Все о DECT

Часть I. Радиоинтерфейс

Системы беспроводного доступа занимают «промежуточное» положение между сотовыми и проводными сетями. Для них характерны высокая плотность и незначительная скорость перемещения абонентов (до 10 км/ч), а также возможность использования на обслуживаемой территории множества базовых станций без опасности создания взаимных помех. Кроме того, системы беспроводной связи работают в нелицензируемом диапазоне частот, а следовательно, при их построении нет необходимости в частотном планировании и координации с другими радиосетями, работающими в том же диапазоне.

Среди всех известных систем беспроводной связи сети, базирующиеся на стандарте DECT, обеспечивают наиболее высокую скорость транспортировки данных — до 552 кбит/с (табл. 1). При этом в абонентских устройствах используются маломощные передатчики (до 10 мВт), а речевые кодеки обеспечивают качество передачи речи, близкое к качеству проводной связи.

Системы с микросотовой архитектурой на базе DECT способны обеспечить емкость сети до 10 тыс. Эрл/км² с плотностью абонентов до 100 тыс. чел./км². Подобные сети абонентского доступа наиболее эффективны в городах, однако они могут применяться и в сельской местности, особенно там, где концентрация абонентов достаточно высока (например, в коттеджных поселках). Не следует сбрасывать со счетов и такие достоинства DECT, как возможность оперативного развертывания сетей абонентского доступа, а также отсутствие платы за использование частотного ресурса (поскольку оборудование DECT работает в нелицензируемом диапазоне частот).

Многоликий DECT

Каковы же преимущества стандарта DECT, выгодно отличающие его от других технологий беспроводного доступа (PHS, PACS, IEEE 802.11)? Прежде всего, это безусловная возможность интеграции с другими системами, наличие «естественной» защиты от перехвата сообщений по радиоканалу, эффективное использование спектра частот, а также высокое качество передачи сигнала.

Для обеспечения взаимодействия сетей DECT с существующими (и даже будущими) системами связи ETSI (который давно занимается разработкой и усовершенствованием DECT) создал целый класс спецификаций, получивших название профилей доступа. Каждый из них конкретизирует характеристики оборудования, предназначенного для определенных областей применения.

Наиболее общим является профиль открытого доступа (PAP — Public Access Profile). В нем определены спецификации оборудования, предназначенного для работы в сетях общего пользования, а также общий интерфейс, который обеспечивает бесконфликтное внедрение в оборудование неспецифицированных функций.

Одним из наиболее распространенных (рис. 1) является разработанный в 1994 г. общий профиль доступа (GAP — Generic Access Profile). В нем определена достаточно сложная процедура аутентификации абонентских станций. Универсальный характер этой «идеологии» доступа позволяет создать единый (GAP-совместимый) терминал, который может быть использован с абонентским оборудованием различных производителей.

Основная идея создания профиля беспроводного доступа (CAP — Cordless Terminal Mobility Access Profile) состояла в том, что в микросотовых системах общего пользования должен использоваться единый терминал, способный работать дома как обычный радиотелефон, а офисе — как подключаемый к базовой станции телефон беспроводного доступа.

При разработке профилей большое внимание уделяется вопросам интеграции с наиболее перспективными технологиями мобильной и проводной связи. В настоящее время завершено создание профиля взаимодействия с сетями сотовой связи (GIP — DECT/GSM Interworking Profile) и профиля интегрального обслуживания (DECT/ISDN Interworking Profile). Сейчас ETSI рассматривает предложения для разработки универсального профиля доступа Bluetooth/DECT/GSM.

Одним из важнейших направлений развития технологии DECT является внедрение профиля услуг передачи данных (DSP — Data Services Profile). Возможности DECT, связанные с передачей данных, делают эту технологию особенно привлекательной для использования в системах абонентского радиодоступа WLL или RLL (см. «Сети», 2000, № 11, с. 34).

Широкий набор услуг доступа, базирующихся на технологии DECT и предназначенных для работы с конкретными службами, определяется так называемым профилем доступа приложений (ASAP — Application Specific Access Profiles). В спецификациях ASAP указаны следующие приложения: передача коротких сообщений, электронная почта, сбор данных с датчиков охранной сигнализации, мультимедийные услуги. На практике реализованы спецификации доступа лишь к двум из перечисленных в ASAP служб, причем для режима с установлением соединения. Это спецификации на передачу данных со скоростью 32 кбит/с (D2 profle) и на передачу данных со скоростью 1,2 кбит/с (или коротких сообщений — CTM-FP2).

В течение 1998—1999 гг. ETSI разработал еще две спецификации, определяющие высокоскоростную передачу данных: профиль службы пакетной передачи (DPRS — DECT Packet Radio Services) и профиль доступа к мультимедийным услугам (DMAP — DECT Multimedia Access Profile). В стадии рассмотрения — профиль доступа к слугам Internet (DECT/Internet Access Profile).

В отличие от других профилей доступа (GAP, CAP, D2, E2) DPRS будет обеспечивать передачу асинхронного трафика; при этом в режиме без установления соединения будет обеспечиваться скорость в канале до 552 кбит/с. Излишне упоминать о совместимости соответствующих этим профилям устройств с DECT/GAP-оборудованием. Технология DMAP ориентирована на локальные сети и совместима с протоколом Ethernet. Дальнейшее повышение скорости (для обоих профилей она должна составить до 2 Мбит/с) будет обеспечиваться за счет применения многопозиционных методов модуляции, при этом принципы построения и архитектура радиоинтерфейса не изменятся.

Для предоставления DECT-услуг 3-го поколения (в рамках программы IMT-2000) необходимо достигнуть еще более высокой скорости передачи — до 3456 кбит/с, и такие технические возможности уже заложены в проекте стандарта IMT-FT (IMT-2000 Frequency Time). Однако до начала его внедрения в рамках профиля DPRS намечено реализовать спецификации для предоставления услуг IP-телефонии. Для этого предполагается применять модифицированные устройства DECT/GAP (благодаря чему абонентский терминал станет дешевле, чем традиционно используемый в IP-телефонии).

Эталонная модель DECT

Универсальный характер классической семиуровневой эталонной модели OSI/ISO позволяет строить на ее основе другие модели, которые, следуя традиции, также называют эталонными (reference model). Не исключением является и система DECT (рис. 2), причем ключевые функции эталонной модели DECT сосредоточены на трех нижних уровнях: физическом, канальном и сетевом.

Канальный уровень разделяется на подуровни DLC и MAC, что обусловлено различием требований к качеству обслуживания и характеристикам каналов связи. Поскольку технология DECT предназначена в основном для организации абонентского доступа, т.е. для создания каналов связи между абонентами, в эталонную модель DECT включено лишь небольшое число функций прикладного уровня, в том числе шифрование.

MAC-уровень отвечает за процедуры, сообщения и протоколы, обеспечивающие управление радиоресурсами, т.е. за установление, поддержание и разрыв соединений, динамический выбор каналов, хэндовер, контроль качества и др. В функции DLC входит коррекция ошибок, которые могут проявиться на сетевом уровне в каналах передачи данных.

Стек протоколов выше MAC-уровня разделяется на две параллельные плоскости — управления (С-плоскость) и передачи абонентского трафика (U-плоскость). В эталонной модели DECT на сетевой уровень возложены все функции, связанные с сигнализацией, управлением вызовами, поддержанием мобильности. Но они реализуются лишь в C-плоскости — абонентские данные в U-плоскости не обрабатываются, т.е. в данной плоскости сетевой уровень отсутствует. Это означает, что сети DECT легко интегрируются с другими системами, а способы их взаимосвязи могут быть различными.

Управление взаимодействием трех нижних уровней модели возложено на так называемую среду управления нижними уровнями (LLME — Lower Layer Management Entity). В этой среде реализуются процедуры генерации соединения и разъединения физических каналов (bearer), отбора пригодных для связи физических каналов, а также оценивается качество принимаемых сигналов.

На физическом уровне (PHL) выполняются функции организации связи по радиоканалам, т.е. модуляция/демодуляция сигналов, управление сменой частоты, распределение интервалов доступа, управление мощностью передатчика, установление синхронизации. Необходимо обеспечить такое децентрализованное использование выделенного системе общего ресурса (120 дуплексных каналов), которое позволило бы избежать конфликтов при захвате канала и минимизировать помехи.

Основой технологии DECT является гибридный метод доступа MC/TDMA/ TDD, обеспечивающий не только частотно-временное разделение каналов, но и передачу на одной несущей сигналов базовых и мобильных станций (в разных временных интервалах одного и того же кадра). Это позволяет не только решить задачу управления ресурсом без коллизий, но и упростить абонентскую аппаратуру (за счет исключения входного фильтра, разделяющего тракты приема и передачи).

Поскольку излучаемая мощность мобильных станций достаточно мала (около 10 мВт), а значит, взаимные помехи абонентов ничтожны, на ограниченной территории можно разместить большое число базовых станций. Таким образом, на распределение общего ресурса системы будут влиять три фактора — положение в пространстве БС и абонентов, временные и частотные характеристики (рис. 3).

Для связи между базовыми (RFP, БС) и абонентскими станциями (PP, АС) выделены 10 несущих частот в диапазоне 1880—1890 МГц. Среднее значение частоты f_c может быть найдено по ее номеру n с помощью простой формулы

Передача двоичного символа «1» осуществляется на частоте f_с+288 кГц, а символа «0» — на частоте f_с -288 кГц. При работе станции максимальное отклонение несущей от ее номинального значения не превышает 50 кГц.

В качестве основного вида модуляции используется гауссовская частотная манипуляция (GFSK — Gaussian Frequency Shift Keying). Она представляет собой обычную манипуляцию FSK с низкочастотной фильтрацией на входе, обеспечивающей сглаживание формы входных импульсов по гауссовскому закону (BT=0,5). Заметим, что если индекс модуляции равен 1/2 и обеспечивается когерентная демодуляция со сглаживанием, то данный вид модуляции может быть преобразован в GMSK. Таким образом, принципиально в DECT может быть использована и GMSK-модуляция, однако чтобы не усложнять абонентские приемники, когерентные методы демодуляции/модуляции сигналов в DECT обычно не используются.

Стандарт не предусматривает установки в аппаратуре DECT корректоров межсимвольных искажений. При заданной скорости передачи 1152 кбит/с длительность одного бита составляет около 0,9 мкс, что сопоставимо с задержкой при распространении радиоволн на трассе длиной 300 м. В случае многолучевого распространения разброс по задержке может оказаться столь большим, что возникнут межсимвольные искажения, а следовательно, устойчивый прием не будет обеспечиваться даже при значительном увеличении мощности передатчика. Когда производитель указывает, что его абонентский DECT-терминал поддерживает дальность связи до 5 км, нужно понимать: это достижимо лишь в пределах прямой видимости (скажем, в зданиях дальность связи составляет 50—100 м).

Увеличение дальности связи не может быть достигнуто только за счет повышения мощности передатчиков абонентских станций. Потребуется дополнить абонентские терминалы корректорами межсимвольных искажений, что приведет к их усложнению.

Структура кадра

В стандарте DECT основными элементами, определяющими канальную структуру, являются мультикадр, кадр и временные интервалы. В одном кадре длиной 10 мс может быть передано 11 520 бит. Мультикадр образуется за счет объединения 16 кадров. Соответственно, его длина равна 160 мс, а объем передаваемых данных увеличивается до 18,432 Мбит. Полный кадр разделен на 24 временных интервала, каждый длительностью около 417 мкс (рис. 4).

Функционально все интервалы разбиты на две группы — длительностью по 5 мс. В первую группу входят интервалы с номерами 0—11, выделенные для организации связи в направлении от базовой станции к абонентской (линия «вниз»). Вторая группа, состоящая из интервалов с номерами 12—23, выделена для организации связи по обратному каналу (линия «вверх»).

Между интервалами приема и передачи существует жесткая взаимосвязь. Например, если базовая станция передает данные в k-ом интервале (k=0-11), абонентская станция должна отвечать только в (k+12) интервале на той же рабочей частоте. Такой принцип организации связи соблюдается на каждой из 10 несущих частот.

Передача речи в стандарте DECT осуществляется в пакетном режиме. В каждом кадре передается один пакет длиной 320 бит. При этом существует множество вариантов формирования пакетов, передаваемых по DECT-каналам. Результирующая информационная скорость в канале составляет 32 кбит/с (320 бит/10 мс). Кроме информационного пакета полный кадр, состоящий из 480 бит, включает в себя синхрокод (32 бита), код сигнализации (48 бит), код защиты от ошибок (16 бит), проверочные символы (4 бита) и защитный интервал (60 бит).

Важную роль в кадре играет защитный интервал, позволяющий исключить перекрытие пакетов в соседних каналах, которое может происходить из-за значительного разброса по времени задержки при плохих условиях распространения радиоволн. Кроме того, определенный запас по времени необходим для включения/выключения передатчика, смены рабочей частоты и т.п.

Гибкая канальная структура стандарта DECT позволяет разделять полный временной интервал на два интервала половинной длины (по 240 бит). И наоборот, можно объединять два полных интервала (960 бит), увеличивая скорость передачи до 64 кбит/с, т.е. в два раза.

Для передачи разных типов трафика используются различные типы физических пакетов, которые обозначаются в DECT как P_k, где k — число, идентифицирующее тип пакета. Так, короткий физический пакет P00 используется базовой станцией при передаче в режиме радиомаяка, т.е. при транспортировке коротких широковещательных сообщений. В этом случае задействуются только 96 бит из 480, а остальные позиции остаются пустыми. Заметим, что столь большой защитный интервал необходим на начальной фазе установления соединения, когда абонентская станция еще не синхронизирована и возможно появление помех от других станций.

Существуют и так называемые половинные пакеты, для передачи которых требуется только половина кадра (240 бит). Примером может служить пакет P08_j, где j=1 или 2. В случае использования сдвоенных интервалов для обмена информацией применяется пакет P80, состоящий из синхропакета (32 бита), поля данных (872 бита) и защитного интервала длительностью 60 бит.

Типовым для системы DECT является пакет P32, который служит для передачи данных и речи (рис. 5). Он состоит из четырех типов полей: S — синхронизации (32 бита), D — данных (388 бит), X — проверочных символов (4 бита) и Z — защитного интервала (60 бит). Длина поля данных D зависит от вида передаваемой информации и для разных типов пакетов различна.

D-поле в пакете P32 подразделяется на две части: пакет служебной информации (64 бита) размещен в A-поле, а полезная информация вместе с проверочными символами заполняет B-поле (324 бита). Управляющее A-поле состоит из трех секций: заголовка (8 бит), служебных данных MAC-уровня (40 бит) и избыточного кода R-CRC (16 бит). Заголовок A-поля содержит четыре признака: TA — указатель типа логического канала, Q1,Q2 — показатели качества канала, BA — указатель типа информации в B-поле (защищенные/незащищенные данные, сигнализация). Высокая помехозащищенность заголовка достигается за счет использования избыточного циклического кода R-CRC (16 бит), позволяющего исправлять до пяти случайных ошибок и пакеты ошибок длиной до 16 бит (или большей длины, если число ошибок четное).

Если при передаче в канале данных задействован помехозащищенный режим, то поток данных из 324 бит разделяется в B-поле на четыре пакета по 80 бит, каждый из которых содержит 64 бита данных и 16 символов кода R-CRC (аналогичного тому, который используется в заголовке). При этом скорость передачи снижается с 32 до 25,6 кбит/с. Если помехозащищенный режим не используется, обнаружение ошибок обеспечивает простейший код CRC из 4 бит, размещенных в X-поле.

Функции канального и сетевого уровней

В эталонной модели DECT дается лишь общее описание иерархической структуры стека протоколов. Сегодня в стандарте DECT специфицированы 12 функций, соотнесенных с различными уровнями системных протоколов.

MAC-уровень, как известно, является границей между физической средой и сетевыми процедурами. В системе DECT он подразделяется на две логические группы, названные функциями управления кластерами. т.е. группами сот (CCF — Cluster Control Functions), и функциями управления пунктами сотовой связи (CSF — Cell Site Control Functions). Группа функций CCF отвечает за управление процедурой обмена информацией с верхними уровнями модели, а функции CSF — за организацию доступа к радиоканалам (рис. 6).

Каждому логическому кластеру из группы сот соответствует только одна функция CCF. С ее помощью реализуются три вида услуг: связанные с передачей широковещательных сигналов (BMC), с обменом информацией в режиме без установления (CMC) и с установлением (MBC) многоканальных соединений. Принцип организации связи в соте состоит в непрерывном поддержании связи — даже при отсутствии полезной нагрузки (информационного сигнала), — благодаря чему удается исключить длительные паузы, приводящие к сбою синхронизации. По широковещательному каналу (канал радиомаяка) данные передаются постоянно; такой логический канал в стандарте обозначается как BS. Оценивая уровень сигнала в канале радиомаяка, абонентские станции могут в любой момент определить начальные условия приема.

Функции CSF обеспечивают взаимодействие MAC-уровня с четырьмя протоколами, т.е. управление связью в режиме без установления соединения (CBC), организацию дуплексных соединений (TBC), управление режимом работы радиомаяка (DBC) и контроль за работой свободных в данный момент приемников (IRC).

Взаимодействие между функциями CCF и CSF осуществляется через точки доступа SAP (Service Access Point). Точки доступа между MAC- и DLC-уровнями обозначаются как MA-SAP, MB-SAP и MC-SAP, а между MAC и физическим уровнем — как D-SAP (см. рис. 6).

Обмен информацией между MAC- и DLC-уровнями осуществляется по десяти логическим каналам. Их основные характеристики и функции приведены в табл. 2.

В стек протоколов, используемых на сетевом уровне, входят протоколы управления мобильностью (MM), управления вызовами (CC), предоставления независимых от вызова дополнительных услуг (CISS) и протоколы передачи сообщений без установления (CLMS) и с установлением (COMS) соединения. Все логические соединения на сетевом уровне обеспечивает дискриминатор протоколов, входящий в состав модуля управления канальным уровнем (LCE). Особо важную роль играют протоколы MM и CC, отвечающие за поддержание мобильности, выполнение процедур аутентификации, регистрации и обработки вызовов.

Продолжение следует

ОБ АВТОРЕ

Вернуться

Вернуться

Беспроводный доступ: краткий терминологический словарь

A

Определимся с терминологией