Реферат: Классификация систем и сетей радиодоступа
Реферат
Классификация систем и сетей радиодоступа
Оглавление
Классификацию систем радиодоступа по параметрам и характеристикам радиоинтерфейса.
Классификация по решаемым прикладным задачам.
Классификация по диапазону частот.
Модель физического уровня системы радиодоступа.
Введение
Для детального рассмотрения и прослеживания тенденций развития систем и сетей радиодоступа необходимо их разделение по однородным признакам на классы. К основным признакам следует отнести параметры и характеристики радиоинтерфейса; виды услуг, предоставляемых в сети; класс решаемых задач связи; вид и параметры интерфейса с сетью общего пользования; структуру и архитектуру сети; протоколы обмена информацией и взаимодействия в сети; протоколы управления и мониторинга сетей; уровни обеспечения безопасности обмена информацией в сети и многие другие.
Общая классификация систем и сетей радиодоступа окажется весьма обширной, что не позволит свободно ориентироваться в ней. Поэтому начнем с разделения на классы в соответствии с одним признаком. Тогда конкретную систему или сеть радиодоступа легко будет определить в общей системе классификации.
Опорная сеть системы радиодоступа выполняет распределительную функцию и представляет собой совокупность коммутационных устройств (АТС, IP- и Ethernet-устройств — коммутаторов, маршрутизаторов) и радиоэлектронных средств, обеспечивающих соединение в соответствии с правилами, заданными радиоинтерфейсом, с многочисленными абонентскими устройствами. В свою очередь, абонентские устройства определяют порядок взаимодействия с абонентами и перечень услуг, доступных с их использованием.
Классификация систем радиодоступа по параметрам и характеристикам радиоинтерфейса.
Опорная сеть системы радиодоступа взаимодействует с сетями общего пользования либо с сетями другого назначения посредством интерфейсов.
Прежде всего, проведем классификацию систем радиодоступа по параметрам и характеристикам радиоинтерфейса.
По способу представления и передачи информации все системы радиодоступа можно разделить на аналоговые и цифровые. Аналоговые способы передачи использовались в основном в системах первого поколения, и в силу присущих им недостатков, связанных, прежде всего, с низким качеством передачи информации, в системах последующих поколений не применяются. Цифровые способы передачи информации оказались значительно более гибкими, прежде всего, благодаря широким возможностям цифровой обработки сигналов (DSP) и управлению качеством передачи информации в пределах зоны обслуживания системы радиодоступа. Начиная со второго поколения, цифровые способы передачи информации занимают главенствующее положение.
В системах с аналоговой и цифровой передачей, возможно предоставление всех видов услуг. В случае аналоговых систем для передачи данных, обеспечения услуг телематики и мультимедиа обмена, аналоговые каналы используются как среда передачи и требуют дополнительных устройств, например модемов.
Цифровые системы позволяют предоставлять все виды услуг связи как отдельно, так и одновременно.
Услуги цифровой передачи речи, начиная с методов ИКМ и до IP-телефонии, развивались одновременно с развитием технологий коммутации в сетях связи с целью обеспечения наибольшей емкости сети, эффективности использования каналов связи при заданном уровне качества.
Классификация по решаемым прикладным задачам.
По решаемым прикладным задачам можно выделить системы связи, управления и мониторинга. Различие систем определяется реализуемыми функциями.
Важнейшими признаками, в соответствии с которыми выделяются поколения систем радиодоступа, являются характеристики и параметры радиоинтерфейса. Полной считать приведенную классификацию не представляется возможным в силу постоянного развития методов и средств обработки сигналов, технологий передачи информации и потребностей потребителей (абонентов).
Классификация по диапазону частот.
По диапазону частот классификация усложнена тем, что постоянно с развитием технологических возможностей в поле зрения разработчиков систем радиодоступа попадают новые диапазоны частот (например, в стандарте 802.16 возможно построение систем в диапазоне до 60 ГГц). В то же время в соответствии с результатами эксплуатации средств радиодоступа, например, при устаревании той или иной технологии некоторые диапазоны частот могут стать недоступными для построения систем. В частности, с развитием цифровых систем и их повсеместным применением следует ожидать спада интереса к аналоговым системам либо их модификации, либо прекращения их производства и эксплуатации.
Для классификации систем радиодоступа по диапазону частот важнейшее значение имеет национальное распределение полос частот. В России национальное распределение частот определяется Таблицей распределения полос частот.
В мире множество производителей (заводов-изготовителей) оборудования радиодоступа, функционирующего практически во всех доступных полосах частот. Однако в Российской Федерации разрешено применение систем радиодоступа только в некоторых полосах частот в согласии с действующими правилами.
Для аналоговых средств радиодоступа первого поколения используется частотное разделение каналов, в сочетании с частотным разделением дуплексных каналов и частотной модуляцией.
Для цифровых систем следующих поколений во всех диапазонах частот допустимы методы частотного, временного, кодового, пространственного разделения каналов и их комбинаций. При разделении каналов каждый абонент использует только свой сигнал. Обмен информацией осуществляется по прямому и обратному каналам. Их разделение не позволяет наложиться сигналам, передаваемым в разных направлениях по дуплексному каналу и одновременно выполнять передачу и прием информации. К традиционным методам разделения дуплексных каналов относятся методы частотного, временного и кодового разделения. По аналогии с методами разделения каналов можно предположить, что появится пространственное разделение и комбинированное, использование нескольких перечисленных методов разделения дуплексных каналов.
Важнейшими для систем радиодоступа параметрами, определяющими скорость передачи информации при заданной полосе частот, являются методы модуляции сигналов. Именно развитие последних знаменует переход от поколения к поколению. Однако в классификации на рис. 1.7 ограничимся основными методами модуляции сигналов: частотная (F), фазовая (G), амплитудно-фазовая и ее разновидность — квадратурная модуляция, импульсная модуляция.
Характеристики полезных сигналов в сочетании с параметрами и характеристиками радиоканалов определяют пропускную способность, достоверность, дальность связи, эффективность использования полосы частот, помехоустойчивость, электромагнитную совместимость и др. Поэтому выбору сигналов уделяется первостепенное внимание.
Для защиты сигналов от ошибок в канале связи применяются методы помехоустойчивого кодирования и сигналы с расширенным спектром. В настоящее время рассматривается адаптивный подход, обеспечивающий максимальную пропускную способность канала связи за счет оптимального сочетания методов кодирования, модуляции, расширения спектра и обработки сигналов.
Модель физического уровня системы радиодоступа.
Модель физического уровня системы радиодоступа не отличается от традиционно используемой в теории электрической связи и включает передатчик и приемник в составе абонентской станции (АС), канал связи, передатчик и приемник в составе базовой станции (БС).
Для абонентской станции (АС) источником и получателем сообщений служит порт, соединяющий оборудование абонента с оборудованием АС.
Преобразования сообщения, происходящие в оборудовании АС, обеспечивают максимальную эффективность системы радиодоступа исходя из оптимизации пропускной способности, количеств абонентов, задержки передачи и т.д. В общем случае цифровая последовательность, поступающая с выхода источника сообщения (ИС), подается в кодер источника (КИ), в котором устраняется избыточность сообщения и сообщение приводится к удобному для дальнейших преобразований виду, например последовательному. С выхода КИ информационная последовательность попадает на вход кодера канала (КК), где к исходной последовательности добавляются избыточные символы для защиты информации от ошибок в канале связи под воздействием помех. Полученная таким образом последовательность проходит на вход модулятора (М). В нем каждому символу (либо блоку символов последовательности) сопоставляется свой сигнал us(f). Сопоставление или модуляция осуществляются в соответствии с выбранным способом модуляции, и может быть двоичной и тя-ичной. Выбор вида модуляции определяется классом решаемых задач и моделями канала радиосвязи, используемом в системе радиодоступа.
С выхода модулятора сигнал поступает в усилитель с формирующим выходным фильтром, или устройство формирования сигналов (УФС), обеспечивающим усиление до необходимого уровня мощности и окончательное формирование спектральных характеристик, соответствующих радиоинтерфейсу. Выходом передатчика АС является антенная система (АЩ!), излучающая электромагнитное поле в согласии с заданной характеристикой направленности.
Радиоканалы связи разделяются по многим признакам: закону распределения помех, виду взаимодействия помех и сигнала, наличию и виду замираний, диапазону частот и особенностям распространения радиоволн.
При приеме наблюдению доступно электромагнитное поле с напряженностями E(r, t) и H(r,t) электрической и магнитной составляющих в конкретной области пространства г е [R] и интервале времени t е [О, Т\. Приемная антенная система (Л„рм) преобразует электромагнитные волны в электрические процессы на своем выходе в соответствии с характеристикой направленности. В результате на входе устройства обработки сигналов (УОС) действует смесь полезного сигнала, помех и шума X(t). После обработки этой смеси происходит первичное выделение полезного сигнала за счет предусмотренных для использования свойств селекции на радиочастоте: частотной, временной, амплитудной, поляризационной, пространственной, комбинированной. Устройство обработки способно в значительной мере компенсировать эффекты замираний различной природы и искажения, вызванные влиянием характеристик радиоканала.
С выхода устройства обработки выделенный сигнал поступает в демодулятор (ДМ), в котором происходит процесс, обратный модуляции. Так как на входе ДМ наблюдается сигнал us(s), искаженный помехами, шумом и характеристиками радиоканала, то идеального, т.е. безошибочного восстановления исходной информационной последовательности получить не удается. Поэтому для устранения возможных ошибок, присутствующих на выходе демодулятора, предусмотрен декодер канала (ДКК), обеспечивающий исправление ошибок за счет помехоустойчивого избыточного кодирования. Если статистике ошибок соответствует мощность примененного кода, то на выходе ДКК будет получена безошибочная информационная последовательность (либо последовательность с допустимой вероятностью ошибки на бит (BER)).
Декодер источника восстанавливает из информационной последовательности сигнал, удобный для восприятия получателем сообщения. Например, переводит сигнал из последовательного к параллельному виду, изменяет длительность, амплитуду, форму и другие параметры символов в соответствии с требованиями интерфейса.
В состав передатчика и приемника АС и БС входят устройства синхронизации, позволяющие оценивать временные и другие параметры сигналов и формировать все необходимые для правильного и надежного функционирования АС и БС тактовые и другие сигналы. В состав устройств синхронизации могут входить приемники внешних синхросигналов и устройства местоопределения, такие как GPS/GLONASS. Их использование позволяет не только повысить помехоустойчивость приема сигналов за счет более точного формирования опорного сигнала в приемном устройстве, но и существенно увеличить эффективность использования частотного ресурса. В частности, привязка к единой шкале времени с учетом местоположения АС и БС способна привести к полному устранению взаимных помех в системах радиодоступа с временным доступом к каналу с временным разносом дуплексных каналов.
Канал «вниз» обычно полностью аналогичен по характеристикам и преобразованиям каналу «вверх». Каналы «вверх» и «вниз» образуют дуплексную пару и с этой точки зрения наше рассмотрение архитектуры физического уровня является полным. Стык (интерфейс) абонентского устройства, как правило, включает сигнальные цепи источника, получателя, синхронизации и различные вспомогательные и управляющие цепи.
Даже если сосредоточиться только на рассмотрении особенностей реализации физического уровня и получаемых в результате характеристик систем радиодоступа для различных условий функционирования, ограничений и требований к скорости передачи информации, и т.д., то получится увесистый фолиант. Поэтому в дальнейшем ограничимся системным уровнем изучения проблем и задач радиодоступа на физическом и канальном уровнях модели открытых информационных систем (OSI) и им соответствующих. При этом если подробная информация о технологии, протоколе, интерфейсе или устройстве доступа не требует существенной модификации для правильного восприятия, то читатели будут отсылаться к известным источникам без подробного рассмотрения в материалах книги. Такой подход позволит существенно сократить объем исследуемого материала и в то же время не упустить главное — эволюцию развития технологий, услуг, техники, протоколов, интерфейсов и т.п. систем и сетей радиодоступа.
Если задачей физического уровня считается надежная связь между АС и БС, то для соединений типа «АС — абонент сети общего пользования», обязательно требуется интерфейс с СОП, позволяющий передавать информационные и служебные сигналы, обеспечивающие точную и надежную адресацию абонента и соединение в затребованном режиме и с заданными характеристиками. Интерфейсы с СОП в силу двойного процесса развития отличаются заметным разнообразием.
Традиционными для телефонной связи являются стыки с телефонной сетью общего пользования (ТфОП), которые для аналоговых систем радиодоступа выполняются в виде аналоговых абонентских линий, а для цифровых систем радиодоступа используют интерфейсы по спецификациям El (G.703), V.5.1, V.5.2, позволяющие применять, в том числе методы статистического уплотнения активных каналов. В свою очередь, традиционными для компьютерных сетей были сети с коммутацией пакетов и интерфейсом стандарта Ethernet. Де-факто они служили общим стандартом для СПД ОП.
Стремление разработчиков объединить телефонные, компьютерные сети, сети передачи данных, сети распределения телевизионных программ и т.д., потребовало применения новых типов интерфейсов, поддерживающих управление различными видами трафика. Как один из вариантов, обеспечивающих реализацию сетей с интегрированными услугами рассматриваются интерфейсы асинхронного режима передачи (ATM).
Одним из способов объединения различных видов трафика в одной универсальной среде передачи (УСП) является переход на сети с полностью IP протоколами обмена. Это означает построение интерфейсов с УСП на основе IP-протоколов.
Сети и системы радиодоступа по характеристикам и принципам построения опорной сети могут быть классифицированы в соответствии с рис. 1.10.
Опорные сети радиодоступа первого поколения являются аналоговыми и используют частотную модуляцию, частотное разделение каналов, частотное дуплексное разделение. Однако, несмотря на отсутствие разнообразия в построении радиоинтерфейса, для этих систем используются методы коммутации каналов, коммутации сообщений, например, занятия свободного частотного канала первым абонентом из очереди и выделенные каналы связи.
На примере аналоговых систем радиодоступа весь мир почувствовал перспективность применения радиотехнологий в домашних условиях. Это доказали первые бесшнуровые телефонные аппараты (БТА), позволяющие подключать несколько трубок к одной базе БТА. Всевозможные удлинители телефонных каналов освободили операторов от необходимости прокладки кабеля к абоненту. Фактически первые сети обеспечивали обслуживание на пи-косотовом и макросотовом уровнях. Как правило, в аналоговых сетях используется одна БС, что существенно удешевляет реализацию сети. Если аналоговые БТА на сегодняшний день повсеместно распространены, то аналоговые макросотовые сети применяются в основном для телефонизации населения в сельской местности.
БТА предназначены для обслуживания подвижных абонентов, находящихся в пределах производственного, офисного помещения или дома. В свою очередь макросотовые сети обеспечивают подключение фиксированных абонентских устройств. В частности, оказалось выгодным развертывание сетей таксофонов на основе аналоговых сетей радиодоступа, благодаря их возможностям по изменению местоположения в пределах зоны обслуживания. Такие проекты реализовывались на базе оборудования ACSHIONET фирмы Nokia с применением стандарта МРТ 1327.
Цифровые опорные сети могут быть построены с использованием всех видов коммутации. Методы коммутации пакетов, начиная с систем третьего поколения, прочно вошли во все протоколы обмена пикосотовых, микросотовых и макросотовых сетей, служа общей средой обмена трафиком (информацией).
Сохраняются и активно существуют сети цифровой передачи с коммутацией каналов, использующие, например, протоколы IS-95.
В цифровых, а особенно IP-сетях заметным становится «разделение труда» между системами радиодоступа. Четко выделяются системы малого радиуса действия, которые разделяются на внутриофисные и наружные сети.
Локальные компьютерные сети, сети всевозможных приемопередающих устройств в составе сенсоров, приводов, БТА цифровых стандартов (DECT, СТ2 и др.) создают нашу среду обитания. Широко распространены сети радиодоступа городского масштаба (MAN). Построение их по сотовому принципу позволяет предположить, что скоро будут созданы региональные (город и область, несколько городов) и глобальные опорные сети радиодоступа с зоной действия, распространяющейся на всю страну.
Несмотря на то, что изначально сети радиодоступа ориентированы на обслуживание фиксированных в пространстве абонентов, жизнь и растущие потребности заставляют создавать условия, когда абонент не выключается из работы в сети, перемещаясь в зоне обслуживания.
Для завершения характеристики сетей радиодоступа приведем классификацию стыков (интерфейсов) абонентских устройств с оборудованием абонента (рис. 1).
Рис. 1. Классификация абонентских интерфейсов систем радиодоступа
Заключение
Исторически первым стыком, применяемым в системах радиодоступа, были телефонные аналоговые розетки (разъем RG 11), которые устанавливались в первых удлинителях ТЛФ каналов, БТА в виде радиорозеток и перешли в современные системы. Количество аналоговых телефонных розеток может достигать на одном абонентском устройстве до нескольких десятков.
Список литературы
Волков Л.Н «Системы цифровой радиосвязи. Базовые методы и характеристики», 2005
Григорьев В.А, Лагутенко О.И, Распаев Ю.А. - Сети и системы радиодоступа
Громаков Ю.А. «Стандарты и системы подвижной радиосвязи», 1998