Лекция 15. Цифровые, пакетные, сотовые модемы

3. Модемы для цифровых систем передачи. Они напоминают модемы низкого уровня, однако в отличие от них должны обеспечивать возможность подключения к стандартным цифровым каналам и поддерживать функции соответствующих канальных интерфейсов.

Для передачи данных по цифровым линиям требуется выполнить определенные преобразования исходной последовательности. Такое преобразование носит название линейного кодирования или кодирования для линии передачи. Рассмотрим подробнее, для чего и как оно осуществляется.

Данные, поступающие от ООД, уже являются цифровыми, представленными в униполярном коде или биполярном коде без возвращения к нулю (NRZ) (рис. 4.11).

При передаче данных на большие расстояния с использованием NRZ возникают следующие проблемы:

1) с течением времени нарастает постоянный ток, блокируемый некоторыми устройствами цифрового тракта, например, трансформаторами, что приводит к искажению передаваемых импульсов;

2) передача длинных серий нулей или единиц приводит к нарушению правильной работы устройств синхронизации на приеме;

3) отсутствует возможность оперативного контроля ошибок на уровне физического канала.

Для решения перечисленных проблем и предназначено линейное кодирование. Параметры сигнала, получаемого после линейного кодирования, должны быть согласованы с характеристиками используемого цифрового канала и отвечать следующим требованиям:

Рисунок 4.11. Методы линейного кодирования

1) в энергетическом спектре линейного сигнала должна отсутствовать постоянная составляющая, что позволяет повысить либо верность, либо дальность передачи;

2) структура линейного сигнала должна обеспечивать возможность надежного выделения тактовой частоты на приемной стороне;

3) линейный код должен обеспечивать возможность оперативного контроля над ошибками на уровне физической линии;

4) линейные кодер-декодер должны иметь достаточно простую техническую реализацию.

Формирование требуемого энергетического спектра может быть осуществлено соответствующим изменением структуры импульсной последовательности и выбором нужной формы импульсов.

Например, даже сокращение длительности импульсов в два раза, т.е. использование биимпульсного кода с возвратом к нулю (RZ) (рис. 4.11), вдвое уменьшает уровень постоянной составляющей и увеличивает уровень тактовой составляющей в спектре такого сигнала.

Наиболее широкое распространение получили двухуровневые линейные коды с преобразованием одного двухуровневого символа в группу из двух двухуровневых символов. К таким кодам относятся коды Манчестер, DMI, CMI, NEW, код Миллера, код отечественного стыка С1-И или С1-ФЛ-БИ и ряд других.

В качестве примера рассмотрим код Манчестер (рис. 4.11). Он характеризуется тем, что «1» исходного цифрового сигнала передается нулевым импульсом в первом полутактовом интервале и единичным – во втором (т.н. биимпульс 01). Для символа «0» исходного сигнала принимается обратный порядок чередования импульсов (т.н. биимпульс 10). Аналогичный код с обратным соответствием называется кодом Манчестер 2. Код Манчестер удовлетворяет всем названным ранее требованиям.

Действительно, поскольку в исходных сигналах нуля и единицы импульсы одинаковой полярности имеют одинаковую площадь, в спектре такого линейного сигнала отсутствует постоянная составляющая.

То обстоятельство, что в середине каждого битового интервала обязательно присутствует переход, значительно облегчает формирование синхросигналов на приемной стороне.

Это же обстоятельство решает и проблему оперативного контроля над ошибками непосредственно при приеме из линии, поскольку отсутствие очередного перепада через время битового интервала после последнего выявленного перепада свидетельствует об ошибке. Кодер манчестерского кода имеет простую техническую реализацию. Действительно, код Манчестер можно получить, если на один вход сумматора по модулю два подать код NRZ, а на второй – синхросигналы в виде меандра с периодом, равным периоду кода NRZ, и синфазный с ним. Реализация декодера несколько сложнее.

Недостатком манчестерского кода является то, что требуемая полоса частот для его передачи вдвое превышает полосу частот исходной двоичной последовательности. Еще одно ограничение на применение манчестерского кода состоит в том, что сигнал, соответствующий единице, является негативной копией сигнала, представляющего нуль. То есть имеет место ситуация, аналогичная указанной ранее для фазовой манипуляции с теми же последствиями, т.е. возможностью обратной работы.

Метод устранения возможности обратной работы используется тот же и называется он относительным кодированием (рис. 4.11). Так, например, в стандарте С1-И символу «1» входной последовательности соответствует биимпульс 10 или 01, совпадающий с предыдущим, а символу «0» - биимпульс 10 или 01, инверсный по отношению к предыдущему биимпульсу. При обратном преобразовании т.е. декодировании определяется состояние сигнала (направление перехода) в каждом тактовом интервале и сравнивается с предыдущим интервалом. Если произошли изменения, то фиксируется 0, если изменений нет –1.

4. Пакетные радиомодемы.Передача данных по радиоканалу во многих случаях надежнее и дешевле, чем по коммутируемым или арендованным каналам. В зависимости от используемых приемопередатчиков (т.е. радиостанций) сеть с использованием радиомодемов может обслуживать своих абонентов в зоне радиусом до сотен километров.

Типичная станция пакетной связи включает в себя компьютер, собственно радиомодем, часто называемый пакетным контроллером (TNC – Terminal Node Controller) и приемопередатчик – радиостанцию УКВ или КВ – диапазона.

В функции контроллера входит обмен данными с компьютером, управление форматированием кадров, управление доступом к общему радиоканалу в соответствии с тем или иным методом множественного доступа.

Главные отличия радиомодемов от модемов для телефонных каналов КТСОП состоят, во-первых, в используемой передающей среде и, во-вторых, в том, что радиомодемы ориентированы для работы не в канале типа «точка-точка», а в едином радиоканале, общем для многих пользователей, т.е. в канале множественного доступа.

В этом смысле сети, построенные на основе пакетных радиомодемов, похожи на локальные сети с шинной или магистральной архитектурой, когда все пользователи подключены к общему для всех каналу (т.н. моноканалу), для которого в качестве передающей среды в локальных сетях используется кабель. Учитывая эту аналогию, можно сказать, что в пакетных радиосетях используются те же методы управления доступом, что и в локальных сетях с моноканалом.

Моноканалы локальных сетей из соображений надежности строятся в основном по принципу распределенного управления доступом к каналу, поскольку при централизованном управлении выход из строя центра управления является катастрофическим для всей сети в целом. При распределенном управлении все станции, подключенные к каналу, функционируют одинаково, получая информацию о занятости и освобождении канала только исходя из состояния физического канала. Прием данных производится путем селекции, т.е. выделения из множества данных, передаваемых по каналу, каждой станцией тех данных, которые адресованы именно ей.

В таких сетях в основном используются методы доступа к каналу, основанные на соперничестве, когда каждая станция пытается захватить передающую среду в произвольный момент времени. Такие методы называются методами свободного или случайного доступа к каналу. Существует несколько разновидностей свободного доступа, к которым можно отнести:

- свободный доступ с проверкой столкновений;

- свободный доступ с проверкой несущей (прослушиванием канала, контролем занятости);

- комбинация первых двух.

При использовании любого из названных методов для каждой станции канал является равнодоступным средством передачи данных (равноранговая сеть), порядок доступа к которому определяется соответствующим протоколом. Алгоритм функционирования пакетных радиосетей регламентируется рекомендацией АХ 25, которая представляет собой специально переработанную для пакетных радиосетей версию стандарта Х25. Протокол АХ 25 предусматривает свободный доступ в канал с контролем занятости канала.

Прежде чем начать передачу радиомодем проверяет, свободен канал или нет – прослушивает канал на предмет наличия или отсутствия в нем сигналов, используемых для передачи данных. Если канал занят, то передача своих данных откладывается радиомодемом до момента освобождения канала. Если радиомодем обнаруживает канал свободным, он начинает передачу своих данных. Очевидно, что в силу конечного времени распространения сигнала по каналу, в тот же момент времени может начать передачу любой другой радиомодем данной сети.

В этом случае происходит столкновение сигналов двух радиомодемов или коллизия, в результате которой с высокой вероятностью данные обоих радиомодемов серьезно исказятся. Радиомодем-передатчик узнает об этом, получив отрицательную квитанцию на переданный пакет от радиомодема-получателя или в результате превышения времени тайм-аута. В такой ситуации он обязан будет повторить передачу этого пакета. При пакетной связи информация в канале передается в виде кадров. В основном с небольшими отличиями их формат соответствует формату кадров рассмотренного ранее протокола HDLC.

Наличие столкновений приводит к снижению потенциальной пропускной способности канала. Предположим, что для всех пар систем сети время распространения сигнала одинаково и равно а. Это время влияет на вероятность столкновения пакетов. Если одна станция начнет передачу в момент времени t, а другая в момент времени t+d, где d<а, то произойдет столкновение, поскольку в течение времени а после начала передачи занятый канал воспринимается любой другой станцией как свободный. Вероятность того, что ни одна станция не начнет передачу в течение интервала а равна , где называется нормированным временем распространения сигнала по каналу, Т – время передачи одного пакета, G – интенсивность потока запросов на передачу пакетов. Тогда скорость передачи по каналу:

.

Исследование этой зависимости показывает, что при малом времени распространения по каналу, т.е. при а<<T, с увеличением интенсивности потока G скорость передачи пакетов возрастает, приближаясь к потенциальной пропускной способности физического канала. Аналогичная характеристика для метода, использующего только проверку столкновений, располагается значительно ниже.

5. Модемы для сотовых систем связи. Они отличаются компактностью исполнения и поддержкой специальных протоколов модуляции и кодирования, позволяющих эффективно передавать данные в условиях сотовых каналов с высоким уровнем помех и постоянно изменяющимися параметрами.

Под сотовой технологией понимается не только сам принцип сотовой или ячеечной организации связи, но и совокупность прогрессивных технических и программных решений (стандартов, процедур, протоколов, интерфейсов и т.д.) разработанных международными организациями и принятых для реализации архитектуры и интеллектуального обеспечения сотовых систем подвижной радиосвязи.

С топологической точки зрения сеть сотовой связи строится в виде совокупности ячеек или сот, покрывающих обслуживаемую территорию. Сотовая структура сети основана на принципе повторного использования частот – основном принципе сотовой сети, определяющем эффективное использование выделенного частотного ресурса и большую пропускную способность.

Основными элементами технической структуры сотовой системы являются:

- центр коммутации;

- базовые станции;

- подвижные станции или абонентские радиотелефонные аппараты.

Базовая станция обслуживает все абонентские радиотелефонные аппараты в пределах своей ячейки. Ресурс для установления соединения базовая станция предоставляет по требованию абонентов на равноправной основе, что называется методом транкинга.

Под словом «транкинг» понимается метод равного доступа абонентов к общему выделенному пучку каналов, при котором конкретный канал закрепляется для каждого сеанса индивидуально в зависимости от нагрузки в системе. При перемещении абонента из одной ячейки в другую происходит передача его обслуживания от одной базовой станции к другой. Все базовые станции сети замыкаются на центр коммутации, с которого имеется выход в единую сеть электросвязи РФ, например, в обычную городскую КТСОП.

Центр коммутации обслуживает группу сот и обеспечивает все виды соединений между подвижными и стационарными пользователями. Он аналогичен коммутационной станции ISDN, но включает дополнительный интерфейс между фиксированными сетями и сотовой сетью. Он обеспечивает:

- маршрутизацию вызовов и функции управления вызовами;

- функции коммутации радиоканалов, к которым относятся «эстафетная передача» для достижения непрерывности связи при перемещении абонента из одной соты в другую и переключение рабочих каналов в соте при появлении помех или неисправностей;

- постоянное слежение за подвижными станциями.

В РФ организуются две федеральные сотовые сети общего пользования: СРПО-450 и СРПО-900. СРПО-450 действует на основе стандарта NMT для аналоговых сетей, а СРПО-900 построена по стандарту GSM, который предназначен для цифровых сетей.

С точки зрения передачи данных аналоговые сотовые сети принципиально должны мало отличаться от КТСОП. В отличие от каналов КТСОП каналы сотовых сетей обладают рядом особенностей, которые серьезно влияют на качество передачи данных. Эти особенности состоят в следующем:

1. При перемещении радиотелефона из одно соты в другую происходит переключение обслуживающей базовой станции и радиоканала. При изменении расстояния от мобильного телефона до базовой станции происходит переключение мощности передатчика. В результате таких переключений радиоканал, а значит и несущая частота модема, прерываются на 0,2 – 1,2 с. Обычный модем реагирует на это процедурой повторного соединения.

2. Замирания и многолучевое распространение радиосигналов оказывает существенное влияние на качество связи. Из-за различия фаз сигналов, пришедших различными путями, возникает интерференция, которая в зависимости от места расположения приемника изменяет отношение сигнал/шум. В результате колебаний амплитуды несущей при передаче данных возникают ошибки.

3. Аналоговые сотовые сети разрабатывались для голосовой связи, в связи с чем в них широко использовалась коррекция АЧХ канала. Высокий уровень несущей в таких каналах приводит к нелинейным искажениям, вызванным ограничением сигнала, а слишком низкий уровень сигнала ухудшает отношение сигнал/шум при приеме.

В цифровых сотовых сетях эти проблемы решаются на уровне системного проектирования, в результате чего пользователь получает высококачественный цифровой канала передачи данных, который по сравнению с аналоговой сотовой сетью обеспечивает значительно большую надежность и устойчивость к шумам и задержкам при переходе абонента из одной соты в другую, а также к замираниям и многолучевому распространению сигналов.

Стандарт GSM предусматривает работу передатчиков подвижных станций в диапазоне частот 890 . . . 915 МГц, передатчиков базовых станций в диапазоне частот 935 . . . 960 МГц. Таким образом, между диапазонами приема и передачи предусмотрен постоянный разнос частот 45МГц. Каждый из указанных поддиапазонов разбит на 124 частотных канала с шагом 200кГц. В стандарте GSM используется узкополосный многостанционный доступ с временным разделением каналов (NB TDMA). В структуре TDMA-кадра содержится 8 временных позиций для передачи физических информационных каналов. С учетом наличия 124 несущих общее количество каналов составляет 992. Для защиты от ошибок в радиоканалах при передаче информационных сообщений применяется блочное и сверточное кодирование с перемежением. Для борьбы с явлением многолучевости распространения радиоволн в условиях города в процессе сеанса связи применяется медленная программная перестройка рабочих частот со скоростью 217 скачков в секунду, а также эквалайзеры, реализующие выравнивание импульсных сигналов со среднеквадратическим отклонением времени задержки до 16 мкс. Схема синхронизации обеспечивает компенсацию абсолютного времени задержки сигналов до 233 мкс, что соответствует максимальному радиусу ячейки до 35 км. Увеличение дальности связи приводит к необходимости увеличения защитных промежутков между временными окнами в TDMA-кадре и как следствие – к уменьшению их числа при сохранении общей скорости передачи по частотному каналу. В стандарте GSM обеспечивается высокая степень безопасности передачи сообщений за счет возможности их шифрования по алгоритму шифрования с открытым ключом.

Сеть связи, действующая в стандарте GSM, предоставляет пользователям широкий диапазон услуг и возможность применять разнообразное оборудование для передачи речевых сообщений и данных, вызывных и аварийных сигналов, подключаться к телефонным сетям общего пользования, сетям передачи данных и цифровым сетям с интеграцией обслуживания.

В своем развитии сотовые СРПО прошли три этапа. К первому поколению относятся аналоговые стандарты (NMT-450), ко второму – цифровые (GSM и др.). Наиболее совершенными в техническом плане можно считать сети второго поколения, использующие кодовый доступ или кодовое разделение каналов (CDMA). В отличие от других цифровых сетей, которые делят отведенный частотный диапазон на узкие каналы по частотному (FDMA) или временному (TDMA) признаку, в стандарте IS-95, который использует CDMA, передаваемую информацию кодируют и код превращают в шумоподобный широкополосный сигнал так, что его можно выделить снова, только располагая кодом на приемной стороне. При этом одновременно в широкой полосе частот можно передавать и принимать множество сигналов, которые не мешают друг другу.

Переход к следующему, третьему поколению, будет происходить постепенно по нескольким направлениям:

- совершенствования методов кодирования речи;

- внедрения новых услуг по передаче различной информации;

- обеспечения глобального роуминга (процесса обслуживания «блуждающего» абонента) и роуминга между спутниковыми и наземными сетями радиосвязи с подвижными объектами.

Контрольные вопросы к лекции 15

15-1. Какие проблемы возникают при использовании для передачи кода без возвращения к нулю (NRZ)?

15-2. Для чего предназначено линейное кодирование?

15-3. Какие преимущества обеспечивает применение кода RZ по сравнению с кодом NRZ?

15-4. Как формируется манчестерский код?

15-5. Почему в спектре сигнала, закодированного манчестерским кодом, отсутствует постоянная составляющая?

15-6. Почем использование манчестерского кода значительно облегчает формирование синхросигналов на приемной стороне?

15-7. Как решается проблема оперативного контроля над ошибками при использовании манчестерского кода?

15-8. Каковы недостатки манчестерского кода?

15-9. Как осуществляется относительное кодирование?

15-10. Что включает в себя типичная станция пакетной радиосвязи?

15-11. В чем состоят главные отличия пакетных радиомодемов от модемов других типов?

15-12. Какие методы доступа к каналу используются в пакетных радиосетях?

15-13. Как реализуется метод доступа в канал с контролем занятости канала?

15-14. Что является причиной коллизий в канал с контролем занятости канала?

15-15. К чему приводит наличие коллизий в канале со свободным доступом?

15-16. Чем модемы для сотовых систем связи отличаются от модемов других типов?

15-17. Что является основными элементами технической структуры сотовой системы связи?

15-18. Что называется транкингом?

15-19. Какие функции реализует центр коммутации сотовой системы связи?

15-20. В чем состоят особенности аналоговых сотовых сетей?

15-21. Какие преимущества обеспечивает применение цифровых сотовых сетей?

15-22. Какие способы разделения каналов используются в цифровых сотовых сетях?

15-23. Какие методы защиты от ошибок используются в цифровых сотовых сетях?

15-24. Какие методы борьбы с многолучевым распространением сигнала используются в цифровых сотовых сетях?

15-25. Какие методы обеспечения информационной безопасности содержит стандарт GSM?