Презентация "Беспроводные технологии" для студентов СПО

Беспроводные технологии

Классификация беспроводных сетей. 1

Общего пользования

пейджинг

DECT

сотовые

компьютерные

1G

2G, 2G+

Wi-Fi

WiMAX

Фиксированный

и мобильный

3G

(UMTS, CDMA)

ZigBee

(LTE)

Bluetooth

Классификация беспроводных сетей. 2

Специального назначения

Магистральные

диспетчерские

радиорелейные

транкинговые

спутниковые

оптические

сенсорные

Радио

(УКВ, ФМ, АМ)

Эфирное

телевидение

Сотовые сети связи

• 1G : аналоговые сети. Идея: покрытие пространства «сотами» (зонами действия одной базовой станции) и организация кластеров сот. Поддерживали только телефонию. Стандарты: NMT, AMPS.
• 2 G : цифровые сети с коммутацией каналов. Используется метод доступа с временным разделением каналов. В основе также лежит сотовая структура. Поддерживают телефонию и передачу данных. Для организации более быстрого доступа может использоваться GPRS (2 G +).Стандарты: GSM, D-AMPS, PDC .
• 3 G : цифровые сети с коммутацией каналов / пакетов. Используется широкополосный метод доступа с кодовым разделением каналов, поддерживают передачу мультисервисного трафика. Стандарты: CDMA, WCDMA, cdma2000, i-mode, LTE (3G+).
• 4 G : цифровые сети с коммутацией пакетов.

Стандарт GSM

• В 1980 г. стандартизирован диапазон 900 МГц, позже – 1800 и 1900 МГц. Будет поддерживаться до 2018 года.
• Множественный доступ с временным разделением каналов ( TDMA)
• Структура кадров: 8 временных позиций на 124 несущих.
• Защита от ошибок:

• Блочное и сверточное кодирование с перемежением. Переключение рабочих частот в процессе сеанса связи (217 скачков в с.)
• Блочное и сверточное кодирование с перемежением.
• Переключение рабочих частот в процессе сеанса связи (217 скачков в с.)

• Скорость кодека: 13 кбит/с
• Максимальное количество базовых станций: 16
• Радиус соты: до 35 км

Разделение частот

• Для диапазона 900Мгц:

• Частота ПС на передачу (нисходящий канал): 890-915 МГц Частота ПС на прием (восходящий канал): : 935-960 МГц Дуплексный разнос частот: 45 МГц Базовая станция поддерживает до 16 частотных каналов.
• Частота ПС на передачу (нисходящий канал): 890-915 МГц
• Частота ПС на прием (восходящий канал): : 935-960 МГц
• Дуплексный разнос частот: 45 МГц
• Базовая станция поддерживает до 16 частотных каналов.

• Для диапазона 1800 МГц:

• Частота ПС на передачу (нисходящий канал): : 1710-1785 МГц Частота ПС на прием (восходящий канал): : 1805-1880 МГц Дуплексный разнос частот: 95 МГц Базовая станция поддерживает до 16 частотных каналов.
• Частота ПС на передачу (нисходящий канал): : 1710-1785 МГц
• Частота ПС на прием (восходящий канал): : 1805-1880 МГц
• Дуплексный разнос частот: 95 МГц
• Базовая станция поддерживает до 16 частотных каналов.

Используется частотный метод дуплексирования каналов ( FDD )

Временное разделение ( TDMA) в GSM

Кадр, 4.615 мс

7

6

5

4

3

2

1

0

Канальный интервал, 577 мкс (148 бит + пауза)

8,25

1

3

57

26

1

57

3

Полезная

информация

Пауза

30,44 мкс

Полезная

информация

Тренировочная

последовательность

и ограничители

( Pointer Bit)

1+26+1

Ограничительные интервалы ( Border Bit)

Расширения GSM (2 G +)

• GPRS ( General Packet Radio Service): позволяет пользователю производить обмен данными с другими устройствами в сети GSM и с внешними сетями.

• Идея: информация собирается в пакеты и передаётся через неиспользуемые в данный момент голосовые каналы. Скорость зависит от загрузки сети голосовым трафиком.
• Идея: информация собирается в пакеты и передаётся через неиспользуемые в данный момент голосовые каналы. Скорость зависит от загрузки сети голосовым трафиком.

• EDGO (Enhanced Data rates for G lobal Evolution): относится как к 2 G , так и к 3 G (если очень хочется  )в зависимости от реализации и скорости:

• ECSD - ускоренный доступ в Интернет по каналу CSD (Circuit Switched Data – канал GSM , один временной интервал поддерживает скорость канала 9.6 кбит/с) EHSCSD - по каналу HSCSD (High-Speed Circuit-Switched Data – скорость канала до 14.4 кбит/с) EGPRS - по каналу GPRS
• ECSD - ускоренный доступ в Интернет по каналу CSD (Circuit Switched Data – канал GSM , один временной интервал поддерживает скорость канала 9.6 кбит/с)
• EHSCSD - по каналу HSCSD (High-Speed Circuit-Switched Data – скорость канала до 14.4 кбит/с)
• EGPRS - по каналу GPRS

• Идея: использует метод модуляции 8PSK, позволяющий увеличить скорость до 48 кбит/с на слот.

Структурная схема сети GSM

OMC

NMC

Контроллер

БС

БС

Х.25

ТфОП

Центр

коммутации

TCE

Контроллер

БС

БС

GSM

2Мбит/с

БС

Контроллер

БС

биллинг

VLR

AUC

HLR

Подсистема центра коммутации

EIR

Подсистема базовых станций

• Центр коммутации обслуживает группу сот и является интерфейсом между сотовой сетью и другими сетями (как сотовыми, так и ТфОП и проч.). Обеспечивает маршрутизацию и управление вызовами. Контролирует эстафетную передачу при передвижении абонента из соты в соту. Сигнализация ОКС№7, связь между регистрами посредством Х.25, базовые станции соединены между собой транспортными сетями ( SDH или АТМ).
• БС – базовая станция. Подсистема БС регистрация местоположения и передача управления.
• Контроллер БС – передача вызовов в сотах для БС его зоны. Вызовы на другие БС идут через центр коммутации.
• ТСЕ – транскодер, обеспечивает преобразование речевого сигнала 64 кбит/с в 13 кбит/с (речевой шлюз).

• ОМС – центр эксплуатации и технического обслуживания, обеспечивает:

• Контроль и управление сетью Оценку качества работы сети
• Контроль и управление сетью
• Оценку качества работы сети

• NMC – центр управления сетью на сетевом уровне, обеспечивает:

• Эксплуатацию и техническое обслуживание (через OMC) Управление трафиком Сигнализацию (ОКС№7) Диспетчер при аварийных ситуациях
• Эксплуатацию и техническое обслуживание (через OMC)
• Управление трафиком
• Сигнализацию (ОКС№7)
• Диспетчер при аварийных ситуациях

• HLR – регистр положения. Хранит данные об абонентах ( IMSI и абонентский номер). Использует распределенную структуру хранения информации. Функции:

• Опознание IMSI и аб. N Проверка параметров подлинности Контроль за составом услуг связи Роуминг Таблица маршрутизации
• Опознание IMSI и аб. N
• Проверка параметров подлинности
• Контроль за составом услуг связи
• Роуминг
• Таблица маршрутизации

• VLR – регистр перемещения. Обеспечивает контроль за перемещением абонента. Содержит информацию о контроллере БС, в зоне действия которой находится абонент. Содержит данные об абоненте из HLR на время пребывания абонента в данной зоне.
• EIR – регистр идентификации оборудования. Содержит списки идентификаторов аппаратов (IMEI , хранится в аппарате, отправляется в сеть вместе с SRES) . Позволяет отслеживать несанкциони-рованное использование аппаратов с сети
• AUC – центр аутентификации. Содержит IMSI , обеспечивает работу механизмов аутентификации абонента.

• Формирует ключи и алгоритмы аутентификации Проверяет полномочия абонента Осуществляет доступ к сети связи
• Формирует ключи и алгоритмы аутентификации
• Проверяет полномочия абонента
• Осуществляет доступ к сети связи

Аутентификация абонента

• Для каждого абонента формируются:

• IMSI : идентификатор в данной сети Ki : ключ аутентификации Ai : алгоритм аутентификации
• IMSI : идентификатор в данной сети
• Ki : ключ аутентификации
• Ai : алгоритм аутентификации

Эти данные записываются и хранятся на SIM!

• Процедура проверки:

• Сеть передает случайный параметр RAND . При получении RAND аппарат абонента производит процедуру вычисления: SRES=Ki  [RAND] , где  - оператор аутентификации алгоритма А i. БС также производит процедуру вычисления SRES согласно параметрам, хранящимся в AUC . Аппарат абонента отсылает в сеть значение SRES . Сеть сравнивает значение SRES полученное от абонента и вычисленное на станции. При совпадении значений абонент подключается к сети.
• Сеть передает случайный параметр RAND .
• При получении RAND аппарат абонента производит процедуру вычисления: SRES=Ki  [RAND] , где  - оператор аутентификации алгоритма А i.
• БС также производит процедуру вычисления SRES согласно параметрам, хранящимся в AUC .
• Аппарат абонента отсылает в сеть значение SRES .
• Сеть сравнивает значение SRES полученное от абонента и вычисленное на станции. При совпадении значений абонент подключается к сети.

C ети 3 G

• Две основные линии развития:

• CDMA, cdma2000, i-mode UMTS, WCDMA
• CDMA, cdma2000, i-mode
• UMTS, WCDMA

• Необходимость перехода от передачи речи к мультисервисным сетям и поддержка IP привела к появлению LTE.

Линия CDMA

• CDMA – множественный доступ с кодовым разделением каналов ( Code-Division Multiple Access) .
• Поддерживает широкий ряд технологий
• Три вида кодового разделения каналов: методом прямой последовательности ( DS ), частотных скачков ( FH ), временных скачков ( TH ). Основным стал DS .
• Обеспечивает высокую помехоустойчивость, качество связи и скрытность информации за счет особенностей алгоритмов.

Принцип кодового разделения каналов методом DS

• Логические каналы формируются за счет расширения спектра сигнала последовательностями Уолша:

• каждая из последовательностей представляет собой строку матрицы Адамара все строки матрицы и их инверсия ортогональны
• каждая из последовательностей представляет собой строку матрицы Адамара
• все строки матрицы и их инверсия ортогональны

Пример формирования последовательностей Уолша

Матрица Адамара 1го порядка

Матрица Адамара 2го порядка

Матрица Адамара 4го порядка

Канал1: 1,1,1,1

Канал2: 1,0,1,0

Канал3: 1,1,0,0

Канал4: 1,0,0,1

Последовательности Уолша:

Алгоритм передачи в нисходящем канале (от абонента)

• Защитное сверточное кодирование (на вход подаются данные со скоростью до 9.6 кбит/с).
• Повторитель (повторение до 8 раз в зависимости от условий связи).
• Перемежение (защита от групповых ошибок)
• Маска длинного кода (или идентификатор мобильной станции: 42-разрядное число).
• Модуляция последовательностями Уолша (каждый бит перемножается на 64-разрядную последовательность).
• QPSK -модулятор (фазовая модуляция может быть 4х или 8ми позиционной).

Развитие стандартов 3 G

• CDMA – семейство стандартов c 1995 г. Развитие получил IS- 95 (cdmaOne ):

• скорость до 14,4 кбит/с, 64 канала радиус соты до 20 км Поддержка базовой станцией до 45 фиксированных и до 25 подвижных абонентов.
• скорость до 14,4 кбит/с,
• 64 канала
• радиус соты до 20 км
• Поддержка базовой станцией до 45 фиксированных и до 25 подвижных абонентов.

• Подразумевает эволюционный путь развития – технологии cdma2000 , 1х EVDO (передача данных на одной несущей).

Линия UMTS

• Поддержка разноса каналов: частотный FDD WCDMA и временной TDD WCDMA .

• для FDD WCDMA

• Работа как в синхронном, так и асинхронном режиме Поддержка скорости до 2 Мбит/с для малоподвижных абонентов и до 384 кбит/с для подвижных Частотный диапазон 5 МГц
• Работа как в синхронном, так и асинхронном режиме
• Поддержка скорости до 2 Мбит/с для малоподвижных абонентов и до 384 кбит/с для подвижных
• Частотный диапазон 5 МГц

• для Т DD WCDMA

• Совмещает временное разделение дуплексных каналов, временное мультиплексирование каналов и кодовое мультиплексирование каналов. Интегрируется с GSM (поддержка протоколов верхних уровней и сигнализации) Поддерживает скорости до 2 Мбит/с Радиус соты до 40 км Скорость движения абонента до 120 км/ч.
• Совмещает временное разделение дуплексных каналов, временное мультиплексирование каналов и кодовое мультиплексирование каналов.
• Интегрируется с GSM (поддержка протоколов верхних уровней и сигнализации)
• Поддерживает скорости до 2 Мбит/с
• Радиус соты до 40 км
• Скорость движения абонента до 120 км/ч.

LTE : Long - Term Evolution

• Коммутация пакетов, на сетевом уровне базовый протокол IP .
• Собственный радиоинтерфейс.
• Ассиметричный канал (до 100 Мбит/с прямой, до 50 Мбит/с обратный).
• Радиус соты до 50 км.
• MIMO (многоантенные системы).
• Возможность вариации частотного диапазона и ширины полосы пропускания.
• Поддержка частотного и временного дуплексного разделения каналов.

• Модуляция: OFDM (вниз) и SC-FDMA (вверх).
• Шаг между поднесущими 15 кГц
• Длительность радиокадра 10 мс

• Поддерживает два типа радиокадров: для частотного (20 слотов по 0.5 мс) и временного (2 полукадра по 5мс, в каждом по 5 субкадров по 1 мс) дуплексирования отдельно .

19

1

2

3

0

Защитный

интервал

UpPTS

1 мс

DwPTS

5

4

3

Субкадр 2

9

Субкадр 0

Полукадр 2

полукадр 1

Требования к стандарту мобильных сетей четвертого поколения (4G)

• Максимальная скорость передачи данных в нисходящем радиоканале до 1 Гбит/с, в восходящем – до 500 Мбит/с;
• Полоса пропускания в нисходящем радиоканале – 70 МГц, в восходящем – 40 МГц;
• Максимальная эффективность использования спектра в нисходящем радиоканале – 30 бит/c/Гц, в восходящем – 15 бит/c/Гц (втрое выше, чем в LTE);
• Полная совместимость и взаимодействие с LTE и другими 3GPP системами.