Мобильные телекоммуникации

GSM — система, базирующаяся в основном на коммутации каналов. Применение модема на переносной ЭВМ позволяет подключиться к сети Интернет. Но здесь не все беспроблемно. Базовые станции временами теряют связь друг с другом (переключение с канала на канал), что может приводить к 300 миллисекундным потерям данных. Как уже говорилось выше, здесь высока вероятность ошибок. Так, нажав клавишу "a", можно получить на экране букву "я". Да и расценки за минуту работы в Интернет здесь весьма высоки. В связи с этим был разработан стандарт на цифровую систему коммутации пакетов CDPD (Cellular Digital Packet Data). Схема реализации CDPD показана на рис. 8.5.

Рис. 8.5. Соединения цифровой системы CDPD

Система работает поверх AMPS и обеспечивает информационную пропускную способность на уровне 9,6 Кбит/с. CDPD довольно точно следует модели OSI и состоит из трех типов станций: мобильные ЭВМ, базовые станции и базовые интерфейсные станции. В CDPD определены три типа интерфейсов. Е-интерфейс (внешний по отношению к CDPD-провайдеру) соединяет CDPD-область с определенной сетью. I-интерфейс (внутренний по отношению к CDPD-провайдеру) соединяет CDPD-области друг с другом. A-интерфейс (эфирный) используется для связи базовой станции с мобильной ЭВМ. В функции этого интерфейса входит сжатие и шифрование данных, а также исправление ошибок. 274-битные блоки сжатой и зашифрованной информации вкладываются в 378-битовые блоки, предназначенные для коррекции ошибок с привлечением алгоритма Рида-Соломона. К каждому такому блоку добавляется семь 6-битовых флагов. Результирующие блоки имеют 420 бит и передаются в виде семи 60-битовых микроблоков. Каждый микроблок имеет свой собственный 6-битовый флаг, используемый для индикации состояния канала. Эти микроблоки передаются к базовой станции со скоростью 19,2 Кбит/с. Канал с аналогичным быстродействием создается для пересылки информации в противоположном направлении. При обмене применяется мультиплексирование с делением по времени. При этом временные домены имеют длительность 3,125 мсек (60 бит).

Когда мобильная ЭВМ хочет что-то передать, прослушивается канал базовой станции и проверяется флаг, сообщающий, свободен ли входной канал базовой станции. Если канал занят, ЭВМ, вместо ожидания очередного временного домена, пропускает псевдослучайное число временных доменов, после чего повторяет попытку. Если повторная попытка неудачна, время ожидания увеличивается примерно вдвое. Когда, наконец, ЭВМ обнаруживает, что канал свободен, она начинает пересылку своих микроблоков. Предусмотрена процедура, препятствующая попытке всех ЭВМ, готовых к передаче, захватить канал, как только он оказался свободным. Этот алгоритм называется DSMA (Digital Sense Multiple Access). Но, несмотря на применение DSMA, столкновение все же возможно, так как две или более ЭВМ могут воспользоваться одним и тем же временным доменом для начала передачи. Для выявления столкновений предусмотрен специальный флаг, который позволяет судить, корректно ли доставлен предыдущий микроблок. К сожалению, это происходит не мгновенно, а лишь после нескольких микроблоков. При обнаружении ошибки передача прерывается.

Следует иметь в виду, что информационный обмен имеет более низкий приоритет по отношению к передаче голосовых данных.

Предусмотрена возможность создания выделенных CDPD-каналов.

Немалую проблему для мобильной связи ЭВМ составляет маршрутизация. В традиционной схеме каждая ЭВМ имеет постоянный IP-адрес (во всяком случае на время сессии). При мобильной связи это не так. Путь передачи пакета в Интернет определяется IP-адресом места назначения. Машины могут быть стационарными, мигрирующими или мобильными. Мигрирующими ЭВМ называются тогда, когда их положения время от времени изменяется (например, портативная ЭВМ переносится из здания в здание и там подключается к сети). Такие машины не меняют своего положения во время сессии.

Для решения этой проблемы в каждый узел, где имеются мобильные объекты, должны содержать программы "локальный агент" и "внешний агент". Локальный агент – это программа, которая отслеживает истинное положение ЭВМ, приписанной к данной локальной сети. Внешний агент – программа, выявляющая появление новых ЭВМ в зоне обслуживания. Данная программа часто размещается в узле мобильной связи. Сеть разбивается на области, которые могут быть ячейками мобильной связи или локальными сетями.

Когда пользователь появляется в некоторой области, его ЭВМ должна там зарегистрироваться у внешнего агента. Периодически каждый внешний агент широковещательно уведомляет о своем существовании. Мобильный пользователь может некоторое время ждать такого уведомления или сам послать широковещательный запрос типа "Имеется ли здесь внешний агент?".

В процессе регистрации мобильная ЭВМ передает внешнему агенту свой IP-адрес (в домашней локальной сети), текущий МАС-адрес и некоторую информацию, обеспечивающую нужный уровень безопасности.

Внешний агент контактирует с локальным агентом мобильной ЭВМ, размещенным в ее локальной сети, уведомляя его о том, что его ЭВМ находится именно здесь, и направляя свой IP-адрес и параметры, обеспечивающие безопасность.

Локальный агент анализирует полученные данные (сюда входит и временная метка). Если с его точки зрения все в порядке, он посылает уведомление об этом внешнему агенту.

Когда внешний агент получает подтверждение от локального агента, он заносит необходимые данные в таблицы (базу данных) и уведомляет мобильную ЭВМ об успешной регистрации. В идеале при уходе из области пользователь должен бы уведомить внешнего агента об этом. Но чаще всего это не производится.

Рассмотрим случай, когда хозяин мобильной ЭВМ, живущий в Красноярске, оказался в командировке в Москве, едет в автомобиле и хочет прочесть электронную почту в своем офисе дома. Как он может это практически сделать?

Пакеты, посылаемые пользователю мобильной ЭВМ, перехватываются локальным агентом. Последний определяет по своим записям, где в данный момент находится мобильная ЭВМ, и определяет адрес соответствующего внешнего агента в Москве. Далее локальный агент инкапсулирует пакет в поле данных IP-пакета и посылает его внешнему агенту. Такая процедура называется туннелированием. Получив пакет, внешний агент извлекает вложенные данные и посылает их мобильной ЭВМ. После этого локальный агент предлагает отправителю посылать данные непосредственно мобильному адресату, инкапсулируя их в кадры, направляемые внешнему агенту, а не в локальную сеть приписки данной машины. Если мобильная ЭВМ покидает область данного внешнего агента и попадает в область другого агента, вся процедура должна повториться вновь. После широкого внедрения адресации IPv6 мобильной ЭВМ можно будет присваивать новый уникальный адрес, что может упростить протокол общения. Схема таких пересылок при работе с мобильной машиной показана на рис. 8.6.

Рис. 8.6. Схема обменов при работе с мобильной ЭВМ

GSM использует довольно сложную комбинацию методик ALOHA, TDM и FDM. CDPD для передачи одиночных кадров не вполне согласуется с алгоритмом CSMA. Впрочем, существует еще один метод формирования радио каналов — CDMA (Code Division Multiple Access).

Метод CDMA принципиально отличается от описанных выше, которые использовали для демультиплексирования доступа FDM, TDM или ALOHA. CDMA позволяет каждой станции осуществлять передачу во всем частотном диапазоне постоянно. Множественные передачи реализуются с привлечением теории кодирования. Здесь предполагается, что сигналы, совпадающие по времени, складываются линейно.

В CDMA каждый бит-тайм делится на m коротких интервалов, называемых чипами. Обычно используется 64 или 128 чипов на бит. Каждой станции присваивается уникальный m -битный код (chip sequence). Чтобы передать 1 бит, станция посылает свой чип-код. Для простоты далее будем предполагать, что m=8. Для того, чтобы послать нулевой бит, посылается дополнение чип-кода по модулю один. Никакие другие кодовые последовательности не разрешены. Например, пусть станции 1 поставлен в соответствие чип-код 01010101, тогда при посылке логической 1 она отправляет код 01010101, а при отправке логического нуля — 10101010. Если имеется канал с полосой 1 МГц и 100 станций с FDM, то каждая из них получит по 10 кГц (10 Кбит/c при 1 бите на Гц). При CDMA каждая станция использует весь частотный диапазон, так что будет получена скорость передачи 1 мегачип в секунду. При менее 100 чипов на бит CDMA обеспечивает большую пропускную способность, чем FDM. Для упрощения введем двухполярную нотацию, где нулю соответствует -1, а единице +1. Тогда чип-код станции 1 получит вид -1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 +1. Каждая из станций получает уникальный чип-код. Чип-коды можно представить в виде m-компонентных векторов. Чип-коды выбираются так, что все они попарно ортогональны (не любой уникальный чип-код пригоден, так, если станция 1 имеет чип-код 01010101, то станция 2 не может иметь чипкод 10101001, но чип-код 10100101 вполне допустим). Математически это можно выразить следующим образом:

где и - компоненты векторов чип-кодов и . Это равенство указывает, что число разных компонентов равно числу равных. Если и ортогональны, то и . В то же время:

( 8.1)

Когда сигналы от разных станций совпадают во времени и складываются, принимающая сторона легко может вычислить наличие соответствующей компоненты. Если компоненты суммарного сигнала , то компоненты вычисляются с помощью произведения . Действительно, если:

Здесь первые два слагаемых равны нулю в силу ортогональности выбранных чип-кодов. Последнее же слагаемое равно 1 согласно формуле [8.1]. Во всех этих рассуждениях предполагалось, что все станции работают синхронно и начинают передачу чип-кодов одновременно.

Для пояснения метода рассмотрим конкретный пример в выше предложенной нотации. Присвоим станциям F, G, H, I ортогональные чип-коды:

Теперь рассмотрим четыре варианта наложений:

Только

Для выявления наличия компоненты G выполним операции "умножения" согласно описанным выше правилам.

S₁*G =[-1 -1 -1 -1 +1 +1 +1 +1]/8=0 (G отсутствует)

S₂*G =[0 -2 0 -2 - +2 0 +2]/8=0 (G отсутствует)

S₃*G =[+1 +1 -1 -1 +1 +1 +3 +3]/8=1 (G имеется — передана логическая 1)

S₄*G =[-1 -1 -3 -3 -1 -1 +1 +1]/8=-1 (G имеется — передан логический 0)

Хотя теоретически здесь все прекрасно, наложение слишком большого числа чип-кодов может создать проблемы и, в конечном итоге, привести к ошибкам. Здесь невозможно также применение кодов, допускающих коррекцию ошибок, и предполагается, что получатель всегда знает, кто является отправителем.

Мы уже живем в век мобильных телефонов, ими люди пользуются в транспорте, несмотря на запреты, за рулем авто и в самолетах. Сейчас легко представить, сколько людей в аэробусе за время полета решат воспользоваться телефоном. Они будут при этом создавать независимые потоки радиоизлучения в достаточно широком частотном диапазоне, ведь все они будут работать на разных частотах (см. рис. 8.7А). Это может создавать помехи навигации. Проще всего запретить пользование мобильным телефоном в полете, но это создает неудобства пассажирам.

А теперь представим себе, что в каждом пассажирском кресле имеется разъем для подключения телефона или персональной ЭВМ (Laptop). Все эти приборы в этом случае объединяются в локальную бортовую сеть, которая связывается с наземной службой на оговоренной частоте (рис. 8.7Б). Согласитесь, что это решение со всех точек зрения эффективнее. По этой причине в 21-ом веке локальные сети станут использоваться в авиалайнерах, морских и речных пассажирских судах, поездах и междугородних автобусах (и даже в автомобилях).

Рис. 8.7. Варианты мобильной телефонной и компьютерной связи на борту авиалайнера

Распространение волн, как правило, является всенаправленным. Иногда это может иметь весьма негативные последствия. Так в 1970-ые годы в автомобилях кадиллак фирмы Дженерал Моторс была установлена система антиблокировки тормозов, управляемая от бортовой ЭВМ. При нажатии педали тормоза ЭВМ вырабатывала последовательность импульсов нажатия, препятствуя блокировке колес тормозными колодками. Однажды на магистрали в Огайо полицейский патруль воспользовался новой системой радиосвязи со своей базой. Кадиллак, который двигался неподалеку, повел себя как необъезженный мустанг. После долгого исследования было выяснено, что разводка проводов управления в кадиллаке работала как приемная антенна, воспринимающая внешние радиосигналы патрульной полицейской машины и передающая их устройству управления тормозов. Сходные проблемы могут возникнуть при использовании беспроводной мышки, которая управляется СВЧ, если неподалеку (например, за перегородкой) окажется аналогичное устройство. Согласитесь, вам вряд ли понравится, если маркер вашей мыши начнет перемещаться под влиянием "потусторонних" сил.

В век дистанционного управления следует задумываться о возможности таких интерференционных явлений.

Дополнительные возможности пользователям, нуждающимся в услугах беспроводной связи, предоставляет стандарт Bluetooth, который призван освободить руки клиенту и покончить с телефонными проводами.