Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к проблемам архитектуры, связанным с методами обеспечения охвата всей страны широкополосной мобильной связью на базе существующих сетевых ресурсов.
Описание предшествующего уровня техники
Современные сети мобильной связи построены на основе комбинации инфраструктур беспроводных (радио) и стационарных сетей. Беспроводная часть - это та часть сети, которую имеют в виду пользователи при осуществлении связи с помощью своих мобильных телефонов. Эта часть соединения простирается только между их беспроводными терминалами и базовой станцией, расположенной на расстоянии нескольких километров (GSM). Остальная часть соединения устанавливается через стационарную сеть, которая может быть образована любым видом инфраструктуры стационарной сети (медными кабелями, оптоволоконными кабелями, линиями радиосвязи и т.п.). Поскольку "эфир ничего не стоит", большинство расходов связано с созданием основной сети (или магистральной сети), т.е. упомянутой выше стационарной сети.
Другой аспект мобильной связи связан с количеством пользователей и предоставляемой каждому из них ширины полосы частот. Каждая базовая станция может предоставить запрашиваемую полосу частот только ограниченному числу пользователей. Если потребность в ширине полосы больше, чем пропускная способность одной базовой станции, то необходимо увеличить количество базовых станций. Однако поскольку частотный спектр, выделенный для мобильной связи, ограничен, невозможно создавать новые базовые станции без повторного использования диапазонов частот, уже используемых другими базовыми станциями, часто расположенными в непосредственной близости друг от друга. Поэтому существует риск того, что территория будет обслуживаться более чем одной базовой станцией, использующей ту же самую полосу частот, т.е. вносящей помехи. Проблему помех можно решить, оптимально расположив базовые станции по отношению к друг другу с учетом расстояния между ними, влияния топологии, направленности антенн, а также настроив выходную мощность каждой базовой станции на уровень, который не будет мешать другим базовым станциям.
Упомянутые выше проблемы особенно релевантны при обсуждении создания сетей UMTS (универсальной мобильной телекоммуникационной системы), потому что количество базовых станций UMTS по сравнению с соответствующим количеством базовых станций GSM будет гораздо больше, и поэтому такие проблемы будут еще более серьезными.
Чтобы обеспечить мобильную широкополосную пропускную способность, необходимо создать очень плотную магистральную сеть для обеспечения достаточной ширины полосы частот тысячам базовых станций. Каждая из таких базовых станций, возможно, будет обслуживать менее одного квадратного километра. Поэтому нереально за короткий срок обеспечить охват всей страны, и более популярной является идея создания "горячих точек" вместо полного охвата, т.е. расположения широкополосных базовых станций в местах нахождения общественных учреждений, корпораций или т.п., в которых люди могут подключать к сети свои мобильные средства связи, такие как персональные компьютеры (ПК), телефоны, персональные цифровые информационные устройства (РДА). Следовательно, понятие "общая широкополосная сеть мобильной связи" или мобильные системы 4-го поколения поверх UMTS можно рассматривать как нечто, что можно будет предоставить в некотором далеком будущем благодаря вкладу, внесенному в создание необходимой магистральной сети.
В настоящее время не существует недорогих альтернатив или стратегий для создания национальных и общих широкополосных сетей мобильной связи без необходимости построения плотных магистральных сетей. А для этого требуется создавать большие инфраструктуры.
В следующих подразделах поясняется и иллюстрируется традиционная сетевая архитектура вместе с некоторыми другими связанными с ней идеями и технологиями.
Традиционная архитектура
Эта архитектура широко известна из всех наследуемых беспроводных сетей. Единственной реальной передающей средой, которую можно использовать для создания широкополосной сети, являются оптические кабели или линии радиосвязи. Поэтому для соединения всех базовых станций, расположенных на расстоянии 0,5-1 км друг от друга, необходимо создать огромные инфраструктуры. Работа по их созданию еще только начинается.
На фиг.1 показано, как образуется двухточечное соединение в традиционной сети мобильной связи. Беспроводными являются только локальные части, т.е. отрезки от пользователя до ближайшей базовой станции. Когда мобильный терминал 4а входит в зону 16 обслуживания базовой станции 1, его автоматически распознают и аутентифицируют (устанавливают его подлинность) серверы 21 местоположения, чтобы поддерживать обновляемую регистрацию мгновенных местоположений всех терминалов, которым разрешено осуществлять связь в данной сети. Для установления соединения между двумя терминалами 4а и 4b на фиг.1 каждый пакет данных, пересылаемый между ними в сети IP (сети на основе межсетевого протокола), должен содержать полный адрес назначения. Этот адрес назначения в сети обнаруживают IP-маршрутизаторы, которые передают пакет данных следующему маршрутизатору до тех пор, пока пакет не достигнет пользователя-адресата. В сети АТМ (асинхронного режима передачи) сначала устанавливается трасса связи через несколько АТМ-коммутаторов (сеть). Затем все пакеты данных, относящиеся к этому сеансу связи, посылаются по этой трассе. Даже в том случае, когда связь друг с другом осуществляют два пользователя, находящиеся в одной и той же радиозоне, соединение между этими двумя пользователями будет установлено от терминала 4а через базовую станцию 1 по магистральной линии 6 через коммутатор/маршрутизатор 22 и обратно по той же магистральной линии 3, через ту же самую базовую станцию 1 ко второму терминалу 4с.
Термины "Р2Р" и "Ad Hoc" относятся к протоколам, которые позволяют создавать самоорганизующиеся сети устройств связи, таких как компьютеры (ПК, портативные), мобильные телефоны, персональные цифровые информационные устройства (РДА), принтеры, запоминающие устройства и т.п., и обеспечивать им возможность осуществления прямой связи друг с другом. Эти различные устройства могут быть, в принципе, соединены проводами, однако в настоящее время эти термины в основном относятся к беспроводной связи малой протяженности. По сравнению с традиционной сетью передачи данных (клиент/сервер), в которой клиент всегда осуществляет связь с другими клиентскими устройствами через сервер, в сетях полностью на базе Р2Р и Ad Hoc центральных серверов не существует.
Ad Hoc-протоколы выполняют алгоритмы маршрутизации для установления маршрута от отправителя до адресата, в которых изначально неизвестно, где найти адресат. Примерами таких протоколов являются Bluetooth и различные протоколы маршрутизации IETF (Комитета инженерной поддержки сети Интернет).
Р2Р-протоколы исполняются поверх IP-протоколов и обеспечивают самоорганизацию осуществляющих связь устройств, подключенных к IP-сети. Р2Р широко используется в настоящее время в приложениях и протоколах для совместного использования, например, mp3-файлов. Чтобы установить связь в Р2Р-сети, все устройства должны выполнять одни и те же Р2Р-протоколы и приложения.
Чтобы охватить большее количество пользователей, Ad Hoc и Р2Р сети обычно имеют какой-либо вид соединения с наследуемой сетью.
На фиг.2 показан пример такой сети, в которой четыре беспроводных устройства - портативный компьютер 23, принтер 24, РДА 25 и устройство 26 хранения музыки - связаны между собой беспроводной связью. Принтер 24 имеет беспроводное соединение с базовой станцией WLAN с доступом к базовой сети 1 через линию 3 доступа. Понятно, что досягаемость каждого устройства ограничена ближайшим соседним устройством. Один сценарий применения заключается в том, что ПК 23 связан с Интернет 6, но так как ПК находится вне досягаемости элемента 1, сигналы ретранслируются через 26, 24 и 1. ПК 23 может также использовать принтер через 26 или 25 одновременно, тогда как РДА 25 имеет доступ к календарю Microsoft Outlook, который выполняется на ПК 23. Можно также создать и другие сценарии.
Горячие точки
В настоящее время недорогой и популярной стала технология беспроводных LAN. Наблюдается тенденция к построению национальных сетей на основе "горячих точек". Например, операторы традиционной мобильной связи в настоящее время обеспечивают взаимосвязь горячих точек путем интеграции базовых станций WLAN со своими базовыми станциями GSM, см. фиг. 3, на которой показана базовая станция GSM 8 и базовая станция 1 беспроводной LAN, установленные в одном и том же месте, и их соответствующие зоны 16 и 17 покрытия. Мобильный пользователь с ПК, в котором есть интерфейсная карта WLAN 23, пересекает зоны по пунктирной стрелке. Внутри зоны покрытия беспроводной LAN 17 он осуществляет связь с Интернет через базовую станцию 1 и линию 3 доступа. Когда пользователь выходит из зоны 17 покрытия, оставаясь при этом в зоне 16 покрытия, его ПК обнаруживает потерю сигнала беспроводной LAN и присутствие сигнала GSM, после чего его соединение с Интернет 6 передается сети GSM.
Другой достойной упоминания инициативой является проект Rainbow, разработанный компаниями Intel, IBM, AT&T Wireless, Verizon Communication и Cingular Wireless, в котором также планируется создание национальных сетей горячих точек для доступа к Интернет.
В обоих случаях эти магистральные сети будут реализованы традиционным образом с выделенными линиями/соединениями с базовыми станциями.
Краткое изложение сущности изобретения
В основу настоящего изобретения положена задача создания широкополосной мобильной связи на инфраструктуре стационарной широкополосной сети доступа путем предоставления абонентам стационарных широкополосных сетей беспроводных LAN, которые подключены к стационарной широкополосной сети через домашние сетевые блоки. Домашние сетевые блоки действуют в качестве блоков межсоединения между общей широкополосной сетью и беспроводной сферой, обеспечиваемой беспроводными LAN.
Согласно первому аспекту изобретения предложен способ предоставления услуг общей беспроводной широкополосной мобильной связи путем усовершенствования стационарной широкополосной сети доступа, заключающийся в том, что устанавливают домашнее сетевое средство в помещении абонента стационарной сети, причем домашнее сетевое средство содержит по меньшей мере беспроводную локальную сеть (LAN) и широкополосную линию доступа к стационарной широкополосной сети, и беспроводная LAN действует в качестве среды доступа для случайных проходящих мобильных терминалов и для беспроводных терминалов и устройств упомянутых стационарных абонентов.
В одном варианте воплощения ширину полосы беспроводной LAN и широкополосной линии доступа стационарного абонента можно разделить соответственно на, по меньшей мере, два отдельных канала, при этом первый канал используется стационарным абонентом, а второй канал предоставляется случайным проходящим мобильным терминалам. Размеры этих, по меньшей мере, двух каналов можно устанавливать динамически в зависимости от мгновенного трафика стационарного абонента в беспроводной LAN и на широкополосной линии доступа, а остальную часть ширины полосы предоставлять проходящим мобильным терминалам. Остальная ширина полосы/второй канал может содержать часть физически реализуемой ширины полосы, которая не абонирована стационарными абонентами, часть полосы, абонированной, но в данный момент не используемой стационарным абонентом, и ширину полосы, которую можно освободить посредством механизмов приоритета, применяемых в данной сети.
Домашнее сетевое средство и широкополосная сеть доступа могут выполнять функции безопасности и аутентификации, которые защищают стационарного абонента и проходящие мобильные терминалы от перехвата и несанкционированного использования данной широкополосной сети. Можно также предусмотреть протоколы в домашнем сетевом средстве и стационарной сети для выполнения процедур мобильности, эстафетной передачи обслуживания и роуминга.
Согласно второму аспекту изобретения предложена цифровая широкополосная сеть мобильной связи, предоставляющая общие мобильные или подвижные широкополосные услуги на основе существующей стационарной широкополосной сети доступа с некоторым количеством абонентов, имеющих домашнее сетевое средство, содержащее по меньшей мере беспроводную локальную сеть (LAN) и широкополосную линию доступа к общей стационарной широкополосной сети, при этом беспроводная LAN выполняет функцию среды доступа для случайных проходящих мобильных терминалов, а также для локальных беспроводных терминалов данного стационарного абонента.
В одном варианте воплощения ширина полосы беспроводной LAN и широкополосной линии доступа разделена, по меньшей мере, на два отдельных канала, причем первый канал используется абонентом, а второй канал общедоступен для случайных проходящих мобильных терминалов. Размеры упомянутых по меньшей мере двух каналов могут устанавливаться динамически в зависимости от мгновенного трафика стационарного абонента в беспроводной LAN и на широкополосной линии доступа. Оставшаяся ширина полосы беспроводной LAN и линии доступа предоставляется проходящим мобильным терминалам.
Канал для проходящих мобильных терминалов может в одном варианте содержать часть физически реализуемой ширины полосы, не абонированной стационарными абонентами, часть абонированной ширины полосы, не используемую в данный момент стационарным абонентом, и ширину полосы, освобожденную посредством механизмов приоритета, применяемых в сети. Функции безопасности и аутентификации, защищающие стационарного абонента и проходящие мобильные терминалы от перехвата и несанкционированного использования данной широкополосной сети, могут выполняться домашним сетевым средством и/или широкополосной сетью. Домашнее сетевое средство и стационарная широкополосная сеть содержат протоколы для выполнения функций мобильности, эстафетной передачи обслуживания и роуминга.
Согласно третьему аспекту предложено домашнее сетевое устройство, обеспечивающее общие мобильные или подвижные широкополосные услуги в существующей стационарной широкополосной сети доступа, содержащей множество абонентов. Устройство содержит беспроводную LAN, обеспечивающую локальную беспроводную широкополосную связь абоненту стационарной широкополосной сети доступа и широкополосную связь для проходящих мобильных терминалов; широкополосную линию доступа, подсоединенную к стационарной широкополосной сети доступа, и соответствующие функции трафика и управления, необходимые для беспроводной мобильной связи.
Домашнее сетевое устройство может в другом варианте воплощения изобретения содержать систему управления ресурсом и средство мультиплексора, разделяющее физически доступную ширину полосы беспроводной LAN и широкополосной линии доступа, по меньшей мере, на два канала, причем первый канал предназначен для использования абонентом, а второй общий канал предоставляется случайными проходящим мобильным терминалам. Система управления ресурсом может быть реализована для осуществления динамического выделения ширины полосы случайным проходящим мобильным терминалам в зависимости от мгновенной нагрузки трафика стационарного абонента на беспроводную LAN и на широкополосной линии доступа. В состав домашнего сетевого устройства могут быть также включены средства коммутации/маршрутизации для двусторонней передачи трафика между широкополосной сетью доступа и различными беспроводными терминалами, расположенными в пределах досягаемости данной беспроводной LAN. Протокольное средство обеспечивает прозрачное выполнение процедур мобильности и эстафетной передачи обслуживания для сохранения связи со стационарной широкополосной сетью доступа для мобильного терминала, проходящего через абонентские беспроводные LAN. Протокольное средство может обеспечивать роуминг между различными стационарными сетевыми операторами, операторами Р2Р/Ad-Hoc и сетями LAN отдельных абонентов. Кроме того, в домашний сетевой блок также могут быть включены функции/программные средства, поддерживающие требования к управлению широкополосной сетью и начислением платежей.
Согласно следующему аспекту изобретения предложено применение домашнего сетевого устройства, содержащего, по меньшей мере, беспроводную LAN и абонентскую широкополосную линию доступа к общей широкополосной сети доступа, обеспечивающей локальную беспроводную связь для стационарного абонента и мобильные широкополосные услуги для случайных проходящих беспроводных терминалов.
Таким образом, предложенное изобретение характеризуется следующим:
1. Позволяет предоставлять неиспользуемую ширину полосы частных беспроводных LAN для общего использования в целях доступа к стационарной широкополосной сети.
2. Обеспечивает создание широкополосной магистральной сети для беспроводных LAN путем использования неиспользуемой ширины полосы абонентских широкополосных линий доступа к стационарной широкополосной сети. Эта неиспользуемая ширина полосы может состоять из
а) ширины полосы, не абонированной упомянутыми выше абонентами;
b) части абонированной ширины полосы, не используемой в данный момент абонентами;
с) ширины полосы, которую можно освободить посредством механизмов приоритета, применяемых в данной сети.
3. В помещении абонентов стационарной широкополосной сети устанавливается домашний сетевой блок, который действует как мост между беспроводной LAN и широкополосной линией доступа и добавляет необходимые сетевые функции к концепции, что позволяет обеспечить прозрачное управление мобильностью, эстафетной передачей обслуживания и ресурсами, коммутацию и маршрутизацию, гарантированное качество обслуживания, безопасность, аутентификацию и начисление платежей.
Поскольку изобретение частично основано на инфраструктуре, которая уже существует или будет создана для других целей, оно представляет собой совершенно новый подход к созданию сетей для мобильной широкополосной связи по сравнению с описанным выше традиционным методом.
Еще одним аспектом изобретения является возможность включения в эту концепцию беспроводных Ad Hoc протоколов и протоколов одноранговой связи. Эти технологии усовершенствуют данную концепцию за счет связывания зон беспроводной связи между собой и соединения их через совместное, спонтанное использование стационарных линий доступа или использование их по требованию. Поэтому требуется меньшее количество базовых станций для обеспечения полного охвата территории.
По сравнению с популярной сегодня идеей "горячих точек" в изобретении предложена идея обеспечения исключительной магистральной пропускной способности к базовым станциям в горячих точках по существующим абонентским линиям доступа к общей широкополосной сети. Описанные выше функции управления трафиком и контроля обеспечат качество связи. Со временем, по мере того, как увеличится количество базовых станций и образуются плотные перекрывающиеся зоны, сеть будет развиваться в направлении сети с открытым доступом, как описано в изобретении.
Как пояснялось выше, основная цель Р2Р и Ad Hoc сетей - обеспечение самоконфигурируемой беспроводной связи между беспроводными устройствами. Однако Р2Р и Ad Hoc сети не решают проблемы создания инфраструктур (магистральных сетей) для беспроводных широкополосных сетей иным образом, кроме убеждения пользователей Р2Р и Ad Hoc сетей отдать абонируемую часть пропускной способности общих линий доступа в распоряжение других пользователей Р2Р и Ad Hoc. Неабонированная часть ширины полосы стационарной широкополосной линии доступа не доступна ни для абонентов стационарной сети, ни для других членов групп пользователей Р2Р и Ad Hoc. Поэтому на основании этих ресурсов невозможно создавать сети для них.
Используя мобильные Ad Hoc протокол и протокол одноранговой связи в новой предложенной сетевой архитектуре, можно достичь больших преимуществ. Можно существенно увеличить истинный размер зон беспроводной связи. Каждое мобильное устройство внутри зоны будет действовать как новая базовая станция и добавит свою зону обслуживания к остальным, следовательно, возрастет расстояние, которого можно достичь из домашнего сетевого блока, и соответственно можно будет принять больше трафика в стационарную широкополосную сеть. Такие Ad Hoc сети, основанные на разнесении мобильных устройств, могут покрывать области, включающие в себя более чем одного абонента стационарной линии, следовательно, для Ad Hoc пользователей может быть доступно несколько широкополосных линий доступа. Так как все эти линии доступа обеспечивают общий широкополосный доступ, пользователи Ad Hoc будут иметь возможность выбрать ту, которая функционирует лучше, в зависимости от их требований в отношении пропускной способности, качества и цены.
Перечень фигур чертежей
В дальнейшем будут более подробно описаны варианты воплощения настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых
фиг. 1 - иллюстрация связь в традиционной мобильной сети,
фиг. 2 - Ad Hoc/Р2Р сеть с подключением к наследуемой сети по широкополосной линии доступа,
фиг. 3 - базовая станция GSM с беспроводной LAN,
фиг. 4 - иллюстрация сети с мобильными широкополосными услугами согласно одному варианту воплощения изобретения,
фиг. 5 - схематическое изображение основных компонентов сети согласно одному варианту воплощения изобретения,
фиг. 6 - структурная схема функций домашнего сетевого блока согласно одному варианту осуществления изобретения, и
фиг. 7 - описание сценария, аналогичного изображенному на фиг.5, но дополненного функциональными модулями домашнего сетевого блока.
Подробное описание изобретения
Основной задачей изобретения является обеспечение широкополосной мобильной связи через инфраструктуру стационарной широкополосной сети доступа путем предоставления абонентам стационарной широкополосной сети беспроводных LAN, которые подключены к стационарной широкополосной линии доступа через домашние сетевые блоки. Домашние сетевые блоки выполняют функции маршрутизации/коммутации и трафика, необходимые для соединения трафика через абонентскую широкополосную линию доступа и беспроводную LAN и для обеспечения общего доступа для мобильных пользователей по этим беспроводным LAN. Чтобы удовлетворить требования безопасности и секретности, передачи от стационарного абонента и случайного проходящего мобильного пользователя соответственно переносятся по двум отдельным каналам.
На фиг. 4 изображен сценарий использования в мобильной широкополосной сети согласно одному варианту воплощения изобретения. Три беспроводные LAN (микробазовые станции) 1 с соответствующим домашним сетевым блоком 2 установлены у трех различных, близко расположенных абонентов (помещениях) широкополосной сети. Широкополосные линии 3 доступа к помещениям реализованы с использованием ADSL (ассимметричной цифровой абонентской линии)/VDSL (сверхвысокоскоростной цифровой абонентской линии)/оптического кабеля/кабельного модема или т.п. Микробазовые станции 1 основаны на каком-либо виде технологии беспроводной LAN, например, WLAN (IEEE 802.11x), используемой в качестве домашней сети, соединяющей различные домашние устройства, такие как ПК, телевизионные приемники, серверы и т.п. Три беспроводные LAN частично перекрывают друг друга. Так как стационарные пользователи редко подписываются на полную пропускную способность линии доступа и не используют всю абонированную пропускную способность линий доступа и своих микробазовых станций, обычно имеется резервная пропускная способность, свободная для случайных пользователей. Поэтому такая свободная пропускная способность открыта для общего использования. Следовательно, мобильный пользователь с мобильным терминалом 4, входящий слева на фиг.4, может подключиться к действующей сети через стационарную микробазовую станцию 1, домашний сетевой блок 2 и широкополосную линию 3 доступа. Когда пользователь выходит из первой зоны 17 обслуживания и входит в следующую, это соединение с действующей сетью передается через домашний сетевой блок 2 следующей зоне. Проблемы требуемой мобильности решаются путем применения соответствующих протоколов для обеспечения прозрачного выполнения процедур мобильности, эстафетной передачи обслуживания, роуминга между различными провайдерами широкополосных услуг и, возможно, также роуминга между частными владельцами широкополосных линий доступа. Гарантированное качество обслуживания, безопасность и аутентификация, а также начисление платежей также являются частью этой концепции.
Для реализации широкополосной сети мобильной связи согласно изобретению требуются следующие ресурсы ширины полосы:
1. Свободная пропускная способность существующих абонентских беспроводных LAN в качестве "микробазовых станций" (МБС, MBS) в сети,
2. Свободная пропускная способность абонентских широкополосных линий доступа к стационарной сети в качестве магистральных линий к упомянутым МБС. Эта свободная пропускная способность может состоять из:
- неабонированной части физической реализуемой пропускной способности этих линий,
- мгновенной неиспользуемой части абонированной пропускной способности,
- уже выделенной ширины полосы, которую можно освободить посредством механизмов приоритета.
Свободная пропускная способность беспроводных LAN
Цель настоящего изобретение заключается том, чтобы предоставить случайным проходящим мобильным пользователям доступ к стационарной широкополосной сети через беспроводные LAN, установленные в помещениях абонентов в данной сети. Технология используемых беспроводных LAN конкретно не указывается. Следующая краткая оценка основана на общей информации о технологиях беспроводных LAN.
Цель состоит в том, чтобы стационарные пользователи имели приоритет у беспроводных LAN, если не заданы другие установки. Механизмы приоритета выполняются модулем 31, показанным на фиг.6 и описанным ниже. Для обеспечения секретности в радиоэфире необходимо использовать алгоритмы шифрования.
Пропускная способность, предоставляемая случайным проходящим пользователям, ограничена максимальной пропускной способностью беспроводной LAN на заданном расстоянии от ее базовой станции. При выходной мощности 100 мВт такие беспроводные технологии имеют номинальную досягаемость около 30 метров (для 54 Мбит/с) или 100 метров при более низкой скорости. Однако из-за применения алгоритмов коррекции ошибок и т.п. чистая пропускная способность составляет всего 50% от указанной выше, т.е. максимальная пропускная способность, которую можно предоставить мобильным пользователям, меньше чем 25 Мбит/с в зависимости от расстояния и трафика.
Свободная пропускная способность абонентских
широкополосных линий доступа
Выделение неабонированной пропускной способности
Вторая цель изобретения заключается в использовании неабонированной ширины полосы широкополосных линий доступа. Физические линии доступа часто имеют пропускную способность для передачи, превышающую пропускную способность, предоставляемую пользователям и абонируемую ими. Эта неиспользованная пропускная способность иногда бывает недоступна как для широкополосного оператора, так и для пользователей из-за технической реализации сетевых компонентов. Это особенно касается линий доступа, построенных на базе технологий DSL (цифровой абонентской линии). В случае ADSL (асимметричной DSL), модемной технологии, широко используемой в настоящее время, абоненты часто подписываются на входящую пропускную способность менее чем 1 Мбит/с, тогда как сам модем может иметь входящую пропускную способность 3-8 Мбит/с. Современная коммерческая аппаратура не позволяет сделать эту свободную пропускную способность (теряемые 2-7 Мбит/с) доступной ни для оператора, ни для абонентов, даже если этого легко достичь с технической точки зрения. Эту функцию позволяет выполнить домашний сетевой блок (модуль 27 по фиг. 6).
Такой же анализ можно выполнить в отношении других типов технологий. Оптический кабель имеет практически неограниченную ширину полосы, ограниченную только другими телекоммуникационным оборудованием. Используется всего лишь доля физически реализуемой ширины полосы. Гораздо большая ее часть теряется. В силу иерархической структуры систем мультплексирования и в этом случае можно выполнять такой же анализ. Если пользователю требуется пропускная способность 50 Мбит/с для целей связи, он обычно должен заказать пропускную способность 155 Мбит/с из-за иерархической структуры систем, как отмечалось выше. При этом теряется 105 Мбит/с, которые теоретически можно было бы использовать для других целей.
Стратегически управляемое выделение
абонированной полосы частот
Пользователь редко использует всю пропускную способность, которую он абонировал. Если его подписка составляет 1 Мбит/с и он в определенное время использует всего 300 кбит/с, остальные 700 кбит/с можно перепродать случайным проходящим пользователям. Однако для перепродажи этой пропускной способности другим пользователям необходимо определить эти условия в соглашении между стационарным пользователем и провайдером широкополосной связи. Эту функцию выполняет домашний сетевой блок, модуль 27.
Пропускная способность, освобождаемая
посредством механизмов приоритета
Обычно принято за правило, что стационарные пользователи имеют самый высокий приоритет в отношении имеющихся ресурсов беспроводной LAN и соответствующей широкополосной линии доступа. Однако бывают случаи отступления от этого правила. Если случайный проходящий пользователь, выполняющий приложение с определенными требованиями по ширине полосы и задержкам передачи, входит в зону обслуживания, которая не может принять его соединение, то может быть рациональным снизить рабочие характеристики стационарного пользователя, выполняющего низкоприоритетные услуги, чтобы освободить достаточную пропускную способность для этого мобильного пользователя. Такие механизмы приоритета выполняются модулем 31 по фиг. 6.
Функции домашнего сетевого блока
Домашний сетевой блок выполняет следующие основные функции:
- Маршрутизация/коммутация соединений по физическим интерфейсам; общая широкополосная линия доступа, беспроводная LAN и проводная домашняя сеть.
- Управление ресурсами, чтобы отслеживать использование всех имеющихся ресурсов ширины полосы, т.е. выделение
- ширины полосы в беспроводной LAN,
- неабонированной ширины полосы по общей линии доступа,
- стратегически управляемой, абонированной ширины полосы по общей линии доступа,
- ширины полосы, освобождаемой посредством механизмов приоритета.
- Прозрачное выполнение процедур мобильности и эстафетной передачи обслуживания.
- Реализация роуминга между различными операторами и между различными владельцами беспроводной LAN и линий доступа.
- Осуществление процедур управления доступом, аутентификации и безопасности.
- Обеспечение целевого качества обслуживания.
- Реализация необходимых функций начисления платежей и управления.
На фиг. 5 показан домашний сетевой блок 2, подключенный к широкополосной сети 6 через широкополосную линию 3 доступа. Стационарный пользователь показан в виде терминала 5, который подключен к локальной сети через стационарную проводную линию 9. Базовая станция беспроводной LAN, далее именуемая как микробазовая станция (МБС) 1, объединена с блоком 2. Стационарный терминал 5, например принтер, принадлежащий данному стационарному пользователю, подключен к домашнему сетевому блоку через проводное соединение 9. Стационарный пользователь также имеет ПК с интерфейсной картой LAN 23, которая включена в данную сеть. Сценарий на этом чертеже показывает, что стационарный пользователь может использовать принтер 5 со своего ПК 23 и одновременно осуществлять связь с общей сетью 6, когда мобильный пользователь 4 использует свободную пропускную способность МБС 1 и линию 3 доступа к базовой сети 6. Один аспект изобретения заключается в том, что локальные устройства, в данном случае ПК 23 и принтер 5, не должны предоставляться в распоряжение мобильному пользователю, если только эти стационарный и мобильный пользователи не являются членами одной и той же Р2Р или Ad Hoc сети. Главная цель состоит в том, чтобы отделить частную сферу от общей сферы, следовательно, стационарный пользователь не будет знать ни о каких проходящих мобильных пользователях. Мобильный пользователь, со своей стороны, не будет знать о личности стационарных пользователей, которых он посещает. На фиг. 5 также показано, что мобильный пользователь 4 также обслуживается ближайшей базовой станцией 10, через которую он может подключиться к базовой сети, если, например, ему будет недостаточно ширины полосы, предоставляемой домашним сетевым блоком 2.
Функции, необходимые для реализации широкополосной сети мобильной связи согласно изобретению, нормально могут выполняться различными сетевыми компонентами. Например, функция, которая инициируется домашним сетевым блоком, будет иметь свой аналог в других устройствах в сети общего доступа и базовой сети. В следующем описании по фиг. 6 внимание будет в основном сфокусировано на функциях высокого уровня, необходимых для реализации изобретения, без подробного описания, как и где они выполняются. Большинство из этих функций являются известными признаками, присутствующими во многих сетях передачи данных и телекоммуникационных сетях, и не являются существенными признаками изобретения.
На фиг.6 показан функциональный чертеж домашнего сетевого блока 2. Его различные модули выполняют следующие функции:
Модуль 15 выполняет функции маршрутизации/коммутации. Этот модуль, который может быть основан на IP (межсетевом протоколе) или АТМ (асинхронном режиме передачи), выполняет маршрутизацию/коммутацию трафика между физическими интерфейсами, т.е. между общей линией 13/3 доступа, микробазовой станцией 14/11 и проводной домашней сетью 12/9. Модулем 15 управляет модуль 28 для протоколов соединения/маршрутизации и мобильности.
Модуль 27 выполняет управление ресурсом, т.е. отслеживает общую имеющуюся полосу частот, использование полосы частот и результирующую свободную ширину полосы на каждом из физических интерфейсов 12, 13 и 14. Этот модуль обеспечивает, чтобы приоритет на ширину полосы получал стационарный пользователь, который ее абонирует согласно контракту с провайдером услуги и сети. Модуль проводит различие между шириной полосы, выделенной стационарному абоненту, и шириной полосы, предоставляемой общим пользователям. Предоставляемая для общего пользования ширина полосы может состоять из следующих частей:
- физической имеющейся ширины полосы, не абонированной данным стационарным пользователем;
- зависящей от нагрузки трафика части абонированной ширины полосы, которая не используется в данный момент стационарным абонентом;
- ширины полосы, выделенной данному стационарному пользователю, которая может быть освобождена и перераспределена мобильным пользователям согласно правилам приоритета и контрактному соглашению между стационарным пользователем и провайдером сети.
Этот модуль принимает информацию из модуля 28 протоколов соединения/маршрутизации и мобильности, который информирует об установлении и завершении маршрутов/соединений и соответствующей задействованной ширине полосы.
В модуле 28 протоколы соединения/маршрутизации и мобильности выполняют протоколы, необходимые для установления и выполнения прозрачных процедур мобильности и эстафетной передачи обслуживания и для завершения маршрутов/соединений в сети. Эти протоколы определены стандартами, выпущенными несколькими международными органами стандартизации, такими как ETSI (Европейский институт стандартизации в области телекоммуникаций), ITU (Международный союз телекоммуникаций), IEFT (Комитет инженерной поддержки сети Интернет) и многие другие.
В модуле 29 протоколы роуминга выполняют процедуры, которые необходимы, когда пользователи желают использовать телекоммуникационные ресурсы, принадлежащие другим провайдерам услуг и сетей, с которыми каждый отдельный пользователь заключил соглашение, например, когда мобильный пользователь перемещается от МБС1 (микробазовой станции, принадлежащей провайдеру сети А), к МБС2, принадлежащей провайдеру сети В. Протоколы реализуют контракт, регулирующий коммерческое соглашение между ними. Во время процессов аутентификации также активируются протоколы роуминга.
В модуле 30 протоколы безопасности выполняют аутентификацию, управление доступом пользователей, входящих в зону обслуживания МБС, и механизмы защиты данных. Пользователь, инициирующий сеанс связи, должен аутентифицировать себя провайдерам услуг и сети, на которые он подписался, прежде чем можно будет установить соединение и получить запрашиваемую услугу. Если сеанс инициируется в зоне, обслуживаемой другим провайдером сети, протоколы роуминга в модуле 29 выполнят процедуру аутентификации. Эти протоколы выполняют шифрование уязвимых данных, используемых в этих процедурах, чтобы предотвратить несанкционированное вмешательство и перехват.
В модуле 31 механизмы качества обслуживания (приоритета) содержат функции, которые обеспечивают соответствие предоставляемых пользователям услуг их требованиям. Например, речевая связь чувствительна к задержкам передачи данных и ограничениям ширины полосы и относительно нечувствительна к ошибкам передачи. Для передачи данных, напротив, часто приемлемы ограничения по задержкам и ширине полосы, но эта передача чувствительна к ошибкам передачи. Для придания приоритета речевой связи используются механизмы приоритета и организации очереди, а для защиты данных используются протоколы коррекции ошибок.
Модуль 32 начисления платежей и управления содержит функции, связанные с техническим управлением и обслуживанием блока, мониторинга контроля его рабочих характеристик и использованием этого мониторинга для поддержки функций начисления платежей, необходимых для ведения расчетов.
Модуль 13 интерфейса общей сети выполняет подготовку сигнала, необходимую для передачи сигналов по физической линии 3 в общую сеть. Если физическая линия является телефонным кабелем, то функцию подготовки будет выполнять модем xDSL. Для оптического кабеля подготовку выполняет оптический интерфейс, а для беспроводного решения - какой-либо вид беспроводного интерфейса.
Модуль 12 проводной домашней сети выполняет коммутацию/маршрутизацию локального трафика по домашней проводной сети (9). Существует множество различных протоколов и стандартов для таких сетей, например, IEEE 1394 (Firewire), Ethernet, HomePNA и т.п.
Модуль 14 является интерфейсом к микробазовой станции (МБС), которая на данном чертеже не показана, но может быть составной частью домашнего сетевого блока 2.
Повторное использование проводных и беспроводных инфраструктур обеспечивает важную возможность для создания широкополосной мобильной сети с гораздо меньшей стоимостью, чем любая известная альтернатива. Так как эти инфраструктуры уже существуют или создаются в настоящее время, широкополосная мобильная сеть может быть реализована гораздо раньше, чем если бы надо было создать новую специальную сетевую инфраструктуру.
Идея открытия беспроводных LAN и линий доступа представляет собой новую концепцию и отличный путь для создания широкополосной сети мобильной/подвижной связи с возможностью 100%-ого охвата городских зон и точечного охвата в других зонах.
При создании сетевой инфраструктуры на основе изобретения установка средств связи в помещениях стационарных потребителей не будет ограничена их соответствующими зонами охвата беспроводных LAN. Абоненты смогут также подключить устройство в местах, которые лучше обслуживаются беспроводной LAN соседа, чем собственной. Иными словами, абоненты будут практически независимыми от местонахождения. Стационарные пользователи смогут располагаться в любом месте без ограничения, а мобильный пользователь сможет практически неограниченно перемещаться вокруг.
На фиг.7 показан тот же самый сценарий, что и на фиг.5, но дополненный функциональными модулями по фиг.6. Далее следует его очень упрощенное описание.
Мобильный пользователь 4 вошел в зону обслуживания микробазовой станции 1. При приеме радиосигнала модуль 30 безопасности выполняет контроль доступа и аутентификацию. Если модуль 30 не распознает мобильного пользователя 4, по общей линии доступа 13/3 будет послан запрос из модуля 29 протоколов роуминга его аналогам в сети, чтобы определить, кому принадлежит данный пользователь. После распознавания пользователя инициируются процедуры 28 установления соединения. В этих процедурах участвуют модуль 27 управления ресурсом и механизмы 31 качества обслуживания, чтобы проверить, имеется ли ширина полосы во всех секциях от мобильного пользователя до адресата и можно ли гарантировать запрашиваемое качество. В случае положительного результата всех этих процедур модуль 15 маршрутизации/коммутации установит трассу связи через домашний сетевой блок 2. Модуль 32 начисления платежей и управления извещает о том, что был начат сеанс связи от пользователя 4 к запрашиваемой услуге, и запускает согласованный алгоритм начисления платежей.
В дополнительном сценарии будет установлено соединение между беспроводным портативным компьютером 23 и принтером (стационарный терминал 5). Так как оба устройства подключены к одной и той же беспроводной LAN, можно использовать чистые Ad Hoc протоколы для установления соединения между ними. Альтернативно, домашний сетевой блок будет действовать в качестве сервера для двух клиентов - компьютера и принтера. В обоих случаях модуль 30 безопасности должен аутентифицировать портативный компьютер 23, а ресурсный модуль 27 должен обновить использование ресурса.
Когда мобильный пользователь 4 входит в зону досягаемости ближайшей МБС 10, активируются процедуры роуминга и безопасности, чтобы аутентифицировать пользователя в ближайшей МБС 10. При положительном результате устанавливается соединение путем задействования тех же модулей, которые были описаны выше. В конечном итоге, мобильный пользователь передается новому сетевому сегменту, а все ресурсы первого домашнего сетевого блока 2 освобождаются и предоставляются в распоряжение другим пользователям.
Несмотря на описанные варианты воплощения изобретения, специалистам будет понятно, что можно использовать и другие варианты воплощения, задействующие идеи изобретения. Эти и другие проиллюстрированные варианты воплощения изобретения представлены только в качестве примера, а действительный объем притязаний изобретения охарактеризован прилагаемой формулой изобретения.
Изобретение относится к системам связи. Технический результат заключается в усовершенствовании сети. Стационарная широкополосная сеть доступа усовершенствована путем установки домашнего сетевого средства в помещении абонента упомянутой стационарной сети. Домашнее сетевое средство содержит, по меньшей мере, беспроводную локальную сеть (беспроводную LAN) и широкополосную линию доступа к стационарной широкополосной сети, причем беспроводная LAN действует как среда доступа для обычных проходящих мобильных терминалов и для беспроводных терминалов и устройств стационарных абонентов, а широкополосная линия доступа обеспечивает общий доступ к стационарной широкополосной сети. 4 н. и 13 з.п. ф-лы, 7 ил.
| БЕСКАБЕЛЬНАЯ ЛОКАЛЬНАЯ СЕТЬ | 1994 |
|
RU2107396C1 |
| СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СВЯЗИ БЕСПРОВОДНОЙ ЛОКАЛЬНОЙ СЕТИ С ПРОВОДНОЙ ЛОКАЛЬНОЙ СЕТЬЮ | 1995 |
|
RU2121762C1 |
| WO 02058324 А2, 25.07.2002 | |||
| ЕР 1146691 А1, 17.10.2001. | |||
