Системы LMDS/MVDS используют те же методы модуляции (QPSK, QAM) и частотные планы (19,5-39 МГц), что и системы спутникового ТВ-вещания. Диапазон их работы определяется наличием свободного частотного ресурса и может быть, например, 10, 24, 31, 38 ГГц. При общей ширине полосы 2 ГГц эти системы позволяют передавать от 96 до 128 аналоговых ТВ-каналов. Сотовая структура сетей LMDS/MVDS открывает широкие возможности для частотного планирования, включая такие механизмы, как различная поляризация сигналов, применение направленных (секторных) антенн, использование одних и тех же ка­налов в разных сотах и т. д. Важно отметить, что в современных трансляционных системах твердотельные выходные усилители усиливают сигнал только в актив­ных каналах, а не во всей полосе сразу. Именно это и обусловливает относитель­но невысокую мощность излучения групповых передатчиков. Для сравнения в Нью-Йорке при внедрении системы LMDS в районе Брайтон-Бич использо­вались выходные усилители на основе ламп бегущей волны мощностью свыше 100 Вт, усиливающие сразу весь рабочий диапазон. Сейчас там 17 базовых стан­ций обеспечивают 48 аналоговых ТВ-каналов (NTSC).

С 2000 года системы LMDS стали двунаправленными, что открыло перед ни­ми широчайшие возможности для миграции из области ТВ-вещания в зону ин­терактивных приложений, важнейшее из которых Интернет, а также интерак­тивное телевидение (Video on Demand). Операторы соответствующих сервисов не замедлили этим воспользоваться. Однако широкому внедрению систем широко­полосного доступа мешало отсутствие единого стандарта - аппаратура различ­ных производителей оказывалась несовместимой, специализированная элемент­ная база не могла стать массовой, соответственно, цены оставались высокими. Названия MMDS и LMDS/MVDS фактически обозначали только тип сервиса и самые основные функциональные возможности, а не методы практической реали­зации. Единой технической концепции (методы модуляции, механизмы доступа к каналам и т. п.) не было. Развитие этих систем резко остановилось, многие из­вестные производители (например, корпорации Nortel, ADC) вообще объявили о прекращении выпуска соответствующего оборудования. Решением возникшей проблемы стал стандарт широкополосных региональных сетей IEEE 802.16.

1. Региональные сети широкополосного доступа под управлением ieee 802.16

В августе 1998 года по инициативе Национальной испытательной лаборатории беспроводных электронных систем Национального института стандартов и технологии США (National Wireless Electronics Systems Testbed of the U.S. National Institute of Standards and Technology) комитет 802 IEEE организовал рабочую группу 802.16. С июля 1999 года группа приступила к регулярной работе над новым стандартом широкополосных городских (региональных) сетей передачи данных (MAN — Metropolian Access Network) с фиксированным доступом. Со­ответственно, новый стандарт получил название WirelessMAN. Изначально дея­тельность велась в трех направлениях — разработка стандартов для диапазона 10-66 ГГц (первоначально обозначался 802.16.1) и 2-11 ГГц (802.16.3), а также стандарта, регламентирующего совместную работу различных систем широкопо­лосного беспроводного вещания (802.16.2).

Уже в декабре 2001 года стандарт IEEE 802.16 «Air Interface for Fixed Broad­band Wireless Access Systems» (воздушный интерфейс для фиксированных си­стем с широкополосным беспроводным доступом) был утвержден (официаль­но опубликован 8 апреля 2002 года). Он описывал общие принципы построе­ния систем широкополосного беспроводного доступа и сосредоточивался на диа­пазоне 10-66 ГГц. Отметим, что 15 января 2003 года был опубликован доку­мент IEEE 802.16c — поправки и дополнения к IEEE 802.16, касающиеся ра­боты в диапазоне 10-66 ГГц. 10 сентября 2001 года увидел свет стандарт IEEE 802.16.2 «Coexistence of Fixed Broadband Wireless Access Systems» (сосущество­вание фиксированных систем широкополосного беспроводного доступа). Над бо­лее низкочастотным диапазоном работы продолжались чуть дольше — стандарт IEEE 802.16a «Medium Access Control Modifications and Additional Physical Layer Specifications for 2-11 GHz» (модификации управления доступа к среде пере­дачи и дополнительные спецификации физического уровня для диапазона 2-11 ГГц), регламентирующий работу в диапазоне 2-11 ГГц, был утвержден 29 ян­варя 2003 года, а 1 апреля опубликован.

Все стандарты группы 802.16 (равно как и их собратья 802.11) описывают два нижних уровня модели взаимодействия открытых систем (OSI) — физический и уровень контроля доступа к среде передачи (MAC - Medium Access Control). В стандартах этой группы идет речь о радиоинтерфейсах, методах модуляции доступа к каналам, системе управления потоками, о структурах передаваемых данных, о механизмах связи протоколов передачи данных верхних уровней (пре­жде всего ATM и IP) с протоколами физического уровня IEEE 802.16 и др.

Разумеется, работать с тремя документами вместо одного неудобно. Кроме того, сразу же после публикации этих документов стали появляться многочис­ленные исправления и дополнения, только что выявленные на практике. Труд учитывать все эти поправки взяла на себя Рабочая группа 802.16d IEEE. Непо­средственно к работе по созданию единого документа с учетом всех поправок она приступила 11 сентября 200З года (рабочее называние draft-версии того пе­риода - 802.16REVd). Почти через год, 24 июня 2004 года был официально утвержден новый стандарт — 802.16-2004, заменяющий собой документы 802.16-2001, 802.16с-2002 и 802.1ба-2003. Принципы организации сетей, предусмотрен­ные стандартом IEEE 802.16, мы подробно рассмотрим в главе 8.

2. Мобильные сотовые технологии

Сотовая связь - одно из революционных достижений в области беспроводных сетей, ставшее обыденным за последние 10 лет. Роль этой технологии в 90-е годы столь же велика, как бум персональных компьютеров в 80-х. Мобильный телефон превратился в привычный предмет обихода, по стоимости приближающийся к обычному телефонному аппарату (а по распространенности уже превзошедшие число телефонных аппаратов фиксированной связи). Широкие возможности се­тей мобильной связи не могут не привлекать внимание разработчиков различной; рода систем — мониторинговых, охранных, коммуникационных и т.д. Смена же поколений сотовой связи столь стремительна, что достижимые технические воз­можности ощутимо опережают реальную потребность пользователей, это ярке демонстрирует проблема с внедрением сотовых сетей третьего поколения (3G). А специалисты говорят уже о 4G.

Рост сотовых сетей связи носит поистине «взрывной» характер. Число их або­нентов уже превысило миллиард примерно столько, сколько всего абонентов проводной связи. В 2001 году насчитывалось около 430 млн абонентов сетей GSM (69% всех абонентов мира), 65 млн приверженцев CDMA, 47,1 млн пользователей DAMPS, еще около 58 млн абонентов сетей других стандартов |228). В России на

1 января 2001 года было порядка 3,4 млн абонентов - годовой рост составил то­гда 152%. К марту 2004 года их число выросло более чем в 10 раз, достигнув 42,37 млн абонентов.

Очевидно, что в подобной ситуации потребность в едином стандарте или, по крайней мере, в совместимых стандартах весьма остра. К тому же сотовая связь все активнее вторгается в сферу передачи данных - это и электронная почта, и доступ к ресурсам Интернета, и обмен видеоинформацией, и т. п. Но, чтобы подобные услуги оказались востребованными, необходимы иные скорости обме­на (т.е. превосходящие стандартные для сетей второю поколения (2G) 9,6 или 14,4 кбит/с) и новые принципы организации соединений.

Еще в 1992 году Международный союз электросвязи (ITU) инициировал ра­боты над стандартом «всемирной подвижной радиосвязи» IMT-2000. Предпола-1алось, что к 2000 году появится спецификация сетей подвижной связи, действу­ющая в диапазоне около 2000 МГц и со скоростью передачи данных порядка

2 Мбит/с. Одним из требований была возможность точного определения место­положения мобильных терминалов. Причем речь шла о единой системе теле­коммуникаций, объединяющей спутниковые, мобильные, фиксированные виды связи. Надеждам этим сбыться не было суждено, однако некая определенность со стандартами сетей третьего поколения наступила. Но, прежде чем говорить о 3G, рассмотрим существующие стандарты сотовой связи.

Глобальная система мобильной связи (GSM). Безусловный лидер по распространенности на мировом рынке — стандарт GSM. Его история началась в 1982 году, когда Европейская конференция администраций почты и телеграфа (СЕРТ) создала рабочую группу GSM (Group Special Mobile) для разработки общеевропейской системы подвижной сотовой связи. В 1989 году работы по GSM перешли под эгиду Европейского института стандартизации электросвязи (ETSI), и в 1990 году были опубликованы спецификации первой фа­зы стандарта. В 1993 году в 22 странах мира действовало 36 сетей GSM. К 1995 году насчитывалось около 5 млн абонентов, стандарт стал общемировым и рас­шифровывался уже как Global System for Mobile Communications. За последующие шесть лет число абонентов возросло в 84 раза, что составляет порядка 70% пользователей сотовой связи во всем мире. Примечательно, что такая же доля сторонников GSM и в России.

GSM действует в диапазонах 900 и 1800 МГц (в США - 1900 МГц). В Европе и России в диапазоне 900 МГц мобильный телефон передает (восходящий ка­нал) в полосе 890 915 МГц, принимает (нисходящий канал) в интервале 935-960 МГц (для GSM-1800 — 1710-1785 и 1805-1880 МГц соответственно). Весь диа­пазон делится на частотные каналы по 200 кГц — в GSM-900 всего 124 канала (124 восходящих и 124 нисходящих), разнос между восходящим и нисходящим каналом — 45/95 МГц (в диапазонах 900/1800 МГц, соответственно). Базовая станция поддерживает от 1 до 16 частотных каналов. Таким образом, в GSM реализован частотный метод дуплексирования каналов (FDD).

Что касается доступа к среде передачи, в GSM использован принцип времен­ного разделения канала — TDMA- Частотные каналы разбиты на кадры по 8 временных интервалов (канальные интервалы) длительностью по 577 мкс. Каж­дому физическому каналу соответствует один определенный временной интервал на определенной частоте. Таким образом, мобильный терминал (МТ) передает базовой станции (БС) информацию в течение 577 мкс каждые 4615 мкс. БС свя­зывается с МТ точно так же, но на три временных интервала раньше МТ (и на частоте на 45 МГц выше), чтобы разнести во времени прием и передачу. Это существенно упрощает аппаратуру МТ.

Временные интервалы в GSM бывают пяти типов — нормальный, подстрой­ки частоты, синхронизации, установочный и доступа. Структура нормального временного интервала показана на рис. 43. Полезная информация передается двумя блоками по 57 бит. Между ними расположена тренировочная последова­тельность в 26 бит, ограниченная одноразрядными указателями РВ (Pointer Bit). Интервалы ВВ (Border Bit) длиной 3 бита ограничивают всю передаваемую по­следовательность. После трансляции всех 148 бит канального интервала передатчик «молчит» в течение защитною интервала ST (Shield Time) длительностью 30,44 мкс, что но времени эквивалентно передаче 8,25 бит.

Рис. 43. Временное раз­деление каналов в GSM

Каждые 26 кадров объединены в мультикадр продолжительностью 120 мс. В мультикадре каждый 13-й кадр зарезервирован для канала управления, а в течение каждою 26-ю кадра вся система «молчит».

Отметим, что в GSM использован принцип медленных частотных скачков — прием/передача нового кадра может происходить на новой несущей частоте. При этом сохраняется дуплексный разнос в 45 МГц. Начальное значение несущей и последовательность изменения назначаются мобильному терминалу при установ­лении связи. Модуляция сигнала — двоичная гаyссова с минимальным частотным сдвигом GMSK (один бит на символ).

Радиус соты в GSM — до 35 км - ограничен возрастающей временной за­держкой распространения сигнала, к которой чувствительна технология TDMA. Сетевая инфраструктура GSM/MAP основала на системе сигнализации ОКС7 (SS7). Для кодирования речи применен кодек VCELP на основе алгоритма RPE-LTP (Regular Pulse Excitation-Long Term Prediction) со скоростью 13 кбит/с. Скорость передачи данных до 9,6 кбит/с (по стандартной схеме).

Стандарт AMPS/DAMPS. 13 октября 1983 года в Чикаго заработала первая сеть стандарта AMPS (Advanced Mobile Phone System). Родившись на Американском континенте, этот стандарт распространился по всему миру, попав и в Россию. AMPS рассчитан на диапазон 824-840 и 869 894 МГц, каналы — дуплексные с разносом на 45 МГц, ширина канала 30 кГц. Как стандарт первого поколения, AMPS потребовал модерниза­ции. Так, в 1988 возник DAMPS — Digital AMPS, цифровой стандарт второго поколения, действующий в том же диапазоне, что и предшественник. Ширина канала в DAMPS - те же 30 кГц, но применено временное разделение каналов — циклически повторяющиеся кадры с тремя временными интервалами. Речевой кодек VCELP, 8 кбит/с. Поскольку стандарт американский, его сетевая ин­фраструктура - ANSI-41. Размер соты до 20 км. В отличие от аналогового прародителя, DAMPS особого распространения в мире получить не успел и уже никогда не успеет.

Стандарт CDMA. CDMA расшифровывается как множественный доступ с кодовый разделением каналов (Code-Division Multiple Access). Сама по себе технология не нова: первая В СССР работа на эту тему — «Основы теории линейной селекции» Д.В. Aгеева — была опубликована в сборнике ЛЭИС в 1935 году. Значительно продвинули технологию работы К. Шеннона. До определенного момента CDMA находил при­менение только в военной и специальной технике из-за сложности аппаратуры дня обработки сигналов. Зато такие свойства технологии, как высокая стойкость к помехам и скрытность передачи, в данной области оказались незаменимыми.

С развитием микроэлектроники стало возможным создание недорогих порта­тивных станций CDMA. Лидер в этой области - американская компания Qualcomm, разработавшая спецификацию IS-U5 (cdmaOne). Возможно, именно IS-95 и уготована самая долгая жизнь, поскольку на базе этого стандарта развивается одно из направлений сотовой телефонии третьего поколения.

Упрощенно рассмотрим принцип действия CDMA. Различают три вида ко­дового разделения каналов — расширение спектра методом прямой последова­тельности (DS), частотных скачков (FH) и временных скачков (ТН). Нас интересует метод DS, в отечественной литературе его называют передачей на основе шумоподобных сигналов (ШПС). В CDMA-DS каждый бит информационного сигнала заменяется некоторой фиксированной последовательностью опре­деленной длины — базой сигнала. Ноль и единица могут, например, кодироваться инверсными последовательностями. Для каждого канала задается определенная последовательность (код). Спектр сигнала расширяется пропорционально длине базы. Последовательности обычно подбирают ортогональными (скалярное про­изведение равно нулю). В приемнике происходит вычисление корреляционных интегралов входного сигнала и кодовой последовательности определенного кана­ла. В результате принимается только тот сигнал, который был расширен посред­ством заданной кодовой последовательности (корреляционная функция выше по­рогового значения). Все остальные сигналы воспринимаются как шум. Таким образом, в одной полосе могут работать несколько приемопередатчиков, не ме­шая друг другу. Благодаря широкополосности сигнала снижается его мощность, причем при очень длинной базе — ниже уровня белого шума.

Сильно возрастает помехоустойчивость, а с ней и качество связи узкопо­лосная помеха не повлияет на широкополосный сигнал. Кодовая последователь­ность автоматически является и элементом криптозащиты. Что особенно при­влекательно для операторов сотовой связи — упрощается проблема частотного планирования, поскольку все станции работают в одной полосе. Все эти свойства и предопределили успех CDMA.

Естественно, принцип взаимодействия базовой и мобильной станций в стан­дарте IS-95 гораздо сложнее. Рассмотрим его немного подробнее, поскольку имен­но этот стандарт лег в основу ряда сетей третьего поколения.

Сети IS-95 занимают практически тот же частотный диапазон, что и сети AMPS: 824-840 и 869-894 МГц. Нисходящий канал (от БС к МТ) всегда на 45 МГц выше восходящего. Ширина канала — 1,25 МГц. Существует и более высокочастотная версия в диапазонах 1890-1930 и 1950-1990 МГц. Там дуплекс­ный разнос 80 МГц. Ниже мы рассмотрим работу в диапазоне до 900 МГц — в более высокочастотной версии все аналогично, только скорость передачи данных в 1,5 раза выше: до 14,4 кбит/с.

Нисходящий канал содержит 64 логических канала. Логические каналы фор­мируются за счет расширения спектра сигнала последовательностями Уолша (Walsh). Каждая из этих последовательностей представляет собой одну из 64 строк матрицы Адамара (Hadamar). Основное их свойство в том, что все строки матрицы (и их инверсия) взаимно ортогональны.

Способ построения матрицы Адамара прост. Матрица первого порядка Ai = [1]. Матрица А2п образуется по схеме

(11)

Так, матрица Адамара второго порядка имеет вид

(12)

матрица Адамара четвертого порядка

(13)

В стандарте IS-95 используются матрицы Адамара 64-го порядка. Последова­тельность Уолша отличается от строки матрицы Адамара только тем, что в ней —1 заменена на 0.

Рассмотрим процесс передачи в нисходящем канале (рис. 44). Входной поток (данные, оцифрованный голос) (1,2-9,6 кбит/с) подвергается защитному сверхточному кодированию с скоростью 1/2 и попадают в повторитель, который в зависимости от условий связи может повторять передачу одного блока данных до восьми раз. Затем данные поступают в блок перемежения, защищающий от групповых ошибок. Фактически, это матрица, которую информационные биты заполняют по строкам, а выводятся по столбцам.