Технология WiMAX

 

Рисунок 2.5– Структура нисходящего канала.

 

Абонентские станции получают доступ к среде передачи посредством  механизма временного разделения каналов (TDMA – Time division multiple access) (структура восходящего канала представлена на рис. 8). Для этого в восходящем канале субкадре для каждой передающей АС (абонентской станции) базовая станция резервирует специальные временные интервалы – слоты. Информация о распределении слотов между АС записывается в карте восходящего канала UL–MAP, транслируемой в каждом кадре. UL–MAP функционально аналогична DL–MAP – в ней сообщается сколько слотов в субкадре, точка начала и идентификатор соединения для каждого из них, а также типы профилей всех пакетов. Сообщение UL–MAP текущего кадра может относиться как к данному кадру, так и к последующему. Скорость модуляции (частота символов) в восходящем канале должна быть такой же, как и в нисходящем. Отметим, что, в отличие от нисходящих TDM–пакетов, каждый пакет в восходящем канале начинается с преамбулы – синхропоследовательности длиной 16 или 32 QPSK–символа.

В восходящем канале, кроме  назначенных базовой станцией (БС) слотов для определенных АС, предусмотрены  интервалы, в течение которых  АС может передать сообщение для  первичной регистрации в сети или для запроса канала/изменения полосы пропускания канала. Поскольку эти сообщения спонтанны, в данных интервалах возможны коллизии, вызванные одновременной работой передатчиков двух и более АС. Принцип борьбы с коллизиями аналогичен используемому в стандарте 802.11 – после того, как АС решила, что ей нужно зарегистрироваться/запросить канал, она не начинает трансляцию в первом же предназначенном для этого интервале. В АС есть генератор случайных чисел (ГСЧ), выбирающий значения из некоего диапазона от до . Так, если , ГСЧ выбирает числа в диапазоне 0..15, например 11. Далее АС отсчитывает 11 интервалов, предназначенных для регистрации/запроса канала и только в 12–м выходит в эфир. Если передача прошла успешно и БС приняла запрос, она в определенный период ответит специальным сообщением. В противном случае АС считает попытку неудачной и повторяет процедуру, только интервал для ГСЧ удваивается.

 

Рисунок 2.6– Структура восходящего канала.

 

Такая последовательность действий продолжается до тех пор, пока не будет  получен ответ от БС. Максимальный размер диапазона возможных значений ГСЧ ограничен – при его  достижении он вновь принимает минимальное  значение.

Примечательно, что в режиме FDD стандарт IEEE 802.16 допускает применение как дуплексных, так и полудуплексных абонентских станций. Последние не способны одновременно принимать и передавать информацию. Для полудуплексных АС, которые в силу конструктивных особенностей сначала принимают информацию и лишь затем передают свои данные, в нисходящем FDD кадре предусмотрена область с механизмом TDMA – для таких станций информация передается в определенных временных интервалах (рис. 9). Причем нисходящие пакеты, передаваемые в режиме TDMA, обязательно снабжают преамбулой – синхрпоследовательностью длиной 16 QPSK–символов, чтобы полудуплексные абонентские станции могли при необходимости восстановить синхронность. То есть фактически и в FDD–режиме частично используется принцип доступа к среде передачи в режиме разделения времени.

Важная особенность стандарта  IEEE 802.16 – система контроля радиотракта, благодаря которой базовая станция способна контролировать синхронность, несущую частоту и мощность каждой АС и при необходимости изменять/корректировать эти параметры посредством служебных сообщений. Физический уровень стандарта IEEE 802.16 занимается непосредственной доставкой потоков данных между БС и абонентскими станциями. Все же задачи, связанные с формированием структур этих данных, а также управлением работой системы IEEE 802.16, решаются на канальном уровне.

Рисунок 2.7– Нисходящий канал в случае FDD при работе с полудуплексными абонентскими станциями.

 

Канальный уровень стандарта  IEEE 802.16

Оборудование стандарта  IEEE 802.16 призвано формировать транспортную среду для различных приложений (сервисов), поэтому первая задача, решаемая в IEEE 802.16, – это механизм поддержки разнообразных сервисов верхнего уровня. Разработчики стандарта стремились создать единый для всех протокол канального уровня, независимо от особенностей физического канала. Это существенно упрощает связь терминалов конечных пользователей с городской сетью передачи данных – физически среды передачи в разных фрагментах WMAN могут быть различны, но структура данных едина. В одном канале могут работать (не единовременно) сотни различных терминалов еще большего числа конечных пользователей. Этим пользователям необходимы самые разные сервисы (приложения) – потоки голоса и данных с временным разделением, соединения по протоколу IP, пакетная передача речи через IP (VoIP) и т.п. Более того, качество услуг (QoS) каждого отдельного сервиса не должно изменяться при работе через сети IEEE 802.16. Алгоритмы и механизмы доступа канального уровня должны уверенно решать все эти задачи.

Структурно канальный  уровень IEEE 802.16 подразделяется на три подуровня – подуровень преобразования сервиса CS, основной подуровень CPS и подуровень защиты PS. На подуровне защиты реализуются функции, обеспечивающие криптографическую защиту данных и механизмы аутентификации (подробнее этот подуровень будет рассмотрен в дальнейшем).

На подуровне преобразования сервиса происходит трансформация  потоков данных протоколов верхних  уровней для передачи через сети IEEE 802.16. Для каждого типа приложений верхних уровней стандарт предусматривает свой механизм преобразования, но пока описаны и вошли в спецификацию IEEE 802.16 только два – для работы в режиме ATM и для пакетной передачи. Под пакетной передачей подразумевают достаточно широкий набор протоколов, включая IP. Цель работы на CS–подуровне – оптимизация передаваемых потоков данных каждого приложения верхнего уровня с учетом их специфики. Поэтому важнейшая задача, решаемая на данном подуровне, – классификация пакетов/ячеек. От результатов ее зависит и оптимизация передаваемых потоков, и выделение полосы пропускания для каждого из них.

Для оптимизации транслируемых  потоков предусмотрен специальный  механизм удаления повторяющихся фрагментов заголовков PHS. Действительно, и в ATM, и в пакетном режиме данные передаются отдельными порциями – ячейками и пакетами, соответственно. Каждая такая порция данных состоит, в общем случае, из заголовка и поля данных – фиксированных размеров для ATM (5 и 48 байт, соответственно) и достаточно произвольных при пакетной передаче. Во многих случаях заголовки пакетов и ячеек содержат повторяющуюся информацию, излишнюю при трансляции посредством протокола IEEE 802.16. 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.

На основном подуровне  канального уровня формируются пакеты данных (MAC PDU), которые затем передаются на физический уровень и транслируются через канал связи. Пакет MAC PDU (далее PDU) включает заголовок и поле данных (его может и не быть), за которым может следовать контрольная сумма CRC (рис. 10). 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 общем заголовке указывается идентификатор соединения CID, тип и контрольная сумма заголовка, а также приводится информация о поле данных (см. табл. 1).

Заголовок запроса полосы 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 быть не может.  

 

Рисунок 2.8– Пакет канального уровня IEEE 802.16

 

 

 

 

 

 

Таблица 1– Структура заголовка MAC PDU (от старшего к младшим битам)

Поле	Длина, бит
Тип заголовка = 0 (признак  общего заголовка)	1
Признак шифрования поля данных	1
Тип поля данных	6
Не используется	1
Признак наличия CRC	1
Индекс ключа шифрования	2
Не используется	1
Длина пакета, включая заголовок (в байтах)	11
Идентификатор соединения CID	16
Контрольная сумма заголовка (задающий многочлен  )	8

 

 

Поле данных может содержать  подзаголовки канального уровня, управляющие  сообщения и собственно данные приложений верхних уровней, преобразованные  на CS–подуровне. В стандарте описано три типа подзаголовков канального уровня – упаковки, фрагментации и управления предоставлением канала. Подзаголовок упаковки используется, если в поле данных одного PDU содержатся несколько пакетов верхних уровней; подзаголовок фрагментирования – если, напротив, один пакет верхнего уровня разбит на несколько PDU. Подзаголовок управления предоставлением канала предназначен, чтобы АС сообщала БС изменение своих потребностей в полосе пропускания (число байт в восходящем канале для определения соединения, сообщение о переполнении выходной очереди в АС, требование регулярного опроса со стороны БС для выяснения потребной полосы).

Управляющие сообщения –  это основной механизм управления системой IEEE 802.16. Всего зарезервировано 256 типов управляющих сообщений, из них 30 описано в стандарте IEEE 802.16. Описание профилей пакетов, управление доступом, механизмы криптографической защиты, динамическое изменение работы системы и т.д. – все функции управления, запроса и подтверждения реализуются через управляющие сообщения. Рассмотренные выше карты входящего/нисходящего каналов (UL–/DL–MAP) также являются управляющими сообщениями. Формат управляющих сообщений прост – поле типа сообщения (1 байт) и поле данных (параметров).

Ключевой момент в стандарте  IEEE 802.16 – это понятие «сервисного потока» и связанные с ним понятия «соединение» и «идентификатор соединения» (CID). Поскольку система IEEE 802.16 – лишь транспортная среда, ее инфраструктура фактически формирует коммуникационные каналы для потоков данных различных приложений верхних уровней (сервисов) – передача видеоданных, АТМ–потоки, IP–потоки, передача телефонных мультиплексированных пакетов типа E1 и т.д. Каждое из таких приложений обладает своими требованиями к скорости передачи, надежности (качеству обслуживания), криптозащите и т.д. Соответственно, и данные каждого приложения следует передавать через транспортную среду с учетом этой специфики. Сервисным потоком в стандарте IEEE 802.16 называется поток данных, связанный с определенным приложением. В этом контексте соединение – это установление логической связи на канальных уровнях на передающей и приемной стороне для передачи сервисного потока. Каждому соединению присваивается 16–ти разрядный идентификатор CID, с которым однозначно связаны тип и характеристики соединения. В частности, по запросу предоставления/изменения полосы пропускания со стороны АС базовая станция стазу понимает, с каким сервисным потоком имеет дело и какие условия передачи ему нужно обеспечить. Так при начальной инициализации в сети каждой АС назначается три CID для служебных сообщений трех уровней. Принципиально, что одна АС может устанавливать множество различных соединений с различными CID. Характерный пример – когда связь крупного офиса с телекоммуникационным узлом организована через систему IEEE 802.16. В этом случае одна АС в офисе может поддерживать совершенно разные приложения – телефонию, телевидение, доступ в Интернет и в распределенную корпоративную сеть и т.д. Каждое из этих приложений предъявляет свои требования к QoS и скорости передачи, которые нужно удовлетворить. Посредством CID базовая станция узнает, с чем имеет дело, и предоставляет необходимый ресурс.

Не менее важным для  понимания идеологии IEEE 802.16 является принцип предоставления доступа к каналу по запросу (DAMA). Ни одна АС не может ничего передавать, кроме запросов на регистрацию и предоставление канала, пока БС не разрешит ей этого – т.е. отведет временной интервал в восходящем канале и укажет его расположение в карте UL–MAP. Абонентская станция может запрашивать как определенный размер полосы в канале, так и просить об изменении уже предоставленного ей канального ресурса.

Стандарт IEEE 802.16 предусматривает два режима предоставления доступа – для каждого отдельного соединения (GPC) и для всех соединений определенной АС (GPSS). Режим GPSS обязателен для всех устройств в диапазоне 10–66 ГГц. Очевидно, что первый механизм обеспечивает большую гибкость, однако второй существенно сокращает объем служебных сообщений и требует меньшей производительности от аппаратуры.

Запросы могут быть как  спорадическими для БС, так и планированными. В первом случае запросы реализуются  посредством пакетов, состоящих  из заголовка запроса, передаваемых на конкурентной основе в специально выделенном для них интервале  восходящего канала. Процедура плановых запросов полосы в восходящем канале называется опросом – БС как бы опрашивает АС об их потребностях. Реально  это означает, что базовая станция  предоставляет конкретной АС интервал для передачи запроса о предоставлении/изменении  полосы, т.е. никакой конкуренции  уже нет.

Опрос может быть в «реальном  времени» – интервалы для запроса  предоставляются АС с тем же периодом, с каким у нее может возникнуть потребность в изменении условий доступа (например, в каждом кадре). Этот режим удобен для приложений, когда пакеты данных следуют с фиксированным периодом, но их размер не стабилен (например, видео–MPEG). Другой вариант опроса – вне «реального времени». В этом случае БС предоставляет АС интервал для запроса также периодически, но этот период существенно больше – например, 1 с. Характерное приложение, для которого эффективен этот механизм, – FTP–протокол.

Для приложений, у которых  периодичность и размер пакетов  фиксированы (например, в телефонии  шина E1), предусмотрен механизм доступа к каналу без требования (UGS). В этом случае БС с заданным периодом предоставляет АС для передачи данных интервалы фиксированного размера, соответствующие скорости потока данных. Если в ходе работы АС нужно изменить условия доступа, она делает это посредством специального MAC–подзаголовка управления предоставлением канала. В этом подзаголовке есть специальный флаг «опроси меня», установив который, АС просит у БС интервал для запроса новой полосы. Существенно, что в упомянутом подзаголовке есть специальный бит индикации переполнения выходного буфера передатчика АС, что приводит к потере данных. БС может отреагировать на появление этого сигнала, например, увеличив полосу для данной АС.