Структуры, сетевые

Физический уровень

1G, 2G и 3G, ---> WiMAX Сотовые

1. Аналоговая голосовая(сотовая) связь.

2. Цифровая голосовая(сотовая) связь.

3. Цифровая голосовая связь и обмен данными (Интернет, и т. д.).

Главная задача заключается в том, чтобы найти подходящие возвышенности для размещения антенн базовых станций. Если в каком-нибудь регионе количество пользователей вырастает настолько, что система переполняется, то мощность передатчиков уменьшается, а переполненные соты разбиваются на соты меньшего размера (микросоты), как показано на рис. б. Телефонные компании иногда создают временные микросоты, используя переносные вышки со спутниковой связью во время больших спортивных соревнований, концертов и в других местах, где большое количество пользователей сотовой связи оказывается сконцентрировано в течение нескольких часов. В центре каждой ячейки располагается базовая станция (БС), с которой связываются все телефоны, находящиеся в ее зоне действия. Базовая станция состоит из компьютера и приемника/передатчика, соединенного с антенной. В небольших системах все базовые станции соединены с одним устройством, называемым MTSO (Mobile Telephone Switching Office — коммутатор мобильных телефонов) или MSC (Mobile Switching Center — мобильный коммутационный центр). Большой системе может потребоваться несколько коммутаторов, которые соединяются с коммутатором второго уровня и т. д. Коммутаторы мобильных телефонов являются аналогами оконечных телефонных станций и в самом деле соединяются хотя бы с одним оконечным коммутатором обычной телефонной системы. Коммутаторы мобильных телефонов связываются с базовыми станциями, друг с другом и с коммутируемой телефонной сетью общего пользования, используя коммутацию пакетов. В каждый момент времени мобильный телефон логически находится в зоне действия одной ячейки и управляется базовой станцией этой ячейки. Когда телефон физически покидает ячейку, его базовая станция замечает ослабление сигнала и опрашивает все окружающие станции, насколько хорошо они слышат сигнал этого телефона. Затем базовая станция передает управление данным телефоном ячейке, получающей от него наиболее сильный сигнал, таким образом определяя ячейку, в которую переместился мобильный телефон. После этого телефон информируется о переходе в ведение новой БС, и если в этот момент ведется разговор, телефону будет предложено переключиться на новый канал (поскольку в соседних сотах одинаковые частотные каналы не используются). Подобный процесс называется передачей (handoff) и занимает около 300 мс. Назначение канала осуществляет коммутатор мобильных телефонов, являющийся центральным нервом системы. Базовые станции представляют собой всего лишь радиоретрансляторы.

Каналы

Система AMPS использует для разделения каналов частотное уплотнение (FDM). Она использует 832 дуплексных канала, каждый из которых состоит из пары симплексных каналов. Такую структуру называют FDD (Frequency Division Duplex — дуплексный режим с разделением частоты). 832 симплексных канала передачи располагаются в диапазоне от 824 до 849 МГц, и еще 832 симплексных канала приема — от 869 до 894 МГц. Ширина каждого канала составляет 30 кГц. Все 832 канала можно разделить на четыре категории.

• 1. Управляющие каналы (от базовой станции к мобильному телефону) для управления системой.

  2. Пейджинговые каналы (от базовой станции к мобильному телефону) для передачи сообщений мобильным пользователям.

  3. Каналы доступа (двунаправленные) для установления соединения и назначения каналов.

  4. Каналы данных (двунаправленные) для передачи голоса, факса или данных.

Для управления резервируется 21 канал. Поскольку одни и те же частоты не могут использоваться в соседних сотах, то число голосовых каналов, доступных в пределах одной ячейки, значительно меньше 832 — обычно около 45.

Управление вызовом

Каждый мобильный телефон в системе AMPS снабжается 32-разрядным порядковым номером и 10-значным телефонным номером, которые записываются в ППЗУ телефона. Телефонный номер состоит из 3-значного кода области, занимающего 10 бит, и 7-значного номера абонента, занимающего 24 бит. При включении телефон сканирует запрограммированный список из 21 управляющего канала, в котором он ищет наиболее сильный сигнал. Затем телефон передает в эфир свой 32-разрядный порядковый номер и 34-разрядный телефонный номер. Как и вся управляющая информация в системе AMPS, этот пакет посылается в цифровой форме, несколько раз, с применением помехоустойчивого кодирования, хотя сами голосовые каналы являются аналоговыми. Когда базовая станция слышит этот сигнал, она передает сообщение коммутатору мобильного центра, который фиксирует появление нового пользователя, а также информирует «домашний» коммутатор абонента о его новом местоположении. Обычно мобильный телефон регистрируется примерно каждые 15 минут.

Чтобы позвонить с мобильного телефона, его владелец включает телефон, вводит номер и нажимает клавишу SEND. При этом телефон посылает набранный телефонный номер вместе со своими идентификаторами по каналу доступа. Если при этом происходит коллизия, то телефон повторяет попытку позже. Когда базовая станция получает запрос, она информирует об этом коммутатор. Если звонящий является клиентом оператора связи, которому принадлежит данный коммутатор (или одного из ее партнеров), тогда коммутатор ищет для него свободный канал. Если такой канал находится, то номер этого канала посылается обратно по управляющему каналу. Затем мобильный телефон автоматически переключается на выбранный голосовой канали ждет, пока тот, кому звонят, ответит. Входящие звонки обрабатываются иначе. Находящиеся в режиме ожидания телефоны постоянно прослушивают пейджинговый канал, ожидая адресованных им сообщений. Когда поступает звонок на мобильный телефон (с обычного или другого мобильного телефона), то пакет посылается на «домашний» коммутатор вызываемого, которому должно быть известно текущее местонахождение абонента. Этот пакет пересылается на базовую станцию в его текущей ячейке, которая посылает по пейджинговому каналу сообщение типа: «Элемент 14, вы здесь?» При этом телефон, которому звонят, по управляющему каналу отвечает: «Да». Тогда базовая станция ему сообщает: «Элемент 14, вам звонок по каналу 3». После этого сотовый телефон переключается на канал 3 и начинает издавать звуковые сигналы (или проигрывать мелодию).

Второе поколение мобильных телефонов: цифровая передача голоса (G2)

Первое поколение сотовых телефонных систем было аналоговым. Второе поколение является цифровым. Оно обеспечивало увеличение пропускной способности, позволяя голосовым сигналам быть оцифрованными и сжатыми. Сжатие и шифровка голоса и управляющих сигналов улучшает безопасность. Это, в свою очередь, защищает от мошенничества и подслушивания, как от намеренного поиска, так и эха других звонков из-за распространения радиоволн. Наконец, это позволяет предоставлять новые сервисы, такие как обмен текстовыми сообщениями. Как не было никаких четких стандартов в первом поколении мобильных телефонов, так они и не появились ко второму поколению. Было разработано несколько различных систем, три из которых были широко распространены.

• D-AMPS (Digital Advanced Mobile Phone System — цифровая усовершенствованная система мобильного телефона) является цифровой версией AMPS, которая сосуществует с AMPS и использует уплотнение с разделением времени, чтобы поместить несколько вызовов в один и тот же частотный канал. Она описана в Международном стандарте IS-54 и следующем за ним IS-136.

• GSM (Global System for Mobilecommunications — глобальная система для мобильной связи,) стала доминирующей системой, и хотя она медленно завоевывает популярность в США, она теперь используется фактически всюду в мире. Как и D-AMPS, GSM основан на соединении частотного и временного уплотнения.

• CDMA (Code Division Multiple Access —множественный доступ с кодовым разделением каналов), описанный в международном стандарте IS-95, является абсолютно другим видом системы и не основан ни на частотном, ни на временном уплотнении. Хотя CDMA не является доминирующей системой второго поколения, эта технология стала основанием для систем третьего поколения.

Название PCS (Personal Communications Services — Персональная служба связи) иногда используется в литературе по маркетингу и означает систему второго поколения (цифровую, разумеется). Изначально так назывался телефон, работающий в диапазоне 1900 МГц, впрочем, сейчас различия почти стерлись. Далее мы опишем GSM, так как это наиболее распространенная система 2G. В следующем разделе мы более подробно рассмотрим CDMA, когда будем говорить о 3G.

GSM — Глобальная система мобильной связи

GSM (от названия группы Groupe Special Mobile, позже переименован в Global System for Mobile Communications) (СПС-900) — глобальный стандарт цифровой мобильной сотовой связи, с разделением каналов по времени (TDMA) и частоте (FDMA). Разработан под эгидой Европейского института стандартизации электросвязи (ETSI) в конце 1980-х годов.

Мобильные телефоны поддержка 4 частот: 850 МГц, 900 МГц, 1800 МГц, 1900 МГц. В зависимости от количества диапазонов, телефоны подразделяются на классы и вариацию частот в зависимости от региона использования.

• • Однодиапазонные — телефон может работать в одной полосе частот. В настоящее время не выпускаются, но существует возможность ручного выбора определённого диапазона частот в некоторых моделях телефонов, например Motorola C115, или с помощью инженерного меню телефона.

  • Двухдиапазонные (Dual Band) — для Европы, Азии, Африки, Австралии 900/1800 и 850/1900 для Америки и Канады.

  • Трёхдиапазонные (Tri Band) — для Европы, Азии, Африки, Австралии 900/1800/1900 и 850/1800/1900 для Америки и Канады.

  • Четырехдиапазонные (Quad Band) — поддерживают все диапазоны 850/900/1800/1900.

В стандарте GSM применяется GMSK-модуляция с величиной нормированной полосы ВТ — 0,3, где

В — ширина полосы фильтра по уровню минус 3 дБ,

Т — длительность одного бита цифрового сообщения.

Мобильные телефоны связываются с сотовыми базовыми станциям по радиоинтерфейсу, который мы опишем далее. Каждая базовая станция соты соединена с BSC (Base Station Controller — Контроллер базовой станции), который управляет радиоресурсами сот и обрабатывает передачу. Контроллер базовой станции, в свою очередь, соединен с мобильным коммутационным центром (как в AMPS), который направляет звонки и соединяется с PSTN (Public Switched Telephone Network — коммутируемая телефонная сеть общего пользования).

Чтобы направлять звонки, мобильный коммутационный центр должен знать, где мобильные телефоны в настоящее время находятся. Он поддерживает базу данных находящихся вблизи него мобильных телефонов, связанных с сотами, которыми управляет центр. Эту базу данных называют VLR (Visitor Location Register — гостевой реестр местоположения). Есть также база данных в мобильной сети, которая дает последнее известное местоположение каждого мобильного телефона. Она называется HLR (Home Location Register — домашний реестр местоположения). Эта база данных используется, чтобы направить входящие вызовы к правильным местоположениям. Обе базы данных должны постоянно обновляться, поскольку мобильные телефоны перемещаются из соты в соту.

Теперь мы опишем радиоинтерфейс подробнее. GSM работает в одном диапазоне частот во всем мире, включая 900, 1800 и 1900 МГц. Больший чем в AMPS диапазон частот выделен для того, чтобы поддержать огромное количество пользователей. GSM, как и AMPS, — сотовая система с дуплексом путем разделения частот. Таким образом, каждый мобильный телефон передает на одной частоте и получает на другой, более высокой частоте (на 55 МГц выше для GSM, на 80 МГц выше для AMPS). Однако в отличие от AMPS в GSM отдельная пара частот разделена мультиплексированием с разделением времени на временные слоты. Таким образом она совместно используется несколькими мобильными телефонами.

Чтобы управлять несколькими мобильными телефонами, каналы GSM значительно шире AMPS (200 кГц против 30 кГц). Каждая полоса частот имеет ширину 200 кГц, как показано на рис..

Система GSM в диапазоне 900 МГц имеет 124 пары симплексных каналов. Полоса пропускания каждого симплексного канала составляет 200 кГц. Канал поддерживает 8 отдельных соединений при помощи временного уплотнения. Каждой активной в данный момент базовой станции назначен один кадровый интервал на пару каналов. Теоретически каждая сота может иметь до 992 каналов, однако многие из них сознательно делают недоступными во избежание конфликтов с соседними сотами. На рис. выше восемь заштрихованных кадровых интервалов принадлежат одному и тому же соединению, по четыре в каждом направлении. Прием и передача происходит в разных интервалах, поскольку аппаратура GSM не может работать одновременно в двух режимах и на перестройку требуется некоторое время. Если мобильной станции присвоен диапазон 890,4/935,4 МГц и кадровый интервал 2 хочет осуществить передачу на базовую станцию, он воспользуется нижним набором заштрихованных интервалов (а также последующими), размещая в каждом из них порцию данных. Так будет продолжаться до тех пор, пока не будут посланы все данные.

Интервалы TDM, изображенные на рис.выше , являются частью сложной иерархической системы кадров. Каждый интервал имеет специфическую структуру, как и их группы. Упрощенная иерархия изображена на рис. ниже. Мы видим здесь, что интервал TDM состоит из 148-битного кадра данных, который занимает канал на 577 мкс (включая защитный интервал длиной 30 мкс). Кадры данных начинаются и заканчивается тремя нулями, это делается для их разграничения. В них также входят 57-битные информационные (Information) поля, в каждом из которых присутствует контрольный бит проверки содержимого (голос/данные). Между информационными полями имеется 26-битное поле синхронизации (Sync), которое используется приемником для синхронизации с границей кадра передатчика.

Кадр данных передается за 547 мкс, но передатчику разрешается посылать данные только через каждые 4,615 мс, поскольку он делит канал с семью другими станциями. Общая скорость каждого канала составляет 270 883 бит/с. Она делится между 8 пользователями. Тем не менее, как и в AMPS, на накладные расходы тратится большая часть пропускной способности, и в итоге на одного пользователя приходится 24,7 Кбит/с (перед началом исправления ошибок). После исправления ошибок остается 13 Кбит/с, с помощью которых нужно передать голос. Хотя это существенно меньше, чем 64 Кбит/с импульсно-кодовой модуляции для несжатых голосовых сигналов в неподвижной телефонной сети, сжатие на мобильном устройстве может достигнуть этого уровня с небольшой потерей качества.

Как видно на рис. выше, 8 кадров данных образуют один кадр TDM, а 26 кадров TDM образуют 120-миллисекундный мультикадр (мультифрейм). В мультифрейме двенадцатый интервал используется для служебных целей, а двадцать пятый зарезервирован для будущего использования, поэтому для пользовательского трафика остается только 24 интервала. Тем не менее в дополнение к 26-интервальному мультифрейму, показанному на рис. , используется еще и 51-интервальный мультифрейм (не показан на рисунке). Некоторые интервалы нужны для управляющих каналов. Широковещательный управляющий канал представляет собой непрерывный поток, исходящий от базовой станции, в котором содержится ее идентификационная информация и статус канала. Все мобильные устройства производят мониторинг мощности сигнала, по которому они определяют моменты перехода в ведение новой соты. Выделенный управляющий канал используется для поиска мобильного телефона, обновления информации о нем, регистрации и установки соединения. В частности, каждая БС содержит базу данных телефонов, находящихся в текущий момент под ее управлением. Информация, необходимая для обновления этой базы, передается по выделенному управляющему каналу. Наконец, есть еще общий управляющий канал, разделяемый на три логических подканала. Первый из них — пейджинговый канал, с помощью которого базовая станция сообщает о входящих звонках. Каждый мобильный телефон постоянно прослушивает его в ожидании звонка, на который он должен ответить. Второй — канал случайного доступа, позволяющий пользователям запросить интервал в выделенном управляющем канале. Если два запроса сталкиваются (коллизия), они искажаются и им приходится впоследствии осуществлять повторные попытки. Используя выделенный управляющий канал, мобильный телефон может инициировать исходящий звонок. Присвоенный интервал объявляется при помощи третьего под канала — канала предоставления доступа.

Наконец, GSM отличается от AMPS тем, как обрабатывается передача. В AMPS MSC управляет этим полностью без помощи от мобильных устройств. С временными слотами в GSM большую часть времени мобильный телефон ни посылает, ни получает. Неактивные слоты — возможность для мобильного телефона измерить качество сигнала от других соседних базовых станций. Он производит эти измерения и посылает эту информацию в BSC. BSC может использовать ее, чтобы определить, когда мобильный телефон покидает одну ячейку и входит в другую так, что может выполнить передачу. Эта схема называется MAHO (Mobile Assisted HandOff).

Мобильные телефоны третьего поколения 3G: цифровая речь и данные

Первое поколение мобильных телефонов было голосовым аналоговым, второе было голосовым цифровым. Третье поколение, которое называют 3G, представляет цифровую передачу речи и данных.

Развитием этой отрасли движет большое количество факторов. Во-первых, объем передаваемых данных уже превышает объем передаваемой речи в стационарных сетях, и первый показатель растет экспоненциально, тогда как последний растет довольно вяло. Многие эксперты предрекают такое же будущее и мобильным сетям:трафик данных превысит голосовой трафик.

Во-вторых, компьютерная индустрия и индустрии телефонии и развлечений уже стали полностью цифровыми и быстро объединяются. Многие восхищаются компактностью и малым весом портативного устройства, которое выступает в качестве телефона, проигрывателя компакт-дисков,

DVD-проигрывателя, терминала для электронной почты, обладает веб-интерфейсом,

возможностями текстового редактора, включает в себя электронные игры и многое другое, и все это с международной беспроводной высокоскоростной связью с Интернетом.

Еще в 1992 году международный союз телекоммуникаций, ITU, сделал попытку конкретизировать и реализовать эти мечты и выпустил проект под названием IMT-2000, где IMT означало «Международная мобильная связь» (International Mobile Telecommunications).

Вот основные сервисы, для предоставления которых задумывалась сеть IMT-2000.

• 1. Высококачественная передача речи.

  2. Обмен сообщениями (замена e-mail, факса, SMS, чата и т. д.).

  3. Мультимедиа (проигрывание музыки, видео, фильмов, телевидения и т. д.).

  4. Доступ в Интернет (включая просмотр страниц с аудио- и видеоинформацией).

В качестве дополнительных услуг могут быть видеоконференции, телепрезентации, групповые электронные игры, мобильная коммерция (использование мобильного телефона для оплаты покупок). Более того, все эти сервисы должны быть доступны по всему миру (с автоматическим соединением через спутник в тех местах, где стационарная сеть отсутствует), на основе постоянного подключения и с гарантированным качеством обслуживания.

ITU задумывал IMT-2000 как единую технологию, чтобы производители могли выпустить универсальное устройство, которое можно было бы продавать по всему миру (как компьютеры и проигрыватели компакт-дисков и не в пример мобильнымтелефонам и телевизорам). Одна стандартная технология сильно упрощает жизнь операторам связи и привлекает клиентов. Война форматов (так получилось с Betamax и VHS в мире видеозаписи) неблагоприятно сказывается на бизнесе.

Оказалось, что это было слишком оптимистично. Номер 2000 обозначал три вещи:

• 1. год, когда это, как предполагалось, будет работать,

  2. частота, на которой это, как предполагалось, будет работать (в МГц),

  3. пропускная способность, которую сервис должен иметь (в Кбит/с).

Это не было достигнуто ни по одному из трех пунктов.

К 2000 году ничего не было осуществлено. ITU рекомендовал правительствам всех стран зарезервировать частоту 2 ГГц для международного роуминга. Рекомендации последовал только Китай. Наконец, в какой-то момент осознали, что невозможно выделить каждому пользователю про-

пускную способность в 2 Мбит/с, особенно учитывая повышенную мобильность многих из них (просто нереально с достаточно высокой скоростью осуществлять передачу с одной базовой станции на другую). Более реалистично выглядит выделение 2 Мбит/с стационарным абонентам, которые сидят дома (в этом случае такая система будет серьезным конкурентом ADSL), 384 Кбит/с для людей, которые не спеша прогуливаются по парку, и 144 Кбит/с для связи с абонентами, движущимися в автомобилях. Несмотря на эти начальные неудачи, с тех пор было многое достигнуто. Было выдвинуто несколько технических предложений, впоследствии некоторые отсеялись и остались две основные технологии.

Первая из них называется WCDMA - широкополосный CDMA (Wideband CDMA), была предложена фирмой Ericsson и продвинута Европейским союзом, который назвал ее UMTS (Universal Mobile

Telecommunications System — универсальная система мобильной связи).

Вторым претендентом стала система CDMA2000, предложенная Qualcomm.

У этих систем больше сходств, чем различий. Базовый принцип обеих систем — это CDMA. WCDMA использует полосу пропускания 5 МГц, а CDMA2000 — 1,25 МГц.

Если бы инженеров из Ericsson и Qualcomm посадили за стол переговоров и поставили задачу выработать единую систему, они, наверное, справились бы с этим довольно быстро. Беда в том, что настоящей проблемой, как всегда, является отнюдь не инженерное решение, а политика. Европе требовалась система, умеющая работать с GSM; Соединенным Штатам нужна была система, совместимая с одной из уже существующих там систем (IS-95). Каждая сторона поддерживала свою компанию (Ericsson находится в Швеции, Qualcomm — в Калифорнии). В конце концов, обе компании оказались вовлечены во множественные тяжбы, связанные с патентами на технологию CDMA.

Во всем мире 10—15 % абонентов мобильной связи уже используют технологии 3G. В Северной Америке и Европе, приблизительно одна треть мобильных абонентов — 3G. Япония была ранним последователем, и теперь почти все мобильные телефоныв Японии — 3G. Эти числа включают и UMTS, и CDMA2000, и 3G продолжает быть одним большим котлом деятельности, поскольку рынок трясет. Чтобы добавить беспорядка, UMTS стал единственным стандартом 3G с разнообразными несовместимыми опциями, включая CDMA2000. Это изменение было попыткой объединить конфликтующие стороны, но оно только сглаживает технические различия. Мы будем говорить

UMTS, подразумевая WCDMA, а не CDMA2000.

Мы ограничим наше обсуждение использованием CDMA в сотовых связях, поскольку это — отличительный признак обеих систем. В CDMA не происходит ни временного, ни частотного разделения каналов, но осуществляется соединение, при котором каждый пользователь работает на том же диапазоне частот в то же самое время. Когда это было предложено для сотовых систем впервые, промышленность отреагировала приблизительно так же, как королева Изабелла на предложение Колумба достигнуть Индии, направляясь на запад. Однако благодаря упорству компании Qualcomm CDMA преуспел как 2G система (IS-95) и окреп до такой степени, что стал

техническим основанием для 3G.

Заставить CDMA работать в мобильном телефоне требует большего, чем основной метод CDMA, который мы описали в предыдущем разделе. А именно, мы описали синхронный CDMA, в котором элементарные последовательности являются строго ортогональными. Эта схема работает, когда все пользователи синхронизированы на времени начала элементарных последовательностей, как в случае передачи от базовой станции к мобильным телефонам. Базовая станция может передать элементарные последовательности, начинающиеся в одно время, так чтобы сигналы были ортогональными и могли быть отделены. Однако трудно синхронизировать передачи независимых мобильных телефонов. Без специальных усилий их передачи достигли бы базовой станции в разное время, без гарантии ортогональности. Чтобы мобильные телефоны могли передавать сигналы базовой станции без синхронизации, нужны кодовые последовательности, которые будут ортогональны при всех возможных смещениях.

Хотя и невозможно найти последовательности, которые являются ортогональными для этого общего случая, длинные псевдослучайные последовательности достаточно близки к этому. У них есть характерная особенность — низкая взаимная корреляция друг с другом при любых смещениях. Это означает, что когда одна последовательность умножена на другую последовательность, в итоге внутреннее произведение будет маленьким; это был бы ноль, если бы они были ортогональными. (Интуитивно, случайные последовательности должны всегда отличаться друг от друга. Их перемно-

жение должно давать случайный сигнал низкого уровня.) Это позволяет приемнику фильтровать нежелательные помехи из полученного сигнала. Кроме того, автокорреляция псевдослучайных последовательностей также является малой, кроме случая нулевого смещения. Это означает, что, когда одна последовательность умножена на свою отсроченную копию и просуммирована, результат будет маленьким, кроме тех случаев, когда задержка — ноль. (Интуитивно, отсроченная случайная последовательность похожа на другую случайную последовательность, и мы вернулись к случаю

взаимной корреляции.) Это позволяет приемнику обнаруживать начало требуемой передачи в полученном сигнале.

Использование псевдослучайных последовательностей позволяет базовой станции получать сообщения CDMA от несинхронизированных мобильных телефонов. Однако неявное предположение в нашем обсуждении CDMA — то, что уровни мощности всех мобильных телефонов в приемнике одинаковы. В противном случае маленькая взаимная корреляция с сильным сигналом может превзойти большую автокорреляцию со слабым сигналом. Таким образом, уровнем сигнала передачи мобильных телефонов нужно управлять, чтобы минимизировать интерференцию между

конкурирующими сигналами. Именно это вмешательство ограничивает пропускную способность системCDMA.

Уровни мощности, полученные на базовой станции, зависят от того, как далеко находятся передатчики, а также с какой мощностью они передают. Может быть много мобильных станций на различных расстояниях от базовой станции. Хороший эвристический алгоритм, позволяющий уравнять полученную мощность, — использовать инверсию уровня мощности сигнала базовой станции. Другими словами, мобильная станция, получающая слабый сигнал от базовой станции, будет использовать большую мощность, чем получающая мощный сигнал. Для большей точности базовая станция также дает каждой мобильной станции обратную связь, чтобы увеличить, уменьшить

или считать устойчивым передаваемый уровень сигнала. Обратная связь передается часто (1500 раз в секунду), потому что хорошее управление важно, чтобы минимизировать интерференцию.

Другое усовершенствование базовой схемы CDMA, которую мы описали ранее, должно позволить различным пользователям посылать данные на различных скоростях. Эта уловка достигнута естественно в CDMA, фиксируя скорость, на которой передаются чипы и назначая пользовательские последовательности чипов различной длины. Например, в WCDMA скорость чипов — 3,84 Мчипов/с, а кодовые последовательности содержат от 4 до 256 чипов. При использовании кода с 256 чипами после исправления ошибок остается приблизительно 12 Кбит/с, и эта скорость достаточна для голосового вызова. Для кода с 4 чипами пользовательская скорость передачи данных близка к 1 Мбит/с. Коды промежуточной длины дают промежуточные уровни скорости; чтобы достигнуть больших мегабит в секунду, мобильный телефон должен использовать более одного канала шириной 5 МГц. Теперь давайте опишем преимущества CDMA, учитывая, что мы имели дело с проблемами заставляя его работать.

У CDMA есть три основных преимущества.

• • Во-первых, CDMA может улучшить пропускную способность, используя в своих интересах маленькие периоды, когда некоторые передатчики молчат. В вежливых голосовых вызовах одна сторона молчит в то время, когда другая говорит. В среднем занято только 40 % времени. Однако паузы могут быть маленькими и трудно предсказуемыми. При использовании временного или частотного уплотнения невозможно повторно назначить время или каналы частоты достаточно быстро, чтобы извлечь выгоду из этих маленьких пауз. Однако в CDMA просто отсутствие передачи от одного пользователя понижает влияние на других пользователей, и вероятно, что некоторая часть пользователей не будет передавать в занятой соте в данный момент времени. Таким образом CDMA использует в своих интересах ожидаемые паузы, чтобы произвести большее число одновременных звонков.

  • Во-вторых, с CDMA каждая сота использует одни и те же частоты. В отличие от GSM и AMPS, частотное уплотнение для отделения передач разных пользователей не требуется. Это устраняет сложные задачи планирования частоты и улучшает пропускную способность. Это также облегчает для базовой станции использование разнонаправленных антенн, или секторные антенны, вместо всенаправленной антенны. Направленные антенны концентрируют сигнал в намеченном направлении и уменьшают сигнал, и следовательно, интерференцию в других направлениях. Это, в свою очередь, увеличивает пропускную способность. Распространены три способа разделения на секторы. Базовая станция должна отследить мобильный телефон, когда он перемещается из сектора в сектор. В CDMA это легко, потому что все частоты используются во всех секторах.

  • В-третьих, CDMA облегчает мягкую передачу (soft handoff ), при которой мобильный телефон обнаруживается новой базовой станцией раньше, чем отключится предыдущая. Таким образом, нет никакой потери непрерывности. Мягкая передача показана на рис.. Это легко в CDMA, потому что все частоты используются в каждой соте. Альтернатива — жесткая передача (hard handoff ), при которой предыдущая базовая станция обрывает вызов до того, как его возьмет новая. Если новая станция неспособна принять вызов (например, потому что нет доступной частоты), вызов обрывается. Пользователи замечают это, но недостаток связан с текущей конструкцией. Жесткая передача - норма при использовании частотного уплотнения, чтобы избежать затрат мобильной передачи или приема на двух частотах одновременно.

О системах 3G написано много, причем отзывы в основном восторженные. Большинство пишет о третьем поколении мобильной связи в том духе, что это самое большое достижение со времен изобретения хлеборезки. Тем временем некоторые операторы связи уже делают первые осторожные шаги в направлении 3G, предлагая, что называется, 2,5G, хотя более точно было бы назвать это 2,1G. Одна такая система называется EDGE (Enhaced Data rates for GSM Evolution — повышенные скорости

передачи для развития GSM) и представляет собой обычный GSM с увеличенным числом бит на символ. Проблема состоит в том, что чем больше бит на символ используется, тем больше вероятность ошибок. Поэтому в EDGE применяются девять различных схем модуляции и коррекции ошибок. Отличаются они друг от друга процентом пропускной способности, выделяемым на исправление ошибок, возникающих вследствие повышенной скорости.

Технология EDGE — это один шаг вдоль эволюционного пути, который разделяет GSM от WCDMA. Точно так же есть эволюционный путь, определенный для операторов, чтобы обновить сети от IS-95 к CDMA2000.

Даже при том, что сети 3G еще не полностью развернуты, некоторые исследователи расценивают 3G как решенное дело. Эти люди уже работают над системами четвертого поколения под названием LTE (Long Term Evolution). Некоторые из предложенных особенностей 4G: высокая пропускная способность; вездесущность (связь всюду); плавная интеграция с другими проводными и беспроводными IP-сетями, включая точки доступа 802.11; адаптивный ресурс и управление спектром; и высокое качество сервиса для мультимедиа. Для получения дополнительной информации см. Astely

et al. (2009) и Larmo et al. (2009).

Тем временем беспроводные сети с уровнем пропускной способности 4G уже доступны. Основной пример 802.16, так же известный как WiMAX. Краткий обзор мобильного WiMAX читайте в Ахмади (2009). Сказать, что промышленность стремительно развивается — огромное преуменьшение. Увидим, что произойдет через несколько лет.

Резюме

Физический уровень является базовым для сетей любого типа. Природа носителей информации накладывает два фундаментальных ограничения на все каналы, и это определяет их допустимую пропускную способность.

Первое ограничение носит имя Найквиста и имеет отношение к идеальным бесшумным каналам. Второе ограничение,ограничение Шеннона, говорит о каналах с шумом.

Среда передачи данных может быть проводниковой или беспроводной. Основными проводниковыми средами являются витая пара, коаксиальный кабель и оптоволоконный кабель. Среди беспроводных сред следует выделить радио, микроволны, инфра-красное и лазерное излучение

распространяющиеся по воздуху и спутниковую связь.

Цифровые методы модуляции посылают биты по проводниковым и беспроводным средам как аналоговые сигналы. Линейные коды работают в основной полосе частот, и сигналы могут быть помещены в полосу пропускания путем модулирования амплитуды, частоты и фазы несущей частоты. Каналы могут быть совместно использованы пользователями путем временного, частотного мультиплексирования времени и мультиплексирования с кодовым разделением.

Ключевым элементом большинства глобальных сетей является телефонная система. Ее главные компоненты — это местные линии, магистрали и коммутаторы.

ADSL имеет скорость до 40 Мбит/с, достигая ее путем разделения местной линии на множество виртуальных каналов, которые работают параллельно. Это существенно превосходит скорости телефонных модемов. Пассивные оптические сети доставляют волокно до жилища, для еще больших скоростей доступа чем ADSL. Магистрали переносят цифровые данные. В них применяются различные способы уплотнения. Спектральное уплотнение (WDM) обеспечивает много каналов большой емкости по отдельным волокнам. Временное (TDM) уплотнение распределяет каждую

высокоскоростную связь между пользователями. Важны технологии как коммутации

каналов, так и коммутации пакетов.

Для мобильных применений обычная стационарная телефонная сеть не подходит. Мобильные телефоны сейчас очень широко распространены в качестве средства передачи речи, однако растет и их роль как средства передачи данных.

Первое поколение мобильных телефонных систем, 1G, было аналоговым, доминировала система AMPS.

Второе поколение было цифровым, системы стандарта GSM сейчас наиболее широко распространены в мире.

Сейчас разворачивается третье поколение, оно также цифровое и базируется на широкополосном CDMA, с WCDMA а также CDMA2000.

Альтернативной сетевой системой является кабельное телевидение. Оно сильно видоизменилось с коаксиального кабеля до гибридной оптокоаксиальной сети, от телевидения до телевидения и Интернета. В принципе, данная система обладает высокой пропускной способностью, но реальное качество обслуживания сильно зависит от числа и деятельности активных пользователей.

Сетевой уровень

http://ciscotips.ru/routing

Маршрутизация осуществляется на третьем уровне модели OSI. Если в сети есть не только IP, но и другие протоколы сетевого уровня, то процесс маршрутизации для каждого из них выполняется отдельно. В курсе CCNA рассматривается только маршрутизация IPv4 и IPv6 пакетов (тем не менее, даже это – два разных протокола и маршрутизация у них работает независимо друг от друга).

В чём же суть процесса: маршрутизатор содержит специальную таблицу – таблицу маршрутизации (routing table), в которой собирает маршруты во все сети, про которые ему довелось узнать. Каждый маршрут представляет из себя:

• • собственно, саму сеть, которую он ведёт

  • направление к этой сети (направление может записываться двумя способами: это либо адрес следующего маршрутизатора на пути к нужной сети, либо имя интерфейса, из которого нужно «выдать наружу» пакет, чтобы он продолжил двигаться к нужной сети)

  • метрика (опционально) – характеризует качество маршрута чем меньше метрика, тем «лучше» и «приоритетнее» маршрут

Маршруты могут попадать в таблицу маршрутизации тремя способами:

• 1. Непосредственно подключенные (Connected). Такие маршруты появляются автоматически, когда мы включаем на маршрутизаторе какой-то интерфейс и настраиваем на нём ip адрес. Это наше действие означает, что непосредственно рядом с маршрутизатором за этим самым интерфейсом к нему примыкает указанная сеть, один из адресов которой мы настроили на новом интерфейсе. Маршрутизатор автоматически добавляет такой маршрут с указанием, что сеть доступна через данный интерфейс.

  2. Статические маршруты (Static). Если искомая сеть находится не в непосредственной близости к маршрутизатору, а хотя бы через один маршрутизатор от данного, то сам он про неё никак не узнает и один из способов сообщить, что «где-то там далеко есть такая сеть» - прописать статический маршрут. То есть явно сеть и направление к ней. Подробнее об этом можно прочитать в статье про статические маршруты.

  3. Динамическая маршрутизация. В этом случае на каждом маршрутизаторе настраивается один из протоколов динамической маршрутизации. Они бывают разными, но цели их работы одни и те же: каждый маршрутизатор берёт свои собственные непосредственно подключенные (Connected) сети (про которые, как мы уже говорили, он узнаёт автоматически), и передаёт их своим соседям. В результате каждый маршрутизатор узнаёт про все сети других маршрутизаторов и у всех в итоге получается таблица маршрутизации со всеми сетями данного участка. Динамическая маршрутизация, в отличие от статической может применяться на больших сетях, где статических маршрутов пришлось бы прописывать очень много.

Итак, тем или иным способом, таблица маршрутизации пополнилась маршрутами. Теперь, если на вход маршрутизатора приходит некий пакет, идущий в сеть N, то маршрутизатор просматривает свою таблицу в поисках искомой сети. Если сеть найдена, то берётся её направление (например, ip адрес следующего маршрутизатора) и ему пересылается данный пакет. Кроме того, существует маршрут по умолчанию, куда отправляются те пакеты, сеть получателя которых отсутствует в таблице маршрутизации. Если маршрут по умолчанию не задан, то такие пакеты уничтожаются, а отправителю может быть отправлено ICMP сообщение «Destination Unreachable»

Просмотреть содержимое таблицы маршрутизации можно с помощью команды show ip route.

Детально, так как она непременно присутствует в любом траблшутинге:

Вначале вывода команды мы видим легенду, где показано, какая буква что обозначает. Из того что проходится в CCNA, нам потребуется:

S – статический маршрут,

C – непосредственно подключенная сеть и динамические протоколы (R – RIP, D – EIGRP, O – OSPF).

Ниже легенды идёт список известных устройству маршрутов. Первая из строчек «Gateway of last resort is not set» означает, что маршрут по умолчанию на данном маршрутизаторе не задан, далее идут две известных сети. Первая начинается с буквы C, что означает, что сеть непосредственно подключена к нашему маршрутизатору (конкретно, интерфейс FastEthernet0/0 является её частью). Вторая строчка начинается с буквы D, если посмотреть в легенду выше, то видно, что это EIGRP маршрут, про который информация получена издалека. Можно сказать, что сеть 192.168.2.0 не граничит с нашим роутером непосредственно, а находится где-то далеко, конкретно, за другим маршрутизатором с адресом 192.168.0.1 и чтобы достичь этой сети, пакет должен быть отправлен этому маршрутизатору через интерфейс FastEthernet0/0. Два других значения, которые есть в этой строчке - [90/156160]. Первое из них – это административная дистанция, вторая – метрика. Про дистанцию можно подробнее прочитать в этой статье, что касается метрики – то она считается по-разному для каждого протокола маршрутизации и характеризует качество маршрута. Чем меньше метрика, тем лучше маршрут. Используется метрика в том случае, когда один протокол имеет более одного маршрута в одну и ту же сеть. В это случае в таблицу маршрутизации попадает только маршрут с самой лучше (читай – меньшей) метрикой. Подробнее про вычисление метрике следует читать в описании конкретного протокола.

Аналогично маршрутизатору любой компьютер имеет свою таблицу маршрутизации, но она, как правило простая: состоит из «своей сети» и шлюза по умолчанию. Например, в windows можно посмотреть такую таблицу командной route print.

Теперь, когда мы более или менее понимаем, как происходит маршрутизация, давайте задумаемся, какие выводы можно сделать из приведённого выше. В курсе CCNA три достаточно очевидных вывода сделаны за нас. Вот они:

Каждый маршрутизатор самостоятельно принимает решение о том, куда надо отправить очередной проходящий через него пакет. При этом он основывается только на адресе получателя пакета и своей собственной таблице маршрутизации.

Тот факт, что один маршрутизатор «знает» маршрут в некоторую сеть не гарантирует, что другой маршрутизатор будет «знать» про ту же сеть.

Если маршрутизатор может переправить пакет из сети А в сеть Б, это не гарантирует, что он может переправить пакет обратно – из сети Б в сеть А.

В принципе, эти три постулата очевидно вытекают из приведённого выше описания того, как работает маршрутизация, но, тем не менее, их полезно озвучить. Так же, из первого пункта следует такая проблема как петли. Если маршрутизаторы неправильно настроены, то каждый принимая решение о маршрутизации самостоятельно может пересылать пакеты другому, в результате чего пакеты могут начать циркулировать по кругу, загружая процессоры маршрутизаторов обработкой бессмысленных пересылок. Простейшим примером могу служить два маршрутизатора, у каждого из которых указан в качестве маршрута по умолчанию адрес друг друга. В этом случае, между ними, очевидно, образуется петля. Правильная настройка сети не должна допускать возникновения петель. Подробнее про петли и поведение маршрутизаторов в случае их возникновения можно прочитать в статье TTL (тут и тут)

Маршрутизация – очень важный процесс, так как именно он описывает структуру всего интернета. Как правило, каждое устройство знает маршруты только до нескольких сетей. Например, маршрутизатор предприятия будет знать только маршруты к сетям этого предприятия. Если пакет предназначается одной из таких сетей, то маршрутизатор переправляет его по внутренней сети, если же сеть неизвестна (например, пакет предназначается какому-то далёкому узлу в интернете), то маршрутизатор отправляет его используя маршрут по умолчанию вышестоящему провайдеру. Провайдер, в свою очередь так же знает только про сети своих клиентов. Если пакет предназначается кому-то из них, то он будет передан на маршрутизатор этого клиента, если нет, то он по маршруту по умолчанию уходит ещё выше – следующему вышестоящему провайдеру. Таким образом функционирует весь интернет.