Технология WiMax

Стандарты группы IEEE 802.16 включали три основных документа - собственно стандарт IEEE 802.16-2001 Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems, описывающий общие принципы сети и сосредотачивающийся на диапазоне 10-66 ГГц, и два дополнения - IEEE 802.16c-2002 (особенности работы в диапазоне 10-66 ГГц) и IEEE 802.16a-2003 - сети в диапазоне 2-11 ГГц. Все три документа - IEEE 802.16-2001, IEEE 802.16a и IEEE 802.16c - фактически представляли собой набор исправлений и дополнений к базовому стандарту IEEE 802.16. Разумеется, работать с тремя документами вместо одного неудобно. Кроме того, сразу же после публикации стандартов стали появляться многочисленные исправления и дополнения.

Труд учитывать поправки и дополнения взяла на себя рабочая группа IEEE 802.16d. Непосредственно к работе по созданию единого документа, с учетом всех поправок она приступила к 11 сентября 2003 года рабочее название draft-версии того периода - IEEE 802.16REVd. Не прошло и года, как 24 июня 2004 года был официально утвержден новый стандарт - IEEE 802.16-2004, заменяющий собой документы IEEE 802.16-2001, IEEE 802.16c-2002 и IEEE 802.16a-2003. Дата его публикации - 1 октября 2004 года.

Структура и особенности стандарта IEEE 802.16-2004

Новый документ - это компиляция уже существующих стандартов, однако с достаточно серьезными изменениями и уточнениями в отдельных главах. Главным образом они затронули главы, входившие ранее в IEEE 802.16a. Стандарт описывает принципы построения сетей регионального масштаба в диапазонах до 66 ГГц - точнее, их физический и канальный уровни. Для этого предусмотрено пять режимов (см табл. 2). Из них только WirelessMAN-SC предназначен для работы в диапазоне 10-66 ГГц. Он ориентирован на магистральные сети («точка-точка», «точка-многоточка»), работающие в режиме прямой видимости (так как затухание столь высокочастотных сигналов при отражении очень велико) с типичными скоростями потока данных 120 Мбит/с и шириной канала порядка 25 МГц. Это фактически описанный в документе IEEE 802.16-2001 радиоинтерфейс широкополосного доступа с модуляцией одной несущей на канал (SC Single Carrier), который рассматривался выше.

Таблица 2

Основные режимы в стандарте IEEE 802.16-2004

Остальные режимы разработаны для диапазонов менее 11 ГГц. Один из них - WirelessMAN-SCa - это «низкочастотная» вариация WirelessMAN-SC (с рядом дополнительных механизмов, в частности допускается 256-позиционная квадратурная модуляция 256-QAM). Другой, WirelessHUMAN, предназначен для работы в безлицензионных диапазонах (США и Европа). Зато два оставшиеся режима - WirelessMAN-OFDM и WirelessMAN-OFDMA - это принципиально новые по отношению к IEEE 802.16-2001 методы, и на них-то мы обратим особое внимение.

Отметим, что все режимы диапазона ниже 11 ГГц отличают три характерных детали - это механизмы автоматического запроса повторной передачи (ARQ Automatic Repeat Request), поддержка работы с адаптивными антенными системами (AAS Adaptive Antenna System) и пространственно-временное кодирование (STC Space Time Coding) при работе с AAS. Кроме того, помимо централизованной архитектуры «точка-многоточка», в диапазоне ниже 11 ГГц предусмотрена поддержка архитектуры Mesh-сети «сетки» - децентрализованной сети взаимодействующих друг с другом систем.. Фактически Mesh-сеть является аналогом ad-hoc-сетей стандарта IEEE 802.11. Примечательно, что если в документе IEEE 802.16a шла речь о диапазоне 2-11 ГГц, то в новом стандарте нижняя граница так четко не оговаривается упоминается «как правило не ниже 1 ГГц»..

Еще одна особенность стандарта - режим WirelessHUMAN High-speed Unlicensed Metropolitan Area Network. Основные отличия этого режима - это использование только временного дуплексирования, режим динамического распределения частот (DFS Dynamic Frequency Selection) и механизм сквозной нумерации частотных каналов. Однако поскольку в России (да и в Беларуси) безлицензионных диапазонов в гигагерцовой области нет, и ничего подобного нам не грозит, подробно останавливаться на данном режиме не будем.

Принципиально, что существенное внимание в стандарте IEEE 802.16-2004 уделено качеству обслуживания (QoS), а также механизмам защиты данных и соединений. Учитывая, что IEEE 802.16 принципиально ориентирован на работу в лицензируемых диапазонах, а также его фактическое общемировое признание (в Европе он принят ETSI под именем HiperMAN) и поддердку ведущих производителей оборудования (объединившихся в WiMAX Forum), можно с большой уверенностью предположить, что в ближайшие годы нас ожидает новая волна «беспроводной революции» Европейский стандарт HiperMAN, равно как и WiMAX Forum, рассматривает лишь один из режимов стандарта IEEE 802.16-2004, а именно OFDM в диапазоне менее 11 ГГц..

Канальный уровень IEEE 802.16-2004

Стандарт IEEE 802.16 регламентирует работу на физическом и канальном уровнях. Для поддержки протоколов верхнего уровня (ATM, IP и т.д.) предусмотрен подуровень «преобразования сервиса», основная задача процедур которого - распознать и классифицировать тип данных для эффективной их передачи через сети IEEE 802.16. Для оптимизации транслируемых потоков предусмотрен специальный механизм удаления повторяющихся фрагментов заголовков PHS пакетов или ATM-ячеек верхних уровней. Механизм PHS позволяет избавиться от передачи избыточной информации: на передающем конце пакеты приложений в соответствии с определенными правилами преобразуются в структуры данных канального уровня IEEE 802.16, на приемном - восстанавливаются.

Весь поток данных в сетях IEEE 802.16 - это поток пакетов. На основном подуровне канального уровня формируются пакеты данных (MAC PDU), которые затем передаются на физический уровень, инкапсулируются в физические пакеты и транслируются через канал связи. Пакет PDU включает заголовок и поле данных (его может и не быть), за которым может следовать контрольная сумма CRC. Заголовок PDU занимает 6 байт и может быть двух типов - общий и заголовок запроса полосы пропускания. Общий заголовок используется в пакетах, у которых присутствует поле данных. В этом заголовке указывается идентификатор соединения (CID), тип и контрольная сумма заголовка, а также приводится информация о наличии в поле данных подзаголовков и сообщений ARQ.

Заголовок запроса полосы (также 6 байт) применяется, когда АС просит у БС выделить или увеличить ей полосу пропускания в нисходящем канале. При этом в заголовке указывается CID и размер требуемой полосы (в байтах, без учета заголовков физических пакетов). Поля данных после заголовков запроса полосы нет.

Поле данных может содержать: подзаголовки MAC, управляющие сообщения и собственно данные приложений верхних уровней, преобразованные на CS-подуровне. МАС-подзаголовки могут быть пяти типов - упаковки, фрагментации, управления предоставлением канала, а также подзаголовки Mesh-сети и подзаголовок канала быстрой обратной связи Fast Feedback.

Управляющие сообщения - это основной механизм управления системой IEEE 802.16. Всего зарезервировано 256 типов управляющих сообщений, из них используются только 48. Формат управляющих сообщений прост - поле типа сообщения (1 байт) и поле данных (параметров) произвольной длины.

Доступ к каналу предоставляется исключительно базовой станцией по предварительному запросу. Начальная инициализация АС и запрос канала происходят на основе механизма конкурентного доступа в специально отведенных для этого временных интервалах. БС назначает АС время и длительность доступа к каналам в зависимости от типов данных и приоритетов. Канальный ресурс конкретной АС может изменяться посредством опроса (поллинга) со стороны БС или специальных управляющих сообщений со стороны АС при очередной передаче данных. Как видим различия в стандартах IEEE 802.16-2002 и IEEE 802.16 на канальных уровнях весьма несущественны.

На физическом уровне стандарт IEEE 802.16 предусматривает три принципиально различных метода передачи данных: метод модуляции одной несущей (SC, а в диапазоне ниже 11 ГГц - SCa), метод модуляции посредством ортогональных несущих OFDM Orthogonal frequency division multiplexing и метод множественного доступа посредством ортогональных несущих OFDMA Orthogonal frequency division multiple access.

Режим OFDM - это метод модуляции потока данных в одном частотном канале (шириной 1-2 МГц и более) с центральной частотой . Деление же на каналы, как и в случае SC - частотное. Напомним, что при модуляции данных посредством ортогональных несущих в частотном канале выделяются поднесущих так, что , где - целое число из диапазона (в данном случае ). Расстояние между ортогональными несущими , где - длительность передачи данных в символе.

Помимо данных OFDM-символ включает защитный интервал длительностью , так что общая длительность OFDM-символа (см. рис. 3.9). Защитный

OFDM-символ

Рис. 3.9

интервал представляет собой копию оконечного фрагмента символа. Его длительность может составлять и от .

Каждая поднесущая модулируется независимо посредством квадратурной амплитудной модуляции. Общий сигнал вычисляется методом быстрого преобразования Фурье (ОБПФ) как

, где - комплексное представление символа квадратурной модуляции (QAM-символа). Комплексное представление удобно, поскольку генерация радиосигнала происходит с помощью квадратурного модулятора в соответствии с выражением , где и - синфазное и квадратурное (целое и мнимое) значения комплексного символа, соответственно.

Для работы алгоритмов БПФ/ОБПФ желательно, чтобы количество точек соответствовало . Поэтому число несущих выбирают равным минимальному числу , превосходящему . В режиме OFDM стандарта IEEE 802.16 , соответственно . Из них 55 образуют защитный интервал на границах частотного диапазона канала. Центральная частота канала () и частоты защитных интервалов не используются (т.е. амплитуды соответствующих им сигналов равны нулю).

Из остальных 200 несущих восемь частот - пилотные (с индексами ), остальные разбиты на 16 подканалов по 12 несущих в каждом, причем в одном подканале частоты расположены не подряд. Например, подканал 1 составляет несущие с индексами -100, -99, -98, -37, -36, 1, 2, 3, 64, 65, 66. Деление на подканалы необходимо, поскольку в режиме WirelessMAN-OFDM предусмотрена (опционально) возможность работы не во всех 16, а в одном, двух, четырех и восьми подканалах -- некий прообраз схемы множественного доступа OFDMA. Для этого каждый подканал и каждая группа подканалов имеют свой индекс (от 0 до 31).

Длительность полезной части OFDM-символа зависит от ширины полосы канала BW и системной тактовой частоты (частоты дискретизации) ; . Соотношение нормируется и в зависимости от ширины полосы канала принимает значение 86/75 (BW кратно 1,5 МГц), 144/125 (BW кратно 1,25 МГц), 316/275 (BW кратно 2,75 МГц), 57/50 (BW кратно 2 МГц) и 8/7 (BW кратно 1,75 МГц и во всех остальных случаях).

Защитный интервал при OFDM-модуляции - мощное средство борьбы с межсимвольными помехами (межсимвольной интерференции, МСИ), возникающими вследствие неизбежных в городских условиях переотражений и многолучевого распространения сигнала. МСИ приводит к тому, что в приемнике на прямо распространяющийся сигнал накладывается переотраженный сигнал, содержащий предыдущий символ. При модуляции OFDM переотраженный сигнал попадает в защитный интервал и вреда не причиняет. Однако этот механизм не предотвращает внутрисимвольную интерференцию - наложение сигналов с одним и тем же символом, пришедших с фазовой задержкой. В результате информация может полностью исказиться или (например, при фазовом сдвиге 1800) просто исчезнуть. Для предотвращения потери информации при пропадании отдельных символов или их фрагментов стандарт IEEE 802.16-2004 предусматривает эффективные средства канального кодирования.

Кодирование данных на физическом уровне включает три стадии - рандомизацию, помехозащитное кодирование и перемеживание. Рандомизация происходит почти так же, как в предыдущем стандарте, то есть на блоки данных накладывается псевдослучайная последовательность, вырабатываемая регистром сдвига с характеристическим многочленом .

В нисходящем потоке генератор ПСП инициализируется начальным заполнением . Начиная со второго пакета кадра генератор ПСП инициализируется на основе идентификационного номера базовой станции BSID, идентификатора профиля пакета DIUC Downlink interval usage code и номера кадра (см. рис. 3.10). В восходящем потоке все происходит аналогично, с той лишь разницей, что инициализация генератора ПСП по схеме, приведенной на

Формирование вектора инициализации ПСП для рандомизации нисходящего потока OFDM

Рис. 3.10

рис. 12, происходит с первого пакета (вместо DIUC используется UIUC uplink interval usage code). Кодирование данных сначала происходит с помощью кода Рида-Соломона над , а потом данные кодируются сверточным кодом. В базовом виде код Рида-Соломона оперирует блоками исходных данных по 239 байт, формируя из них кодированный блок размером 255 байт (добавляя 16 проверочных байт). Такой код способен восстановить до 8 поврежденных байт. Поскольку реально используются блоки данных меньшей длины , перед ними добавляются () нулевых байт. После кодирования эти байты удаляются. Если необходимо сократить число проверочных символов, так чтобы уменьшить число восстанавливаемых байт , используются только первые проверочных байтов. Обязательные для поддержки в IEEE 802.16-2004 варианты кодирования приведены в таблице 3.

Таблица 3

Основные режимы в стандарте IEEE 802.16-2004

После кодера Рида-Соломона данные поступают в сверточный кодер (рис. 3.11) с порождающими последовательностями (генераторами кода) (для выхода X) и (для Y) - так называемый стандартный код NASA. Его базовая скорость кодирования - 1/2, т.е. из каждого входного бита он формирует пару кодированных бит X и Y. Упуская из последовательности пар элементы или , можно получать различные скорости кодирования. Так, скорости 2/3 соответствует последовательность , скорости 3/4 - , 5/6 - .

Кодер Рида-Соломона не используется с двухпозиционной модуляцией BPSK (например, при начальной инициализации АС или запросе полосы). Он также

Схема сверточного кодера

Рис. 3.11

пропускается, когда используется часть субканалов OFDM. В этом случае скорость сверточного кодирования принимается равной общей скорости кодирования (соответственно, размер исходного блока данных умножается на число используемых субканалов, деленное на 16).

Помимо кодирования следует процедура перемежения - перемешивания битов в пределах блока кодирования данных, соответствующего OFDM-символу. Эта операция проводится в две стадии. Цель первой - сделать так, чтобы смежные биты оказались разнесенными в разные половины последовательности. Все это делается для того, чтобы при групповых ошибках в символе повреждались несмежные биты, которые легко восстановить при декодировании. Перемежение реализуется в соответствии с фомулами

где и - номер исходного -го бита после первой и второй стадии перемежения, соответственно; - число кодированных бит в ODFM-символе (при заданном числе субканалов), - 1/2 числа бит на несущую (1/2/4/6 бит для BPSK/QPSK/16-QAM/64-QAM, соответственно, для BPSK ). Функция - это наибольшее целое число, не превосходящее .

После перемежения начинается стадия модуляции. Исходя из выбранной схемы модуляции (BPSK / QPSK / 16-QAM / 64-QAM), блок представляется в виде последовательности групп бит, соответствующих модуляционным символам (по 1 / 2 / 4 / 6 бит). Каждой группе ставится в соответствие значения и из векторных диаграмм Грея (рис. 3.12), которые затем используются при непосредственной модуляции несущей.

Векторные диаграммы Грея (представление модуляционных символов) для BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM.

Рис. 3.12.

Для усреднения амплитуд квадратурных символов используются нормализованные значения и , т.е. умноженные на коэффициенты (для QPSK , для 16-QAM , для 64-QAM ).

Пилотные несущие модулируются посредством BPSK. Значения сигналов на этих несущих определяются на основании двоичной ЛРП с характеристическим многочленом , причем в нисходящем субкадре - номер символа относительно начала кадра, в восходящем - номер символа относительно начала пакета (см. рис. 3.13). Начальные состояния регистра сдвига, реализующего ЛРП, для нисходящего и восходящего потоков различны ( и , соответственно). Собственно значения BPSK-символов вычисляются как ; в нисходящем канале и ; - в восходящем.

После определения модуляционных символов посредством ОБПФ вычисляется сам радиосигнал и передается в передатчик. При приеме все процедуры производят в обратном порядке.

В режиме ODFM на физическом уровне для сетей с архитектурой «точка-многоточка» кадровая структура передачи принципиально мало чем отличается от режима SC. Так же как и в высокочастотной области, информационный обмен происходит посредством последовательности кадров (фреймов). Каждый фрейм (рис. 3.14) делится на два субкадра - нисходящий (DL - от БС к АС) и восходящий (UL - от АС

Генерация модулирующей последовательности для пилотных несущих

Рис. 3.13

к БС). Разделение на восходящий и нисходящий каналы - как временное (TDD), так и частотное (FDD). В последнем случае DL и UL транслируются одновременно, в разных частотных диапазонах.

Нисходящий субкадр включает преамбулу, управляющий заголовок кадра (FCH Frame control header) и последовательность пакетов данных. Преамбула в нисходящем канале - посылка из двух OFDM-символов (длинная преамбула), предназначенная для синхронизации.

Структура OFDM-кадров при временном дуплексировании

Рис. 3.14

Первый OFDM-символ использует несущие с индексами, кратными 4, второй - только честные несущие (модуляция QPSK).

За преамбулой следует управляющий заголовок кадра - один OFDM-символ с модуляцией BPSK и стандартной схемой кодирования (скорость кодирования - 1/2). Он содержит так называемый префикс кадра нисходящего канала (DLFP Downlink Frame Prefix), который описывает профиль и дину первого (или нескольких начальных) пакета в DL-субкадре.

В первый пакет входят широковещательные сообщения (предназначенные всем АС) - карты расположения пакетов DL-MAP, UL-MAP, дескрипторы нисходящего/восходящего каналов DCU/UCD, другая служебная информация. Каждый пакет обладает своим профилем (схема кодирования, модуляция и т.д.) и передается посредством целого числа OFDM-символов. Точки начала и профили всех пакетов, помимо первого, содержатся в DL-MAP.

Нисходящий субкадр содержит интервал конкурентного доступа, включающий периоды для начальной инициализации АС (вхождение в сеть) и для запроса полосы передачи. Далее следуют временные интервалы, назначенные БС определенным АС для передачи. Распределение этих интервалов (точки начала) содержится в сообщении UL-MAP. АС в своем временном интервале начинает трансляцию с передачи короткой преамбулы (один OFDM-символ, использует только четные несущие). За ним следует собственно информационный пакет, сформированный на канальном уровне.

Длительность OFDM-кадров может составлять 2,5; 4; 5; 8; 10; 12,5; и 20 мс. Заданный базовой станцией, период построения кадров не может изменяться, поскольку в этом случае потребуется ресинхронизация всех АС.

Запрос на установление соединения не отличается от принятого в стандарте IEEE 802.16, за исключением дополнительного режима «концентрированного» запроса Region-Focuced. Он предназначен только для станций, способных работать с отдельными субканалами. В этом режиме в интервалах конкурентного доступа (заданных в UL-MAP) АС может передать короткий 4-разрядный код на одном из 48 субканалов, каждый из которых включает четыре несущих. Всего предусмотрено восемь кодов. Таблица кодов и подканалов приведена в тексте стандарта IEEE 802.16. Код и номера канала АС выбирает случайным образом.

Получив кодовое сообщение, БС предоставляет АС интервал для передачи «обычного» запроса на предоставление доступа (заголовки запроса канального уровня) - если это возможно. Однако в отличие от других механизмов, БС в UL-MAP не указывает идентификатор запросившей ее станции, а приводит номера кода запроса, подканала, а также порядковый номер интервала доступа, в течение которого был передан запрос. По этим параметрам АС и определяет, что интервал для запроса полосы передачи предназначен ей. Выбор момента для передачи 4-разрядного кода запроса доступа происходит случайным образом, по описанному выше алгоритму обращения к каналу конкурентного доступа.

Отметим, что в режиме OFDM канальный ресурс может предоставляться не только во временной области, но в отдельных подканалах (группах подканалов), если БС и абонентские станции поддерживают такую возможность. Одно из наиболее важных применений такой опции - Mesh-сеть.

Формально Mesh-сеть - это вид топологии сети IEEE 802.16 в режиме OFDM, и ее физический уровень - это OFDM. Поэтому различия Mesh-сети с уже рассмотренными режимами проявляются не только, да и не столько на физическом уровне. Основное отличие Mesh-сети от рассматриваемой до сих пор архитектуры «точка-многоточка» - в том, что если в последнем случае АС может общаться только с БС, то в Mesh-сети возможно взаимодействие непосредственно между АС. Поскольку сети стандарта IEEE 802.16 ориентированы на работу с широкими частотными каналами, Mesh-сети вошли в стандарт вовсе не с целью создания одноранговых локальных сетей - для этого есть стандарты группы IEEE 802.11. Причина в ином - необходим инструмент построения широкополосной сети, в которой трафик может передаваться по цепочке из нескольких станций, ликвидируя тем самым проблемы передачи при отсутствии прямой видимости. Соответственно и все механизмы управления, в принципе позволяющие построить децентрализованную распределенную сеть, ориентированы все же на древовидную архитектуру, с выделенной базовой станцией (корневой узел) и доминирующими потоками БС-АС.

В Mesh-сети все станции (узлы) формально равноправны. Однако практически всегда обмен трафика Mesh-сети с внешним окружением происходит через один определенный узел (см. рис. 3.15). Такой узел называют базовой станцией Mesh-сети, именно на него возлагается часть необходимых для управления Mesh-сетью функций. При этом управление доступом может происходить либо на основе механизма распределенного управления, либо централизованным способом, под управлением БС. Возможна и комбинация этих методов.

Базовое понятие в Mesh-сети - соседи. Под соседями определенного узла понимают все узлы, которые могут устанавливать с ним непосредственное соединение. Все они образуют соседское окружение. Узлы, связанные с заданным узлом через соседские узлы, называют соседями второго порядка. Могут быть соседи третьего порядка и т.д.

В Mesh-сети нет понятия восходящих/нисходящих каналов. Весь обмен происходит посредством кадров. Станции передают сообщения либо в отведенные им временные интервалы (в соответствии с предшествующим значением каналов), либо получают доступ к каналам произвольным (случайным) образом. Каждый узел имеет уникальный 48-разрядный MAC-адрес. Кроме того, для идентификации внутри Mesh-сети станциям присваивается 16-разрядный сетевой идентификатор. Каждый узел постоянно хранит список данных обо всех своих соседях (с указанием удаленности, сектора для направленной антенны, примерной необходимой мощности передатчика для связи, задержки распространения сигнала и т.п.) и транслирует его в сеть с заданной периодичностью. На основании этих списков от каждого из узлов происходит управление сетью.

Кадр Mesh-сети делится на управляющий субкадр и субкадр данных (рис. 3.16). Длина управляющего субкадра - переменная величина, задаваемая БС. Управляющий

Пример Mesh-сети Структура кадра Mesh-сети

Рис. 3.15 Рис. 3.16

субкадр представляет собой набор пакетов МАС-уровня с тем отличием, что сразу после общего заголовка МАС-пакета следует подзаголовок Mesh-сети. Управляющий субкадр, в зависимости от реализуемых функций, может быть двух типов - управления сетью network control и управления очередностью доступа к каналам связи schedule control. В субкадрах всегда используется модуляция QPSK со скоростью кодирования 1/2.

Субкадры управления включают интервалы для подключения к сети новых устройств network entry - «сетевой вход» и следующие за ними сообщения «конфигурация сети». Сообщения типа «конфигурация сети» содержат всю необходимую информацию о составе сети. Они же реализуют процедуры управления. Эти сообщения генерирует каждый узел и транслирует по сети через свое соседское окружение. Среди передаваемой информации - списки соседей каждого узла, идентификационный номер БС и число ее соседей, номер логического канала для передачи графика доступа к каналам, удаленность узла (ранг соседства) от БС и т.д. Посредством таких сообщений с заданной периодичностью транслируется дескриптор сети - таблица, полностью описывающая текущие параметры сети. Среди них - длительность кадров, длина управляющего субкадра, число интервалов для сообщений децентрализованного распределения ресурсов, периодичность следования субпакетов распределения ресурсов, профили пакетов, тип кодирования, соответствие логических каналов физическим и т.п. Дескриптор сети передается от БС ее соседскому окружению, от него узлам со следующим рангом соседства и т.д. Периодичность передачи дескриптора сети нормирована.

«Сетевой вход» -- это интервал, в течение которого новый узел может послать сообщение (NENT) о своем намерении подключиться к сети аналог интервала конкурентного доступа в сети «точка-многоточка». Перед этим он должен принять сообщение о конфигурации сети, выбрать узел для подключения, синхронизироваться с ним и лишь затем отправлять запрос. В ответ узел либо откажет в доступе, либо назначит новому узлу сетевой идентификатор, канал и временной интервал для проведения процедур аутентификации.

Распределение канальных ресурсов в Mesh-сети может быть централизованным и децентрализованным (распределенным). В свою очередь децентрализованное распределение бывает координированным с БС и не координированным.

Децентрализованное распределение ресурсов подразумевает, что распределение происходит в пределах одной группы соседей (т.е. между станциями, способными непосредственно связываться друг с другом). При координированном децентрализованном распределении узлы обмениваются между собой специальными сообщениями управления распределением (DSCH distributed scheduling). Координированность заключается в том, что период выдачи таких сообщений каждой станцией определен и известен ее соседям. Координированные DSCH-сообщения передаются в субкадрах управления очередностью доступа в оговоренных в сетевом дескрипторе интервалах. Некоординированные DSCH-сообщения передаются в субкадре данных.

DSCH-сообщения - это запросы на получение канального ресурса и ответные сообщения с предоставлением (подтверждением) свободного ресурса (временного интервала в субкадре данных). Ресурс предоставляется соседом под конкретное соединение.

Централизованное распределение ресурсов подразумевает древовидную топологию сети с БС в вершине. Оно реализовано посредством двух типов сообщений - централизованного конфигурирования CSCF и централизованного планирования CSCH. Эти управляющие сообщения размещаются в начале субкадра управления графиком доступа. Используя сообщения централизованного планирования CSCH, каждый узел определяет потребность в трафике своих дочерних узлов (т.е. трафик от (к) БС проходит через данный узел) и сообщает свою потребность вышестоящему узлу - вплоть до БС. Проанализировав потребность, БС рассылает сообщение CSCH, информируя каждый узел о выделенной ему полосе пропускания (в бит/с) в восходящем и нисходящем направлениях. Исходя из этих данных, каждый узел уже сам запрашивает (или назначает) расположение пакетов в субкадре данных у (для) своих соседских узлов посредством сообщений децентрализованного планирования DSCH.

Сообщения централизованного конфигурирования CSCF формируются БС и транслируются по сети для информирования всех ее узлов о текущем состоянии. CSCF включает такую информацию, как число доступных логических каналов и их перечень, перечень узлов в сети с указанием числа дочерних узлов для каждого из них, а также профили восходящих/нисходящих пакетов для каждого дочернего узла.

Стандарт IEEE 802.16e был утвержден в конце 2005 года и, по сути, является набором исправлений существующего стандарта 802.16-2004 с дополнением «Физический и канальный уровни для совместной мобильной и фиксированной работы в лицензируемых диапазонах». Именно эти дополнения (из-за которых стандарт IEEE 802.16e называют «мобильный WiMAX») и открывают путь стандарту 802.16 в мир мобильных приложений. В результате этого он становится конкурентом технологий сотовой связи третьего и последующих поколений, равно как и других перспективных технологий беспроводного доступа.

Понятие «мобильность» относят к двум категориям абонентов - к так называемым номадическим («кочующим») и к собственно подвижным. Номадические абоненты могут перемещаться в пределах действия сети, но в момент сеансов связи они локализованы (находятся в зоне одного и того же сегмента базовой станции) - например, пользователи ноутбуков, которые могут включить их дома, в офисе, на скамейке в парке и т.п. Подвижные абоненты должны иметь доступ к сети непосредственно в процессе движения (тот же пользователь с ноутбуком в движущемся автомобиле). Если для номадических абонентов важна быстрая регистрация в любой точке сети (в идеале - сети любого провайдера), то обеспечить подлинную подвижность гораздо сложнее. Прежде всего, необходимы процедуры передачи абонента от одной БС к другой (или между различными сегментами одной БС) так, чтобы сам абонент этого не ощущал. Это - функции так называемой эстафетной передачи (хэндовер).

Кроме того, мобильность абонентов диктует совершенно иные требования к управлению ресурсами сети и к возможности их оперативного перераспределения. Ужесточаются и требования к вторичному использованию частотного ресурса сети. Именно поэтому в новой редакции стандарта значительное внимание уделено возможности пропорционального уменьшения частотной полосы канала, а также технологиям многоканальных антенных систем (MIMO). Для мобильных устройств очень важно снизить энергопотребление, чему способствуют специальные режимы и процедуры нового стандарта.

Помимо собственно мобильности, особое внимание IEEE 802.16e уделяет проблемам качества предоставляемых услуг (QoS). Ведь IEEE 802.16 рассматривается как стандарт предоставления услуг операторского класса, в том числе - и для мобильных абонентов. Поэтому вопрос QoS для этой технологии играет первостепенную роль.

Кроме того, мобильность автоматически подразумевает усложнение сетевой архитектуры. Если при фиксированном доступе АС общается с единственной назначенной ей БС, то мобильная станция (МС) должна знать свое окружение, общаться одновременно с несколькими БС, переключаться с одной на другую и т.п. Эти требования обусловили появление в стандарте IEEE 802.16e понятий «сервисной БС» и «соседней БС». Сервисная БС для определенной МС - это базовая станция, на которой МС последний раз выполнила процедуру регистрации, при начальном вхождении в сеть и при хэндовере. С сервисной БС абонентская станция работает в обычном режиме. Соседняя БС - это базовая станция, отличная от сервисной, трансляцию с которой (нисходящий поток) способна принять МС.

На канальном уровне нововведения и изменения связаны с QoS. Понятие «соединение» логическая связь на канальном уровне между передающей и приемной станцией для передачи сервисного потока. заменено на «транспортное соединение». Сервисный поток поток данных, связанный с определенным приложением. Характеризуется набором требований к каналу связи. (со всеми его свойствами) определяется не для всей сети, а только для обмена между конкретной парой БС-АС. Особо отмечено, что каждому сервисному потоку с идентификатором SFID ставится в соответствие единственное транспортное соединение с уникальным идентификатором CID.

Поскольку мобильность предполагает миграцию абонента между различными сетями, вводится понятие «глобальный сервисный класс». От существовавшего понятия сервисного класса устойчивый набор параметров канала связи. его отличает то, что имя глобального сервисного остается единым и постоянным для всех БС, и никакая отдельная БС не может его изменить. Таким образом, глобальный сервисный класс - это инструмент управления QoS в рамках глобальной сети и/или объединения нескольких сетей. Имя глобального сервисного класса представляет собой набор из восьми параметров (плюс один резервный) длиной 32 бита (см. таблицу 4).

Помимо сервисных классов новый стандарт вводит понятие типов служб доставки данных. В отличие от сервисных классов, тип службы доставки не подразумевает присвоения параметрам соединения каких-либо значений, а лишь обозначает список нормируемых для каждой службы параметров. Названия служб ассоциируются с типом планирования запросов на предоставление ресурсов, более того, у восходящих соединений их названия совпадают. Всего предусмотрено пять типов служб доставки:

- доставка без требования (UGS Unsolicited Grant Service);

- доставка в реальном времени с переменной скоростью (RT-VR);

-доставка вне реального времени с переменной скоростью и расширенными возможностями (ERT-VR);

- доставка вне реального времени с переменной скоростью (NRT-VR);

- доставка по мере возможности (BE Best Efforts).

Служба доставки без требования UGS предполагает, что оговоренные ресурсы предоставляются на периодической основе. Она предназначена для приложений реального времени, транслирующих данные с известной фиксированной скоростью. Причем размеры МАС-пакетов могут быть различными. Для UGS нормируются такие параметры, как толерантность к джиттеру, размер блоков данных (если они

Таблица 4

Формат имени глобального сервисного класса

фиксированы), минимальная гарантированная скорость передачи, максимальная задержка и интервал между сеансами передачи.

Служба RT-VR рассчитана на приложения реального времени, которые требуют передачи данных с гарантированными скоростью и временем задержки. Эта служба предоставляется по запросу, для чего вводится параметр - период запросов. БС регулярно (в соответствии с периодом запросов) выделяет в восходящем канале специальный интервал для запроса дополнительного канального ресурса от конкретной МС. То есть приложению гарантируется не сам требуемый ресурс, а возможность его запросить.

Служба NRT-VR, как и следует из ее названия, необходима для передачи данных с заданной скоростью, но с произвольной задержкой. Для этой службы нормируется минимальная гарантированная скорость передачи данных. Вероятность предоставления запрошенного ресурса зависит от приоритета трафика - от 0 (низший) до 7 (высший). Причем, в отличие от службы реального времени, запрос производится на конкурентной основе.

Служба BE подразумевает остаточный принцип предоставления ресурса. В ней определяется только приоритет трафика.

Служба реального времени с расширенными возможностями ERT-VR - это комбинация служб UGS и RT-VR. Типичные ее задачи - высокоприоритетные приложения, требующие гарантированных значений скорости передачи и времени задержки, но характеризующиеся переменной скоростью - например, IP-телефония. Служба ERT-VR, как и UGS, предоставляется без запроса (по расписанию, через заданный интервал), но использует параметр «приоритет трафика».[3].

- Fixed WiMAX - фиксированный доступ;

- Nomadic WiMAX - сеансовый доступ;

- Portable WiMAX - доступ в режиме перемещения;

- Mobile WiMAX - мобильный доступ.

Fixed WiMAX. Фиксированный доступ представляет собой альтернативу широкополосным проводным технологиям. Стандарт использует диапазон частот 10-66 ГГц. Этот частотный диапазон из-за сильного затухания коротких волн требует прямой видимости между передатчиком и приёмником сигнала. С другой стороны, данный частотный диапазон позволяет избежать одной из главных проблем радиосвязи - многолучевого распространения сигнала. При этом ширина каналов связи в этом частотном диапазоне довольно велика (типичное значение - 25 или 28 МГц), что позволяет достигать скоростей передачи до 120 Мбит/с.

Fixed WiMAX

Рис. 4.1

Nomadic WiMAX. Сеансовый (кочующий) доступ добавил понятие сессий к уже существующему Fixed WiMAX. Наличие сессий позволяет свободно перемещать клиентское оборудование между сессиями и восстанавливать соединение уже с помощью других вышек WiMAX, нежели тех, что были использованы во время предыдущей сессии. Такой режим разработан в основном для портативных устройств, таких, как ноутбуки, КПК. Введение сессий позволяет также уменьшить расход энергии клиентского устройства, что тоже немаловажно для портативных устройств.

Portable WiMAX. Для режима Portable WiMAX добавлена возможность автоматического переключения клиента от одной базовой станции WiMAX к другой без потери соединения. Однако для данного режима всё ещё ограничена скорость передвижения клиентского оборудования - 40 км/ч. Впрочем, уже в таком виде можно использовать клиентские устройства в дороге (в автомобиле при движении по жилым районам города, где скорость ограничена, на велосипеде, двигаясь пешком, т.д.). Введение данного режима сделало целесообразным использование технологии WiMAX для смартфонов и КПК.

Mobile WiMAX был разработан в стандарте 802.16e-2005 и позволил увеличить скорость перемещения клиентского оборудования до более 120 км/ч.

Mobile WiMAX

Рис. 4.2

Основными достижениями мобильного режима можно считать нижеприведённые факторы:

1. Устойчивость к многолучевому распространению сигнала и собственным помехам;

2. Масштабируемая пропускная способность канала;

3. Технология Time Division Duplex (TDD), которая позволяет эффективно обрабатывать ассиметричный трафик и упрощает управление сложными системами антенн за счёт эстафетной передачи сессии между каналами;

4. Технология Hybrid-Automatic Repeat Request (H-ARQ), которая позволяет сохранять устойчивое соединение при резкой смене направления движения клиентского оборудования;

5. Распределение выделяемых частот и использование субканалов при высокой загрузке позволяет оптимизировать передачу данных с учётом силы сигнала клиентского оборудования;

6. Управление энергосбережением позволяет оптимизировать затраты энергии на поддержание связи портативных устройств в режиме ожидания или простоя;

7. Технология Network-Optimized Hard Handoff (HHO), которая позволяет до 50 миллисекунд и менее сократить время на переключение клиента между каналами;

8. Технология Multicast and Broadcast Service (MBS), которая объединяет функции DVB-H, MediaFLO и 3GPP E-UTRA для:

o достижения высокой скорости передачи данных с использованием одночастотной сети;

o гибкого распределения радиочастот;

o низкого потребления энергии портативными устройствами:

o быстрого переключения между каналами.

9. Технология Smart Antenna, поддерживающая субканалы и эстафетную передачу сессии между каналами, что позволяет использовать сложные системы антенн, включая формирование диаграммы направленности, простанственно-временное маркирование, пространственное мультиплексирование (уплотнение);

10. Технология Fractional Frequency Reuse, которая позволяет контролировать наложение/пересечение каналов для повторного задействования частот с минимальными потерями;

11. Размер фрейма в 5 миллисекунд создает оптимальный компромисс между надёжностью передачи данных за счёт использования малых пакетов и накладными расходами за счёт увеличения числа пакетов (и как следствие, заголовков). [4].

Защищенная связь (Security Association, SA) -- одностороннее соединение для обеспечения защищенной передачи данных между устройствами сети. SA бывают двух типов:

· Data Security Association, защищенная связь для данных;

· Authorization Security Association, защищенная связь для авторизации.

Защищенная связь для данных бывает трех типов:

· Первичная(основная) (Primary SA);

· Статическая (Static SA);

· Динамическая (Dynamic SA).

Первичная защищенная связь устанавливаются абонентской станцией на время процесса инициализации. Базовая станция затем предоставляет статическую защищенную связь. Что касается динамических защищенных связей, то они устанавливаются и ликвидируются по мере необходимости для сервисных потоков. Как статическая, так и динамическая защищенные связи могут быть одной для нескольких абонентских станций.

Защищенная связь для данных определяется:

· 16-битным идентификатором связи;

· Методом шифрования, применяемым для защиты данных в соединении;

· Двумя Traffic Encryption Key (TEK, ключ шифрования трафика), текущий и тот, который будет использоваться, когда у текущего TEK закончится срок жизни;

· Двумя двухбитными идентификаторами, по одному на каждый TEK;

· Временем жизни TEK. Может иметь значение от 30 минут до 7 дней. Значение по умолчанию 12 часов;

· Двумя 64-битными векторами инициализации, по одному на TEK (требуется для алгоритма шифрования DES);

· Индикатором типа связи (первичная, статическая или динамическая).

Абонентские станции обычно имеют одну защищенную связь для данных для вторичного частотного канала управления (secondary management channel); и либо одну защищенную связь

для данных для соединения в обе стороны (uplink и downlink), либо одну защищенную связь для данных для соединения от базовой станции до абонентской и одну -- для обратного.

Страницы: 1, 2