Модеми в стільникових мережах зв'язку

модем у мережі, ЗВ'ЯЗКУ

Передача мові складає 90-98% графіка стільникових мереж. Однак обсяг передачі даних по таких мереж має тенденцію до швидкого збільшення. Правильний вибір модему і його використання дозволяє ефективно організувати передачу електронної пошти, відправлення і отримання факсів з переносного комп'ютера. Можна навіть перетворити його на мобільний вузол своєї локальної мережі. Спочатку трохи розберемося в тому, які бувають стільникові мережі зв'язку.

11.1. Стандарти стільникових мереж зв'язку

В даний час в світі існує велика кількість стандартів на стільникові мережі зв'язку. Усі їх можна розділити на два великі групи: аналогові та цифрові. До аналоговим відносяться мережі типу AMPS (США), NMT (Північна Європа), HCMTS (Японія), С-450 (Німеччина), TACS (Англія), ETACS (Англія), RTMS-101H (Італія), Radiocom-2000 Франція). Основними цифровими стандартами на стільникові мережі є GSM (Європа), ADC або D-AMPS (США), CDMA (США), JDC і PHS (Японія).

Незважаючи на велику різноманітність стандартів стільникових мереж зв'язку, жителів нашої країни повинні цікавити ті, які прийняті в якості стандартів Міністерством зв'язку Росії. Як федеральних вибрані два стандарти: аналоговий NMT-450 (Nordic Mobile Telephone) і цифровий GSM (Global System for Mobile communication). Поряд з федеральними створюються регіональні мережі радіотелефонного зв'язку в діапазонах частот 800 та 330 МГц. При побудові регіональних стільникових мереж найчастіше використовуються американський стандарт AMPS (Advanced Mobile Phone System) і його цифрова модифікація - D-AMPS (Digital - Advanced Mobile Phone System). Основні характеристики деяких аналогових і цифрових стандартів наведено в табл. 11.1 і табл. 11.2 відповідно.

Таблиця 11.1. Характеристики аналогових стільникових мереж Характеристика AMPS NMT-450 NMT-900 Дата початку використання, рік 1981 1981 1986 Частоти передач (МГц): - базова станція; - радіотелефон. 870-890 825-845 463-467,5 453-457,5 935-960 890-915 Рознос телефонних каналів, кГц 30 25/20 12,5 Число дуплексних телефонних каналів 666 180-225 1000-1999 Максимальна потужність передачі базової станції, Вт 100 50 100 Потужність передачі радіотелефону, Вт 3 15/2 6/1 Модуляція ЧС ЧС ЧС Типовий радіус соти, км 2-20 1-40 0,5-20

Таблиця 11.2. Характеристики цифрових стільникових мереж Характеристика GSM 0-АМР8 Метод доступу TDMA TDMA Робочий діапазон частот, МГц 890-915 935-965 824-840 869-894 Рознос несучих частот, кГц 200 30 Число каналів на несучу 8/16 3 Вид модуляції OMSK (0.3) DQPSK (n/4) Необхідна відносини сигнал/шум, дБ 9 16 Швидкість перетворення мови, Кбіт/с 13/6,5 8 Алгоритм перетворення мови RPE-LTP VSELP Типовий радіус соти, км 0,5-35 0,5-20

Технологічне перевага цифрового стільникового зв'язку дозволяє збільшувати ємність мереж, знижувати вартість і підвищувати надійність передачі даних. Тому в останні роки у світі взагалі, і в Росії, зокрема, спостерігається переважний зростання числа користувачів саме цифрових стільникових мереж. Стандарт GSM є результатом фундаментальних досліджень провідних наукових та інженерних центрів Європи. Системні та технічні рішення цього стандарту мають великий запас подальшого розвитку і можуть використовуватися для широкого класу перспективних цифрових систем мобільного зв'язку. До таких рішень можна віднести:

> побудова мереж GSM на принципах моделі відкритих систем та інтелектуальних мереж;

> застосування ефективних методів повторного використання частот;

> застосування множинного доступу з динамічним тимчасовим поділу ленням;

> тимчасовий поділ режимів прийому та передачі;

> пакетування повідомлень;

> використання передових методів боротьби з завмираннями сигналів;

> програмне формування логічних каналів зв'язку;

> розробка високоякісних низькошвидкісних мовних кодеків;

> шифрування переданих повідомленні і закриття даних користувача.

Американський стандарт D-AMPS стала результатом вимушеної міграції аналогового стандарту в "нову цифрову еру" мобільного зв'язку. У зв'язку з цим D-AMPS зберіг велике число властивостей свого аналогового попередника.

Всі стандарти цифрових стільникових мереж зв'язку забезпечують взаємодію з ISDN і КТСОП.

Далі розглянемо основні особливості передачі даних у мережах.

З точки зору передачі даних аналогові стільникові мережі принципово мають мало відрізнятися від КТСОП, так вони надають ті ж телефонні канали тональної частоти 0,3-3,4 кГц. На відміну від каналів звичайної телефонної мережі, канали стільникових мереж мають низку особливостей, які серйозно впливають на якість передачі даних. Особливості каналів стільникових мереж наступні.

1. При переміщенні радіотелефону з однієї соти в іншу відбувається перемикання обслуговуючої базової станції і радіоканалу. При зміні відстані від мобільного телефону до базової станції також відбувається перемикання потужності передавача. У результаті таких перемиканні радіоканал, а значить і несуча частота модему, перериваються на 0,2-1,2 с. Звичайний модем реагує на це процедурою повторного з'єднання, яка продовжується протягом 10 с, або навіть роз'єднанням.

2. Завмирання і многолучевое поширення радіосигналів має суттєвий вплив на якість зв'язку. Через відмінності фаз сигналів, що прийшли різними шляхами, виникає інтерференція, яка в залежності від місця розташування приймача змінює рівень прийнятого сигналу (відносини сигнал/шум). В результаті коливань амплітуди несучої частоти при передачі даних виникають помилки і порушується адаптивний режим роботи модему.

> застосування ефективних методів повторного використання частот;

> застосування множинного доступу з динамічним тимчасовим поділу ленням;

> тимчасовий поділ режимів прийому та передачі;

> пакетування повідомлень;

> використання передових методів боротьби з завмираннями сигналів;

> програмне формування логічних каналів зв'язку;

> розробка високоякісних низькошвидкісних мовних кодеків;

> шифрування переданих повідомлень і закриття даних користувача.

Всі стандарти цифрових стільникових мереж зв'язку забезпечують взаємодію з ISDN і КТСОП.

Далі розглянемо основні особливості передачі даних у мережах.

3. Аналогові стільникові мережі спочатку розроблялися для голосового зв'язку. Тому в стільникових мережах широко використовується компандірованіе та попередня корекція АЧХ каналу. Високий рівень несе в таких каналах призводить до спотворень, викликаним обмеженням сигналу. А надто низький рівень сигналу погіршує відносини сигнал/шум при його прийомі.

У цифрових стільникових мережах перераховані проблеми в основному вирішуються ще на рівні системного проектування. У результаті користувач отримує високоякісний цифровий канал (у стандарті GSM - зі швидкістю 13 Кбіт/с), який і використовується для передачі його оцифрованого голосу. Цей цифровий канал можна використовувати і для передачі даних від комп'ютера або іншого DTE.

У загальному випадку передача даних по цифрових стільникових мереж, в порівнянні з передачею даних по аналогових стільникових мереж, забезпечує значно більшу надійність і стійкість до шумів і затримок при переході абонента з однієї соти в іншу, а також до завмирань і багатопроменевому розповсюдження радіохвилі.

11.2. Модеми в аналогових мережах

Для успішної передачі даних через аналогову стільникову мережу на стороні рухомого абонента потрібна наявність, як мінімум, стільникового модему, що підтримує один зі стільникових протоколів передачі. Такі протоколи, як правило, описують функції протоколу модуляції, протоколу виправлення помилок і, іноді, стиснення даних. Найбільш відомі мобільні протоколи MNP10, MNP10EC, ZyCELL, ETC, TX-CEL.

Протоколи фірми Microcom MNP10 і MNP10EC (Enhanced Cellular) передбачають механізми адаптації, реалізовані на канальному і більш високих рівнях. Схожий підхід реалізований в протоколі фірми AT & T Paradine ETC (Enhanced Throughput Cellular), підстави на стандарті V.32bis. Більш досконалим є протокол ZyCELL фірми ZyXEL. Він базується на протоколі V.42 з селективним повтором (ARQ типу SR) і великій кількості процедур адаптації як канального, так і фізичного рівня. Протокол TX-CEL компанії Celeritas Technologies є також адаптивним і визначає порядок динамічної підстроювання електричних характеристик сигналу.

До цих пір не проводилося достатньо повного і незалежного порівняльного аналізу відомих стільникових протоколів зв'язку. Відомі результати тестування журналу Network World (5.09.94; v.11, N36, р.43). Безперечним чемпіоном цього тесту виявився ZyXEL модем-1496P (рис. 11.1). Результати тесту наведено в табл. 11.3, де швидкість виміряна по порту DTE-DCE, тобто з урахуванням стиснення даних.

За допомогою модемів, що підтримують стільникові протоколи передачі даних по стільниковому з'єднанню (мал. 11.2), користувачі можуть отримати надійний комутований канал для передачі даних зі швидкістю 9,6 Кбіт/с (без їх стиснення), а при хороших радіоусловіях - 14,4 Кбіт/с.

Рис. 11.1. Стільниковий аналоговий модем ZyXEL-1496P
Недолік цієї системи - необхідність використовувати мобільні модеми на обох кінцях з'єднання. Якщо на одному кінці встановлений звичайний модем, то надійність і продуктивність з'єднання можуть серйозно постраждати.
З недавнього часу постачальників послуг стільникового зв'язку вирішують цю проблему за допомогою розміщення банку модемів у комутаційних центрах рухомого зв'язку (mobile switching centres), як правило, суміщених з базовими станціями мережі. Протокол стільникового модему діє тільки на ділянці до такого центру, а на всьому протязі решти з'єднання працює протокол звичайного модему (мал. 11.3).
Таблиця 11.3. Результати тестування журналу Network World модему ZyXEL-1496P Модем Протокол Середня швидкість, Кбіт/с 2yXEL-1496P ZyCELL 34 AT & T Paradyne KeeplnTouch Card ETC 7 Microcom TravelCard Fast 28.8 MNP10 7 DATA RACE Redicrd 14.4 PCMCIA MNP10 6 MegagertzCC4144 MNP10 не встановив зв'язку MAXTECH/GVC PCM144C MNP10 не встановив зв'язку ZOOM PCMCIA 14.4C MNP10 не встановив зв'язку

Рис. 11.2. Передача даних через аналогову стільникову мережу
11.3. Модеми в цифрових мережах
В даний час існують і розвиваються дві конкуруючі технології цифрового стільникового зв'язку. Одна з них грунтується на множині доступі з поділом за часом TDMA (Time Division Multiple Access), інша - з кодовим розділенням CDMA (Code Division Multiple Access). Перша технологія обіцяє трикратне збільшення ємності мереж в порівнянні з аналоговими системами, другий - ще більше, можливо десятикратне. TDMA вже використовується в системах типу GSM, D-AMPS, а технологія CDMA ще чекає свого впровадження.
У цифрових стільникових системах при підключенні стільникового модему до аналогового закінчення телефонного каналу цифрового стільникового телефону також можна скористатися підходами, наведеними на рис. 11.2 і 11.3. Однак у майбутньому очікуються великі зміни в організації передачі даних по цифрових стільникових мереж.
Асоціацією телекомунікаційної промисловості TIA (Telecommunications Industry Association) США недавно були прийняті два стандарти цифрового стільникового зв'язку TDMA: IS-135 (Послуги TDMA.

Асинхронна передача даних та факсимільного інформації) і IS-130 (Радіоінтерфейс TDMA. Протокол радіоканалів). Вони визначають, як в системах TDMA повинні оброблятися запити на передачу даних. Технологія передачі даних в системах CDMA определеятся стандартом IS-99.
Згідно з цими стандартами портативний комп'ютер буде з'єднуватися з цифровим стільниковим телефоном не за допомогою зовнішнього модему, а через послідовний порт (мал. 11.4), і використовувати АТ-команди, що підтримуються більшістю традиційних стаціонарних модемів. Користувачі отримають можливість передавати дані та факсимільний інформацію в системах TDMA зі швидкістю 9,6 Кбіт/с, а в системах CDMA, ймовірно, і зі швидкістю до 14,4 Кбіт/с. Цифрові стільникові мережі нададуть також послугу пересилання коротких повідомлень, аналогічну послуг пейджингових мереж, але гарантує надійну доставку інформації.
На фізичному рівні різні види інформації, що передається по цифровій мережі, - мова, факси, дані - виглядають однаково. У міру підвищення рівня мережевих протоколів (див. розділ 1.3), відмінності між ними стають все більш суттєвими, а, отже, і способи обробки різної інформації повинні бути різними. Стандарти передачі даних по цифрових стільникових мереж визначають протоколи канального рівня, забезпечують надійну передачу даних щодо ненадійному радіоканалу. При виклику мобільного пристрою один телефонний номер буде використовуватися з метою встановлення з'єднання для передачі мови, а інший - факсимільного інформації та даних. Для вихідних дзвінків мобільний пристрій видаватиме команду цифрового стільниковому телефону, вказуючи вид необхідної послуги.
Інтеграція з існуючими провідними системами представляє дещо іншу проблему. Базова станція повинна не тільки ефективно приймати передаються з мобільного вузла дані, але ще і передавати їх на стаціонарний модем на іншому кінці з'єднання. Отже, в комутаційних центрах рухомого зв'язку повинен існувати пул (безліч модемів, об'єднаних в одному корпусі) модемів для передачі даних за допомогою традиційних модемних протоколів, таких як V.32, V.34 та ін (див. рис. 11.4). Для забезпечення міжмережевої взаємодії комутаційні центри мають підтримувати стандарту цифрових мереж з інтеграцією послуг (ISDN) та розподілених мереж передачі даних.
Існують потенційні можливості для підвищення швидкості передачі даних по цифрових стільникових мереж. GSM, D-AMPS і технологія CDMA підтримують об'єднання каналів. D-AMPS дозволяє поєднувати три канали для передачі даних із сумарною швидкістю 28,8 Кбіт/с, а CDMA можливо дозволить досягти швидкості до 64 Кбіт/с.
В даний час також знаходить застосування підхід, заснований на об'єднанні всього обладнання мобільного користувача в одному пристрої. Так, пристрій Nokia 9000 (рис. 11.5) поєднує в собі функції?? отового телефону стандарту GSM і персонального цифрового секретаря (PDA) - нескладного даних та факсимільного інформації) і IS-130 (Радіоінтерфейс TDMA. Протокол радіоканалів). Вони визначають, як в системах TDMA повинні оброблятися запити на передачу даних. Технологія передачі даних в системах CDMA определеятся стандартом IS-99.
Згідно з цими стандартами портативний комп'ютер буде з'єднуватися з цифровим стільниковим телефоном не за допомогою зовнішнього модему, а через послідовний порт (мал. 11.4), і використовувати АТ-команди, що підтримуються більшістю традиційних стаціонарних модемів. Користувачі отримають можливість передавати дані та факсимільний інформацію в системах TDMA зі швидкістю 9,6 Кбіт/с, а в системах CDMA, ймовірно, і зі швидкістю до 14,4 Кбіт/с. Цифрові стільникові мережі нададуть також послугу пересилання коротких повідомлень, аналогічну послуг пейджингових мереж, але гарантує надійну доставку інформації.
На фізичному рівні різні види інформації, що передається по цифровій мережі, - мова, факси, дані - виглядають однаково. У міру підвищення рівня мережевих протоколів (див. розділ 1.3), відмінності між ними стають все більш суттєвими, а, отже, і способи обробки різної інформації повинні бути різними. Стандарти передачі даних по цифрових стільникових мереж визначають протоколи канального рівня, забезпечують надійну передачу даних щодо ненадійному радіоканалу. При виклику мобільного пристрою один телефонний номер буде використовуватися з метою встановлення з'єднання для передачі мови, а інший - факсимільного інформації та даних. Для вихідних дзвінків мобільний пристрій видаватиме команду цифрового стільниковому телефону, вказуючи вид необхідної послуги.
Інтеграція з існуючими провідними системами представляє дещо іншу проблему. Базова станція повинна не тільки ефективно приймати передаються з мобільного вузла дані, але ще і передавати їх на стаціонарний модем на іншому кінці з'єднання. Отже, в комутаційних центрах рухомого зв'язку повинен існувати пул (безліч модемів, об'єднаних в одному корпусі) модемів для передачі даних за допомогою традиційних модемних протоколів, таких як V.32, V.34 та ін (див. рис. 11.4). Для забезпечення міжмережевої взаємодії комутаційні центри мають підтримувати стандарти цифрових мереж з інтеграцією послуг (ISDN) та розподілених мереж передачі даних.
Існують потенційні можливості для підвищення швидкості передачі даних по цифрових стільникових мереж. GSM, D-AMPS і технологія CDMA підтримують об'єднання каналів. D-AMPS дозволяє поєднувати три канали для передачі даних із сумарною швидкістю 28,8 Кбіт/с, а CDMA можливо дозволить досягти швидкості до 64 Кбіт/с.
В даний час також знаходить застосування підхід, заснований на об'єднанні всього обладнання мобільного користувача в одному пристрої. Так, пристрій Nokia 9000 (рис. 11.5) поєднує в собі функції стільникового телефону стандарту GSM і персонального цифрового секретаря (PDA) - нескладного похідного комп'ютера.

Рис. 11.5. Суміщений цифровий телефон/персональний секретар
Пристрій використовує процесор Intel 80386. У його кришку вмонтовані телефон і рідкокристалічний дисплей. Nokia 9000 працює під управлінням операційної системи GeoWorks і має прикладне програмне забезпечення, що складається з календаря, адресної книги, записної книжки, системи електронної пошти, навігаційної програми для Internet і калькулятора. Причому всі вони можуть працювати одночасно. Коли кришка закрита, пристрій працює тільки як телефон. Коли вона відкрита, клавіатуру і телефон можна використовувати одночасно.