Широкополосная мобильная связь будущего

Две ведущие мировые организации, занимающиеся стандартизацией в области телекоммуникаций, — ETSI и TIA — объединили свои усилия для создания спецификаций будущих систем широкополосной профессиональной мобильной связи.

Как известно, сегодня существуют два открытых стандарта цифровой профессиональной мобильной связи. Стандарт TETRA появился в результате тесного сотрудничества производителей, операторов связи, пользователей и создавался под эгидой Европейского института стандартов по телекоммуникациям (ETSI, European Telecommunications Standards Institute). APCO 25 разработан сообществом APCO и органом стандартизации США, объединяющим производителей средств связи, — TIA (Telecommunications Industry Association). Первый базируется на технологии TDMA (Time Division Multiple Access), второй — на FDMA (Frequency Division Multiple Access).

Стандарт цифровой подвижной связи TETRA состоит как бы из двух частей: стандарта транкинговой связи, получившего название TETRA V+D (Voice + Data), и спецификаций TETRA PDO (Packet Data Optimized), оптимизированных для передачи пакетов данных. Разработки, которые ведутся с 1989 г., начались с первого из стандартов — TETRA V+D. Однако вскоре стало очевидно, что для поддержки коммутации пакетов, особенно для быстро развивающихся сетей на базе TCP/IP, необходима специальная архитектура протоколов. И тогда была создана технология TETRA PDO, ориентированная на пакетную передачу. В ней используется та же радиочастотная платформа, что и в TETRA V+D (физический уровень модели ISO), а потому стало возможным достичь в сети TETRA PDO скорости передачи данных по каналу (после кодирования), равной 19,2 кбит/с. Применение же модуляции ?/4 DQPSK в канале шириной 25 кГц обеспечило общую скорость передачи 36 кбит/с.

В сети TETRA V+D задействуется четырехслотовая структура временного разделения канала TDMA, позволяющая передавать четыре отдельных голосовых канала на одной узкополосной несущей. В TETRA PDO используется вся пропускная способность канала для передачи пакетов с общей скоростью 36 кбит/с.

Возможно, такой производительности будет достаточно для большинства приложений профессиональной радиосвязи, особенно после разработки новых, более мощных алгоритмов сжатия данных. Однако технологии передачи данных, предназначенные для проводных сетей, развиваются высочайшими темпами, и обеспечиваемая ими производительность приближается к терабитам в секунду, а разрабатываемые приложения все чаще требуют подобных же скоростей. Для нужд профессиональной мобильной связи тоже необходимы новые базовые технологии и решения, которые способны поддерживать «прожорливые» профессиональные сервисы, ориентированные на широкополосную связь. В институте ETSI такие разработки получили название DAWS (Digital Advanced Wireless Services) и изначально осуществлялись в рамках проекта TETRA.

Предварительные положения технологии DAWS были построены на спецификациях семейства стандартов ETS 300 393 (ETSI). Главная цель, которую преследовали разработчики, состояла в обеспечении полной мобильности абонента при скорости передачи информации не менее 155 Мбит/с. В работе над положениями DAWS принимали участие специалисты таких известных на рынке подвижной связи телекоммуникационных компаний, как Motorola, Simoco, British Telecommunications, TeleDanmark.

Первоначально DAWS позиционировалась как технология, которая обеспечит предоставление услуг связи при скоростях выше верхней границы, определенной для сетей UMTS (2 Мбит/c), и ниже характерной для сетей ATM (155 Мбит/c). Она рассматривалась в качестве дополнения к технологии сверхширокополосной связи BRAN (Broadband Radio Access Network), для которой спецификации HiperAccess и HiperLink были разработаны и стандартизованы как составные части стандарта TETRA. Многоуровневая архитектура сетей на базе технологии DAWS полностью соответствовала стандарту ETS 300 393 и позволяла выполнять приложения, ориентированные на коммутацию пакетов. В то же время она обеспечивала абсолютную совместимость не только с сетями широкополосной связи, но и с радиосистемами профессиональной подвижной связи, используемыми службами общественной безопасности.

Усилиями некоторых компаний — членов ETSI было создано измерительное оборудование, позволяющее изучать характеристики компонентов системы на базе DAWS. С его помощью была протестирована антенная система, обеспечивающая работу с мобильными DAWS-терминалами в диапазоне частот выше 5 ГГц, в том числе в режиме роуминга. Эти исследования выявили одну из серьезнейших проблем, связанных с переключением однонаправленной антенны, — возникновение областей с замираниями между зонами обслуживания. Благодаря тестированию удалось найти и способ уменьшения размеров таких областей — использование динамического переключения всенаправленной антенны.

Были проведены и предварительные оценки распределения использования спектра для служб оперативной связи в сетях на базе DAWS в странах Европы, в США и Китае. А в 1999 г. на конференции CEPT были продемонстрированы возможности технологии DAWS при передаче видеопотоков и работе с большими объемами Internet-данных в случае применения беспроводной связи. Конечно, были показаны лишь первые модели устройств, однако они позволили специалистам оценить достоинства DAWS.

Вскоре после этого было принято решение о более углубленных исследованиях в области широкополосной мобильной связи, к которым намечалось привлекать не только европейских, но и американских специалистов, и 22 мая 2000 г. в Вашингтоне (округ Колумбия) было подписано соглашение о создании группы по разработке проекта PSPP (Public Safety Partnership Project). Так DAWS переросла в самостоятельный трансатлантический проект партнерства в области обеспечения общественной безопасности, осуществлять который взялись совместными усилиями ETSI и TIA. В проекте участвует также ряд государственных организаций из США и Европы, отвечающих за общественный правопорядок и безопасность, таких как полиция, пожарные службы и службы спасения.

Кому и зачем?

По мере того как проводная связь быстрыми темпами движется от аналоговых к цифровым и от узкополосных к широкополосным технологиям, все больше служб и приложений оказываются неприменимыми в области мобильной беспроводной связи из-за недостаточных скоростей передачи данных и пропускной способности радиоканалов. Эти проблемы особенно ярко проявляются в сферах профессионального использования подвижной связи, таких как обеспечение общественной безопасности и службы спасения.

Один из важных показателей работы служб спасения при несчастных случаях и стихийных бедствиях — эффективность медицинского обслуживания пострадавших на месте. Своевременное и правильное оказание первой помощи имеет первостепенное значение для последующего успешного лечения. Другой аспект экстренной медицины — дистанционный контроль за состоянием пациентов — тоже является предметом интенсивных исследований как гражданских, так и военных организаций. Однако для реализации таких сервисов требуется очень надежная высокоскоростная мобильная связь.

Сегодня стандартизация следующего поколения технологии цифровой сотовой связи стала действительно глобальной задачей, воплощение которой позволит реализовать сети 3-го поколения. Скорость передачи данных в этих сетях может составлять до 384 кбит/с, что является огромным прогрессом по сравнению со скоростью 9,6 кбит/с, обеспечиваемой сетями GSM, но и таких значений все-таки недостаточно для данного класса сервисов.

Технологии широкополосной мобильной связи позволят не только поддерживать дистанционный контроль в режиме реального времени за базовыми медицинскими показателями (такими как кровяное давление, сердечная деятельность, энцефалографические данные и температура тела), но и устанавливать двустороннюю голосовую и видеосвязь между командой спасения и удаленными медицинскими экспертами. И вся эта информация будет занимать лишь одну несущую частоту — согласно технологии, разрабатываемой в рамках PSPP.

Еще одной потенциальной областью применения данной технологии являются мобильные роботы. Связанные с этими разработками интенсивные исследования также ведутся службами общественной безопасности и военными организациями. Очевидно, что и здесь требуется использование высоконадежной широкополосной беспроводной связи. Мобильные роботы могут быть особенно полезны для решения таких задач, как эвакуация людей из опасных зон, автоматизированная проверка труднодоступных участков, антитеррористические действия, обезвреживание мин и т. п. По очевидным причинам технология беспроводной связи, которая будет применяться в данной области, должна создаваться с особым вниманием к возможному глушению или перехвату радиосигналов. Оба аспекта надлежащим образом учитываются при работе над PSPP.

Несомненно, что для обеспечения надежной связи между удаленными областями в случае повреждения наземной инфраструктуры в результате стихийных бедствий обязательно должна быть и будет создана широкополосная мобильная наземно-спутниковая служба. Уже на самых ранних стадиях исследования возможностей DAWS предполагалось: взаимодействие с будущими системами широкополосной спутниковой связи — необходимое условие преодоления ограничений, связанных с тем, что широкополосные радиосистемы действуют в гигагерцевом частотном диапазоне. Поэтому данный вопрос является составной частью исследований и работ по выделению оптимального радиочастотного спектра для спецификаций PSPP.

Вот одна из возможностей применения такой интегрированной сети. Автомашина, используемая службами охраны правопорядка, может иметь на борту широкополосный спутниковый транспондер, с помощью которого создается «остров» PSPP-покрытия вокруг зоны происшествия и обеспечивается связь этого «острова» с внешним миром через спутник. В таком случае сотрудники правоохранительных органов, находясь даже в самых удаленных точках, будут быстро и надежно идентифицировать подозреваемых с помощью сканеров Iris и PSPP-терминалов с поддержкой IP-телефонии и двусторонней видеосвязи.

Характеристики и архитектура

Сочетание возможностей широкополосной связи с полной мобильностью в условиях значительной географической рассредоточенности абонентов является ключевой характеристикой спецификаций PSPP. Определенная в них технология (рис. 1) ориентирована на приложения, для которых требуется скорость передачи данных свыше 2 Мбит/с, т. е. больше скорости, которая должна быть реализована в системах UMTS/IMТ-2000. И хотя для первых подобных приложений, скорее всего, будут использоваться скорости, которые измеряются десятками мегабит в секунду, технология DAWS способна обеспечить полную скорость ATM (155 Мбит/c и даже выше) при сохранении полной мобильности и широкого географического покрытия, включая зоны роуминга.

Топологию, согласно проекту PSPP (рис. 2), предполагается строить на базе протокола IP. Ключевым требованием при этом является возможность межсетевого взаимодействия как с глобальной сетью Internet, так и с корпоративными интрасетями.

Кроме того, службы общественной безопасности и военные организации уделяют значительное внимание реализации специальной сетевой функции, ориентированной на использование в случае происшествий или в чрезвычайных ситуациях, которая получила название Ad-Hoc. Суть ее состоит в следующем: при отсутствии фиксированной инфраструктуры мобильный терминал автоматически начинает функционировать в качестве небольшой «базовой станции». Благодаря этой функции локальная система связи, охватывающая зону происшествия, может самонастраиваться и восстанавливать свою работу в случае отказа нескольких узлов.

Предполагается, что для реализации простой инфраструктуры PSPP (рис. 3) может быть использован ряд стандартных компонентов на базе IP. Планируется обеспечить совместимость с протоколом IPv6 и обратную совместимость с IPv4.

Пример реализации инфраструктуры PSPP на базе IP-компонентов

Намечено организовать полную поддержку мультимедийной среды путем реализации требований IP QoS, а также включить в спецификацию PSPP функции мобильной IP-телефонии. Последние будут создаваться в тесном сотрудничестве с рабочей группой проекта TIPHON института ETSI. Фактически, сегодня беспроводная голосовая связь на базе IP рассматривается как одно из ключевых приложений для терминалов служб общественной безопасности и защиты правопорядка.

***

Работы, ведущиеся в рамках проекта PSPP, а также большой интерес, проявляемый к нему гражданскими и военными организациями, позволяют рассчитывать на успешное развитие технологии DAWS и на быструю реализацию стандарта широкополосной наземной мобильной связи с возможностью подключения к спутниковым системам.

Об авторе