eng
Содержание
Содержание
Предисловие 11
Выражение признательности 13
Часть I 15
Беспроводной доступ к сети Интернет 15
Глава 1. Введение в технологию беспроводного мобильного Интернета 15
1.1.
Телекоммуникационные технологии 15
1.1.1.
Телекоммуникации: проводные, беспроводные и сотовые 16
1.1.1.1
Методы множественного доступа 16
1.1.1.2.
Сотовая мобильная связь 19
1.1.2.
Сеть Интернет: стационарная, беспроводная и мобильная 20
1.2.
Тенденции на пути к беспроводному Интернету 22
1.2.1.
Методы доступа: фиксированный и мобильный 22
1.2.2.
Расширение использования сети Интернет 24
1.2.3.
Телекоммуникационные услуги для всех 25
1.2.4.
Распространение технологий сотовой мобильной связи 26
1.2.5.
Телекоммуникационный трафик: передача речи, данных и мультимедиа 26
1.2.6.
Трафик мобильного Интернета 27
1.3.
Требования к беспроводному Интернету 28
1.3.1.
Расширение сети Интернет за счет мобильности 28
1.3.2.
Технические характеристики Интернет-соединения и качество услуг (QoS) 29
1.3.3.
Изменения в Интернет-протоколах 30
1.3.4.
Аутентификация, авторизация и учет
(AAA — Authentication, authorization and accounting) 30
1.3.5.
Управление ресурсами 31
1.3.6.
Изменение сетевой архитектуры 31
1.4.
Общая структура книги 32
Литература 35
Глава 2. Беспроводные сотовые сети передачи данных 37
2.1.
Введение 37
2.1.1.
Коммутация каналов 38
2.1.2.
Коммутация пакетов 38
2.1.3.
Сети доступа 40
2.1.4.
Базовая сеть 40
2.2.
Службы передачи данных в сотовых системах второго поколения (2G) 42
2.2.1.
Пакетная цифровая передача данных по сотовой сети (CDPD) 42
2.2.2.
Система высокоскоростной передачи данных по коммутируемым каналам (HSCSD) 46
2.3.
Последние усовершенствования сотовых сетей для передачи данных 48
2.3.1.
Протокол приложений для беспроводной связи (WAP) 48
2.3.2.
Технология i-mode 52
2.3.3.
Свобода мультимедийного доступа (FOMA) 56
2.4.
Органы по стандартизации 57
2.4.1.
Международный союз телекоммуникаций (ITU) 57
2.4.2.
Европейский институт телекоммуникационных стандартов 59
2.4.3.
Форум Универсальной системы мобильной связи (UMTS Forum) 59
2.4.4.
Проект сотрудничества третьего поколения (3GPP) 60
2.4.5.
Проект 2 сотрудничества третьего поколения (3GPP2) 62
2.4.6.
Комитет по инженерным вопросам сети Интернет (IETF) 63
2.4.7.
Форум мобильного беспроводного Интернета (MWIF) 65
2.5.
Заключение 65
Литература 67
Глава 3. Мобильные сотовые сети 69
3.1.
Глобальная система мобильной связи (GSM) 69
3.1.1.
Архитектура системы GSM 71
3.1.2.
Распределение полосы частот в системе GSM 73
3.1.3.
Каналы управления и каналы трафика в системе GSM 73
3.1.4.
Возможности системы GSM 76
76
4
Содержание
3.1.5.
Архитектура сети GSM 77
3.1.6.
DCS1800 и PCS1900 78
3.2.
Пакетная радиосвязь общего пользования (GPRS) 79
3.2.1.
Архитектура GPRS 81
3.2.2.
Новые маршрутизаторы GPRS 82
3.2.3.
Сигнализация в GPRS 84
3.2.4.
Управление мобильностью GPRS 86
3.3.
Усовершенствованная служба универсальной пакетной радиопередачи (EGPRS) 87
3.3.1.
Система EGPRS фазы 1 88
3.3.2.
Система EGPRS фазы 2 89
3.4.
Универсальная система мобильной связи (UMTS) 90
3.4.1.
Эволюция на всех логических уровнях 91
3.4.2
Архитектура сети UMTS 93
3.4.3.
Опорная сеть и сеть радиодоступа в системе UMTS 95
3.4.4.
Режимы работы UMTS 96
3.4.5.
Сетевой протокол UMTS 99
3.4.5.1.
Физический уровень 99
3.4.5.2.
Уровень управления доступом к среде 101
3.4.5.3.
Уровень управления радиолинией 102
3.4.5.4.
Уровень протокола конвергенции пакетных данных 103
3.4.5.5.
Уровень управления радиоресурсами 103
3.4.6.
Архитектура открытых сервисов UMTS 104
3.4.6.1
Элементы VHE 104
3.4.6.2.
Спецификации SCS в среде VHS 105
3.5.
Заключение 107
Литература 108
Глава 4. Сети мобильной связи будущего 110
4.1.
Технология IMT-2000 110
4.1.1.
Семейство стандартов IMT-2000 111
4.1.2.
Система cdma2000 114
4.1.3.
Гармонизация стандартов IMT-2000 116
4.2.
Пост 3G-системы 118
4.2.1.
Мобильные системы 4G: взаимодействующие сети 119
4.2.2.
Сети all-IP 121
4.2.3.
Модульный подход к мобильным сетям 4G 122
4.2.4.
Форум по проблемам беспроводного мобильного Интернета (MWIF) 124
4.3.
Приложения будущей технологии мобильного Интернета 129
4.3.1.
Общие приложения Интернета 132
4.3.2.
Приложения, предназначенные только для мобильной среды 132
4.4.
Многоуровневая архитектура будущей мобильной сети Интернет 132
4.4.1.
Подход к технологии мобильного Интернета 133
4.4.2
Многоуровневая архитектура 134
4.4.3.
Уровень сетевого управления 138
4.4.3.1.
Управление мобильностью 139
4.4.3.2.
Управление трафиком 140
4.4.3.3.
Управление качеством обслуживания 140
4.5.
Заключение 141
Литература 142
Часть II 145
Фундаментальные вопросы беспроводных сетей IP 145
Глава 5. Качество обслуживания в мобильной среде 145
5.1.
Определение понятия«Качество обслуживания» QoS 145
5.1.1.
Требования QoS на уровне пользователя 146
5.1.2.
Требования к QoS, диктуемые технологией и параметрами сети 149
5.1.3.
Корреляция параметров QoS 152
5.2.
Гарантия качества услуг в сетях IP 155
5.2.1.
Классификация пакетных данных 155
Содержание 5
5.2.2.
Изоляция пакетов 156
5.2.3.
Эффективное управление сетевыми ресурсами 157
5.2.4.
Управления нагрузкой трафика 157
5.2.5.
Краткие выводы 158
5.3.
Решения по обеспечению качества обслуживания в сети Интернет 159
5.3.1.
Интегрированное обслуживание (IntServ) 159
5.3.2.
Дифференцированное обслуживание (DiffServ) 161
5.3.3.
Сравнение между IntServ и DiffServ 163
5.3.4.
IntServ через DiffServ 163
5.4.
Обеспечение качества обслуживания в сотовых сетях 164
5.4.1.
Поддержка QoS в сети GPRS 164
5.4.2.
Поддержка QoS в системе UMTS 165
5.5.
Организация обеспечения QoS в мобильных сетях 167
5.6.
Выводы 168
Литература 169
Глава 6. Моделирование трафика беспроводных сетей IP 171
6.1.
Введение 171
6.1.1.
Нарождающиеся тенденции изменения трафика
мобильных систем следующего поколения 172
6.1.2.
Важность моделирования трафика 173
6.1.3.
Критерии моделирования трафика 173
6.2.
Модели Пуассона и Маркова 174
6.2.1.
Ограниченность моделей Пуассона и Маркова в моделировании трафика 174
6.2.2.
Необходимость появления новых моделей трафика 175
6.3.
Характеристики развивающегося сетевого трафика 176
6.3.1.
Распределение с «тяжелым хвостом» (heavy tailed distribution) 177
6.3.1.1.
Распределение Парето 178
6.3.1.2.
Распределение Вейбулла 178
6.3.2.
Самоподобный трафик 178
6.3.2.1.
Показатели самоподобного трафика 179
6.3.2.2.
Описание самоподобного трафика 181
6.3.3.
Фрактальный трафик 181
6.3.4.
Долговременная корреляция(LRD – long-range dependence) 182
6.3.5.
Приемлемость самоподобной характеристики и долговременной корреляции 182
6.4.
Модели самоподобного трафика и трафика с долговременной корреляцией 184
6.4.1.
Модели традиционного трафика 184
6.4.1.1.
Пуассоновская модель 184
6.4.1.2.
Модель Маркова 185
6.4.1.3.
Модулированный процесс Маркова 185
6.4.2.
Современные и будущие модели 186
6.4.2.1.
Жидкостная модель трафика (fluid traffic model) 186
6.4.2.2
Самоподобная модель 186
6.4.2.3.
Модели долговременной корреляции 187
6.4.3.
Модели трафика для приложений сети Интернет 190
6.4.3.1.
Трафик электронной почты (e-mail) 190
6.4.3.2.
Трафик WWW 190
6.4.3.3.
Трафик FTP 194
6.5.
Модели трафика с долговременной и кратковременной корреляцией 194
6.5.1.
Модели самоподобного трафика 196
6.5.2.
Модели трафика с долговременной корреляцией 197
6.6.
Заключение 198
Литература 199
Глава 7. Управление трафиком в беспроводных сетях IP 201
7.1.
Введение 201
7.2.
Контроль допуска 206
7.2.1.
Контроль допуска на основе параметров 207
7.2.1.1.
Детерминистский контроль допуска 207
7.2.1.2.
Стохастический контроль допуска 207
6
Содержание
7.2.1.3.
Недостатки методов контроля допуска на основе параметров 207
7.2.2.
Контроль допуска на основе измерений 208
7.2.2.1.
Преимущества метода MBAC 208
7.2.2.2.
Недостатки метода MBAC 209
7.2.3.
Параметры качества обслуживания 210
7.3.
Беспроводные сети IP 211
7.3.1.
Сети беспроводного доступа 211
7.3.2.
Беспроводная локальная сеть стандарта IEEE 802.11 212
7.3.2.1.
Основная структура беспроводной сети 212
7.3.2.2.
Конфигурации беспроводной сети 212
7.3.3.
Уникальные характеристики беспроводных локальных сетей 213
7.3.3.1.
Характеристики физического канала 213
7.3.3.2.
Мобильность пользователей 214
7.3.3.3.
Различные требования QoS 214
7.3.3.4.
Предложения IETF по приложениям реального времени 215
7.3.4.
Контроль допуска в беспроводных IP-сетях 215
7.4.
Контроль допуска на основе измерений — MBAC 217
7.4.1.
Оценка нагрузки сети 217
7.4.1.1.
Простое суммирование 217
7.4.1.2.
Суммирование измерений 218
7.4.1.3.
Зона приема 218
7.4.1.4.
Эквивалентная полоса пропускания 218
7.4.2.
Параметры измерений 219
7.4.2.1.
Период выборки 220
7.4.2.2.
Размер окна измерений 220
7.4.2.3.
Оценка средней интенсивности входного потока 220
7.4.3.
Возможные источники ошибок 220
7.4.3.1.
Ошибка оценки параметров 221
7.4.3.2.
Неправильное решение допуска 221
7.4.4.
Приемлемость MBAC для беспроводных IP-сетей 222
7.5.
Реализация контроля допуска на основе измерений (MBAC) 224
7.5.1.
Базовая модель сети 224
7.5.2
Характеристики беспроводных IP-сетей 224
7.5.3.
Имитационное моделирование 225
7.5.3.1.
Структура имитационного моделирования 225
7.5.3.2.
Критерии допуска 228
7.5.3.3.
Процедура MBAC 228
7.6.
Параметры управления трафиком 228
7.6.1.
Выбор параметров 228
7.6.1.1.
Коэффициент формы кривой распределения Парето 229
7.6.1.2.
Период выборки 230
7.6.1.3.
Размер окна измерений, T232 231
7.6.1.4.
Другие допущения, использованные при моделировании 232
7.6.1.5.
Обоснование подхода на основе измерений 233
7.6.2.
Проверка результатов имитационного моделирования 233
7.7.
Сравнение методов резервирования с методами приоритетности 236
7.7.1.
Без резервирования и установления приоритетности 236
7.7.1.1.
Без толерантности к задержке 237
7.7.1.2.
Включение параметра толерантности к задержке 237
7.7.1.3.
Влияние «жадных» пользователей 240
7.7.2.
Резервирование 245
7.7.2.1.
Без толерантности к задержке 246
7.7.2.2.
Введение параметра толерантности к задержке 250
7.7.3.
Приоритетность 256
7.7.3.1.
Без толерантности к задержке 256
7.7.3.2.
Применение толерантности к задержке 263
7.7.4.
Сравнение методов приоритетности и резервирования 272
7.7.4.1.
Без толерантности к задержке 272
7.7.4.2.
Введение толерантности к задержке 273
Содержание 7
7.8.
Выводы 274
Литература 275
Глава 8. Мобильность в сотовых сетях 277
8.1.
Введение 277
8.2.
Модели мобильности 279
8.2.1.
Модели топологии сети 280
8.2.1.1.
Регулярная топология 281
8.2.1.2.
Нерегулярная топология 282
8.2.2.
Модели движения 282
8.2.2.1.
Жидкостная модель 284
8.2.2.2.
Модель случайного движения 284
8.2.2.3.
Марковская модель (первого порядка) 285
8.2.2.4.
Модель конечного контекста 285
8.2.2.5.
Гауссовско-марковская модель 286
8.2.2.6.
Функционально-ориентированная модель 287
8.2.2.7.
Модель кратчайшего расстояния 288
8.2.2.8.
Трассы мобильности 288
8.2.3.
Модели времени удержания ячейки (residence time model) 289
8.2.3.1.
Длительность неограниченного сеанса 291
8.2.3.2.
Время удержания канала 293
8.2.3.3.
Среднее количество передач обслуживания на один вызов 293
8.2.4.
Модели поступления вызова (call-arrival models) 294
8.3.
Методы контроля местоположения 295
8.3.1.
Стратегии обновления данных о местоположении 295
8.3.1.1.
Метод обновления данных местоположения на основе зоны 297
8.3.1.2.
Метод обновления данных местоположения на основе зоны трех размещений 298
8.3.1.3.
Метод обновления данных местоположения на основе профиля (Profile-based) 299
8.3.1.4.
Метод вероятностного положения (Probabilistic location) 300
8.3.1.5.
Метод на основе компрессии (Compression-based) 300
8.3.1.6.
Метод на основе установления порогов (Threshold assignation) 301
8.3.1.7.
Метод на основе состояния (State-based) 303
8.3.1.8.
Метод на основе установления адаптивного к нагрузке порога 304
8.3.1.9.
Метод на основе направления (Direction-based) 304
8.3.1.10.
Метод на основе фильтра Калмана (Kalman filter-based) 305
8.3.1.11.
Метод на основе адаптируемого расстояния (Adaptive distance-based) 308
8.3.1.12.
Метод на основе регистрации динамичного положения
(Dynamic location register) 308
8.3.1.13.
Метод на основе прогнозируемого расстояния (Predictive distance-based) 309
8.3.1.14.
Метод на основе вида деятельности (Activity-based) 309
8.3.2.
Поисковый вызов (пейджинг) 311
8.3.2.1.
Опрос с сигналами гашения (blanking polling) 311
8.3.2.2.
Последовательный поисковый вызов 312
8.3.2.3.
Выборочный поисковый вызов (Selective paging) 314
8.3.2.4.
Секционный поисковый вызов (Sectional paging) 315
8.3.3.
Заключительные комментарии 318
8.3.3.1.
Метод продвижения (переадресация) указателя (Pointer forwarding scheme) 318
8.3.3.2.
Метод привязки положения (Location anchoring scheme) 318
8.3.3.3.
Тиражирование профиля пользователя (User profile replication) 319
8.4.
Аналитические основы управления локализацией 320
8.4.1.
Факторы, влияющие на производительность системы 320
8.4.1.1.
Определение эксплуатационных затрат 321
8.4.1.2.
Характеристики вызова и мобильности 321
8.4.1.3.
Ограничение по задержке поискового вызова 322
8.4.2.
Функция общих затрат 322
8.4.2.1.
Анализ чувствительности 323
8.4.3.
Затраты на обновление данных о местоположении 324
8.4.3.1.
Метод расчета на основе Марковской модели 324
8.4.3.2.
Анализ на основе Марковской модели для двухмерной топологии 331
8.4.3.3.
Модифицированная аналитическая основа для двухмерной топологии 340
8
Содержание
8.4.4.
Установление оптимальной границы 342
8.4.4.1.
Динамическое установление оптимального LA в двухмерной топологии 343
8.4.4.2.
Поисковый вызов на основе состояния/регистрация:
жадный (поглощающий) метод: 347
8.4.4.3.
Алгоритм обновления местоположения на основе адаптивного расстояния 350
8.4.5.
Затраты на операции поискового вызова 352
8.4.5.1.
Количество сигналов поискового вызова 352
8.4.5.2.
Средняя задержка 355
8.4.6.
Алгоритмы разделения (Partition algorithms) 355
8.4.6.1.
Метод разделения по принципу«сначала кратчайшие расстояния» 356
8.4.6.2.
Метод выборочного поискового вызова 357
8.4.6.3.
Метод разделения по принципу: сначала наиболее вероятные 358
8.4.6.4.
Метод оптимального разделения 358
8.5.
Выводы 359
Литература 360
Глава 9. Транспортные протоколы для беспроводных сетей IP 364
9.1.
Введение 364
9.2.
Общее представление о протоколе TCP 366
9.2.1.
Архитектура TCP/IP 366
9.2.2.
Основные возможности протокола TCP 368
9.2.3.
Структура сегмента TCP 369
9.2.4.
Управление потоком в TCP 370
9.2.5.
Механизм тайм^аута TCP 370
9.2.6.
Контроль перегрузки в TCP 371
9.2.7.
Некоторые заключения по протоколу TCP 374
9.3.
Протокол управления передачей (TCP) для беспроводных каналов 375
9.3.1.
Изучение проблемы 375
9.3.2.
Ожидаемая производительность TCP в беспроводных каналах 377
9.3.3.
Усовершенствования TCP 379
9.4.
Протокол ELN- ACK 381
9.4.1.
Новая форма подтверждения приема пакета 382
9.4.2
Новый агент на базовой станции 383
9.4.3.
Процедура, выполняемая отправителем TCP 384
9.5.
Оценка производительности 384
9.5.1.
Имитационная среда 385
9.5.2.
Оценка производительности 385
9.5.3.
Оценка параметра задержки 388
9.5.4.
Эффективность функционирования окна перегрузки 390
9.6.
Протоколы управления передачей для сотовых сетей 391
9.7.
Выводы 393
Литература 394
Глава 10. Протокол Internet для беспроводных сетей IP 396
10.1.
Введение 396
10.2.
Общее представление о протоколе Internet 397
10.2.1.
Иерархическая маршрутизация в сети Интернет 398
10.2.1.1.
Протокол маршрутной информации (RIP) 399
10.2.1.2.
Протокол первоочередного открытия кратчайших расстояний (OSPF) 399
10.2.1.3.
Протокол внутреннего шлюза маршрутизации (IGRP) 400
10.2.1.4.
Пограничный сетевой протокол (BGP) 400
10.2.2.
Протокол управляющих сообщений в сети Интернет (ICMP) 400
10.2.3.
Основные возможности протокола Internet 401
10.2.3.1.
Классовая и бесклассовая адресация 402
10.2.3.2.
Фрагментация и повторная сборка IP^дэйтаграмм 404
10.3.
Протокол Internet, версия 6 (IPv6) 404
10.3.1.
Мотивировки для разработки IPv6 405
10.3.2.
Формат заголовка IPv6 405
10.3.3.
Эволюция протокола IP 407
10.3.3.1.
Подход с двумя стеками (dual-stack) 407
Содержание 9
10.3.3.2.
Подход с инкапсуляцией 408
10.3.4
Состояние разработок IPv6 на текущий момент 409
10.3.4.1.
Поддержка поставщиков 409
10.3.4.2.
Поддержка со стороны пользователей 410
10.3.5.
Беспроводной доступ к среде: направление для развития IPv6 410
10.4.
Протокол Mobile IP 411
10.4.1.
Общее представление о протоколе 411
10.4.1.1.
Регистрация 413
10.4.1.2.
Туннельный переход и маршрутизация 413
10.4.2.
Вопросы эффективности функционирования Mobile IPv4 415
10.4.2.1.
Управление локализацией 415
10.4.2.2.
Управление маршрутизацией 416
10.4.2.3.
Управление процессом передачи обслуживания (эстафетной передачи) 417
10.4.3.
Протокол Mobile IPv6 418
10.4.4.
Передача обслуживания в Mobile IPv6 (хэндовер) 419
10.4.4.1.
Передача обслуживания, контролируемая c мобильного узла 419
10.4.4.2.
Передача обслуживания, контролируемая сетью 420
10.4.5.
Иерархические агенты мобильности 421
10.5.
Протоколы Cellular IP и HAWAII 421
10.5.1.
Протокол Cellular IP 422
10.5.2.
Сеть HAWAII 424
10.5.3.
Сравнение протокола Cellular IP с HAWAII 425
10.6.
Заключение 425
Литература 427
Часть III 429
Специальные вопросы беспроводных сетей IP 429
Глава 11. Перспективы развития беспроводных сетей IP 429
11.1.
Передача пакетных данных 429
11.1.1.
Уровень доступа 431
11.1.2.
Канальный уровень 432
11.1.3.
Сетевой уровень 432
11.1.4.
Уровень обеспечения безопасности 432
11.2.
Передача пакетных данных — функциональная модель 433
11.2.1.
Собственный агент (Home agent) 433
11.2.2.
Узел обеспечения передачи пакетных данных (PDSN) 434
11.2.3.
Аутентификация, авторизация и учет (ААА) 434
11.2.3.1.
AAA в сети сервис-провайдера 434
11.2.3.2.
AAA в собственной сети IP 435
11.2.3.3.
ААА в сети брокера 435
11.2.4.
Функция управления пакетами 436
11.2.5.
Управление ресурсами радиосети 436
11.2.6.
Подвижная станция 436
11.3.
Модели архитектуры 437
11.4.
Заключение 440
Литература 441
Глава 12. Мобильные сети ad hoc и предстоящие задачи 443
12.1.
Введение в мобильные сети ad hoc 443
12.1.1.
Беспроводная локальная вычислительная сеть 443
12.1.2.
Создание сетей ad hoc с использованием БЛВС локальной сети 445
12.1.3.
Спецификации IEEE 802.11 446
12.2.
Комплексное управление энергопотреблением в сетях ad hoc 448
12.2.1.
Мощность потребления устройств 448
12.2.2.
Управление мощностью 449
12.3.
Протокол управления доступом к среде (MAC) в сетях ad hoc 450
12.4.
Поддержка качества обслуживания в сетях ad hoc 451
12.5.
Архитектуры поиска служб в сети ad hoc 452
12.6.
Модели и стимулы продвижения данных 454
10
Содержание
12.7.
Адресация в сетях ad hoc и присваивание имен 455
12.8.
Внеочередное соединение и приоритетное прерывание обслуживания 456
12.9.
Выводы 458
Литература 458
Глава 13. Спутники связи в беспроводных сетях IP 460
13.1.
Введение 460
13.2.
Обзор спутниковых систем связи 461
13.2.1.
Услуги мобильной спутниковой телефонной связи первого поколения 461
13.2.2.
Услуги мобильной спутниковой телефонной связи второго поколения 462
13.2.3.
Широкополосные системы спутниковой связи 463
13.3.
Спутник для глобального Интернета 465
13.3.1.
Архитектура соединения спутников 466
13.3.2.
Сферы применения спутников 467
13.4.
Спутники в беспроводных сетях третьего поколения 469
13.5.
Технические вопросы реализации сети Интернет на основе спутниковых систем 472
13.5.1.
Управление мобильностью 472
13.5.2.
Контроль местоположения 474
13.5.3.
Управление маршрутизацией 474
13.5.4.
Управление передачей обслуживания 474
13.5.5.
Управление качеством услуг 475
13.6.
Управление мобильностью в спутниковых и наземных сетях 476
13.6.1.
Спутниковые системы 476
13.6.2.
Сотовые сети 477
13.6.3.
Сравнение процессов управления передачей обслуживания
и контроля местоположения 478
13.7.
Транспортировка трафика Интернета через спутниковые системы 478
13.7.1.
Недостатки протокола TCP 479
13.7.2.
Усовершенствования протокола TCP 480
13.8.
Выводы 481
Литература 483
Список акронимов 485
Об авторе 495
Предисловие
Как преподаватель систематических лекций по технологии мобильного и беспро-
водного Интернета, проведенных за последние пять лет на основных междуна-
родных конференциях, в компаниях и университетах, а также как исследователь
в этой области я всегда сталкивался с трудностью подбора полной литературы,
где я мог бы почерпнуть знания, необходимые для моих исследований этой важ-
ной сферы. В последние годы промышленные и научные эксперты опубликовали
много книг о GSM, CDMA, UMTS и cdma2000 для сотовых сетей и много других
книг касательно сетей обмена данными, Mobile IP, сотового IP и мобильности IP
для реализации IP технологий в мобильной среде. У меня была возможность про-
читать почти все эти книги и изучить многочисленную соответствующую техни-
ческую документацию, изданную в ходе международных конференций, а также
журналы, научно-популярные издания и протоколы. С одной стороны, эти книги
о типах сотовой связи в основном объясняли концепции физического и канально-
го уровней в системах беспроводной сотовой связи как второго, так и третьего по-
коления, приводя небольшое концептуальное описание сети. И еще меньше они
содержали информации о том, как системы сотовой связи могут стать основной
инфраструктурой для будущего беспроводного доступа к Интернету. С другой сто-
роны, книги, рассчитанные на размещение в сети Интернет, были сфокусирова-
ны на архитектуре сети, эталонной модели и механизме внедрения IP технологий
в мир мобильной связи с получением небольшой помощи от исследовательского
сообщества сотовой связи. Техническая документация, будь то обзорная литера-
тура и учебные пособия или же издания научно-исследовательского характера,
давала только отдельную информацию в ограниченном объеме. В конце концов,
я пришел к заключению, что пока каждый отдельный текст опубликованной ли-
тературы дает обилие информации исследователям технологии беспроводного
и мобильного Интернета, ни один из них не может быть взят в качестве текста,
основанного на глубоких знаниях исследователей, особенно по вопросам орга-
низации сетей. Ввиду этого у меня родилась идея написать книгу (ее вы сейчас
держите в руках), которая стала бы первым полным изданием о беспроводном до-
ступе к Интернету.
Основное содержание и структура книги «Беспроводной мобильный Интернет»
были разработаны в ходе многих лекций, которые я провел за прошедшие пять
лет на тему технологии беспроводного и мобильного Интернета. Порядок глав
и их соответствующее содержание пересматривались снова и снова по мере полу-
чения информации в процессе обратной связи с аудиторией. Основополагающие
знания аудитории по данному вопросу были очень разносторонние. Некоторые
участники занимались новыми исследованиями в этой области, некоторые были
аспирантами и профессорами в университете, инженерами и руководителями на-
учно-исследовательских отделов правительственных агентств и телекоммуника-
ционной промышленности. Соответственно информация, полученная в процессе
обратной связи с аудиторией, повлиявшая на содержание и презентационный вид
моей книги, была тоже разносторонняя. В результате этого многое было удале-
но из первоначального содержания, а многие моменты были добавлены в каж-
дой главе, так как я обнаружил, что могу написать книгу, нацеленную на широкий
12 Предисловие
диапазон потенциальных читателей. Я сделал вывод, что необходимо включить
все материалы, требуемые для понимания данного вопроса, а также обозначить
вопросы первостепенной важности. Используя эту стратегию, основанную на ин-
формации, полученной от аудитории, я с удовлетворением вижу, что книга «Бес-
проводной мобильный Интернет» завершена в надлежащем логическом и модуль-
ном формате, и наиболее важным является тот факт, что книга охватывает все не-
обходимые материалы. Я высоко ценю вклад всех тех, кто позволил сформировать
книгу в ее настоящем виде.
Книга «Беспроводной мобильный Интернет» написана таким образом, что она не
является чисто научным изданием либо изданием, нацеленным на производство.
Содержание данной книги будет бесспорно интересно как научным исследовате-
лям, так и производственникам. Некоторые главы книги «Беспроводной мобильный
Интернет» описывают стандартную деятельность и текущий статус разработок по
беспроводному доступу к сети Интернет, в других главах детализируются моде-
ли и особые технические методы, обычно рассматриваемые научными исследо-
вателями. Я убежден, что данная комбинация окажет значительное воздействие
для того, чтобы направить разработки по беспроводному доступу к сети Интернет
в нужное русло, так как за годы моей трудовой деятельности у меня был опыт ра-
боты с высшими учебными заведениями и промышленными предприятиями.
Книга «Беспроводной мобильный Интернет» написана так, чтобы охватить ши-
рокую сферу аудитории, начиная со студентов старших курсов университета до
аспирантов, инженеров-исследователей, разработчиков систем и других специа-
листов. Структура книги «Беспроводной мобильный Интернет» устроена так, что
отдельно взятые из нее части можно использовать для лекций по беспроводному
Интернету. Первая часть, включающая главы с 1 по 4, дает исчерпывающую ин-
формацию по определению беспроводного доступа к сети Интернет и опорных
технологий. Вторая часть состоит из шести глав. В ней обсуждаются основные
требования и вопросы по реализации идеи беспроводного доступа к Интерне-
ту. В последней части, включающей три главы, приводятся расширенные поня-
тия о технологии беспроводного Интернета и обобщения на глобальной основе.
Поэтому, в целом, книга может быть использована в качестве полного издания ка-
сательно технологии беспроводного мобильного Интернета, требований и прак-
тики внедрения, тогда как отдельные части книги можно заказать и использовать
в качестве тематики для более специализированных курсов по данному предмету.
Подробности по содержанию трех частей книги включены в окончательный раз-
дел главы 1.
ВЫРАЖЕНИЕ ПРИЗНАТЕЛЬНОСТИ
Во время осуществления данного проекта я получил неоценимую помощь и со-
действие со стороны многих людей, которым я хочу выразить свою признатель-
ность. Многие результаты исследований, которые вошли в книгу «Беспроводной
мобильный Интернет» (Wireless Mobile Internet), были взяты из моих научных ис-
следований, которые я проводил в г. Сиднее со своими аспирантами. Джейд Ким
(Jade Kim), мой бывший аспирант, а в настоящее время занимающий должность
инженера-исследователя в Ericsson Research в г. Сан Диего, Калифорния, сделал
большой вклад в написание глав, посвященных моделированию трафика и про-
цессу управления трафиком. Мой другой аспирант, Трейси Танг (Tracy Tung), соб-
рал основные материалы по процессам управления мобильностью и положением,
которые вошли в главу 8. Так как я считаю, что создание мобильных сетей ad hoc
имеет очень большое значение для реализации будущих беспроводных сетей IP, то
обратился с просьбой к своему другу C-K. То (C-K. Toh), (бывшему профессору в
Georgia Institute of Technology, GA, а сейчас руководителю научно-исследователь-
ских работ в TRW Systems, Калифорния, который является специалистом в об-
ласти мобильных сетей ad hoc), написать главу, посвященную данной теме, для
моей книги. Его великодушный вклад в раскрытие темы мобильных сетей ad hoc
представлен в главе 12, после небольшой вводной части, написанной мною.
Слушатели кратких курсов, которые я проводил на тему технологии мобиль-
ного беспроводного Интернета, стали анонимными критиками этой книги, и без
неоценимого вклада, который я получил в процессе общения с аудиторией, я бы
не знал, каким образом построить структуру книги «Беспроводной мобильный Ин-
тернет». Раймонд Стилз (Raymond Steels) — председатель Multiple Access Communications
Limited, который долгие годы занимался исследованиями телекомму-
никационных систем, побудил меня взяться за выполнение данного проекта во
время нашей встречи в г. Калгари, Канада. Я никогда не забуду помощь, которую
я получил от организационных комитетов многих международных конференций,
таких как IEEE Global Telecommunications Conference (Конференция по глобаль-
ным телекоммуникациям комитета IEEE), IEEE International Conference of Communications
(Международная конференция коммуникаций IEEE), IEEE Wireless
Communications and Networking Conference (Конференция по беспроводной
связи и организации беспроводных сетей IEEE), IEE High Performance Switching
and Routing Conference (Конференция по повышению эффективности процессов
коммутации и маршрутизации IEEE), IEEE Vehicular Technology Conference (Кон-
ференция по связи с подвижными объектами IEEE), TR Labs Annual International
on Wireless Communications (Ежегодная Международная конференция TR Labs по
беспроводной связи) и другие конференции, проводимые в период с 2000 г. по
2002 г., которые позволили мне проанализировать мои идеи, представленные в
качестве учебных пособий в специальных программах. Мои заметки в процессе
лекций, включенные в эти учебные пособия, стали основным источником для на-
писания книги «Беспроводной мобильный Интернет».
Я хочу поблагодарить персонал, работающий в компании Wiley в Чичестере,
который помогал мне опубликовать эту книгу. Особенно я хочу выразить приз-
нательность редакторам Салли Мортимер (Sally Mortimer) и Биргит Грубер (Birgit
14 Выражение признательности
Gruber), которые терпеливо на протяжении многих лет помогали мне в осущест-
влении данного проекта, завершение которого откладывалось из-за моих обя-
занностей в университете и других сферах. Комментарии анонимных критиков,
изучивших содержание данной книге по просьбе Wiley, действительно были мне
очень полезны. Также хочу поблагодарить за прекрасно проделанную работу
оформителей компании Wiley и других членов редакторской группы.
Я очень благодарен за поддержку и терпение, проявленное членами моей се-
мьи, Зохре (Zohreh) и моими сыновьями Соруш (Soroush) и Сепер (Sepehr), во
время всех долгих дней и ночей, потраченных мною на написание данной книги,
несмотря на то, что это время я должен был отвести на общение с ними. Страс-
тные увлечение и азарт, с которыми Соруш и Сепер пользуются возможностями
Интернета, доказали большую необходимость написать книгу на тему беспро-
водного доступа к сети Интернет и еще раз подтвердили, что, когда они станут
взрослыми, Интернет будет служить им независимо от того, где они будут жить
и чем заниматься. Надеюсь, что их поколение будет пользоваться преимущест-
вами сети, представленной в книге «Беспроводной мобильный Интернет» и других
книгах на эту тему, которые будут изданы в будущем.
Я также хочу поблагодарить всех, кто каким-то образом был вовлечен в про-
цесс воплощения в жизнь моего проекта. Я надеюсь, что с помощью книги «Бес-
проводной мобильный Интернет» я смогу внести свою скромную лепту в архив зна-
ний по этому крайне важному предмету и читатели найдут данную книгу полезной
для использования в своих исследованиях в течение долгих лет.
Аббас Джамалипур (Abbas Jamalipour)
Сидней, 2002
ЧАСТЬ I
БЕСПРОВОДНОЙ ДОСТУП
К СЕТИ ИНТЕРНЕТ
ГЛАВА 1
ВВЕДЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЮ
БЕСПРОВОДНОГО
МОБИЛЬНОГО ИНТЕРНЕТА
Технология беспроводного доступа в Интернет, казавшаяся фантазией всего
несколько лет назад, в настоящее время развивается столь стремительно, что
может в корне изменить всю структуру телекоммуникационной отрасли. Метод
беспроводного доступа в Интернет — это не просто расширение сети Интернет
в мобильную среду, позволяющее перемещающемуся абоненту мобильной связи
пользоваться сервисом сети Интернет. Речь идет об интегрировании технологий
сети Интернет и телекоммуникационных технологий в одну единую систему,
охватывающую все потребности человека в информационном обмене. Значи-
тельный прогресс, достигнутый за последнее десятилетие в области технологии
беспроводного доступа, методов коммутации и маршрутизации в сети Интер-
нет, разработок совершенной аппаратуры и изощренного программного обеспе-
чения, позволяет воплотить в жизнь наши мечты о такой всеобъемлющей сети
Интернет. Первые услуги мобильного Интернета, основанные на технологиях
сотовой связи, уже позволяют пользователям реально ощутить преимущества
беспроводной мобильной сети Интернет. Но все же для достижения устойчивых
результатов для такой сети необходимо проводить дальнейшие исследования в
этой области. В первой главе мы рассмотрим основные телекоммуникационные
технологии, а затем приведем статистические данные по мировым тенденциям
в развитии технологии беспроводного доступа к Интернету. Эти тенденции ха-
рактерны для ведущих телекоммуникационных технологий и Интернет-прило-
жений. В этой главе дается также общее представление об ограничениях метода
беспроводного доступа в Интернет.
1.1. Телекоммуникационные технологии
Создание беспроводных сетей является одним из самых значительных технологи-
ческих прорывов человечества в течение нескольких последних десятилетий. Еще
двадцать лет назад можно было лишь с трудом предположить, что услуги связи бу-
дут предоставляться независимо от географического местонахождения людей при
16 Глава 1. Введение в технологию беспроводного мобильного Интернета
их переезде с места на место, а сейчас многие не могут представить свою жизнь без
возможной в любой момент связи по мобильному телефону.
Буквально в последние годы телекоммуникационные технологии были на-
столько улучшены, что порой начинаешь сомневаться в возможностях их даль-
нейшего совершенствования. Каков же будет следующий прорыв в этой столь
быстро развивающейся отрасли? Можно ли добавить что-либо еще к услугам
связи? На чем завершится прогресс телекоммуникационной индустрии, и когда
наступит этот момент?
1.1.1. Телекоммуникации:
проводные, беспроводные и сотовые
Услуги электросвязи начались с телефонной связи; самой естественной потреб-
ностью людей является речевое общение, причем независимо от того, находятся
ли они в одном месте или же за тысячи километров друг от друга. Изобретение
проводной телефонной связи удовлетворило это естественное желание и по праву
считается одним из величайших достижений своего времени. Однако даже при
таком выдающемся достижении потребовалось 75 лет, чтобы абонентами провод-
ной телефонной сети стали первые 50 миллионов человек.
Появление радио после открытия электромагнитных волн ознаменовало
собой начало новой эры в истории электросвязи. Замена проводов на эфирное
пространство как среду для передачи сигналов связи привела к возникновению
новых идей в развитии систем связи. Исследователи начали работать над со-
вершенствованием методов передачи в эфир все большего объема информации.
Были разработаны новые алгоритмы кодирования для того, чтобы улучшить ка-
чество принимаемого радиосигнала. Для увеличения количества пользователей,
имеющих доступ к одному и тому же частотному спектру, и совместного исполь-
зования ими имеющихся частотных ресурсов были изобретены различные мето-
ды аналоговой модуляции. Радио- и телевизионное вещание завоевали мировой
потребительский рынок. В частности, с телевидением появилось средство визу-
ального общения людей, что, конечно, желательнее передачи одного только го-
лоса, а спутниковая связь позволила передавать радио- и телевизионные сигналы
в любую часть земного шара буквально за считанные секунды. Но и этим передо-
вым техническим достижениям потребовалось некоторое время, чтобы получить
достаточно широкое распространение. Радиовещание приобрело первых 50 мил-
лионов слушателей через 35 лет, а столь популярному телевидению потребовалось
13 лет, чтобы получить такое же количество зрителей. И это было только начало
развития беспроводной связи.
1.1.1.1. Методы множественного доступа
Использование ресурсов телекоммуникаций стало расти так бурно, что специа-
листы приступили к поиску методов эффективного совместного использования
этих ресурсов. С самого начала было установлено, что ресурсы систем связи
17
ограничены, независимо от того, используется ли для передачи кабель или эфир.
Поэтому начали разрабатываться методы множественного доступа. Дискуссии по
поводу различных методов множественного доступа можно найти во всех класси-
ческих изданиях по связи общего характера [1–4] и в более специализированных
работах [5–13]. Исследования частотной модуляции (ЧМ) натолкнули на мысль
о возможности совместного использования (разделения) выделенной частотной
полосы многими пользователями, чтобы они могли одновременно передавать
сигналы по разным частотным каналам. В результате была разработана технология
множественного доступа с частотным разделением каналов — FDMA (frequency
division multiple access). В методе FDMA, как показано на рис. 1.1 (а), каждому
пользователю выделяется небольшая часть частотного спектра, или частотный
канал в пределах имеющихся частотных полос. Небольшой участок спектра вы-
деляется каждой паре соседних частотных каналов в качестве защитной полосы
частот для уменьшения интерференции от смежных каналов.
Первые беспроводные системы, включая спутниковые системы связи, ис-
пользовали технологию FDMA в качестве основного метода обслуживания многих
пользователей. Одной из причин для данного выбора послужил тот факт, что ЧМ
более устойчива к нелинейности характеристик тракта передачи, поэтому анало-
говые усилители на спутнике могут работать с высоким коэффициентом усиления
в режиме, где усиление уже не является линейным процессом.
Исследования в области цифровой связи и методов аналого-цифрового преоб-
разования позволили понять, что разделение каналов во времени при использова-
нии одной и той же полосы частот явилось бы лучшей альтернативой по сравнению
с FDMA. Поэтому был изобретен механизм множественного доступа с временным
разделением каналов — TDMA (time division multiple access). Данный метод позво-
Рис. 1.1. Распределение ресурсов систем связи в соответствии с разны-
ми методами множественного доступа: (а) с частотным раз-
делением каналов (FDMA); (б) с временным разделением ка-
налов (TDMA) и (в) с кодовым разделением каналов (CDMA)
PN Code (power) — псевдослучайный код (мощность)
1.1. Телекоммуникационные технологии
18 Глава 1. Введение в технологию беспроводного мобильного Интернета
ляет многим пользователям использовать всю имеющуюся полосу частот, при этом
соответствующая информация передается в разные интервалы времени, называемые
временными, или канальными, интервалами (слотами), как показано на рис. 1.1 (б).
Каждая пара смежных временных слотов разделяется коротким промежутком вре-
мени, представляющим собой защитный интервал для снижения помех от сосед-
них каналов. Завершением этого этапа развития цифровой связи стало изобретение
импульсно-кодовой модуляции, ИКМ (PCM, pulse code modulation), применение
которой позволяет передавать через разделяемую среду меньший объем информа-
ции, однако этого объема достаточно для восстановления исходной информации
отправителя. Развитие метода ИКМ произошло благодаря опубликованию теоремы
отсчетов Найквиста. Оба метода — TDMA и FDMA — можно охарактеризовать как
бесконфликтные протоколы. Действительно, передачи пользователей во времен-
ной (TDMA) или в частотной (FDMA) области контролируются и поэтому не воз-
никает конфликта при попытках доступа к каналам, как это, например, происходит
в системе с полностью случайным множественным доступом Aloha [8].
Не так давно для использования ресурсов беспроводных каналов в качестве ком-
мерческих технологий стали применяться методы множественного доступа с кодо-
вым разделением каналов — CDMA (code division multiple access) [9–12]. В системе
CDMA сигналы пользователей занимают весь отведенный ей частотный спектр на
протяжении всего времени передачи. Однако эти сигналы отличаются друг от друга,
поскольку в каждом из них используется особый код, закрепленный за соответствую-
щим пользователем, как показано на рис. 1.1 (в). В любой момент времени некоторое
подмножество пользователей системы может одновременно передавать информацию
соответствующим приемникам по общему каналу связи. Передаваемые сигналы в об-
щем спектре можно сделать отличимыми друг от друга путем наложения уникальной
псевдослучайной (или псевдошумовой, PN, pseudonoise) последовательности, на-
зываемой кодом, для каждого передаваемого сигнала. Поэтому каждый отдельный
приемник может извлечь передаваемую ему информацию, зная PN-код, то есть по-
следовательность, использованную соответствующим передатчиком.
Наиболее распространенной разновидностью CDMA является CDMA с пря-
мым расширением спектра (DS-CDMA, direct sequence CDMA). Здесь сигналы
с расширенным спектром передаются с одной и той же несущей частотой и за-
нимают одну и ту же ширину частотной полосы, при этом каждый сигнал имеет
индивидуальную PN-последовательность. Далее мы увидим, что DS-CDMA при-
меняется в системе мобильной связи UMTS (Universal Mobile Telecommunications
System) в режиме дуплексной передачи с частотным разделением каналов — FDD
(frequency division duplex) [14–18], тогда как в системе cdma2000 [19, 20] — другой
системе сотовой связи третьего поколения (3G) — используется CDMA с нес-
колькими несущими (подробности см. в главах 3 и 4).
В зависимости от состояния канала CDMA можно рассматривать либо как
протокол доступа к каналу без конкуренции, либо как соревновательный прото-
кол доступа. CDMA является протоколом без конкуренции, если количество од-
новременно осуществляемых передач в канале (или же уровень интерференции,
обусловленной множественным доступом) ниже установленного порога, при
котором система еще может успешно обработать все передачи. CDMA является
соревновательным протоколом, если уровень помех выше заданного порога,
в результате чего возникает ситуация соперничества и потери всех пакетов, од-
19
новременно передаваемых в эфире. По этой причине система с CDMA относится
к системам с ограничением по мощности (ограничивается общей мощностью
помех от других пользователей) в отличие от TDMA и FDMA, которые являются
системами, ограниченными шириной полосы канала.
1.1.1.2. Сотовая мобильная связь
Прогресс в развитии радиосвязи, методов множественного доступа и алгоритмов
кодирования определил средства реализации мобильной связи для персональных
пользователей. Так началась новая эра систем (служб) персональной связи — PCS
(Personal Communication Services). Одновременно достижения в сфере проекти-
рования и изготовления электронных схем позволили реализовать многие раз-
работанные алгоритмы систем связи на всего лишь одной микросхеме. Все эти
достижения проложили дорогу для развития мобильной связи. Популярность мо-
бильной связи для речевого общения и большой прогресс в развитии технологии
сверхбольших интегральных схем (СБИС) привели к разительному снижению
цен на услуги и аппаратуру мобильной связи за очень короткий период времени.
Поэтому всего за 12 лет существования мобильная связь уже завоевала первые
50 миллионов абонентов, опередив даже радио и телевидение, которые считались
наиболее привлекательными телекоммуникационными услугами.
В системах PCS была использована концепция сотовой структуры для того,
чтобы добиться максимальной спектральной эффективности путем повторного
(или многократного) использования частот, когда в сотах, находящихся достаточ-
но далеко друг от друга, используется одна и та же частотная полоса. Например,
Рис. 1.2. Основные концепции системы мобильной связи с сотовой структурой
и многократным использованием частот
1.1. Телекоммуникационные технологии
20 Глава 1. Введение в технологию беспроводного мобильного Интернета
в структуре многократного использования частот на базе семи сот, показанной на
рис. 1.2, весь диапазон радиочастот, выделенный службе сотовой связи, разделен
максимум на семь подполос. Из этого рисунка видно, что в то время как сосед-
ние соты используют разные подполосы, пары сот, находящиеся на достаточном
расстоянии друг от друга, могут использовать одну и ту же частотную подполосу.
Каждая цифра, показанная в соте на этом рисунке, обозначает отдельную частот-
ную подполосу, используемую в этой соте. Все современные сотовые системы
мобильной связи используют схожую концепцию.
Рассмотренная концепция сотовой связи может применяться и в системах
FDMA, чтобы одни наборы частотных полос использовались более одного раза
в группах сот, расположенных достаточно далеко друг от друга. Ее можно исполь-
зовать и в системах CDMA для снижения уровня помех множественного досту-
па от пользователей соседних сот, увеличивая тем самым емкость системы. Она
также может применяться и в системах TDMA для увеличения емкости системы,
обслуживая большее количество пользователей за счет комбинирования методов
TDMA и FDMA.
1.1.2. Сеть Интернет:
стационарная, беспроводная и мобильная
Прежде считалось, что в полный комплект услуг телекоммуникаций входят ра-
дио- и телевещание, а также передача речи с использованием проводных и мо-
бильных телефонов. Это было справедливо до того момента, когда стали доступны
персональные компьютеры (PC), которые заменили многие виды традиционной
офисной и бытовой техники. С появлением протокола передачи гипертекста
HTTP (hypertext transfer protocol) и языка гипертекстовой разметки HTML (hypertext
markup language) сеть Интернет стала новым средством телекоммуникаций.
Персональные компьютеры были соединены между собой и могли осуществлять
обмен данными. Вскоре люди поняли, что компьютер и Интернет могут заменить
традиционные средства связи, которые были им известны до этого, включая
радио, телевидение и даже телефон. Резкое падение цен и огромное увеличение
технических возможностей PC сделали возможным для каждого иметь компьютер
дома и подключать его к сети Интернет. Возможности, предоставляемые компью-
тером и Интернетом, были столь захватывающими, что ими был установлен новый
рекорд в завоевании 50-миллионной армии пользователей — это произошло всего
за четыре года. Рис. 1.3 иллюстрирует достижения на мировом рынке различных
телекоммуникационных технологий, рассмотренных выше.
Кажется, что мы достигли всего, о чем не могли даже мечтать всего несколько
десятилетий назад. У нас есть возможность для хорошей передачи речи и видео-
изображений, когда мы находимся в офисе или в пути, а одним щелчком мыши
можно получить из сети Интернет новейшую информацию. Тогда что же еще ос-
тается? Ответ очень прост, когда мы начинаем думать о прогрессе в области теле-
коммуникаций.
Если стала мобильной телефонная связь, то почему доступ к Интернету должен
быть ограничен географически привязанным местоположением? Если Интернет
21
занимает такое важное место в нашей повседневной жизни, то почему бы нам не
иметь возможность доступа к нему, когда мы захотим и где захотим? Поэтому мо-
бильный Интернет является следующим шагом (и очень большим, как мы вскоре
увидим) в развитии телекоммуникационной индустрии, и наша книга посвящена
именно этой теме.
Обычно мобильный Интернет (mobile Internet) определяется как архитектура,
в которой пользователь имеет возможность доступа к глобальной сети Интернет
со всеми стандартными услугами, независимо от местонахождения относительно
точки подключения к сети. Такое определение подразумевает, что понятие «мо-
бильный Интернет» гораздо шире понятия «беспроводный Интернет». В беспро-
водном Интернете физическое подключение пользователя к сети осуществляется
в беспроводной среде через радиочастотные каналы. Но мобильный Интернет
обеспечивает доступ к сети не только через радиоканалы, но также через какую-
нибудь проводную сеть, например, сеть Ethernet, и через коммутируемые соеди-
нения в любом месте. Примером беспроводного Интернета может служить бес-
проводная локальная сеть, в которой точкой доступа является базовая станция,
обслуживающая несколько подвижных вычислительных устройств, находящихся
в помещении и в пределах ограниченной географической зоны, и соединяющая
их через сервер беспроводной локальной сети с проводной локальной сетью и, в
конечном итоге, с глобальной сетью Интернет. Однако мобильный Интернет так-
же может включать в себя беспроводную локальную сеть в качестве одного из сво-
их сегментов. Пользователь сети мобильного Интернета может быть подключен
к Интернету через высокоскоростное соединение сети Ethernet, а потом в любой
момент переключиться на беспроводную локальную сеть с помощью соответству-
ющей карточки доступа, а затем подключиться к сотовой сети через модем сотовой
связи. В отличие от пользователя, который, переезжая, вынужден отключаться от
одной сети (например, сети Ethernet) перед подключением к другой (например,
к беспроводной локальной сети или к коммутируемой сети), пользователь сети
мобильного Интернета может перемещаться с места на место и при этом его со-
единение изменяется без всяких прерываний («бесшовный переход»).
Реализация мобильного Интернета не может произойти так сразу, как это
было с голосовой связью и телефонией. Существует много факторов, которые
Рис. 1.3. Периоды создания рынка первых 50 миллионов пользователей для теле-
коммуникационных технологий
1.1. Телекоммуникационные технологии
22 Глава 1. Введение в технологию беспроводного мобильного Интернета
могут затруднить такую реализацию. В случае с голосовой связью единственной
проблемой (по крайней мере, в самом начале) было найти методы передачи ана-
логовых по своей природе сигналов, используя электромагнитные волны. При
условии, что связь может быть установлена с приемлемой задержкой, а голос
узнаваем, никаких нареканий со стороны абонента мобильной связи не долж-
но быть. Короткие прерывания и искажения голосового сигнала приемлемы для
человеческого уха. Пока отношение «сигнал-помеха» для принимаемого сигна-
ла выше некоторого уровня, сигнал может быть восстановлен в приемнике. Что
касается передачи данных, например, в сети Интернет, то даже очень короткое
прерывание в процессе передачи может повредить весь файл данных, который,
возможно, будет трудно восстановить. Поэтому необходимы дальнейшие ис-
следования и разработки для создания надежной сети мобильного Интернета.
В этой книге мы разъясним требования, необходимые для реализации беспро-
водного и мобильного Интернета, и подробно рассмотрим текущую деятель-
ность и прогресс в области беспроводных сотовых систем и схожих телекомму-
никационных сегментов.
1.2. Тенденции на пути к беспроводному
Интернету
Прежде чем ознакомиться с технологическими требованиями и мировой прак-
тикой в области развития технологии мобильного и беспроводного Интернета,
в этом разделе предпринята попытка объяснить, зачем нужна такая сеть. Возни-
кает логичный вопрос: «Каковы доказательства необходимости того, чтобы сеть
мобильного Интернета стала частью глобальной телекоммуникационной ин-
фраструктуры?». Ответить на него нужно прежде, чем искать решение проблемы
технической реализации данной идеи. Подробное обсуждение, которое мы здесь
приводим, является в некоторой степени продолжением вводного курса, изло-
женного в предыдущем разделе, но с привлечением некоторых статистических
показателей.
1.2.1. Методы доступа: фиксированный и мобильный
Для того чтобы понять потребность в мобильном и беспроводном Интернете
в ближайшем будущем, следует рассмотреть тенденции в области развития те-
лекоммуникаций за последние годы, а также то, как эволюционировала данная
индустрия за сравнительно короткий период времени. Первой значимой тен-
денцией, наметившейся в области телекоммуникационной индустрии, стал пе-
реход от фиксированного доступа к системам связи к доступу через мобильные
устройства, или мобильному доступу. Нет необходимости делать экскурс в ис-
торию для того, чтобы понять возникновение данной тенденции. Как показано
на рис. 1.4, с 1996 г. всемирный рост числа абонентов телефонной связи с фик-
сированными подводящими линиями был плавным до достижения уровня при-
близительно в 650 миллионов абонентов, а к 2005 г. количество абонентов срав-
23
нялось с миллиардом [21]. На графике, иллюстрирующем данный рост, видны
признаки насыщения рынка или очень незначительное увеличение после 2005 г.
С другой стороны, рост количества абонентов мобильной связи, показанный на
этом же рисунке, является экспоненциальным без тенденций к прекращению
или снижению темпов роста. Этот график демонстрирует вполне естественный
и понятный феномен — люди хотят иметь одну или две фиксированных теле-
фонных линии у себя дома для всей семьи, но предпочитают приобрести один
или два мобильных телефона для каждого члена семьи, например, один из ко-
торых используется для работы, а другой в личных целях. Постоянное снижение
стоимости мобильных телефонов и платы за услуги мобильной связи также спо-
собствует прогрессирующему росту числа абонентов до неизвестного предела.
Возможно, одним из факторов, сдерживающих эту тенденцию, будет ограни-
ченность имеющегося частотного спектра для распределения его между миллиар-
дами пользователей.
Для сравнения [21, 22] на рис. 1.4 показан также рост числа пользователей
сети Интернет с фиксированным доступом. Как видно из этого рисунка, картина
для Интернета схожа с картиной роста потребительского рынка сети мобильной
сотовой связи. Услуги мобильного Интернета, которые будут рассматриваться
в главе 2, появились одновременно с наступлением второй фазы развития со-
товых сетей второго поколения, таких как служба универсальной пакетной ра-
диопередачи — GPRS (General Packet Radio Service) [23–25], появившаяся вслед
за системой GSM (Global System for Mobile communications) [26]. Если добавить
количество пользователей услуг мобильного Интернета к числу пользователей
сети Интернет с фиксированным доступом, то общий рост числа пользователей
Интернета будет еще более резким.
Рис. 1.4. Рост количества абонентов систем фиксированной и мобильной связи
1.2. Тенденции на пути к беспроводному Интернету
24 Глава 1. Введение в технологию беспроводного мобильного Интернета
1.2.2. Расширение использования сети Интернет
Хотя сетью Интернет пользуются с 1980-х годов, его применение вплоть до
1995-го года ограничивалось услугами по пересылке файлов, удаленному до-
ступу к компьютерам и простой отправке почты в форме пересылки файлов.
Интернет стал завоевывать популярность после появления языка HTML и про-
токола HTTP, когда начался век поиска во «всемирной паутине» (web browsing).
На рис. 1.5 показаны темпы роста использования сети Интернет за последние
два десятилетия. Появление системы поиска и средств просмотра web-страниц
(web-браузеров) действительно произвело революцию в технологии сети Интер-
нет и считается поистине одним из главных факторов популярности Интернета.
Появление web-браузеров, таких как Netscape и Internet Explorer, и новых про-
грамм управления электронной почтой (e-mail) с возможностью просмотра по-
зволило обычным людям, не обладающим глубокими знаниями компьютерных
технологий, использовать персональные компьютеры, подсоединенные к сети
Интернет, в своей повседневной жизни, что привело к стремительному росту
числа пользователей Интернета. Следующим революционным фактором увели-
чения числа пользователей Интернета будет беспроводный Интернет, так как он
обеспечит свободу доступа к глобальной сети Интернет независимо от место-
нахождения пользователя. В ближайшем будущем каждый мобильный телефон,
холодильник, системы кондиционирования и другие устройства бытовой техни-
ки будут иметь адрес Интернет-протокола (IP-address) с возможностью подклю-
чения к сети Интернет.
Новое применение Интернета, называемое встроенный Интернет (embedded
Internet), расширит использование сети Интернет в стационарной и мобиль-
ной областях, привлекая миллиарды новых виртуальных пользователей. Хотя
Рис 1.5. Экспоненциальный рост использования сети Интернет
25
Интернет начали использовать в качестве средства связи для людей, вскоре он
позволит соединять между собой устройства, а также людей и устройства. Все
это потребует глобальной модернизации инфраструктуры сети Интернет и его
новых сегментов. Беспроводной Интернет будет играть решающую роль в обес-
печении доступа для этих новых пользователей и устройств.
1.2.3. Телекоммуникационные услуги для всех
Абоненты сотовой мобильной связи довольно равномерно распределены по
всему миру. Хотя эта статистика относится к телефонной связи, наиболее ве-
роятно, то же произойдет и с мобильным Интернетом, и, следовательно, не на-
рушится свойство масштабируемости Интернета, когда он станет мобильным.
На рис. 1.6 показано распределение абонентов мобильной связи по регионам
мира с 1995 года и ожидаемые результаты к 2010 году [18]. Азиатско-Тихоокеан-
ский регион (АТР) с Китаем и другими густонаселенными странами занимает
основную часть в сети глобальной мобильной связи. Считается, что использо-
вание сети Интернет будет иметь аналогичное распределение из-за количества
населения в данном регионе, и ввиду этого многие международные компании
полагают, что основным рынком услуг сети Интернет будет Китай. Северная
Америка и страны Европейского Союза занимают последующие места на рын-
ке услуг мобильной связи, но и другие страны Среднего Востока и Африки так-
же показывают значительный рост использования мобильных коммуникаций.
На рисунке 1.6 показан огромный потенциал рынка для беспроводного Интер-
нета во всех частях земного шара в случае успешной реализации надежной и
доступной сети.
Рис. 1.6. Распределение абонентов мобильной связи по регионам мира
1.2. Тенденции на пути к беспроводному Интернету
26 Глава 1. Введение в технологию беспроводного мобильного Интернета
1.2.4. Распространение технологий сотовой
мобильной связи
На рис. 1.7, показывающем мировое распределение технологий сотовой мобиль-
ной связи, можно увидеть, что основная часть приходится на технологию GSM.
(Технологии сотовой связи рассматриваются в главах 3 и 4.) Передовые методы,
применяемые в сети стандарта GSM, наряду с безопасностью и мобильностью, ко-
торые обеспечиваются благодаря использованию модуля идентификации абонен-
та (SIM, subscriber identity module), характеризуют эту систему как одну из самых
успешных в мире по сравнению с системами аналогичного назначения в Японии и
США. Далее в этой книге мы рассмотрим названные технологии, а сейчас следует
подчеркнуть потенциальную роль системы GSM в развитии технологии будущего
беспроводного мобильного Интернета. Вслед за GSM появилась система GPRS,
которая начала предоставлять некоторые услуги мобильного Интернета, причем
в системах третьего поколения (3G) она будет использоваться в качестве базовой
сети. Будущее развитие мобильного и беспроводного Интернета очень сильно
зависит от успеха системы GSM и сетей, разработанных на ее основе.
1.2.5. Телекоммуникационный трафик:
передача речи, данных и мультимедиа
Рис. 1.8 иллюстрирует другую тенденцию в развитии телекоммуникационной
индустрии, которая заключается в смещении центра тяжести от передачи речи
к передаче данных. Основное влияние на появление данной тенденции оказала
растущая в последние годы популярность Интернета.
С одной стороны, нагрузка речевого трафика показывает плавный и почти не-
заметный рост за прошедшие несколько лет. С другой стороны, новые приложе-
ния Интернета и мультимедиа, включающие в себя электронную почту (e-mail),
поиск и просмотр web-страниц, Интернет-телефонию и видеоконференц-связь
через Интернет, создают большую нагрузку трафика данных в телекоммуника-
ционных сетях, возрастающую по экспоненциальному закону. В ряде развитых
стран мира по объему трафик данных превзошел речевой. Во многих случаях та-
кие технологии, как передача речи поверх IP (voice over IP), сделали возможным
Рис. 1.7. Мировое распределение технологий сотовой мобильной связи
27
посылать информацию в звуковой форме через сеть Интернет, что привело к еще
более стремительному росту трафика данных и Интернет-трафика. Основная
часть трафика телекоммуникационных сетей исходит от 500 миллионов поль-
зователей сети Интернет. Когда мобильный Интернет займет свое место среди
телекоммуникационных сетей, этот показатель будет расти еще быстрее. Совре-
менные системы второго поколения, такие как GSM со своей службой коротких
сообщений — SMS (short message service), уже показывают огромное увеличение
трафика, исходящего от мобильных устройств. Ожидается, что количество поль-
зователей подвижных систем передачи данных, составляющее 3 миллиона, к 2005
году достигнет 77 миллионов, что соответствует ежегодному приросту 70% [21, 22,
27]. Трафик будущих сетей связи будет состоять в основном из трафика данных,
поэтому потребуются новые технологии управления трафиком. Во второй части
книги мы обсудим эти важные вопросы, относящиеся к реализации мобильного
и беспроводного Интернета.
1.2.6. Трафик мобильного Интернета
В число приложений мобильного Интернета входят не только приложения,
мобильные по своей сути, но также и приложения традиционного проводного
Интернета. Это еще один фактор, способствующий расширению использования
беспроводного мобильного Интернета по сравнению с предшествующим, про-
водным Интернетом.
Например, в список приложений беспроводного мобильного Интернета, ко-
торый уже содержит в себе многочисленные приложения, пришедшие из провод-
ного Интернета, включены услуги мобильной видео- и аудиоконференц-связи и
навигационные услуги.
На основании обсуждений и статистических данных, приведенных ранее
в этом разделе, становится ясно, что будущее развитие телекоммуникационных
Рис 1.8. Изменение характера трафика телекоммуникационных сетей от речевого
к трафику данных.
1.2. Тенденции на пути к беспроводному Интернету
28 Глава 1. Введение в технологию беспроводного мобильного Интернета
сетей очень сильно зависит от сети Интернет, так как трафик Интернета будет
занимать основную часть пропускной способности сети. Обмен данными и в пер-
вую очередь Интернет будут определять будущее телекоммуникационных сетей,
а мобильность, обеспечиваемая беспроводными технологиями, будет чрезвычай-
но востребована. Таким образом, развитие технологии мобильного Интернета
должно быть объектом глубоких исследований в научных и промышленных кру-
гах. Эти исследования не завершатся с реализацией сети мобильного Интернета,
потому что в будущих сетях должно обеспечиваться качество услуг (QoS, quality
of service) — и для телекоммуникационных сетей, в целом, и для мобильного Ин-
тернета, в особенности. В этой книге мы обсудим тему обеспечения качества услуг
и другие важные темы.
1.3. Требования к беспроводному Интернету
Продолжая чтение книги, мы найдем в каждой главе подробное обсуждение об-
щих требований к эффективной сети беспроводного мобильного Интернета и тех-
нических характеристик этой сети. В данном разделе мы кратко рассмотрим лишь
самые основные из них. Здесь мы попытаемся ответить на вопросы: «Какой была
бы идеальная беспроводная сеть Интернет, и какие аспекты должны быть учтены
в ее архитектуре?»
1.3.1. Расширение сети Интернет за счет мобильности
По своему определению технология мобильного и беспроводного Интернета
должна обеспечивать «бесшовный» (плавный) переход из географически стацио-
нарной области (стационарного домена) в мобильную среду. Под «бесшовным»
переходом подразумевается, что пользователь, подключенный к сети Интернет,
не почувствует заметных изменений при перемещении из стационарной области
в мобильную. В широком смысле, то же самое будет происходить и при переключе-
нии пользователя от одного беспроводного домена к другому. Говоря техническим
языком, доступ к Интернету для пользователя не должен зависеть от технологии
доступа, используемой для услуг Интернета.
Поясним это определение на простом примере. Хотя современные компью-
терные операционные системы (OS, operating system) и сеть Ethernet одновре-
менно могут поддерживать только одно Интернет-соединение, представьте все
же, что ваш компьютер подключен к Интернет-провайдеру (ISP, Internet service
provider) с помощью платы доступа к проводной локальной вычислительной
сети стандарта 100-Base-T Ethernet (скорость передачи 100 Мбит/с) [1] и пла-
ты доступа к беспроводной локальной сети стандарта IEEE 802.11b (скорость
передачи 11 Мбит/с) [28-30] одновременно. Предполагается, что опорная сеть
в обоих случаях одна и та же, например, локальная сеть с шинной топологи-
ей. Представьте, что ваша воображаемая (или идеальная) операционная система
может выбирать между двумя подключениями в зависимости, например, от ско-
рости, соответствующей соединению. То есть, когда вы сидите за своим столом
в офисе, операционная система вашего компьютера выбирает Ethernet со ско-
29
ростью 100 Мбит/с и игнорирует альтернативное подключение к беспроводной
локальной сети. А теперь вам нужно идти на совещание. Вы отсоединяете кабель
100-Base-T от компьютера, и его операционная система подключает вас к сети
Интернет через беспроводную локальную сеть. Предположим, что вам надо со-
вершить физическое перемещение, а в это время происходит процесс загрузки
большого файла с сервера, использующего протокол FTP (file transfer protocol —
протокол передачи файлов). Если процесс загрузки файла продолжается без пре-
рывания и вы действительно не замечаете изменения скорости передачи данных
при переключении между двумя соединениями, то можно сказать, что произош-
ло «бесшовное» переключение от одной сети доступа к другой. Основным сви-
детельством того, что переключение было «бесшовным», конечно, является тот
факт, что сеанс FTP не был прерван при вашем переключении от одного домена
(проводного) к другому (беспроводному). А уж если изменение битовой скоро-
сти при загрузке файла неощутимо для органов чувств человека-пользователя
Интернета, то можно считать, что процесс был еще более «бесшовным».
Пример, рассмотренный выше, должен показать разницу между системой
мобильного Интернета с «бесшовным» переключением (который и является
основной темой данной книги) и «кочующим» (nomadic) Интернетом. Поль-
зователь «кочующего» Интернета в рассмотренном примере должен отключить
кабель 100-Base-T, после чего вставить плату беспроводного Интернета и восста-
новить соединение с сетью Интернет. Если в это время происходил, например,
сеанс FTP, то он был бы прерван, и его нужно было возобновить после нового
подключения к сети. Все данные, которые были переданы до прерывания се-
тевого соединения, были бы потеряны. Поэтому разница в этих двух случаях
очевидна. В этой книге мы не будем обсуждать «кочующий» Интернет. Пример,
который мы рассмотрели, можно и расширить, если принять, что доступ в Ин-
тернет частично обеспечивается через системы мобильной сотовой связи.
1.3.2. Технические характеристики
Интернет-соединения и качество услуг (QoS)
Пример, приведенный в предыдущем разделе, с одним компьютером и двумя
вариантами доступа к Интернету должен ясно указать на необходимость некото-
рых изменений для реализации мобильного Интернета. Мы выделили скорость
передачи, обеспечиваемую в соединении, как определяющий фактор для того,
чтобы операционная система могла выбрать между двумя имеющимися вариан-
тами подключения к сети. Несомненно, что это является решающим моментом
при переходе от одного метода доступа к другому. Используя систему мобиль-
ного Интернета, пользователь не должен почувствовать заметную разницу в от-
ношении QoS для используемого им в данный момент приложения. Наиболее
заметной для человека мерой качества является скорость, используемая в со-
единении, то есть битовая скорость передачи данных, из чего логично вытекают
требования к времени задержки. В главе 5 мы всесторонне рассмотрим парамет-
ры QoS.
1.3. Требования к беспроводному Интернету
30 Глава 1. Введение в технологию беспроводного мобильного Интернета
1.3.3. Изменения в Интернет-протоколах
Простой пример, рассмотренный выше, показывает основные изменения, необ-
ходимые для протоколов, управляющих сетью Интернет. Изменения в протоко-
лах должны охватить все уровни стека протоколов сети. Необходимо внести из-
менения на канальном уровне (Layer 2) для того, чтобы обеспечить возможность
одновременного установления через различные сети доступа двух или более сое-
динений, поддерживаемых физическим уровнем (Layer 1). Изменение протокола
канального уровня должно быть учтено в операционной системе компьютера,
например, для того, чтобы можно было одновременно установить и поддерживать
два Интернет-соединения.
На физическом уровне мобильные устройства должны быть оснащены нес-
колькими интерфейсами для разных сетей доступа (проводных, таких как ка-
бельная сеть Ethernet и коммутируемая телефонная сеть, и беспроводных, таких
как локальная сеть и сотовая сеть), а также для ИК-канала. Физический уровень
должен включать в себя несколько интерфейсов к канальному уровню для упра-
вления наилучшим подключением к более высоким уровням, и если одно из под-
ключений не обеспечивает необходимое качество рабочего приложения, то может
применяться комбинация двух сетей доступа.
На сетевом уровне (Layer 3) IP требует основных изменений для выполнения
маршрутизации и других задач сетевого уровня в проводной и беспроводной средах.
Будущая технология мобильного Интернета должна обеспечивать переносимость
IP-адреса. Требования сигнализации IP-протокола должны быть упрощены для
повышения спектральной эффективности в будущих беспроводных сетях доступа.
Вопросы IP-адресации и глобальной трансляции сетевых адресов между разнотип-
ными сетями должны быть учтены при изменении протокола на сетевом уровне.
Транспортный уровень (Transport Layer), находящийся выше сетевого, может
считаться основной областью модификаций для будущих сетей мобильного Ин-
тернета. Унаследованный от проводных сетей подход к проектированию этого
уровня не обеспечивает эффективного использования пропускной способности
радиоканала, поэтому требуются модификации и расширение на транспортном
уровне с доминированием протокола управления передачей — TCP (transport
control protocol) и протокола пользовательских дейтаграмм — UDP (user datagram
protocol). В главе 9 мы рассмотрим изменения для протоколов IP и TCP.
1.3.4. Аутентификация, авторизация и учет
(AAA — Authentication, authorization and accounting)
Используя технологию мобильного Интернета, пользователь, независимо от
времени и местоположения, не будет замечать разницу между имеющимися
сервис-провайдерами. Предполагается, что пользователю будет предоста-
вляться доступ к Интернету независимо от точки подключения к сети и под-
держивающей базовой сети и сети доступа. Поэтому должна быть разработана
система аутентификации и авторизации пользователей во время их перемеще-
ния между разными сетями.
31
Процесс аутентификации обеспечивает подтверждение подлинности пользо-
вателя той сети, к которой он подключается. Обычно этот процесс осуществляется
посредством функциональной процедуры аутентификации. Авторизация опреде-
ляет, какой тип услуг может предоставляться пользователю после успешной аутен-
тификации. Поэтому недостаточно того, что пользователь может подключиться
к сети, он еще должен иметь подписку на список услуг, которые он собирается
получать от сети. Учет, являющийся третьим звеном в цепочке AAA (authentication,
authorization and accounting), формирует историю того, когда и какие именно
услуги предоставлялись пользователю в сети.
В существующих сетях связи каждый поставщик услуг (сервис-провайдер)
имеет базу данных с информацией о пользователях и их профилях для осущест-
вления соответствующей процедуры AAA. В некоторых случаях два или более
сервис-провайдера имеют совместную базу данных или доступ к базе данных
своего партнера, обеспечивая некоторую мобильность пользователей в этих
сетях. Однако для будущего мобильного Интернета требуется более глобальная
база данных, чтобы пользователи могли легко менять сети доступа и по-преж-
нему получать соответствующие Интернет-услуги, которые потом должны быть
оплачены. До того как мобильный Интернет будет реализован, необходимо
найти пути эффективного обслуживания такой базы данных с минимальными
конфликтами между разными сервис-провайдерами. Одним из проблемных
вопросов является начисление оплаты и выставление пользователям счетов от
соответствующих операторов за предоставленные услуги. К тому же система
должна быть спроектирована таким образом, чтобы не происходило утечек лич-
ной информации неавторизованным субъектам и использования сетевых услуг
пользователями, не имеющими на это права.
1.3.5. Управление ресурсами
Технология мобильного Интернета займет свое место среди других телекоммуни-
кационных технологий, следовательно, необходимо будет разделить между ними
имеющиеся ограниченные ресурсы. А значит, крайне необходимо усовершен-
ствовать систему управления ресурсами, чтобы разделить их между всеми сосуще-
ствующими технологиями. Методы управления ресурсами, такие как управление
пропускной способностью, контроль допуска, управление перегрузкой и т.д., дол-
жны обеспечить надежную работу сети, а также «справедливое» распределение ре-
сурсов между всеми уполномоченными пользователями. Мы рассмотрим данный
аспект в некоторых разделах этой книги.
1.3.6. Изменение сетевой архитектуры
Современные сетевые архитектуры, применяемые в проводном Интернете или
сотовых сетях, не подходят для их эффективного использования в будущем мо-
бильном Интернете, даже если предположить, что именно сотовые сети предо-
ставят для него основную инфраструктуру. За последние годы было издано много
научно-технической литературы, рассматривающей возможные изменения се-
1.3. Требования к беспроводному Интернету
32 Глава 1. Введение в технологию беспроводного мобильного Интернета
тевой архитектуры с тем, чтобы можно было применить ее для мобильного Ин-
тернета [31–37]. Основное внимание уделялось такому аспекту, как обеспечение
независимости базовой сети от подразумеваемой технологии доступа. В главе
4 мы подробно обсудим этот вопрос и приведем некоторые решения проблемы,
предложенные рядом исследователей и специалистов-практиков.
Ожидается, что экспоненциальный рост количества абонентов, обозначив-
шийся как в области Интернета, так и в области сотовой связи, создаст огромный
потребительский рынок для технологии мобильного Интернета, который охватит
абонентов обеих систем. Предположительные результаты показаны на рис. 1.9.
К тому времени беспроводная технология станет интегрированной частью
сети Интернет, а не просто еще одной технологией доступа к нему.
Как преподаватель систематических лекций по технологии мобильного и беспро-
водного Интернета, проведенных за последние пять лет на основных междуна-
родных конференциях, в компаниях и университетах, а также как исследователь
в этой области я всегда сталкивался с трудностью подбора полной литературы,
где я мог бы почерпнуть знания, необходимые для моих исследований этой важ-
ной сферы. В последние годы промышленные и научные эксперты опубликовали
много книг о GSM, CDMA, UMTS и cdma2000 для сотовых сетей и много других
книг касательно сетей обмена данными, Mobile IP, сотового IP и мобильности IP
для реализации IP технологий в мобильной среде. У меня была возможность про-
читать почти все эти книги и изучить многочисленную соответствующую техни-
ческую документацию, изданную в ходе международных конференций, а также
журналы, научно-популярные издания и протоколы. С одной стороны, эти книги
о типах сотовой связи в основном объясняли концепции физического и канально-
го уровней в системах беспроводной сотовой связи как второго, так и третьего по-
коления, приводя небольшое концептуальное описание сети. И еще меньше они
содержали информации о том, как системы сотовой связи могут стать основной
инфраструктурой для будущего беспроводного доступа к Интернету. С другой сто-
роны, книги, рассчитанные на размещение в сети Интернет, были сфокусирова-
ны на архитектуре сети, эталонной модели и механизме внедрения IP технологий
в мир мобильной связи с получением небольшой помощи от исследовательского
сообщества сотовой связи. Техническая документация, будь то обзорная литера-
тура и учебные пособия или же издания научно-исследовательского характера,
давала только отдельную информацию в ограниченном объеме. В конце концов,
я пришел к заключению, что пока каждый отдельный текст опубликованной ли-
тературы дает обилие информации исследователям технологии беспроводного
и мобильного Интернета, ни один из них не может быть взят в качестве текста,
основанного на глубоких знаниях исследователей, особенно по вопросам орга-
низации сетей. Ввиду этого у меня родилась идея написать книгу (ее вы сейчас
держите в руках), которая стала бы первым полным изданием о беспроводном до-
ступе к Интернету.
Основное содержание и структура книги «Беспроводной мобильный Интернет»
были разработаны в ходе многих лекций, которые я провел за прошедшие пять
лет на тему технологии беспроводного и мобильного Интернета. Порядок глав
и их соответствующее содержание пересматривались снова и снова по мере полу-
чения информации в процессе обратной связи с аудиторией. Основополагающие
знания аудитории по данному вопросу были очень разносторонние. Некоторые
участники занимались новыми исследованиями в этой области, некоторые были
аспирантами и профессорами в университете, инженерами и руководителями на-
учно-исследовательских отделов правительственных агентств и телекоммуника-
ционной промышленности. Соответственно информация, полученная в процессе
обратной связи с аудиторией, повлиявшая на содержание и презентационный вид
моей книги, была тоже разносторонняя. В результате этого многое было удале-
но из первоначального содержания, а многие моменты были добавлены в каж-
дой главе, так как я обнаружил, что могу написать книгу, нацеленную на широкий
12 Предисловие
диапазон потенциальных читателей. Я сделал вывод, что необходимо включить
все материалы, требуемые для понимания данного вопроса, а также обозначить
вопросы первостепенной важности. Используя эту стратегию, основанную на ин-
формации, полученной от аудитории, я с удовлетворением вижу, что книга «Бес-
проводной мобильный Интернет» завершена в надлежащем логическом и модуль-
ном формате, и наиболее важным является тот факт, что книга охватывает все не-
обходимые материалы. Я высоко ценю вклад всех тех, кто позволил сформировать
книгу в ее настоящем виде.
Книга «Беспроводной мобильный Интернет» написана таким образом, что она не
является чисто научным изданием либо изданием, нацеленным на производство.
Содержание данной книги будет бесспорно интересно как научным исследовате-
лям, так и производственникам. Некоторые главы книги «Беспроводной мобильный
Интернет» описывают стандартную деятельность и текущий статус разработок по
беспроводному доступу к сети Интернет, в других главах детализируются моде-
ли и особые технические методы, обычно рассматриваемые научными исследо-
вателями. Я убежден, что данная комбинация окажет значительное воздействие
для того, чтобы направить разработки по беспроводному доступу к сети Интернет
в нужное русло, так как за годы моей трудовой деятельности у меня был опыт ра-
боты с высшими учебными заведениями и промышленными предприятиями.
Книга «Беспроводной мобильный Интернет» написана так, чтобы охватить ши-
рокую сферу аудитории, начиная со студентов старших курсов университета до
аспирантов, инженеров-исследователей, разработчиков систем и других специа-
листов. Структура книги «Беспроводной мобильный Интернет» устроена так, что
отдельно взятые из нее части можно использовать для лекций по беспроводному
Интернету. Первая часть, включающая главы с 1 по 4, дает исчерпывающую ин-
формацию по определению беспроводного доступа к сети Интернет и опорных
технологий. Вторая часть состоит из шести глав. В ней обсуждаются основные
требования и вопросы по реализации идеи беспроводного доступа к Интерне-
ту. В последней части, включающей три главы, приводятся расширенные поня-
тия о технологии беспроводного Интернета и обобщения на глобальной основе.
Поэтому, в целом, книга может быть использована в качестве полного издания ка-
сательно технологии беспроводного мобильного Интернета, требований и прак-
тики внедрения, тогда как отдельные части книги можно заказать и использовать
в качестве тематики для более специализированных курсов по данному предмету.
Подробности по содержанию трех частей книги включены в окончательный раз-
дел главы 1.
ВЫРАЖЕНИЕ ПРИЗНАТЕЛЬНОСТИ
Во время осуществления данного проекта я получил неоценимую помощь и со-
действие со стороны многих людей, которым я хочу выразить свою признатель-
ность. Многие результаты исследований, которые вошли в книгу «Беспроводной
мобильный Интернет» (Wireless Mobile Internet), были взяты из моих научных ис-
следований, которые я проводил в г. Сиднее со своими аспирантами. Джейд Ким
(Jade Kim), мой бывший аспирант, а в настоящее время занимающий должность
инженера-исследователя в Ericsson Research в г. Сан Диего, Калифорния, сделал
большой вклад в написание глав, посвященных моделированию трафика и про-
цессу управления трафиком. Мой другой аспирант, Трейси Танг (Tracy Tung), соб-
рал основные материалы по процессам управления мобильностью и положением,
которые вошли в главу 8. Так как я считаю, что создание мобильных сетей ad hoc
имеет очень большое значение для реализации будущих беспроводных сетей IP, то
обратился с просьбой к своему другу C-K. То (C-K. Toh), (бывшему профессору в
Georgia Institute of Technology, GA, а сейчас руководителю научно-исследователь-
ских работ в TRW Systems, Калифорния, который является специалистом в об-
ласти мобильных сетей ad hoc), написать главу, посвященную данной теме, для
моей книги. Его великодушный вклад в раскрытие темы мобильных сетей ad hoc
представлен в главе 12, после небольшой вводной части, написанной мною.
Слушатели кратких курсов, которые я проводил на тему технологии мобиль-
ного беспроводного Интернета, стали анонимными критиками этой книги, и без
неоценимого вклада, который я получил в процессе общения с аудиторией, я бы
не знал, каким образом построить структуру книги «Беспроводной мобильный Ин-
тернет». Раймонд Стилз (Raymond Steels) — председатель Multiple Access Communications
Limited, который долгие годы занимался исследованиями телекомму-
никационных систем, побудил меня взяться за выполнение данного проекта во
время нашей встречи в г. Калгари, Канада. Я никогда не забуду помощь, которую
я получил от организационных комитетов многих международных конференций,
таких как IEEE Global Telecommunications Conference (Конференция по глобаль-
ным телекоммуникациям комитета IEEE), IEEE International Conference of Communications
(Международная конференция коммуникаций IEEE), IEEE Wireless
Communications and Networking Conference (Конференция по беспроводной
связи и организации беспроводных сетей IEEE), IEE High Performance Switching
and Routing Conference (Конференция по повышению эффективности процессов
коммутации и маршрутизации IEEE), IEEE Vehicular Technology Conference (Кон-
ференция по связи с подвижными объектами IEEE), TR Labs Annual International
on Wireless Communications (Ежегодная Международная конференция TR Labs по
беспроводной связи) и другие конференции, проводимые в период с 2000 г. по
2002 г., которые позволили мне проанализировать мои идеи, представленные в
качестве учебных пособий в специальных программах. Мои заметки в процессе
лекций, включенные в эти учебные пособия, стали основным источником для на-
писания книги «Беспроводной мобильный Интернет».
Я хочу поблагодарить персонал, работающий в компании Wiley в Чичестере,
который помогал мне опубликовать эту книгу. Особенно я хочу выразить приз-
нательность редакторам Салли Мортимер (Sally Mortimer) и Биргит Грубер (Birgit
14 Выражение признательности
Gruber), которые терпеливо на протяжении многих лет помогали мне в осущест-
влении данного проекта, завершение которого откладывалось из-за моих обя-
занностей в университете и других сферах. Комментарии анонимных критиков,
изучивших содержание данной книге по просьбе Wiley, действительно были мне
очень полезны. Также хочу поблагодарить за прекрасно проделанную работу
оформителей компании Wiley и других членов редакторской группы.
Я очень благодарен за поддержку и терпение, проявленное членами моей се-
мьи, Зохре (Zohreh) и моими сыновьями Соруш (Soroush) и Сепер (Sepehr), во
время всех долгих дней и ночей, потраченных мною на написание данной книги,
несмотря на то, что это время я должен был отвести на общение с ними. Страс-
тные увлечение и азарт, с которыми Соруш и Сепер пользуются возможностями
Интернета, доказали большую необходимость написать книгу на тему беспро-
водного доступа к сети Интернет и еще раз подтвердили, что, когда они станут
взрослыми, Интернет будет служить им независимо от того, где они будут жить
и чем заниматься. Надеюсь, что их поколение будет пользоваться преимущест-
вами сети, представленной в книге «Беспроводной мобильный Интернет» и других
книгах на эту тему, которые будут изданы в будущем.
Я также хочу поблагодарить всех, кто каким-то образом был вовлечен в про-
цесс воплощения в жизнь моего проекта. Я надеюсь, что с помощью книги «Бес-
проводной мобильный Интернет» я смогу внести свою скромную лепту в архив зна-
ний по этому крайне важному предмету и читатели найдут данную книгу полезной
для использования в своих исследованиях в течение долгих лет.
Аббас Джамалипур (Abbas Jamalipour)
Сидней, 2002
ЧАСТЬ I
БЕСПРОВОДНОЙ ДОСТУП
К СЕТИ ИНТЕРНЕТ
ГЛАВА 1
ВВЕДЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЮ
БЕСПРОВОДНОГО
МОБИЛЬНОГО ИНТЕРНЕТА
Технология беспроводного доступа в Интернет, казавшаяся фантазией всего
несколько лет назад, в настоящее время развивается столь стремительно, что
может в корне изменить всю структуру телекоммуникационной отрасли. Метод
беспроводного доступа в Интернет — это не просто расширение сети Интернет
в мобильную среду, позволяющее перемещающемуся абоненту мобильной связи
пользоваться сервисом сети Интернет. Речь идет об интегрировании технологий
сети Интернет и телекоммуникационных технологий в одну единую систему,
охватывающую все потребности человека в информационном обмене. Значи-
тельный прогресс, достигнутый за последнее десятилетие в области технологии
беспроводного доступа, методов коммутации и маршрутизации в сети Интер-
нет, разработок совершенной аппаратуры и изощренного программного обеспе-
чения, позволяет воплотить в жизнь наши мечты о такой всеобъемлющей сети
Интернет. Первые услуги мобильного Интернета, основанные на технологиях
сотовой связи, уже позволяют пользователям реально ощутить преимущества
беспроводной мобильной сети Интернет. Но все же для достижения устойчивых
результатов для такой сети необходимо проводить дальнейшие исследования в
этой области. В первой главе мы рассмотрим основные телекоммуникационные
технологии, а затем приведем статистические данные по мировым тенденциям
в развитии технологии беспроводного доступа к Интернету. Эти тенденции ха-
рактерны для ведущих телекоммуникационных технологий и Интернет-прило-
жений. В этой главе дается также общее представление об ограничениях метода
беспроводного доступа в Интернет.
1.1. Телекоммуникационные технологии
Создание беспроводных сетей является одним из самых значительных технологи-
ческих прорывов человечества в течение нескольких последних десятилетий. Еще
двадцать лет назад можно было лишь с трудом предположить, что услуги связи бу-
дут предоставляться независимо от географического местонахождения людей при
16 Глава 1. Введение в технологию беспроводного мобильного Интернета
их переезде с места на место, а сейчас многие не могут представить свою жизнь без
возможной в любой момент связи по мобильному телефону.
Буквально в последние годы телекоммуникационные технологии были на-
столько улучшены, что порой начинаешь сомневаться в возможностях их даль-
нейшего совершенствования. Каков же будет следующий прорыв в этой столь
быстро развивающейся отрасли? Можно ли добавить что-либо еще к услугам
связи? На чем завершится прогресс телекоммуникационной индустрии, и когда
наступит этот момент?
1.1.1. Телекоммуникации:
проводные, беспроводные и сотовые
Услуги электросвязи начались с телефонной связи; самой естественной потреб-
ностью людей является речевое общение, причем независимо от того, находятся
ли они в одном месте или же за тысячи километров друг от друга. Изобретение
проводной телефонной связи удовлетворило это естественное желание и по праву
считается одним из величайших достижений своего времени. Однако даже при
таком выдающемся достижении потребовалось 75 лет, чтобы абонентами провод-
ной телефонной сети стали первые 50 миллионов человек.
Появление радио после открытия электромагнитных волн ознаменовало
собой начало новой эры в истории электросвязи. Замена проводов на эфирное
пространство как среду для передачи сигналов связи привела к возникновению
новых идей в развитии систем связи. Исследователи начали работать над со-
вершенствованием методов передачи в эфир все большего объема информации.
Были разработаны новые алгоритмы кодирования для того, чтобы улучшить ка-
чество принимаемого радиосигнала. Для увеличения количества пользователей,
имеющих доступ к одному и тому же частотному спектру, и совместного исполь-
зования ими имеющихся частотных ресурсов были изобретены различные мето-
ды аналоговой модуляции. Радио- и телевизионное вещание завоевали мировой
потребительский рынок. В частности, с телевидением появилось средство визу-
ального общения людей, что, конечно, желательнее передачи одного только го-
лоса, а спутниковая связь позволила передавать радио- и телевизионные сигналы
в любую часть земного шара буквально за считанные секунды. Но и этим передо-
вым техническим достижениям потребовалось некоторое время, чтобы получить
достаточно широкое распространение. Радиовещание приобрело первых 50 мил-
лионов слушателей через 35 лет, а столь популярному телевидению потребовалось
13 лет, чтобы получить такое же количество зрителей. И это было только начало
развития беспроводной связи.
1.1.1.1. Методы множественного доступа
Использование ресурсов телекоммуникаций стало расти так бурно, что специа-
листы приступили к поиску методов эффективного совместного использования
этих ресурсов. С самого начала было установлено, что ресурсы систем связи
17
ограничены, независимо от того, используется ли для передачи кабель или эфир.
Поэтому начали разрабатываться методы множественного доступа. Дискуссии по
поводу различных методов множественного доступа можно найти во всех класси-
ческих изданиях по связи общего характера [1–4] и в более специализированных
работах [5–13]. Исследования частотной модуляции (ЧМ) натолкнули на мысль
о возможности совместного использования (разделения) выделенной частотной
полосы многими пользователями, чтобы они могли одновременно передавать
сигналы по разным частотным каналам. В результате была разработана технология
множественного доступа с частотным разделением каналов — FDMA (frequency
division multiple access). В методе FDMA, как показано на рис. 1.1 (а), каждому
пользователю выделяется небольшая часть частотного спектра, или частотный
канал в пределах имеющихся частотных полос. Небольшой участок спектра вы-
деляется каждой паре соседних частотных каналов в качестве защитной полосы
частот для уменьшения интерференции от смежных каналов.
Первые беспроводные системы, включая спутниковые системы связи, ис-
пользовали технологию FDMA в качестве основного метода обслуживания многих
пользователей. Одной из причин для данного выбора послужил тот факт, что ЧМ
более устойчива к нелинейности характеристик тракта передачи, поэтому анало-
говые усилители на спутнике могут работать с высоким коэффициентом усиления
в режиме, где усиление уже не является линейным процессом.
Исследования в области цифровой связи и методов аналого-цифрового преоб-
разования позволили понять, что разделение каналов во времени при использова-
нии одной и той же полосы частот явилось бы лучшей альтернативой по сравнению
с FDMA. Поэтому был изобретен механизм множественного доступа с временным
разделением каналов — TDMA (time division multiple access). Данный метод позво-
Рис. 1.1. Распределение ресурсов систем связи в соответствии с разны-
ми методами множественного доступа: (а) с частотным раз-
делением каналов (FDMA); (б) с временным разделением ка-
налов (TDMA) и (в) с кодовым разделением каналов (CDMA)
PN Code (power) — псевдослучайный код (мощность)
1.1. Телекоммуникационные технологии
18 Глава 1. Введение в технологию беспроводного мобильного Интернета
ляет многим пользователям использовать всю имеющуюся полосу частот, при этом
соответствующая информация передается в разные интервалы времени, называемые
временными, или канальными, интервалами (слотами), как показано на рис. 1.1 (б).
Каждая пара смежных временных слотов разделяется коротким промежутком вре-
мени, представляющим собой защитный интервал для снижения помех от сосед-
них каналов. Завершением этого этапа развития цифровой связи стало изобретение
импульсно-кодовой модуляции, ИКМ (PCM, pulse code modulation), применение
которой позволяет передавать через разделяемую среду меньший объем информа-
ции, однако этого объема достаточно для восстановления исходной информации
отправителя. Развитие метода ИКМ произошло благодаря опубликованию теоремы
отсчетов Найквиста. Оба метода — TDMA и FDMA — можно охарактеризовать как
бесконфликтные протоколы. Действительно, передачи пользователей во времен-
ной (TDMA) или в частотной (FDMA) области контролируются и поэтому не воз-
никает конфликта при попытках доступа к каналам, как это, например, происходит
в системе с полностью случайным множественным доступом Aloha [8].
Не так давно для использования ресурсов беспроводных каналов в качестве ком-
мерческих технологий стали применяться методы множественного доступа с кодо-
вым разделением каналов — CDMA (code division multiple access) [9–12]. В системе
CDMA сигналы пользователей занимают весь отведенный ей частотный спектр на
протяжении всего времени передачи. Однако эти сигналы отличаются друг от друга,
поскольку в каждом из них используется особый код, закрепленный за соответствую-
щим пользователем, как показано на рис. 1.1 (в). В любой момент времени некоторое
подмножество пользователей системы может одновременно передавать информацию
соответствующим приемникам по общему каналу связи. Передаваемые сигналы в об-
щем спектре можно сделать отличимыми друг от друга путем наложения уникальной
псевдослучайной (или псевдошумовой, PN, pseudonoise) последовательности, на-
зываемой кодом, для каждого передаваемого сигнала. Поэтому каждый отдельный
приемник может извлечь передаваемую ему информацию, зная PN-код, то есть по-
следовательность, использованную соответствующим передатчиком.
Наиболее распространенной разновидностью CDMA является CDMA с пря-
мым расширением спектра (DS-CDMA, direct sequence CDMA). Здесь сигналы
с расширенным спектром передаются с одной и той же несущей частотой и за-
нимают одну и ту же ширину частотной полосы, при этом каждый сигнал имеет
индивидуальную PN-последовательность. Далее мы увидим, что DS-CDMA при-
меняется в системе мобильной связи UMTS (Universal Mobile Telecommunications
System) в режиме дуплексной передачи с частотным разделением каналов — FDD
(frequency division duplex) [14–18], тогда как в системе cdma2000 [19, 20] — другой
системе сотовой связи третьего поколения (3G) — используется CDMA с нес-
колькими несущими (подробности см. в главах 3 и 4).
В зависимости от состояния канала CDMA можно рассматривать либо как
протокол доступа к каналу без конкуренции, либо как соревновательный прото-
кол доступа. CDMA является протоколом без конкуренции, если количество од-
новременно осуществляемых передач в канале (или же уровень интерференции,
обусловленной множественным доступом) ниже установленного порога, при
котором система еще может успешно обработать все передачи. CDMA является
соревновательным протоколом, если уровень помех выше заданного порога,
в результате чего возникает ситуация соперничества и потери всех пакетов, од-
19
новременно передаваемых в эфире. По этой причине система с CDMA относится
к системам с ограничением по мощности (ограничивается общей мощностью
помех от других пользователей) в отличие от TDMA и FDMA, которые являются
системами, ограниченными шириной полосы канала.
1.1.1.2. Сотовая мобильная связь
Прогресс в развитии радиосвязи, методов множественного доступа и алгоритмов
кодирования определил средства реализации мобильной связи для персональных
пользователей. Так началась новая эра систем (служб) персональной связи — PCS
(Personal Communication Services). Одновременно достижения в сфере проекти-
рования и изготовления электронных схем позволили реализовать многие раз-
работанные алгоритмы систем связи на всего лишь одной микросхеме. Все эти
достижения проложили дорогу для развития мобильной связи. Популярность мо-
бильной связи для речевого общения и большой прогресс в развитии технологии
сверхбольших интегральных схем (СБИС) привели к разительному снижению
цен на услуги и аппаратуру мобильной связи за очень короткий период времени.
Поэтому всего за 12 лет существования мобильная связь уже завоевала первые
50 миллионов абонентов, опередив даже радио и телевидение, которые считались
наиболее привлекательными телекоммуникационными услугами.
В системах PCS была использована концепция сотовой структуры для того,
чтобы добиться максимальной спектральной эффективности путем повторного
(или многократного) использования частот, когда в сотах, находящихся достаточ-
но далеко друг от друга, используется одна и та же частотная полоса. Например,
Рис. 1.2. Основные концепции системы мобильной связи с сотовой структурой
и многократным использованием частот
1.1. Телекоммуникационные технологии
20 Глава 1. Введение в технологию беспроводного мобильного Интернета
в структуре многократного использования частот на базе семи сот, показанной на
рис. 1.2, весь диапазон радиочастот, выделенный службе сотовой связи, разделен
максимум на семь подполос. Из этого рисунка видно, что в то время как сосед-
ние соты используют разные подполосы, пары сот, находящиеся на достаточном
расстоянии друг от друга, могут использовать одну и ту же частотную подполосу.
Каждая цифра, показанная в соте на этом рисунке, обозначает отдельную частот-
ную подполосу, используемую в этой соте. Все современные сотовые системы
мобильной связи используют схожую концепцию.
Рассмотренная концепция сотовой связи может применяться и в системах
FDMA, чтобы одни наборы частотных полос использовались более одного раза
в группах сот, расположенных достаточно далеко друг от друга. Ее можно исполь-
зовать и в системах CDMA для снижения уровня помех множественного досту-
па от пользователей соседних сот, увеличивая тем самым емкость системы. Она
также может применяться и в системах TDMA для увеличения емкости системы,
обслуживая большее количество пользователей за счет комбинирования методов
TDMA и FDMA.
1.1.2. Сеть Интернет:
стационарная, беспроводная и мобильная
Прежде считалось, что в полный комплект услуг телекоммуникаций входят ра-
дио- и телевещание, а также передача речи с использованием проводных и мо-
бильных телефонов. Это было справедливо до того момента, когда стали доступны
персональные компьютеры (PC), которые заменили многие виды традиционной
офисной и бытовой техники. С появлением протокола передачи гипертекста
HTTP (hypertext transfer protocol) и языка гипертекстовой разметки HTML (hypertext
markup language) сеть Интернет стала новым средством телекоммуникаций.
Персональные компьютеры были соединены между собой и могли осуществлять
обмен данными. Вскоре люди поняли, что компьютер и Интернет могут заменить
традиционные средства связи, которые были им известны до этого, включая
радио, телевидение и даже телефон. Резкое падение цен и огромное увеличение
технических возможностей PC сделали возможным для каждого иметь компьютер
дома и подключать его к сети Интернет. Возможности, предоставляемые компью-
тером и Интернетом, были столь захватывающими, что ими был установлен новый
рекорд в завоевании 50-миллионной армии пользователей — это произошло всего
за четыре года. Рис. 1.3 иллюстрирует достижения на мировом рынке различных
телекоммуникационных технологий, рассмотренных выше.
Кажется, что мы достигли всего, о чем не могли даже мечтать всего несколько
десятилетий назад. У нас есть возможность для хорошей передачи речи и видео-
изображений, когда мы находимся в офисе или в пути, а одним щелчком мыши
можно получить из сети Интернет новейшую информацию. Тогда что же еще ос-
тается? Ответ очень прост, когда мы начинаем думать о прогрессе в области теле-
коммуникаций.
Если стала мобильной телефонная связь, то почему доступ к Интернету должен
быть ограничен географически привязанным местоположением? Если Интернет
21
занимает такое важное место в нашей повседневной жизни, то почему бы нам не
иметь возможность доступа к нему, когда мы захотим и где захотим? Поэтому мо-
бильный Интернет является следующим шагом (и очень большим, как мы вскоре
увидим) в развитии телекоммуникационной индустрии, и наша книга посвящена
именно этой теме.
Обычно мобильный Интернет (mobile Internet) определяется как архитектура,
в которой пользователь имеет возможность доступа к глобальной сети Интернет
со всеми стандартными услугами, независимо от местонахождения относительно
точки подключения к сети. Такое определение подразумевает, что понятие «мо-
бильный Интернет» гораздо шире понятия «беспроводный Интернет». В беспро-
водном Интернете физическое подключение пользователя к сети осуществляется
в беспроводной среде через радиочастотные каналы. Но мобильный Интернет
обеспечивает доступ к сети не только через радиоканалы, но также через какую-
нибудь проводную сеть, например, сеть Ethernet, и через коммутируемые соеди-
нения в любом месте. Примером беспроводного Интернета может служить бес-
проводная локальная сеть, в которой точкой доступа является базовая станция,
обслуживающая несколько подвижных вычислительных устройств, находящихся
в помещении и в пределах ограниченной географической зоны, и соединяющая
их через сервер беспроводной локальной сети с проводной локальной сетью и, в
конечном итоге, с глобальной сетью Интернет. Однако мобильный Интернет так-
же может включать в себя беспроводную локальную сеть в качестве одного из сво-
их сегментов. Пользователь сети мобильного Интернета может быть подключен
к Интернету через высокоскоростное соединение сети Ethernet, а потом в любой
момент переключиться на беспроводную локальную сеть с помощью соответству-
ющей карточки доступа, а затем подключиться к сотовой сети через модем сотовой
связи. В отличие от пользователя, который, переезжая, вынужден отключаться от
одной сети (например, сети Ethernet) перед подключением к другой (например,
к беспроводной локальной сети или к коммутируемой сети), пользователь сети
мобильного Интернета может перемещаться с места на место и при этом его со-
единение изменяется без всяких прерываний («бесшовный переход»).
Реализация мобильного Интернета не может произойти так сразу, как это
было с голосовой связью и телефонией. Существует много факторов, которые
Рис. 1.3. Периоды создания рынка первых 50 миллионов пользователей для теле-
коммуникационных технологий
1.1. Телекоммуникационные технологии
22 Глава 1. Введение в технологию беспроводного мобильного Интернета
могут затруднить такую реализацию. В случае с голосовой связью единственной
проблемой (по крайней мере, в самом начале) было найти методы передачи ана-
логовых по своей природе сигналов, используя электромагнитные волны. При
условии, что связь может быть установлена с приемлемой задержкой, а голос
узнаваем, никаких нареканий со стороны абонента мобильной связи не долж-
но быть. Короткие прерывания и искажения голосового сигнала приемлемы для
человеческого уха. Пока отношение «сигнал-помеха» для принимаемого сигна-
ла выше некоторого уровня, сигнал может быть восстановлен в приемнике. Что
касается передачи данных, например, в сети Интернет, то даже очень короткое
прерывание в процессе передачи может повредить весь файл данных, который,
возможно, будет трудно восстановить. Поэтому необходимы дальнейшие ис-
следования и разработки для создания надежной сети мобильного Интернета.
В этой книге мы разъясним требования, необходимые для реализации беспро-
водного и мобильного Интернета, и подробно рассмотрим текущую деятель-
ность и прогресс в области беспроводных сотовых систем и схожих телекомму-
никационных сегментов.
1.2. Тенденции на пути к беспроводному
Интернету
Прежде чем ознакомиться с технологическими требованиями и мировой прак-
тикой в области развития технологии мобильного и беспроводного Интернета,
в этом разделе предпринята попытка объяснить, зачем нужна такая сеть. Возни-
кает логичный вопрос: «Каковы доказательства необходимости того, чтобы сеть
мобильного Интернета стала частью глобальной телекоммуникационной ин-
фраструктуры?». Ответить на него нужно прежде, чем искать решение проблемы
технической реализации данной идеи. Подробное обсуждение, которое мы здесь
приводим, является в некоторой степени продолжением вводного курса, изло-
женного в предыдущем разделе, но с привлечением некоторых статистических
показателей.
1.2.1. Методы доступа: фиксированный и мобильный
Для того чтобы понять потребность в мобильном и беспроводном Интернете
в ближайшем будущем, следует рассмотреть тенденции в области развития те-
лекоммуникаций за последние годы, а также то, как эволюционировала данная
индустрия за сравнительно короткий период времени. Первой значимой тен-
денцией, наметившейся в области телекоммуникационной индустрии, стал пе-
реход от фиксированного доступа к системам связи к доступу через мобильные
устройства, или мобильному доступу. Нет необходимости делать экскурс в ис-
торию для того, чтобы понять возникновение данной тенденции. Как показано
на рис. 1.4, с 1996 г. всемирный рост числа абонентов телефонной связи с фик-
сированными подводящими линиями был плавным до достижения уровня при-
близительно в 650 миллионов абонентов, а к 2005 г. количество абонентов срав-
23
нялось с миллиардом [21]. На графике, иллюстрирующем данный рост, видны
признаки насыщения рынка или очень незначительное увеличение после 2005 г.
С другой стороны, рост количества абонентов мобильной связи, показанный на
этом же рисунке, является экспоненциальным без тенденций к прекращению
или снижению темпов роста. Этот график демонстрирует вполне естественный
и понятный феномен — люди хотят иметь одну или две фиксированных теле-
фонных линии у себя дома для всей семьи, но предпочитают приобрести один
или два мобильных телефона для каждого члена семьи, например, один из ко-
торых используется для работы, а другой в личных целях. Постоянное снижение
стоимости мобильных телефонов и платы за услуги мобильной связи также спо-
собствует прогрессирующему росту числа абонентов до неизвестного предела.
Возможно, одним из факторов, сдерживающих эту тенденцию, будет ограни-
ченность имеющегося частотного спектра для распределения его между миллиар-
дами пользователей.
Для сравнения [21, 22] на рис. 1.4 показан также рост числа пользователей
сети Интернет с фиксированным доступом. Как видно из этого рисунка, картина
для Интернета схожа с картиной роста потребительского рынка сети мобильной
сотовой связи. Услуги мобильного Интернета, которые будут рассматриваться
в главе 2, появились одновременно с наступлением второй фазы развития со-
товых сетей второго поколения, таких как служба универсальной пакетной ра-
диопередачи — GPRS (General Packet Radio Service) [23–25], появившаяся вслед
за системой GSM (Global System for Mobile communications) [26]. Если добавить
количество пользователей услуг мобильного Интернета к числу пользователей
сети Интернет с фиксированным доступом, то общий рост числа пользователей
Интернета будет еще более резким.
Рис. 1.4. Рост количества абонентов систем фиксированной и мобильной связи
1.2. Тенденции на пути к беспроводному Интернету
24 Глава 1. Введение в технологию беспроводного мобильного Интернета
1.2.2. Расширение использования сети Интернет
Хотя сетью Интернет пользуются с 1980-х годов, его применение вплоть до
1995-го года ограничивалось услугами по пересылке файлов, удаленному до-
ступу к компьютерам и простой отправке почты в форме пересылки файлов.
Интернет стал завоевывать популярность после появления языка HTML и про-
токола HTTP, когда начался век поиска во «всемирной паутине» (web browsing).
На рис. 1.5 показаны темпы роста использования сети Интернет за последние
два десятилетия. Появление системы поиска и средств просмотра web-страниц
(web-браузеров) действительно произвело революцию в технологии сети Интер-
нет и считается поистине одним из главных факторов популярности Интернета.
Появление web-браузеров, таких как Netscape и Internet Explorer, и новых про-
грамм управления электронной почтой (e-mail) с возможностью просмотра по-
зволило обычным людям, не обладающим глубокими знаниями компьютерных
технологий, использовать персональные компьютеры, подсоединенные к сети
Интернет, в своей повседневной жизни, что привело к стремительному росту
числа пользователей Интернета. Следующим революционным фактором увели-
чения числа пользователей Интернета будет беспроводный Интернет, так как он
обеспечит свободу доступа к глобальной сети Интернет независимо от место-
нахождения пользователя. В ближайшем будущем каждый мобильный телефон,
холодильник, системы кондиционирования и другие устройства бытовой техни-
ки будут иметь адрес Интернет-протокола (IP-address) с возможностью подклю-
чения к сети Интернет.
Новое применение Интернета, называемое встроенный Интернет (embedded
Internet), расширит использование сети Интернет в стационарной и мобиль-
ной областях, привлекая миллиарды новых виртуальных пользователей. Хотя
Рис 1.5. Экспоненциальный рост использования сети Интернет
25
Интернет начали использовать в качестве средства связи для людей, вскоре он
позволит соединять между собой устройства, а также людей и устройства. Все
это потребует глобальной модернизации инфраструктуры сети Интернет и его
новых сегментов. Беспроводной Интернет будет играть решающую роль в обес-
печении доступа для этих новых пользователей и устройств.
1.2.3. Телекоммуникационные услуги для всех
Абоненты сотовой мобильной связи довольно равномерно распределены по
всему миру. Хотя эта статистика относится к телефонной связи, наиболее ве-
роятно, то же произойдет и с мобильным Интернетом, и, следовательно, не на-
рушится свойство масштабируемости Интернета, когда он станет мобильным.
На рис. 1.6 показано распределение абонентов мобильной связи по регионам
мира с 1995 года и ожидаемые результаты к 2010 году [18]. Азиатско-Тихоокеан-
ский регион (АТР) с Китаем и другими густонаселенными странами занимает
основную часть в сети глобальной мобильной связи. Считается, что использо-
вание сети Интернет будет иметь аналогичное распределение из-за количества
населения в данном регионе, и ввиду этого многие международные компании
полагают, что основным рынком услуг сети Интернет будет Китай. Северная
Америка и страны Европейского Союза занимают последующие места на рын-
ке услуг мобильной связи, но и другие страны Среднего Востока и Африки так-
же показывают значительный рост использования мобильных коммуникаций.
На рисунке 1.6 показан огромный потенциал рынка для беспроводного Интер-
нета во всех частях земного шара в случае успешной реализации надежной и
доступной сети.
Рис. 1.6. Распределение абонентов мобильной связи по регионам мира
1.2. Тенденции на пути к беспроводному Интернету
26 Глава 1. Введение в технологию беспроводного мобильного Интернета
1.2.4. Распространение технологий сотовой
мобильной связи
На рис. 1.7, показывающем мировое распределение технологий сотовой мобиль-
ной связи, можно увидеть, что основная часть приходится на технологию GSM.
(Технологии сотовой связи рассматриваются в главах 3 и 4.) Передовые методы,
применяемые в сети стандарта GSM, наряду с безопасностью и мобильностью, ко-
торые обеспечиваются благодаря использованию модуля идентификации абонен-
та (SIM, subscriber identity module), характеризуют эту систему как одну из самых
успешных в мире по сравнению с системами аналогичного назначения в Японии и
США. Далее в этой книге мы рассмотрим названные технологии, а сейчас следует
подчеркнуть потенциальную роль системы GSM в развитии технологии будущего
беспроводного мобильного Интернета. Вслед за GSM появилась система GPRS,
которая начала предоставлять некоторые услуги мобильного Интернета, причем
в системах третьего поколения (3G) она будет использоваться в качестве базовой
сети. Будущее развитие мобильного и беспроводного Интернета очень сильно
зависит от успеха системы GSM и сетей, разработанных на ее основе.
1.2.5. Телекоммуникационный трафик:
передача речи, данных и мультимедиа
Рис. 1.8 иллюстрирует другую тенденцию в развитии телекоммуникационной
индустрии, которая заключается в смещении центра тяжести от передачи речи
к передаче данных. Основное влияние на появление данной тенденции оказала
растущая в последние годы популярность Интернета.
С одной стороны, нагрузка речевого трафика показывает плавный и почти не-
заметный рост за прошедшие несколько лет. С другой стороны, новые приложе-
ния Интернета и мультимедиа, включающие в себя электронную почту (e-mail),
поиск и просмотр web-страниц, Интернет-телефонию и видеоконференц-связь
через Интернет, создают большую нагрузку трафика данных в телекоммуника-
ционных сетях, возрастающую по экспоненциальному закону. В ряде развитых
стран мира по объему трафик данных превзошел речевой. Во многих случаях та-
кие технологии, как передача речи поверх IP (voice over IP), сделали возможным
Рис. 1.7. Мировое распределение технологий сотовой мобильной связи
27
посылать информацию в звуковой форме через сеть Интернет, что привело к еще
более стремительному росту трафика данных и Интернет-трафика. Основная
часть трафика телекоммуникационных сетей исходит от 500 миллионов поль-
зователей сети Интернет. Когда мобильный Интернет займет свое место среди
телекоммуникационных сетей, этот показатель будет расти еще быстрее. Совре-
менные системы второго поколения, такие как GSM со своей службой коротких
сообщений — SMS (short message service), уже показывают огромное увеличение
трафика, исходящего от мобильных устройств. Ожидается, что количество поль-
зователей подвижных систем передачи данных, составляющее 3 миллиона, к 2005
году достигнет 77 миллионов, что соответствует ежегодному приросту 70% [21, 22,
27]. Трафик будущих сетей связи будет состоять в основном из трафика данных,
поэтому потребуются новые технологии управления трафиком. Во второй части
книги мы обсудим эти важные вопросы, относящиеся к реализации мобильного
и беспроводного Интернета.
1.2.6. Трафик мобильного Интернета
В число приложений мобильного Интернета входят не только приложения,
мобильные по своей сути, но также и приложения традиционного проводного
Интернета. Это еще один фактор, способствующий расширению использования
беспроводного мобильного Интернета по сравнению с предшествующим, про-
водным Интернетом.
Например, в список приложений беспроводного мобильного Интернета, ко-
торый уже содержит в себе многочисленные приложения, пришедшие из провод-
ного Интернета, включены услуги мобильной видео- и аудиоконференц-связи и
навигационные услуги.
На основании обсуждений и статистических данных, приведенных ранее
в этом разделе, становится ясно, что будущее развитие телекоммуникационных
Рис 1.8. Изменение характера трафика телекоммуникационных сетей от речевого
к трафику данных.
1.2. Тенденции на пути к беспроводному Интернету
28 Глава 1. Введение в технологию беспроводного мобильного Интернета
сетей очень сильно зависит от сети Интернет, так как трафик Интернета будет
занимать основную часть пропускной способности сети. Обмен данными и в пер-
вую очередь Интернет будут определять будущее телекоммуникационных сетей,
а мобильность, обеспечиваемая беспроводными технологиями, будет чрезвычай-
но востребована. Таким образом, развитие технологии мобильного Интернета
должно быть объектом глубоких исследований в научных и промышленных кру-
гах. Эти исследования не завершатся с реализацией сети мобильного Интернета,
потому что в будущих сетях должно обеспечиваться качество услуг (QoS, quality
of service) — и для телекоммуникационных сетей, в целом, и для мобильного Ин-
тернета, в особенности. В этой книге мы обсудим тему обеспечения качества услуг
и другие важные темы.
1.3. Требования к беспроводному Интернету
Продолжая чтение книги, мы найдем в каждой главе подробное обсуждение об-
щих требований к эффективной сети беспроводного мобильного Интернета и тех-
нических характеристик этой сети. В данном разделе мы кратко рассмотрим лишь
самые основные из них. Здесь мы попытаемся ответить на вопросы: «Какой была
бы идеальная беспроводная сеть Интернет, и какие аспекты должны быть учтены
в ее архитектуре?»
1.3.1. Расширение сети Интернет за счет мобильности
По своему определению технология мобильного и беспроводного Интернета
должна обеспечивать «бесшовный» (плавный) переход из географически стацио-
нарной области (стационарного домена) в мобильную среду. Под «бесшовным»
переходом подразумевается, что пользователь, подключенный к сети Интернет,
не почувствует заметных изменений при перемещении из стационарной области
в мобильную. В широком смысле, то же самое будет происходить и при переключе-
нии пользователя от одного беспроводного домена к другому. Говоря техническим
языком, доступ к Интернету для пользователя не должен зависеть от технологии
доступа, используемой для услуг Интернета.
Поясним это определение на простом примере. Хотя современные компью-
терные операционные системы (OS, operating system) и сеть Ethernet одновре-
менно могут поддерживать только одно Интернет-соединение, представьте все
же, что ваш компьютер подключен к Интернет-провайдеру (ISP, Internet service
provider) с помощью платы доступа к проводной локальной вычислительной
сети стандарта 100-Base-T Ethernet (скорость передачи 100 Мбит/с) [1] и пла-
ты доступа к беспроводной локальной сети стандарта IEEE 802.11b (скорость
передачи 11 Мбит/с) [28-30] одновременно. Предполагается, что опорная сеть
в обоих случаях одна и та же, например, локальная сеть с шинной топологи-
ей. Представьте, что ваша воображаемая (или идеальная) операционная система
может выбирать между двумя подключениями в зависимости, например, от ско-
рости, соответствующей соединению. То есть, когда вы сидите за своим столом
в офисе, операционная система вашего компьютера выбирает Ethernet со ско-
29
ростью 100 Мбит/с и игнорирует альтернативное подключение к беспроводной
локальной сети. А теперь вам нужно идти на совещание. Вы отсоединяете кабель
100-Base-T от компьютера, и его операционная система подключает вас к сети
Интернет через беспроводную локальную сеть. Предположим, что вам надо со-
вершить физическое перемещение, а в это время происходит процесс загрузки
большого файла с сервера, использующего протокол FTP (file transfer protocol —
протокол передачи файлов). Если процесс загрузки файла продолжается без пре-
рывания и вы действительно не замечаете изменения скорости передачи данных
при переключении между двумя соединениями, то можно сказать, что произош-
ло «бесшовное» переключение от одной сети доступа к другой. Основным сви-
детельством того, что переключение было «бесшовным», конечно, является тот
факт, что сеанс FTP не был прерван при вашем переключении от одного домена
(проводного) к другому (беспроводному). А уж если изменение битовой скоро-
сти при загрузке файла неощутимо для органов чувств человека-пользователя
Интернета, то можно считать, что процесс был еще более «бесшовным».
Пример, рассмотренный выше, должен показать разницу между системой
мобильного Интернета с «бесшовным» переключением (который и является
основной темой данной книги) и «кочующим» (nomadic) Интернетом. Поль-
зователь «кочующего» Интернета в рассмотренном примере должен отключить
кабель 100-Base-T, после чего вставить плату беспроводного Интернета и восста-
новить соединение с сетью Интернет. Если в это время происходил, например,
сеанс FTP, то он был бы прерван, и его нужно было возобновить после нового
подключения к сети. Все данные, которые были переданы до прерывания се-
тевого соединения, были бы потеряны. Поэтому разница в этих двух случаях
очевидна. В этой книге мы не будем обсуждать «кочующий» Интернет. Пример,
который мы рассмотрели, можно и расширить, если принять, что доступ в Ин-
тернет частично обеспечивается через системы мобильной сотовой связи.
1.3.2. Технические характеристики
Интернет-соединения и качество услуг (QoS)
Пример, приведенный в предыдущем разделе, с одним компьютером и двумя
вариантами доступа к Интернету должен ясно указать на необходимость некото-
рых изменений для реализации мобильного Интернета. Мы выделили скорость
передачи, обеспечиваемую в соединении, как определяющий фактор для того,
чтобы операционная система могла выбрать между двумя имеющимися вариан-
тами подключения к сети. Несомненно, что это является решающим моментом
при переходе от одного метода доступа к другому. Используя систему мобиль-
ного Интернета, пользователь не должен почувствовать заметную разницу в от-
ношении QoS для используемого им в данный момент приложения. Наиболее
заметной для человека мерой качества является скорость, используемая в со-
единении, то есть битовая скорость передачи данных, из чего логично вытекают
требования к времени задержки. В главе 5 мы всесторонне рассмотрим парамет-
ры QoS.
1.3. Требования к беспроводному Интернету
30 Глава 1. Введение в технологию беспроводного мобильного Интернета
1.3.3. Изменения в Интернет-протоколах
Простой пример, рассмотренный выше, показывает основные изменения, необ-
ходимые для протоколов, управляющих сетью Интернет. Изменения в протоко-
лах должны охватить все уровни стека протоколов сети. Необходимо внести из-
менения на канальном уровне (Layer 2) для того, чтобы обеспечить возможность
одновременного установления через различные сети доступа двух или более сое-
динений, поддерживаемых физическим уровнем (Layer 1). Изменение протокола
канального уровня должно быть учтено в операционной системе компьютера,
например, для того, чтобы можно было одновременно установить и поддерживать
два Интернет-соединения.
На физическом уровне мобильные устройства должны быть оснащены нес-
колькими интерфейсами для разных сетей доступа (проводных, таких как ка-
бельная сеть Ethernet и коммутируемая телефонная сеть, и беспроводных, таких
как локальная сеть и сотовая сеть), а также для ИК-канала. Физический уровень
должен включать в себя несколько интерфейсов к канальному уровню для упра-
вления наилучшим подключением к более высоким уровням, и если одно из под-
ключений не обеспечивает необходимое качество рабочего приложения, то может
применяться комбинация двух сетей доступа.
На сетевом уровне (Layer 3) IP требует основных изменений для выполнения
маршрутизации и других задач сетевого уровня в проводной и беспроводной средах.
Будущая технология мобильного Интернета должна обеспечивать переносимость
IP-адреса. Требования сигнализации IP-протокола должны быть упрощены для
повышения спектральной эффективности в будущих беспроводных сетях доступа.
Вопросы IP-адресации и глобальной трансляции сетевых адресов между разнотип-
ными сетями должны быть учтены при изменении протокола на сетевом уровне.
Транспортный уровень (Transport Layer), находящийся выше сетевого, может
считаться основной областью модификаций для будущих сетей мобильного Ин-
тернета. Унаследованный от проводных сетей подход к проектированию этого
уровня не обеспечивает эффективного использования пропускной способности
радиоканала, поэтому требуются модификации и расширение на транспортном
уровне с доминированием протокола управления передачей — TCP (transport
control protocol) и протокола пользовательских дейтаграмм — UDP (user datagram
protocol). В главе 9 мы рассмотрим изменения для протоколов IP и TCP.
1.3.4. Аутентификация, авторизация и учет
(AAA — Authentication, authorization and accounting)
Используя технологию мобильного Интернета, пользователь, независимо от
времени и местоположения, не будет замечать разницу между имеющимися
сервис-провайдерами. Предполагается, что пользователю будет предоста-
вляться доступ к Интернету независимо от точки подключения к сети и под-
держивающей базовой сети и сети доступа. Поэтому должна быть разработана
система аутентификации и авторизации пользователей во время их перемеще-
ния между разными сетями.
31
Процесс аутентификации обеспечивает подтверждение подлинности пользо-
вателя той сети, к которой он подключается. Обычно этот процесс осуществляется
посредством функциональной процедуры аутентификации. Авторизация опреде-
ляет, какой тип услуг может предоставляться пользователю после успешной аутен-
тификации. Поэтому недостаточно того, что пользователь может подключиться
к сети, он еще должен иметь подписку на список услуг, которые он собирается
получать от сети. Учет, являющийся третьим звеном в цепочке AAA (authentication,
authorization and accounting), формирует историю того, когда и какие именно
услуги предоставлялись пользователю в сети.
В существующих сетях связи каждый поставщик услуг (сервис-провайдер)
имеет базу данных с информацией о пользователях и их профилях для осущест-
вления соответствующей процедуры AAA. В некоторых случаях два или более
сервис-провайдера имеют совместную базу данных или доступ к базе данных
своего партнера, обеспечивая некоторую мобильность пользователей в этих
сетях. Однако для будущего мобильного Интернета требуется более глобальная
база данных, чтобы пользователи могли легко менять сети доступа и по-преж-
нему получать соответствующие Интернет-услуги, которые потом должны быть
оплачены. До того как мобильный Интернет будет реализован, необходимо
найти пути эффективного обслуживания такой базы данных с минимальными
конфликтами между разными сервис-провайдерами. Одним из проблемных
вопросов является начисление оплаты и выставление пользователям счетов от
соответствующих операторов за предоставленные услуги. К тому же система
должна быть спроектирована таким образом, чтобы не происходило утечек лич-
ной информации неавторизованным субъектам и использования сетевых услуг
пользователями, не имеющими на это права.
1.3.5. Управление ресурсами
Технология мобильного Интернета займет свое место среди других телекоммуни-
кационных технологий, следовательно, необходимо будет разделить между ними
имеющиеся ограниченные ресурсы. А значит, крайне необходимо усовершен-
ствовать систему управления ресурсами, чтобы разделить их между всеми сосуще-
ствующими технологиями. Методы управления ресурсами, такие как управление
пропускной способностью, контроль допуска, управление перегрузкой и т.д., дол-
жны обеспечить надежную работу сети, а также «справедливое» распределение ре-
сурсов между всеми уполномоченными пользователями. Мы рассмотрим данный
аспект в некоторых разделах этой книги.
1.3.6. Изменение сетевой архитектуры
Современные сетевые архитектуры, применяемые в проводном Интернете или
сотовых сетях, не подходят для их эффективного использования в будущем мо-
бильном Интернете, даже если предположить, что именно сотовые сети предо-
ставят для него основную инфраструктуру. За последние годы было издано много
научно-технической литературы, рассматривающей возможные изменения се-
1.3. Требования к беспроводному Интернету
32 Глава 1. Введение в технологию беспроводного мобильного Интернета
тевой архитектуры с тем, чтобы можно было применить ее для мобильного Ин-
тернета [31–37]. Основное внимание уделялось такому аспекту, как обеспечение
независимости базовой сети от подразумеваемой технологии доступа. В главе
4 мы подробно обсудим этот вопрос и приведем некоторые решения проблемы,
предложенные рядом исследователей и специалистов-практиков.
Ожидается, что экспоненциальный рост количества абонентов, обозначив-
шийся как в области Интернета, так и в области сотовой связи, создаст огромный
потребительский рынок для технологии мобильного Интернета, который охватит
абонентов обеих систем. Предположительные результаты показаны на рис. 1.9.
К тому времени беспроводная технология станет интегрированной частью
сети Интернет, а не просто еще одной технологией доступа к нему.