И.А.Гепко и др. | Современные беспроводные сети [2009] [DJVU]

Предисловие 14
Введение 15
* Глава 1. Общие сведения о широкополосных беспроводных сетях связи
1.1 Место BWN в современной электросвязи 21
1.1.1 Телекоммуникационные характеристики BWN 21
1.1.2 Транспортные сети и их краткая характеристика 25
1.2 Факторы становления и развития BWN 32
1.2.1 Компьютерная техника и сетевые технологии 32
1.2.2 Твердотельная элементная база 34
1.2.3 Телекоммуникационные технологии 35
1.2.3.1 Особенности архитектуры и взаимодействия элементов сетей сотовой связи и широкополосного доступа 35
1.2.3.2 Эволюция технологий сетей сотовой связи и широкополосного доступа 38
1.2.4 Роль международных организаций сферы телекоммуникаций в становлении и развитии BWN 44
1.3 Стандартизация BWN 52
1.3.1 Эталонная модель взаимодействия открытых систем 180/081 53
1.3.2 Предмет и организация стандартизации BWN 58
1.4 Радиочастотное обеспечение BWN 64
Список литературы к главе 1 71
* Глава 2. Теоретические основы современных беспроводных телекоммуникаций
2.1 Беспроводные каналы связи 74
2.1.1 Базовые характеристики беспроводных каналов связи 74
2.1.1.1 Сигналы и спектры. Основные понятия 74
2.1.1.2 Обобщенная модель и основные характеристики радиоканала 78
2.1.2 Характеристики физической среды передачи радиосигналов и особенности распространения радиоволн 84
2.1.2.1 Распространение радиоволн в вободном пространстве 85
2.1.2.2 Явление многолучевости распространения радиоволн 86
2.1.2.3 Основные модели распространения радиоволн 87
2.1.3 Помехи, искажения и замирания в каналах беспроводной связи 89
2.1.3.1 Основные виды помех 89
2.1.3 Быстрые и медленные замирания 90
2.1.3.3 Эффект Доплера 98
2.1.3.4 Методология выбора параметров радиоинтерфейса в системах беспроводной связи 99
2.2. Виды модуляции В цифровых каналах связи 102
2.2.1 Современные способы модуляции и манипуляции 102
2.2.2 Цифровые способы, модуляции несущей по фазе 104
2.2.2.1 Двоичная фазовая манипуляция 104
2.2.2.2 Квадратурная фазовая манипуляция (QPSK) 105
2.2.2.3 Многопозиционная фазовая модуляция 107
2.2.3 Квадратурная амплитудная манипуляция (QAМ) 108
2.2.4 Манипуляция несущей по частоте 111
2.2.5 OFDM (ортогoнальное мультиплексирование частотных каналов) 114
2.3 Канальное (корректирующее) кодирование 122
2.3.1 Задачи и основные принципы корректирующего кодирования 122
2.3.1.1 Задачи кодирования в телекоммуникациях 122
2.3.1.2 Основные принципы помехоустойчивого кодирования 123
2.3.1.3 Пример. Кодирование и декодирование линейного кода (6,3) 125
2.3.2 Коды РидаСоломона 129
2.3.2.1 Некоторые сведения из теории полей галуа 130
2.3.2.2 Принципы построения кодов Рида-Соломона 136
2.3.2.3 Декодирование кодов РидаСоломона 138
2.3.3 Сверточные коды 144
2.3.3.1 Структура и формирование сверточных кодов 144
2.3.3.2 Декодирование свсрточных кодов. Алгоритм Витерби 147
2.3.4 Турбо коды 150
2.3.4.1 Принципы итеративного (турбо) кодирования 150
2.3.4.2 Структура турбо кодера 153
2.3.4.3 Структура турбо декодера 154
2.3.4.4 Основные свойства и особенности турбо кодов 155
2.4 Перемежение и рандомизация данных 157
2.4.1 Перемежсние 157
2.4.1.1 Блочное перемежение 157
2.4.1.2 Сверточное перемежение 158
2.4.2 Рандомизация 159
2.5 Технологии расширения спектра сигналов 161
2.5.1 Метод прямого расширения спектра 161
2.5.2 Коды расширения спектра 162
2.5.2.1 Псевдослучайные последовательности 162
2.5.2.2 Ортогональныс функции расширения спектра (коды Уолша) 165
2.5.2.3 Последовательности голда 168
2.5.2.4 Последовательности Касами 169
2.5.2.5 Ортогональные коды переменнои длины  170
2.5.3 Метод расширен.ия спектра скачками по частоте 171
2.5.4 Комбинированные методы расширения спектра и модуляции 174
2.5.4.1 М-ичное ортогоналъное кодирование 174
2.5.4.2 Модуляция комплементарным кодом (ССК) 175
2.5.4.3 Модуляция циклическим сдвигом кода 178
2.5.4.4 Времяимпульсная модуляция 179
2.6 Множественный доступ к среде передачи 182
2.6.1 Множественный доступ с частотным разделением каналов 182
2.6.2 Множественный доступ с временным разделением каналов 183
2.6.3 Множественный доступ с кодовым разделением каналов 184
2.6.4 Множественный доступ с ортогональным разделением частотных каналов (OFDMA) 185
2.6.5 Метод состязательного доступа ALOHA 186
2.7 Защита информации в телекоммуникационных системах 188
2.7.1 Основные категории информационной безопасности в системах беспроводной связи 188
2.7.2 Симметричные криптогpафические системы 191
2.7.3 Асимметричные КРИПТOIрафические системы 195
2.7.3.1 Принципы построения асимметричных криптосистем 195
2.7.3.2 Криптогpафическая система RSA 196
2.7.3.3 Криптогpафические системы на эллиптических кривых 198
2.7.4 Аутентификация и обеспечение целостности 200
2.7.4.1 Аутентификация корреспондентов 200
2.7.4.2 Обеспечение целостности информации 201
Список литературы к главе 2 203
* Глава 3. Беспроводные локальные сети (WIRELESS LAN  WLAN)
3.1 Общие сведения о WLAN 206
3.1.1 Место WLAN в современных телекоммуникациях 206
3.1.2 Исторические аспекты становления\VLАN 208
3.2 Архитектура беспроводных локальных сетей 212
3.2.1 Факторы, определяющие архитектуру\VLАN 212
3.2.2 Элементы архитектуры WLAN 215
3.2.3 Взаимодействие элементов архитектуры 218
3.2.4 Эпизодические WLAN 223
3.3 Обзорные сведения о функционировании WLAN стандарта IEEE 802.11 225
3.3.1 Радиочастотное обеспечение WLAN стандарта IEEE 802.11 225
3.3.2 МАСфреймы 231
3.3.3 Менеджмент сети 235
3.3.3.1 Синхронизация сети 235
3.3.3.2 Изменение и перераспределение состава STA сети 236
3.3.3.3 Работа станций в режиме пониженного энергопотрсбления 239
3.3.3.4 Конфиденциальность передачи сообщений между станциями сети 240
3.3.4 Управление доступом к беспроводной среде 243
3.3.5 Доставка сообщений 245
3.3.5.1 Адресация и контроль доставки сообщений 245
3.3.5.2 Протокольные аспекты доставки сообщений 246
3.4 Технологии множественного доступа в WLAN 251
3.4.1 Режимы множественного доступа в WLAN стандарта IEEE 802.11 251
3.4.2 DCF доступ 252
3.4.2.1 Базовый доступ 253
3.4.2.2 RTS/CTS доступ 263
3.4.2.3 Фрагментация фреймов данных 265
3.4.3 PCF-доступ 267
3.5. Радиотехнологии физического уровня WLAN стандарта IEEE 802.11. 272
3.5.1 Базовая (Legal) радиотехнология стандарта IEEE 802.11 274
3.5.2 Дополнительные (High rate, Extended rate) радиотехнологии стандарта IEEE 802.11 276
3.5.2.1 Дополнительная технология IEEE 802.11b 277
3.5.2.2 Дополнительные технологии IEEE 802.11а и 802.11g 280
Список литературы к главе 3 289
* Глава 4. Беспроводные персональные сети
4.1 Общие сведения о беспроводных персональных сетях 291
4.1.1 Место WPAN в современных телекоммуникациях 291
4.1.2 Исторические аспекты становления WPAN 293
4.2 Bluetooth технология 295
4.2.1 Телекоммуникационные возможности Bluetooth 295
4.2.2 Транспорт сообщений в WPAN технологи Bluetooth 306
4.2.2.1 Физические каналы и физические связи 306
4.2.2.2 Логический транспорт и связи 316
4.2.3 Самоорганизация сетей Bluetooth. Состояние и режимы работы сетевых устройств 321
4.2.3.1 Состояния и режимы работы устройств в пикосетях 321
4.2.3.2 Процессы перехода из состояния готовности в состояние соединения 323
4.2.3.3 Режимы работы устройств Bluetooth в состоянии соединения 332
4.2.3.4 Состояние парковки 335
4.3 Персональные сети стандарта IEEE 802.15.3 (Wiгeless Media) 340
4.3.1 Телекоммуникационные возможности сетей WiMedia 341
4.3.1.1 Частотные каналы технологии WiMedia, разновидности применяемых радиосигналов и скорость передачи данных 341
4.3.1 Множественный доступ абонентоп к временному ресурсу пикосети 344
4.3.1.3 Зависимые пикосети 346
4.3.2 Транспорт сообщений в сетях WiMedia 347
4.3.1 Разновидности, структура и управление передачей сообщений 347
4.3.2.2 Состязательный доступ к передаче сообщений 355
4.3.3 Самоорганизация сетей WiMedia 359
4.4 Персональные сети с низкой скоростью передачи данных (ZigBce сети) 365
4.4.1 Телекоммуникационные возможности ZigBee сетей 366
4.4.1.1 Топология ZigBee сетей 366
4.4.1.2 Частотный ресурс и частотные характеристики каналов связи ZigBee сетей 370
4.4.1.3 Множественный доступ абонентов к временному ресурсу ZigBee каналов 372
4.4.2 Транспорт сообщений в ZigBee сетях 378
4.4.2.1 Разновидности и форматы передаваемых сообщений 379
4.4.2.2 Технологии состязательного доступа к частотному каналу сети 386
4.4.3 Самоорганизация ZigBee сетей и маршрутизация сообщений 388
4.4.3.1 Общие сведения о самоорганизации ZigBee сетей 388
4.4.3.2 Адресация приборов и маршрутизация сообщений 391
Список литературы к Главе 4 395
* Глава 5. Сети широкополосного беспроводного доступа семейства стандартов IEEE 802.16
5.1 Семейство стандартов WiMAX 399
5.1.1 Введение. Сети WirelessMAN и WiMAXFoгum 399
5.1.2 Задачи и области применения технологии WiMAX 400
5.1.3 Стандарты и спецификации физического уровня IEEE 802.16x 401
5.1.4 Этапы внедрения и развития сетей стандартов IEEE 802.16x 403
5.2 MACypoвeнь стандарта IEEE 802.16x 407
5.2.1 Функции МАСуровня 407
5.2.2 Архитектура МАСуровня 409
5.2.2.1 Подуровень конвергенции (преобразования сервиса) 409
5.2.2.2 Основной подуровень CPS (Соttоn Part Sublayer) 410
5.2.2.3 Подуровень безопасности 410
5.2.3 Особенности управления и организации соединений 411
5.2.3.1 Сервисные потоки и управление качеством 411
5.2.3.2 Управляющие сообщения 411
5.2.3.3 Организация соединений 414
5.2.3.4 Механизмы выделения канальных ресурсов 415
5.2.4 Блоки данных МАСуровня (МАС PDU) 416
5.2.5 Структуры данных уровня МАС и пакеты физического уровня 419
5.2.6 Инсталляция пользовательской станции в сети 420
5.2.7 Спецификации упраВленияМАСуровня IEEE 802.1 421
5.2.7.1 Управление в сети с топологией «точкамноготочка» 422
5.2.7.2 Особенности управления в Меsh-сети 423
5.2.8 Особенности реализации функций МАСуровня в «мобильной» версии WiMAX 424
5.2.8.1 Управление мобильностью 424
5.2.8.2 Режимы функционирования пользовательской станции 424
5.2.8.3 Процедура хэндовера 426
5.3 Физический уровень спецификации WirelessMANSC 428
5.3.1 Формирование и структура фреймов 428
5.3.1.1 Схемы дуплекса 428
5.3.1.2 Структура фреймов 429
5.3.2 Основные процедуры подуровня адаптации к среде передачи (PMD) спецификации WirelessМANSC 431
5.3.2.1 Рандомизация данных 431
5.3.2.2 Корректирующее кодирование 432
5.3.2.3 Модуляция 433
5.3.3 Требования к радиочастотной части оборудования спецификации WirelessMANSC 434
5.3.4 Особенности спецификации WirelessMANSCa 434
5.4 Физический уровень спецификации WirelessМANOFDM 437
5.4.1 Формирование сигнала на ортогональных поднесущих 437
5.4.2 Основные функции подуровня PMD спецификации WirelessМANOFDM 438
5.4.2.1 Рандомизация данных 438
5.4.2.2 Корректирующее кодирование 438
5.4.2.3 Перемежение 440
5.4.2.4 Модуляция 441
5.4.2.5 Тракт формирования сигнала для спецификаций WirelessMANOFDM (базовая станция) 441
5.4.2.6 Управление мощностью и контроль состояния каналов 443
5.4.3 Структура OFDM фреймов 445
5.4.3.1 Структура ОFDМфрейМов для сетей с топологией «точкамноготочка» 445
5.4.3.2 Структура ОFDМфреймов для сетей с топологией «Mesh» 446
5.5 Физический уровень спецификации WirelessMANOFDMA 448
5.5.1 Особенности реализации функций подуровня PMD спецификации WirelessMANOFDMA 448
5.5.2 Формирование сигнала на ортогональных поднеесущих и параметры масштабирования OFDMA 449
5.5.3 Общие принципы формирования субканалов и субрежимы WirelessMAN OFDMA 451
5.5.3.1 Субрежим FUSC 453
5.5.3.2 Субрежим PUSC 454
5.5.3 Субрежим АМС 458
5.5.4 Структура ОFDМА-фреймов 459
5.5.5 Требования к радиочастотной части приёмо-передающего оборудования спецификаций WirelessMANOFDM/OFDMA 460
5.6 Методы пространственного кодирования, технология MIMO и поддержка адаптивных антенн 463
5.6.1 Пространственновременное кодирование 463
5.6.2 Пространственночастотное кодирование 468
5.6.3 Технология MIMO в системе WiMAX 468
5.6.4 Пространственное мультиплексирование в WiMAX 470
5.6.5 Smart-антенны и их поддержка системами WiMAX 471
5.6.5.1 Общие сведения о Smaгt антеннах 471
5.6.5.2 Smart-антенны с коммутируемым лучом 473
5.6.5.3 Smart-антенны с адаптивным управлением 478
5.6.5.4 Поддержка MIMO и адаптивных антенных систем в технологии WiMAX 481
5.7 Архитектура и протоколы мобильного WiMAX 484
5.7.1 Сетевая архитектура и интерфейсы 484
5.7.2 Иерархия протоколов сети WiMAX IEEE 802.16е 488
5.8 Архитектура безопасности в стандартах семейства IEEE 802.16. 490
5.8.1 Ассоциации безопасности 490
5.8.2 Сертификат Х.509 и авторизация протокола конфиденциальности и ключевого управления 490
5.8.3 Протокол конфиденциальности и управления ключами 493
5.9 Релизы WiMAX 496
Список литературы к главе 5 498
* Глава 6. Универсальная система мобильной связи UMTS
6.1 Архитектура и принципы функционирования сети UMTS 500
6.1.1 Введение. Проект UTRA ETSI: общая характеристика 500
6.1.2 Домен оборудования пользователя (домен абонентского оборудования) 502
6.1.3 Домен сетевой инфраструктуры UMTS 502
6.1.4 Домен оборудования базовои сети 504
6.1.5 Идеология управления сетью в UMTS 508
6.1.5.1 Обобщенная модель взаимодействия протоколов управления 508
6.1.5.2 Управление «по вертикали» 510
6.1.5.3 Управление «по горизонтали» 510
6.1.6 Управление радиоресурсами в сети UMTS 511
6.1.7 Эволюция инфраструктуры и архитектурных концепции UMTS 517
6.2 Принципы организации: каналов в системе UMTS 517
6.2.1 Общая характеристика и функциональные особенности каналов UMTS  517
6.2.2 Архитектура и основные функции протоколов сети UMTS 519
6.2.3 Общая характеристика логических каналов UMTS 521
6.2.4 Транспортные каналы UМТS 522
6.2.4.1 Общая характеристика и классификация транспортных каналов 522
6.2.4.2 Отображение логических каналов на транспортные каналы 524
6.3 Архитектура радиоинтер еиса в системе UMTS 526
6.3.1 Общая характеристика радиоинтерфейса UMTSIFDD 526
6.3 Отображение транспортных каналов UМTS на физические каналы 526
6.3.3 Физические каналы сети UTRAN 529
6.3.3.1 Общая характеристика физических каналов 529
6.3.3.2 Структура физических каналов в UTRAN 529
6.3.3.3 Выделенные физические каналы 531
6.3.3.4 Общие физические каналы 532
6.3.4 Принципы канального кодирования в UTRAN 534
6.3.4.1 Каналообразующие и скремблирующие коды в UTRAN 534
6.3.4.2 Канальное кодирование в восходящем направлении 535
6.3.4.3 Канальное кодирование в нисходящем направлении 539
6.3.5 Кодирование и мультиплексирование каналов в стандарте WCDMALUMTS 541
6.3.5.1 Мультиплексирование каналов в стандарте UMTS 541
6.3.5.2 Корректирующее кодирование 543
6.3.5.3 ПЛанирование пакетов в UTRAN 545
6.3.5.4 Согласование скоростей передачи пакетных данных 546
6.3.5.5 Пример мультиплексирования при формировании речевого фрейма 546
6.4 Процедуры физического уровня в системе UМTS 549
6.4.1 Синхронизация и поиск соты в WCDMA 549
6.4.1.1 Каналы синхронизации в UMTS 549
6.4.1.2 Синхрокоды и их назначение 550
6.4.1.3 Алгоритм поиска соты 551
6.4.2 Вызов и процедура доступа мобильной станции к базовои станции 552
6.4.3 Процедура эстафетной передачи (хэндовер) 553
6.4.4 Управление мощностью передатчика 555
6.4.4.1 Управление мощностью передатчика в режиме FDD 555
6.4.4.2 Особенности функционирования схемы управления мощностью в нисходящем канале 556
6.5 Особенности реализации радиоинтерфейса UMTS в режимах FDD и TDD 557
6.5.1 Общая характеристика и особенности радиоинтерфейса UMTS/TDD 557
6.5.2 Особенности организации физических каналов в режиме ТDD 560
6.5.3 Структура пакетов в каналах трафика и управления 562
6.5.4 Особенности доступа и управления мощностью в режиме TDD 564
Список литературы к Главе 6 565
* Глава 7. Архитектура и радиоинтерфейс CDMA2000
7.1 Первый стандарт сотовой связи на базе технологии CDMA IS95 (cdmaOne) 566
7.1.1 Введение. Эволюция систем сdmаОnе 566
7.1.2 Общая характеристика радиоинтерфейса IS95 567
7.1.3 Организация и архитектура каналов в сdmаОnе 568
7.1.3.1 Организация нисходящих каналов 569
7.13.2 Организация восходящих каналов 572
7.1.4 Особенности функционирования сети cdmaOne 573
7.1.4.1 Принципы организации абонентского доступа 573
7.1.4.2 Механизмы реализации хэндовера 573
7.1.4.3 Архитектура сети cdmaOne 574
7.2 Радиоинтерфейс cdma2000 575
7.2.1 Общая характеристика радиоинтерфейса cdma2000 575
7.2.2 Физический уровень cdma2000. Перемежение и кодирование 577
7.2.3 Модуляция и комплексное расширение спектра 579
7.2.4 Методы передачи сигналов с ортогональным и пространственно временным разнесением (в прямом канале) 581
7.2.4.1 Метод ортогонального разнесения 581
7.2.4.2 Метод пространственно вpeмeннoгo разнесения 582
7.3 Организация физических каналов cdma2000 584
7.3.1 Архитектура физических каналов сdmа2000 584
7.3.1.1 Прямой канал cdma2000 584
7.3.1.2 Обратный канал cdma2000 586
7.3.2 Структура и свойства физических каналов cdma2000 587
7.3.2.1 Краткая характеристика каналов управления 587
7.3.2.2 Структура и свойства каналов трафика в cdma2000 592
7.4 Системная архитектура cdma2000 595
7.4.1 Архитектура сети и основные интерфейсы cdma2000 595
7.4.2 Интерфейсы cdma2000 и стек протоколов 598
7.4.3 Протоколы ISO/OSI cdma2000 600
7.4.4 Архитектура и функции МАСуровня. Логические каналы 602
7.5 Особенности управления мощностью, доступа и хэндовера 606
7.5.1 Процедура доступа 606
7.5.2 Процедура хэндовера 606
7.5.3 Контроль мощности 607
7.6 Релизы cdma2000 610
7.6.1 Стандарт cdma2000 lх EV-DO rev.O (TIA856 revision 0) 610
7.6.2 Стандарт cdma2000 lх EV-DO rev.A (TIA856 revision A) 614
7.б.3 Стандарт cdma2000 lх EV-DO rev.B (TIA856 revision В) 615
7.6.4 Стандарт cdma2000 lх EVDV гev.C (TIA856 revision С) 617
7.7 Механизмы обеспечения информационной безопасности в сетях 3G 619
7.7.1 Принципы обеспечения безопасности информации В системах 3G 619
7.7.2. Механизмы обеспечения безопасности в системе UMTS 621
7.7.2.1 Аутентификация в сиетеме UMTS 623
7.7.2.2 Обеспечение конфиденциальности информационного обмена в UMTS 625
7.7.2.3 Обеспечение целостности информации в UMTS 625
7.7.3 Механизмы обеспечения безопасности в системе cdma2000 626
7.7.3.1 Аутентификация в cdma2000 626
7.7.3.2 Конфиденциальность в cdma2000 626
7.7.3.3 Целостность данных в cdma2000 628
7.7.4 Сравнительный анализ механизмов безопасности стандартов UMTS и cdma2000 628
Список литературы к главе 7 631
* Глава 8. На пути к 4G
8.1 Эволюция беспроводных технологий третьего поколения 633
8.1.1 Предпосылки эволюции 3G 633
8.1.2 Этапы эволюции радиотехнологий третьего поколения 634
8.1.3 Конвергенция мобильной сотовой связи и сетей беспроводного широкополосного доступа 635
8.2 Теоретические основы технологии HSPA 639
8.2.1 Общие сведения об HSPA 639
8.2.2 Базовые элементы и основные методы технологии HSPA 640
8.2.2.1 Адаптация параметров передачи данных к характеристикам радиоканала. Адаптивная модуляция и кодирование 640
8.2.2.2 Введение общего нисходящего канала данных (HSDSCH) 642
8.2.2.3 Принцип динамического выделения канальных (кодовых) ресурсов 644
8.2.2.4 «Интеллектуализация» функций базовой станции (Node В) 646
8.2.2.5 Механизм обработки автоматического запроса на повторную передачу 647
8.2.3 Этапы эволюции технологии HSPA 650
8.3 От мобильного WiMAX к MBWA 652
8.3.1 Общие сведения о стандарте IEEE 802.20 652
8.3.2 Краткая характеристика радиоинтерфейса IEEE 802.20 653
8.3.2.1 Физический уровень IEEE 802.20 654
8.3.2.2 MAC-уровень IEEE 802.20 654
8.3.2.3 Поддерживаемые приложения и опции QoS 655
8.3.3 Механизмы обеспечения безопасности в IEEE 802.20. 656
8.4 Ключевые характеристики систем беспроводной связи 4G 658
8.4.1 Полемика вокрут 4G 658
8.4.1.1 Концепция систем 4G в видении ITU-R 660
8.4.1.2 Определение 4G по WWRF (Wireless World Research Fоrum) 660
8.4.1.3 Концепция 4G в видении IEEE 661
8.4.1.4 Работы в направлении 4G в Азиатско-Тихоокеанском регионе 661
8.4.2 Ключевые особенности беспроводной связи поколения 4G 662
8.4.2.1 Архитектурная интеграция на основе протокола IP 662
8.4.2 Адаптивный доступ к радиоресурсам и эпизодические (Ad Нос) сети 662
8.4.2.3 Управление качеством услуг (QoS) и адаптация к потребностям пользователя 663
8.4.2.4 Новые технологии физического уровня 663
8.4.3 Радиотехнология LTE (LongTerm Evo1ution) 664
8.4.3.1 Общая характеристика проекта LTE 664
8.4.3.2 Особенности радиоинтерфейса LTE 665
Список литературы к главе 8 668
Список основных сокращений 670