СИСТЕМЫ ШИРОКОПОЛОСНОГО БЕСПРОВОДНОГО ДОСТУПА. ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Кравчук С.А., Ильченко М.Е.
Научно-исследовательский институт телекоммуникаций НТУУ "КПП"
Индустриальный пер., 2, 03056, Киев-056, Украина
Тел. 241-77-23, 441-16-85, e-mail: sakrav@users.ntu-kpi.kiev.ua

Аннотация - представлены различные системы широкополосного доступа, их классификация и анализ, на основе которых выделен новый вид телекоммуникаций, представленных как системы широкополосного беспроводного доступа большое внимание уделено многообразным терминам и определениям рассматриваемых систем широкополосного доступа.

I. Введение

В настоящее время развитие систем широкополосного беспроводного доступа (ШБД) точнее всего можно охарактеризовать как взрывоподобное. Волна широкополосных телекоммуникационных технологий буквально "захлеснула" многие научно-технические издания и на ее гребне появилась масса определений и обозначений, которые часто дублируют одно и тоже понятие, или не совсем верно отображают его суть. Это вполне нормальное положение для области науки и техники, где происходит бурный подъем исследований, рождаются нестандартные технологии и определяются новые научные направления. В этой связи, основной задачей представляемого доклада является проведение классификации систем ШБД, анализа сложившейся терминологии ШБД, а также выделение нового вида телекоммуникаций, определенного нами как системы широкополосного беспроводного доступа (СШБД).

II. Общие положения

ШБД или в англоязычной аббревиатуре Broadband Wireless Access (BWA) подразумевает обеспечение соединений со скоростями передачи более 1,544 Мбит/с (Т1) или 2,048 Мбит/с (Е1). Существуют также понятия узкополосного (Narrow band) и расширенного (Wideband) беспроводного доступа [1] При узкополосном доступе (NWA) скорости передачи в каналах к пользовательскому терминалу не превышают 64 кбит/с, а при расширенном (WWA) - от 64 кбит/с до 1,5-2 Мбит/с. Термин WWA в настоящее время практически не используется, его заменил BWA, что требует некоторого пояснения. Слова "wide" и "broad" в переводе с английского языка согласно современным словарям означают "широкий". Поэтому под широкополосным доступом часто подразумевают соединения со скоростями передачи более 64 кбит/с, что может быть верным лишь в случае сотовой связи, где скорости в 0,128-1 Мбит/с считаются высокими. В начале 90-х гг. для различения WWA и BWA словосочетание "broadband" даже переводилось как "сверхширокополосный", что отвечало состоянию развития радиотехнологий на то время - скорости передачи свыше 10 Мбит/с вполне могли рассматриваться как "сверхбольшие". Однако по мере развития высокоскоростных телекоммуникационных технологий, когда скорости в 50-100 Мбит/с уже перестали считаться "сверхбольшими", термин "broadband" приобрел свое современное толкование как "широкополосный", a "wideband" перестал, практически, использоваться. В этой связи синонимом ШБД стало понятие высокоскоростного беспроводного доступа (High Rate Wireless Access), которое, в основном, применяется при описании компьютерных сетей. В зависимости от отношения к службам связи ШБД может быть фиксированным FWA (Fixed Wireless Access), подвижным MWA (Mobile Wireless Access) или переносным NWA (Nomadic Wireless Access).

Мультимедийными беспроводными системами MWS (Multimedia Wireless System) называются системы ШБД, которые поддерживают беспроводный обмен более чем одного из следующих видов информации: графики, текста, звука, изображения, данных и видео.

Согласно материалам рабочей группы JRG 8A-9B МСЭ-Р [2] термин Wireless Local Loop (WLL), который переводился, главным образом, как абонентский беспроводный доступ (АБД), не отражает правильно понятие беспроводного доступа и поэтому рекомендуется его замена на фиксированный беспроводный доступ FWA. В данном случае перевод WLL получился удачным и технически более правильным, чем сам англоязычный оригинал ("Local Loop" - локальная замкнутая цепь). Поэтому АБД можно считать отечественным термином и его самостоятельное использование, по мнению авторов, вполне обосновано и корректно.

К настоящему времени для систем ШБД различают три уровня охвата пользователей:

--персональный (Personal Area) уровень - это уровень систем самого малого радиуса действия (до 10-15 м), которые служат для образования так называемого "бесшнурового" информационного соединения между близко располагаемыми оборудованием и абонентом;

-- местный или локальный (Local Area) уровень описывает, в основном, компьютерные сети от домашних до корпоративных, оборудование которых сосредоточено в определенной локации одного здания или ряда зданий и окружающей их местности.

-- зоновый или городской (метрополии) (Metropolitan Area) уровень описывает покрытие радиосистемой определенной местности, которая может быть районом города, городом, кампусом, промышленным центром и даже административным районом.

Основным назначением СШБД является предоставление пользователям наиболее полного так называемого широкополосного сервиса (службы). Последний можно выразить как определенный перечень услуг, который должна обеспечить своим пользователям СШБД при обеспечении заданного качества обслуживания (QoS).
Рассмотрев само понятие СШБД, можно перейти к описанию основных видов таких систем. Это локальные компьютерные радиосети (ЛКР), системы фиксированного широкополосного беспроводного доступа (СФШБ) и широкополосные линии связи (ШЛС).

III. Локальные компьютерные радиосети

Наиболее востребованный к настоящему времени вид СШБД составляют локальные компьютерные радиосети (ЛКР) или PLAN (Radio Local Area Networks) - это одно из наиболее общих понятий, введенное и регламентированное согласно Реком. МСЭ-Р F 1244. Под ЛКР подразумеваются радиосети подвижной и/или фиксированной служб, обеспечивающие связь между компьютерным оборудованием и реализацию, при этом, разнообразного широкополосного сервиса, особенно, в части передачи компьютерных данных.

В Реком. F.1244 приводятся признаки и общие характеристики, по которым можно отнести ту, или иную радиосистему к ЛКР. Так, например, оговариваются следующие положения ЛКР: виды топологий сети (централизованная и нецентрализованная); диапазон рабочих частот (от 400 МГц до 60 ГГц), виды трафиков; требования к интерфейсам с внешними широкополосными сетями; методы многостанционного доступа и т.д.

В табл. 1 приведены радиосистемы, которые в соответствии с Реком F.1244 могут быть отнесены к ЛКР

Таблица 1

Персональный уровень ЛКР составяют радиосистемы малого радиуса действия с уровнями выходной мощности передатчиков не более 200 мВт. Наиболее известным проектом по созданию недорогих, весьма маломощных радиосистем, использующих метод передачи шумоподного сигнала (ШПС) со скачущим переключением частот FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum), является Bluetooth (стандарт IEEE 802.15.1). Системы Bluetooth призваны обеспечить связь между компьютерным оборудованием, мобильными телефонами и другими портативными терминалами.

Дальнейшим развитием Bluetooth служит разработка более высокоскоростного стандарта IEEE 802.15.3, называемого беспроводной персональной компьютерной сетью WPAN (Wireless Personal Area Network). WPAN, используя высокоуровневые виды модуляции (16/32/64 КАМ), в диапазоне 2,4 ГГц должна обеспечить скорость передачи 20 Мбит/с, а в диапазоне 5,15-5,25 - 55 Мбит/с. Переход в более высокочастотный диапазон связан с извечной проблемой радиосвязи - загруженности более низкочастотных диапазонов (в данном случае 2,4 ГГц).

Следует отметить, что разработкой всех стандартов ШБД серии IEEE 802 занимается Комитет по стандартизации локальных и зоновых компьютерных сетей LMSC (LAN MAN Standards Committee) при Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc. (IEEE).

Между тем, организация HomeRF Consortium (группа фирм, во главе которой стоит Proxim) разрабатывает технологию на базе протокола раздельного беспроводного доступа SWAP (Shared ""Wireless" Access Protocol). Представители консорциума утверждают, что SWAP идеально подходит для домашних сетей, поскольку предусматривает четыре канала для передачи голосовых сообщений с высоким качеством, а также канал передачи данных с пропускной способностью от 1 до 5 Мбит/с. В соответствии с этой технологией реализуются как услуги телефонии, так и доступ в Интернет.

Интересным дополнением к ЛКР персонального уровня стало появление новой технологии сверхширокополосного доступа UWB (Ultra-Wideband) разработки компании Xtreme Spectrum Inc. В противоположность радиоинтерфейсам IEEE 802.15, IEEE 802.11 и пр., работающим в относительно узкой полосе частот, системы UWB (изначально применявшиеся в радарной технике) передают очень слабые короткоимпульсные сигналы в обширном диапазоне частот. Большим многообразием отличается местный (локальный) уровень КЛР, где особо следует выделить популярные в настоящее время радиосети на основе стандарта IEEE 802.11 и его модификаций [3].

В 1997 г. IEEE опубликовал стандарт IEEE 802.11, который явился первым международным стандартом для ЛКР. Он обеспечивал пропускную способность 1 или 2 Мбит/с в зависимости от реализации физического уровня. В 1999 г. была ратифицирована поправка к стандарту 802.11b "High Rate", которая позволяла достичь скоростей передачи 5,5 и 11 Мбит/с. Но базовая архитектура, особенности и службы спецификации 802.11Ь были унаследованы от основного стандарта IEEE 802.11.

Первоначально стандарт IEEE 802.11 определял три типа физического уровня, которые включали две радиотехнологии с использованием расширенного спектра (spread spectrum) и одну в инфракрасном диапазоне. Радиостандарт работал в полосе 2,4-2,483 ГГц и определял два метода передачи ШПС: FHSS и прямой последовательности DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum). Они обеспечивали скорость передачи данных 1 и 2 Мбит/с. Существенно, что FHSS и DSSS имеют совершенно разные механизмы сигнализации и поэтому они несовместимы. Это свойство было использовано для построения сотовой структуры [4], в которой доступ к базовым станциям сот осуществлялся через DSSS сигнал, а внутри сот к абонентам - через FHSS.

Стандарт 802.11 b определяет только один метод передачи - DSSS. Таким образом, сети 802.11Ь будут взаимодействовать с системами 802.11 DSSS, но не с 802.11 FHSS. Для увеличения скорости передачи используется более совершенная техника модуляции, предложенная в 1998 г. компаниями Lucent и Harris Semiconductor (ныне входящей в Intersil). Она называется Complementary Code Keying (ССК), что можно перевести как модуляция с помощью дополнительного кода.

Последний стандарт 802.11 а, который обеспечивает скорость передачи данных до 54 Мбит/с, должен сыграть для 802.11Ь ту же роль, какую Fast Ethernet сыграл для стандарта Ethernet 10 Base-T Подобно обеим версиям Ethernet два беспроводных стандарта используют один и тот же механизм управления доступом к среде (Media Access Control - MAC). Однако если в Fast Ethernet применяется та же схема кодирования, что и в низкоскоростном Ethernet, то в 802.11а - совершенно отличная от 802.11Ь схема, называемая мультиплексированием с разделением по ортогональным частотам OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing).

Наряду со стандартами IEEE интенсивно продвигается европейский проект сетей широкополосного радиодоступа BRAN (Broadband Radio Access Networks), в рамках которого для ЛКР рекомендованы стандарты так называемых локальных компьютерных радиосетей с высокими эксплуатационными характеристиками HIPERLAN (High Performance Radio Local Area Networks).

Для обеспечения высокой надежности и высоких скоростей передачи данных в сетях HIPERLAN необходима прогнозируемая обстановка с точки зрения совместного использования частот. Поэтому для HIPERLAN были определены лицензионные полосы частот в диапазоне 5,15-5,35 ГГц.

Первый стандарт HIPERLAN1 явился практически полным аналогом стандарта IEEE802.11. Ориентация построения телекоммуникаций на единой основе с использованием пакетной и ATM технологий послужила толчком к разработке HIPERLAN2 в рамках европейского проекта IР-сетей широкополосного радиодоступа BRAIN (Broadband Radio Access for IP based Networks). Между HIPERLAN типа 2 и 1 существуют два главных различия. Первое HIPERLAN1 не поддерживает QoS. a HIPERLAN2 - поддерживает, используя для этого централизованный планировщик Второе, физический уровень HIPERLAN1 основывается на OMSK a HIPERLAN2 - на OFDM, что и позволяет последней поддерживать скорости передачи до 54 Мбит/с.

Главное отличие HIPERLAN2 от 1ЕЕЕ802.11а состоит в том, что все стандарты IEEE802 используют на своем МАС-уровне множественный доступ с контролем несущей и избежавшим коллизий CSMA/CA (Carrier Sense Multip AccesTwltFi Collision Avoidance), который очень походит на спецификацию проводного Ethernet, лишь вместо определения столкновений предусмотрено их предотвращение, а HIPERLAN2 использует централизованный планировщик/распределитель МАС-уровня, основанный на беспроводной ATM.

IV. Системы фиксированного широкополосного беспроводного доступа

СФШБ представляют, пожалуй, самый многообразный вид СШБД, отличительной особенностью которых является стремление к предоставлению в пределах своей рабочей зоны полного набора широкополосных услуг. Причем некоторые СФШБ служат в качестве широковещательных интерактивных систем, другие -реализуют полнодуплексный широкополосный обмен информацией.

СФШБ можно подразделись на три больших группы: системы станции высокоподнятых платформ HAPS (Might Altitude Platform Station), системы широкополосного радиодоступа BRAS (Broadband Radio Access System) и беспроводные системы оптики в свободном пространстве FSOW(Ffee Spaoe" "Of5Ttcai Wireless). Рассмотрим поочередно.

Системы связи t?6bродством высокоподнятых аэроплатформ. Кардинальным решением в обеспечении информационных услуг урбанизированных районов явилась разработка ряда проектов широкополосной радиосвязи, названных HAPS (Might Altitude Platform Station) - станциями высокоподнятых платформ. Основная идея HAPS - это реализация широкополосной связи через affniiniijHO ретрансляционную станцию, располагаемую на специальной аэроплатформе на высоте 20 - 30 км. Радиус круговой наземной зоны работы HAPS для широкополосного сервиса составляет от<5фдо 100 гп. п ЛПЛ_.[|10б.1Ш|||И^й гпти ^jrjunoii!on

В зависимости от реализации аэроплатформы в настоящее время известны следующие проекты: Sky Station (США) - на основе дирижабля; HALO (Might Altitude - Long Openation) фирмы Angel Technologies (США) - на основе пилотируемого самолета Proteus; HeliNet (Европа) - на основе автономного беспилотного самолета Heliplat, питание которого осуществляется посредством собственных солнечных батарей. С 2000 года Реком. МСЭ-Р F.1500 и F.1501 относят HAPS к фиксированной наземной службе национальных и/или региональных сетей и определяют для них следующие диапазоны частот 47,2 - 47,5 ГГц и 47,9 - 48,2 ГГц. Рекомендации также определяют условия взаимодействия HAPS с другими наземными фиксированными службами и выделяют три зоны обслуживания: центральную (urban) с наивысшей плотностью абонентов; пригородную или среднюю (suburban) и периферийную или сельскую (rural).

Системы широкополосного радиодоступа. начинают свою историю с средины 60-х гг., когда в США была организована телевизионная двухканальная многоточечная распределительная служба MDS (Multipoint Distribution Service) в диапазоне 2,150-2,162 ГГц. Ей на смену в 1983 г. Федеральная Служба Связи США ввела многоканальную систему MMDS (Multichannel MDS) в полосе 2,5-2,686 ГГц с возможностью трансляции до 30 программ телевидения. Обе эти системы используют для передачи амплитудную модуляцию (AM), что обеспечивает простой прием абонентами телесигнала, но требует повышенных уровней мощности передатчиков.

В 1986-1989 гг. возросшие потребности в качественном местном многопрограммном телевидении и загруженность дециметрового диапазона различными радиослужбами привели к разработке новых телевизионных распределительных систем с использованием ЧМ: в США это локальная многоточечная распределительная служба LMDS (Local MDS) с рабочим диапазоном 27,5 -29,5 ГГц и в Англии - многоточечная служба распределения телевидения MVDS (Multipoint Video Distribution Service) диапаз0МЯ 40,5-42.5 ГГц [6]. Уже в 1993 г. для таких распределительных систем Британским Агенством по радиосвязи (UK Radiocommunications Agency) была принята спецификация МРТ 1550, которая регламентирует использование технологии спутникового ЧМ-вещания для наземных систем.

В 1991 г. на Украине начала свою работу в диапазоне 11,7-12,5 ГГц первая отечественная распределительная система МИТРИС, что означает микроволновая интегрированная телерадиоинформационная система. Хотя в данном названии и заложена изрядная доля противоречий, но аббревиатура МИТРИС прочно вошла в наш обиход как собственное назП&ател/сигпэмы ЧМ-телевещания разработки ИЭС УАННП.

Следует отметить, что МИТРИС не стала нарицательным названием разрабатываемых отечественных и зарубежных микроволновых распределительных систем, тяготеющих к краткости и обоснованности в названии.

Однако МИТРИС заслуживает достаточно высокой оценки. Это связано с тем, что она является первой отечественной микроволновой распределительной системой, ставшей заслоном на пути проникновения в страну устаревших западных технологий вещания и продемонстрировавшей на мировом уровне возможности нашего научно- технического потенциала в области телекоммуникаций.

Все выше указанные системы аналогового телевещания составили первое поколение BRAS. Принятие 5Э8дРннк" стандарта цифрового телевещания DVB (Digital Video Broadcasting) ознаменовало появление второго поколения BRAS, которое в отличие от первого дополнительно обеспечивало вещание телепрограмм в цифровой форме, симплексную широкополосную передачу данных и возможность образования обратных запросных каналов от пользователей. Для регламентации таких систем ETSI (European Telecommunications Standarts Institute) принял ряд стандартов Второе поколение составили те же распределительные системы MMDS, LMDS, MVDS и МИТРИС, только, модернизированные для работы с цифровым сигналом. Правильно было бы добавить к их названиям "2", например LMDS2.

В настоящее время идет разработка дуплексных систем третьего поколения, основанных на общей цифровой основе с использованием технологий ATM, IP, SDH и PDH.