DECT (Digital Enhanced Cordless Telephone)

DECT (Digital Enhanced Cordless Telephone)
Jan Bláha
[email protected]
Standard DECT byl publikován ETSI v červnu roku 1992 a první komerčně použitelné
produkty se na trhu objevily v roce 1993. Od začátku byl tento systém koncipován pro
bezdrátovou telefonii s přihlédnutím ke stávajícímu standardu GSM. DECT umí
spolupracovat se širokým spektrem dalších sítí.
Referenční model DECT
Na (Obr. 1) je znázorněn referenční model DECT. Tento systém má výrazné prvky lokální
buňkové struktury a zajišťuje svým účastníkům handover a v omezené míře i roaming, avšak
odlišnými metodami, než u celulárních telefonů. Schéma obsahuje několik funkčních bloků.
Bezšňůrové mobilní stanice (Portable Part) se obecně skládají z rádiového mobilního
terminálu PT (Portable Termination) a z koncového (aplikačního) systému ES (End System).
U příručních stanic (Handset), určených pro telefonní provoz, je koncovým systémem
vestavěný audio díl (mikrofon, nízkofrekvenční zesilovače atd.), u přenosných stanic
(Portable) to může být navíc fax, videomonitor apod. Mobilní stanice komunikují
prostřednictvím společného rádiového rozhraní CAI (Common Air Interface) se
základnovými fixními rádiovými stanicemi RFP (Radio Fixed Part). Několik stanic RFP je
řízeno fixní centrální řídicí jednotkou CCFP (Central Control Fixed Part). Vzhledem k tomu,
že se u systému DECT předpokládá jeho napojení na nejrůznější lokální i globální
telekomunikační sítě, je nutné zařadit mezi jednotky CCFP a uvedené sítě mezioperační
jednotky IWU (Interworking Units), provádějící konverzi formátů zpracovávaných signálů,
adaptaci přenosových datových rychlostí apod. Různé externí sítě ovšem vyžadují i rozdílné
jednotky IWU.
Obr. 1 Referenční model DECT
Anglické zkratky:
PP - Portable Part;
PT - Portable Terminal;
ES –End System;
CAI - Common Air Interface;
FP - Fixed Part;
RFP - Radio Fixed Part;
CCFP-Central Control Fixed Part,
IWU -Interworking Unit.
Základní charakteristiky rádiového sektoru DECT, jakož i způsobu multiplexování a zajištění
duplexního provozu, jsou znázorněny na (Obr. 2).
Standard DECT pracuje v rozsahu 1880 až 1900 MHz (v budoucnu 1880 až 1920 MHz). V
něm je založeno celkem 10 nosných vln, se vzájemným odstupem 1728 kHz, tak jak ukazuje
(Obr. 2 a). K oddělení účastnických kanálů se tedy využívají principy multiplexu FDM, avšak
uvedené koncepce se zde označuje jako systém MC (Multi Carrier tj. mnoho nosných vln),
nebo účastnické kanály neustále dynamicky mění obsazení jednotlivých nosných podle
okamžité situace. Dále zde jsou uplatněny principy přístupu TDMA. a to tak, že v pásmu o
šířce necelé 2 MHz, symetricky rozloženém po stranách každé nosné vlny, je přenášen vždy
po dobu 10 ms jeden časový rámec TDMA. Ten obsahuje celkem 24 časových slotů (štěrbin)
TDMA, jež mají dobu trváni cca 0,417 ms a přenášejí 480 bitů, takže rámec obsahuje celkem
480 bitů x 24 = 11 520 bitů. Za 1 sekundu se vystřídá na této nosné 100 rámců, tedy celková
bitová rychlost modulačního signálu zde je 11 520 bitů x 100 = 1,152 Mbit/s.
Standard DECT aplikuje časové sdružování duplexních párů tj. časový duplex TDD, který je
podrobněji znázorněn na (Obr. 2 b). Ve slotech 1 až 12 rámce vysílají základnové stanice ve
slotech 13 až 24 vysílají mobilní stanice. Tedy například na nosné vlna č. 1 vysílá v časovém
slotu č. 1 určitá základnová stanice, a to k partnerské mobilní stanici označené rovněž a. Tam
mobilní stanice vysílá (odpovídá) na téže nosné vlně č. 1 v časovém slotu č. 13; mimo tyto
své aktivní sloty jsou obě stanice ve zbývajících 22 slotech daného rámce TDMA, z hlediska
přenosu užitečného datového signálu, pasivní. Kmitočtově – časový plán se ovšem podle
okamžité situace neustále mění, takže např. v následujícím rámci bude základnová stanice a
vysílat na nosné vlně č. 2 v časovém slotu č. 2 apod. Separace signálů obou komunikujících
partnerů je jde dosaženo zřejmě na základě časového odděleni; oba sloty zde postupují v
opačných směrech, už se výstižně označuje jako „ping-pong přenos". Uvedeným způsobem,
tj. použitím 10 nosných vln, z nichž každé přenáší 12 duplexních párů, si systém vytváří
celkem 10 x 12 = 120 plně duplexních provozních kanálů.
Obr. 2 Základní charakteristiky rádiového sektoru DECT:
a) metoda přístupu MC/TDMA;
Obr. 2 Základní charakteristiky rádiového sektoru DECT:
b) duplex TDD.
I.) Dostupnost a spolehlivost:
Vývoj DECT
Probíhal podobně jako vývoj v oblasti radiotelefonů, tedy od lokálních systémů přes systémy
„národní" až k systémům kontinentálním. V tomto vývojovém procesu se výrazně projevovaly snahy zvyšovat kvalitu a rozšiřovat sortiment nabízených služeb, zlepšovat ochranu
proti zneužití, zvětšovat provozní kapacitu systému a rozšiřovat kompatibilitu s různými
jinými fixními i mobilními telekomunikačními sítěmi. Spolehlivá funkce by přitom měla být
zajištěna především uvnitř budov (byt, kancelář, průmyslový podnik), ale také na ulicích
center měst, na předměstích atd. Všechny tyto požadavky však mohou splňovat jedině
digitální systémy, a proto vývoj dále směřoval jednoznačně tímto směrem.
Výkon a dosah
Standard DECT má v obsluhovaných oblastech buňkovou strukturu. Mikrobuňky mají rozměr
kolem 100 m. Dále pikobuňky, které jsou podstatně ještě menší převážně v místech s vyšší
intenzitou provozu. Vlivem těchto malých buněk je dosaženo vyšší spektrální účinnosti, tedy
mobilní a základnové stanice mohou vysílat na nižší výkonové úrovni. Základnová stanice má
maximální výkon např. 250 mW oproti 20 W u GSM. Vlivem celkově nižší spotřeby je
možno podstatně zmenšit rozměry i hmotnost mobilních stanic. Možná náhrada kabelů pro
přenos dat vzduchem do vzdáleností kolem 50 metrů v budovách a 300 metrů na otevřeném
prostranství.
Handover
Jedná se o přepojení během hovoru na jinou základnovou stanici. Důležitou částí standardu
DECT je definice GAP (Generic Access Profile). Tato definice GAP zajišťuje, že zařízení
jednotlivých výrobců mohou vzájemně komunikovat. Důležitou součástí DECT je princip
výběru kanálu. Tento princip se nazývá CDCS (Continuous Dynamic Channel Selection).
Každé DECT zařízení má přístup k libovolnému kanálu. Když přijde požadavek na sestavení
spojení, toto přenosné zařízení vybere kanál, který nabízí nejvyšší kvalitu pro spojení. Během
spojení je zároveň přenosným zařízením procházeno rádiové spektrum a pokud je nalezen
kanál, jenž poskytuje lepší podmínky, spojení je přesunuto na tento kanál.
Přistup k sítím a službám
Evropský telekomunikační standardizační institut ETSI koncipoval standard DECT jako
digitální bezšňůrový systém s vysokou kvalitou poskytovaných služeb. Systém nabízí
možnosti přístupu do řady jiných koexistujících telekomunikačních sítí, přičemž disponuje
extrémně vysokou spektrální účinností (provozní kapacitou), řádu až 500 Erlang / km 2 / MHz .
Přitom přenos je velmi důkladně chráněn zavedením karty SIM a řadou dalších opatření proti
různým formám zneužití.
Standard DECT je určen pro následující nejčastější základní aplikace:
•
•
•
•
bezšňůrový telefon pro privátní obydlí, s několika málo mobilními stanicemi, které
mají přes jednoduchou základnovou stanici přímé napojení na běžný telefon;
využit v malých podnicích apod., typu, „jediná buňka-více mobilních stanic“;
využití ve velkých podnicích apod., typu „více buněk-mnoho mobilních stanic“;
různé aplikace v návaznosti na veřejné i neveřejné telekomunikační sítě.
Má-li se standard DECT v těchto oblastech efektivně uplatňovat, musí jeho rádiový sektor
umožňovat přístup k řadě uvedených různorodých sítí nebo rozhraní, jako jsou např. lokální
sítě PABX (Private Automatic Branch Exchange) a lokální sítě LAN (Local Area Network),
digitální sítě s integrovanými službami ISDN (Integrated Switched Digital Network), datové
sítě založené na protokolu X.25, celulární síť GSM apod. Díky své modulární flexibilní
struktuře, však může plnit rozdílné požadavky velice efektivně.
II.) Chybovost:
Struktura rámce a timeslotů
V základním tzv. nechráněném formátu se přenáší v jednom časovém slotu celkově 480 bitů,
jak ukazuje (Obr. 10 a). Z nich prvních 32 bitů vytváří úvodní synchronizační skupinu (pole
S), skládající se ze 16 bitů preambule („teplý" start přijímače) a ze 16 bitů paketového
synchronizačního slova. Další následuje skupina 48 bitů přenášejících signalizaci (řídící slovo
obsahující 8 bitů záhlaví a 40 a bitů vlastních signalizačních dat a signálů tzv. rozhlasového
majáku) a skupina 16 bitů cyklického redundantního kódu CRC; těchto 48 + 16 bitů = 64 bitů
vytváří pole A. Kód CRC se využívá pro kontrolu chyb v řídicím slově, s případným
následujícím opakovaným vysíláním řídící informace. Za polem A je situováno pole B,
obsahující 320 bitů určených k přenosu užitečného signálu (digitalizovaného hovoru,
nechráněných dat), a to rychlostí až.32 kbit/s. Následují 4 paritní bity vytvářející
zabezpečovací pole X4, sloužící pro hrubou kontrolu chyb v poli B; korekce chyb se však v
poli B neprovádí. Pole (A + B + X4) se souborně označují jako datové pole D. Následující
pole Z4 o čtyřech bitech přispívá rovněž ke kontrole chyb. Časový slot zakončuje 56 bitů
ochranného intervalu, kompenzujícího chyby v časování apod. Za 1 sekundu se opakuje
celkem 100 časových rámců TDMA a tedy i 100 slotů přidělených jednomu ze dvou kanálů
určitého duplexního páru. Tomu odpovídá celková „čistá" bitová rychlost pro přenos hovoru
nebo nechráněných dat 100 x 320 = 32 kbit/s na jeden kanál, resp. 72 kbit/s na duplexní pár.
V některých aplikacích (přenosy dat s malou chybovostí atd.) se uplatňuje přenos v tzv.
chráněném formátu, kdy například z uvedených 320 bitů jich je k přenosu užitečného signálu
využíváno jen 256 a zbývajících 64 bitů je určeno ke kódování CRC (ve čtyřech skupinách po
64 datových a 16 CRC bitech). Čistá bitová rychlost potom bude v tomto režimu pouze 25,6
kbit/s.
Časové sloty TDMA obsažené v jednom rámci je možné vhodně kombinovat a tím vytvářet
jediný kompozitní kanál s vyšší bitovou rychlostí. Její horní hranice 12 X 32 = = 384 kbit/s
poskytuje možnost přenášet například počítačové soubory s vysokým stupněm zabezpečení
proti chybovosti, nebo „živé video" apod., čímž se dosahuje v tomto směru kompatibility se
sítěmi ISDN.
Modulace, multiplexování a kódování
DECT používá stejně jako GSM modulaci GMSK. Datové přenosy DECT se vyznačují velmi
nízkou chybovostí. Využívá se kombinace modulace GMSK s metodami FDMA (frekvenční
multiplex) a TDMA (časový multiplex), nedochází ani k žádnému znatelnému rušení.
Technologie DECT poskytuje lepší kvalitu přenosu hovorových signálů v porovnání s GSM,
která je určena hlavně bitovou rychlostí přenášeného signálu (DECT 32 kbit/s, GSM 6,5
kbit/s). Vhodným multiplexováním je možno bitovou rychlost zvýšit. V systému DECT je
použita ke zdrojovému kódování adaptivní diferenční pulzní kódová modulace ADPCM
(Adaptive Difference Pulse Code Modulation). Tato modulace redukuje bitovou rychlost
diskrétního signálu méně, než kódování RPE-LTP (Regular Pulse Excited – Long Term
Predictor) používané u GSM.
Dynamické přidělování rádiových kanálů DCA (Dynamic Channel Allocation)
Umožňuje použít v určité právě přetížené buňce kanály původně přidělené jiným buňkám
svazku. Přitom však nesmí být překročeny přípustné úrovně interferencí. V praxi se uplatňují
dvě základní varianty systémů s dynamickým přidělováním kanálů:
•
•
Systém DCA adaptivní vůči provoznímu zatížení. Tento systém je založen na principu
dodržování minimální vzdálenosti znovuvyužití spektra, přičemž volné kanály lze
používat v libovolné buňce svazku, která je právě přetížena. Určité přidělení kanálů
zde zůstává v platnosti typicky po dobu řádu několika hodin.
Systém DCA adaptivní vůči provoznímu zatížení a vůči interferencím. U tohoto systému se striktně netrvá na principu dodržení minimální vzdálenosti znovuvyužití
spektra, nesmí však být překročena přípustná bitová chybovost BER. Při splnění této
podmínky může být libovolný kanál daného svazku použit v libovolné buňce. Doba
platnosti určitého přidělení kanálů se zde často zmenšuje na několik málo sekund.
Metoda dynamického přidělování kanálů DCA, která ve spojení s „bezešvým" handoverem
přiděluje mobilním stanicím kanály, zajišťující jim spojení s co nejvyšší úrovní užitečného
signálu a s minimálními interferencemi. Rozhodování o výběru nejvhodnějšího kanálu je vždy
přenecháno pouze mobilní stanici, handover zde má tedy typickou koncepci MCHO, která
výrazně odlehčuje fixní složky systému. Samotný handover by se však nestačil vyrovnat s
náhlými změnami kvality signálu v prostředí rychlých úniků, které jsou pro bezšňůrové
telefony typické. Proto stanice BTS využívají ještě prostorovou diverzitu se dvěma anténami a
s přepínáním řízeným mobilními stanicemi.
III.) Integrita DECT:
Problém mobility
Standard DECT řeší tuto otázku za určité podpory zmíněných externích sítí. Ty potom musí
být doplněny některými dalšími bloky, jako jsou lokační registry HLR a VLR apod.
Dále ve standardu DECT napomáhá důsledně aplikovaný systém dynamické selekce a
přidělování kanálů DCA, který zde přináší -v porovnání s fixním přidělováním - významné
přednosti. Především nevyžaduje žádné kmitočtové plánování, prakticky vždy vybere z
dostupných volných kanálů ten nejlepší a tím zaručuje nejvyšší dosažitelnou kvalitu přenosu a
navíc poskytuje i vyšší efektivitu ve využití přiděleného kmitočtového spektra. Struktura
mnohonásobného přístupu TDMA - TDD zde umožňuje všem mobilním stanicím, aby
kontinuálně monitorovaly kvalitu všech potencionálně dosažitelných rádiových kanálů. Z
celkového počtu 24 časových slotů v jednom rámci TDMA/DECT totiž určitá stanice, i v
případě svého aktivního provozu, přijímá pouze po dobu jednoho slotu. Během zbývajících
nevyužitých slotů má tedy volný časový prostor, v němž může monitorovat (skenovat)
všechny ostatní kanály okolních základnových stanic, určené všemi dostupnými kombinacemi
časový slot/nosná vlna. Na základě toho má potom k dispozici neustále aktualizovaný seznam
volných a obsazených kanálů RSSI (Received Signal Strength Indication tj. indikace intenzity
přijímaných signálů), který může využívat právě k výběru optimálního právě volného kanálu
a k následující iniciaci handoveru.
Další nepostradatelnou složkou v systému DECT je signál rozhlasového majáku (broadcast
beacon), který se přenáší v signalizačním poli každého slotu. Tento signál plní několik úloh.
Určitá mobilní stanice především může výše zmíněným monitorováním uvažovaných
majákových signálů okolních základnových stanic z nich vybrat signál nejsilnější a na tuto
stanici se „zavěsit". V tomto signálu je však také obsažen údaj, jehož dekódováním mobilní
stanice zjistí, ve které oblasti se právě nachází a může to sdělit fixním složkám systému. Ten
má tedy neustále k dispozici informaci o poloze všech mobilních stanic v dané obsluhované
lokalitě, nikoliv však na úrovni buněk, nýbrž na „hrubší" úrovni lokačních oblastí LA
(Location Area), což je soubor více vzájemně sousedících buněk. V systému DECT s velmi
malými buňkami takové určení polohy však postačuje a může spolehlivě zajistit, aby např.
všechna příchozí volání byla správně směrována k příslušným mobilním stanicím. Pokud
mobilní stanice zjistí, že se vzdálila z dosavadní lokační oblasti, informuje o tom fixní složky,
které si změnu její polohy průběžně zaznamenávají. V signálu rozhlasového majáku jsou také
obsaženy o volitelných službách (optional services) podporovaných systémem, jsou zde
pagingová sdělení (paging messages), upozorňující mobilní stanici na příchozí volání a
nacházejí se zde i další informace. Uvedený způsob zajištění mobility ve standardu DECT
zřejmě klade zvýšené nároky na mobilní stanice (v porovnání s GSM). Fixní složky zde přímo
nezodpovídají za aktivní sledování mobilních stanic, i když hrají v tomto procesu důležitou
úlohu. Uvažovaná koncepce však má velkou výhodu ve značné flexibilitě této sítě, a to jak při
jejím budování tak i v provozu, kde lze např. snadno měnit její konfiguraci podle okamžitých
provozních potřeb apod.
Standardy digitálních bezšňůrových telefonů ve světě
V (Tab. 1) jsou potom shrnuty hlavní (parametry rádiového sektoru standardu DECT. Pro
porovnání jsou obsaženy též parametry prvního digitálního standardu používanému v
některých evropských zemích CT-2 (Cordless Telephone-2). Je zde uveden i americký
standard 2,5 generace PACS (Personal Access Communication Systems), který by měl
integrovat všechny typy komunikačních bezdrátových místních smyček WLL (Wireless Local
Loop) do jediného systému. V USA se používá standard pro osobni bezdrátovou komunikaci
PWT (Persanal Wireless Telecommunications), který je však - až na některé odlišnosti v
rádiovém rozhraní - téměř shodný se standardem DECT.
Standard
CT2
DECT
PACS
region
kmitočtová pásma [MHz]
duplex účast. kanálů
odstup nosných vln [kHz]
počet nosných vln
duplex. kanálů na nosnou vlnu
bit. rychlost na nosnou [kbit/s]
modulace
kódování řeči ADPCM [kbit/s]
kódování kanálu
výkon Tx max./střední [mW]
Evropa
864-868
TDD
100
40
1
72
GFSK
32
není
10/5
Evropa
1880-1900
TDD
1728
10
12
1152
(GFSK) GMSK
32
není
250/10
USA
1850-1910
FDD
300
2 x 16
2x8
384
π / 4 -QPSK
32
CRC
200/25
Tab. 1 Základní parametry rádiového rozhraní hlavních standardů digitálních bezšňůrových
telefonů
CT2 - Digital Cordless Telephone 2
DECT - Digital European Cordless Telephone
PACS - Personal Access Communications Systém
Datový modul MD32 DECT Siemens
Jedním z datových modulů, který pracuje v rámci standardu DECT, je nabídka společnosti
Siemens. Pod označením MD32 se totiž skrývá systém bezdrátové datové sítě krátkého
dosahu. Poměrně malá destička v sobě skrývá vlastnosti základny i přenosné části a
představuje ideální řešení pro aplikace s datovým tokem kolem jednotek až desítek kb/s.
Siemens vyvinul speciální program nazvaný EVA, který je volně k dispozici na svém webu.
V jednoduchém rozhraní, který je určen pro verze MS Windows 95 a vyšší, lze snadno
nastavit modul MD32 do 2 režimů. Buď bude vzájemná komunikace typu PP (bod - bod)
(Obr. 3) nebo PMP (bod - více bodů), kdy jedna ze stanic se stane serverem celé sítě, jak
ukazuje (Obr. 4)
Obr. 3 Vzájemná komunikace typu PP (bod - bod)
Obr. 4 Vzájemná komunikace typu PMP (bod - více bodů), kdy jedna
ze stanic se stane serverem celé sítě
Data jsou posílány s rychlostí kolem 19,2 kb/s, přičemž v budoucnu je plánováno vyvinutí
rychlejších modulů, přenášejících kolem 100 kb/s. Deska komunikuje přes DECT air I/F,
RS232 a 4 drátovou analogovou linku. Tento produkt je OEM produkt bez krytu pro lepší
integraci do zařízení. Deska může pracovat v různých operačních módech. Lze použít tuto
desku ve funkci přenosného terminálu, základnové stanice nebo jako server. Další možnost je
použití dvou zařízení MD32 místo null modem kabelu. Pokud je přidán mikrofon, speaker,
klávesnice, displej a "vyzvánění" k tomuto modulu, je vytvořen přenosný bezdrátový telefon.
Pro napájení je určen 5V zdroj. Spotřeba energie v aktivním módu s jedním aktivním
spojením je 500mW a na každé další spojení se zvyšuje spotřeba o dalších 100 mW. Přenosná
zařízení (standby mód) spotřebují 25mW. Rozměry modulu jsou 65x37x5 mm. Má
vestavěnou anténu a dva 50 ohm konektory pro externí antény. Modul se může přihlásit až k
šesti základnám. Automaticky nastavuje linku a uvolňuje ji v závislosti na zatížení. Podporuje
také přenos hlasových / modemových signálů. Deska je kompatibilní s GAP standardem a
obsahuje veškeré specifikace týkající se GAP protokolu. Lze použít AT příkazů pro specifické
konfigurování zařízení. Sériové rozhraní RS232 (3V-TTL) je plně kompatibilní s V.24. Tento
modul je univerzální elektronickou součástkou, kterou lze namontovat do jakéhokoliv
zařízení. S MD32 se můžete setkat především tam, kde je nutné přenášet relativně malé
množství dat na krátké vzdálenosti. Demo kufr DECT a detail datového modulu MD32
Siemens jsou na následujících (Obr. 5 a 6).
Obr. 5 Demo kufr DECT Siemens (3x MD 32, napájecí zdroje - 12 V, kabely RS232,
sluchátko)
Obr. 6 Detail datového modulu DECT MD32 Siemens
Literatura
[1] Tuttlebee, W. H. W.: Cordless Telecommunications Worldwide. 1. vyd. London, Springer –
Verlag Ltd, 1997
[2] Philips, J. A. – Mac Namee, G.: Personal Wireless Communication with DECT and PWT. 1. vyd.
Boston – London, Artech House 1998
[3] Žalud, V.: Moderní radioelektronika, BEN, Praha 2000
[4] Křivka, M.: DECT - standard pro bezdrátovou telefonii, 1998,
http://mobil.idnes.cz/fixni_spojeni/katalog_bezdratovych_telefonu/DECT/dect.html
[5] Pavlík, P.: Siemens MD32: Datové moduly pro běžné použití aneb usnadněte si život,
http://mobil.idnes.cz/mobilni_komunikace/mobilni_telefony/moduly/md32kufr001120.html
[6] Novák, M.: Siemens dodává průmyslové DECT moduly, 1999
http://mobil.idnes.cz/aktuality/vystavy/cebit/dectdect.html