Архитектура сотовых сетей связи и сети абонентского доступа

Архитектура сотовых сетей связи и сети абонентского доступа

Введение

В данном курсовом проекте необходимо рассмотреть вопросы планирования и взаимодействия сетей сотовой связи. Это будет проиллюстрировано на примерах: построение сетей пикосотовой архитектуры будет рассмотрено на примере стандарта DECT; построение сетей микросотовой архитектуры будет рассмотрено на примере стандарта GSM-1800; построение сетей макросотовой архитектуры будет рассмотрено на примере стандарта GSM-900.

Также будут рассмотрены сети широкополосного абонентского доступа.

1. Основные сведения о стандарте DECT

Стандарт DECT (Digital European Cordless Telecommunications) был опубликован Европейским институтом стандартизации электросвязи (European Telecommunications Standards Institute і ETSI) в 1992 г., а первые коммерческие продукты, соответствующие этому стандарту, появились в 1993 г. Первоначально они представляли собой в основном средства для построения беспроводных учрежденческих автоматических телефонных станций (УАТС), пользователи которых могли связываться между собой в пределах учреждения с помощью переносных телефонов, а также обычные домашние бесшнуровые телефонные аппараты. Некоторые производители создали оборудование для беспроводных ЛВС, поддерживающее DECT.

Позднее появились другие приложения DECT, которые начали разрабатываться еще в процессе определения стандарта. В их состав вошли: средства RLL; системы, обеспечивающие беспроводный доступ к ресурсам сетей общего пользования для абонентов с ограниченной мобильностью (Cordless Terminal Mobility -- CTM); средства, позволяющие аппаратуре DECT работать с сотовыми сетями (например, GSM). Эти приложения открыли широкие возможности перед операторами как проводных, так и беспроводных сетей связи.

Таблица 1. Технические характеристики DECT.

Рабочий спектр	1880 1900 МГц
Количество частот	10
Разнос частот	1,728 МГц
Метод доступа	MC/TDMA/TDD
Число каналов на одну частоту	24 (12 дуплексных каналов)
Длительность фрейма	10 ms
Скорость передачи	1,152 Mbps
Метод модуляции	GMSK (BT = 0,5)
Сжатие голоса	ADPСM (G.721)
Выходная мощность	10 мВт (средняя)

DECT является стандартом радио доступа, поддерживающим широкий набор экономичных средств предоставления коммуникационных услуг. Данный стандарт разрабатывался в соответствии с семиуровневой моделью взаимодействия открытых систем (OSI/ISO) и состоит из девяти частей, описывающих его обязательные и факультативные элементы. Обязательные элементы стандарта гарантируют возможность "сосуществования" систем связи на одной территории при отсутствии координации их работы и позволяют избежать планирования частот, что необходимо в обычных сотовых сетях.

По своему желанию производители могут поддерживать отдельные факультативные элементы стандарта DECT для построения систем голосовой телефонии, доступа к сети ISDN и передачи данных. В целях обеспечения взаимодействия различных приложений DECT институтом ETSI стандартизуется ряд совокупностей параметров, так называемых профилей (profiles). Одним из подобных профилей является унифицированный профиль доступа (Generic Access Profile -- GAP), определяющий функционирование портативных телефонных аппаратов и базовых станций DECT для всех приложений голосовой связи. Другой профиль: профиль интерфейса GSM (GSM Interface Profile -- GIP) определяет взаимодействие аппаратуры DECT и сетей GSM. По существу, GIP -- это профиль GAP с небольшими дополнениями по взаимодействию с GSM.

Стандарт DECT разрабатывался для удовлетворения потребностей сложной системы радиосвязи -- беспроводной УАТС. Среда беспроводной УАТС характеризуется высокой плотностью трафика и строгими требованиями пользователей к качеству и конфиденциальности (для чего необходимо шифрование радиосигнала) связи. Беспроводные телефонные системы DECT осуществляют кодирование речи методом адаптивной дифференциальной импульсно-кодовой модуляции (Adaptive Differential Pulse Code Modulation -- ADPCM), позволяющим передавать оцифрованную речь на скорости 32 Кбит/с. Это значительно большая частота следования битов, чем, например, аналогичная частота, предусмотренная в любом из мировых стандартов цифровой сотовой связи. Она обеспечивает качество передачи речи такое же, как у обычного телефона. Системы DECT реализуют незаметное (автоматическое) переключение абонента на ближайшую базовую станцию при его перемещении из зоны обслуживания одной базовой станции в зону обслуживания другой, что позволяет избежать разрывов связи.

Разрабатывавшийся для беспроводных УАТС, DECT оказался подходящим и для домашних, а также -- локальных местных телефонных систем. Стандарт поддерживает также различные службы передачи данных и обеспечивает взаимодействие с сетью связи фактически любого другого типа.

Системы DECT работают в частотном диапазоне 1880 - 1900 МГц, который разбит на десять частотных каналов, и, следовательно, являются мультичастотными (МС). В каждом частотном канале данные передаются в 24 циклически повторяющихся временных интервалах или тайм-слотах (множественный доступ с разделением времени -- TDMA). В первой половине этих тайм-слотов осуществляется передача информации от базовой станции к портативным устройствам, а во второй половине, в обратном направлении (дуплекс с разделением времени -- TDD). Система DECT, таким образом, может быть определена как MC/TDMA/TDD. Каждый из речевых каналов использует пару тайм-слотов, что означает возможность применения 120 (10 несущих частот 12 тайм-слотов) речевых каналов.

Механизм выбора каналов, известный как непрерывный динамический выбор канала (Continuous Dynamic Channel Selection -- CDCS), позволяет системам функционировать "бок о бок" при отсутствии координирования их работы. Суть этого механизма заключается в том, что каналы выбираются динамически из всего набора каналов по таким показателям, как качество прохождения сигнала и уровень помех. Причем канал не закрепляется за соединением на все время, он может меняться по мере необходимости. Происходит это следующим образом:

Каждая БС непрерывно сканирует приемные тайм-слоты всех 120 каналов, измеряет уровень принятого сигнала (RSSI -- Received Signal Strength Indicator) и выбирает канал с минимальным уровнем (свободный канал без помех). В этом канале БС излучает служебную информацию, которая, в числе прочих, содержит данные:

§ для синхронизации АС;

§ об идентификаторе системы;

§ о возможностях системы;

§ о свободных каналах;

§ пейджинговую.

Анализируя эту информацию, АС находит свою БС и прописывается к ней. При выходе из зоны действия одной БС происходит поиск следующей. Таким образом, АС всегда прописан к той или иной БС своей или дружественной системы. Далее АС синхронно с БС начинает непрерывно сканировать все 120 приемных тайм-слотов и измерять силу сигнала в каждом из них. Номера каналов с наименьшими RSSI заносятся в память. Одновременно в памяти находятся не менее двух таких каналов.

При необходимости организации исходящей связи АС направляет запрос БС, в которой она в данный момент прописана, предлагая установить связь в одном из свободных, с точки зрения АС, каналов. Если этот канал отвергается БС, то АС предлагает следующий из списка свободных. После согласия БС на установление соединения по одному из предложенных каналов происходит обмен сигнализационной и другой служебной информацией, а затем установление соединения и разговор.

Организация входящей связи осуществляется аналогичным образом. АС непрерывно анализирует "пейджинговое" сообщение на наличие “своего” входящего вызова. После распознавания входящего вызова АС посылает запрос на установление связи в одном из свободных каналов. Таким образом, выбор канала для установления соединения происходит динамически и только по инициативе и под управлением АС.

Любое из портативных устройств стандарта DECT в принципе имеет доступ к любому каналу (как к частотному, так и к временному). Когда необходимо установить соединение, портативное устройство связи DECT выбирает канал, обеспечивающий наиболее качественную связь. После того как соединение установлено, данное устройство продолжает анализировать диапазон, и если обнаруживается канал, гарантирующий лучшее качество связи, то переключает соединение на него. Если в процессе соединения новый канал запрашивается у той же БС, то переход называется "intercell handover", а если у другой БС -- то "intracell handover". Этот механизм называется непрерывным динамическим распределением каналов (CDCA).

Хендовер в DECT системе происходит мягким способом. Это значит, что во время хендовера между АС и системой одновременно работают два канала: “старый” и “новый”. В какой-то момент времени информация между АС и системой передается одновременно по обоим каналам. Только после успешного перехода на “новый” канал происходит деактивация “старого”. Надо отметить, что хендовер происходит не только при ухудшении качества связи или при разрыве соединения, но и в том случае, когда АС находит лучший с его точки зрения канал. Таким образом, для соединения всегда используется лучший свободный канал.

Благодаря применению CDCS в системах DECT не требуется планирования частот: решение этой проблемы, фактически, перекладывается на портативное устройство связи. Данное обстоятельство делает инсталляцию систем простой процедурой, а также позволяет увеличивать общее число каналов путем простого добавления, где это необходимо, новых базовых станций.

Хэндовер в DECT -- это механизм ухода от каналов, подверженных воздействию помех, или каналов с низким уровнем сигнала. Однако хэндовер происходит недостаточно быстро, чтобы противодействовать ситуациям быстрого замирания. Для борьбы с быстрыми интерференционными замираниям (БИЗ) стандартом DECT предусматривается механизм пространственного разнесенного приема. БИЗ возникают в результате интерференции нескольких лучей в точку приема, которая перемещается относительно БС. В результате чего меняется разность хода между этими лучами и, как следствие этого, уровень суммарного сигнала претерпевает колебания, которые могут достигать 30 и более дБ. При использовании двух пространственно разнесенных антенн разность хода лучей от каждой из них в точке приема будет различной. В офисных и WLL системах к каждой БС подключаются две коммутируемые пространственно разнесенные в горизонтальной плоскости антенны, причем разнос антенн в офисных системах приблизительно равен (длине волны), а в WLL системах -- 10. Поэтому эффективность этого метода в офисных системах сказывается при малых удалениях. В системах WLL АС стационарны и причина замираний заключается в воздействии эффекта рефракции на разность хода прямого и отраженного лучей. Из теории известно, что при разносе антенн на 10 и более суммарные сигналы, принимаемые каждой из антенн практически не коррелированны. Переключение антенн и выбор рабочего канала происходит под управлением АС.

Стандарт DECT предусматривает ряд функций защиты, включая шифрование радиосигнала и аутентификацию портативных устройств связи. Система идентификации устройств DECT позволяет одному и тому же устройству связи осуществлять доступ к нескольким различным системам (например, к базовой станции обычного домашнего телефона, УАТС и к системе общего доступа), а также одной базовой станции обеспечивать доступ к различным системам связи. При подобной организации несколько служб могут совместно использовать одну и ту же инфраструктуру связи, что весьма привлекательно с экономической точки зрения.

Перечень штатных услуг и процедур по обеспечению безопасности в системах стандарта DECT включает в себя:

§ прописку АС;

§ аутентификацию АС;

§ аутентификацию БС;

§ взаимную аутентификацию АС и БС;

§ аутентификацию пользователя;

§ шифрование данных.

Прописка -- это процесс, благодаря которому система допускает конкретный АС к обслуживанию. Оператор сети или сервис-провайдер обеспечивает пользователя АС секретным ключом прописки (PIN-кодом), который должен быть введен как в БС, так и в АС до начала процедуры прописки. До того, как трубка инициирует процедуру фактической прописки, она должна также знать идентификатор БС, в которую она должна прописаться (из соображений защищенности процедура прописки может быть организована даже для системы с одной БС). Время проведения процедуры обычно ограничено, и ключ прописки может быть применен только один раз, это делается специально для того, чтобы минимизировать риск несанкционированного использования.

Прописка в DECT может осуществляться “по эфиру”, после установления радиосвязи с двух сторон происходит верификация того, что используется один и тот же ключ прописки. Происходит обмен идентификационной информацией, и обе стороны просчитывают секретный аутентификационный ключ, который используется для аутентификации при каждом установлении связи. Секретный ключ аутентификации не передается по эфиру. АС может быть прописан на нескольких базовых станциях. При каждом сеансе прописки, АС просчитывает новый ключ аутентификации, привязанный к сети, в которую он прописывается. Новые ключи и новая информация идентификации сети добавляются к списку, хранящемуся в АС, который используется в процессе соединения. Трубки могут подключиться только к той сети, в которую у них есть права доступа (информация идентификации сети содержится в списке).

В процессе аутентификации любого уровня используется криптографическая процедура ''запрос - ответ'', позволяющая выяснить, известен ли проверяемой стороне аутентификационный ключ.

Аутентификация АС позволяет предотвратить её неправомочное использование (например, с целью избежать оплаты услуг) или исключить возможность подключения похищенной или незарегистрированной АС. Аутентификация происходит по инициативе БС при каждой попытке установления соединения (входящего и исходящего), а также во время сеанса связи. Сначала БС формирует и передает запрос, содержащий некоторый постоянный или сравнительно редко меняющийся параметр (64 бита), и случайное число (64 бита), сгенерированное для данной сессии.

Затем в БС и АС по одинаковым алгоритмам с использованием аутентификационного ключа К вычисляется так называемый аутентификационный ответ (32 бита). Этот вычисленный (ожидаемый) ответ в БС сравнивается с принятым от АС, и при совпадении результатов считается, что аутентификация АС прошла успешно.

Аутентификация БС -- исключает возможность неправомочного использования станции. С помощью этой процедуры обеспечивается защита служебной информации (например, данных о пользователе), хранящейся в АС и обновляемой по команде с БС. Кроме того, блокируется угроза перенаправления вызовов абонентов и пользовательских данных с целью их перехвата. Алгоритм аутентификации БС аналогичен последовательности действий при аутентификации АС.

Взаимная аутентификация может осуществляться двумя способами:

§ При прямом методе последовательно проводятся две процедуры аутентификации АС и БС.

§ Косвенный метод в одном случае подразумевает комбинацию двух процедур -- аутентификации АС и шифрования данных (поскольку для шифрования информации необходимо знание аутентификационного ключа К), а в другом -- шифрование данных с использованием статического ключа SCK (Static Cipher Key), известного обеим станциям.

Аутентификация пользователя позволяет выяснить, знает ли пользователь АС свой персональный идентификатор. Процедура инициируется БС в начале вызова и может быть активизирована во время сеанса связи. После того, как пользователь вручную наберет свой персональный идентификатор UPI (User Personal Identity), и в АС с его помощью будет вычислен аутентификационный ключ К, происходит процедура, аналогичная последовательности действий при аутентификации АС.

Во всех описанных процедурах аутентификационный ответ вычисляется по аутентификационному запросу и ключу аутентификации К в соответствии со стандартным алгоритмом (DSAA-DECT Standard Authentication Algorithm) или любым другим алгоритмом, отвечающим требованиям безопасности связи. Алгоритм DSAA является конфиденциальной информацией и поставляется по контракту с ETSI. Использование другого алгоритма будет ограничивать возможности абонентских станций, так как возникнут трудности при роуминге в сетях общего пользования DECT.

Аутентификационный ключ К является производной от одной из двух величин или их комбинаций, приведенных ниже. Абонентский аутентификационный ключ UAK (User Authentication Key) длиной до 128 бит. UAK является уникальной величиной, содержащейся в регистрационных данных пользователя. Он хранится в ПЗУ абонентской станции или в карточке DAM (DECT Authentication Module). Аутентичный код АС (Authentication Code) длиной 16 - 32 бита. Он может храниться в ПЗУ абонентской станции или вводиться вручную, когда это требуется для проведения процедуры аутентификации.

Необходимо отметить, что нет принципиальной разницы между параметрами UAK и АС. Последний обычно используется в тех случаях, когда требуется довольно частая смена аутентичного ключа. Персональный идентификатор пользователя UPI (User Personal Identity) длиной 16 - 32 бита UPI не записывается в устройства памяти абонентской станции, а вводится вручную, когда это требуется для проведения процедуры аутентификации. Идентификатор UPI всегда используется вместе с ключом UAK.

Шифрование данных обеспечивает криптографическую защиту пользовательских данных и управляющей информации, передаваемых по радиоканалам между БС и АС.

В АС и БС используется общий ключ шифрования СК (Cipher Key), на основе которого формируется шифрующая последовательность KSS (Key Stream Segments), накладываемая на поток данных на передающей стороне и снимаемая на приемной. KSS вычисляется в соответствии со стандартным алгоритмом шифрования DCS (DECT Standard Cipher) или любым другим алгоритмом, отвечающим требованиям криптографической стойкости. Алгоритм DSC является конфиденциальной информацией и поставляется по контракту с ETSI.

В зависимости от условий применения систем DECT могут использоваться ключи шифрования двух типов: вычисляемый -- DCK (Derivation Cipher Key) -- и статический -- SCK (Static Cipher Key). Статические ключи SCK вводятся вручную абонентом, а вычисляемые DCK обновляются в начале каждой процедуры аутентификации и являются производной от аутентичного ключа К. В ПЗУ абонентской станции может храниться до 8 ключей.

Статический ключ обычно используется в домашних системах связи. В этом случае SCK является уникальным для каждой пары ''абонентская/базовая станция'', формирующей домашнюю систему связи. Рекомендуется менять SCK один раз в 31 день (период повторения номеров кадров), иначе риск раскрытия информации существенно возрастает.

В Европе DECT является обязательным стандартом, частотный диапазон DECT во всех странах-участницах Европейской конференции администраций почт и электросвязи (CEPT) зарезервирован исключительно для систем поддерживающих этот стандарт.

Емкость -- показатель, учитывающий напряженность абонентского трафика, ширину используемого частотного диапазона и площадь покрытия, в Эрланг/МГц/км²) -- систем DECT выше, чем у других цифровых систем мобильной связи и составляет 500 Эрланг/МГц/км² (этот показатель для систем на базе стандартов GSM и DCS-1800 равен соответственно 10 и 100), другими словами, такая пропускная способность позволяет одновременно вести 10 000 разговоров на 1км².

Система RLL

Использование радио в качестве альтернативы медному кабелю для доступа к сети обретает все большую популярность. Первые системы, основанные на сотовой технологии, начали эксплуатироваться в начале 90-х годов. Сегодня всем очевидны преимущества этого вида связи в отношении быстроты подключения абонентов, а также низкой стоимости установки и функционирования соответствующих систем. Похоже, в ближайшее время системы местной радиосвязи (Radio in the local loop -- RLL) получат широкое распространение.

Системы RLL привлекательны как для относительно давно действующих операторов кабельных сетей, так и для новых конкурирующих с ними компаний, которые предоставляют услуги сетей связи. Там, где кабельные сети не получили большого распространения, системы RLL могут быть использованы для подключения к глобальным сетям большого числа новых абонентов за значительно более короткое время по сравнению со временем, необходимым для развертывания кабельной сети. Но в то же время местная радиосвязь может играть значительную роль и в местах с развитой кабельной инфраструктурой связи. Давно действующие операторы кабельных сетей могут использовать системы RLL для предоставления своим абонентам дополнительных линий передачи данных, например для факсимильной или модемной связи, без наращивания кабельной системы связи.

Конкурирующие с ними новые поставщики услуг сетей связи также могли бы использовать технологию RLL для подключения абонентов. Основное преимущество здесь в том, что оператору нет необходимости знать, где будут находиться его клиенты. Недавно появившийся оператор может ожидать, что, скажем, 10 - 15 % абонентов телефонных сетей, находящихся на данной территории, перейдут на новое обслуживание, однако точно определить их он не в состоянии. Используя технологию RLL, оператор способен минимизировать предварительные затраты на обеспечение обслуживания потенциальных абонентов. Весомая часть сетевой инфраструктуры может быть установлена (и оплачена) при подключении абонента к сети. В этой ситуации система RLL наиболее экономичное средство, обеспечивающее обслуживание абонентов.

Системы RLL, соответствующие стандарту DECT, оптимизированы для городских и пригородных территорий, где плотность абонентов довольно высока. При использовании направленных антенн (на обоих концах радиоканала) эффективная дальность действия базовой станции увеличивается до 5 км. Узел доступа DECT (базовая станция RLL) содержит некоторое число направленных антенн обычно расположенных таким образом, чтобы охватить все направления (в горизонтальной плоскости). Вместо бесшнуровых телефонов абоненты системы RLL применяют стационарные устройства доступа, которые оснащены направленными антеннами, наведенными на ближайший узел доступа DECT. К стационарному устройству доступа могут быть подключены телефоны, факсимильные аппараты, модемы и другие средства.

Недавно ETSI были определены дополнения к стандарту DECT, включающие увеличенную преамбулу и улучшенный механизм синхронизации, благодаря которым повысится стабильность параметров сигналов DECT при их распространении на большие расстояния и при отражениях. Эти дополнения призваны сделать стандарт DECT более подходящим для систем связи, работающих вне помещений, включая средства RLL.

В условиях средней и большой плотности абонентов системы RLL, соответствующие стандарту DECT, становятся экономически более выгодными, чем сотовые. "Критической" точкой здесь является плотность 20 абонентов на 1 кв. км. Одна из причин этого кроется в формате TDMA, использованном в DECT, который позволяет одному радиопередатчику поддерживать одновременно до 12 соединений. Такого не предусматривает ни одна другая цифровая сотовая или бесшнуровая технология связи.

В целом можно сказать, что системы RLL, соответствующие стандарту DECT, лучше других подходят для работы в условиях средней или высокой плотности абонентов -- либо в городах, либо в сельской местности, где число абонентов может быть и невелико, однако плотность их размещения довольно высока. Эти системы подойдут также абонентам, которые сейчас или в будущем захотят использовать линии связи для передачи данных или для работы с сетью ISDN.

Система WLL

Для операторов, предоставляющих услуги связи особый интерес представляет использование DECT в беспроводных местных сетях связи (Wireless Local Loop -- WLL). Речь идет об организации “последней мили” подключения абонентов к телекоммуникационным сетям общего пользования. Такое решение может быть использовано как в городских условиях, так и поселках и деревнях. При этом для полноценного использования возможностей DECT, желательно наличие мест с достаточно высокой плотностью абонентов. Для WLL-систем не всегда удобно подключать устройства доступа в проводном варианте.

Важным свойством WLL-cистем является малое время развертывания. Это, в частности, связано с тем, что отпадает необходимость в рытье траншей, укладывании кабеля, а также внутренней разводке телефонных проводов в здании.

Структура DECT-систем

Контроллер предназначен для сопряжения системы DECT с внешними сетями, например, городской и/или учрежденческой АТС. При этом ЦКС, как правило, обеспечивает преобразование протоколов сигнализации между АТС и системой DECT. В некоторых случаях для этих целей используются специальные устройства -- конвертеры протоколов. Кроме того, в ЦКС осуществляется преобразование речевой информации ADPCM в PCM при сопряжении по цифровым интерфейсам и ADPCM в аналоговый сигнал при сопряжении по аналоговым интерфейсам.

БС -- Базовая станция (в иностранной литературе они называются Radio Fixed Part) обеспечивают требуемое радиопокрытие. БС подключается к контроллеру по одной или двум парам проводов. Базовая станция представляет собой приемопередатчик, обеспечивающий одновременную работу по 4 - 12 каналам, работающий на две пространственно разнесенные антенны. БС выполняются в двух вариантах - для внутреннего и наружного размещения.

УД -- Устройства доступа представляют собой мобильную трубку или стационарный абонентский терминал, который иногда именуется “радиорозеткой”.

Для увеличения зоны покрытия базовой станции может также применятся ретранслятор (репитер).

Организация пикосотовой сети

Как было сказано, в DECT отсутствует частотное планирование, но есть территориальное. Это значит, что необходимо рассчитать зону уверенного приёма сигналов БС и АС в зависимости от состояния и рельефа местности. DECT относится к пикосотовым системам, следовательно, радиусы сот в городе, как правило, не превышают 300 - 500 м, а сами соты ограничены окружающими зданиями. Внутри зданий зона действия БС ещё меньше и обычно составляет несколько десятков метров (длина коридора). В сельской местности, где препятствий на пути распространения радиоволн меньше, дальность связи может возрасти до нескольких километров.

При развёртывании системы определяют необходимое число БС и места их размещения на местности. Количество БС влияет на общую стоимость системы, на качество радиопокрытия обслуживаемой территории и способность системы обеспечить требуемый трафик. Анализ двух последних параметров помогает определить оптимальное число БС, причём в одном случае главным параметром может оказаться зона охвата радиотелефонной связью, в другом -- обеспечение трафика. Структура пикосотовой сети включает в себя компоненты: базовые станции, управляющие работой всей системы в целом, абонентские терминалы (мобильные телефоны или стационарные аппараты). Базовые станции (БС) через соответствующий интерфейс подключаются к учрежденческой мини -- АТС. При этом используется цифровой канал связи стандарта DECT. Учрежденческая АТС в свою очередь подключается к городской телефонной сети. При этом используется аналоговая абонентская линия либо цифровой канал связи.

Для организации пикосотовой сети на определенной территории базовые станции устанавливаются с таким расчетом, чтобы они могли обеспечить радиосвязью всю территорию. Базовые станции устанавливаются последовательно на расстоянии от 100 до 600 метров друг от друга (в помещениях дальность действия базовой станции обычно около 50 метров). Такое расположение базовых станций позволяет абонентам сети всегда и в любом месте через ближайшую БС иметь доступ к радиосвязи. Во время связи абонент может перемещаться из зоны действия одной БС в зону действия другой БС, при этом связь не разрывается и трубка будет сама выбирать наименее зашумленный свободный канал. Развитие сети может планироваться произвольно: частотное планирование отсутствует, сеть расширяется путем включения новых базовых станций и трубок. Сеть DECT может охватывать территорию от квартиры до большого города. Аппаратура DECT наименее опасна для здоровья. Максимальная излучаемая мощность -- 10мВт (для сравнения: в GSM мощность достигает 2Вт). В качестве примера рассмотрим зону обслуживания города Тольятти. Телефонная компания "Аист" смонтировала и запустила в эксплуатацию сеть технологии DECT на 3000 абонентов. Для этого смонтировано 7 базовых станций на территории города Тольятти. До конца года будет смонтировано еще 10 базовых станций и количество абонентов будет доведено до 9000. Всего планируется установить 64 базовых станций на 32000 абонентов.

Профили приложений DECT

В профилях приложений содержатся дополнительные спецификации, определяющие как эфирный интерфейс DECT должен быть использован в конкретных приложениях. Стандартные сообщения и суб-протоколы были созданы из набора средств базового стандарта и подстроены под конкретные приложения с целью обеспечения максимальной совместимости оборудования DECT от разных производителей. Помимо самих профилей ETSI также разработал спецификации тестов на соответствие профилю, позволяющие проводить всестороннее тестирование оборудования DECT, претендующее на удовлетворение требованиям профиля. Профили приложений определяют дополнительную спецификацию протокольного стека DECT для конкретных приложений. Хотя базовый стандарт DECT, определенный в ETS 300175, обеспечивает возможность реализации широкого спектра услуг, основная цель профилей приложения -- обеспечить совместимость оборудования разных производителей. Существуют следующие основные профили DECT, определенные ETSI:

§ GAP (Generic Access Profile);

§ CAP (CTM Access Profile);

§ IAP и IIP (DECT/ISDN Interworking profiles);

§ GIP (DECT/GSM Interworking Profile);

§ DSP (Data Service Profile);

§ RAP (Radio Local Loop Access Profile);

§ DMAP (DECT Multimedia Access Profile);

§ DPRS (DECT Packet Radio Services).

GAP как основной профиль доступа был разработан для таких приложений DECT как домашние и офисные системы. GAP является главным профилем доступа DECT, предназначенным для использования в системах, поддерживающих телефонные услуги независимо от типа присоединенной сети. Он определяет минимум необходимых требований к АС и БС, обеспечивающих их совместимость. В GAP определены процедуры для установления и разрушения входящих и исходящих соединений, для поддержания мобильности, включая роуминг.

Хотя стандарт DЕCT определяет технологию радиодоступа, обеспечивающую мобильность, в нем не рассмотрены сетевые аспекты системы. Поэтому технология DECT может быть использована для доступа в любые сети. GIP описывает способ подключения сетей DECT к сети GSM. Такой доступ обеспечивается интерфейсом к сети GSM (к MSC). При этом сеть GSM воспринимает DECT как систему базовых станций (BSC).

Использование этого профиля обеспечивает два преимущества. Во-первых, появилась возможность строительства мобильных сетей DECT на основе наземной инфраструктуры сетей GSM. При этом существенно снижаются затраты на создание инфраструктуры сете DECT поскольку сети GSM имеют практически глобальное распространение и постоянно увеличивают охват территорий. Во-вторых, для операторов сетей GSM появилась возможность использования мобильных дуальных терминалов GSM/DECT для увеличения трафика, так как сети DECT поддерживают очень высокую плотность трафика. Сети, построенные на основе DECT и GSM, обладают такими качествами, как высокая плотность трафика для малоподвижных абонентов в местах наибольшего скопления абонентов за счет подсистемы базовых станций DECT, большая площадь радиопокрытия и высокая мобильность за счет подсистемы базовых станций GSM.

В настоящее время рассматривается другой способ взаимодействия сетей GSM и DECT через ISDN сети. Этот подход основан на протоколе DSS1+, являющимся расширением протокола DSS1. При разработке протоколов стандарта DECT был учтен богатый опыт, накопленный при создании протоколов для сетей ISDN. Поэтому предполагается тесное взаимодействие ISDN и DECT. Такое взаимодействие определяется профилями IAP и IIP. Оба профиля поддерживают одинаковый набор услуг. Основное отличие между ними заключается в способе соединения.

Первый из них ориентирован на доступ к услугам сети ISDN посредством стандартного терминала DECT. При этом со стороны сети ISDN терминал DECT виден как обычный терминал ISDN с соответствующими возможностями. Преимущества данного профиля заключаются в том, что для получения услуг ISDN используется только один трафиковый канал DECT. Информационный канал ISDN (В канал) шириной 64 Кбит/с передается в канал “данных пользователя” DECT путем преобразования кодирования РСМ в ADPCM. Очевидно, что этот профиль может обслуживать только речевые терминалы.

Второй профиль (IIP) называется профилем промежуточной системы и используется для подключения стандартного терминала ISDN к сети ISDN посредством радиоинтерфейса DECT. При этом появляется возможность подключения и терминалов передачи данных на скорости до 64 кбит/с. Недостатком этого профиля является неэффективное использование радиоспектра. Для организации информационного канала используются два трафиковых канала DECT. Кроме того, для отображения канала сигнализации (D канала ISDN) выделяется еще один канал. Таким образом, для одного соединения используются 3 трафиковых канала DECT.

В рамках этого профиля возможна организация стандартной канальной структуры 2B+D базового доступа ISDN путем выделения 5 трафиковых каналов DECT. При этом DECT обеспечивает стандартное сетевое окончание ISDN с интерфейсом SO. Преимуществом данного профиля является возможность использования любого стандартного терминала ISDN, в том числе и терминалов передачи данных.

Для систем абонентского радиодоступа (WLL) на основе технологии DECT разработан профиль RAP. RAP определяет протоколы и методы предоставления услуг сетей общего пользования конечным пользователям с использованием технологии DECT. RAP определяет два типа сервиса:

§ базовые телефонные услуги, включая передачу данных с помощью модемов на скоростях вплоть до V.34;

§ широкополосные услуги, включая ISDN и передачу данных с коммутацией пакетов.

Услуги предоставляются через стандартную АС DECT, аналогично ISDN.

В связи с тем, что WLL на основе DECT пользуются большой популярностью в мире, в ETSI рассматривается вопрос о расширении возможностей стандарта DECT по поддержке удаленных терминалов (более 5 км). На данный момент предлагается механизм "усовершенствованной схемы синхронизации", обеспечивающий связь на расстояниях до 16 км. Достоинство этого предложения заключается в сохранении совместимости с существующими системами. Таким образом, DECT является очень привлекательной технологией для создания систем WLL с точки зрения экономической эффективности, простоты планирования, монтажа и эксплуатации.

Для построения сетей доступа на основе технологии DECT определен профиль доступа в сети мобильных терминалов (СТМ). СТМ обеспечивает роуминг терминалов между сетями доступа DECT. В местах, где обеспечивается радиопокрытие DECT системой (домашней, офисной или общего пользования), беспроводный телефон может обслуживать как входящие, так и исходящие вызовы. При этом мобильный терминал регистрируется только в одной системе с одним телефонным номером. Таким образом, обеспечивается связь в любом месте, где присутствует DECT система. Причем для терминала во всех сетях сохраняется один и тот же сетевой номер, поэтому входящие звонки не теряются.

Основное отличие CAP от GIP заключается в том, что СТМ обеспечивает мобильность не только в пределах сети GSM, но может взаимодействовать с любой сетью, поддерживающей мобильность. Примерами таких сетей являются сети ISDN с расширением поддержки мобильности (протокол DSSI+) и сети ОКС-7 (INAP и MAP). Надо отметить, что CAP является надмножеством GAP, что обеспечивает совместимость с GAP терминалами, т.е. сохраняется преемственность между GAP и CAP.

Интеграция DECT систем с сетями передачи данных (СПД) обеспечивает пользователям СПД новое качество -- мобильность. Так как существует большое разнообразие СПД, то ETSI определил ряд профилей передачи данных DSP, которые отличаются по предоставляемым услугам и степени мобильности. По степени мобильности профили подразделяются на два класса:

§ без поддержки мобильности в пределах одной БС;

§ с поддержкой мобильности в частных сетях и сетях общего пользования.

По предоставляемым услугам профили передачи данных делятся на 6 типов:

§ низкоскоростная передача данных с frame relay (до 24,6 Кбит/с);

§ высокоскоростная передача данных с frame relay (до 552 Кбит/с, в будущем -- до 2 Мбит/с);

§ передача данных на основе коммутации пакетов;

§ прозрачная передача данных;

§ передача коротких сообщений с/без подтверждения;

§ услуги телесервиса (например, FAX).

DMAP разработан в первую очередь для организации беспроводного доступа в сети Internet через ISDN сети и поддержания речевых терминалов и терминалов передачи данных DECT. Поэтому базируется DMAP на протоколах ISDN, GAP и DSP. Этот профиль тесно связан с компьютерной технологией, в частности ноутбуками. Потому для обеспечения совместимости и упрощения доступа в терминале эмулируется клиент CAPI (v. 1.1/2.0), а в базовой станции -- сервер CAPI. DPRS создает основу для сопряжения всех услуг беспроводной пакетной передачи данных, которые предоставляются через интерфейс DECT, независимо от того, в каком приложении (домашний сектор, домашний офис, малый офис, корпоративный сектор, системы общего пользования) используется этот продукт, и, следовательно, значительно подтолкнет развитие рынка DECT-продуктов передачи данных.

2. Особенности сопряжения систем DECT с внешними сетями

Как уже неоднократно отмечалось выше, стандарт DECT -- это одно из последних достижений в области цифровой связи. Наиболее эффективно системы DECT работают при сопряжении именно с цифровыми сетями. Однако на данный момент достаточно типичной является ситуация, когда оборудование DECT необходимо подключать по аналоговым абонентским линиям. Особенно это характерно для домашних радиотелефонов и офисных систем небольшой емкости. Следует отметить, что и для систем WLL в России в настоящий момент следует ориентироваться на аналоговые АЛ. Структура коммутационного оборудования ГАТС в целом по России такова, что только около 32 % АТС цифровые, а 50 % -- координатные и 18 % еще декадно-шаговые. Кроме того, большое многообразие типов СЛ отечественных АТС и вполне определенные, характерные для импортного оборудования, протоколы сопряжения систем DECT с внешними сетями (R2, V5.1, V5.2, EDSS-1 и для отдельных систем 2-х проводные АЛ) вызывают необходимость использования конвертеров и протоколов.

Правильный выбор комплекса оборудования: конвертер протоколов и система DECT, позволяет оптимизировать показатель цена - качество. Практика развертывания различного рода систем показала, что из большого числа имеющихся на рынке конвертеров протоколов наиболее перспективными являются решения на базе коммутатора “Гранит - К”.

Преимущества выбора DECT

Качество проводной линии связи -- 32k ADPCM.

Самая высокая скорость передачи данных среди всех TDMA-стандартов.

Возможность создания различных систем на основе DECT:

§ домашние бесшнуровые многотрубочные системы, которые также подходят для малого офиса,

§ микросотовые беспроводные корпоративные системы (офисные и учрежденческие АТС с радиодоступом),

§ микросотовые системы общего пользования (СТМ),

§ системы фиксированного радиодоступа (WLL) и др.

Сосуществование различных некоординируемых DECT-систем в общем частотном диапазоне без необходимости частотного планирования Совместимость оборудования разных производителей (при наличии GAP).

Обеспечение перехода из соты в соту без разрыва соединения (хэндовер).

Возможность обслуживания одной трубки в разных сетях (частных и общего пользования).

Обеспечение большого трафика -- до 10,000 Эрл/км².

Совместимость с другими радиосистемами Отсутствие канала управления -- устойчивость к радиопомехам.

Низкий уровень излучения -- безопасность для здоровья.

Основные сведения о стандарте GSM-900

Общие характеристики стандарта GSM

В соответствии с рекомендацией СЕРТ 1980 г., касающейся использования спектра частот подвижной связи в диапазоне частот 862 - 960 МГц, стандарт GSM на цифровую общеевропейскую (глобальную) сотовую систему наземной подвижной связи предусматривает работу передатчиков в двух диапазонах частот: 890 - 915 МГц (для передатчиков подвижных станций -- MS), 935 - 960 МГц (для передатчиков базовых станций -- BTS). В стандарте GSM используется узкополосный многостанционный доступ с временным разделением каналов (NB TDMA). В структуре TDMA кадра содержится 8 временных позиций на каждой из 124 несущих. Для защиты от ошибок в радиоканалах при передаче информационных сообщений применяется блочное и сверточное кодирование с перемежением. Повышение эффективности кодирования и перемежения при малой скорости перемещения подвижных станций достигается медленным переключением рабочих частот (SFH) в процессе сеанса связи со скоростью 217 скачков в секунду. Для борьбы с интерференционными замираниями принимаемых сигналов, вызванными многолучевым распространением радиоволн в условиях города, в аппаратуре связи используются эквалайзеры, обеспечивающие выравнивание импульсных сигналов со среднеквадратическим отклонением времени задержки до 16 мкс.

Система синхронизации рассчитана на компенсацию абсолютного времени задержки сигналов до 233 мкс, что соответствует максимальной дальности связи или максимальному радиусу ячейки (соты) 35 км. В стандарте GSM выбрана Гауссовская частотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом (GMSK). Обработка речи осуществляется в рамках принятой системы прерывистой передачи речи (DTX), которая обеспечивает включение передатчика только при наличии речевого сигнала и отключение передатчика в паузах и в конце разговора. В качестве речепреобразующего устройства выбран речевой кодек с регулярным импульсным возбуждением, долговременным предсказанием и линейным предикативным кодированием с предсказанием (RPE/LTR-LTP-кодек). Общая скорость преобразования речевого сигнала -- 13 кбит/с. В стандарте GSM высокая степень безопасности передачи сообщений осуществляется шифрованием сообщений по алгоритму шифрования с открытым ключом (RSA).

В целом система связи, действующая в стандарте GSM, рассчитана на ее использование в различных сферах. Она предоставляет пользователям широкий диапазон услуг и возможность применять разнообразное оборудование для передачи речевых сообщений и данных, вызывных и аварийных сигналов; подключаться к телефонным сетям общего пользования (PSTN), сетям передачи данных (PDN) и цифровым сетям с интеграцией служб (ISDN).

Основные характеристики стандарта GSM:

§ Частоты передачи подвижной станции приема базовой станции, МГц -- 890 - 915.

§ Частоты приема подвижной станции и передачи базовой станции, МГц -- 935 - 960.

§ Дуплексный разнос частот приема и передачи, МГц -- 45.

§ Скорость передачи сообщений в радиоканале, кбит/с -- 270, 833.

§ Скорость преобразования речевого кодека, кбит/с -- 13.

§ Ширина полосы канала связи, кГц -- 200.

§ Максимальное количество каналов связи -- 124.

§ Максимальное количество каналов, организуемых в базовой станции -- 16 - 20.

§ Вид модуляции -- GMSK.

§ Индекс модуляции -- ВТ 0,3

§ Ширина полосы предмодуляционного гауссовского фильтра, кГц -- 81,2.

§ Количество скачков по частоте в секунду -- 217.

§ Временное разнесение в интервалах TDMA кадра (передача/прием) для подвижной станции -- 2.

§ Вид речевого кодека -- RPE/LTP.

§ Максимальный радиус соты, км -- до 35.

§ Схема организации каналов комбинированная -- TDMA/FDMA.

Структурная схема и состав оборудования сетей связи

Функциональное построение и интерфейсы, принятые в стандарте GSM, иллюстрируются структурной схемой, на которой MSC (Mobile Switching Centre) -- центр коммутации подвижной связи; BSS (Base Station System) -- оборудование базовой станции; ОМС (Operations and Maintenance Centre) -- центр управления и обслуживания; MS (Mobile Stations) -- подвижные станции. Функциональное сопряжение элементов системы осуществляется рядом интерфейсов. Все функциональные сетевые компоненты в стандарте GSM взаимодействуют в соответствии с системой сигнализации МККТТ SS N 7 (CCITT SS. № 7).

Центр коммутации подвижной связи обслуживает группу сот и обеспечивает все виды соединений, в которых нуждается в процессе работы подвижная станция. MSC аналогичен ISDN коммутационной станции и представляет собой интерфейс между фиксированными сетями (PSTN, PDN, ISDN и т.д.) и сетью подвижной связи. Он обеспечивает маршрутизацию вызовов и функции управления вызовами. Кроме выполнения функций обычной ISDN коммутационной станции, на MSC возлагаются функции коммутации радиоканалов. К ним относятся "эстафетная передача", в процессе которой достигается непрерывность связи при перемещении подвижной станции из соты в соту, и переключение рабочих каналов в соте при появлении помех или неисправностях.

Каждый MSC обеспечивает обслуживание подвижных абонентов, расположенных в пределах определенной географической зоны (например, Москва и область). MSC управляет процедурами установления вызова и маршрутизации. Для телефонной сети общего пользования (PSTN) MSC обеспечивает функции сигнализации по протоколу SS № 7, передачи вызова или другие виды интерфейсов в соответствии с требованиями конкретного проекта. MSC формирует данные, необходимые для выписки счетов за предоставленные сетью услуги связи, накапливает данные по состоявшимся разговорам и передает их в центр расчетов (биллинг-центр). MSC составляет также статистические данные, необходимые для контроля работы и оптимизации сети. MSC поддерживает также процедуры безопасности, применяемые для управления доступами к радиоканалам.

MSC не только участвует в управлении вызовами, но также управляет процедурами регистрации местоположения и передачи управления, кроме передачи управления в подсистеме базовых станций (BSS). Регистрация местоположения подвижных станций необходима для обеспечения доставки вызова перемещающимся подвижным абонентам от абонентов телефонной сети общего пользования или других подвижных абонентов. Процедура передачи вызова позволяет сохранять соединения и обеспечивать ведение разговора, когда подвижная станция перемещается из одной зоны обслуживания в другую. Передача вызовов в сотах, управляемых одним контроллером базовых станций (BSC), осуществляется этим BSC. Когда передача вызовов осуществляется между двумя сетями, управляемыми разными BSC, то первичное управление осуществляется в MSC. В стандарте GSM также предусмотрены процедуры передачи вызова между сетями (контроллерами), относящимися к разным MSC. Центр коммутации осуществляет постоянное слежение за подвижными станциями, используя регистры положения (HLR) и перемещения (VLR). В HLR хранится та часть информации о местоположении какой-либо подвижной станции, которая позволяет центру коммутации доставить вызов станции. Регистр HLR содержит международный идентификационный номер подвижного абонента (IMSI). Он используется для опознавания подвижной станции в центре аутентификации (AUC).

Практически HLR представляет собой справочную базу данных о постоянно прописанных в сети абонентах. В ней содержатся опознавательные номера и адреса, а также параметры подлинности абонентов, состав услуг связи, специальная информация о маршрутизации. Ведется регистрация данных о роуминге (блуждании) абонента, включая данные о временном идентификационном номере подвижного абонента (TMSI) и соответствующем VLR.

К данным, содержащимся в HLR, имеют дистанционный доступ все MSC и VLR сети и, если в сети имеются несколько HLR, в базе данных содержится только одна запись об абоненте, поэтому каждый HLR представляет собой определенную часть общей базы данных сети об абонентах. Доступ к базе данных об абонентах осуществляется по номеру IMSI или MSISDN (номеру подвижного абонента в сети ISDN). К базе данных могут получить доступ MSC или VLR, относящиеся к другим сетям, в рамках обеспечения межсетевого роуминга абонентов.

Второе основное устройство, обеспечивающее контроль за передвижением подвижной станции из зоны в зону, -- регистр перемещения VLR. С его помощью достигается функционирование подвижной станции за пределами зоны, контролируемой HLR. Когда в процессе перемещения подвижная станция переходит из зоны действия одного контроллера базовой станции BSC, объединяющего группу базовых станций, в зону действия другого BSC, она регистрируется новым BSC, и в VLR заносится информация о номере области связи, которая обеспечит доставку вызовов.

Для сохранности данных, находящихся в HLR и VLR, в случае сбоев предусмотрена защита устройств памяти этих регистров. VLR содержит такие же данные, как и HLR, однако эти данные содержатся в VLR только до тех пор, пока абонент находится в зоне, контролируемой VLR.

Состав временных данных, хранящихся в HLR и VLR

В сети подвижной связи GSM соты группируются в географические зоны (LA), которым присваивается свой идентификационный номер (LAC). Каждый VLR содержит данные об абонентах в нескольких LA. Когда подвижный абонент перемещается из одной LA в другую, данные о его местоположении автоматически обновляются в VLR. Если старая и новая LA находятся под управлением различных VLR, то данные на старом VLR стираются после их копирования в новый VLR. Текущий адрес VLR абонента, содержащийся в HLR, также обновляется. VLR обеспечивает также присвоение номера "блуждающей" подвижной станции (MSRN). Когда подвижная станция принимает входящий вызов, VLR выбирает его MSRN и передает его на MSC, который осуществляет маршрутизацию этого вызова к базовым станциям, находящимся рядом с подвижным абонентом.

VLR также распределяет номера передачи управления при передаче соединений от одного MSC к другому. Кроме того, VLR управляет распределением новых TMSI и передает их в HLR. Он также управляет процедурами установления подлинности во время обработки вызова. По решению оператора TMSI может периодически изменяться для усложнения процедуры идентификации абонентов. Доступ к базе данных VLR может обеспечиваться через IMSI, TMSI или MSRN. В целом VLR представляет собой локальную базу данных о подвижном абоненте для той зоны, где находится абонент, что позволяет исключить постоянные запросы в HLR и сократить время на обслуживание вызовов.

Для исключения несанкционированного использования ресурсов системы связи вводятся механизмы аутентификации -- удостоверения подлинности абонента. Центр аутентификации состоит из нескольких блоков и формирует ключи и алгоритмы аутентификации. С его помощью проверяются полномочия абонента и осуществляется его доступ к сети связи. AUC принимает решения о параметрах процесса аутентификации и определяет ключи шифрования абонентских станций на основе базы данных, сосредоточенной в регистре идентификации оборудования (EIR -- Equipment Identification Register).