Ethernet-шлюз S1901-3G-DTU для М2М-приложений от компании GaoKe

Поскольку основное отличие новой модели S1901-3G от предыдущей S1901H заключается в поддержке сетей HSUPA/HSDPA/WCDMA, целесообразно привести базовую информацию об этих сетях. Сети 3G (Third Generation) — это третье поколение сетей мобильной связи, разработанное на базе технологии пакетной передачи данных [1, 2].

В технологии радиоинтерфейса WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) применен широкополосный множественный доступ с кодовым разделением каналов. В базовом варианте используются две широкие полосы радиочастот по 5 МГц. В документах 3GPP термин WCDMA обозначает стандарт сотовой сети, который является надстройкой над GSM и работает в диапазоне 1900–2100 МГц.

Специально для Европы организацией ETSI [3–4] была разработана технология UMTS (Universal Mobile Telecommunications System — «универсальная мобильная телекоммуникационная система»).

В настоящее время в качестве магистральных применяются сети, использующие IP-технологии. Кроме того, модернизируются опорные сети GSM MAP и ANSI-41, которые были созданы для последних модификаций стандартов мобильной связи поколения 2G — GSM/GPRS/EDGE. При этом в большинстве случаев взаимодействие между тремя магистральными сетями GSM MAP, ANSI-41 и базовой IP-сетью осуществляется через межсетевой интерфейс NNI (Network-to-Network Interface).

Сегодня все ведущие изготовители базовых модулей для мобильных станций выпускают совмещенные GSM/UMTS-модули. Сотовые телефоны и терминалы, созданные на их базе, могут работать как в сетях GSM/GPRS/EDGE, так и в сетях 3G.

Необходимо особо подчеркнуть, что спецификации 3GGP UMTS, так же как и другие международные стандарты, определяют центральную базовую частоту и рекомендуют наилучший вариант полосы.

Конкретные частоты под определенные стандарты выделяются непосредственно в каждой стране контролирующими организациями в соответствии с загруженностью всего частотного диапазона. В России решениями ГКРЧ при Министерстве информационных технологий и связи РФ для создания сетей 3G выделены следующие частоты:

• 1935–1980 МГц;
• 2010–2025 МГц;
• 2125–2170 МГц.
• 890–915 МГц;
• 935–960 МГц;
• 1710–1785 МГц;
• 1805–1880 МГц.

Следует отметить, что UMTS и WCDMA — это два различных понятия, хотя в настоящее время их употребляют в качестве синонимов. В UMTS в качестве базовой магистральной сети используется GSM MAP, а в качестве сетей радиодоступа применяются комбинированные сети GSM/EDGE и WCDMA. Сети WCDMA надстраиваются над существующими сетями GSM. При этом сети GSM и WCDMA работают параллельно. Абонентская станция автоматически переключается между сетями.

Технология HSDPA принадлежит к семейству решений WCDMA/UMTS, использующих пакетную передачу данных, и полностью совместима с UMTS Release 99. Это позволяет одновременно предоставлять сервисы голосовой связи и передачи данных UMTS и HSDPA. Последняя модификация технологии HSDPA позволяет получать максимальную теоретическую скорость передачи данных до 21 Мбит/с в режиме Downlink Transfer (от базовой к мобильной станции). Фактически HSDPA является «надстройкой» к сетям UMTS, поэтому ее нередко называют поколением 3,5G.

Необходимо подчеркнуть, что протоколы HSDPA поддерживают только передачу данных от базовой станции (БС) к мобильной абонентской станции (АС), получившую название «нисходящая передача данных».

Чтобы регламентировать параметры абонентских станций и определить порядок их взаимодействия с БС, была разработана технология HSUPA (High-Speed Uplink Packet Access) — высокоскоростная пакетная передача данных в направлении «вверх» — от абонента к БС. Идея стандарта была сформулирована фирмами Nokia, Samsung, Sony Ericson и другими лидерами мирового рынка мобильных телефонов и звучала как «максимальная скорость при максимальном радиусе действия и минимальном энергопотреблении». Эта идея была технически сформулирована в 3GPP Release 6.

Основная проблема в согласовании процессов передачи «вверх» и «вниз» заключается в потребляемой мощности. На БС отбираемая мощность передатчика не ограничена в пределах действующих нормативов. Поэтому разработчики оборудования для БС могут совершенствовать технологии передачи, не задумываясь о проблемах потребляемой мощности. Для бытовых мобильных телефонов, которые составляют основную часть этого рынка, потребляемая мощность является одним из основных критериев в конкурентной борьбе. При разработке HSUPA использованы методы как временного, так и канального кодирования.

Другая проблема связана с поэтапной передачей движущейся АС (Soft Handover). В этом случае принимающая БС должна отслеживать меняющийся сигнал движущегося клиента и передавать его другой станции, обеспечивающей лучшие условия приема.

Согласно основному варианту спецификации Release 6, в технологии HSUPA использованы модифицированные принципы. Однако технология передачи данных «вверх» отличается от технологии передачи «вниз».

В технологии HSUPA для передачи данных от абонента к БС применяются расширенные выделенные каналы (Uplink Enhanced Dedicated Channel, UE DCH), которые позволяют использовать тот же метод линейной адаптации (Link Adaptation Method, LAM), что и в технологии HSDPA. В свою очередь этот метод дает возможность реализовать в технологии HSUPA модель ортогонального частотного разделения каналов. При этом последовательный поток информации разбивается на отдельные блоки и символы. Символы разных блоков передаются параллельно, каждый на своей поднесущей частоте. Преимущество данного метода состоит в том, что он позволяет снизить до минимума межсимвольные искажения, возникающие в радиоканале. За счет уменьшения размеров блока данных удалось сократить время инкапсуляции и формирования пакетов данных.

В стандарте HSUPA модернизированы протоколы, обеспечивающие управление ресурсами канала и отвечающие за установление, поддержание и разрыв низкоуровневых соединений, динамический выбор частотных каналов и др.

При передаче данных от абонента к станции, когда используется расширенный выделенный канал, два кодированных композитных транспортных канала CCTrCH используются одновременно. Транспортный канал может быть сконфигурирован так, чтобы время инкапсуляции (интервал передачи) составляло 10 или 2 мс. При этом заданный интервал передачи 10 мс обязательно должен поддерживаться всеми АС, допущенными для работы в сети, а интервал передачи 2 мс является опционным.

Каждая АС может иметь только один транспортный выделенный канал передачи данных в конкретный момент времени.

Выделенный канал индикации сообщения о доставке (Hybrid ARQ Indicator Channel, HICH) может использоваться несколькими пользователями одновременно. Чтобы различать сигналы каждого пользователя в сетях с кодовым разделением, используются специальные кодовые последовательности символов, называемые индивидуальными ортогональными подписями. В сетях HSUPA каждому пользователю выделяется одна ортогональная подпись для канала E-HICH и одна — для E-RGCH (управляющего канала регулировки мощности передачи данных). Поскольку на канале HICH доступно всего 40 ортогональных подписей, то только 20 пользователей могут использовать тот же самый кодовый канал в каждый определенный момент времени.

В этом стандарте также введен управляющий канал относительной регулировки мощности для АС (Relative Grant Channel, E-RGCH), который предназначен для того, чтобы повысить или понизить выходную мощность передатчика АС. По данному каналу не передается точное значение мощности, которую АС должна установить. БС отслеживает сигнал АС и регулярно сообщает ей текущий статус, относительно которого АС должна регулировать свою работу. В случае если связь ухудшается, БС выдает команду на увеличение мощности передачи АС. В том случае когда абонентов в сети мало и сигнал АС достаточно сильный, БС посылает управляющий сигнал на уменьшение мощности.

Канал абсолютной регулировки мощности (Absolute Grant Channel, E-AGCH) предназначен для того, чтобы установить верхний предел мощности передатчика АС, который может быть задействован в данный конкретный момент.

Максимальная мощность напрямую связана с максимальной скоростью передачи данных. В отличие от метода относительного регулирования мощности, абсолютное ограничение задается достаточно редко — когда АС запрашивает канальные ресурсы и когда устанавливается несущая частота.

АС при запросе на установление соединения с БС передает информацию о своих технических возможностях. В зависимости от этих данных БС устанавливает для конкретной АС соответствующий режим связи.

В технологии HSUPA использована методика гибридного метода автоматического запроса повторной передачи ARQ (Hybrid Automatic Request for Repeat, HARQ). Базовым в этом варианте является метод Stop and Wait, который означает, что перед началом трансляции нового блока данных передатчик ожидает подтверждения успешного приема предыдущего блока данных.

В варианте HSUPA при передаче от АС к БС используется принцип приоритетов. Первоначально АС запрашивает разрешение на начало передачи. БС принимает решение, сколько и какие именно станции будут участвовать в сеансе связи. Также в режиме передачи «вверх» реализован вариант работы по расписанию (Scheduled mode), при котором АС выходит на связь в заранее оговоренное время.

В настоящее время стандарты 3GPP (Realease 6–11) регламентируют девять категорий технологии HSUPA, которые определяются различным набором параметров. Эти категории определяют технические характеристики и свойства конкретной АС (мобильного телефона или терминала). Категории мобильных АС, поддерживающих технологию HSUPA, приведены в таблице 1 [5]. Видно, что скорость передачи данных определяется комбинацией базовых параметров оборудования, таких как CT, SF, TTI, MTW TTI.

Примечание: * — данные предварительные. Документация стандарта находится в процессе доработки и утверждения.

Приведенные в таблице данные показывают, что чем выше категория АС, тем выше и ее скорость передачи. Максимальная теоретическая скорость, с которой АС может передавать данные на БС, на сегодня составляет 23 Мбит/с. Однако это теория. Еще раз подчеркнем, что скорость передачи является переменной величиной, которая в каждый конкретный момент времени зависит от возможностей АС (мобильного телефона, смартфона, базового модуля), оборудования БС и от загрузки сети.

В литературе часто используется общий термин HSPA (High Speed Packet Access) — высокоскоростная пакетная передача данных, под которым подразумеваются оба стандарта — HSDPA и HSUPA.

Ethernet-шлюз S1901-3G-DTU

Предыдущая модель HSPDA/Ethernet — шлюз S1901-3G — изготовлена на базе модуля HC25Cinterion. Этот шлюз предназначен для работы в сетях GSM/GPRS/EDGE (850/900/1800/1900 МГц) и UMTS/HSDPA (3GPP версия 5, 850/1900/2100 МГц). В режиме HSDPA предыдущая модель (шлюз S1901H) обеспечивает скорость передачи данных до 384 кбит/с и скорости приема данных до 3,6 Мбит/с. В новой серии выпускаются две модели. Характеристики моделей данной серии приведены в таблице 2.

В модели S1901-3G-HSPA используется модуль ZTE AD3812. Эта модель работает в сетях 3G HSUPA/HSDPA/WCDMA, 850/1900/2100 МГц и в се тях 2G GSM/GPRS/EDGE 850/900/1800/1900 МГц. Модель S1901-HSPA обеспечивает следующие максимальные скорости передачи данных:

• HSUPA: 7,2 Мбит/с (прием) и 5,76 Мбит/с (передача);
• HSDPA: 7,2 Мбит/с (прием) и 384 кбит/с (передача);
• WCDMA: 384 кбит/с (прием) и 384 кбит/с (передача).

Модель S1901-3G-EVDO разработана на базе модуля ZTE MC2716 и предназначена для работы в сетях CDMA2000 1X/EVDO Rev.A. Данная модель поддерживает максимальные скорости приема и передачи данных, соответственно равные 3,1 и 1,8 Мбит/с.

Обе модели S1901-3G предназначены для использования в М2М-приложениях, таких, например, как охранные системы с передачей видеоизображения, беспроводные системы АСКУЭ, системы контроля движения городского транспорта, сложное медицинское диагностическое оборудование и другие области, где скорость передачи имеет решающее значение.

Кроме отличия в стандартах и скоростях передачи, в новой модели есть два порта Ethernet, порты RS-232 и RS-485. В базовой комплектации на разъем DB9 выведен стандартный интерфейс RS-232 (девять сигналов: CD, TXD, RXD, DSR, GND, DTR, CTS, RTS, RI). На разъем Plug-PIN выведены три сигнала интерфейса RS-485: DP(+), DN(–), GND. По умолчанию скорость передачи по RS-485 выбрана 115 200 бод.

В шлюзе имеются два Ethernet-порта: 10/100 BaseT Ethernet, с автоматическим согласованием. По умолчанию IP-адрес Ethernet-1 — 192.168.1.1, Ethernet-2 — 138.0.19.1. Две SIM-карты позволяют работать с двумя независимыми операторами сотовой связи. Выбор соответствующего оператора осуществляется программно через веб-интерфейс. Работа шлюза координируется встроенным микроконтроллером ARM7TDMI, поддерживающим ОС Linux.

При включении питания шлюз автоматически устанавливает соединение с GSM-сетью и выбирает тот режим работы, который поддерживается конкретной БС. При этом шлюз перебирает режимы работы по нисходящей: HSUPA–>HSDPA–>EDGE>–GPRS–>GSM. Если БС поддерживает HSUPA/HSDPA, то шлюз будет передавать данные в этом режиме, если такой поддержки нет, то будет задействован режим EDGE. Если не работает EDGE, то шлюз переключается в режим GPRS.

Фирма-изготовитель позиционирует S1901-3G как универсальное беспроводное устройство для передачи данных (Date Trasmition Unit, DTU), предназначенное, прежде всего, для работы в качестве законченного, полностью автоматизированного HSUPA/HSDPA-Ethernet-шлюза.

Для поддержания режима непрерывной работы шлюз имеет сторожевой таймер, который представляет собой двоичный счетчик тактовых импульсов. При переполнении счетчика происходит аппаратный перезапуск процессорного модуля. Когда GSM/GPRS-модуль находится в сети, процессорный модуль периодически сбрасывает сторожевой таймер, и аппаратный перезапуск не осуществляется. При сбое в работе, потере связи или зависании процессорный модуль перезапускает шлюз. При этом происходит автоматическая регистрация в сети GSM/GPRS/EDGE/HSDPA. В шлюзе поддерживается спящий режим, названный Wake-on-LAN. Можно перевести шлюз в состояние покоя и активировать его телефонным звонком.

Рис. 1. Внешний вид шлюза S1901-3G

С другой стороны, модем можно настроить так, чтобы он автоматически дозванивался на заданный номер и проверял наличие и качество связи. В шлюзе реализована функция автоопределения передачи данных через последовательный порт. Если контроллер шлюза обнаруживает сигнал на последовательном порту, он сразу начинает устанавливать dial-up соединение. Когда передача данных прекращается, модем разрывает соединение. Внешний вид шлюза S1901-3G показан на рис. 1.

Рис. 2. Задняя панель S1901-3G

На передней панели расположены: антенный разъем SMA, разъем для подключения питания, два разъема Ethernet-порта, разъем RS-232, разъем RS-485, кнопка «сброс». На задней панели (рис. 2) расположены два держателя SIM-карты с автовыталкивателем.

Рис. 3. Верхняя панель S1901-3G

На верхней панели расположены индикаторные светодиоды, которые указывают текущую сеть, мощность сигнала, состояние устройства, режим работы (рис. 3).

По желанию заказчика модем S1901-3G может поставляться без корпуса (рис. 4).

Шлюз S1901-3G работает под управлением встроенной ОС Linux. При включении питания запускается загрузчик операционной системы, который тестирует порты и определяет текущий статус шлюза.

Рис. 4. Плата S1901-3G без корпуса:
1 — антенный разъем SMA;
2, 3 — два разъема Ethernet-порта;
4 — разъем RS-232;
5 — разъем RS-485;
6 — разъем для подключения питания;
7 — сброс;
8 — служебный разъем

При работе с S1901-3G можно использовать как статические, так и динамические IP-адреса. Кроме того, шлюз поддерживает DDNS (Dynamic Domain Name Services). Эта функция позволяет преодолеть трудности, связанные с изменением динамического IP-адреса при переадресации в Интернете.

Сервер DDNS связывает статический адрес хоста с удаленным устройством. Поскольку хост с определенным именем связывается в результате с конкретным удаленным устройством, то не имеет значения, как часто изменяется IP-адрес в процессе передачи данных по Интернету. Более подробно этот процесс рассмотрен в [5].

В этом случае выход в Интернет для локальных сетей реализуется через шлюз S1901-3G. Как правило, на центральном диспетчерском пункте (ЦДП) имеется выделенная линия для выхода в Интернет со статическим IP-адресом.

В том случае, когда на ЦДП нужно передавать данные от различных устройств и датчиков, объединенных в Ethernet-сети, каждый из приборов будет иметь свой собственный IP-адрес. Данные с этих адресов передаются на IP-адрес шлюза, полученный у интернет-провайдера. В свою очередь, ЦДП обращается к модему по IP-адресу, назначаемому после соединения с GSM-сетью.

 

Настройка параметров работы шлюза S1901-3G через вебинтерфейс

Для задания параметров и управления работой шлюза предусмотрено два метода. Основной и наиболее широко используемый способ — это использование веб-интерфейса. Шлюз имеет простой и удобный интерфейс, позволяющий настраивать устройство с использованием сервера производителя [5]. Для входа в режим настройки достаточно с помощью любого браузера войти на сайт производителя и ввести пароль и логин, приведенные в документации к шлюзу. Если идентификация прошла успешно, то открывается главное меню настроек. Далее нужно просто следовать подсказкам менеджера установок.

Второй метод получил название CLI (Command Line Interface) — интерфейс командной строки. При использовании этого способа можно воспользоваться опцией Telnet при соединении через порт Ethernet или использовать Hyper Terminal и RS-232.

Следует подчеркнуть, что пользователям, не имеющим опыта программирования, рекомендуется использовать веб-интерфейс. Его главное меню имеет пять основных разделов:

• системные параметры (System parameters);
• сетевые параметры (Network configure);
• безопасность (Security configure);
• управление системой (System manage);
• статус устройства (Device status).

В разделе System parameters выбираются: режимы сервисного центра, параметры Ethernet, RS-232, NAT, установки таймера, дополнительные настройки.

Одной из наиболее важных функций шлюза является программируемый NAT (Network Address Translation). Маршрутизатор NAT дает возможность шлюзу выступать в роли посредника между Интернетом и локальной сетью Ethernet, а также перенаправлять передачу данных на конкретные адреса в локальной сети. Поэтому шлюзу необходим всего один IP-адрес, чтобы представлять в глобальной сети группу приборов или компьютеров, объединенных в локальную Ethernet-сеть.

Например, можно запрограммировать NAT таким образом, чтобы соединение с ЦДП было возможным только для заданных в Ethernet-сети IP-адресов конкретных устройств и по конкретному графику. Далее с сервера ЦДП поступает вызов на шлюз по IP-адресу, назначенному ему через Интернет. Благодаря NAT этот вызов переключается на конкретное устройство по его адресу в сети Ethernet. Это устройство передает результаты измерений на ЦДП. Затем происходит последовательный опрос других устройств из сети Ethernet.

Интерфейс установки таймера позволяет задавать такие временные параметры, как: время ожидания установки PPP, пауза для автоматического соединения после разрыва связи, период посылки сигналов отклика и другие.

В разделе дополнительных настроек задаются: номер телефона основной консоли, параметры PPP-протокола, параметры последовательного порта, параметры порта управления через веб-интерфейс.

Следует обратить внимание на то, что Ethernet-порт шлюза S1901-3G поддерживает переадресацию на дополнительные IP-адреса внутри сети. Это позволяет устанавливать связь с любым сетевым устройством через один внешний IP.

Пример настроек параметров Services center показан на рис. 5.

Рис. 5. Пример настроек параметров сервисного центра

В этом меню выбирается тип сети WCDMA. Можно выбрать следующие режимы: «Auto», «GSM» и «WCDMA». Пользователь может установить APN вручную, если это значение не было получено после автоматического запроса. В этом же меню определяются параметры работы с SIM-картами: приоритет при работе с данными, правила переключения с одной карты на другую, пароль доступа и др.

Параметры режима набора позволяют выбрать один из двух вариантов — «непрерывное подключение» и «триггерный режим». Если выбран непрерывный режим, шлюз сразу после набора номера будет подключен к сети. В случае триггерного режима набор номера будет заблокирован в течение всего времени, пока передаются данные через последовательный порт.

Режим «удаленного побуждения» позволяет перевести шлюз из режима ожидания в активный по звонку с заранее заданного номера. При этом только определенным номерам будет разрешено связаться со шлюзом.

Режим LAN Idle («линия свободна») определяется для случая, когда данные не передаются через порты Ethernet (ETH1 и ETH2) в течение заданного времени. В этом случае шлюз S19013G переходит в спящий режим, в котором будет находиться до тех пор, пока данные не начнут поступать через порты Ethernet.

В меню Network configure задаются параметры NAT, Ifconfig, Static router, Auto Ping, DHCP Server, DynDNS, NTP, PPTP, L2TP.

Важной особенностью шлюза S1901-3G является возможность работы в режиме DHCP-сервера. Этот режим позволяет связать IP-адрес подключенного клиента, полученный от конкретного адресного пула, с IP-адресами шлюза и первичного DNS-сервера. Синхронизация по времени осуществляется с помощью режима привязки к серверу времени NTP.

Из дополнительных специальных настроек можно выделить режимы работы с туннельными протоколами, PPTP (Point-to-Point Tunneling Protocol), L2TP (Layer Two Tunneling Protocol), IPSEC. Режим PPTP-прокси позволяет создавать PPTP-туннель из интранет-сети, находящейся за транслятором адресов.

Протокол L2TP — это сетевой туннельный протокол канального уровня, построенный на базе протоколов L2F (layer 2 Forwarding, Cisco) и PPTP Microsoft. Он позволяет организовывать VPN с заданными приоритетами доступа. Особо следует подчеркнуть, что этот протокол не содержит в себе средств шифрования и механизмов аутентификации (для создания защищенной VPN его используют совместно с IPSec).

В разделе Security configure определяются параметры безопасности соединения. Шлюз S1901-3G оснащен встроенным межсетевым экраном. Параметры защиты задаются с помощью iptable, которая представляет собой штатную утилиту командной строки в Linux. Пользователь может установить параметры iptable таким образом, чтобы заблокировать все не разрешенные заранее соединения.

В меню System manage устанавливаются параметры, регулирующие процесс обновления базового ПО. В этом же меню задаются правила работы с управляющими функциями, такими, например, как «сохранить параметры», «перезагрузить параметры», «перезагрузить систему», «обновить ядро» и др. Также в этом разделе задаются пароль и логин для доступа к работе с устройством.

В разделе Device status выводится информация о текущем состоянии устройства: уровень сигнала, параметры подключения к сети, IP-адреса, DNS и др.

Пример страницы текущего состояния приведен на рис. 6. Подробные инструкции по выбору конкретного параметра приведены в [5].

Рис. 6. Параметры текущего состояния шлюза S1901-3G

В базовый комплект поставки S1901-3G входят:

• шлюз S1901-3G;
• блок питания;
• GSM-антенна на магнитной базе;
• кабель Ethernet;
• кабель RS-232;
• кабель RS-485;
• комплект документации на CD.

В самом простом варианте может поставляться только плата шлюза без корпуса и аксессуаров.

---

Фирма GuangZhou GaoKe Communication Technology Co., LTD (GaoKe), основанная в 1993 г., является одним из ведущих китайских производителей оборудования, предназначенного для телекоммуникационных систем. Линейка выпускаемой продукции содержит шесть основных направлений оборудования, включающих более 150 наименований различных изделий.

В России хорошо известна продукция этой фирмы благодаря GSM-шлюзам для выхода в ГТС серии S1801 («Термит»), а также HSDPA/EDGE/GPRS-Ethernet-шлюзам для М2М-приложений серии S1901.