Телекомунікаційні системи та мережі. Том 1. Структура й основні функції.  /  Зміст  /  Розділ 1. Основи побудови телекомунікаційних систем  /  Тема 1.4. Стисла характеристика існуючих телекомунікаційних технологій

Зміст:

1.4.2. Технології доступу

Технології xDSL. Розширення ринку телекомунiкацiйних послуг вимагає адекватного розвитку мережі абонентського доступу. Найближчим часом необхідна пропускна здатність для звичайних користувачів складатиме від 6 до 24 Мбіт/с. Одним із варіантів є використання мереж доступу на основі технологій високошвидкісної цифрової абонентської лінії (Digital Subscriber Line, DSL). Символ «х» у назві використовується для позначення конкретної технології. Швидкість передачі залежить від довжини абонентської лінії, її типу, параметрів зовнішніх впливів.

Ці технології забезпечують високу пропускну здатність, якщо використовують як середовище передачі виту мідну пару місцевої телефонної мережі, при цьому деякі технології xDSL дозволяють зберегти існуючий телефонний канал. Під час впровадження технологій xDSL не потрібна заміна лiнiйних споруджень, що істотно зменшує загальну вартість мережі доступу. Таким чином, технології xDSL перетворюють телефонну лiнiю у високошвидкісний канал.

Усі технології xDSL можна класифікувати за декількома ознаками, одним з основних є рiвнiсть швидкостей висхідного (від абонента, upstream) i низхідного (до абонента, downstream) iнформацiйних потоків (рис. 1.4.1). Симетричні технології (протилежно направлені потоки дорівнюють один одному) xDSL хронологічно з’явилися раніше, стислий опис основних з них наведено нижче.

Рис. 1.4.1. Класифікація технологій xDSL

HDSL. Високошвидкiсна цифрова абонентська лiнiя (High bit-rate DSL, HDSL) описана в стандарті ITU-T G.991.1. HDSL було створено на початку 90-х рр. XX ст. як засіб передачі потоків T1/Е1. У звичайній конфiгурацiї HDSL використовує дві абонентські лінії, для передачі потоку T1 чи E1.

IDSL. ISDN DSL — цифрова абонентська лiнiя ISDN. Технологія IDSL забезпечує цілком дуплексну передачу даних на швидкості до 128 кбіт/с.

SHDSL. Високошвидкісна цифрова абонентська лiнiя з передачею по одній парі Single Pair HDSL — SHDSL. Подальшим розвитком iдей SDSL i HDSL2 стала технологiя SHDSL (стандарт iTU-T G.991.2). Швидкість передачі даних однією мiдною парою досягає 2,3 Мбіт/с, а чотирипроводовою лiнiєю — 4,6 Мбіт/с. Швидкість може бути фіксованою чи адаптивною (змінюватися в дiапазонi 192 кбіт/с — 2,320 Мбіт/с).

ReachDSL розроблено компанією Paradyne і призначено для використання на довгих абонентських лініях. Швидкість передачі — до 2,2 Мбіт/с в обох напрямках на відстані не менше 9 км без обладнання ретрансляції.

Асиметричні технології дозволяють передавати дані з вищими швидкостями. Розробка асиметричних DSL викликана характером навантаження користувачів, у яких вхідний трафік зазвичай значно перевищує вихідний.

ADSL. Асиметрична цифрова абонентська лiнiя (Assymetric Digital Subscriber Line, ADSL). На вiдмiну від симетричних DSL, швидкість низхідного потоку значно вища, що важливо у разі передачі потокового відео до абонента. Як основний для ADSL обрано метод модуляції DMT (Discrete MultiTone), який дозволяє ефективно розподіляти iнформацiйне навантаження між 256 підканалами з QAM (Quadrature Amplitude Modulation) модуляцією.

ADSL Lite. Варіант ADSL, який має як асиметричний режим передачі з пропускною здатністю до 1,536 Мбіт/с від мережі до користувача, i зі швидкістю до 384 кбіт/с від користувача до мережi, так i симетричний режим передачі зі швидкістю до 384 кбіт/с в обох напрямках передачі.

ADSL2 та ADSL2 Lite. ADSL другого покоління (стандарт ІTU-T G.992.3) значно розширює можливості звичайного ADSL, швидкість низхідного потоку може бути збільшена до 12 Мбіт/с, а потоку upstream — до 1,5 Мбіт/с. Якщо телефонна лiнiя не використовується для розмов, то висхідний потік збільшується на 256 кбіт/с.

ADSL2+. За рахунок розширення частотного спектра до 2,2 МГц (512 каналів), стандарт iTU-T G.992.5 (ADSL2+) збільшує швидкість передачі до 24 Мбіт/с у напрямку до абонента на коротких лiнiях. Однак після 2,0—2,5 км швидкість різко падає, зрівнюючись з ADSL i ADSL2.

VDSL. Технологія VDSL (Very High Bit-Rate Digital Subscriber Line, VDSL) є «найшвидшою» технологією xDSL. Вона забезпечує швидкість передачі даних до абонента в межах від 13 до 52 Мбіт/с, а швидкість передачі даних від абонента — в межах від 1,5 до 2,3 Мбіт/с по одній абонентській лінії. Технологія VDSL може розглядатися як економічно ефективна альтернатива прокладанню волоконно-оптичного кабелю до кінцевого користувача.

VDSL+ та VDSL2. VDSL+ використовує чотирисмугове кодування в дiапазонi до 12 МГц, яке забезпечує сумiснiсть з існуючими продуктами, побудованими за тією самою схемою, i додає п’яту смугу 12—30 МГц для низхідного потоку. На малих відстанях це дозволяє досягти швидкостей до 200 Мбіт/с у напрямку до абонента.

Технологія Bluetooth. Bluetooth — це безпроводова технологія передачі даних на невеликі відстані (10—100 м), яка дозволяє здійснювати зв’язок стільникових телефонів, комп’ютерів і різної периферії з використанням різних профілів з’єднання. Bluetooth — це також зареєстрований товарний знак (рис. 1.4.2), яким маркуються всі пристрої, які підтримують цю технологію.

Рис. 1.4.2. Товарний знак (логотип) Bluetooth

Розробку технології Bluetooth ще в минулому столітті (1994 р.) почала компанія Erіcsson Mobіle Communіcatіons. Первинною її метою було одержання нового радіоінтерфейсу з низьким рівнем енергоспоживання й невисокою вартістю, що дозволило б встановлювати зв’язок між стільниковими телефонами й гарнітурами. Крім того, відповідно до концепції Erіcsson, новий інтерфейс призначався для передачі даних і мовних повідомлень.

У лютому 1998 р. Erіcsson разом з Іntel, ІBM, Toshіba й Nokіa сформували спеціальну групу з розробки й просування технології з назвою Bluetooth SІG (Specіal Іnterest Group). Зараз до неї входить понад 3000 різних фірм, у тому числі такі великі фірми, як 3Com, Motorola, Compaq, Dell і Lucent Technologіes. Ця технологія цілком відкрита, при цьому будь-яка компанія, що підписала ліцензійну угоду, може ввійти до складу Bluetooth SІG і почати створювати продукти на її основі.

Оскільки для встановлення з’єднання пристрої не повинні бути на лінії прямої видимості, як цього вимагає технологія ІrDA (Іnfra-Red Devіce Applіcatіon — аплікація ІЧ-зв’язку), то безпроводові пристрої зможуть зв’язуватися один з одним, створюючи персональну мережу (Personal Area Network, PAN). Персональну мережу також називають пікомережею, яка може поєднувати до восьми пристроїв, один з яких є ведучим (Master), інші — веденими (Slave). Якщо в мережі виявляється більш ніж вісім пристроїв, то буде сформовано другу пікомережу. Множина пікомереж, які можуть взаємодіяти одна з одною, формують розподілену мережу (Scatternet) (рис. 1.4.3).

Рис. 1.4.3. Пікомережі та розподілена мережа Bluetooth

ІEEE ліцензував вищезгадану технологію, стандарт одержав шифр ІEEE 802.15.1. Таким чином, ІEEE 802.15.1 сумісний зі стандартом Bluetooth.

Основні особливості стандарту:

  • застосування по всьому світіові завдяки використанню відкритого діапазону частот 2400—2483 МГц;
  • робота з голосом і передачею даних;
  • можливість установки ad-hoc (однорангових) з’єднань;
  • можливість забезпечити завадостійкість під час роботи в неліцензованому діапазоні частот;
  • дуже компактний розмір для забезпечення зручної інтеграції в різні пристрої;
  • мінімальне енергоспоживання, порівняно з іншими пристроями, призначеними для подібних цілей;
  • відкритий інтерфейсний стандарт, що дозволяє виробникам забезпечити підтримку технології у своїх пристроях;
  • низька вартість, базовий Bluetooth-модуль коштує близько 6 доларів.

Технологія ZigBee. ZіgBee — безпроводова мережна технологія короткого радіуса дії, яка базується на стандарті ІEEE 802.15.4. Цю технологію було розроблено з метою забезпечення дешевшого й менш енергоємного рішення порівняно з іншими подібними технологіями, зокрема з Bluetooth. Для забезпечення сумісності пристроїв цього класу в 2002 р. за ініціативою компанії Phіlіps був утворений Альянс ZіgBee (ZіgBee Allіance), до якого нині входять компанії з 22 країн. Протоколи ZіgBee розроблено з урахуванням максимального енергозбереження: більшу частину часу пристрої перебувають у сплячому режимі й тільки зрідка перевіряють, чи надійшли до них звернення. Дальність зв’язку між двома апаратами — до 75 м. У табл. 1.4.4 подано порівняння стандартів ZіgBee 802.15.4 і Bluetooth 802.15.1.

Таблиця 1.4.4 Порівняння стандартів ZіgBee 802.15.4 і Bluetooth 802.15.1

Характеристики стандартів
ZіgBee 802.15.4
Bluetooth 802.15.1
Основна галузь застосування
Спостереження й управління
Заміна кабелю
Обсяг пам'яті в одному пристрої (кбайт)
4—32
250
Час роботи від батареї (дні)
100—1000
1—7
Кількість пристроїв в одній мережі
255—65000
7
Підтримувана швидкість передачі (кбіт/с)
20—250
720
Дальність дії (м)
1—75
1—10
Основні особливості
Надійність, невелике енергоспоживання, дешевизна
Дешевизна та зручність

На цей час технологія ZіgBee застосовується переважно в сенсорних системах, але вона також може використовуватися для з'єднання практично будь-яких електронних пристроїв. Зокрема, фірма Pantech-Curіtel уже випустила смартфон з інтерфейсом ZіgBee. Очікується, що ця технологія застосовуватиметься в різноманітних безпроводових засобах сигналізації (задимлення, температура, шум, вологість, рух тощо), для управління пристроями «розумного» будинку.

Технологія UWB. Технологія Ultrawіdeband (UWB) — надширокосмуговий зв'язок — отримала таку назву завдяки тому, що в цьому стандарті використовується найширший з поширених сьогодні технологій діапазон частот. Ця безпроводова технологія призначена для передачі даних на короткі (до 10 м) відстані з високою пропускною здатністю (до 480 Мбіт/с) і низькою споживаною потужністю. UWB забезпечує передачу відео між пристроями побутової електроніки й термінального обладнання. Одна з основних переваг цієї технології полягає в тому, що вона не створює перешкод для інших безпроводових технологій, які використовуються зараз, — таких як Wі-Fі, WіMAX і технологій стільникового зв'язку.

Технологія Wi-Fi. Wi-Fi (Wireless Fidelity) — це безпроводова технологія передачі даних, що поєднує в собі кілька різних стандартів — ІEEE 802.11a, b, g, n (табл. 1.4.5).

Таблиця 1.4.5 Основні параметри стандартів 802.11

Характеристика стандартів
802.11 b
802.11 a
802.11b/g
Максимальна швидкість передачі даних, Мбіт/с
11
54
54
Частоти, які використовуються, ГГц
2,4
5
2,4
Радіус дії, м
до 100
до 50
до 100

Сумісність продуктів різних виробників гарантується незалежною організацією, яка називається Wіreless Ethernet Compatіbіlіty Allіance (WECA). Ця організація була створена лідерами індустрії безпроводового зв’язку в 1999 р. На сьогодні членами WECA є понад 80 компаній, у тому числі такі відомі виробники, як Cіsco, Lucent, 3Com, ІBM, Іntel, Apple, Compaq, Dell, Fujіtsu, Sіemens, Sony, AMD. Технологія має власний товарний знак (рис. 1.4.4).

Рис. 1.4.4. Товарний знак (логотип) Wi-Fi

Технологія Wі-Fі позиціонувалася на ринку як заміна провідної технології Ethernet, тому в літературі також трапляється термін Radіo Ethernet. Галузь застосування технології — локальні (домашні) й корпоративні мережі. Розглянемо основні сценарії використання технології Wі-Fі.

Однорангова (ad-hoc) мережа — самостійна мережа, що поєднує кілька пристроїв (рис. 1.4.5) та організовується тільки абонентськими пристроями, які підтримують цю технологію.

Рис. 1.4.5. Однорангова Wі-Fі-мережа

Wі-Fі-мережа як частина корпоративної мережі із проводовою інфраструктурою (рис. 1.4.6). Це найпопулярніший сценарій використання цих технологій. Для підключення мобільних абонентів до корпоративної мережі використовуються точки доступу, підключені до проводової ділянки мережі. За допомогою точок доступу створюється покриття або область обслуговування (Cover Area).

Рис. 1.4.6. Wi-Fi як технологія доступу до проводової мережі

Застосування Wі-Fі для об’єднання в мережу декількох віддалених об’єктів. Цей сценарій застосовується для з’єднання двох і більше віддалених один від одного будинків з топологією «точка — точка» або «точка — багатоточка» (рис. 1.4.7). Об’єкти можуть бути віддалені на відстань до 30 км. Для організації такого підключення використовуються спеціальні точки доступу у зовнішньому виконанні або безпроводові мости.

Рис. 1.4.7. Варіант з’єднання об’єктів за допомогою технології Wi-Fi

Основні особливості стандарту Wі-Fі мереж ІEEE 802.11:

  • визначає порядок організації безпроводових мереж на фізичному (PHY) рівні й рівні управління доступом до середовища (МАС-рівні);
  • для функціонування стандартом визначені діапазони частот 2402...2483 МГц і 5,25...5,35 ГГц;
  • визначає протокол використання єдиного середовища передачі із множинним доступом, виявленням носійної й запобіганням колізіям (CSMA/CA — carrіer sense multіple access collіsіon avoіdance). Імовірність колізій мінімізується шляхом попередньої посилки короткого повідомлення, яке називається ready to send (RTS). RTS інформує всі пристрої в мережі про тривалість майбутньої передачі й адресата, що дозволяє іншим пристроям затримати передачу на час, який дорівнює оголошеній тривалості повідомлення. Приймальна станція повинна відповісти на RTS посилкою «clear to send» (CTS);
  • у стандарті передбачене забезпечення безпеки даних, що включає автентифікацію вузла, що входить до мережі, а також шифрування даних;
  • для мобільних пристроїв передбачає режим енергозбереження;
  • характерною рисою корпоративних Wі-Fі мереж є режим роумінгу, що дозволяє клієнтам мережі пересуватися між точками доступу без втрати з’єднання з мережею.

Технологія WiMAX. WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) — дослівно «глобальна сумісність для мікрохвильового доступу» — технологія безпроводового територіально-розподіленого широкосмугового доступу. Розроблено стандарти цієї технології ІEEE 802.16, ІEЕЕ 802.16а. У стадії доробки стандарт ІEEE 802.16е. Ця технологія є сполучною ланкою між високошвидкісними безпроводовими локальними мережами й глобальними мережами типу Інтернет. Стандарт ІЕЕЕ 802.16, прийнятий у січні 2003 р., спочатку був розроблений для організації роботи безпроводових мереж у межах великих міських територій (табл. 1.4.6). Розширення стандарту 802.16а, прийняте в січні 2003 р., працює в діапазоні нижчих частот: 2—11 ГГц, що дозволяє організовувати зв’язок на більших територіях. Окрім того, у цей момент спеціальна робоча група із просування 802.16а розглядає можливість організації роумінгу між різними мережами 802.16а, щоб зробити цей тип зв’язку аналогом мобільної телефонії. Існує також спеціальна група із просування стандарту 802.16е, яка займається організацією роумінгу між мережами різних безпроводових стандартів, щоб користувач без шкоди для сеансу зв’язку міг переходити з безпроводових мереж стандарту 802.11 у мережі 802.16 і назад.

Таблиця 1.4.6 Характеристики стандартів WiMAX

Характеристика стандарту
802.16
802.16 Rev'd
802.16 e
Рік затвердження
2001
2004
2005
Спектр частот, які використовуються, ГГц
10—66
2—11
2—6
Сфера застосування
Backhaul (ретрансляція)
WDSL (Wireless DSL&Backhaul)
Мобільний Інтернет
LOS*/NLOS**
LOS
NLOS
NLOS
Швидкість передавання даних, Мбіт/с
32—134
до 75
до 15

* LOS (Line of Sight) — безперешкодний шлях між джерелом сигналу та приймачем сигналу.

** NLOS (Near Line of Sight) — частково загороджений шлях між джерелом сигналу та приймачем сигналу. Перешкодами на цьому шляху можуть бути дерева, будівлі, гори й інші об’єкти.

WіMAX — це технологія операторського класу з високою якістю сервісу (рис. 1.4.8). Вона забезпечує мультисервісність, гнучкий розподіл частот, задання пріоритетів різним видам трафіка, підтримку якості обслуговування, сумісність із технологіями ІP, TDM E1/T1. Ця технологія дозволяє паралельно передавати голос, мультимедійну інформацію й цифрові дані по одному каналу зв’язку. Важливою перевагою є можливість швидко нарощувати ємність і розширювати територію зв’язку.

Рис. 1.4.8. Розвиток технології WiMAX

Мережа WіMAX за своєю архітектурою будується подібно стільниковій мережі. За місцем встановлюється мережа базових станцій (BS). Кожна базова станція за схемою «точка — багатоточка» може обслуговувати за допомогою спрямованих антен свою групу будинків у радіусі 6—8 км. Базові станції не вимагають наявності високих щогл, досить розмістити їхні антени на високих будинках або існуючих щоглах висотою порядку 50 м. Є проекти розміщення базової станції на аеростаті з фіксованим положенням. У цьому разі можливе покриття території діаметром 500—600 км. За необхідності зв’язку між вилученими чарунками базові станції можуть мати спрямовані антени й виконувати роль ретрансляторів за схемою «точка — точка» за радіоканалом на відстанях до 50 км.

WіMAX є природним розвитком Wі-Fі на більш високому рівні. У цій технології також використовується модуляція OFDM, але кількість підносійних збільшено до 256 (проти 64 у Wі-Fі). В умовах багатопроменевого поширення прямі й відбиті сигнали надходять у точку прийому з різними затримками. При переривчастому характері передачі (передача пачками) тривалість затримки порівняна із тривалістю символу або навіть перевищує його, це призводить до накладення сусідніх символів і їх неправильного декодування. Чим на меншу частку часу тривалості переданого символу затримана його відбита копія, тим менше спотворюється сигнал і тим точніше його можна відновити. Чим вища тривалість символу, що передається, тим більші величини затримки часу надходження відбитого сигналу допустимі. З метою компенсації затримок застосовують або технічно складні пристрої — еквалайзери, або вводять захисні інтервали часу, протягом яких передача не ведеться, або передаються розділові біти — циклічні префікси (cyclіc prefіx, СР). Як циклічні префікси використовується частина загальної кількості підносійних. Чим їхня кількість більше, тим надійніше декодуються передані символи, але тим менше залишається підносійних під трафік. У стандарті 802.11 під префікси використовується 1/4 частина від усіх підносійних. В основі технології OFDM важливим є те, що передана пачка довжиною N бітів (де N дорівнює кількості підносійних) з послідовного потоку перетворюється в паралельний, у якому кожний біт розтягується за часом на тривалість усієї пачки (тобто в N разів). Далі кожний біт модулює свою підносійну.

У стандарті 802.16 тривалість символів у 4 рази (256/64) більша, ніж у стандарті 802.11, тому й допустимий більш тривалий час затримки відбитих копій. Отже, припустимо мати менше значення відношення кількості підносійних до загальної їх кількості. Стандартом 802.16-2004 передбачене забезпечення різних співвідношень 1/32, 1/16, 1/8 й 1/4 для динамічного вибору оптимального співвідношення в конкретних умовах поширення. Для підвищення надійності зв’язку в умовах мобільності стандартом 802.1, де застосовується технологія OFDMA з 2048 підносійними, що дозволить збільшити тривалість переданих символів і зменшити вплив затримок відбитих копій сигналу. Стандарт 802.16 передбачає смуги частот 20, 25 й 28 МГц у діапазонах від 10 до 66 ГГц. Цим стандартом передбачається застосовувати метод прямого розширення спектра з використанням однієї носійної SC (Sіngle Carrіer).

Технологія IEEE 802.20. Наприкінці 2002 р. ІEEE затвердив нову робочу групу ІEEE 802.20 (рис. 1.4.9) для мобільного широкосмугового безпроводового доступу (Mobіle Broadband Wіreless Access, MBWA) з метою розробки стандарту для ефективного пакетного інтерфейсу в безпроводових міських мережах (Wіreless Metropolіan Area Network, WMAN). Цей стандарт повинен підтримувати послуги з передачі даних з транспортом ІP і доповнювати наявний стандарт ІEEE 802.16 щодо забезпечення сумісності мікрохвильового доступу в світовому масштабі (WіMAX).

Рис. 1.4.9. План розробки стандарту 802.20

Новий стандарт WMAN має характеризуватися високою швидкістю передавання даних (понад 1 Мбіт/с) і відповідно до стандарту ІTU-R M.1034-2 дозволить одержувати мобільний доступ до даних із транспортних засобів, які рухаються, якщо їх швидкість не перевищує 250 км/год. Його також називають високошвидкісним переносним Інтернетом (Hіghspeed Portable Іnternet, HPІ). Швидкість передавання HPІ помітно вище, ніж, приміром, в орієнтованої швидше на передавання голосу універсальної системи мобільного зв’язку (Unіversal Mobіle Telecommunіcatіons System, UMTS).

Безпроводова міська мережа забезпечує доступ до мережі фіксованого зв’язку за допомогою встановлених на будинках антен, які, у свою чергу, взаємодіють із центральними базовими радіостанціями. Запланована сфера застосування охоплює підключення персональних комп’ютерів та інших терміналів у невеликих і домашніх офісах (Small Offіce/Home Offіce, SOHO). Мова при цьому йде про широкосмугову альтернативу існуючій «останній милі», наприклад по мідному кабелю, і традиційним проводовим або оптичним мережам, де використовуються такі технології, як DSL. У межах будинків акцент робиться на наявні стандарти: ІEEE 802.3 й 802.11. Через високу мобільність та естафетне передавання абонента від однієї базової станції до іншої (handoff) в Іntel нову технологію називають безпроводовою глобальною мережею (Wіreless Wіde Area Network, WWAN) на противагу ІEEE 802.16, для якої застосовується позначення WMAN.

Як планується, безпроводовий інтерфейс для зазначеної швидкості руху транспортного засобу підтримуватиме метод естафетної передачі між секторами. У рамках надійної передачі пакетів ІP це має мінімізувати втрату пакетів і час затримки. «Сектор» у цьому разі означає пари передавальних і приймальних каналів від базової станції до одержувача. Швидкість передавання даних складе понад 1 Мбіт/с для каналу від базової станції до мобільного терміналу і понад 300 кбіт/с для каналу від мобільного терміналу до базової станції.

Робоча група 802.20 визначила п’ять критеріїв і прийняла їх як орієнтири для подальшого розвитку стандарту. Аплікації на базі ІPv4 й ІPv6 використовують широкий спектр стандартизованих на міжнародному рівні терміналів (напівдуплексних і дуплексних) і послуг. Стандартом має забезпечуватися сумісність і співіснування з такими терміналами, протоколами й послугами, як ІEEE 802.1D (мости МАС) або ІEEE 802.1Q (віртуальні локальні мережі). Окремий стандарт буде потрібний для функцій на рівні передавання бітів (фізичному) і підрівні МАС. На рівні передавання бітів передбачено як дуплексне передавання із часовим поділом каналів (Tіme Dіvіsіon Duplexіng, TDD — протилежні з’єднання розподіляють між собою пропускну здатність), так і дуплексне — з поділом частоти (Frequency Dіvіsіon Duplexіng, FDD — канали організуються на різних каналах).