Материал: Основы теории радиосистем передачи информации. учебное пособие. Журавлёв Д.В

В 1992 году ETSI принял CAI СТ-2 в качестве европейского стандарта. На основе СТ-2 была создана система Telepoint, получившая достаточно широкое распро­странение во всем мире. В ней фактически впервые была реализована микро-сотовая архитектура (рис. 37). Системам СТ-2 предрекали большое будущее, однако после резкого снижения цен на услуги сотовой святи во второй половине 90-x годов прошлого века интерес к ним упал. В начале 90-х появились си­стемы на основе стандарта СТ-3 фирмы Ericsson. Они были установлены в ряде стран, однако вскоре внимание европейского телекоммуникационного сообщества переключилось на новую спецификацию, названную Digital European Cordless Telecommunications - DECT.

В 1988 году новый стандарт был одобрен Конференцией европейских Адми­нистраций почты и электросвязи (CEРT). Под него был выделен диапазон 1880-1900 МГц. В 1992 году ETSI публикует первые спецификации DECT ETS 300 175 и 176 (DECT Common Interface (Cl) и DECT Approval Test Specification coответственно). В этих документах были заложены базовые основы DECT.

Фактически DECT это набор спецификаций, определяющих радиоинтерфейсы для различных видов сетей связи и оборудования. DECT Cl содержит требования, протоколы и сообщения, обеспечивающие взаимодействие сетей связи и оконечного оборудования. Организации самих сетей и устройство оборудования в стандарт не входят.

Важнейшая задача DECT - обеспечить совместимость оборудования различ­ных изготовителей. Для этого был разработан ряд профилей взаимодействия различных систем. В 1994 году появился первый из них, унифицированный про­филь доступа GAP (Generic Access Profile) ETS 300 444. Он определяет работу оконечных устройств DECT (телефоны, базовые станции, беспроводные офис­ные АТС) для всех приложений голосовой связи с полосой пропускания речево­го тракта 3,1 кГц. Позднее появились профили взаимодействия DECT и GSM, DECT и ISDN, взаимодействия абонентов с ограниченной мобильностью с сетями общего пользования (Cordless Terminal Mobility, CTM), со средствами абонент­ского радиодоступа (Radio Local Loop, RLL) и т.д.

Рис. 37. Микросотовая сеть связи

Первые коммерческие продукты в стандарте DECT были представлены на выставке CeBIT'93 в Ганновере. Это были бесшнуровой телефон Gigaset произ­водства Siemens, радио-АТС Freeset (DCT-1800) фирмы Ericsson и радиосистема для передачи данных NET3 компании Olivetty. Судьба их сложилась по-разному — о продукте NET3 помнят разве что специалисты, в то время как семейство Gigaset активно производится и развивается до сих пор. На СеВГТ'96 уже пять ведущих европейских производителей, Alcatel, Ericsson, Nokia, Philips и Siemens - демонстрировали свои изделия для DECT. Тогда же DECT приказом Минс­вязи был легализован в России.

Изначально DECT был ориентирован на телефонию — радиоудлинители, бес­проводные учрежденческие АТС, предоставление радиодоступа к телефонным сетям общего пользования. Но стандарт оказался столь удачным, что его стали использовать в системах передачи данных, беспроводного абонентского досту­па к сетям связи общего пользования. DECT нашел применение в приложениях мультимедиа и домашних радиосетях, для доступа в Интернет и к факсимильной связи.

Бурно прогрессирует и технология беспроводного доступа посредством радиоретранслнционных DECT-систем. Уже к началу 1997 года число таких линий превысило 1 млн По данным компании Strategy Analytics, в 1998 году на ев­ропейском рынке было продано около 18 млн беспроводных телефонов DECT. По данным на январь 1999 года, 53% всех продаваемых в Европе телефонов с радиоудлинителем были стандарта DECT, причем в Германии этот показатель составил 80%.

Системы и устройства DECT распространены во всех странах мира. На миро­вом рынке представлены более 200 различных продуктов DECT (163]. Не случай­но сейчас аббревиатура DECT расшифровывается как Digital Enhanced (вместо European) Cordless Telecommunication.

Принципы организации DECT. Что же представляет собой радиоинтерфейс DECT? В диапазоне шириной 20 МГц (1880-1900 МГц) выделено 10 несущих частот с интервалом 1,728 МГц. В DECT применяется технология доступа с временным разделением каналов - TDMA (Time Division Multiple Access). Временной спектр разделен на отдельные кадры по 10 мс (рис. 38). Каждый кадр разбит на 24 временных слота; 12 слотов для приема (с точки зрении носимою терминала) и 12 — для передачи. Таким образом, на каждой из 10 несущих частот формируется 12 дуплексных каналов — всего 120. Дуплекс обеспечивается временным разделением (с интервалом 5 мс) приема/передачи (TDD, Течи; Division Duplex). Для синхронизации применяется 32-битная последовательность «101010...». В DЕСТ предусмотрено сжатие речи в соответствии с технологией адаптивной дифференциальной импульсно-кодовой модуляции АДИКМ (ADPCM) со скоростью 32 кбит/с (рекомендация ITU-T G.726). Поэтому информационная часть каждого слота - 320 бит. При передаче данных возможно объединение временных слотов. В радиотракте ис­пользована частотная модуляция с фильтром Гаусс» (GFSK).

Pис. 38. Пере­дачи информа­ции в системе DECT

Базовые станции (БС) и абонентские терминалы (AT) DECT постоянно ска­нируют вес доступные каналы (до 120). При этом измеряется мощность сигнала на каждом из каналов, которая заносится в список RSSI (Recieved Signal Strength Indication). Если канал занят или сильно зашумлен (например, помехами от дру­гого DECT-устройства), показатель RSSI для него высокий. БC выбирает канал с самым низким значением RSSI для постоянной передачи служебной информации о вызовах абонентов, идентификаторе станции, возможностях системы и т. д. Эта информация играет роль опорных сигналов дли AT по ним абонентское устройство определяет, есть ли у него право доступа к той или иной БС, предо­ставляет ли она требуемые абоненту услуги, есть ли в системе свободная емкость, и выбирает базовую станцию с наиболее качественным сигналом.

В DECT канал связи всегда выбирает AT. При запросе соединения от базовой станции (входящее соединение) AT получает уведомление и выбирает радиока­нал. Служебная информации передается БС и анализируется AT постоянно, сле­довательно AT всегда синхронизируется с самой близкой из доступных БС. При установлении нового соединении AT выбирает канал с самым низким значением RSSI это гарантирует, что новое соединение происходит на самом «чистом» канале из доступных. Данная процедура динамического распределения каналов DCS (Dinamic Channel Selection) позволяет избавиться от частотного планирова­ния — важнейшее свойство DECT.

Поскольку AT постоянно (даже при установленном соединении) анализирует доступные каналы, может происходить их динамическое переключение во время сеанса связи. Такое переключение возможно как на другой канал той же БС, так и на другую БС. Эта процедура называется «хэндовер» (handover). При хэндовере AT устанавливает новое соединение, и какое-то время связь поддерживается по обоим каналам. Затем выбирается лучший. Автоматическое переключение меж­ду каналами разных БС происходит практически незаметно для пользователя и полностью инициируется AT. Это особенно важно дли построения микросото­вых систем, позволяющих абоненту переходить из соты в соту без прерывании соединения. Отметим, что, хотя выбор каналов всегда за AT, в DECT предусмот­рена возможность оповещения абонентского терминала со стороны БС о низком качестве связи, что может инициировать хэндовер.

Существенно, что в радиотракте aппаратуры DECT мощность сигнала весьма мала — от 10 до 250 мВт. Причем 10 мВт — практически номинальная мощность для микросотовых систем с радиусом соты 30-50 м внутри здания и до 300-400 м на открытом пространстве. Передатчики мощностью до 250 мВт используют для радиопокрытия больших территорий (до 5 км при направленной антенне). Столь низкая мощность делает устройства DECT наиболее безопасными для здоровья. Недаром в европейских медицинских учреждениях разрешено применение систем радиотелефонии только этого стандарта.

Кроме того, при мощности 10 мВт возможно располагать базовые станции на расстоянии 25 м. В результате достигается рекордная плотность одновременных соединений - до 10000 Эрл./км2 (около 100 тыс. абонентов) при условии распо­ложения БС по схеме шестиугольника в одной плоскости (на одном этаже). Это лучший показатель и с точки зрения эффективности использования радиоспек­тра (в пересчете на 1 МГц полосы). Сравните — 500 Эрл./МГц/км2 для DECT против 100 Эрл./МГц/км2 в наиболее емких сотовых сетях GSM-1800 (DCS 1800).

Защита от несанкционированного доступа. Основная проблема любых систем с радиодоступом обеспечить защиту от несанкционированного подключения и прослушивания. Когда аппаратура DECT используется как средство доступа к телефонным сетям общего пользования, пре­жде всего возникает опасность появления «двойников» зарегистрированных АТ. В самом деле, защита обычных аналоговых телефонов с радиоудлинителем от несанкционированного подключения давно стала постоянной головной болью для их владельцев |5|. В системах DECT данная проблема решается посредством про­цедур аутентификации БС и АХ

В простейшем случае каждый AT регистрируется в системе или на отдель­ных БС, к которым имеет допуск. Если речь идет о домашнем беспроводном телефоне, AT (трубка) зарегистрирован на одной БС. При каждом соединении происходит аутентификация трубки: БС посылает AT «запрос» - случайное число (64 бит). AT и БС на основании этого числа и ключа аутентификация по заданному алгоритму вычисляют аутентификационный ответ (32 бит), который AT передает на БС- БС сравнивает вычисленный аутентификационный ответ с принятым и при их совпадении разрешает подключение AT. В DECT существует стандартный аутентификационный алгоритм DSAA (DECT Standard Authentication Algorithm). Он поставляется производителям только по контрак­ту с ETSI, однако даже его знание делает несанкционированное подключение весьма проблематичным.

Как правило, ключ аутентификации вычисляется на основании абонентское аутентификационного ключа UAK (User Authentication Key) длиной 128 бит ли­бо аутентификационного кода АС {1С 32 бита). UAK хранится в ПЗУ AT либо в карточке DAM (DECT Authentication Module) — аналоге SIM-карты в стандарте GSM. АС можно записать в ПЗУ AT и вручную либо вводить его при аутентифи­кации. Совместно с UAK применяют и персональный идентификатор пользова­теля DPI (User Personal Identity) длиной 16-32 бита, вводимый только вручную. Существует ряд других процедур и механизмов аутентификации и шифрования информации в сетях DECT [54]. Кроме того, заметим, что несанкционированный съем информации в системах с TDMA доступен только специалистам.

Системы DECT. Пожалуй, самое важное в DECT то, что он динамично развивающийся стан­дарт Сочетание различных профилей и протоколов DECT позволяет создавать системы совершенно разного назначения и стоимости - от бытовых беспровод­ных телефонов и мини-АТС до защищенных систем передачи данных и предо­ставления абонентского доступа к общественным телефонным сетям. Гибкая сов­местимость с такими стандартами, как ISDN и GSM, делает DECT мощным сред­ством расширения абонентской емкости существующих сетей. Особенно ярко это проявляется по отношению к сетям сотовой связи стандарта GSM. Поскольку на физическом уровне протоколы DECT и GSM достаточно близки (частотный диапазон, технология TDMA), ряд фирм выпускают сотовые GSM-телефоны с поддержкой режима DECT. Когда такой телефон находится в зоне действия БС DECT, он работает в режиме DECT, когда связь с БС ухудшается, он переклю­чается на работу с сетью GSM.

Аппаратура DECT существенно дешевле сотовых систем, что позволяет стро­ить коммерческие сети связи для абонентов с ограниченной мобильностью с та­рифами, в два-три раза более низкими, чем в сотовой телефонии. Данный стан­дарт все чаще применяют для телефонизации городских и сельских районов, где кабельные системы по каким-либо причинам неприемлемы. Это происходит и в России. Например, сети абонентского радиодоступа на бате аппаратуры Goodwin WLI, (компания Goodwin Europe, Россия) уже развернуты в ряде районов Мос­ковской области (Куркино, Балашиха, Реутово), в Калининграде, Твери, Таган­роге и т.д.

Примером системы беспроводной связи является система Freeset (DCT-1800) фирмы Ericsson (напомним, она была первой DECT-системой связи на рынке). Freeset позволяла устанавливать входящие и исходящие соединения, передавать голосовые и факсимильные сообщения, видеоинформацию, данные, предостав­лять услуги ISDN. Она состоит из контроллеров, базовых станций и абонентских терминалов. Один контроллер управляет 80 базовыми станциями. Он подклю­чается к телефонным сетям общего пользовании посредством шин El (G.703, 2 Мбит/с) или двухпроводных аналоговых абонентских линий и направляет ком­прессированные речевые сигналы (32 кбит/с, ADPCM) базовым станциям. Сис­тема может поддерживать до 600 абонентов, максимальное удаление БС от кон­троллера — 2,7 км, радиус зоны обслуживания базовой станции - до 200 м. Основное назначение системы — обеспечить персональной беспроводной связью пользователей на небольшой территории (крупное здание, стройплощадка, ста­дион и т.д.).

Другая система Ericsson - DRAI900 — предназначена для предоставления беспроводного абонентского доступа (WLL) на существенно больших площадях, чем DCT-I800. К телефонным сетям общею пользования она подключается че­рез АТС АХЕ-10 (Ericsson) посредством узлового контроллера. Узел доступа си­стемы DRA1900 — объединение шести базовых станций, связанных с узловым контроллером каналом Е1. Радиус действия БС — до 5 км. Система DRA об­ладает значительными возможностями гибкого расширения в зависимости от плотности абонентов и необходимой площади радиопокрытия. Системы DCT-1800 и DRA1900 сертифицированы и в России (сертификаты № ОС/1-РС-859 и ОС/1-РС-860 соответственно). DRA1900 работает в ряде регионов нашей страны, например в Нижегородской области и Тольятти.

Однако огромный размах приобрело производство беспроводных телефонов DECT. Уже в 1999 году на выставке СеВIТ'99 эти изделия демонстрировали свы­ше 40 фирм-производителей, одна из которых - российская компания Goodwin.

Аппаратная реализация DECT-устройств. Динамичный рынок аппаратуры DECT (растущий на 30% в год) не может обой­тись без соответствующей поддержки полупроводниковой индустрии. Действи­тельно, многие производители успели выпустить несколько «поколений» ком­плектов ИС дли DECT. Интегральные компоненты для DECT производят такие известные фирмы, как Analog Devices, GaAsTEK, Hewlett-Packard, Infineon (так стало называться подразделение полупроводников фирмы Siemens), Level One, National Semiconductor, NEC, Philips Semiconductor, ST Microelectronics, TEMIC Semiconductor, Texas Instruments, VLSI Technology и др.

Рассмотрим устройство DECT-систем на базе комплекта ИС фирмы Philips Semiconductor. Структура телефона-трубки и базовой части принципиально раз­личается только управляющими контроллерами и наличием интерфейса к теле­фонной линии у базовой станции (рис. 39). Интерфейс может быть как циф­ровым, так и аналоговым. Для DECT-приложений Philips выпускает семейство микроконтроллеров PCD509x: PCD5091 - для телефонов, PCD5092-PCD5095 -для базовых станций и PCD5096 — универсальный кодек. Радиотракт формиру­ют высокочастотный трансиверный модуль (включает супергетеродинный при­емник с двойным преобразованием частоты) с подавлением помех по зеркальному каналу UAA2067 (рис. 40), схема гауссовой частотной модуляции на промежу­точной частоте SA639 и двухчастотный синтезатор UMA1022.

Рис. 39. Структурная схема тглефона/базовой станции на элементной базе фир­мы Philips Semiconductor

DECT-контроллеры семейства РСх509х (рис. 41) представляют собой спе­циализированные схемы на базе управляющею контроллера 80с51 со встроенной памятью и интерфейсом I2C. В зависимости от тина контроллер использует внешнее ПЗУ (PCD5090, 128 кбайт), встроенное ПЗУ (PCD5091, 64 кбайт) или встроенное электрически стираемое репрограммируемое ПЗУ (РСА5097, 64 кбайт). В ПЗУ хранятся программы для управляющего микроконтроллера и встроенно­го сигнального процессора DSP. Кроме того, контроллер содержит устройство работы с пакетами (BML) и цифровой речевой интерфейс (IOM2 или ADPCM), а также ряд других устройств - параллельные порты ввода/вывода, схемы ра­боты с микрофоном, динамиком и зуммером, схемы контроля питания батарей, измерения RSSI, управления синтезатором частот и т.д.

Рис. 40. Пример схемы включения трансивера VAA2067

В той или иной мере различные функциональные блоки работают автономно, взаимодействуя через системное ОЗУ посредством внутренней шины ISB. Встроенный DSP-процессор реализует такие функции, как ADPCM-кодек, эхоподавленне, речевой фильтр, программируемое усиление в голосовом тракте, генерация комфортного шума, сигналов вызова и DTMF, детектирование DTMF, подключение автоответчика, конференц-связь и громкоговорящая дуплексная связь. Отметим, что семейство PCD509x предназначено для достаточно простых DECT-систем. Так, не поддер­живается режим кластеризации базовых станций, невозможно внешнее управле­ние контроллером или прямой доступ к его встроенным ЗУ.

Рис. 41. Блок-схема контроллера PCD5091

Другой пример построение телефона на базе комплекта ИС фирмы Infineon (рис. 42). Это уже пятое поколение ИС дли DECT данной фирмы (ранее — Siemens Semiconductor). В комплект входят телефонные контроллеры РМВ 5720 (для домашних систем), РMВ 5722 и 5723 (для бизнес-систем), контроллеры ба­зовых станций РМВ 5725. РМВ 5735 (домашние системы) и РМВ 1729 для малых офисов. Радиотракт поддерживаемого ИС передатчика с ФАПЧ РМВ -4220, универсальный приемник РМВ 4420 и кремниевый усилитель для DECT РМВ 4820.

Рис. 42. Построение телефона DECT на базе комплекта ИС фирмы Inficon

Мировая микроэлектронная индустрия готова предоставить изготовителям самые современные компоненты для построения как простых и дешевых устройств, так и сколь угодно сложных и многофункциональных DECT-систсм. Тем более что сам стандарт DECT постоянно пополняется новыми возможностями, сле­довательно, расширяется область его применения, увеличивается разнообразие созданных на его базе устройств. Так, в 1998-1999 годах в нею вошли два новых дополнения стандарт пакетной радиопередачи данных DPSR (DЕСТ Packet Radio Service) и основанный на вем мультимедийный протокол DPSR (DECT Multimedia Access Profile). Устройства, поддерживающие эти стандарты, уже представлены на рынке (например, реализующие доступ в Internet но каналам DECT). DECT осваивает новые частотные диапазоны, растут скорости передачи данных. Он входит в пул стандартов систем мобильной связи третьего поколения IМT- 2000 и продолжает бурно развиваться.

3. Беспроводные сети регионального масштаба

Региональные (юродские) широкополосные сети используют частотные диапазоны выше 1 ГГц (включая миллиметровые диапазоны), широкие рабочие полосы частот, высокие скорости модуляции, мощные выходные усилители. Ранее это ас­социировалось с тяжелым и сложным оборудованием. Однако успехи микроэлек­тронных технологий, достижения в области полупроводниковых гетероструктур и связанной с ними революции в области СВЧ-электроники привели к тому, что частотный диапазон свыше 10 ГГц может стать массовым, т.е. аппаратура для работы в нем становится малогабаритной, воспроизводимой и (при больших объ­емах выпуска) дешевой.

Системы беспроводного широкополосного доступа своим массовым развити­ем изначально обязаны телевидению, которое требовало все новых и более высо­коскоростных средств доставки ТВ-трафика до зрителей. Кабельные системы со своими задачами справлялись не везде, и в 1970 году Федеральная комиссия свя­зи (FCC) США представила, по-видимому, первую беспроводную многоточечную систему распределения MDS (Multipoint Distribution System). Она предусматри­вала вещание в радиусе порядка 30 миль от передатчика в диапазоне 2,1-2,7 ГГц. Эксперимент не удался стоимость оборудования оказалась неконкурентоспо­собной с кабельным и спутниковым ТВ.

Через четверть века на смену MDS пришли новые системы MMDS (Multichan­nel (или Microwave) Multipoint Distribution Service) — многоканальные (микро­волновые) многоточечные распределительные системы. Они позволяют работать в диапазоне 2,5 2,7 ГГц в зоне радиусом до 35 миль (50-60 км — фактически зона прямой видимости). При этом мощность передатчика базовой станции, как правило, не превышает 100 Вт (до 1 кВт) — сравните с передатчиками 10-50 кВт на ретрансляторах обычных аналоговых телевизионных сетей. В оборудовании MMDS используется квадратурная амплитудная модуляция — от четырехпозиционной QPSK (2 бита на модуляционный символ) до 256-позиционной QAM (256-QAM, 8 бит на символ). Поэтому скорости передачи данных в MMDS могут достигать очень больших значений при соответствующей ширине канала. Так, в стандартном телевизионном канале 8 МГц возможна скорость до 64 Мбит/с, но лишь теоретически. Отметим, что концепция MMDS разрабатывалась для транс­ляции телевизионных программ, поэтому она принципиально однонаправленная. В последние годы стали появляться сообщения об оборудовании для двунаправ­ленной работы — производители стали добавлять обратный канал, как правило, с гораздо меньшей (в 4—8 раз) полосой пропускания, что позволяет использовать системы MMDS и для обмена данными (доступ в Интернет, интерактивное ТВ, мосты между локальными сетями и т.д.).

Однако сети MMDS так и не стали массовыми — к 2000 году в США они на­считывали около 20 тыс. абонентов. Причина очевидна: оборудование слиш­ком дорого по сравнению с альтернативными решениями (кабельное телевидение, xDSL-модемы и т.д.). Следующим шагом в области систем широкополосного до­ступа стало появление концепции Local Multipoint Distribution Service (LMDS) -локальная многоточечная распределительная система. Ее испытания прошли в 1992 году в Нью-Йорке. В 1998 году FCC объявила о начале лицензирования LMDS. Первой реально действующей LMDS-системой стала сотовая телевизион­ная сеть компании Cellular Vision в районе Брайтон-Бич (этот район Бруклина не был охвачен сетью кабельного телевидения).

Изначально LMDS предназначалась для работы в диапазоне 27,5 29,5 ГГц, однако рабочий диапазон зависит от распределения частот в конкретном регионе.

В Европе появилась аналогичная система MVDS (Multipoint Video Distribution Systems), ориентированная на диапазон 40,5-42,5 ГГц (диапазон, выделенный в Европе для аналогового ТВ-вещания).

Системы LMDS/MVDS называют сотовым телевидением, поскольку радиус действия каждого ретранслятора невелик порядка 3-8 км. В системах исполь­зуют относительно маломощные передатчики — не более десятков ватт в груп­повых передатчиках (до 100-300 мВт на канал). Кроме того, в миллиметровом диапазоне затухание радиоволн весьма велико. Но, с другой стороны, волны этого диапазона отражаются от препятствий с малыми потерями, что можно эффек­тивно использовать в условиях городской застройки, работая на переотраженных сигналах.