Беспроводные сети связи

Классификация беспроводных сетей
Общего пользования
ведомственные
диспетчерские
Транкинговые
DECT
пейджинг
спутниковые
сотовые
компьютерные
Wi-Fi
WiMAX
1G
2G, 2G+
3G
Bluetooth
ZigFree
оптические
4G

Распределение частотного диапазона (1)
30 MHz
30 GHz
3 GHz
300 MHz
Сотовые сети 3G
746-794 MHz, 1.7-1.85 GHz, 2.5-2.7 GHz
Сотовые GSM
800-900 MHz
Сотовые GSM
1.85-1.99 GHz

Распределение частотного диапазона (2)
30 MHz
30 GHz
3 GHz
300 MHz
Беспроводные LAN (IEEE 802.11b/g)
2.4 GHz
Bluetooth
2.45 GHz
Беспроводные LAN (IEEE 802.11a)
5 GHz
LMDS
27.5-31.3 GHz

Сотовые сети связи
1G: аналоговые сети. Идея: покрытие пространства «сотами» (зонами действия одной базовой станции) и организация кластеров сот. Поддерживали только телефонию. Стандарты: NMT, AMPS.
2G: цифровые сети с коммутацией каналов. Используется метод доступа с временным разделением каналов. В основе также лежит сотовая структура. Поддерживают телефонию и передачу данных. Для организации более быстрого доступа может использоваться GPRS (2G+).Стандарты: GSM, D-AMPS, PDC.
3G: цифровые сети с коммутацией каналов/пакетов. Используется широкополосный метод доступа с кодовым разделением каналов, поддерживают передачу мультисервисного трафика. Стандарты: CDMA, WCDMA, cdma2000, i-mode и т.д.
4G: цифровые сети с коммутацией пакетов. Находятся в стадии разработки ☺

Стандарт GSM
В 1980 г. стандартизирован диапазон 900 МГц, позже – 1800 и 1900 МГц.
Множественный доступ с временным разделением каналов (TDMA)
Структура кадров: 8 временных позиций на 124 несущих.
Защита от ошибок:
Блочное и сверточное кодирование с перемежением.
Переключение рабочих частот в процессе сеанса связи (217 скачков в с.)
Скорость кодека: 13 кбит/с
Максимальное количество базовых станций: 16
Радиус соты: до 35 км

Примеры сотовой топологии (1)
Используется три диапазона частот.

Примеры сотовой топологии (2)
Используется семь диапазонов частот.

Модель сети сотовой связи

Разделение частот
Для диапазона 900Мгц:
Частота ПС на передачу (нисходящий канал): 890-915 МГц
Частота ПС на прием (восходящий канал): : 935-960 МГц
Дуплексный разнос частот: 45 МГц
Базовая станция поддерживает до 16 частотных каналов.
Для диапазона 1800 МГц:
Частота ПС на передачу (нисходящий канал): : 1710-1785 МГц
Частота ПС на прием (восходящий канал): : 1805-1880 МГц
Дуплексный разнос частот: 95 МГц
Базовая станция поддерживает до 16 частотных каналов.
Используется частотный метод дуплексирования каналов (FDD)

Временное разделение (TDMA)
в GSM
0
7
6
5
4
3
2
1
Кадр, 4.615 мс
3
57
1
26
1
57
3
8,25
Канальный интервал, 577 мкс (148 бит + пауза)
Полезная
информация
Полезная
информация
Пауза
30,44 мкс
Ограничительные интервалы (Border Bit)
Тренировочная
последовательность
и ограничители
(Pointer Bit)
1+26+1

Расширения GSM
GPRS (General Packet Radio Service): позволяет пользователю производить обмен данными с другими устройствами в сети GSM и с внешними сетями.
Идея: информация собирается в пакеты и передаётся через неиспользуемые в данный момент голосовые каналы. Скорость зависит от загрузки сети голосовым трафиком.
Теоретический максимум скорости в GPRS составляет 171,2 Кбит/с
EDGE (Enhanced Data-Rates For GSM Evolution) – это логическое продолжение GPRS, обеспечивающее большую пропускную способность канала и более высокую скорость передачи данных – до 236,8 Кбит/сек

EDGO (Enhanced Data rates for Global Evolution): относится как к 2G, так и к 3G в зависимости от реализации и скорости:
ECSD - ускоренный доступ в Интернет по каналу CSD (Circuit Switched Data – канал GSM, один временной интервал поддерживает скорость канала 9.6 кбит/с)
EHSCSD - по каналу HSCSD (High-Speed Circuit-Switched Data – скорость канала до 14.4 кбит/с)
EGPRS - по каналу GPRS
Идея: использует метод модуляции 8PSK, позволяющий увеличить скорость до 48 кбит/с на слот.

Схема использования услуг на базе GPRS
На базе GPRS доступны сервисы:
GPRS-Internet
GPRS-Internet
с компьютера
c телефона
с другого устройства, телефон используется в качестве модема
GPRS-Internet
с КПК
e-mail
ICQ
WAP-GPRS
MMS

Структурная схема сети GSM
Центр
коммутации
TCE
Контроллер
БС
Контроллер
БС
Контроллер
БС
БС
БС
БС
OMC
Х.25
NMC
биллинг
VLR
HLR
AUC
EIR
2Мбит/с
ТфОП
GSM
Подсистема центра коммутации
Подсистема базовых станций

Центр коммутации обслуживает группу сот и является интерфейсом между сотовой сетью и другими сетями (как сотовыми, так и ТфОП и проч.). Обеспечивает маршрутизацию и управление вызовами. Контролирует эстафетную передачу при передвижении абонента из соты в соту. Сигнализация ОКС№7, связь между регистрами посредством Х.25, базовые станции соединены между собой транспортными сетями (SDH или АТМ).
БС – базовая станция. Подсистема БС регистрация местоположения и передача управления.
Контроллер БС – передача вызовов в сотах для БС его зоны. Вызовы на другие БС идут через центр коммутации.
ТСЕ – транскодер, обеспечивает преобразование речевого сигнала 64 кбит/с в 13 кбит/с (речевой шлюз).

ОМС – центр эксплуатации и технического обслуживания, обеспечивает:
Контроль и управление сетью
Оценку качества работы сети
NMC – центр управления сетью на сетевом уровне, обеспечивает:
Эксплуатацию и техническое обслуживание (через OMC)
Управление трафиком
Сигнализацию (ОКС№7)
Диспетчер при аварийных ситуациях
HLR – регистр положения. Хранит данные об абонентах (IMSI и абонентский номер). Использует распределенную структуру хранения информации. Функции:
Опознание IMSI и аб.N
Проверка параметров подлинности
Контроль за составом услуг связи
Роуминг
Таблица маршрутизации

VLR – регистр перемещения. Обеспечивает контроль за перемещением абонента. Содержит информацию о контроллере БС, в зоне действия которой находится абонент. Содержит данные об абоненте из HLR на время пребывания абонента в данной зоне.
EIR – регистр идентификации оборудования. Содержит списки идентификаторов аппаратов (IMEI, хранится в аппарате, отправляется в сеть вместе с SRES). Позволяет отслеживать несанкциони-рованное использование аппаратов с сети
AUC – центр аутентификации. Содержит IMSI, обеспечивает работу механизмов аутентификации абонента.
Формирует ключи и алгоритмы аутентификации
Проверяет полномочия абонента
Осуществляет доступ к сети связи

Аутентификация абонента
Для каждого абонента формируются:
IMSI: идентификатор в данной сети
Ki: ключ аутентификации
Ai: алгоритм аутентификации
Эти данные записываются и хранятся на SIM!
Процедура проверки:
Сеть передает случайный параметр RAND.
При получении RAND аппарат абонента производит процедуру вычисления: SRES=Ki?[RAND], где ?- оператор аутентификации алгоритма Аi.
БС также производит процедуру вычисления SRES согласно параметрам, хранящимся в AUC.
Аппарат абонента отсылает в сеть значение SRES.
Сеть сравнивает значение SRES полученное от абонента и вычисленное на станции. При совпадении значений абонент подключается к сети.

Cети 3G
CDMA – множественный доступ с кодовым разделением каналов (Code-Division Multiple Access).
Поддерживает широкий ряд технологий
Три вида кодового разделения каналов: методом прямой последовательности (DS), частотных скачков (FH), временных скачков (TH). Основным стал DS.
Обеспечивает высокую помехоустойчивость, качество связи и скрытность информации за счет особенностей алгоритмов.

Принцип кодового разделения каналов методом DS
Логические каналы формируются за счет расширения спектра сигнала последовательностями Уолша:
каждая из последовательностей представляет собой строку матрицы Адамара
все строки матрицы и их инверсия ортогональны

Пример формирования последовательностей Уолша
Матрица Адамара 1го порядка
Матрица Адамара 2го порядка
Матрица Адамара 4го порядка
Последовательности Уолша:
Канал1: 1,1,1,1
Канал2: 1,0,1,0
Канал3: 1,1,0,0
Канал4: 1,0,0,1

Алгоритм передачи в нисходящем канале (от абонента)
Защитное сверточное кодирование (на вход подаются данные со скоростью до 9.6 кбит/с).
Повторитель (повторение до 8 раз в зависимости от условий связи).
Перемежение (защита от групповых ошибок)
Маска длинного кода (или идентификатор мобильной станции: 42-разрядное число).
Модуляция последовательностями Уолша (каждый бит перемножается на 64-разрядную последовательность).
QPSK-модулятор (фазовая модуляция может быть 4х или 8ми позиционной).

Развитие стандартов 3G
CDMA – семейство стандартов c 1995 г. Развитие получил IS-95 (cdmaOne):
скорость до 14,4 кбит/с,
64 канала
радиус соты до 20 км
Поддержка базовой станцией до 45 фиксированных и до 25 подвижных абонентов.
Подразумевает эволюционный путь развития – технологии cdma2000, EV-DO, WCDMA (основная идея та же самая).

Поддержка разноса каналов: частотный FDD WCDMA и временной TDD WCDMA.
для FDD WCDMA
Работа как в синхронном, так и асинхронном режиме
Поддержка скорости до 2 Мбит/с для малоподвижных абонентов и до 384 кбит/с для подвижных
Частотный диапазон 5 МГц
WCDMA (UMTS)

для ТDD WCDMA
Совмещает временное разделение дуплексных каналов, временное мультиплексирование каналов и кодовое мультиплексирование каналов.
Интегрируется с GSM (поддержка протоколов верхних уровней и сигнализации)
Поддерживает скорости до 2 Мбит/с
Радиус соты до 40 км
Скорость движения абонента до 120 км/ч.