Беспроводной телефон во многих случаях ассоциируется со стандартом DECT (Digital European Cordless Telecommunications — в буквальном переводе цифровая европейская беспроводная электросвязь), и не без оснований, хотя полного совпадения здесь нет: и беспроводной телефон может быть построен на основе других стандартов, и стандарт DECT может быть использован для построения других систем. В настоящем разделе мы отметим основные системы беспроводного телефона, рассмотрим характеристики стандарта DECT, а также некоторые другие вопросы, с тем чтобы в пределах выбранной степени детализации получить по возможности полную картину всего комплекса вопросов, связанных с беспроводным телефоном и его применениями.
Беспроводной телефон — это мобильная телефонная связь, но с ограниченной подвижностью абонентов, причем ограничения относятся как к дальности (десятки — сотни метров), так и к скорости перемещения (скорость пешехода). Беспроводной телефон в первую очередь рассчитан на применение внутри помещений, при малых расстояниях и, следовательно, при малых задержках сигналов и малых разностях хода при многолучевом распространении, даже при весьма сложных законах прохождения сигналов в зданиях. Отсюда непосредственно следуют некоторые характерные особенности:
— небольшая мощность излучения, обычно не более 10 мВт в среднем, и соответственно экономное расходование энергии источника питания;
— сравнительно простая обработка сигналов (не столь экзотическое, как в сотовой связи, кодирование речи; отсутствие канального кодирования и эквалайзинга) при высоком качестве передачи речи, не уступающем качеству проводного телефона;
— динамическое распределение каналов, позволяющее весьма рационально использовать имеющийся частотный ресурс;
— дуплексная связь с временным разделением каналов (Time Division Duplex — TDD), при этом связь в прямом и обратном направлениях реализуется в одном и том же частотном канале.
В каком-то смысле беспроводной телефон напоминает сотовую связь с весьма маленькими сотами, но при более внимательном рассмотрении выясняется, что различия между ними достаточно велики. Помимо уже упоминавшихся особенностей следует отметить, что в системах беспроводного телефона обычно не предусматривается более или менее сплошного покрытия территории, заметно различаются наборы услуг и структура эфирного интерфейса. Конкретные примеры этих различий мы увидим ниже, при рассмотрении стандарта DECT.
Исторически системы беспроводного телефона появились в конце 70-х — начале 80-х годов, первоначально в виде весьма разнородных разработок отдельных компаний. Элементы стандартизации появились в середине 80-х годов, их воплощением можно считать систему СТ1 (Cordless Telephone — беспроводной телефон, поколение 1) — это аналоговая система с жесткой привязкой подвижной станции к одному или нескольким (до восьми) частотным каналам, использующая при передаче речи частотную модуляцию.
Частотные диапазоны: в Европе 900 МГц при 40 частотных каналах и полосе канала 50 кГц; в Америке 1,7 МГц для прямого канала (от базовых станций к подвижным) при 8 каналах по 20 кГц и 47,5 МГц для обратного канала при 8 каналах по 12,5 кГц.
К концу 80-х годов в Англии появилась цифровая система второго поколения — СТ2, которая сначала существовала в виде двух несовместимых модификаций, но в 1988-1989 гг. была объединена в одну посредством разработки общего эфирного интерфейса (Common Air Interface — CAI); позднее, в 1992 г., ETSI принял стандарт CAI в качестве европейского технического стандарта. В системе СТ2 используется частотный диапазон 864,1…868,1 МГц с 40 каналами по 100 кГц при методе множественного доступа FDMA, но с временным разделением дуплексных каналов (TDD). Метод модуляции — частотная манипуляция. В этой системе уже реализовано динамическое распределение каналов, но еще нет передачи обслуживания из ячейки в ячейку. Известна канадская модификация системы СТ2+, работающая в диапазоне 944…952 МГц; предлагались и некоторые другие модификации, но они не получили широкого распространения. Компанией Ericsson была разработана система СТЗ; фактически она близка к системе DECT, речь о которой впереди, но работает в диапазоне 862…866 МГц (иногда ее называют также DECT-900).
Система DECT — наиболее совершенная цифровая система беспроводного телефона, использующая методы TDMA и TDD и работающая в диапазоне 1880… 1900 МГц. Работа над стандартом была начата в 1988 г. и проходила под эгидой ETSI; окончательная редакция стандарта была принята в 1992 г. Основные характеристики системы DECT представлены в табл. 4.2, схема организации эфирного интерфейса дана на рис. 4.1. В дополнение к приведенной в таблице и на рисунке информации отметим следующее.
В отведенной под систему DECT полосе частот 1880… 1900 МГц размещается 10 частотных каналов. Каждый из них содержит 12 физических каналов с дуплексным разделением во времени, так что каждый кадр эфирного интерфейса состоит из 24 слотов, 12 из которых используются для передачи информации в прямом направлении (от базовой станции к подвижным) и 12 — в обратном. Пара слотов одного и того же физического канала имеет номера, отличающиеся на 12 (например, 0 и 12, 1 и 13 и т.д.). Длительность кадра 10 мс. 16 кадров образуют мультикадр; кадры в пределах мультикадра различаются составом передаваемой информации управления. Каждый слот содержит коды синхронизации (поле S), управляющую информацию (поле А), информацию пользователя (речь или компьютерные данные — поле В) и контрольную информацию (поле X).
Сумма всех перечисленных полей короче слота на величину защитного интервала. Метод кодирования речи — адаптивная дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (АДИКМ) при скорости передачи информации 32 кбит/с, что обеспечивает высокое качество передачи речи. При передаче речи не применяются коды, исправляющие ошибки, но используются коды, позволяющие их обнаруживать, — циклические коды избыточности (CRC); соответствующие контрольные суммы включаются в поля А (для информации управления) и X (для информации поля В).
Информация о частоте ошибок наряду с информацией об интенсивности сигналов используется для организации передачи обслуживания. Последняя может быть как между разными физическими или частотными каналами в пределах одной ячейки (внутриячеечная передача обслуживания — intracell handover), так и между ячейками (межячеечная передача обслуживания — intercell handover), причем инициатива передачи обслуживания, включая выбор наиболее подходящего частотного и физического канала, принадлежит подвижной станции. Такая процедура организации взаимодействия подвижных станций с базовыми естественным образом сочетается с динамическим распределением каналов, когда каждая подвижная станция (абонентский терминал) выбирает для работы канал с достаточно высоким отношением сигнал/шум и достаточно низкой частотой ошибок. При этом, как предусмотрено стандартом, каждой базовой станции и каждому абонентскому терминалу доступны все частотные и физические каналы в пределах рабочего частотного диапазона. Заметим попутно, что для базовых и подвижных станций в системах беспроводного телефона обычно употребляются наименования fixed station (буквально — неподвижная станция) и portable station
- Рис. 4.1. Структура кадра и слота эфирного интерфейса стандарта DECT: S — поле синхронизации, А — поле управления; В — поле информации пользователя (речь или компьютерные данные); X — контрольное поле
(портативная станция) или fixed part и portable part (соответственно неподвижная и портативная части). Стандартом DECT предусмотрены процедуры аутентификации и шифрования передаваемой информации. Стандарт отличается значительной гибкостью; в частности, предусматривается возможность передачи информации только в одном направлении, когда оба слота одного физического канала в кадре используются только для передачи или только для приема информации, и возможность повышения скорости передачи информации, когда один физический канал занимает несколько слотов в кадре.
Области применения стандарта DECT:
— беспроводной телефон в бытовом секторе;
— беспроводной телефон в бизнес-секторе;
— общественный беспроводной телефон;
— локальные беспроводные сети;
— локальные компьютерные сети.
Кратко прокомментируем перечисленные позиции.
Бытовое применение беспроводного телефона (domestic cordless, или residential cordless) считается простейшим и рассматривается как беспроводное абонентское окончание или радиоудлинитель линии стационарной телефонной сети. В этом случае не только абонентские терминалы, но и базовые станции обычно являются собственностью абонентов, например, владельцев частных домов. Базовая станция подключается проводной линией связи к стационарной телефонной сети, и в зоне ее действия (в пределах дома и в ближайшей его окрестности) можно использовать ручные мобильные терминалы, позволяющие абоненту как звонить самому, так и принимать входящие вызовы.
В бизнес-секторе (business wireless, или business cordless) схема организации системы беспроводной телефонной связи на одну ступень сложнее: здание офиса, как правило, охватывается не одной, а несколькими ячейками со своей базовой станцией в каждой ячейке, которые, в свою очередь, замыкаются на центральный блок управления; последний связывается с офисной АТС (РВХ — Private Branch Exchange, буквально — частный коммутатор) или входит в ее состав, а офисная АТС подключается к стационарной телефонной сети.
Своеобразную систему связи представляет собой общественный беспроводной телефон (telepoints, в буквальном переводе — телефонные пункты): базовые станции устанавливаются в оживленных местах города — на перекрестках улиц, в торговых центрах и т.п., и в пределах зон их действия владельцы зарегистрированных абонентских терминалов могут пользоваться телефонной связью. Наиболее совершенные системы такого типа предусматривают возможность как исходящих, так и входящих вызовов, а также передачу обслуживания между ячейками. В соответствии со стандартом обеспечивается совместимость устройств разных производителей аппаратуры; абонент может также использовать один и тот же терминал дома, в офисе и на улице.
Локальные беспроводные сети (ЛБС) могут строиться, как упоминавшиеся выше бытовые или офисные сети беспроводного телефона, но часто с фиксированными (неподвижными) абонентскими терминалами, хотя возможны и другие схемы их построения, на чем мы чуть подробнее остановимся ниже.
Применение стандарта DECT для построения локальных компьютерных сетей (LAN — Local Area Networks) является, по-видимому, наиболее сложным из всех его применений; при этом могут быть реализованы различные конфигурации сетей что в значительной мере опирается на широкие возможности и гибкость эфирного интерфейса стандарта. К сожалению, обсуждение более тонких деталей локальных компьютерных сетей выходит за рамки возможностей данной книги.
Вернемся к локальным беспроводным сетям и рассмотрим проблему их развития несколько подробнее. Понятие ЛБС (WLL -Wireless Local Loops) появилось не так давно: по-видимому, возникновение первых сетей относится к 1995 г. Схемы построения ЛБС весьма разнообразны. Характерным для всех них является замена некоторого участка проводной (коаксиальной, оптиковолоконной) линии связи беспроводной (радиолинией). Беспроводная связь может быть реализована на всем участке от коммутатора (АТС) до абонента, или только от АТС до промежуточного концентратора, или только на участке абонентских окончаний и т.д. ЛБС могут строиться не только на базе беспроводного телефона или конкретно стандарта DECT — среди имеющихся разработок и предложений такие варианты пока не составляют большинства. Более распространены разработки на основе технологии сотовой связи, с использованием практически всех основных сотовых стандартов; известны также нестандартизованные разработки, в частности с использованием диапазона 3,5…4 ГГц.
В качестве преимуществ ЛБС обычно отмечаются:
— простота их проектирования и быстрота развертывания в сравнении с проводными сетями;
— более низкая стоимость создания и эксплуатации при низкой плотности абонентов или при значительной неопределенности в отношении численности абонентской базы и темпов ее роста;
— гибкость сети, в частности в отношении последовательности наращивания ее емкости;
— удобство использования при необходимости быстрого или временного развертывания сети связи, например после стихийных бедствий.
Относительная новизна направления ЛБС находит отражение и в недостаточно устоявшейся терминологии. Так, в английском языке наряду с наиболее распространенным названием WLL используются и другие: Radio Local Loop (RLL) — локальная радиосеть, Wireless Telephony System (WTS) — беспроводная система телефонной связи, Wireless Access System (WAS) — система связи с беспроводным доступом и т.п. Судя по публикациям и проспектам фирм-производителей аппаратуры связи, развитию ЛБС уделяется большое внимание. В соответствии с имеющимися прогнозами, число абонентов ЛБС в мире к 2000 г. может достигнуть 20…30 миллионов человек.
Возвращаясь к беспроводному телефону и подводя итоги по основному содержанию настоящего раздела, мы можем сделать вывод, что беспроводной телефон — удобный и достаточно широко распространенный вид связи, удачно дополняющий сотовую связь при ограниченной (локальной) подвижности абонентов. Тем самым открываются интересные перспективы по сочетанию беспроводного телефона и сотовой связи, обещающие дополнительную гибкость и удобства в предоставлении услуг мобильной связи. Один из примеров — систему PHS — мы рассмотрим в следующим разделе, а некоторые другие возможности и перспективы обсудим в разд. 6.