DECT II. Komunikační parametry 9.10.2003 v sekci Hardware napsal Jan Bláha V následujícím článku se budeme podrobně zabývat otázkami týkající se parametrů dostupnosti, spolehlivosti, chybovosti a integrity evropského digitálního standardu DECT (Digital Enhanced Cordless Telephone). V závěru jsou shrnuty hlavní parametry rádiového sektoru tohoto standardu a porovnání s prvním evropským digitálním standardem CT2 a americkým standardem PACS. I.) Dostupnost a spolehlivost: Vývoj DECT Probíhal podobně jako vývoj v oblasti radiotelefonů, tedy od lokálních systémů přes systémy národní" až k systémům kontinentálním. V tomto vývojovém procesu se výrazně projevovaly snahy zvyšovat kvalitu a rozšiřovat sortiment nabízených služeb, zlepšovat ochranu proti zneužití, zvětšovat provozní kapacitu systému a rozšiřovat kompatibilitu s různými jinými fixními i mobilními telekomunikačními sítěmi. Spolehlivá funkce by přitom měla být zajištěna především uvnitř budov (byt, kancelář, průmyslový podnik), ale také na ulicích center měst, na předměstích atd. Všechny tyto požadavky však mohou splňovat jedině digitální systémy, a proto vývoj dále směřoval jednoznačně tímto směrem. Výkon a dosah Standard DECT má v obsluhovaných oblastech buňkovou strukturu. Mikrobuňky mají rozměr kolem 100 m. Dále pikobuňky, které jsou podstatně ještě menší převážně v místech s vyšší intenzitou provozu. Vlivem těchto malých buněk je dosaženo vyšší spektrální účinnosti, tedy mobilní a základnové stanice mohou vysílat na nižší výkonové úrovni. Základnová stanice má maximální výkon např. 250 mw oproti 20 W u GSM. Vlivem celkově nižší spotřeby je možno podstatně zmenšit rozměry i hmotnost mobilních stanic. Možná náhrada kabelů pro přenos dat vzduchem do vzdáleností kolem 50 metrů v budovách a 300 metrů na otevřeném prostranství. Handover Jedná se o přepojení během hovoru na jinou základnovou stanici. Důležitou částí standardu DECT je definice GAP (Generic Access Profile). Tato definice GAP zajišťuje, že zařízení jednotlivých výrobců mohou vzájemně komunikovat. Důležitou součástí DECT je princip výběru kanálu. Tento princip se nazývá CDCS (Continuous Dynamic Channel Selection). Každé DECT zařízení má přístup k libovolnému kanálu. Když přijde požadavek na sestavení spojení, toto přenosné zařízení vybere kanál, který nabízí nejvyšší kvalitu pro spojení. Během spojení je zároveň přenosným zařízením procházeno rádiové spektrum a pokud je nalezen kanál, jenž poskytuje lepší podmínky, spojení je přesunuto na tento kanál. Přistup k sítím a službám Evropský telekomunikační standardizační institut ETSI koncipoval standard DECT jako digitální bezšňůrový systém s vysokou kvalitou poskytovaných služeb. Systém nabízí možnosti přístupu do řady jiných koexistujících telekomunikačních sítí, přičemž disponuje 2 extrémně vysokou spektrální účinností (provozní kapacitou), řádu až 500 Erlang / km / MHz.
Standard DECT je určen pro následující nejčastější základní aplikace: bezšňůrový telefon pro privátní obydlí, s několika málo mobilními stanicemi, které mají přes jednoduchou základnovou stanici přímé napojení na běžný telefon; využit v malých podnicích apod., typu, jediná buňka-více mobilních stanic ; využití ve velkých podnicích apod., typu více buněk-mnoho mobilních stanic ; různé aplikace v návaznosti na veřejné i neveřejné telekomunikační sítě. Má-li se standard DECT v těchto oblastech efektivně uplatňovat, musí jeho rádiový sektor umožňovat přístup k řadě uvedených různorodých sítí nebo rozhraní, jako jsou např. lokální sítě PABX (Private Automatic Branch Exchange) a lokální sítě LAN (Local Area Network), digitální sítě s integrovanými službami ISDN (Integrated Switched Digital Network), datové sítě založené na protokolu X.25, celulární síť GSM apod. Díky své modulární flexibilní struktuře, však může plnit rozdílné požadavky velice efektivně. II.) Chybovost: Struktura rámce a timeslotů V základním tzv. nechráněném formátu se přenáší v jednom časovém slotu celkově 480 bitů, jak ukazuje (viz. předchozí článek DECT I. Obr. 2 a). Z nich prvních 32 bitů vytváří úvodní synchronizační skupinu (pole S), skládající se ze 16 bitů preambule ( teplý" start přijímače) a ze 16 bitů paketového synchronizačního slova. Další následuje skupina 48 bitů přenášejících signalizaci (řídící slovo obsahující 8 bitů záhlaví a 40 bitů vlastních signalizačních dat a signálů tzv. rozhlasového majáku) a skupina 16 bitů cyklického redundantního kódu CRC; těchto 48 + 16 bitů = 64 bitů vytváří pole A. Kód CRC se využívá pro kontrolu chyb v řídicím slově, s případným následujícím opakovaným vysíláním řídící informace. Za polem A je situováno pole B, obsahující 320 bitů určených k přenosu užitečného signálu (digitalizovaného hovoru, nechráněných dat), a to rychlostí až.32 kbit/s. Následují 4 paritní bity vytvářející zabezpečovací pole X4, sloužící pro hrubou kontrolu chyb v poli B; korekce chyb se však v poli B neprovádí. Pole (A + B + X4) se souborně označují jako datové pole D. Následující pole Z4 o čtyřech bitech přispívá rovněž ke kontrole chyb. Časový slot zakončuje 56 bitů ochranného intervalu, kompenzujícího chyby v časování apod. Za 1 sekundu se opakuje celkem 100 časových rámců TDMA a tedy i 100 slotů přidělených jednomu ze dvou kanálů určitého duplexního páru. Tomu odpovídá celková čistá" bitová rychlost pro přenos hovoru nebo nechráněných dat 100 x 320 = 32 kbit/s na jeden kanál, resp. 72 kbit/s na duplexní pár. V některých aplikacích (přenosy dat s malou chybovostí atd.) se uplatňuje přenos v tzv. chráněném formátu, kdy například z uvedených 320 bitů jich je k přenosu užitečného signálu využíváno jen 256 a zbývajících 64 bitů je určeno ke kódování CRC (ve čtyřech skupinách po 64 datových a 16 CRC bitech). Čistá bitová rychlost potom bude v tomto režimu pouze 25,6 kbit/s. Časové sloty TDMA obsažené v jednom rámci je možné vhodně kombinovat a tím vytvářet jediný kompozitní kanál s vyšší bitovou rychlostí. Její horní hranice 12 x 32 = 384 kbit/s poskytuje možnost přenášet například počítačové soubory s vysokým stupněm zabezpečení proti chybovosti, nebo živé video" apod., čímž se dosahuje v tomto směru kompatibility se sítěmi ISDN. Modulace, multiplexování a kódování DECT používá stejně jako GSM modulaci GMSK. Datové přenosy DECT se vyznačují velmi nízkou chybovostí. Využívá se kombinace modulace GMSK s metodami FDMA (frekvenční
multiplex) a TDMA (časový multiplex), nedochází ani k žádnému znatelnému rušení. Technologie DECT poskytuje lepší kvalitu přenosu hovorových signálů v porovnání s GSM, která je určena hlavně bitovou rychlostí přenášeného signálu (DECT 32 kbit/s, GSM 6,5 kbit/s). Vhodným multiplexováním je možno bitovou rychlost zvýšit. V systému DECT je použita ke zdrojovému kódování adaptivní diferenční pulzní kódová modulace ADPCM (Adaptive Difference Pulse Code Modulation). Tato modulace redukuje bitovou rychlost diskrétního signálu méně, než kódování RPE-LTP (Regular Pulse Excited Long Term Predictor) používané u GSM. Dynamické přidělování rádiových kanálů DCA (Dynamic Channel Allocation) Umožňuje použít v určité právě přetížené buňce kanály původně přidělené jiným buňkám svazku. Přitom však nesmí být překročeny přípustné úrovně interferencí. V praxi se uplatňují dvě základní varianty systémů s dynamickým přidělováním kanálů: Systém DCA adaptivní vůči provoznímu zatížení. Tento systém je založen na principu dodržování minimální vzdálenosti znovuvyužití spektra, přičemž volné kanály lze používat v libovolné buňce svazku, která je právě přetížena. Určité přidělení kanálů zde zůstává v platnosti typicky po dobu řádu několika hodin. Systém DCA adaptivní vůči provoznímu zatížení a vůči interferencím. U tohoto systému se striktně netrvá na principu dodržení minimální vzdálenosti znovuvyužití spektra, nesmí však být překročena přípustná bitová chybovost BER. Při splnění této podmínky může být libovolný kanál daného svazku použit v libovolné buňce. Doba platnosti určitého přidělení kanálů se zde často zmenšuje na několik málo sekund. Metoda dynamického přidělování kanálů DCA, která ve spojení s bezešvým" handoverem přiděluje mobilním stanicím kanály, zajišťující jim spojení s co nejvyšší úrovní užitečného signálu a s minimálními interferencemi. Rozhodování o výběru nejvhodnějšího kanálu je vždy přenecháno pouze mobilní stanici, handover zde má tedy typickou koncepci MCHO, která výrazně odlehčuje fixní složky systému. Samotný handover by se však nestačil vyrovnat s náhlými změnami kvality signálu v prostředí rychlých úniků, které jsou pro bezšňůrové telefony typické. Proto stanice BTS využívají ještě prostorovou diverzitu se dvěma anténami a s přepínáním řízeným mobilními stanicemi. III.) Integrita DECT: Problém mobility Standard DECT řeší tuto otázku za určité podpory zmíněných externích sítí. Ty potom musí být doplněny některými dalšími bloky, jako jsou lokační registry HLR a VLR apod. Dále ve standardu DECT napomáhá důsledně aplikovaný systém dynamické selekce a přidělování kanálů DCA, který zde přináší -v porovnání s fixním přidělováním - významné přednosti. Především nevyžaduje žádné kmitočtové plánování, prakticky vždy vybere z dostupných volných kanálů ten nejlepší a tím zaručuje nejvyšší dosažitelnou kvalitu přenosu a navíc poskytuje i vyšší efektivitu ve využití přiděleného kmitočtového spektra. Struktura mnohonásobného přístupu TDMA - TDD zde umožňuje všem mobilním stanicím, aby kontinuálně monitorovaly kvalitu všech potencionálně dosažitelných rádiových kanálů. Z celkového počtu 24 časových slotů v jednom rámci TDMA/DECT totiž určitá stanice, i v případě svého aktivního provozu, přijímá pouze po dobu jednoho slotu. Během zbývajících nevyužitých slotů má tedy volný časový prostor, v němž může monitorovat (skenovat) všechny ostatní kanály okolních základnových stanic, určené všemi dostupnými kombinacemi časový slot/nosná vlna. Na základě toho má potom k dispozici neustále aktualizovaný seznam
volných a obsazených kanálů RSSI (Received Signal Strength Indication tj. indikace intenzity přijímaných signálů), který může využívat právě k výběru optimálního právě volného kanálu a k následující iniciaci handoveru. Další nepostradatelnou složkou v systému DECT je signál rozhlasového majáku (broadcast beacon), který se přenáší v signalizačním poli každého slotu. Tento signál plní několik úloh. Určitá mobilní stanice především může výše zmíněným monitorováním uvažovaných majákových signálů okolních základnových stanic z nich vybrat signál nejsilnější a na tuto stanici se zavěsit". V tomto signálu je však také obsažen údaj, jehož dekódováním mobilní stanice zjistí, ve které oblasti se právě nachází a může to sdělit fixním složkám systému. Ten má tedy neustále k dispozici informaci o poloze všech mobilních stanic v dané obsluhované lokalitě, nikoliv však na úrovni buněk, nýbrž na hrubší" úrovni lokačních oblastí LA (Location Area), což je soubor více vzájemně sousedících buněk. V systému DECT s velmi malými buňkami takové určení polohy však postačuje a může spolehlivě zajistit, aby např. všechna příchozí volání byla správně směrována k příslušným mobilním stanicím. Pokud mobilní stanice zjistí, že se vzdálila z dosavadní lokační oblasti, informuje o tom fixní složky, které si změnu její polohy průběžně zaznamenávají. V signálu rozhlasového majáku jsou také obsaženy o volitelných službách (optional services) podporovaných systémem, jsou zde pagingová sdělení (paging messages), upozorňující mobilní stanici na příchozí volání a nacházejí se zde i další informace. Uvedený způsob zajištění mobility ve standardu DECT zřejmě klade zvýšené nároky na mobilní stanice (v porovnání s GSM). Fixní složky zde přímo nezodpovídají za aktivní sledování mobilních stanic, i když hrají v tomto procesu důležitou úlohu. Standardy digitálních bezšňůrových telefonů ve světě V (Tab. 1) jsou potom shrnuty hlavní parametry rádiového sektoru standardu DECT (Digital Enhanced Cordless Telephone). Pro porovnání jsou obsaženy též parametry prvního digitálního standardu používanému v některých evropských zemích CT2 (Cordless Telephone 2). Je zde uveden i americký standard 2,5 generace PACS (Personal Access Communication Systems), který by měl integrovat všechny typy komunikačních bezdrátových místních smyček WLL (Wireless Local Loop) do jediného systému. V USA se používá standard pro osobní bezdrátovou komunikaci PWT (Persanal Wireless Telecommunications), který je však - až na některé odlišnosti v rádiovém rozhraní - téměř shodný se standardem DECT. Standard CT2 DECT PACS region Evropa Evropa USA kmitočtová pásma [MHz] 864-868 1880-1900 1850-1910 duplex účast. kanálů TDD TDD FDD odstup nosných vln [khz] 100 1728 300 počet nosných vln 40 10 2 x 16 duplex. kanálů na nosnou vlnu 1 12 2 x 8 bit. rychlost na nosnou [kbit/s] 72 1152 384 modulace GFSK (GFSK) GMSK π / 4 -QPSK kódování řeči ADPCM [kbit/s] 32 32 32 kódování kanálu není není CRC výkon Tx max./střední [mw] 10/5 250/10 200/25 Tab. 1 Základní parametry rádiového rozhraní hlavních digitálních standardů bezšňůrových telefonů
Literatura [1] Tuttlebee, W. H. W.: Cordless Telecommunications Worldwide. 1. vyd. London, Springer Verlag Ltd, 1997 [2] Philips, J. A. Mac Namee, G.: Personal Wireless Communication with DECT and PWT. 1. vyd. Boston London, Artech House 1998 [3] Žalud, V.: Moderní radioelektronika, BEN, Praha 2000 [4] Křivka, M.: DECT - standard pro bezdrátovou telefonii, 1998, http://mobil.idnes.cz/fixni_spojeni/katalog_bezdratovych_telefonu/dect/dect.html Kontakt Ing. Jan Bláha Katedra řídící techniky a telematiky, Fakulta dopravní, ČVUT v Praze, Konviktská 20, 110 00, Praha E-mail : xblahaj@seznam.cz Web: http://www.lss.fd.cvut.cz/people.php?uitem=32&uman=56