Комп’ютерні мережі архітектури WiMAX
СОДЕРЖАНИЕ: Проект комп’ютерної мережі масштабу чотирьохповерхового будинку, побудованої на базі технології Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX), розгляд загальних характеристик, переваг та обмеження. WiMAX як технології безпровідного звязку.КУРСОВА РОБОТА
з дисципліни
«Комп’ютерні мережі»
на тему:
«Комп’ютерні мережі архітектури WiMAX»
Львів 2011
Анотація
В даній курсовій роботі розроблено проект комп’ютерної мережі масштабу чотирьохповерхового будинку, побудованої на базі технології Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX), розглянуто її характеристики, переваги та обмеження. WiMAX – являється технологією безпровідного звязку, що забезпечує широкосмуговий звязок на значні відстані зі швидкістю, порівняною з кабельними зєднаннями.
Завдання на проектування
комп’ютерний мережа будинок безпровідний
Розробити комп’ютерну мережу масштабу будинку, виходячи з таких умов:
· Базова технологія: WiMAX
· Кількість поверхів будинку: 4
· Кількість комп’ютерів на поверсі: 20
· Обладнання: Базова станція BreezeMAX, swicht, точка доступу.
Вступ
Сучасний світ не може без інформації. Інформаційні магістралі сьогодні не поступаються по важливості транспортним, вони всюди – і на суші, і на дні океану, і в космосі. На сьогоднішній момент визначено три основних вимоги до мережевих зєднань: висока пропускна здатність, надійність, мобільність. Зєднати всі три основних критерії може тільки покоління бездротових технологій WіMAX (Worldwіde Іnteroperabіlіty for Mіcrowave Access), стандарт ІEEE 802.16.
WiMAX – це система далекої дії, що покриває кілометри простору, яка зазвичай використовує ліцензовані спектри частот (хоча можливо і використання не ліцензованих частот) для надання зєднання із інтернетом типу точка-точка провайдером кінцевому користувачеві. Різні стандарти сімейства 802.16 забезпечують різні види доступу, від мобільного (схожий з передачею даних із мобільних телефонів) до фіксованого (альтернатива провідникового доступу, при якому бездротове обладнання користувача привязане до розташування).
У загальному вигляді WiMAX мережі складаються з наступних основних частин – базових і абонентських станцій, а також обладнання, що звязує базові станції між собою, з постачальником Інтернету.
Для зєднання базової станції з абонентською використовується високочастотний діапазон радіохвиль від 1,5 до 11 ГГц. В ідеальних умовах швидкість обміну даними може досягати 70 Мбіт / с, при цьому не вимагається забезпечення прямої видимості між базовою станцією і приймачем.
WiMAX застосовується як для вирішення проблеми надання доступу в Інтернет офісним та районним мережам.
Між базовими станціями встановлюються зєднання (прямої видимості), що використовують діапазон частот від 10 до 66 ГГц, швидкість обміну даними може досягати 120 Мбіт/c. При цьому, принаймні одна базова станція підключається до мережі провайдера з використанням класичних дротових з’єднань. Однак, чим більше число БС підключено до мереж провайдера, тим вища швидкість передачі даних і надійність мережі в цілому.
Структура мереж сімейства стандартів IEEE 802.16 схожа із традиційними GSM мережами (базові станції діють на відстанях до десятків кілометрів, для їх встановлення не обовязково будувати вежі – допускається установка на дахах будинків при дотриманні умови прямої видимості між станціями).
1. Історія розвитку WiMAX
Перша версія стандарту ІEEE 802.16–2001 була прийнята в грудні 2001 року, у стандарті споконвічно була відведена робоча смуга 10–66 Ггц. Стандарт ІEEE 802.16 описував архітектуру широкосмугового бездротового звязку, організованої по топології «точка – багато точок» й орієнтувався на створення стаціонарних бездротових мереж масштабу міста (WіrelessMAN). Тому що, в стандарті ІEEE 802.16–2001 на фізичному рівні передбачалося використання всього однієї частоти, названий він був – WіrelessMAN-SC (Sіngle Carrіer). Для частот у діапазоні 10–66 ГГЦ характерно швидке загасання сигналу й робота можлива тільки в зоні прямої видимості між передавачем і приймачем. Проте вирішується одна з головних проблем радіозвязку – багатопроменеве поширення сигналу. У Стандарті було рекомендовано використати модуляцію типу QPSK, 16-QAM або 64-QAM. У радіоканалах шириною 20, 25 й 28 МГЦ швидкість передачі даних досягала 32–134 Мбіт, і дальність передачі становила 2.5 км. Пізніше, в 2002 році в стандарті 802.16–2001 минулого виявлені погрішності, і зявився додаток 802.16з-2002, що розширювало профілі й коректувало їх. Через труднощі побудови бездротової мережі в зоні прямої видимості пристрою стандарту 802.16 так і не одержали широкого поширення й уже в січні 2003 року випустили розширення 802.16а-2003, що описувало використання частотного діапазону від 2 до 11 Ггц. У цьому стандарті передбачалося створення фіксованих бездротових мереж масштабу мегаполіса й планувалося, що надалі він стане альтернативою наземним рішенням широкополосного доступу для організації «останньої милі» замість xDSL, кабельних модемів і каналів T1/E1. Крім того, передбачалося, що для формування глобальної мережі бездротового доступу в Інтернет до базової мережі стандарту 802.16а зможуть підключатися точки доступу стандарту 802.11a/b/g.
Основна відмінність стандарту 802.16а – це робота в частотному діапазоні 2–11 ГГЦ, для якого не потрібне наявність прямої видимості між приймачем і передавачем. У виді цього зона покриття бездротових мереж 802–16a значно ширше, ніж у мереж стандарту 802.16. Використання частотного діапазону 2–11 ГГЦ зажадало й істотного перегляду техніки кодування й модуляції сигналу на фізичному рівні. Устаткування 802.16а повинне було працювати з модуляцією QPSK, 16QAM, 64QAM й 256QAM, підтримувати швидкість передачі інформації 1–75 Мбіт/з на сектор однієї базової станції на відстані від 6 до 9 км у радіоканалах зі змінюваною смугою пропускання від 1.5 до 20 Мгц. Типова базова станції мала від 4 до 6 секторів.
У стандарті 802.16a зберегли режим роботи на одній несучої, котрий дозволяв працювати як в умовах прямої видимості (LOS), так і поза її (NLOS). Але основним тут стала можливість роботи із сигналом на основі технології OFDM (Orthogonal Frequency Dіvіsіon Multіplexіng) – ортогонального частотного мультиплексування з 256-ю що піднесуть і режим OFDMА (Orthogonal Frequency Dіvіsіon Multіple Access) – технологія багато станційного доступу з ортогональним частотним поділом каналів з 2048 у режимі, що дозволяють підключення відразу з декількома абонентами OFDM. Таким чином, при стандартній кількості піднесуть в 256 забезпечувалася одночасна робота 8 абонентів. У липні 2004 року був прийнятий стандарт ІEEE 802.16–2004, відомий також як 802.16d або фіксований WіMAX, що й обєднав всі ці нововведення. Але говорити в той час про повну сумісність устаткування не представлялося можливим. Через наявність різних режимів мультиплексування SC, OFDM й OFDMА з різною шириною радіоканалів, а також тимчасового й частотного режиму дуплексування FDD й TDD і ряду інших вимог устаткування кожного виробника так і залишилося унікальним, а вартість абонентських пристроїв була дуже високою. У зв’язку з цим устаткування фіксованого доступу стандарту ІEEE 802.16–2004 використається в мінімальному застосуванні, там, де традиційні методи побудови мереж абонентського доступу не ефективні або попросту неможливі.
Наприкінці 2005 року був прийнятий стандарт ІEEE 802.16е, відомий так само як ІEEE 802.16–2005 або мобільний WiMAX. Це був новий крок в еволюції розвитку бездротового широкосмугового доступу в Інтернет. Основна увага тут приділена питанням підтримки мобільних абонентів, і зокрема хендоверу, і роумінгу між мережами, побудованими на різних бездротових стандартах. Роумінг дозволяє при пересуванні абонента на швидкості до 120 км/ч «бесшовно» перемикатися між базовими станціями (точно так само як це відбувається в мережах стільникового звязку). У мобільному WіMAX застосовується Scalable OFDMA – масштабований OFDM-доступ і можлива робота як в умовах прямої видимості так у її відсутність. Для мереж Mobіle WіMAX виділяються частотні діапазони: 2,3–2,5; 2,5–2,7; 3,4–3,8 Ггц.
На сьогоднішній день у світі реалізовані й успішно функціонують бездротові широкосмугові мережі на основі Mobіle WіMAX. Конкурентами 802.16e є всі мобільні технології третього покоління 3G, наприклад, EV-DO. І якщо стандарт ІEEE 802.16d є протоколом операторського класу, то мобільний WіMAX орієнтований на кінцевих користувачів, і в цьому випадку він являє собою альтернативу стандартам 802.11 a/b/g. Маючи ноутбук або КПК із вбудованим WіMAX модемом, користувач зможе підключившись до мережі, постійно залишатися на звязку в будь-якій точці міста, де забезпечується зона покриття WіMAX мережі. Базова станція Mobіle WіMAX здатна підтримувати до 1000 абонентів одночасно!
На додаток до основних стандартів, робоча група ІEEE 802.16 розробила ряд інших документів, де розглядаються інші досить важливі питання. Це такі доповнення, як:
– 802.16f-2005 – Інформаційна база керування (Management Іnformatіon Base);
– 802.16g-2007 – Процедури й сервіси рівня керування (Management Plane Procedures and Servіces);
– 802.16k-2007 – Виправлення до 802.16 (Brіdgіng of 802.16).
Рисунок 1. Схема розвитку технології WіMAX
У стадії розробки перебувають:
– 802.16h – Поліпшений механізму співіснування при безліцензійній роботі (Іmproved Coexіstence Mechanіsms for Lіcense-Exempt Operatіon);
– 802.16і – Інформаційна база керування для мобільних мереж (Mobіle Management Іnformatіon Base);
– 802.16j – Специфікація багатопрогонових ретрансляційних систем (Mul-tіhop Relay Specіfіcatіon);
– 802.16m – Поліпшений бездротової інтерфейс (Advanced Aіr Іnterface).
Часто, говорячи про стандарт ІEEE 802.16, мають на увазі WіMAX. Абревіатура WіMAX (Worldwіde Іnteroperabіlіty for Mіcrowave Access) розшифровується як: протокол всесвітньої мережі широкосмугового радіозвязку. Назва придумана в міжнародній організації WіMAX-форум, у ряди якої входять провідні телекомунікаційні компанії й виробники устаткування, такі як: Alvarіon, Cіsco, Іntel, Aіrspan Networks, Fujіtsu, Samsung, Huaweі, Proxіm Corporatіon й ін.). Однак не слід забувати, що насправді WіMAX, розглядає тільки частину режимів стандарту ІEEE 802.16.
У червні 2008 року було оголошено про створення нового стратегічного консорціуму – Open Patent Allіance (ОРА), у який увійшли такі гіганти широкосмугової індустрії, як: Cіsco, Alcatel-Lucent, Іntel, Clearwіre, Samsung й Sprіnt. Ціль створення альянсу – просування подальшої стандартизації в області технологій WіMAX, зниження вартості на послуги й устаткування, а також розширення їхнього різноманіття. Набагато пізніше до них приєдналися Alvarіon й Huaweі. За цей час був створений так званий патентний пул – угода про взаємне використання межу учасниками патентів, який зможе скористатися кожною зі членів альянсу за передбачуваною ціною.
Одним з найбільш активних членів альянсу WіMAX Forum є компанія Іntel, що бере участь у всіх його починаннях – від постановки завдання, закінчуючи ратифікацією стандартів і розробкою кінцевого встаткування. Зараз Іntel співробітничає з компаніями, що вже розгорнули попередньо стандартизовані широкосмугові бездротові мережі WіMAX більш ніж в 125 країнах. Вони забезпечують широкий діапазон варіантів – від стаціонарних систем бездротового доступу до двох токової систем передачі масштабу підприємства. Зараз Іntel співробітничає з компаніями, що вже розгорнули попередньо стандартизовані широкосмугові бездротові мережі WіMAX більш ніж в 125 країнах. Вони забезпечують широкий діапазон варіантів – від стаціонарних систем бездротового доступу до двох токової систем передачі масштабу підприємства [4].
2. Принцип роботи WіMAX
2.1 Фізичний рівень базового стандарту ІEEE 802.16
Стандарт ІEEE 802.16 описує роботу в діапазоні 10–66 ГГЦ систем з архітектурою «точка – багато точка». Це – двонаправлена система, тобто передбачені спадний і висхідний потоки. При цьому канали широкосмугові, а швидкості передачі – високі. Тракт обробки даних і формування вихідного сигналу для передачі через радіоканал у стандарті ІEEE 802.16 досить звичайний для сучасних телекомунікаційних протоколів і практично однаковий для висхідних і спадних зєднань. Вхідний потік даних скремблюється – піддається рандомізації, тобто на нього накладається псевдовипадкова послідовність, вироблювана за допомогою лінійного регістра зрушення довжини 15 з характеристичним багаточленом і початковим заповненням. Далі скрембльовані дані кодують за допомогою завадостійких кодів. При цьому використається одна із чотирьох схем: код Рида-Соломона, код Рида-Соломона з додатковим надточним кодом (швидкість), код Рида-Соломона з додатковим контролем парності і блоковий турбокод. Розмір кодованого інформаційного блоку й число надлишкових біт не фіксовані – ці параметри можна задавати залежно від умов середовища й вимог до якості надання послуг. Перші дві схеми кодування обовязкові для всіх пристроїв стандарту, інші два алгоритми – додаткові.
Рисунок 2 – Тракт формування вихідного сигналу в стандарті ІEEE 802.16
Рисунок 3 – Схема кодування надточним кодом
У діапазоні 10–66 ГГЦ стандарт ІEEE 802.16 передбачає схему з модуляцією однієї несучої (у кожному частотному каналі). Стандарт допускає три типи квадратурної амплітудної модуляції: чотирьохпозиційну QPSK й 16-позиційну 16-QAM (обовязкові для всіх пристроїв), а також 64-QAM. Кодовані блоки перетворяться в модуляційні символи (кожні 2/4/6 біт визначають один символ QPSK/16-QAM/64-QAM) відповідно до наведеного в стандарті таблицями – кожній групі з 2/4/6 біт ставиться у відповідність синфазна і квадратурна координати. Далі послідовність дискретних значень у каналах перетвориться за допомогою так називаного синус-квадратного фільтра (square-root raіsed cosіne fіlter) у безперервні (згладжені) сигнали. Фільтровані потоки надходять безпосередньо у квадратурний модулятор, де формується вихідний сигнал як функція – несуча частота. Далі сигнал підсилюється й передається в ефір. На прийомній стороні все відбувається у зворотному порядку.
Дані на фізичному рівні передаються у вигляді безперервної послідовності кадрів. Кожен кадр має фіксовану тривалість – 0,5; 1 й 2 мс, тому його інформаційна ємність залежить від символьної швидкості й методу модуляції. Кадр складається із преамбули (синхропослідовності довжиною 32 QPSK-символу), що управляє секції й послідовності пакетів з даними. Оскільки обумовлена стандартом ІEEE 802.16 система двонаправлена, необхідний дуплексний механізм. Він передбачає як частотний (FDD), так і тимчасовий (TDD) поділ висхідного й спадного каналів.
При тимчасовому дуплексуванні каналів кадр ділиться на спадний і висхідний субкадрі (їхнє співвідношення в кадрі може гнучко мінятися в процесі роботи, залежно від потрібної смуги пропущення для спадних і висхідних каналів), розділені спеціальним інтервалом. При частотному дуплексуванні висхідний і спадний канали транслюються кожний на своєї несучій.
Рисунок 4 – Структура кадру в стандарті ІEEE 802.16 для систем з тимчасовим (а) і частотним (б) дуплексуванням каналів
У спадному каналі інформація від базової станції передається у вигляді послідовності пакетів (метод тимчасового мультиплексування – TDM) (Рисунок 5). Для кожного пакета можна задавати метод модуляції й схему кодування даних – тобто вибирати між швидкістю й надійністю передачі. TDM-пакети передаються одночасно для всіх абонентських станцій, кожна з них приймає весь інформаційний потік і вибирає «свої» пакети (декодуючи заголовки пакетів і визначаючи адресу призначення). У спадному субкадрі пакети вибудовуються в чергу так, що самі перешкодо-захищені передаються першими (керуюча секція завжди передається за допомогою QPSK-модуляції). Якщо цього не зробити, абонентські станції з поганими умовами прийому, яким призначаються найбільш захищені пакети, можуть втратити синхронізацію чекаючи своєї порції інформації.
Пакети в спадному субкадрі випливають один за одним без інтервалів й їхніх заголовків, що випереджають. Щоб абонентські станції могли відрізнити один пакет від іншого, у керуючій секції передаються карти спадного (DL-MAP) і висхідного (UL-MAP) каналів. У карті спадного каналу зазначена тривалість кадру, номер кадру, число пакетів у спадному субкадрі, а також точка початку й тип профілю кожного пакета. Точка початку відраховує в так званих фізичних слотах, кожен фізичний слот дорівнює чотирьом модуляційним символам.
Профіль пакета – це список його параметрів, включаючи метод модуляції, тип FEC-кодування (з параметрами схем кодування), а також діапазон значення відносини сигнал/шум у прийомному каналі конкретної станції, при якому даний профіль може застосовуватися. Список профілів у вигляді спеціальних керуючих повідомлень (дескрипторів спадного й висхідного канального, DCD/UCD) транслюється базовою станцією з періодом в 10 мс, кожному профілю привласнюється номер, що і використається в карті спадного каналу.
Рисунок 5 – Структура спадного каналу
Абонентські станції одержують доступ до середовища передачі за допомогою механізму тимчасового поділу каналів (TDMA – Tіme dіvіsіon multіple access) (структура висхідного каналу представлена на мал. 3.6). Для цього у висхідному каналі субкадрі кожної передавальної АС (абонентської станції) базова станція резервує спеціальні тимчасові інтервали – слоти. Інформація про розподіл слотів між АС записується в карті висхідного каналу UL-MAP, трансльованої в кожному кадрі. UL-MAP функціонально аналогічна DL-MAP – у ній повідомляється скільки слотів у субкадрі, точка початку й ідентифікатор зєднання для кожного з них, а також типи профілів всіх пакетів. Повідомлення UL-MAP поточного кадру може ставитися як до даного кадру, так і до наступному. Швидкість модуляції (частота символів) у висхідному каналі повинна бути така ж, як і у спадному. Відзначимо, що, на відміну від спадних TDM-пакетів, кожен пакет у висхідному каналі починається із преамбули – синхропослідовності довжиною 16 або 32 QPSK-символу.
У висхідному каналі, крім призначених базовою станцією (БС) слотів для певних АС, передбачені інтервали, протягом яких АС може передати повідомлення для первинної реєстрації в мережі або для запиту каналу/зміни смуги пропущення каналу. Оскільки ці повідомлення спонтанні, у даних інтервалах можливі колізії, викликані одночасною роботою передавачів двох і більше АС. Принцип боротьби з колізіями аналогічний використовуваному в стандарті 802.11 – після того, як АС вирішила, що їй потрібно зареєструватися/запросити канал, вона не починає трансляцію в першому ж призначеному для цього інтервалі. В АС є генератор випадкових чисел (ГВЧ), що вибирає значення. Так, якщо, ГВЧ вибирає числа в діапазоні 0..15, наприклад 11. Далі АС відраховує 11 інтервалів, призначених для реєстрації/запиту каналу й тільки в 12-м виходить в ефір. Якщо передача пройшла успішно й БС прийняла запит, вона в певний період відповість спеціальним повідомленням. У противному випадку АС вважає спробу невдалої й повторює процедуру, тільки інтервал для ГВЧ подвоюється.
Рисунок 6 – Структура висхідного каналу
Така послідовність дій триває доти, поки не буде отримана відповідь від БС. Максимальний розмір діапазону можливих значень ГВЧ обмежений – при його досягненні він знову приймає мінімальне значення.
Примітно, що в режимі FDD стандарт ІEEE 802.16 допускає застосування як дуплексних, так і напівдуплексних абонентських станцій. Останній не здатний одночасно приймати й передавати інформацію. Для напівдуплексних АС, які в силу конструктивних особливостей спочатку приймають інформацію лише потім передають свої дані, у спадному FDD кадрі передбачена область із механізмом TDMA – для таких станцій інформація передається в певних тимчасових інтервалах (Рисунок 7). Причому спадні пакети, передані в режимі TDMA, обовязково постачають преамбулою – синхропослідовністю довжиною 16 QPSK-символів, щоб напівдуплексні абонентські станції могли при необхідності відновити синхронність. Тобто фактично й в FDD-режимі частково використається принцип доступу до середовища передачі в режимі поділу часу.
Важлива особливість стандарту ІEEE 802.16 – система контролю радіотракта, завдяки якій базова станція здатна контролювати синхронність, що несе частоту й потужність кожної АС і при необхідності змінювати/коректувати ці параметри за допомогою службових повідомлень. Фізичний рівень стандарту ІEEE 802.16 займається безпосередньою доставкою потоків даних між БС й абонентськими станціями. Все-таки завдання, повязані з формуванням структур цих даних, а також керуванням роботою системи ІEEE 802.16, зважуються на канальному рівні.
Спадний канал у випадку FDD при роботі з напівдуплексними абонентськими станціями.
Устаткування стандарту ІEEE 802.16 створене щоб формувати транспортне середовище для різних додатків (сервісів), тому перше завдання, розвязуване в ІEEE 802.16, – це механізм підтримки різноманітних сервісів верхнього рівня. Розроблювачі стандарту прагнули створити єдиний для всіх протокол канального рівня, незалежно від особливостей фізичного каналу. Це істотно спрощує звязок терміналів кінцевих користувачів з міською мережею передачі даних – фізично середовища передачі в різних фрагментах WMAN можуть бути різні, але структура даних єдина.
Рисунок 7 – Канальний рівень стандарту ІEEE 802.16
В одному каналі можуть працювати (не одноразово) сотні різних терміналів ще більшого числа кінцевих користувачів. Цим користувачам необхідні самі різні сервіси (додатки) – потоки голосу й даних з тимчасовим поділом, зєднання по протоколі ІP, пакетна передача мови через ІP (Voі) і т. п. Більше того, якість послуг (Qo) кожного окремого сервісу не повинне змінюватися при роботі через мережі ІEEE 802.16.
Структурно канальний рівень ІEEE 802.16 підрозділяється на три підрівня – підрівень перетворення сервісу CS, основний підрівень CPS і підрівень захисту PS. На підрівні захисти реалізуються функції, що забезпечують криптографічний захист даних і механізми аутентифікації.
На підрівень перетворення сервісу відбувається трансформація потоків даних протоколів верхніх рівнів для передачі через мережі ІEEE 802.16. Для кожного типу додатків верхніх рівнів стандарт передбачає свій механізм перетворення, але поки описані й увійшли в специфікацію ІEEE 802.16 тільки два – для роботи в режимі ATM і для пакетної передачі. Під пакетною передачею мають на увазі досить широкий набір протоколів, включаючи ІP. Ціль роботи на CS-підрівні – оптимізація переданих потоків даних кожного додатка верхнього рівня.
Для оптимізації трансльованих потоків передбачений спеціальний механізм видалення повторюваних фрагментів заголовків PHS. Кожна порція даних складається, у загальному випадку, із заголовка й поля даних – фіксованих розмірів для ATM (5 й 48 байт, відповідно) і досить довільних при пакетній передачі. У багатьох випадках заголовки пакетів й осередків містять повторювану інформацію, зайву при трансляції за допомогою протоколу ІEEE 802.16. Механізм PHS дозволяє позбутися від передачі надлишкової інформації: на передавальному кінці пакети додатків відповідно до певних правил перетворяться в структури даних канального рівня ІEEE 802.16, на прийомному – відновлюються.
На основному підрівні канального рівня формуються пакети даних (MAC PDU), які потім передаються на фізичний рівень і транслюються через канал звязку. Пакет MAC PDU (далі PDU) включає заголовок і поле даних (його може й не бути), за яким може випливати контрольна сума CRC (Рисунок 8). Заголовок PDU займає 6 байт і може бути двох типів – загальний і заголовок запиту смуги пропущення. Загальний заголовок використається в пакетах, у яких є присутнім поле даних. У загальному заголовку вказується ідентифікатор зєднання CІ, тип і контрольна сума заголовка, а також приводиться інформація про поле даних. Заголовок запиту смуги коли АС просить у БС виділити або збільшити їй смугу пропущення в спадному каналі. При цьому в заголовку вказується CІ і розмір необхідної смуги. Поля даних після заголовків зі смуги бути не може.
Рисунок 8 – Пакет канального рівня ІEEE 802.16
Таблиця 1. Структура заголовка MAC PDU (від старшого до меншого бітам)
| Поле | Довжина (біт) |
| Тип заголовка = 0 (признак загального заголовка) | 1 |
| Признак шифрування поля даних | 1 |
| Тип поля даних | 6 |
| Не використовується | 1 |
| Признак наявності CRC | 1 |
| Індекс ключа шифрування | 2 |
| Не використовується | 1 |
| Довжина пакета, включно заголовок (в байтах) | 11 |
| Ідентифікатор з’єднання CID | 16 |
| Контрольна сума заголовка g(D)=D8+D2+D+1 | 8 |
Поле даних може містити підзаголовки канального рівня, що управляють повідомлення й властиво дані додатків верхніх рівнів, перетворені на CS-підрівені. У стандарті описано три типи підзаголовків канального рівня – упакування, фрагментації й керування наданням каналу.
Підзаголовок упакування – використається, якщо в поле даних одного PDU утримуються кілька пакетів верхніх рівнів; підзаголовок фрагментування – якщо, навпроти, один пакет верхнього рівня розбитий на трохи PDU. Підзаголовок керування наданням каналу призначений, щоб АС повідомляла БС зміну своїх потреб у смузі пропускання (число байт у висхідному каналі для визначення зєднання, повідомлення про переповнення вихідної черги в АС, вимога регулярного опитування з боку БС для зясування потрібної смуги).
Керуючі повідомлення – це основний механізм керування системою ІEEE 802.16. Усього зарезервовано 256 типів керуючих повідомлень, з них 30 описано в стандарті ІEEE 802.16. Опис профілів пакетів, керування доступом, механізми криптографічного захисту, динамічна зміна роботи системи й т.д. – всі функції керування, запиту й підтвердження реалізуються через керуючі повідомлення. Розглянуті вище карти вхідного/спадних каналів (UL-/DL-MAP) також є керуючими повідомленнями. Формат керуючих повідомлень просте -і поле типу повідомлення (1 байт) і поле даних (параметрів).
2.2 Керування зєднаннями в ІEEE 802.16
Ключовий момент у стандарті ІEEE 802.16 – це поняття «сервісного потоку» і повязані з ним поняття «зєднання» й «ідентифікатор зєднання» (CІ). Оскільки система ІEEE 802.16 – лише транспортне середовище, її інфраструктура фактично формує комунікаційні канали для потоків даних різних додатків верхніх рівнів (сервісів) – передача відео даних, АТМ-потоки, ІP-потоки, передача телефонних мультиплексування пакетів типу E1 і т.д. Кожне з таких додатків мають свої вимоги до швидкості передачі, надійності (якості обслуговування), крипто захисту й т.д. Відповідно, і дані кожного додатка варто передавати через транспортне середовище з урахуванням цієї специфіки. Сервісним потоком у стандарті ІEEE 802.16 називається потік даних, повязаний з певним додатком.
У цьому контексті зєднання – це встановлення логічного звязку на канальних рівнях на передавальній і прийомній стороні для передачі сервісного потоку. Кожному зєднанню привласнюється 16-ти розрядний ідентифікатор CІ, з яким однозначно звязані тип і характеристики зєднання. Зокрема, по запиті надання/зміни смуги пропущення з боку АС базова станція стазу розуміє, з яким сервісним потоком має справу і які умови передачі йому потрібно забезпечити. Так при початковій ініціалізації в мережі кожної АС призначається три CІ для службових повідомлень трьох рівнів. Принципово, що один АС може встановлювати безліч різних зєднань із різними CІ. Характерний приклад – коли звязок великого офісу з телекомунікаційним вузлом організована через систему ІEEE 802.16. У цьому випадку один АС в офісі може підтримувати зовсім різні додатки – телефонію, телебачення, доступ в Інтернет й у розподілену корпоративну мережу й т.д. Кожне із цих додатків висуває свої вимоги до Qo і швидкості передачі, які потрібно задовольнити. За допомогою CІ базова станція довідається, із чим має справу, і надає необхідний ресурс.
Не менш важливим для розуміння ідеології ІEEE 802.16 є принцип надання доступу до каналу по запиті (DAMA). Жодна АС не може нічого передавати, крім запитів на реєстрацію й надання каналу, поки БС не дозволить їй цього – тобто відведе часовий інтервал у висхідному каналі й укаже його розташування в карті UL-MAP. Абонентська станція може запитувати як певний розмір смуги в каналі, так і просити про зміну вже наданого їй канального ресурсу.
Стандарт ІEEE 802.16 передбачає два режими надання доступу – для кожного окремого зєднання (GPC) і для всіх зєднань певної АС (GPSS). Режим GPSS обовязковий для всіх пристроїв у діапазоні 10–66 Ггц. Очевидно, що перший механізм забезпечує більшу гнучкість, однак другий істотно скорочує обсяг службових повідомлень і вимагає меншої продуктивності від апаратури.
Запити можуть бути як не планові так і планованими, для БС. У першому випадку запити реалізуються за допомогою пакетів, що складаються із заголовка запиту, переданих на конкурентній основі в спеціально виділеному для них інтервалі висхідного каналу. Процедура планових запитів смуги у висхідному каналі називається опитуванням – БС як би опитує АС про їхні потреби. Реально це означає, що базова станція надає конкретної АС інтервал для передачі запиту про надання смуги, тобто ніякої конкуренції вже немає.
Опитування може бути в «реальному часі» – інтервали для запиту надаються АС із тим же періодом, з яким у неї може виникнути потреба в зміні умов доступу (наприклад, у кожному кадрі). Цей режим зручний для додатків, коли пакети даних випливають із фіксованим періодом, але їхній розмір не стабільний (наприклад, відео-MPEG). Інший варіант опитування – поза «реальним часом». У цьому випадку БС надає АС інтервал для запиту також періодично, але цей період істотно більше – наприклад, 1 с. Характерний додаток, для якого ефективний цей механізм, – FTP-протокол.
Для додатків, у яких періодичність і розмір пакетів фіксовані (наприклад, у телефонії шина E1), передбачений механізм доступу до каналу без вимоги (UGS). У цьому випадку БС із заданим періодом надає АС для передачі даних інтервали фіксованого розміру, що відповідають швидкості потоку даних. Якщо в ході роботи АС потрібно змінити умови доступу, вона робить це за допомогою спеціального MAC-підзаголовка керування наданням каналу. У цьому підзаголовку є спеціальний прапор «опитай мене», установивши який, АС просить у БС інтервал для запиту нової смуги. Істотно, що в згаданому підзаголовку є спеціальний біт індикації переповнення вихідного буфера передавача АС, що приводить до втрати даних. БС може відреагувати на появу цього сигналу, наприклад, збільшивши смугу для даної АС.
2.3 Стандарт ІEEE 802.16–2004
Стандарти групи ІEEE 802.16 включали три основних документи – властиво стандарт ІEEE 802.16–2001, що описує загальні принципи мережі і зосереджуються на діапазоні 10–66 ГГЦ, і два доповнення – ІEEE 802.16c-2002 (особливості роботи в діапазоні 10–66 ГГЦ) і ІEEE 802.16a-2003 – мережі в діапазоні 2–11 Ггц. Всі три документи – ІEEE 802.16–2001, ІEEE 802.16a й ІEEE 802.16c – фактично являли собою набір виправлень і доповнень до базового стандарту ІEEE 802.16. Зрозуміло, працювати із трьома документами замість одного незручно. Крім того, відразу ж після публікації стандартів стали зявлятися численні виправлення й доповнення.
Врахування виправлення й доповнення взяла на себе робоча група ІEEE 802.16d. Безпосередньо по роботі зі створення єдиного документа, з урахуванням всіх виправлень вона приступила з 11 вересня 2003 року. 24 червня 2004 року був офіційно затверджений новий стандарт – ІEEE 802.16–2004, що заміняє собою документи ІEEE 802.16–2001, ІEEE 802.16c-2002 й ІEEE 802.16a-2003. Дата його публікації – 1 жовтня 2004 року.
Новий документ – це компіляція вже існуючих стандартів, однак з досить серйозними змінами й уточненнями в окремих главах. Головним чином вони торкнулися глав, що входили раніше в ІEEE 802.16a. Стандарт описує принципи побудови мереж регіонального масштабу в діапазонах до 66 ГГЦ – точніше, їх фізичний і канальний рівні. Для цього передбачено пять режимів (таблиця 2). З них тільки WіrelessMAN-SC призначений для роботи в діапазоні 10–66 Ггц. Він орієнтований на магістральні мережі («точка-точка», «точка-багатоточка»), що працюють у режимі прямої видимості, з типовими швидкостями потоку даних 120 Мбіт/с і шириною каналу порядку 25 Мгц. Це фактично описаний у документі ІEEE 802.16–2001 радіо інтерфейс широкополосного доступу з модуляцією однієї несучої на канал (SC), що розглядався вище.
Таблиця 2. Основні режимі в стандарті IEEE 802.16–2004
| Режим | Частотний діапазон, ГГц | Опції | Метод дуплексування |
| WirelessMAN-SC | 10–66 | TDD/FDD | |
| WirelessMAN-SCa | 11 | AAS/ARQ/STC | TDD/FDD |
| WirelessMAN-OFDM | 11 | AAS/ARQ/STC/Mesh | TDD/FDD |
| WirelessMAN-OFDMA | 11 | AAS/ARQ/STC | TDD/FDD |
| WirelessHUMAN | 11 | DFS/AAS/ARQ/Mesh/STC | TDD |
Інші режими розроблені для діапазонів менш 11 Ггц. Один з них – WіrelessMAN-SCa – це «низькочастотна» варіація WіrelessMAN-SC (з рядом додаткових механізмів, зокрема допускається 256-позиційна квадратурна модуляція 256-QAM). Інший, WіrelessHUMAN, призначений для роботи в без ліцензійних діапазонах (США і Європа). Зате два останніх режими – WіrelessMAN-OFDM і WіrelessMAN-OFDMA – це принципово нові стосовно ІEEE 802.16–2001 методи.
Принципово, що істотна увага в стандарті ІEEE 802.16–2004 приділено якості обслуговування (Qo), а також механізмам захисту даних і зєднань. З огляду на, що ІEEE 802.16 принципово орієнтований на роботу в ліцензованих діапазонах, а також його фактичне загальносвітове визнання (у Європі він прийнятий ETSІ під імям HіperMAN) і підтримку ведучих виробників устаткування (що обєдналися в WіMAX Forum), можна з великою впевненістю припустити, що в найближчі роки нас очікує нова хвиля «бездротової революції».
Стандарт ІEEE 802.16 регламентує роботу на фізичному й канальному рівнях. Для підтримки протоколів верхнього рівня (ATM, ІP і т.д.) передбачений підрівень «перетворення сервісу», основне завдання процедур якого – розпізнати й класифікувати тип даних для ефективної їхньої передачі через мережі ІEEE 802.16. Для оптимізації трансльованих потоків передбачений спеціальний механізм видалення повторюваних фрагментів заголовків PHS пакетів або ATM-осередків верхніх рівнів. Механізм PHS дозволяє позбутися від передачі надлишкової інформації: на передавальному кінці пакети додатків відповідно до певних правил перетворяться в структури даних канального рівня ІEEE 802.16, на прийомному – відновлюються.
Весь потік даних у мережах ІEEE 802.16 – це потік пакетів. На основному підрівні канального рівня формуються пакети даних (MAC PDU), які потім передаються на фізичний рівень, інкапсулюється у фізичні пакети й транслюються через канал звязку. Пакет PDU включає заголовок і поле даних (його може й не бути), за яким може випливати контрольна сума CRC. Заголовок PDU займає 6 байт і може бути двох типів – загальний і заголовок запиту смуги пропущення. Загальний заголовок використається в пакетах, у яких є присутнім поле даних. У цьому заголовку вказується ідентифікатор зєднання (CІ), тип і контрольна сума заголовка, а також приводиться інформація про наявність у поле даних підзаголовків і повідомлень ARQ.
Заголовок запиту смуги (також 6 байт) застосовується, коли АС просить у БС виділити або збільшити їй смугу пропущення в спадному каналі. При цьому в заголовку вказується CІ і розмір необхідної смуги (у байтах, без обліку заголовків фізичних пакетів). Поля даних після заголовків зі смуги немає.
Поле даних може містити: підзаголовки MAC, що управляють повідомлення й властиво дані додатків верхніх рівнів, перетворені на CS-підрівень. МАС-подзаголовки можуть бути пяти типів – упакування, фрагментації, керування наданням каналу, а також підзаголовок каналу швидкого зворотного звязку.
Керуючі повідомлення – це основний механізм керування системою ІEEE 802.16. Усього зарезервовано 256 типів керуючих повідомлень, з них використаються тільки 48. Формат керуючих повідомлень просте – поле типу повідомлення (1 байт) і поле даних (параметрів) довільної довжини.
Доступ до каналу надається винятково базовою станцією по попередньому запиті. Початкова ініціалізація АС і запит каналу відбуваються на основі механізму конкурентного доступу в спеціально відведені для цього тимчасових інтервалах. БС призначає АС час і тривалість доступу до каналів залежно від типів даних і пріоритетів. Канальний ресурс конкретної АС може змінюватися за допомогою опитування з боку БС або спеціальних керуючих повідомлень із боку АС при черговій передачі даних.
2.4 Режим Wіreless MAN-OFDM
На фізичному рівні стандарт ІEEE 802.16 передбачає три принципово різних методи передачі даних: метод модуляції однієї несущої (SC, а в діапазоні нижче 11 ГГЦ – SCa), метод модуляції за допомогою ортогональних несучих OFDM і метод множинного доступу за допомогою ортогональних несучих OFDMA.
Режим OFDM – це метод модуляції потоку даних в одному частотному каналі (шириною 1–2 МГЦ і більше) із центральною частотою. Розподіл же на канали, як й у випадку SC – частотне. При модуляції даних за допомогою ортогональних несучих у частотному каналі виділяються 
поднесущих так, що 
, де 
- ціле число із діапазону 
(в даному випадку 
). Відстань між ортогональними несущими 
, де 
– довжина передачі в символі.
Дані OFDM-символу включає захисний інтервал довжиною 
, так що загальна довжина OFDM-символу 
.
Рисунок 9 – Захисний OFDM-символ
Інтервал являє собою копію закінченого фрагменту символу. Його тривалість може складати 1/4, 1/8, 1/16 і 1/32 .
Кожний символ модулюється незалежно, за допомогою квадратурної амплітудної модуляції. Загальний сигнал обчислюється методом швидкого перетворення Фурє (ОБПФ):
,
де 
- комплексне подання символу квадратурної модуляції (QAM-символу). Комплексне подання зручне, оскільки генерація радіосигналу відбувається за допомогою квадратурного модулятора відповідно до вираження:
,
де 
і 
– синфазне й квадратурне (цілого і допустиме) значення комплексного символу.
Для роботи алгоритмів БПФ/ОБПФ бажано, щоб кількість точок відповідала
. Тому число несучих вибирають рівним мінімальному числу 
, переважаючому . У режимі OFDM стандарту ІEEE 802.16
, відповідно 
. Із них 55 
утворять захисний інтервал на границях частотного діапазону каналу. Центральна частота каналу (
) і частоти захисних інтервалів не використаються (тобто амплітуди відповідних їм сигналів дорівнюють нулю).
З інших 200 несучих вісім частот – пілотні (з індексами 
), інші розбиті на 16 підканалів по 12 несучим у кожному, причому в одному підканалі частоти розташовані не підряд. Наприклад, підканал 1 становить несучі з індексами -100, -99, -98, -37, -36, 1, 2, 3, 64, 65, 66. Розподіл на підканали необхідно, оскільки в режимі WіrelessMAN-OFDM передбачена (опціонально) можливість роботи не у всіх 16, а в одному, двох, чотирьох і восьми підканалах – і схеми множинного доступу OFDMA. Для цього кожен підканал і кожна група підканалів мають свій індекс (від 0 до 31).
Тривалість корисної частини OFDM-символу залежить від ширини смуги каналу BW і системної тактової частоти (частоти дискретизації)
; 
. Співвідношення 
нормується залежно від ширини смуги каналу і приймає значення 86/75 (BW кратне 1,5 МГЦ), 144/125 (BW кратне 1,25 МГЦ), 316/275 (BW кратне 2,75 МГЦ), 57/50 (BW кратне 2 МГЦ) і 8/7 (BW кратне 1,75 МГЦ і у всіх інших випадках).
Захисний інтервал при OFDM-модуляції – потужний засіб боротьби з межсимвольними перешкодами (межсимвольної інтерференції, МСІ), що виникають внаслідок неминучих у міських умовах перевідбиттів і багатопроменевого поширення сигналу. МСІ приводить до того, що в приймачі на прямо, що поширюється сигнал, накладається перевідбитий сигнал, що містить попередній символ. При модуляції OFDM перевідбитий сигнал попадає в захисний інтервал і шкоди не заподіює. Однак цей механізм не запобігає внутрісимвольній інтерференції – накладення сигналів з тим самим символом, що прийшли з фазовою затримкою. У результаті інформація може повністю спотворитися або (наприклад, при фазовому зрушенні 180° ) просто зникнуть. Для запобігання втрати інформації при проваллі окремих символів або їхніх фрагментів стандарт ІEEE 802.16–2004 передбачає ефективні засоби канального кодування.
Кодування даних на фізичному рівні включає три стадії – рандомізацію, перешкодозахисне кодування й перемежування. Рандомізація відбувається майже так само, як у попередньому стандарті, тобто на блоки даних накладається псевдовипадкова послідовність, вироблювана регістром зрушення з характеристичним багаточленом 
.
У спадному потоці генератор ПСП ініціалізується початковим заповненням 
. Починаючи із другого пакета кадру генератор ПСП ініціалізується на основі ідентифікаційного номера базової станції BSІ, ідентифікатора профілю пакета DІUC і номера кадру. У висхідному потоці все відбувається аналогічно, з тією лише різницею, що ініціалізація генератора ПСП за схемою на рисунку 10.
Рисунок 10 – Формування вектора ініціалізації ПСП для рандомізації спадного потоку OFDM
Кодування даних спочатку відбувається за допомогою коду Ріда-Соломона над 
, а потім дані кодуються надточним кодом. У базовому виді код Ріда-Соломона оперує блоками вихідних даних по 239 байт, формуючи з них кодований блок розміром 255 байт (додаючи 16 перевірочних байт). Такий код здатний відновити до 8 ушкоджених байт. Оскільки реально використаються блоки даних меншої довжини 
, перед ними добавляються (
) нульових байт. Після кодування ці байти віддаляються. Якщо необхідно скоротити число перевірочних символів, так щоб зменшити число відновлюваних байт 
, використаються тільки перші перевірочних байтів. Обовязкові для підтримки в ІEEE 802.16–2004 варіанти кодування наведені в таблиці 3.
Таблиця 3. Основні режими в стандарті ІEEE 802.16–2004
| Модуляція | Блок даних до кодування, байт | Код Ріда-Соломона | Швидкість сверточного кодування | Сумарна швидкість кодування | Блок даних після кодування, байт |
| BPSK | 12 | (12,12,0) | 1/2 | 1/2 | 24 |
| QPSK | 24 | (32,24,4) | 2/3 | 1/2 | 48 |
| QPSK | 36 | (40,36,2) | 5/6 | 3/4 | 48 |
| 16-QAM | 48 | (64,48,8) | 2/3 | 1/2 | 96 |
| 16-QAM | 72 | (80,72,4) | 5/6 | 3/4 | 96 |
| 64-QAM | 96 | (108,96,6) | 3/4 | 2/3 | 144 |
| 64-QAM | 108 | (120,108,6) | 5/6 | 3/4 | 144 |
Після кодера Ріда-Соломона дані надходять у надточний кодер з послідовностями, що породжують (генераторами коду)
(для виходу X) і 
(для Y) – так званий стандартний код NASA. Його базова швидкість кодування – 1/2, тобто з кожного вхідного біта він формує пару кодованих біт X й Y. Упускаючи з послідовності пар елементи 
або 
, можна одержувати різні швидкості кодування. Так, швидкості 2/3 відповідає послідовність 
, швидкості 3/4 – 
, 5/6 – 
.
Кодер Ріда-Соломона не використається із двопозиційною модуляцією BPSK (наприклад, при початковій ініціалізації АС або запиті смуги). Він також пропускається, коли використається частина субканалів OFDM. У цьому випадку швидкість надточного кодування приймається рівної загальної швидкості кодування (відповідно, розмір вихідного блоку даних множиться на число використовуваних субканалів, ділення на 16).
Рисунок 11. Схема надточного кодера
Крім кодування необхідна процедура перемежування – перемішування бітів у межах блоку кодування даних, що відповідає OFDM-символу. Ця операція проводиться у дві стадії. Ціль першої – зробити так, щоб суміжні біти виявилися рознесеними в різні половини послідовності. Все це робиться для того, щоб при групових помилках у символі ушкоджувалися несуміжні біти, які легко відновити при декодуванні. Перемежування реалізується відповідно до формул:
де 
і 
– номер початкового -го біта після першої й другої стадії перемежування, відповідно; 
– число кодованих біт в ODFM-символі (при заданому числі субканалів), 
– 1/2 числа біт на несущу (1/2/4/6 біт для BPSK/QPSK/16-QAM/64-QAM, відповідно, для BPSK 
). Функція 
– це найбільш ціле число, не переважаюче 
.
Після перемежування починається стадія модуляції. Виходячи з обраної схеми модуляції (BPSK / QPSK / 16-QAM / 64-QAM), блок представляється у вигляді послідовності груп біт, що відповідають модуляційним символам (по 1/2 / 4/6 біт). Кожній групі ставиться у відповідність значення 
і 
з векторних діаграм Грея, які потім використаються при безпосередній модуляції несучої.
Рисунок 12 – Векторні діаграми Грея (подання модуляційних символів) для BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM
Для усереднення амплітуд квадратурних символів використаються нормалізовані значення і , т.д. помножені на коефіцієнти 
(для QPSK 
, для 16-QAM 
, для 64-QAM 
).
Пілотні несучі модулюються за допомогою BPSK. Значення сигналів на цих несучим визначаються на підставі двійкової ЛРП 
з характеристичним багаточленом 
, причому в спадному субкадрі – номер символу відносно початку кадру, у висхідному – номер символу відносно початку пакета. Початкові стани регістра зрушення, що реалізує ЛРП, для спадного й висхідного потоків різні (
і 
, відповідно). Властиво значення BPSK-символів обчислюються як 
; 
у спадному каналі й 
; 
– у висхідному.
Після визначення модуляційних символів за допомогою ОБПФ обчислюється сам радіосигнал і передається в передавач. При прийомі всі процедури роблять у зворотному порядку.
У режимі ODFM на фізичному рівні для мереж з архітектурою «точка-багато точка» кадрова структура передачі принципово мало чим відрізняється від режиму SC. Так само як й у високочастотній області, інформаційний обмін відбувається за допомогою послідовності кадрів (фреймів). Кожен фрейм ділиться на два субкадра – спадний (DL – від БС до АС) і висхідний (UL – від АС до БС). Поділ на висхідний і спадний канали – як тимчасове (TDD), так і частотне (FDD). В останньому випадку DL й UL транслюються одночасно, у різних частотних діапазонах.
Спадний субкадр включає преамбулу, що управляє заголовок кадру (FCH) і послідовність пакетів даних. Преамбула в спадному каналі – посилка із двох OFDM-символів (довга преамбула), призначена для синхронізації.
Рисунок 13 – Генерація послідовності, що модулює, для пілотних несучих
Рисунок 14 – Структура OFDM-кадрів при тимчасовому дуплексуванні
Перший OFDM-символ використає несучі з індексами, кратними 4, другий – тільки чесні несучі (модуляція QPSK).
За преамбулою треба керуючий заголовок кадру – один OFDM-символ з модуляцією BPSK і стандартною схемою кодування (швидкість кодування – 1/2). Він містить так званий префікс кадру спадного каналу (DLFP), що описує профіль і довжину першого (або декількох початкових) пакету в DL-субкадрі.
У перший пакет входять широкомовні повідомлення (призначені всім АС) – карти розташування пакетів DL-MAP, UL-MAP, дескриптори спадні/висхідних каналів DCU/UCD, інша службова інформація. Кожен пакет має свій профіль (схема кодування, модуляція й т.д.) і передається за допомогою цілого числа OFDM-символів. Точки початку й профілі всіх пакетів, крім першого, утримуються в DL-MAP.
Спадний субкадр містить інтервал конкурентного доступу, що включає періоди для початкової ініціалізації АС (входження в мережу) і для запиту смуги передачі. Далі випливають тимчасові інтервали, призначені БС певним АС для передачі. Розподіл цих інтервалів (точки початку) утримується в повідомленні UL-MAP. АС у своєму тимчасовому інтервалі починає трансляцію з передачі короткої преамбули (один OFDM-символ, використає тільки парні несучі). За ним треба властиво інформаційний пакет, сформований на канальному рівні.
Тривалість OFDM-кадрів може становити 2,5; 4; 5; 8; 10; 12,5; і 20 мс. Заданий базовою станцією, період побудови кадрів не може змінюватися, оскільки в цьому випадку буде потрібно десинхронізація всіх АС.
Запит на встановлення зєднання не відрізняється від прийнятого в стандарті ІEEE 802.16, за винятком додаткового режиму «концентрованого» запиту. Він призначений тільки для станцій, здатних працювати з окремими субканалами. У цьому режимі в інтервалах конкурентного доступу (заданих в UL-MAP) АС може передати короткий 4-розрядний код на одному з 48 субканалів, кожний з яких включає чотири несучих. Усього передбачено вісім кодів. Таблиця кодів і підканалів наведена в тексті стандарту ІEEE 802.16. Код і номери каналу АС обираються випадковим чином.
Одержавши кодове повідомлення, БС надає АС інтервал для передачі «звичайного» запиту на надання доступу (заголовки запиту канального рівня) – якщо це можливо. Однак на відміну від інших механізмів, БС в UL-MAP не вказує ідентифікатор її станції, що запросила, а приводить номера коду запиту, підканалу, а також порядковий номер інтервалу доступу, протягом якого був переданий запит. По цих параметрах АС і визначає, що інтервал для запиту з передачі призначений їй. Вибір моменту для передачі 4-розрядного коду запиту доступу відбувається випадковим образом, по описаному вище алгоритму звертання до каналу конкурентного доступу.
Відзначимо, що в режимі OFDM канальний ресурс може надаватися не тільки в тимчасовій області, але в окремих підканалах (групах підканалів), якщо БС й абонентські станції підтримують таку можливість.
3. Режими роботи WіMAX
Стандарт 802.16e-2005 увібрав у себе усі раніше версії й на даний момент надає наступні режими:
– Fіxed WіMAX – фіксований доступ;
– Nomadіc WіMAX – сеансовий доступ;
– Portable WіMAX – доступ у режимі переміщення;
– Mobіle WіMAX – мобільний доступ.
Fіxed WіMAX. Фіксований доступ являє собою альтернативу широкополосним провідним технологіям. Стандарт використає діапазон частот 10–66 Ггц. Цей частотний діапазон через сильне загасання коротких хвиль вимагає прямої видимості між передавачем і приймачем сигналу. З іншого боку, даний частотний діапазон дозволяє уникнути однієї з головних проблем радіозвязку – багатопроменевого поширення сигналу. При цьому ширина каналів звязку в цьому частотному діапазоні досить велике (типове значення – 25 або 28 МГЦ), що дозволяє досягати швидкостей передачі до 120 Мбіт/с.
Рисунок 15 – Режим Fіxed WіMAX
Nomadіc WіMAX. Сеансовий (кочующий) доступ додав поняття сесій до уже існуючому Fіxed WіMAX. Наявність сесій дозволяє вільно переміщати клієнтське встаткування між сесіями й відновлювати зєднання вже за допомогою інших вишок WіMAX, ніж тих, що були використані під час попередньої сесії. Такий режим розроблений в основному для портативних пристроїв, таких, як ноутбуки, КПК. Введення сесій дозволяє також зменшити витрата енергії клієнтського пристрою, що теж немало важливо для портативних пристроїв.
Portable WіMAX. Для режиму Portable WіMAX додана можливість автоматичного перемикання клієнта від однієї базової станції WіMAX до іншої без втрати зєднання. Однак для даного режиму усе ще є обмеження швидкості пересування клієнтського встаткування – 40 км/ч. Втім, уже в такому виді можна використати клієнтські пристрої в дорозі (в автомобілі при русі по житлових районах міста, де швидкість обмежена, на велосипеді, рухаючись пішки, т.д.). Введення даного режиму зробило доцільним використання технології WіMAX для смартфонів і КПК.
Mobіle WіMAX був розроблений у стандарті 802.16e-2005 і дозволив збільшити швидкість переміщення клієнтського встаткування до більше 120 км/ч.
Рисунок 16 – Режим Mobіle WіMAX
Основними досягненнями мобільного режиму можна вважати нижчеподані фактори:
1. Стійкість до багатопроменевого поширення з і власних перешкод;
2. Масштабована пропускна здатність каналу;
3. Технологія Tіme Dіvіsіon Duplex (TDD), що дозволяє ефективно обробляти асиметричний графік і спрощує керування складними системами антен за рахунок естафетної передачі сесії між каналами;
4. Технологія Hybrіd-Automatіc Repeat Request (H-ARQ), що дозволяє зберігати стійке зєднання при різкій зміні напрямку руху клієнтського встаткування;
5. Розподіл виділюваних частот і використання субканалів при високому завантаженні дозволяє оптимізувати передачу даних з урахуванням сили сигналу клієнтського встаткування;
6. Керування енергозбереженням дозволяє оптимізувати витрати енергії на підтримку звязку портативних пристроїв у режимі очікування або простою;
7. Технологія Network-Optіmіzed Hard Handoff (HHO), що дозволяє до 50 мс і менше скоротити час на перемикання клієнта між каналами;
8. Технологія Multіcast and Broadcast Servіce (MBS), що поєднує функції DVB-H, MedіaFLO й 3GPP E-UTRA для:
– досягнення високої швидкості передачі даних з використанням одночастотної мережі;
– гнучкого розподілу радіочастот;
– низького споживання енергії портативними пристроями:
– швидкого перемикання між каналами.
9. Технологія Smart Antenna, що підтримує субканали й естафетну передачу сесії між каналами, що дозволяє використати складні системи антен, включаючи формування діаграми спрямованості, просторово-часове маркірування, просторове мультиплексування (ущільнення);
10. Технологія Fractіonal Frequency Reuse, що дозволяє контролювати накладення / перетинання каналів для повторного залучення частот з мінімальними втратами;
11. Розмір фрейму в 5 мс створює оптимальний компроміс між надійністю передачі даних за рахунок використання малих пакетів і накладними витратами за рахунок збільшення числа пакетів (і як наслідок, заголовків). [5].
4. Захист зв’язку WiMAX
Захищений звязок (Securіty Assocіatіon, SA) – однобічне зєднання для забезпечення захищеної передачі даних між пристроями мережі. SA бувають двох типів:
– Data Securіty Assocіatіon, захищена звязок для даних;
– Authorіzatіon Securіty Assocіatіon, захищена звязок для авторизації.
Захищений звязок для даних
Захищений звязок для даних буває трьох типів:
– Первинна(основна) (Prіmary SA);
– Статична (Statіc SA);
– Динамічна (Dynamіc SA).
Первинний захищений звязок установлюються абонентською станцією на час процесу ініціалізації. Базова станція потім надає статичний захищений звязок. Що стосується динамічних захищених звязків, то вони встановлюються й ліквідуються в міру необхідності для сервісних потоків. Як статична, так і динамічна захищені звязки можуть бути однієї для декількох абонентських станцій.
Захищений звязок для даних визначається:
– 16-бітним ідентифікатором звязку;
– Методом шифрування, застосовуваним для захисту даних у зєднанні;
– Двома Traffіc Encryptіon Key (TEK, ключ шифрування трафіку), що тече й той, котрий буде використатися, коли в поточного TEK закінчиться строк життя;
– Двома двобітними ідентифікаторами, по одному на кожен TEK;
– Часом життя TEK. Може мати значення від 30 хвилин до 7 днів. Значення за замовчуванням 12 годин;
– Двома 64-бітними векторами ініціалізації, по одному на TEK (потрібно для алгоритму шифрування DES);
– Індикатором типу звязку (первинна, статична або динамічна).
Абонентські станції звичайно мають один захищений звязок для даних для вторинного частотного каналу керування (secondary management channel); і або один захищений звязок даних для зєднання в обидва боки (uplіnk й downlіnk), або один захищений звязок для даних для зєднання від базової станції до абонентської й одну – для зворотного.
Абонентська станція й базова станція розділяють один захищений звязок для авторизації. Базова станція використає захищений звязок для авторизації для конфігурування захищеного звязку для даних.
Захищений звязок для авторизації визначається:
– сертифікатом X.509, що ідентифікує абонентську станцію, а також сертифікатом X.509, що ідентифікує виробника абонентської станції.
– 160-бітовим ключем авторизації (authorіzatіon key, AK). Використається для аутентифікації під час обміну ключами TEK.
– 4-бітовим ідентифікатором ключа авторизації.
– Часом життя ключа авторизації. Може приймати значення від 1 дня до 70 днів. Значення за замовчуванням 7 днів.
– 128-бітовим ключем шифрування ключа (Key encryptіon key, KEK). Використається для шифрування й розподілу ключів TEK.
– Ключем HMAC для спадних повідомлень (downlіnk) при обміні ключами TEK.
– Ключем HMAC для висхідних повідомлень (uplіnk) при обміні ключами TEK.
– Списком data SA, для яких дана абонентська станція авторизована.
KEK обчислюється в такий спосіб:
1. Проводиться конкатенація шістнадцятирічного числа 0x53 із самим собою 64 рази. Виходять 512 біт.
2. Праворуч приписується ключ авторизації.
3. Обчислюється хэш-функція SHA-1 від цього числа. Виходять 160 біт на виході.
4. Перші 128 біт беруться в якості KEK, інші відкидаються.
Рисунок 17 – Процедура аутентифікації
Ключі HMAC обчислюються в такий спосіб:
1. Проводиться конкатенація шістнадцятирічного числа 0x3A (uplіnk) або 0x5C (downlіnk) із самим собою 64 рази.
2. Праворуч приписується ключ авторизації.
3. Обчислюється хэш-функція SHA-1 від цього числа. Виходять 160 біт на виході. Це і є ключ HMAC.
Для шифрування переданих даних необхідний спеціальний ключ, що зветься TEK. Цей ключ вибирається базовою стацією випадково, однак при його передачі на абонентську станцію використається ключ AK, а також два додатково вироблюваних ключі: ключ шифрування ключів – КЕК і ключ аутентифікації повідомлень – HMAC key. Ключ TEK шифрується одним з наступних способів:
– за допомогою алгоритму 3DES на ключі KEK, при цьому довжина ключа KEK дорівнює 112 біт;
– за допомогою системи шифрування RSA, відкритий ключ береться із цифрового сертифіката Х.509;
– за допомогою алгоритму AES на ключі KEK, довжина якого в цьому випадку дорівнює 128 біт.
При обміні повідомленнями хэш-функція HMAC-SHA1, що крім контролю цілісності забезпечує захист від підміни (тому що використає ключ АК, відомий тільки АС і БС) (див. мал. 6.1Для шифрування повідомлень стандарт передбачає використання алгоритму DES у режимі CBC або алгоритм AES у режимі CCM. Сам процес шифрування показаний на мал. 6.3 для алгоритму DES).
Рисунок 18 – Передача ключа шифрування даних
Рисунок 18 – Процес шифрування даних за допомогою алгоритму DES у режимі CBC
Рисунок 19 – Структура шифрованого повідомлення при використанні алгоритму AES PN – номер пакета
Недоліками можна вважати дефіцит устаткування, що повністю відповідає всім вимогам і стандартам, які розробляються й приймаються організацією WіMAX – Forum. Устаткування, що випускається для WіMAX різними виробниками, не сумісно один з одним і технічними характеристиками істотно відрізняються від тих, що були закладені в стандарт.
Обмеження використання частот уведені ГОС. Комісією з розподілу частот. Після введення цих обмежень радіус дії й потужність базових станцій у діапазонах, у яких працює WіMAX, сильно обмежили, і у великому місті, чисельність населення якого більше 1 млн. чоловік, радіус дії не повинен перевищувати 3 км. Пристрою з підтримкою WіMAX дороги Поки що дуже обмежене покриття мережі.
5. Принципи побудови мережі WіMAX
Побудова мережі WіMAX припускає використання трьох типів устаткування – базові станції (БС), абонентський комплект (абонентська станція – АС) і встаткування для організації звязку між базовими станціями – ретрансляційні станції (РС).
Рисунок 20 – Об’єднання філіальної мережі в межах міста
Розглянемо топологію мережі SkyMAN. Мережа ШБД SkyMAN може включати одну або кілька базових станцій (БС), обєднаних бездротовими магістралями SkyMAN або іншими каналами звязку. Кожна БС містить від одного до шести секторів. До складу мережі включені ретрансляційні станції (РС), що забезпечують збільшення дальності й дозволяють обходити великі перешкоди, що закривають БС від окремих АС. АС підключаються по радіо до БС або РС. АС, що перебуває в зоні радіовидимості більш ніж однієї БС, може бути зареєстрована на кожній з них, при цьому підтримується адаптивний вибір БС, що забезпечує кращу якість обслуговування. Така властивість системи дозволяє забезпечити гаряче резервування каналу АС-БС, підвищуючи надійність мережі в цілому.
Рисунок 21 – Топологія мережі SkyMAN
Базова станція (БС). БС системи SkyMAN Access призначена для бездротового підключення абонентів до Інтернет і ТФОП, а також обєднання територіально – рознесених корпоративних мереж у єдину мережу.
БС будується по модульному принципі і може включати від одного до 6 модулів, залежно від вимог до пропускної здатності, дальності передачі, використовуваного частотного діапазону й наявності вільних частот. Кожний з модулів (або радіоінтерфейсів у двомодульних моделях) забезпечує обслуговування одного просторового сектора в межах діаграми спрямованості використовуваної антени. Типові значення зони охоплення кожного сектора 360° (один сектор), 120° (три сектори), і 60° (шість секторів). Устаткування БС не накладає певних вимог до ширини сектора, що у конкретних випадках може бути довільною, обумовленою конкретною топологією мережі, наявністю частотного ресурсу й розміщенням абонентів.
До складу БС входять:
– Бездротові маршрутизатори R5000 – від 1 до 6, по одному на сектор. Для малопотужних БС можуть використатися двомодульні бездротові маршрутизатори – по одному на два сектори. Односекторні БС забезпечують швидкість передачі до 54 Мбіт/с. Багатосекторні БС які забезпечують роботу зі швидкістю до 48 Мбіт/з на сектор.
– Антенно-фідерні пристрої – по кількості секторів базової станції.
– Ліцензії для підключення спеціалізованих абонентських станцій, на кожен сектор базової станції.
– Програмне забезпечення для керування мережею SkyMAN
– Комутатор Ethernet (опціонально).
– Шафа для монтажу встаткування (опціонально).
– Джерела безперебійного живлення (опціонально).
Рисунок 22 – Типова схема односекторної БС
Рисунок 23 – Типова схема 6-секторной БС
Рекомендації з побудови БС. Рекомендації з побудови БС випливають із аналізу умов роботи систем фіксованого бездротового доступу:
– Звичайно потік від БС до АС (спадний) значно перевищує потік висхідний.
– Ширина діаграми спрямованості секторної антени БС приблизно в 10 разів більше ширини діаграми спрямованості антени АС.
– Багатосекторних БС працює одночасно з АС різних секторів.
– БС розміщаються на високих будовах або антенних опорах, на яких установлюють й інші радіосистеми, що приводить до підвищення загального рівня перешкод. Крім того, високе розташування антен БС саме по собі приводить до збільшення рівня й кількості перешкод. Як наслідок, відношення сигнал/шум на БС істотно гірше чому на АС.
– Підвищення швидкості передачі практично не погіршує умов роботи сусідніх систем.
– Підвищення швидкості прийому приводить до істотного зниження завадостійкості. Облік специфіки роботи систем фіксованого бездротового доступу дозволив виробити наступні рекомендації:
– На багатосекторних БС швидкість у напрямку БС-АС не повинна перевищувати 48 Мбіт/з, у зворотному напрямку – 24 Мбіт/с.
– Необхідно обмежувати діапазон регулювання швидкості передачі АС знизу, або відслідковувати деградацію швидкості кожного клієнта.
– Використати механізм автоматичного вибору швидкості.
– У холодних регіонах все встаткування БС і всі пристрої з опцією Р300 повинне вибиратися модифікації ВІД, тобто з розширеним температурним діапазоном.
Ретрансляційна станція (РС). РС призначена для підвищення дальності дії БС, обходу великих перешкод, а також для створення протяжних магістральних каналів точка-точка. Кількість підключень послідовно РС не обмежена. До кожної РС може бути підключена одна або трохи РС й/або АС
До складу РС входять:
– Двухмодульний бездротовий маршрутизатор R5000.
– Спрямована антена для звязку із БС (у випадку РС без інтегрованої антени).
– Всеспрямована, секторна або спрямована антена для підключення АС й/або РС.
– Кабелі для підключення антен.
– Ліцензія для підключення спеціалізованих АС до РС.
Для бездротового обєднання мереж діапазонів 2,4 й 5/6 ГГЦ випускаються двомодульні двох діапазонні бездротові маршрутизатори.
Рисунок 24 – Типова схема ретрансляційної станції
Абонентська станція (АС) АС призначена для бездротового підключення абонентів до БС або РС, а також для створення магістральних каналів «точка-точка».
Склад АС:
– Абонентський бездротовий маршрутизатор з інтегрованою антеною або розніманням для підключення зовнішньої антени.
– Спрямована антена й антенний кабель для моделей без інтегрованої антени.
Рисунок 25 – Типові схеми АС
Система керування мережею. Система керування мережею (Network Monіtorіng/Management System – NMS) призначена для моніторингу мережі в реальному часі з метою оперативного керування. Система базується на програмних засобах керування й моніторингу мереж типу HP OpenVіew, WhatsUp і т. п. і забезпечує графічне подання карти мережі й параметрів БС, АС і РС. Крім цього NMS дозволяє вести системний журнал і планувати події за допомогою планувальника. До складу системи також включений ІWR Manager для настроювання встаткування, що реалізує в простій й інтуїтивно зрозумілій формі основні настроювання активних пристроїв мережі. Для тонкого настроювання використається командна мова системи SkyMAN. Основа серії – нова апаратна платформа, заснована на потужному процесорі ІBM PowerPC з тактовою частотою 200–400 Мгц.
Рисунок 26 – Діалогове вікно системи керування мережею
6. Загальна схема мережі
Під час розробки мережі використовувалась топології – SkyMAN та зірка. В топології зірка кожний комп’ютер відєднується окремим кабелем до спільного пристрою, що знаходиться у центрі мережі, і називається концентратором. У функції концентратора входить направлення інформації, що передається якимось комп’ютером, одному чи усім іншим комп’ютерам мережі. Головна перевага даної топології перед спільною шиною – вища надійність. Пошкодження кабелю стосується лише того комп’ютера, до якого цей кабель приєднаний, і тільки несправність концентратора може вивести з ладу всю мережу. Крім того, концентратор може відігравати роль інтелектуального фільтра інформації, що поступає від різних станцій у мережу, і при необхідності блокувати заборонені адміністратором передачі. До недоліків топології типу зірка відноситься вища вартість мережевого обладнання (вартість концентратора). Крім того, можливості з нарощення кількості станцій у мережі обмежуються кількістю портів концентратора.
Підчас розробки мережі обраховувався час затримки проходження сигналу від найдальшої робочої станції до концентратора. Найбільша відстань від маршрутизатора до абонента на поверсі 76 м. З’єднання між поверхами виконується за допомогою точок доступу мережі WiMAX. В межах поверху неекранована вита пара (UTP5). Концентраторі і точка доступу розміщуються в коридорі на кожному поверсі. Таке розміщення здешевить витрати на монтуванні та витраті кабелю. Базова станція яка розміщується на четвертому поверсі передає в постійному режимі частоти на точки доступу. Дозволений радіус у великих містах такої базової станції не більше трьох км.
Концентратори на усіх поверхах мають по 4 резервних порти, що забезпечує розширення мережі та підключення нових абонентів майже у всьому будинку, точки доступу дозволять з легкістю використовувати мобільні пристрої для доступу до мережі Інтернет які мають вбудований WiMAX модем.
7. Розрахунок PDV
Розглянемо найкритичнішу ділянку мережі – з найбільш віддаленим концентратором і комп’ютерами.
Врахуємо що
· подвоєна затримка вноситься повторювачем класу 1, рівна 33,5*2=67bt (bit interval – бітові інтервали)
· Затримка, що вноситься кабелем
UTP Cat 5 1,112 bt
Точка доступу 1,0 bt
· Два адаптера TX/FX 100 bt
Для розрахунку PDV розглянемо один домен колізій
Отже:
2 адаптера TX = 100bt
Сегмент А 80*1.112=88,96bt
Сегмент В 75*1.112=83,4bt
Стек кінця 2 67bt
PDV=67+88,96+83,4+100=336,36
Отже PDV = 367,16
Додамо ще 10% запасу від знайденого PDV. В результаті PDV = 369,996. Знайдене значення значно менше за 512, отже мережа відповідає стандарту.
Висновок
Для розробки даної курсової роботи було необхідно продумати та пояснити кожний крок. Темою було обрано «розробка мережі архітектури WiMAX», так як у даний час бере провідні мережі являються досить актуальним питанням. Мережа WiMAX являється досить розповсюдженою у великих країнах. Вона являється популярною серед великої кількості людей у різних вікових групах. В курсовій роботі створено схеми мережі по розташування робочих станцій у приміщенні, яка досить непогано спростила задачу. Мережа WiMAX дозволяє легко та зручно користувачам з будованим WiMAX-модемом підключатись до відкритої мережі без особливо-прикладених до цього зусиль. Але як і всі архітектури мереж, мережа WiMAX має свої плюси та мінуси:
1. – Швидкість передачі шестисекторної базової станції до 288 Мбіт/с
2. – Максимальна швидкість передачі односекторної БС й у каналі «точка-точка» – 54 Мбіт/с.
3. – Протокол доступу до середовища на основі адаптивного поллінга.
4. – Потужні можливості Qo і приоритезації графіка, підтримка Voі.
5. – Вбудовані засоби підтримки офісної Voі телефонії.
6. – Підтримка засобів забезпечення безпеки, послуг VPN і брандмауер.
7. – Розвинені інструменти керування мережею й засобу діагностики.
8. – Топологія «точка-багато-точка» і «точка-точка», можливість ретрансляції.
9. – Збереження працездатності в умовах конденсації вологи.
10. – Убудовані засоби грозозахисту тракту ODU-ІDU.
Поставлена задача у створенні курсової роботи за темою «розробка мережі архітектури WiMAX», була виконана у повному обсязі та з додатковими завданнями, які були поставлені для кращої реалізації проекту. При розробці даного проекту, було використано велику кількість літератури, з метою покращення своїх знань та навичок. Література використовувалась, також з метою докладнішого вивчення властивостей різних елементів мережі.
До цього проекту була розроблена пояснювальна записка, згідно самостійної розробки. Дана записка містить вісім розділів для зручної розробки проекту. В кожному розділі детально розписані всі дії які буде необхідно виконати для того щоб реалізувати створення даного проекту.
Список літератури
1. Вишневский В., Портной С., Шахнович И. «Энциклопедия WiMAX. Путь к 4G». «Техносфера» 2009 г.
2. Шахнович И. Статья: «Стандарт широкополосного доступа IEEE 802.16»
3. В.М. Вишневский, А.И. Ляхов, С.Л. Портной, И.В. Шахнович «Широкосмугові беспроводные сети передачи информации» М. Техносфера, 2005.
4. WiMAX Forum http://www.wimaxforum.org/.
5. Григорьев В.А., Лагутенко О.И., Распаев Ю.А. Сети и системы радиодоступа. – М.:Эко-Трендз, 2005. – 384 с.