Радиоинтерфейс DECT

Не секрет, что большая часть привносимых в нашу жизнь вещей предназначена главным образом для ее улучшения. С каждым годом появляются все более совершенные устройства, делая нашу жизнь динамичней. Со временем, техника раскрепощает человека, делает его свободней.

Так, например, когда сотовая связь была еще очень мало распространена, у обеспеченных людей потихоньку начинали появляется в домах радиотелефоны. Они были громоздки и неудобны в использовании, качество связи оставляло желать лучшего, да и радиус действия был невелик. Но, сам факт отсутствия ограничивающего фактора - провода - позволял себя чувствовать не просто комфортно, он расширял свободу действий. Теперь не надо было отрываться от любимого дела, чтобы ответить на звонок, не было надобности кричать на домашних, чтобы сделали музыку или телевизор тише, да и много еще чего. Время шло, развивались старые стандарты, появлялись новые. Сами трубки становились все более функциональными и миниатюрными.

В данной статье пойдет речь о довольно новом и перспективном стандарте связи для дома и офиса - DECT. Прежде, чем приступить к описанию технических характеристик стандарта, надо отметить, что по сути DECT - логическое продолжение стандарта тех самых радиотелефонов, в котором разработчики постарались убрать все минусы предшественника, дополнить новыми возможностями.

Техническая часть

DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications), что в переводе означает цифровая расширенная беспроводная связь, - это стандарт цифрового радиодоступа, очень эффективно использующий полосу радиочастот и открывающий все новые приложения беспроводной связи для дома, офиса и частных локальных коммерческих зон, таких как аэропорта, вокзалы, торговые центры, банки, биржи и др. Ключевым словом стандарта является "Digital", то есть цифровой, что в значительной мере должно было повысить уровень качества связи по сравнению с аналоговыми собратьями. Ниже в таблице приведены основные параметры стандарта:

Радиоинтерфейс DECT основывается на методологии радиодоступа с использованием нескольких несущих, принципа множественного доступа с разделением времени и дуплекса с разделением времени (MC/TDMA/TDD). Выделение базовой частоты DECT использует 10 частотных каналов (MC - Multi Carrier) в диапазоне 1880-1990 МГц. Временной спектр для DECT подразделяется на временные фреймы, повторяющиеся каждые 10 мс. Фрейм состоит из 24 временных слотов, каждый из которых индивидуально доступен (TDMA - Time Division Multiple Access), слоты могут использоваться либо для передачи либо для приема. В базовой речевой услуге DECT два временных слота - с разделением в 5 мс - образуют пару для обеспечения поддерживающей емкости обычно для полных дуплексных 32 kbit/s соединений (ADPCM - адаптивная дифференциальная импульсно-кодовая модуляция -G.726 кодированная речь). Для облегчения реализаций базового стандарта DECT временной фрейм в 10 мс разделяется на две половины (TDD - Time Division Duplex); первые 12 временных слота используются для передачи фиксированной части ("связь вниз"), а остальные 12 - для передачи носимой части ("связь вверх").

Благодаря структуре TDMA, обеспечивается до 12 одновременных голосовых соединений DECT (полный дуплекс) на каждый трансивер, что дает значительные ценовые преимущества по сравнению с технологиями, позволяющими только одно соединение на трансивер (например, CT2). Благодаря усовершенствованному радиопротоколу, DECT может предлагать полосы частот различной ширины, соединяя несколько каналов в одну несущую. Для целей передачи данных достигаются защищенные от ошибок чистые скорости в n x 24 kbit/s максимально до 552 kbit/s, при этом, как оговорено стандартом DECT, обеспечивается полная безопасность.

При использовании принципа MC/TDMA/TDD для базового DECT (частотные и временные измерения), устройству DECT в любой момент доступен общий спектр из 120 дуплексных каналов. При добавлении третьего измерения (пространства) - при условии, что емкость DECT ограничивается помехами от сопряженных сот и достигается соотношение C/I (Carrier-to-Interface) = 10 дБ - можно получить очень низкий коэффициент повторного использования канала. Различные каналы связи в прилегающих сотах могут использовать тот же канал (комбинация частота/временной слот). Следовательно, при высокой плотности установки базовых станций DECT (например, на расстоянии 25 м в идеальной модели покрытия в форме шестиугольника) можно достичь емкости трафика для базовой технологии DECT приблизительно до 10 000 Эрланг/кв.км./этаж (где эрланг равен средней нагрузке трафика, вызываемой одним речевым соединением DECT - с использованием одной пары "частота/временной слот" - 100% времени.) при отсутствии необходимости частотного планирования. Таким образом, инсталляция оборудования DECT упрощается, так как необходимо учитывать только требования к покрытию и трафику.

Базовая станция (базовый радиоблок - БРБ) DECT постоянно передает сигнал, по крайней мере, по одному каналу, таким образом, выступая в качестве маяка для соединения с мобильными DECT-трубками (абонентскими радиоблоками - АРБ). Передача может быть частью активной связи, а может быть холостой. Передача маяка БРБ содержит служебную информацию - в многофреймовой мультиплексной структуре - об идентификации базовой станции, возможностях системы, статусе БРБ и пейджинговую информацию для установления входящей связи. АРБ, подключенные к передаче маяка, проанализируют передаваемую информацию и определят, есть ли у АРБ права доступа к системе (только те АРБ, у которых есть права доступа, могут установить связь), соответствуют ли возможности системы услугам, требующимся АРБ и - в том случае, если связь необходима - есть ли у БРБ свободная емкость для установления радиосвязи с АРБ.

DECT определяет постоянный динамический выбор канала и динамическое выделение канала. Все оборудование DECT обязано регулярно сканировать свое локальное радиоокружение - по крайней мере один раз каждые 30 секунд. Сканирование означает получение и измерение силы местного радиочастотного сигнала по всем свободным каналам. Сканирование осуществляется как фоновый процесс и представляет список свободных и занятых каналов (список RSSI: Received Signal Strength Indication - Индикация мощности полученного сигнала), один для каждой комбинации "временной слот/несущая", который будет использоваться в процессе выбора канала. Свободный временной слот не используется (временно) для передачи или приема. В списке RSSI низкие значения мощности сигнала означают свободные каналы без помех, а высокие значения означают занятые каналы или каналы с помехами. С помощью информации RSSI, DECT-АРБ или DECT-БРБ может выбрать оптимальный (с наименьшими помехами) канал для установления новой линии связи.

Каналы с самыми высокими значениями RSSI постоянно анализируются в DECT-АРБ для того, чтобы проверить, что передача исходит от базовой станции, к которой у носимой части есть права доступа. АРБ засинхронизируется с БРБ, имеющей самый мощный сигнал, как определено стандартом DECT. Каналы с самыми низкими значениями RSSI используются для установления радиосвязи с БРБ, если пользователь АРБ решит установить связь, или в случае, когда мобильной DECT-трубке передается сигнал о входящем звонке через прием пейджингового сообщения. В базовой станции DECT каналы с низкими значениями RSSI используются при выборе канала для установления передачи маяку (холостой передачи). Механизм динамического выбора и выделения канала гарантирует, что связь всегда устанавливается на самом чистом из доступных каналов.

Если пользователь хочет позвонить, то осуществляется следующий механизм: АРБ автоматически (без участия пользователя) выбирает (используя динамический выбор канала) наилучший из доступных каналов и связывается по нему с БРБ. Чтобы обнаружить попытки установления связи со стороны АРБ, БРБ должен принимать на этом канале, когда АРБ передает свой запрос на доступ. Чтобы АРБ могли использовать все 10 радиочастотных несущих DECT, БРБ постоянно последовательно сканирует свои незанятые принимающие каналы в поисках попыток АРБ установить связь. АРБ синхронизируются с этой последовательностью с помощью постоянно передаваемой базовой станцией служебной информации. На основе этой информации АРБ могут определять точный момент, когда возможен успешный доступ к БРБ на выбранном канале.

При поступлении входящего вызова на DECT-АРБ, сеть доступа информирует об этом АРБ, отправив соответствующий идентификатор об этом АРБ по пейджинговому каналу. АРБ, приняв пейджинговое сообщение со своим идентификатором, устанавливает радиоканал для обслуживания входящего вызова, используя ту же процедуру, которая применяется при установлении исходящей связи.

Благодаря мощному динамическому выбору, выделению канала и возможностям DECT, обеспечивающим хэндовер без прерывания связи, АРБ могут уходить от соединения, содержащего помехи, устанавливая второе соединение - на вновь выбранном канале - либо с той же базовой станцией (внутрисотовый хэндовер) либо с другой базовой станцией (хэндовер между сотами). Эти два радиосоединения временно поддерживаются параллельно, при этом передается идентичная речевая информация, и в то же время анализируется качество соединений. По прошествии некоторого времени базовая станция определяет, у какого радиосоединения лучше качество, и освобождает другой канал.

Если DECT-АРБ перемещается из одной соты в другую, мощность получаемого сигнала БРБ - измеряемая с помощью динамического выбора и выделения канала носимой частью - будет постепенно уменьшаться. Мощность сигнала БРБ, обслуживающей соту, в направлении которой движется АРБ, будет постепенно возрастать. В тот момент, когда сигнал нового БРБ становится сильнее сигнала старого БРБ, происходит хэндовер без прерывания связи (как описано выше) к новому БРБ.

Хэндовер без прерывания связи, совершенно независимо инициируемый мобильной DECT-трубкой, остается незамеченным для пользователя. Хотя хэндовер всегда инициируется DECT-АРБ, возможны ситуации, в которых линия связи "АРБ-БРБ" не обеспечивает требуемого качества. На этот случай в DECT предусмотрены протоколы оповещения, которые позволяют БРБ передать сообщение о воспринимаемом качестве соединения АРБ, который может затем инициировать хэндовер.

Таким образом, хэндовер в DECT - это механизм ухода от каналов, подверженных воздействию помех, или каналов с низким уровнем сигнала, принцип работы которого сходен с хэндовером в сети GSM. Однако, хэндовер в DECT происходит недостаточно быстро, чем в GSM чтобы противодействовать ситуациям быстрого замирания. Для этой цели DECT-БРБ может быть оборудована разнесенными антеннами. Стандартом предусмотрен протокол сигнализации для контроля за выбором антенны БРБ с мобильной DECT-трубки. Благодаря тому, что радиолиния между БРБ и АРБ имеет природу дуплекса с временным разделением (симметрии), выбор лучшей антенны БРБ улучшает не только качество "восходящей линии связи", но и качество "нисходящей линии связи", на низкой скорости.

Свойства совместимости технологии радиодоступа в основном базируются на возможности ухода (хэндовера) - в частотной области - от зашумленной радиолинии, не полагаясь на информацию, переданную по первоначальному каналу (подверженному воздействию). MC/TDMA/TDD, постоянный динамический выбор и выделение канала и процедуры хэндовера в стандарте DECT демонстрируют отличные возможности совместимости даже в условиях сильной интерференции.

Использование технологии радиодоступа, предоставляющей мобильность, подразумевает значительный риск в отношении защищенности. Стандарт DECT предусматривает меры противодействия естественным дефектам защищенности, свойственным беспроводной связи. Для предотвращения несанкционированного доступа были введены эффективные протоколы прописки и аутентификации, а концепция усовершенствованного кодирования обеспечивает защиту от прослушивания.

Прописка - это процесс, благодаря которому система допускает конкретную мобильную DECT-трубку к обслуживанию. Оператор сети или сервис-провайдер обеспечивает пользователя АРБ секретным ключом прописки (PIN-кодом), который должен быть введен как в БРБ, так и в АРБ до начала процедуры. До того, как трубка инициирует процедуру фактической прописки, она должна также знать идентификацию БРБ, в которой она должна прописаться (из соображений защищенности область прописки может быть ограничена даже одной выделенной (маломощной) БРБ системы). Время проведения процедуры обычно ограничено, и ключ прописки может быть применен только один раз, это делается специально для того, чтобы минимизировать риск несанкционированного использования.

Прописка в DECT может осуществляться "по эфиру", после установления радиосвязи с двух сторон происходит верификация того, что используется один и тот же ключ прописки. Происходит обмен идентификационной информацией, и обе стороны просчитывают секретный аутентификационный ключ, который используется для аутентификации при каждом установлении связи. Секретный ключ аутентификации не передается по эфиру.

Мобильная DECT-трубка может быть прописана на нескольких базовых станциях. При каждом сеансе прописки, АРБ просчитывает новый ключ аутентификации, привязанный к сети, в которую он прописывается. Новые ключи и новая информация идентификации сети добавляются к списку, хранящемуся в АРБ, который используется в процессе соединения. Трубки могут подключиться только к той сети, в которую у них есть права доступа (информация идентификации сети содержится в списке).

Аутентификация трубки может осуществляться как стандартная процедура при каждом установлении связи. Во время сеанса аутентификации базовая станция проверяет аутентификационный ключ, не передавая его по эфиру.

Принцип нераскрытия идентификационной информации по эфиру заключается в следующем: БРБ посылает трубке случайное число, которое называется "запрос". Трубка рассчитывает "ответ", комбинируя аутентификационный ключ с полученным случайным числом, и передает "ответ" базовой станции. БРБ также просчитывает ожидаемый "ответ" и сравнивает его с полученным "ответом". В результате сравнения происходит либо продолжение установления связи либо разъединение.

Если кто-то подслушивает по эфирному интерфейсу, для того чтобы украсть аутентификационный ключ, ему необходимо знать алгоритм для выявления ключа из "запроса" и "ответа". Этот "обратный" алгоритм требует огромной компьютерной мощности. Поэтому стоимость извлечения ключа подслушиванием процедуры аутентификации невероятно высока.

Процесс аутентификации использует алгоритм для вычисления "ответа" из "запроса" и аутентификационный ключ в трубке и на базовой станции. Он представляет собой способ отправки идентификационной информации пользователя в зашифрованной форме по эфиру для предотвращения кражи идентификационной информации. Этот же принцип может быть применен для данных пользователя (например, для передачи речи). Во время аутентификации обе стороны также просчитывают ключ шифрования. Этот ключ используется для шифрования данных, передаваемых по эфиру. Получающая сторона использует тот же ключ для расшифровки информации. В DECT процесс шифрования является частью стандарта (хотя и необязательной).