор, пока вся информация не будет передана.

Система мультиплексирования по времени имеет специфическую иерархическую структуру. Отдельные временные домены объединяются в мультифреймы. Упрощенная схема структуры показана на рис. 4.1.8.1.4.

Рис. 4.1.8.1.4. 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 бит/с.

Стандарт CDPD

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). Схема реализации CDPD показана на рис. 8.5

Рис. 4.1.8.1.5. Соединения цифровой системы CDPD

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, пропускает 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. Предусмотрена возможность создания выделенных CDPD-каналов.

Маршрутизация для мобильного Интернет

Немалую проблему для мобильной связи ЭВМ составляет маршрутизация. В традиционной схеме каждая ЭВМ имеет постоянные IP-адреса (во всяком случае на время сессии). При мобильной связи это не так. Путь передачи пакета в Интернет определяется IP-адресом места назначения. Машины могут быть стационарными, мигрирующими или мобильными. Мигрирующими ЭВМ называются тогда, когда их положения время от времени изменяется (например, портативная ЭВМ переносится из здания в здание и там подключается к сети). Такие машины не меняют своего положения во время сессии.

Для решения этой проблемы в каждый узел, где имеются мобильные объекты, должны содержать программы “локальный агент” и “внешний агент”. Локальный агент - это программа, которая отслеживает истинное положение ЭВМ, приписанной к данной локальной сети. Внешний агент - программа, выявляющая появление новых ЭВМ в данной зоне обслуживания. Данная программа часто размещается в узле мобильной связи. Сеть разбивается на области, которые могут быть ячейками мобильной связи или локальными сетями.

Когда пользователь появляется в некоторой области, его ЭВМ должна там зарегистрироваться у внешнего агента. Периодически каждый внешний агент широковещательно уведомляет о своем существовании. Мобильный пользователь может некоторое время ждать такого уведомления или сам послать широковещательный запрос типа “Имеется ли здесь внешний агент?”.

В процессе регистрации мобильная ЭВМ передает внешнему агенту свой IP-адрес (в домашней локальной сети), текущий МАС-адрес и некоторую информацию, обеспечивающую нужный уровень безопасности.

Внешний агент контактирует с локальным агентом мобильной ЭВМ, размещенным в ее локальной сети, уведомляя его о том, что его ЭВМ находится именно здесь, и направляя свой IP-адрес и параметры, обеспечивающие безопасность.

Локальный агент анализирует полученные данные (сюда входит и временная метка). Если с его точки зрения все в порядке, он посылает уведомление об этом внешнему агенту.

Когда внешний агент получает подтверждение от локального агента, он заносит необходимые данные в таблицы (базу данных) и уведомляет мобильную ЭВМ об успешной регистрации. В идеале при уходе из области пользователь должен бы уведомить внешнего агента об этом. Но чаще всего это не производится.

Рассмотрим случай, когда хозяин мобильной ЭВМ, живущий в Красноярске, оказался в командировке в Москве, едет в автомобиле и хочет прочесть электронную почту в своем офисе дома. Как он может это практически сделать?

Пакеты, посылаемые пользователю мобильной ЭВМ, перехватываются локальным агентом. Последний определяет по своим записям, где в данный момент находится мобильная ЭВМ, и определяет адрес соответствующего внешнего агента в Москве. Далее локальный агент инкапсулирует пакет в поле данных IP-пакета и посылает его внешнему агенту. Такая процедура называется туннелированием. Получив пакет, внешний агент извлекает вложенные данные и посылает их мобильной ЭВМ. После этого локальный агент предлагает отправителю посылать данные непосредственно мобильному адресату, инкапсулируя их в кадры, направляемые внешнему агенту, а не в локальную сеть приписки данной машины. Если мобильная ЭВМ покидает область данного внешнего агента и попадает в область другого агента, вся процедура должна повториться вновь. После широкого внедрения адресации IPv6 мобильной ЭВМ можно будет присваивать новый уникальный адрес, что может упростить протокол общения. Схема таких пересылок при работе с мобильной машиной показана на рис. 4.1.8.1.6.

Рис. 4.1.8.1.6. Схема обменов при работе с мобильной ЭВМ

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).

Кодовое мультиплексирование (CDMA)

Метод CDMA принципиально отличается от описанных выше, которые использовали для мультиплексирования 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. Здесь невозможно также применение кодов, допускающих коррекцию ошибок, и предполагается, что получатель всегда знает, кто является отправителем.

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 зарезервирован диапазон частот 1,7-2,3 ГГц.

Необходимость расширения спектра оказываемых услуг (например, просмотр ТВ-программ с помощью мобильного телефона) стимулировала разработку нового стандарта G3. 3G представляет собой интерфейс для обеспечения связи пользователь-сеть. Технология 3G реализует доступ к услугам Интернет для мобильных клиентов. Основным разработчиком технологии 3G являлась компания Эрикссон.

Современные мобильные сети являются базой для внедрения технологии 3G. UMTS – это один из стандартов в 3G, который разрабатывается под эгидой Европейского Института Стандартизации Телекоммуникаций ETSI. Он был разработан на основе самой распространенной технологий мобильной связи GSM и имеет все перспективы стать действительно глобальным стандартом персональной мультимедиа-связи.

Мы уже живем в век мобильных телефонов, ими люди пользуются в транспорте, несмотря на запреты, за рулем авто и в самолетах. Сейчас легко представить, сколько людей в аэробусе за время полета решат воспользоваться телефоном. Они будут при этом создавать независимые потоки радиоизлучения в достаточно широком частотном диапазоне, ведь все они будут работать на разных частотах (см. рис. 8.7А). Это может создавать помехи навигации. Проще всего запретить пользование мобильным телефоном в полете, но это создает неудобства пассажирам.

А теперь представим себе, что в каждом пассажирском кресле имеется разъем для подключения телефона или персональной ЭВМ (Laptop). Все эти приборы в этом случае объединяются в локальную бортовую сеть, которая связывается с наземной службой на оговоренной частоте (рис. 8.7Б). Согласитесь, что это решение со всех точек зрения эффективнее. По этой причине в 21-ом веке локальные сети станут использоваться в авиалайнерах, морских и речных пассажирских судах, поездах и междугородних автобусах (и даже в автомобилях).

Рис. 4.1.8.1.7. Варианты мобильной телефонной и компьютерной связи на борту авиалайнера

В век дистанционного управления следует задумываться о возможности таких интерференционных явлений.

Дополнительные возможности пользователям, нуждающимся в услугах беспроводной связи, предоставляет стандарт bluetooth, который призван освободить руки клиенту и покончить с телефонными проводами.

Расширение возможностей и функциональности мобильных телефонов открыло дорогу для заражения их вирусами и другими вредоносными кодами.

В 2004 году компания Apple только начинала работы над iPhone, и никто за ее пределами ничего об этом не знал. Компания Samsung была замкнута на внутренний рынок. За истекшие 10 лет технология поменялась драматическим образом. Возникли спутниковые мобильные ТВ-фоны, планшеты, платежные средства на основе мобильных телефонов и многое другое. Сейчас 14-канальный доступ через спутниковый ТВ-фон стоит 11$ в месяц. Разрабатываются сменные топливные элементы для питания мобильных телефонов (см. "10 years in tech: The crazy cellphone ideas of 2004", Martyn Williams, IDG News Service). Появились телефоны, которые измеряют температуру хозяина и контролируют уровень сахара в его крови (LG's KP8400). Доступны телефоны с игровыми 3D-опциями/

Рис. 4.1.8.1.9. Спутниковый мобильный ТВ-фон