Главная

Технологии передачи информации в сетях сотовой связи

Система сотовой связи представляет собой совокупность нескольких взаимодействующих между собой элементов. Для нормального функционирования системы все элементы должны быть связаны между собой для передачи сигнальной информации и полезной нагрузки, т.е. абонентского трафика. При этом очень важно выбрать подходящий способ передачи информации между сетевыми элементами. Необходимо учитывать не только объемы передаваемых данных, но и требуемую надежность канала связи, удаленность объектов. Также необходимо учитывать экономическую эффективность и возможность наращивания пропускной способности в будущем. Если к тому же учесть все многообразие производителей телекоммуникационного оборудования, то задача выбора технологии передачи данных становится действительно сложной задачей. Однако в любом случае существуют некоторые типовые решения по выбору протоколов передачи информации и каналообразующего оборудования. Ниже перечислены наиболее часто используемые протоколы и технологии, используемые при передаче информации между сетевыми элементами в сотовых системах связи:

•IP - Internet Protocol

•Frame Relay

•Ethernet

•ATM - Asynchronous Transfer Mode

•PDH - Plesiochronous Digital Hierarchy

•SDH - Synchronous Digital Hierarchy

•Fiber optic (оптическое волокно)

•DWDM - Dense wavelength division multiplexing

•Радиорелейные линии связи (РРЛС)

Каждой из перечисленных выше технологий (протоколов) посвящена статья, в которых кратко рассматриваются принципы реализации, их основные преимущества и недостатки, а также области применения в системах сотовой связи.

Большинство существующих каналов связи строится именно на основе перечисленных выше технологий и стеков протоколов. Причем, необходимо отметить, что сотовые системы связи – это одна из самых быстроразвивающихся отраслей телекоммуникаций, в которой используются наиболее современные технологии и разработки. Большинство из новинок в области передачи информации появляются впервые именно в системах сотовой связи. Также отличительной чертой является то, что компании сотовой связи приобретают разнотипное оборудование, различных производителей. Это обусловлено, главным образом, большим разнообразием различных вариантов расположения оборудования. Поэтому практически любая сеть сотовой связи представляет собой "выставку" технологий передачи и, изучив используемые способы передачи лишь одного оператора, можно ознакомиться со всеми основными применяемыми в телекоммуникациях решениями.

Главная Радиорелейные линии связи (РРЛС)

Системы сотовой связи по своей природе являются распределенными телекоммуникационными объектами. Наибольший географический разброс по своей специфике получили элементы системы базовых станций (BSS/UTRAN ), а именно сами базовые станции (BTS, NodeB). Это связано с тем, что задача базовых станций обеспечивать покрытие сигналом сотовой связи на как можно большей территории. Одним их ограничивающих факторов быстрого разворачивания сети сотовой связи является необходимость организации транспортных потоков между базовыми станциями и контроллером базовых станций. Для строительства кабельных сооружений (электрических или оптических) может потребоваться длительное время: от нескольких месяцев, до нескольких лет. Если речь идет о горной, болотистой либо другой труднопроходимой местности, то строительство кабельной линии связи может оказаться практически невозможным. Кроме того, строительство проводной линии связи требует больших финансовых затрат, что может оказаться экономически невыгодным, если требуется организовать интерфейс лишь до одной-двух базовых станций. Удобное решение в подобной ситуации предлагают радиорелейные линии связи. Строительство пролета РРЛ занимает не более нескольких дней с учетом времени необходимого на настройку и запуск. Также разворачивание радиорелейного пролета требует гораздо меньших финансовых затрат, а максимальная протяженность может достигать 50 км и более.

Рассмотрим принцип организации связи с помощью радиорелейных систем передачи. На каждом из двух концов должен быть установлен комплект оборудования для организации связи, который обычно включает в себя внутренний блок, внешний модуль и излучающая параболическая антенна. Внутренний модуль устанавливается в аппаратной, в непосредственной близости к телекоммуникационному оборудованию, либо в специальный термоизоляционный контейнер. Он выполняет задачи коммутации и мультиплексирования нескольких сигналов в один, модуляцию сигнала на промежуточную частоту, управление внешним модулем, а также отвечает за переключение на резерв, если это предусмотрено конструкцией РРЛС. Внутренний модуль может обслуживать от одного до нескольких комплектов внешнего оборудования (внешний модуль + антенна). Внешний модуль представляет собой преобразователь, который переносит сигнал с промежуточной частоты, полученный от внутреннего модуля на основную частоту, лежащую в пределах 6-38 ГГц. Это его главная функция. Внутренний и внешний модули соединяются, обычно, коаксиальным кабелем. После перемодуляции сигнала во внешнем модуле сигнал излучается через параболическую антенну. С противоположной стороны должен быть установлен аналогичный комплект оборудования. Обычно все современные РРЛ являются дуплексными, т.е и передавать, и принимать сигнал они могут через один и тот же комплект оборудования.

Главная Радиорелейные линии связи (РРЛС)

При настройке РРЛС должна быть обеспечена прямая видимость между обеими антеннами. Сам процесс настройки носит название "юстировка". При этом путем изменения направления излучения основного лепестка для обеих антенн добиваются максимально возможного уровня приема сигнала на каждой стороне. Чем выше будет уровень принимаемого сигнала, тем более устойчив будет радиорелейный пролет к внешним метеоусловиям. Кроме того, уровень сигнала может повлиять на емкость системы, т.к. оборудование некоторых производителей предусматривает снижение емкости РРЛС при достижении некоторого минимального уровня.

Предельная дальность современных РРЛ, как правило, ограничена 50 км. Благодаря цифровому способу передачи и помехоустойчивому кодированию, они могут противостоять неблагоприятным метеоусловиям. Однако обычно для длинных пролетов вводятся некоторые ограничения: пролет должен быть максимально "чистым", т.е. между антеннами не должно быть ни каких препятствий. Кроме того, должна быть использована минимальная частота и максимальный диаметр параболической антенны. Также обычно эти РРЛС имеют уменьшенную емкость. На практике чаще используются менее длинные пролеты (протяженностью до 30 км).

В настоящее время на рынке телекоммуникационного оборудования представлено множество вариантов различных производителей, как по емкости, так и по стоимости. Существуют РРЛ, которые позволяют передавать до 500 Мбит/сек и поддерживают транспортные потоки 2хSTM-1, Fast и Gigabit Ethernet. Однако данные системы достаточно дорогие и на практике большее распространение нашли

РРЛС емкостью 16 и 64 E1 потоков.	Структура радиорелейного пролета
Хотя системы радиорелейные линии связи и
предусматривают помехоустойчивое кодирование и
резервирование, они обладают меньшей надежностью, чем
кабельные линии связи. Поэтому на важных интерфейсах,
например BSC-MSC, RNC-MGW, RNC-SGSN и т.п.,
обычно применяются кабельные линии связи. Однако
высокая скорость реализации и низкая стоимость
позволяют говорить, что РРЛ будут и в дальнейшем
применятся при строительстве систем базовых станций (
BSS/UTRAN). Множество фотографий с изображениями
антенн РРЛ .

Главная Радиорелейные линии связи (РРЛС)

На фотографии изображена металлоконструкция, расположенная на крыше нежилого двухэтажного строения. На металлоконструкции имеются антенны РРЛ, панельные антенны, МШУ и внешние блоки БС UMTS.

Металлоконструкция на крыше строения

1 - панельные антенны

2 - внешние блоки БС 3G

3 - МШУ

4 - антенны РРЛ

5 - внешний радиомодуль антенны РРЛ

6 - фидерная трасса

Главная

Fiber optic (оптическое волокно)

В настоящее время в сотовой связи, с появлением новых стандартов 3G, таких как UMTS значительно возрос объем передаваемых данных по магистральным сетям. В сотовых компаниях часто существует единственный на несколько регионов, иногда даже федеральный округ, центр обработки данных. Поэтому возникает необходимость в организации высокоскоростных каналов передачи информации. Существующие проводные и радиорелейные линии связи, которые хорошо подходят для организации каналов связи внутри регионов для передачи речевой информации и небольших объемов данных оказались не способными принять возросший поток пакетных данных. Они подходят для передачи информации до 100 Мбит/сек. Наиболее эффективным способом передачи больших объемов данных на значительные расстояния являются волоконно-оптические линии связи (ВОЛС), которые в настоящее время получили достаточно широкое распространение. В данной статье рассматриваются принципы построения, преимущества и недостатки, а также возможные способы увеличения скорости передачи данных по ВОЛС.

Оптическое волокно представляет собой тонкий гибкий кремниевый стержень. Принцип передачи информации весьма отличается от электрических систем связи. Как известно наименьшей единицей передаваемых данных является бит, который может принимать два значения: "0" и "1". В проводных системах связи значения битов кодируются изменением одного из параметров несущей: частоты, амплитуды или фазы. В оптических системах связи информация передается путем подачи импульса света в оптическое волокно. Задачей приемной стороны является детектирование, т.е. определение наличия в волокне принятого импульса. Главное преимущество такого способа передачи информации заключается в том, что оптическое волокно вносит гораздо меньшее затухание в передаваемый сигнал. Поэтому сигнал может быть передан без переизлучения на гораздо большее расстояние. Кроме того, ВОЛС обладают гораздо более широкой полосой пропускания, чем электрические линии связи, что позволяет передавать данные с гораздо большей скоростью. Также оптическое волокно обладает и другими преимуществами: низкая подверженность внешним электрическим помехам, пожаропрочность, электробезопасность.

ВОЛС в простейшем случае состоит из: электронно-оптического преобразователя, передатчика оптического сигнала (излучателя), непосредственно оптический кабель связи, приемник оптического сигнала (детектор), оптоэлектронный преобразователь. Также в ВОЛС могут применятся переизлучатели (повторители и усилители), для увеличения протяженности линии связи. Если в электрических линиях связи услители необходимо устанавливать через каждые 10-20 км, то в ВОЛС длина ретрансляционного участка может достигать 100 км.

Главная

Fiber optic (оптическое волокно)

Оптический кабель связи является многослойным. В его центре располагаются сами оптические волокна. Их число может быть от 1 до нескольких десятков. Дополнительные волокна могут применятся как для резерва, так и для повышения пропускной способности. Оптические волокна помещаются в, так называемые, модули – пластиковые трубки. Их так же может быть от 1 до 4, в зависимости от типа кабеля. Далее, поверх модулей накладываются несколько изолирующих и бронирующих слоев, число и толщина которых зависит от условий прокладки кабеля.

Принципиальное устройство ВОЛС

Структура оптического кабеля связи

Обычные волоконно-оптические системы связи, без технологий уплотнения сигналов, позволяют передавать данные со скоростью до 10 Гбит/сек. При этом ВОЛС совместимы с такими распространенными технологиями как PDH, SDH, ATM. Так, например, если в системе используется технология SDH, то по обычной ВОЛС может передаваться STM-64. Еще 10-15 лет назад такая пропускная способность была более чем достаточна для связи крупнейших объектов. Однако, как отмечают исследователи, объем передаваемых по телекоммуникационным линиям данных удваивается каждые 2 года. К настоящему моменту времени это оказывается недостаточно. Тогда, также как и в электрических линиях связи в свое время, начались поиски путей увеличений пропускной способности ВОЛС, т.е. началась разработка различных способов уплотнения.

Наиболее эффективными способами увеличения пропускной способности являются WDM (wavelength division multiplexing) и DWDM (Dense wavelength division multiplexing). Благодаря ним скорость может достигать 1 Тбит/сек и более.

Как уже отмечалось ранее, волоконно-оптические лини связи получили широкое применение в сотовых системах связи после развертывания сетей стандарта UMTS. ВОЛС обычно используются на интерфейсах между RNC и SGSN, а также RNC и MGW. Также иногда оптические линии связи применяются для связи крупных транспортных узлов, например объединяющих потоки с нескольких NodeB. Благодаря многочисленным преимуществам ВОЛС можно с уверенностью сказать, что они не только далее будут применяться для передачи данных, но и говорить о развитии сети ВОЛС в будущем.

Главная	IP - Internet Protocol

Для того, чтобы рассмотреть протокол IP, необходимо сначала разобраться чем отличается коммутация каналов и коммутация пакетов и для каких видов информации они применяются.

При организации каналов между двумя устройствами возможны два способа коммутации: каналов и пакетов. Коммутация каналов предусматривает установление соединения от источника к получателю с фиксированной полосой пропускания и неизменным маршрутом передачи на весь сеанс связи. Главное преимущество такого вида коммутации – гарантированная полоса пропускания, что является очень важным для сервисов чувствительных к задержкам. С другой стороны этот вид коммутации является неэкономичным, т.к. ресурсы сети занимаются на все время существования соединения независимо от того: передаются ли данные или нет. Коммутация пакетов наиболее удачно подходит для передачи голосовой информации.

Если сеть связи реализована на основе коммутации пакетов, то между источником и получателем нет постоянного соединения с фиксированной полосой пропускания. Вся информация делиться на порции и передается в виде пакетов. Промежуточные элементы сети – маршрутизаторы, анализируют адрес получателя пакета, заключенный в заголовке, и направляют пакет в нужном направлении. Причем в зависимости от загрузки отдельных сегментов сети маршрут передачи пакетов может меняться со временем. Главным преимуществом такого вида коммутации является высокий процент использования пропускной способности каналов связи. Это достигается за счет того, что свободное место в канале связи, возникающее во время пауз либо низкой интенсивности источника информации передаются пакеты других источников. Недостаток также очевиден – возможные задержки в передаче. Это обусловлено тем, что пропускная способность – это общий ресурс и если канал уже будет занят к моменту поступления новых пакетов, то они будут буферизироваться, т.е. ставятся в очередь до появления свободной пропускной способности в канале связи. Данный вид коммутации хорошо подходит для передачи трафика не чувствительного к задержкам, например для передачи данных (доступ в сеть Интернет).

IP (Internet Protocol) – протокол сетевого уровня сетевой модели OSI (Open Systems Interconnection) и относится к протоколам, которые организуют соединения на основе коммутации каналов. Из названия уже видно, что главная его задача – это передача данных, в том числе и во время доступа в сеть Интернет. Принцип организации IP-соединения следующий: информация поступающая от источника нарезается на небольшие порции, т.е. ячейки. Причем они могут быть не обязательно равной длинны. После нарезки к пакету информации присоединяется заголовок, в котором содержится служебная информация, необходимая для передачи: длинна пакета, класс трафика, версия протокола, а также адреса получателя и отправителя. В зависимости от формата, а точнее от числа байт, задействуемых для передачи адреса различают IPv4 и IPv6. В IPv4 используется 4 байта для кодирования адреса получателя, а для IPv6

– 16 байт. Это и есть ключевое различие между данными версиями. Причем как предсказывают аналитики, весь возможный диапазон адресов для IPv4 будет исчерпан в ближайшие 1-2 года, что приведет к коллапсу компьютерных сетей. Однако в сотовых системах связи, на интерфейсах между элементами, используется закрытая нумерация, и эта проблема им не грозит, также как и другим локальным сетям. После добавления служебной информации IP-пакеты передаются далее по стеку протоколов, после чего попадают в канал связи. На пути между отправителем и получателем могут быть расположены несколько промежуточных коммутационных устройств, называемых маршрутизаторы. Главная их задача заключается в анализе IP-заголовка, считывании адреса получателя и передаче пакета далее в соответствии с таблицей маршрутизации с учетом загрузки соединительных каналов.

Главная	IP - Internet Protocol

После получения IP-пакета анализируется только целостность заголовка, без анализа целостности полезной нагрузки. В случае повреждения заголовка данный пакет просто будет удален. Вся нагрузка, пришедшая в пакетах с неискаженным заголовком, передается на верхние протокольные уровни. В виду того, что Internet Protocol не анализирует качество передачи, то этот протокол не используется в одиночку, а применяется в стеке с другими протоколами, такими как TCP или UDP.

Главным преимуществом технологии IP-коммутации является распределенность сети, т.е. у нее нет единого центра и, соответственно, "узкого горлышка". Таким образом, обеспечивается легкость увеличения пропускной способности сети и добавления новых элементов. Кроме того, IP-сети за счет пакетной коммутации позволяют по максимуму задействовать всю пропускную способность имеющихся каналов связи. К основным недостаткам можно отнести возможность задержки пакетов на промежуточных соединениях, однако при продуманном планировании сети и тщательном подборе пропускной способности больших перегрузок можно избежать. Также к недостаткам можно отнести большой размер заголовка IP. Эта проблема обычно решается введением дополнительного протокола, который преобразует IP-заголовки в заголовки гораздо меньшего размера, а для исходящих пакетов, например в сеть Интернет, производит обратную процедуру.

В сотовых системах связи IP активно используется на интерфейсах, где передаются данные. К таким интерфейсам относятся соединения между BSC и SGSN, RNC и SGSN, SGSN и GGSN и т.д. Кроме того, в стандартах 3G (например, UMTS) применяется не только для передачи данных, но и голоса на интерфейсах между RNC и NodeB, RNC и MGW, а также для передачи сигнальной информации на всех интерфейсах. В системах четвертого поколения, таких как LTE предполагается, что вся информация передается с помощью Internet Protocol.

Пример IP сети

Главная	Эволюция технологий передачи данных
	в сотовых системах связи.

Сегодня трудно себе представить сотовую связь без передачи данных. Для абонентов уже стало привычным проверить почту или посетить пару web-страниц. Многие услуги, предоставляемые оператором, используют подключение к сети Интернет. Передачу данных через сотовые системы связи часто используют для доступа в сеть Интернет с мобильных компьютеров, что делает их по-настоящему мобильными. Однако удовлетворительные скорости передачи данных были не всегда доступны для абонентов. Итак, проследим эволюцию технологий передачи данных в сотовых системах связи.

На заре сотовой связи, когда сотовый телефон использовался в первую очередь как телефон, т.е. для того чтобы совершать звонки, для стандарта NMT (1981 год) была предложена новая услуга – передача данных. Максимальная скорость была ограничена 1,2 кбит/сек. В те времена еще не было сети Интернет, и основное назначение данной услуги было передача текста. Однако в то время эта услуга не нашла особого интереса к себе и лишь несколько операторов решили реализовать ее на практике.

Стандарт GSM – это первый стандарт сотовой связи, в котором предполагалась услуга передачи данных еще до начала разработки. Она реализовывалась на основе технологии CSD (Circuit Switched Data) с максимальной скоростью 9,6 кбит/сек. Данные передавались внутри разговорных каналов. Соответственно, скорость была ограничена пропускной способностью одного таймслота. С помощью технологии HSCSD (High Speed Circuit Switch Data) скорость передачи данных может быть увеличена до 57,6 кбит/сек. Это было достигнуто за счет возможности объединения нескольких свободных таймслотов для передачи данных одного абонента.

Данные в случае с коммутируемым соединением передаются по разговорным каналам вплоть до MSC и коммутируются через него в направление к другим сетям передачи данных. При этом максимальная суммарная скорость строго ограничена скоростью передачи по отдельным таймслотам. Чтобы еще увеличить максимально-возможную скорость необходимо отделить передаваемые данные от голоса еще до центрального коммутатора. Кроме того, нужно изменить способ кодирования информации на радиоинтерфейсе между базовой станцией и телефоном абонента. С учетом этого была разработана другая технология – GPRS (General Packet Radio Service). Передаваемые данные отделялись от остального трафика в контроллере базовых станций, который претерпевал замену программного обеспечения и некоторые аппаратные доработки. Также для сети GPRS добавлялись 2 новых элемента: GGSN и GGSN, которые представляют собой маршрутизатор и шлюз, соответственно. Скорость передачи данных в сетях GPRS может достигать 171,2 кбит/сек. Следующим шагом увеличения скорости передачи данных стало изменение способа модуляции передаваемых данных на радиоинтерфейсе. Благодаря этому скорость была увеличена до 326 кбит/сек. Эта технология получила название EDGE – самая скоростная технология передачи данных в сетях GSM.

Главная

Эволюция технологий передачи данных в сотовых системах связи.

Эксплуатация систем сотовой связи второго поколения показала заинтересованность абонентов в высокоскоростной передаче данных, что создало предпосылку для появления стандарта третьего поколения – UMTS (Universal Mobile Telecommunications System). Максимальная скорость передачи данных для данного стандарта ограничивается 2 Мбит/сек. Такое увеличение скорости, прежде всего, обусловлено изменениями в способе передачи данных между базовой станцией и терминалом абонента. Следующим шагом стало появление технологии HSDPA (High Speed Downlink Packet Access), которая предоставляет скорости передачи данных уже до 14,4 Мбит/сек. Изменению в данном случае подвергся способ модуляции данных на пути от базовой станции к телефону. Таким образом, благодаря технологии HSDPA сотовые сети связи практически сравнялись по скорости с проводными технологиями.

Однако объемы передаваемой информации по телекоммуникационным сетям увеличивается ежегодно и даже технология HSDPA перестанет удовлетворять потребности пользователей. Чтобы на долгое время вперед решить проблему пропускной способности был разработан стандарт четвертого поколения, который получил название LTE (Long Term Evolution). Кроме увеличения скорости данный стандарт позволяет увеличить емкость сети, снизить качество и усилить безопасность. Максимальная скорость передачи теоретически может достигать 326,4 Мбит/сек. Подобные скорости может предложить разве что оптоволоконная система связи. В декабре 2009 года была запущена в коммерческую эксплуатацию первая система сотовой связи этого стандарта. В ближайшие 2 года сети LTE планируют построить еще в нескольких странах.

Таким образом, за неполные 3 десятилетия скорости передачи информации по сотовым сетям связи увеличились в сотни тысяч раз. Конечно, представленные в статье скорости лишь теоретически достижимы. На практике реальная скорость, как правило, в два, а то и в три раза меньше максимальной. Но эти цифры помогают оценить скорость эволюции технологий, хотя здесь в пору термин революции.

В таблице представлены все упомянутые технологии, отсортированные в порядке увеличения скорости

NMT	1,2	кбит/сек
CSD	9,6	кбит/сек
HSCSD	57,6 кбит/сек
GPRS	171,2		кбит/сек
EDGE	384,2		кбит/сек
UMTS	2 Мбит/сек
HSDPA	14,4 Мбит/сек
LTE	326,4		Мбит/сек