Организация сетей персонального радиовызова

Понятие, схема построения и составляющие сети радиодоступа

ОРГАНИЗАЦИЯ СЕТИ БЕСПРОВОДНОГО ДОСТУПА

Под абонентским доступом понимают часть телефонной сети общего пользования (ТФОП), расположенную между коммутатором (АТС) и абонентским терминалом. При организации абонентского доступа (доступа на «последней миле») могут использоваться различные технологии: оптоволокно, медный кабель, спутниковая и радиосвязь. Наиболее распространенным способом построения сети доступа до последнего времени является прокладка кабеля. Но прокладка абонентского кабеля – это очень трудоемкий и дорогостоящий этап, ограничивающий уровень телефонизации населения. Затраты на абонентскую часть ТФОП могут составлять 40–60% совокупных затрат оператора.

Концепция беспроводного абонентского доступа (wireless local loop-WLL) появилась в конце 80-х гг. прошлого столетия как альтернатива традиционным кабельным абонентским линиям и в настоящее время широко используется во многих странах мира.

Организация фиксированного беспроводного доступа не требует прокладки дорогостоящих кабелей и строительства телефонной канализации и достаточно эффективна как для оператора связи, так и для потребителя. Использование технологии WLL позволяет организовать телефонную связь в местах, где нет технической возможности прокладки кабеля (например, в историческом центре города, в заболоченной местности), или это экономически невыгодно (малая плотность населения региона, удаленные новостройки, дачные поселки), и тем самым повышает коэффициент использования монтированной емкости АТС – один из основных показателей, по которому оценивается эффективность работы телефонных сетей.

Снижение этого показателя ведет к незадействованию основных производственных фондов, неэффективному использованию капитальных вложений и ухудшению финансового положения предприятия в целом.

Системы радиодоступа в основном используются для обеспечения телефонной связи. По некоторым из них может осуществляться передача данных.

Вне зависимости от стандарта и типа системы абонентского радиодоступа, сети WLL строятся по одинаковому принципу.

Построение сети беспроводного доступа аналогично построению сети сотовой связи: также необходимо наличие базовых станций, обеспечивающих связь абонентов с телефонной сетью общего пользования (непосредственно либо через промежуточные ретрансляторы) и выполняющих функции эксплуатации и технического обслуживания. Отличие заключается лишь в том, что телефон, принадлежащий абоненту, является стационарным и присоединяется к специальному абонентскому устройству, установленному снаружи или внутри помещения и принимающему радиосигналы от базовой станции.

Типовая структура построения сети радиодоступа представлена на рис. 18.1.

Рис. 18.1. Структура сети радиодоступа

Как видно из рис. 18.1, система радиодоступа состоит из следующих узлов: базовая станция, ретранслятор, контроллер базовой станции, фиксированное устройство доступа и терминалы абонентов.

Базовая станция обслуживает абонентов непосредственно или через ретрансляторы. В ее состав входят приемопередатчики, антенны и устройство управления.

Контроллер базовой станции осуществляет связь сети радиодоступа с телефонной сетью общего пользования (АТС), а также обслуживает вызовы в обоих направлениях. Связь с АТС может обеспечиваться проводными средствами или по радиорелейной линии.

В некоторых системах радиодоступа контроллер может отсутствовать, тогда его функции выполняет базовая станция. Ретрансляторы вводятся в сеть в случае необходимости обслуживания абонентов более мелких ячеек.

Фиксированное устройство доступа устанавливается снаружи или внутри помещения и по проводной линии соединяется с терминалом пользователя. Оно состоит из приемопередатчика, антенны и источника питания.

4.4. 2. Этапы развития систем радиодоступа

Первое поколение аналоговых систем беспроводного доступа появилось в 60-е гг. прошлого века. В основном это были узкополосные системы, позволяющие реализовывать до нескольких десятков или сотен телефонных каналов. Как правило, данные системы применялись в качестве радиоудлинителей линий связи. Они используют диапазон частот до 1 ГГц и в настоящее время находят применение для решения задач радиодоступа в малонаселенных сельских местностях.

Второе поколение появилось в 80-х гг. ХХ в. Это были узкополосные цифровые системы стандартов DECT и CT-2 для обеспечения телефонной связи.

Третье поколение систем радиодоступа основано на способах передачи данных и видеоизображений с использованием технологий IP. Однако протоколы пакетной передачи данных и видеоизображений на первом этапе позволяли осуществлять связь с худшим качеством, чем синхронные проводные системы.

Дальнейшее развитие беспроводного доступа связано с появлением систем четвертого поколения, позволяющих предоставлять широкополосные услуги: передачу данных, подключение к Интернету, телефонию, передачу видео- и телеизображений в реальном масштабе времени, мультимедийную информацию в различных вариантах организации сети.

Технология беспроводного широкополосного доступа Wi-Fi (Wireless Fideliny – беспроводная передача данных) – один из форматов передачи цифровых данных по радиоканалам, стандарт IEEE 802.11b. Если в России этот формат только-только начинает распространяться, то за рубежом он уже весьма активно используется.

Устройства, использующие стандарт 802.11в, могут передавать данные с максимальной скоростью 11 Мбит/с на частоте 2,4 ГГц. Пропускная способность сети стандарта 82.11b сопоставима с пропускной способностью выделенной линии средней мощности, а такой канал связи до сих пор могут позволить себе немногие организации, не говоря уже о частных лицах.

Изначально устройства Wi-Fi были предназначены для корпоративных пользователей, чтобы заменить традиционные кабельные сети при передаче данных и обеспечении доступа в Интернет на небольших расстояниях (100–500 м). Для проводной сети требуется тщательная разработка топологии сети и прокладка вручную нескольких сотен метров кабеля, порой в самых неожиданных местах. Для организации же беспроводной сети требуется только установить в одной или нескольких точках офиса базовые станции (центральный приемо-передатчик с антенной, подключенный к внешней сети или серверу) и оснастить каждый компьютер сетевой платой с антенной.

В дальнейшем пользователи оценили удобство, простоту и дешевизну данной технологии. В результате в деловых центрах стали образовываться так называемые хот-споты – места доступа к публичным сетям Wi-Fi. С 2002 г. во многих крупных городах Западной Европы число хот-спотов стало стремительно расти, появились коммерческие Wi-Fi-операторы. Количество домов и офисов, использующих сети Wi-Fi, превысило 20 млн. Wi-Fi превратилась в серьезного конкурента обычным сетям связи.

Наряду с создаваемыми зонами Wi-Fi, начинает внедряться технология WiMAX, которая позволит пользователю чувствовать себя в глобальной сети так же, как и в локальной. Такие возможности WiMAX связывают прежде всего со стандартом 802.16. Дальнейшее развитие этой группы стандартов предполагает предоставление услуг связи в движении со скоростями до 150 км/ч в диапазонах частот до 6 ГГц.

Популярность группы стандартов 802.16 существенно возросла после создания альянса производителей оборудования WiMAX. В настоящее время началась разработка нового полностью мобильного стандарта IEEE 802.20. Его использование позволяет поддерживать высокие скорости передачи данных даже при большой скорости движения мобильного терминала относительно базовой станции.

Широкополосная беспроводная связь уже рассматривается в качестве ренальной альтернативы традиционным способам высокоскоростного абонентского доступа, в том числе и новым проводным технологиям, таким как DSL и кабельные системы. Местные многоканальные, многоточечные распределительные системы LMDS и MMDS, первоначально предназначавшиеся для трансляции телепрограмм в районах, не имеющих кабельной инфраструктуры, в последнее время все чаще используются для организации широкополосной беспроводной передачи данных на «последней миле».

Одна точка доступа (или базовая станция), укрепленная, на крыше высотного здания, способна обслуживать клиентов на площадях в десятки квадратных километров. WiMAX сочетает в себе хорошее покрытие, присущее системам сотовой связи, высокую скорость передачи данных, сравнимую с кабельными соединениями, и дешевизну. При помощи небольшого числа базовых станций, равномерно расположенных по территории, к примеру, крупного города, становится возможным охватить не только центральные районы, но и пригород.

Система WiMAX должна быть очень удобной для скоростных радиосетей городского и регионального масштаба. При специфике России, сочетающей большие расстояния с малой плотностью населения, WiMAX может стать очень перспективной технологией.

4.5.1. Общие принципы организации и основные стандарты сетей ПРВ

Наряду с широким развитием в мире сетей подвижной радиосвязи, предназначенных для организации двусторонней связи подвижных абонентов между собой или с абонентами стационарной телефонной сети, продолжается функционирование сетей персонального радиовызова, предназначенных, в основном, для односторонней передачи сообщений с использованием специальных систем ПРВ.

Благодаря удобству применяемых в этих сетях миниатюрных приемников (пейджеров) и сравнительно низкой цене за предоставляемые услуги, сети персонального радиовызова получили достаточно широкое распространение в развитых странах мира. По своему назначению сети персонального радиовызова, как и большинство мобильных сетей, можно разделить на сети общего пользования и ведомственные (частные).

Под сетями ПРВ общего пользования (ПРВ-ОП) понимается совокупность технических средств, через которые с помощью телефонных сетей общего пользования (ТфОП) и сетей передачи данных (ПД) в радиоканале происходит передача сообщений ограниченного объема. Сети ПРВ-ОП являются частью Единой сети электросвязи Российской Федерации.

Сети ПРВ-ОП создаются, в основном, за счет привлечения негосударственных финансовых средств. Любые физические и юридические лица, имеющие необходимые разрешающие документы, могут стать операторами сетей ПРВ-ОП, если они берут на себя обязательства создавать эти сети по действующим российским нормам и правилам, а также выполнять все требования, изложенные в лицензиях.

Системы персонального радиовызова работают в полосе частот от 80 до 931 МГц. Основными пользователями СПРВ являются чиновники и работники экстренных служб.

В настоящее время в мире существует большое число национальных и частных систем персонального радиовызова. Европейские операторы СПРВ стремятся создать общий рынок оборудования и услуг, а значит и единые международные стандарты, обеспечивающие массовое производство универсальных пейджеров, которые могут работать в различных вызывных системах.

Среди существующих сейчас в мире стандартов СПРВ (их обычно олицетворяют с протоколами кодирования, так как основное отличие стандартов заключается в структуре кода) можно выделить три основных, наиболее часто используемых как зарубежными фирмами, так и операторами России, это протоколы POCSAG, ERMES и FLEX. В сущности, протокол кодирования – это принцип организации передачи сообщения в сети ПРВ.

Первым появившимся, и на сегодняшний день наиболее распространенным, является протокол POCSAG (Post office Code Standardization Advisory Group). В 1982 г. Он утвержден в качестве международного стандарта Международным консультативным комитетом по радиосвязи – одним из комитетов МСЭ. При работе в этом стандарте канал ПРВ имеет ограниченную пропускную способность. Хотя теоретически на одной частоте при передаче с максимальной скоростью 2400 бит/с можно обслуживать около 50 тыс. буквенно-цифровых абонентских устройств, на практике их число составляет 10 тыс. При использовании цифровых абонентских устройств емкость системы стандарта POCSAG при той же скорости передачи и средней длине сообщения в 10 символов может быть увеличена до 300 тыс.

На рис. 19.1 представлена общая структурная схема организации сети персонального вызова на основе кода POCSAG.

Рис. 19.1. Организация сети ПРВ на основе кода POCSAG

Информация, поступающая из телефонной сети общего пользования, принимается и анализируется терминалами сети ПРВ. Контроллер сети совместно с центром эксплуатации и обслуживания выполняет функции управления и обеспечения работоспособности оборудования. Затем вызывные сигналы поступают на передатчик-распределитель, который направляет их на соответствующие базовые станции, а те, в свою очередь, на пейджеры пользователей.

Код POCSAG является асинхронным, т.е. информация может приниматься на пейджер в любой момент времени. Передача информации осуществляется с преамбулы, которая обеспечивает тактовую синхронизацию и переводит приемник из дежурного режима в приемный.

После преамбулы длиной 576 бит происходит непосредственно передача информации, сгруппированной в виде пакетов. Каждый пакет содержит синхронизирующее кодовое слово и 8 кадров, состоящих из двух кодовых слов. Под кодовым словом понимают фиксированное количество бит, содержащих сообщение или кодовую информацию и занимающим некоторый фиксированный временной интервал. Длина кода не определена и после преамбулы может передаваться пакет за пакетом.

Все расчеты емкости системы ПРВ, использующей протокол POCSAG, базируются на предположении, что нагрузка не превысит 0,25–0,3 выз./ч на одного абонента. Однако с ростом популярности телематических услуг и постепенной интеграцией с услугами ПРВ услуг электронной почты, а также передачи данных из автоматизированных систем управления нагрузка на системы ПРВ значительно увеличится. Возрастет она и вследствие использования различных способов передачи сообщений – через компьютерные сети, в частности Internet, через выделенные модемные каналы и ТфОП в автоматическом режиме. Увеличение нагрузки вызвало необходимость разработки новых протоколов.

Протоколы ERMES и FLEX предназначены для систем ПРВ большой емкости. Стандарт ERMES (The Radio Message System) разработан прежде всего как Европейский стандарт, одной из важнейших задач которого является обеспечение международного роуминга абонентов. Для использования в этом стандарте предусмотрен диапазон радиочастот 169,4–169,8 МГц, состоящий из 16-канальной системы с сеткой частот 25 кГц (шаг.), которые распределяются между отдельными странами на взаимно скоординированной основе.

Стандарт ERMES является открытым стандартом, рекомендованным МСЭ для международного использования. ERMES отличается от POCSAG способом взаимодействия операторов и служб при эксплуатации оборудования. На рис. 19.2 показана структурная схема организации сети на основе стандарта ERMES.

Контроллер сети персонального вызова является интерфейсом к сетям общего пользования (PSTN, ISDN и т. д.)

Контроллер зоны обслуживания регулирует распределение информации к приемопередатчикам. Базовые станции передают сигналы персонального радиовызова на пейджеры. Протокол ERMES обеспечивает синхронную работу со скоростью передачи 6250 бит/с.

Рис. 19.2. Организация сети ПРВ на основе кода ERMES

FLEX является корпоративным протоколом фирмы Моторолла, но фактически – это стандарт, который уже завоевал 70% наиболее крупных мировых рынков услуг ПРВ. FLEX – это целое семейство протоколов узкополосной персональной связи, включая двунаправленную передачу сообщений, передачу речи, данных. Оборудование FLEX имеет высокую помехоустойчивость, что важно при организации СПРВ на территориях со сложным радиопокрытием.

Технико-экономические показатели протоколов FLEX и ERMES примерно одинаковы (небольшое преимущество FLEX объясняется несколько большей скоростью) и значительно превосходят аналогичные показатели протокола POCSAG.

Оба протокола (F и Е) обеспечивают синхронный режим работы в отличие от «стартстопного» режима POCSAG и привязаны к системе единого времени. Пейджер включается только в те моменты, когда ожидается прием предназначенной для него информации. Значит, время жизни батареек у протоколов F и Е на порядок выше, чем у POCSAG.

При переходе от протокола POCSAG на протокол ERMES оператор должен полностью заменить оборудование и построить новую сеть ПРВ (стандарта ERMES).

Стандарт FLEX предусматривает работу на трех скоростях (1600, 3200 и 6400 бит/с). Причем, при минимальной скорости 1600 бит/с можно работать, практически не меняя инфраструктуру (передатчик), существующей сети стандарта POCSAG, т.е. можно постепенно переходить от протокола POCSAG к FLEX, а затем от низких скоростей к более высоким. Это приводит к существенной экономии капиталовложений и является одним из основных достоинств данного стандарта.

В США, во многих других развитых странах в СПРВ теперь используются в основном протоколы пейджинговой связи семейства FLEX. Несколько российских пейджинговых компаний начали предоставлять услуги связи с использованием FLEX-формата, как правило, параллельно с работой в стандарте POCSAG, но на другой частоте. Однако широкого распространения FLEX в России пока так и не получил, поскольку при всем информационном преимуществе данного протокола в реализации он пока еще достаточно дорог для российских операторов.

На наш взгляд, параллельное существование пейджинговых систем форматов POCSAG, FLEX и ERMES вполне оправдано в ближайшие годы, а в малых регионах и ведомственных СПРВ формат POCSAG может послужить еще дольше.