Мобільний широкосмуговий зв’язок
Стефен Рінг, голова керівного комітету проекту MESA, директор відділення Spectrum & Standards Strategic Planning компанії Motorola http://www.projectmesa.org
Не секрет, що в даний час у різних країнах системи та рішення, що використовуються для професійного рухомого зв'язку, практично скрізь принципово різні. Більше того, часто вони різняться у регіонах однієї країни, районах одного міста і навіть у різних громадських службах однієї місцевості. Проект MESA спочатку замислювався так, щоб створювана мобільна широкосмугова платформа мала стандартизовані технічні характеристики, що відповідають запитам світового ринку систем професійного мобільного зв'язку та вимогам будь-якого з існуючих секторів громадських служб безпеки.
Трохи історії
Як відомо, сьогодні існує два відкритих стандарти цифрового професійного мобільного зв'язку - TETRA та APCO 25. Перший з'явився внаслідок тісної співпраці виробників, операторів зв'язку, фахівців та користувачів під егідою Європейського інституту стандартів телекомунікацій (European Telecommunications Standards Institute, ETSI). Другий був розроблений міжнародною Асоціацією керівників засобів зв'язку громадських служб безпеки (Association of Public safety Communication Officials, APCO) та органом стандартизації США, що об'єднує виробників засобів зв'язку - TIA (Telecommunications Industry Association). TETRA базується на технології TDMA (Time Division Multiple Access), APCO 25 – на FDMA (Frequency Division Multiple Access).
Деякі дослідження в руслі проекту MESA проводилися розробки специфікацій другої фази стандарту APCO 25, але головним чином ініціативи виходили від робочої групи ETSI за стандартом TETRA.
Стандарт цифрового рухомого зв'язку TETRA складається з двох частин: стандарту транкінгового зв'язку, який отримав назву TETRA V+D (Voice + Data), та специфікацій TETRA PDO (Packet Data Optimized), оптимізованих передачі пакетів даних. Розробки, початок яких датується 1989, почалися з TETRA V + D. Однак незабаром стало очевидно, що для підтримки комутації пакетів, особливо для мереж, що швидко розвиваються на базі TCP/IP, необхідна спеціальна архітектура протоколів. І тоді була створена друга частина – TETRA PDO, орієнтована на пакетну передачу. Ця технологія використовує ту ж радіочастотну платформу, що і TETRA V+D (фізичний рівень моделі ISO), а тому дозволяє досягти мережі TETRA PDO швидкостей передачі даних в каналі (після кодування) до 19,2 Кбіт/с. А застосування модуляції грец. пи /4 DQPSK в каналі шириною 25 КГц забезпечило загальну швидкість передачі 36 Кбіт/с.
У мережі TETRA V+D використовується чотирислотова структура тимчасового поділу каналу TDMA, що підтримує передачу чотирьох окремих голосових каналів однією вузькосмуговою несучою. Для передачі пакетів із загальною швидкістю 36 Кбіт/с TETRA PDO використовує всю пропускну здатність каналу.
Ще два роки тому здавалося, що такої продуктивності буде достатньо більшості додатків, що використовуються у професійному радіозв'язку, особливо в міру розробки нових, більш потужних алгоритмів стиснення даних. Однак незабаром стало ясно, що для нормальної роботи з сучасними базами даних і додатками потрібні швидкості принаймні разів на десять вище.
Тоді розпочалися роботи над другою версією стандарту – TETRA R2, головною метою яких стало вдосконалення пакетної передачі даних у TETRA-системі. Сьогодні вже створено деякі специфікації, зокрема TETRAAdvanced Packet Data та TETRA Enhanced Data Services, але для цих служб значення швидкості передачі в 2 Мбіт/с і більш недосяжні.
Що ж до провідних мереж, то їх продуктивність вже досягає величин порядку терабітів в секунду, а програми, що розробляються, все частіше розраховані саме на подібні швидкості. Тому світ професійного мобільного зв'язку був поставлений перед необхідністю створення нових базових технологій і рішень, здатних підтримувати ненажерливі професійні сервіси, орієнтовані на широкосмуговий зв'язок.
В інституті ETSI розробка, що передбачає реалізацію подібних можливостей, отримала назву DAWS (Digital Advanced Wireless Services) і спочатку здійснювалася в рамках проекту TETRA за участю фахівців таких відомих на ринку рухомого зв'язку компаній Motorola, Simoco, British Telecommunications, TeleDanmark, UK Home Office .
Попередні положення технології DAWS ґрунтувалися на специфікаціях сімейства стандартів ETSI - ETS 300 393. DAWS спочатку позиціонувалася як технологія, яка забезпечить надання послуг зв'язку при швидкостях вище за верхню межу, визначену для мереж UMTS (2 Мбіт/c), і нижче за швидкість, характерну для сетів ATM (155 Мбіт/с). Як додаток до DAWS розглядалася технологія надширокосмугового зв'язку BRAN (Broadband Radio Access Network), специфікації для якої, HiperAccess і HiperLink, були розроблені та стандартизовані як складові стандарту TETRA. Багаторівнева архітектура мереж на базі технології DAWS повністю відповідала стандарту ETS 300393, підтримуючи роботу з додатками, орієнтованими на комутацію пакетів. У той же час вона забезпечувала абсолютну сумісність не тільки з мережами широкосмугового зв'язку, а йрадіосистемами професійного рухомого зв'язку, які використовують служби громадської безпеки.
Чому MESA?
Назва проекту - "Мобільний широкосмуговий зв'язок для служб громадської безпеки та порятунку" відображає ключову орієнтацію технологічних рішень. І справа не тільки в тому, що проект фінансується частково відповідними службами різних країн світу. Мабуть, важливішим мотивом створення нової технології мобільного широкосмугового зв'язку для подібних служб став розрив між можливостями телекомунікаційних технологій, що застосовуються в службах захисту мирного населення, і технологій, що використовуються терористами та кримінальними структурами. Інша причина – зростання потреби у стандартизованих мобільних широкосмугових системах зв'язку у таких галузях діяльності, як телемедицина, пожежні служби, мобільна робототехніка та організація миротворчих операцій.
Боротьба з організованою злочинністю та тероризмом, аварійно-рятувальні роботи в нейтральних водах та інша діяльність того ж роду потребує кооперації та координації різних громадських служб не лише всередині однієї країни, а й між різними країнами. А для цього потрібні глобальні технічні рішення в міжнародному масштабі. Тільки так можна забезпечити технічну підтримку зазначених служб, захист інформації та її цілісність, не втрачаючи такої важливої якості, як оперативність.
Саме тому проект реалізується у формі міжнародного партнерства, а його основним завданням стало створення комплексу стандартів, що глобально затверджуються для глобально прийнятних рішень. MESA - це перший приклад міжнародного співробітництва, що поєднує зусилля виробників обладнання, користувачів та організацій-користувачів, щоб виробити вимогидо бездротових широкосмугових технологій та систем, що відповідають потребам цих споживачів.
Області застосування
Важливий аспект у кризових ситуаціях та при катастрофах – це ефективність першої медичної допомоги постраждалим. Своєчасне та правильне лікування пацієнтів у перші хвилини та години після того, що трапилося, надзвичайно важливе. А щоб вжити активних заходів на місці події, необхідний надійний мобільний бездротовий зв'язок із каналами дуже високої продуктивності.
Інша сфера інтересів цього проекту, мобільна робототехніка, - предмет пильного вивчення як військових, і цивільних служб. Роботи, оснащені засобами мобільного зв'язку, можуть використовуватися для евакуації людей з небезпечних зон, автоматичного контролю обстановки в недоступних для людини зонах, при антитерористичних акціях та бойових діях в умовах міста, для розмінування тощо. зі зрозумілих причин повинна бути дуже надійна та розроблена з урахуванням можливого перехоплення та навмисних перешкод.
Проблеми, проблеми…
Очевидно, що для підтримки всіх цих служб потрібна значна смуга пропускання. Крім того, оптимальне кодування та вбудований механізм забезпечення якості сервісу (QoS) повинні гарантувати надзвичайно надійний зв'язок. Технічні вимоги проекту MESA до смуги пропускання доповнюють існуючі та плановані стандарти широкосмугового бездротового зв'язку та враховують такі сегменти, як вузькосмуговий зв'язок, широкосмуговий зв'язок та надширокосмуговий зв'язок (рис. 1). Головна характеристика цих специфікацій – поєднання мобільності та швидкості передачі даних понад 2 Мбіт/с.
Одне з ключових питань при реалізації широкосмугового зв'язку – визначенняробочих номіналів частот, котрим використання спектра було максимально ефективним.
При цьому слід врахувати найважливішу вимогу MESA – забезпечення взаємодії з майбутніми системами широкосмугового супутникового зв'язку. Це дозволить подолати обмеження на розмір комірки, характерні для систем широкосмугового радіозв'язку, що діють у діапазоні гігагерцевому частот. Адже ключові технічні вимоги проекту мають забезпечити поєднання широкосмугового зв'язку з повною мобільністю у великій зоні дії.
Крім того, взаємодія з майбутніми супутниковими системами дасть стабільний канал зв'язку з віддаленими районами, в яких наземна інфраструктура може бути виведена з ладу внаслідок природних катастроф, землетрусів, повеней тощо. У таких ситуаціях буде достатньо розгорнути портативні або рухомі базові станції . Широкосмуговий супутниковий ретранслятор для створення локальної зони обслуговування "на острові" або "гарячої точки" навколо місця події може бути оснащений, наприклад, автомобіль.
В даний час робоча група MESA готує огляд розподілу частот, який буде представлений на Всесвітній конференції з радіочастот, запланованій на літо 2003 року.
Необхідно відзначити, що у 2001 р. у Тампере було вирішено ще одне найважливіше питання – визначено вимоги до специфікацій бездротової широкосмугової технології зворотного зв'язку з віддаленими районами та прийнято "Конвенцію щодо забезпечення допомоги при катастрофах".
Особливості структури
Для відповідності ключовим вимогам проекту пропонується використовувати мережу, побудовану на основі IP-протоколу (рис. 2) з можливістю міжмережевої взаємодії як з Інтернетом, так і з корпоративними інтрамережами (рис. 3). Застосовується у такій мережітехнологія орієнтована на додатки, для яких потрібна швидкість передачі даних понад 2 Мбіт/с, тобто вище за ту, яка повинна бути реалізована в системах UMTS/IMТ-2000. І хоча перші подібні програми, швидше за все, використовуватимуть швидкості близько кількох десятків Мбіт/с, технологія MESA здатна забезпечити швидкість вище 155 Мбіт/c за збереження повної мобільності та широкого географічного покриття, включаючи зони роумінгу.
Крім того, однією з найважливіших вимог служб громадської безпеки та військових організацій є реалізація спеціальної мережевої функції, орієнтованої на використання при подіях або в надзвичайних ситуаціях, яка отримала назву Ad-Hoc. Принцип дії Ad-Hoc полягає у здатності мобільного терміналу за відсутності стаціонарної або фіксованої інфраструктури автоматично функціонувати як невелику "базову станцію". Таким чином, локальна система Ad-Hoc (див. рис. 3) може самоконфігуруватися та самовідновлюватись у разі втрати одного або більше вузлів.
Передбачається, що такого роду мережа Ad-Hoc може бути створена на базі кількох вузлів, які автоматично пізнають один одного, і не підтримують терміналів, активних у межах певної зони.
Необхідні дослідження
Фактор, який значною мірою вплинув на започаткування проекту MESA як багатостороннього партнерського проекту, - це величезний обсяг необхідних досліджень. Тягар виконання такої кількості фундаментальних досліджень нестиме не один, а кілька регіонів світу.
Зауважимо, що дослідні проекти, подібні до SAMBA (дослідження широкосмугового бездротового зв'язку в рамках 5-ї робочої групи Європейської Комісії, якийчастково фінансується фондом досліджень Європейського Союзу), допоки не приділяли особливої уваги таким характеристикам рухомого зв'язку, як поєднання мобільності з дуже високою швидкістю передачі даних. Тому поки що MESA може розраховувати лише на власні сили.
Одна лише головна вимога, а саме поєднання мобільності з дуже великою швидкістю передачі даних, є серйозним предметом для досліджень, не кажучи про ті, які притаманні технологіям зв'язку третього покоління. Непростих експериментів вимагають інші складові проекту. Наприклад, потрібно знайти рішення для стійкої синхронізації зв'язку. Проблеми, зокрема, виникають у ситуації, коли тривалість передачі на несучій радіочастоті одного символу досягає тієї ж величини, що і допплерівський зсув, що виникає через відносну швидкість переміщення передавача і приймача, або коли потрібно визначити параметри обладнання, необхідні для комутації бездротових антен. інфраструктур Ad-Hoc та "зовнішніх" по відношенню до них мобільних пристроїв. Перелік дослідницьких програм буде представлений технічним комітетом MESA до середини 2002 року.