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

Модуляция	Блок данных до кодирования, байт	Код Рида-Соломона	Скорость сверточного кодирования	Суммарная скорость кодирования	Блок данных после кодирования, 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

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.

3.4Mesh-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.

3.5Стандарт IEEE 802.16e-2005

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

Позиция	Название	Размер, бит
I	Признак восходящего/нисходящего потока	1
S	Максимальная скорость непрерывного трафика (1200-1921000 бит/с)	6
T	Признак привилегированного трафика	1
B	Максимальный размер пакета (1200-1921000 бит/с)	6
R	Минимальная резервированная скорость	6
L	Максимальная задержка (1 мс - 10 с)	6
S	Признак фиксированной/переменной длины пакетов	1
P	Признак возможности передать МС пейджинговое сообщение в режиме ожидания	1
R	Резерв	4

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].

4 РЕЖИМЫ РАБОТЫ WiMAX

Стандарт 802.16e-2005 вобрал в себя все ранее выходившие версии и на данный момент предоставляет следующие режимы:

- 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].

5 ЗАЩИТА СВЯЗИ

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

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.

Защищенная связь для авторизации

Абонентская станция и базовая станция разделяют одну защищенную связь для авторизации. Базовая станция использует защищенную связь для авторизации для конфигурирования защищенной связи для данных.

Защищенная связь для авторизации определяется:

· сертификатом X.509, идентифицирующим абонентскую станцию, а также сертификатом X.509, идентифицирующим производителя абонентской станции.

· 160-битовым ключом авторизации (authorization key, AK). Используется для аутентификации во время обмена ключами TEK.

· 4-битовым идентификатором ключа авторизации.

· Временем жизни ключа авторизации. Может принимать значение от 1 дня до 70 дней. Значение по умолчанию 7 дней.

· 128-битовым ключом шифрования ключа (Key encryption key, KEK). Используется для шифрования и распределения ключей TEK.

· Ключом HMAC для нисходящих сообщений (downlink) при обмене ключами TEK.

· Ключом HMAC для восходящих сообщений (uplink) при обмене ключами TEK.

· Списком data SA, для которых данная абонентская станция авторизована.

Процедура аутентификации

Рис. 6.1

KEK вычисляется следующим образом:

1. Проводится конкатенация шестнадцатеричного числа 0x53 с самим собой 64 раза. Получаются 512 бит.

2. Справа приписывается ключ авторизации.

3. Вычисляется хэш-функция SHA-1 от этого числа. Получаются 160 бит на выходе.

4. Первые 128 бит берутся в качестве KEK, остальные отбрасываются.

Ключи HMAC вычисляются следующим образом:

1. Проводится конкатенация шестнадцатеричного числа 0x3A (uplink) или 0x5C (downlink) с самим собой 64 раза.

2. Справа приписывается ключ авторизации.

3. Вычисляется хэш-функция SHA-1 от этого числа. Получаются 160 бит на выходе. Это и есть ключ HMAC.

Для шифрования передаваемых данных необходим специальный ключ, который носит название TEK Transport Encryption Key. Этот ключ выбирается базовой стацией случайно, однако при его передаче на абонентскую станцию используется ключ AK, а также два дополнительно вырабатываемых ключа: ключ шифрования ключей - КЕК Key Encryption Key и ключ аутентификации сообщений - HMAC key Message Authentication Key. Ключ TEK шифруется одним из следующих способов:

с помощью алгоритма 3DES на ключе KEK, при этом длина ключа KEK равна 112 бит;

с помощью системы шифрования RSA, открытый ключ берется из цифрового сертификата Х.509;

при помощи алгоритма AES на ключе KEK, длина которого в этом случае равна 128 бит.

При обмене сообщениями хэш-функция HMAC-SHA1, которая помимо контроля целостности обеспечивает защиту от подмены (так как использует ключ АК, известный только АС и БС) (см. рис. 6.1Для шифрования сообщений стандарт предусматривает использование алгоритма DES в режиме CBC или алгоритм AES в режиме CCM. Сам процесс шифрования показан на рис.6.3для алгоритма DES).

Передача ключа шифрования данных

Рис. 6.2

Процесс шифрования данных при помощи алгоритма DES в режиме CBC



Рис. 6.3

Структура шифрованного сообщения при использовании алгоритма AES PN- номер пакета

Рис. 6.4

Недостатки.

Дефицит оборудования, полностью отвечающего всем требованиям и стандартам, которые разрабатываются и принимаются организацией WiMAX - Forum. Оборудование, которое выпускается для WiMAX разными производителями, не совместимо друг с другом и технические характеристики существенно отличаются от тех, что были заложены в стандарт.

Ограничения использования частот введенные Гос. Комиссией по распределению частот. После введения этих ограничений радиус действия и мощность базовых станций в диапазонах, в которых работает WiMAX, сильно ограничили, и в крупном городе, численность населения которого больше 1 млн. человек, радиус действия не должен превышать 3 км.Устройства с поддержкой WiMAX дороги Пока что очень ограниченное покрытие сети.

6 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАДАНИЯ И ЦЕЛИ РАБОТИ

Обеспечить быстроту развертывания, высокую скорость передачи данных, качественную защиту информации передаваемой по сети и мобильность передвижения абонентов. Обеспечить при помощи сети стандарта WiMAX 802.16е доступ к услугам информационных и коммуникационных технологий и сервисных приложений. Основным заданием беспроводной сети является обеспечить высокую пропускную способность, надёжность, мобильность.

Тема дипломной работы состоит в исследовании беспроводной сети стандарта WiMAX 802.16е. Исследованию установки связи между базовой и мобильной станциею, скоростью и надежностью передаваемых пакетов, их криптостойкостью и устойчивостью к внешним помехам. Изучение работы сети в условиях максимального покрытия территории.

Цель работы - изучить структуру, принципы работы и построения сети стандарта WiMAX 802.16е в пределах города. Исследовать качество передаваемой информации (видео, аудио и текстовой) в режиме мобильного передвижения клиента в пределах сети от одной базовой станции к другой. Проверить надежность и защиту передаваемых данных.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

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 «Широкополосные беспроводные сети передачи информации» М. Техносфера, 2005.

4. WiMAX Forum http://www.wimaxforum.org/.

Теоретичний огляд розрахунку покриття WiMax

Розрахунок покриття WiMax - досить неоднозначний процес, що залежить від великої кількості параметрів середовища передачі та тих, що закладені в будову системи WiMax. Розрізняють дві стратегії побудови мережевої інфраструктури WIMAX.

Перша стратегія орієнтована на отримання максимальної щільності потоку даних на заданій території. Дана стратегія застосовується в великих містах з високою щільністю населення з розвиненою проводовою мережевою інфраструктурою. Основною метою є забезпечення конкурентності з проводовим широкосмуговим доступом DSL і надання мультимедійних послуг.

Друга стратегія, застосовна в умовах відсутності або низького рівня конкуренції з боку дротяних систем, припускає таке розміщення базових станцій, яке забезпечує отримання максимальної зони покриття із забезпеченням заданої щільності потоку даних. Дана стратегія застосовна в сільських районах, а також в містах і обласних центрах з низьким розвитком дротяної інфраструктури, що характерний для більшості регіонів України. Реалізація даної стратегії дозволяє отримувати щільність потоку даних 1-6 Mbps/кв.км. Мета реалізації даної стратегії полягає в забезпеченні потрібної для послуг швидкості, що надаються оператором, передачі на максимальних територіях.

Реалізація стратегії максимізації щільності потоку даних на дозволяє при обмеженому частотному ресурсі отримати конкурентну з DSL густину потоку даних (20-40 Mbps/ кв.км) при високій щільності розміщення базових станцій (БС) Base Spacing,що рівна 1-2 км. При цьому TDD БС мають можливість повторного використання частот на одній БС і можливості collocation БС - синхронізації роботи БС з метою виключення взаємних перешкод. В умовах обмеженості частотного ресурсу це дозволяє TDD БС досягати великих значень щільності потоку даних в порівнянні з продуктивнішим устаткуванням FDD, що вимагає для своєї роботи значного частотного ресурсу.

Реалізація стратегії максимізації площі територій, що покриваються послугою, ускладнюється відносно високими втратами потужності радіосигналу при розповсюдженні радіохвиль в діапазоні порядку частот 5 Ггц. Ці втрати на частоті 5 Ггц декілька вище за аналогічні втрати на нижчих частотах 2.5 Ггц і 3.5 Ггц. Проте, застосування стратегії максимізації території, що покривається, на частоті 5 Ггц для фіксованого безпровідного доступу достатньо ефективно. Річ у тому, що фіксований доступ припускає оснащення абонентських терміналів зовнішніми антенами. У мережах WIMAX це можуть бути антени для використання усередині приміщень, якими оснащуються (self-installable) абонентські термінали, що інсталюються абонентами самостійно, і зовнішні антени, що встановлюються поза приміщеннями, вимагають професійної інсталяції оператором зв'язку. По оцінках фахівців, більшість абонентських терміналів, що працюють в мережах WIMAX фіксованого доступу в діапазоні частот 5 Ггц, будуть оснащені зовнішніми антенами. При цьому зовнішні антени 5 Ггц мають в середньому на 5-7 dbi більше посилення в порівнянні з антенами аналогічних розмірів діапазону 2.5 і 3.5 Ггц. Вище посилення зовнішніх абонентських антен якраз і компенсує підвищені втрати при розповсюдженні радіосигналу.

Таким чином, застосування устаткування стандарту IEEE 802.16-2004 дозволяє покривати послугою широкосмугового доступу обширні території з мінімумом витрат, тобто ефективно реалізовувати стратегію максимізації території, що покривається. При цьому важливою особливістю WIMAX мереж є відносно невеликий радіус обслуговування self-installable абонентських терміналів. Втрати потужності при розповсюдженні радіосигналу в умовах міської забудови поза прямою видимістю в діапазоні 5 Ггц набагато більш значні чим, наприклад, в діапазоні частот 2.5 Ггц. Ці підвищені втрати неможливо компенсувати застосуванням в self-installable абонентських терміналах потужних антен. Тому максимальна дальність обслуговування таких абонентів поза прямою видимістю базової станції значно менша, ніж на нижчих частотах, і не перевищує 1 км. Таким чином, в мережах WIMAX діапазону частот 5 Ггц self-installable абонентські термінали практично застосовуватися не будуть. Установка абонентських outdoor терміналів із зовнішніми направленими антенами (зокрема з інтегрованими в корпус терміналу антенами) вимагає професійних навиків і зазвичай проводиться силами оператора зв'язку. Установка абонентського терміналу не вимагає наявності прямої видимості на базову станцію за умови дотримання двох умов:

1) наявність потрібного для використовуваної модуляції відношення SNR сигнал/шум;

2) необхідного перевищення (fade margin 6-12 db) рівнем корисного сигналу відповідного використовуваній модуляції порогу чутливості. Зазвичай дані умови виконуються для абонентських терміналів, оснащених зовнішньою антеною або інтегрованою антеною з високим посиленням, на дальності не більше 3-5 км. від базової станції. На вищих дальностях при установці абонентських терміналів потрібно забезпечити пряму видимість (без обмежень на ступінь закриття зони Френеля).

Принципы построения сети WiMAX

Построение сети WiMAX предполагает использование трёх типов оборудования - базовые станции (БС), абонентский комплект (абонентская станция - АС) и оборудование для организации связи между базовыми станциями - ретрансляционные станции (РС).



Рассмотрим в качестве примера топологию сети SkyMAN (рисунок 2.13).Сеть ШБД SkyMAN может включать одну или несколько базовых станций (БС), объединенных беспроводными магистралями SkyMAN или другими каналами связи. Каждая БС содержит от одного до шести секторов.

Рисунок 2.13 - Топология сети SkyMAN

В состав сети могут быть включены ретрансляционные станции (РС), обеспечивающие увеличение дальности и позволяющие обходить крупные препятствия, закрывающие БС от отдельных АС. АС подключаются по радио к БС или РС. АС, находящаяся в зоне радиовидимости более чем одной БС, может быть зарегистрирована на каждой из них, при этом поддерживается адаптивный выбор БС, обеспечивающей лучшее качество обслуживания. Такое свойство системы позволяет обеспечить горячее резервирование канала АС-БС, повышая надежность сети в целом.

Базовая станция (БС)

БС системы SkyMAN Access предназначена для беспроводного подключения абонентов к Интернет и ТФОП, а также объединения территориально - разнесенных корпоративных сетей в единую сеть.

БС строится по модульному принципу (рисунок 2.14, 2.15) и может включать от одного до 6 модулей, в зависимости от требований к пропускной способности, дальности передачи, используемого частотного диапазона и наличия свободных частот. Каждый из модулей (или радиоинтерфейсов в двухмодульных моделях) обеспечивает обслуживание одного пространственного сектора в пределах диаграммы направленности используемой антенны. Типичные значения зоны охвата каждого сектора 360є (один сектор), 120є (три сектора), и 60є (шесть секторов). Оборудование БС не накладывает определенных требований к ширине сектора, которая в конкретных случаях может быть произвольной, определяемой конкретной топологией сети, наличием частотного ресурса и размещением абонентов.

В состав БС входят:

- Беспроводные маршрутизаторы R5000 - от 1 до 6, по одному на сектор. Для маломощных БС могут использоваться двухмодульные беспроводные маршрутизаторы - по одному на два сектора. Односекторные БС обеспечивают скорость передачи до 54 Мбит/с. Многосекторные БС обеспечивают работу со скоростью до 48 Мбит/с на сектор.

- Антенно-фидерные устройства - по количеству секторов базовой станции.

- Лицензии для подключения специализированных абонентских станций, на каждый сектор базовой станции.

- Программное обеспечение для управления сетью SkyMAN

-Коммутатор Ethernet (опционально).

- Шкаф для монтажа оборудования (опционально).

- Источники бесперебойного питания (опционально).

Рис. 2.14 - Типовая схема односекторной БС



Рисунок 2.15 - Типовая схема 6-секторной БС

Рекомендации по построению БС

Рекомендации по построению БС вытекают из анализа условий работы систем фиксированного беспроводного доступа:

· Обычно поток от БС к АС (нисходящий) значительно превышает поток восходящий.

· Ширина диаграммы направленности секторной антенны БС примерно в 10 раз больше ширины диаграммы направленности антенны АС.

· Многосекторная БС работает одновременно с АС разных секторов.

· БС размещаются на высоких строениях или антенных опорах, на которые устанавливают и другие радиосистемы, что приводит к повышению общего уровня помех. Кроме того, высокое расположение антенн БС само по себе приводит к увеличению уровня и количества помех. Как следствие, отношение сигнал/шум на БС существенно хуже чем на АС.

· Повышение скорости передачи практически не ухудшает условий работы соседних систем.

· Повышение скорости приема приводит к существенному снижению помехоустойчивости. Учет специфики работы систем фиксированного беспроводного доступа позволил выработать следующие рекомендациии:

· На многосекторных БС скорость в направлении БС-АС не должна превышать 48 Мбит/с, в обратном направлении - 24 Мбит/с.

· Необходимо ограничивать диапазон регулирования скорости передачи АС снизу, либо отслеживать деградацию скорости каждого клиента.

· Использовать механизм автоматического выбора скорости.

· В холодных регионах все оборудование БС и все устройства с опцией Р300 должно выбираться модификации ОТ, т.е. с расширенным температурным диапазоном.

Ретрансляционная станция (РС)

РС (рисунок 2.16 ) предназначена для повышения дальности действия БС, обхода крупных препятствий, а также для создания протяженных магистральных каналов точка-точка. Количество последовательно подключаемых РС не ограничено. К каждой РС может быть подключена одна или несколько РС и/или АС

В состав РС входят:

- Двухмодульный беспроводный маршрутизатор R5000.

- Направленная антенна для связи с БС (в случае РС без интегрированной антенны).

- Всенаправленная, секторная или направленная антенна для подключения АС и/или РС.

- Кабели для подключения антенн.

- Лицензия для подключения специализированных АС к РС.

Для беспроводного объединения сетей диапазонов 2,4 и 5/6 ГГц выпускаются двухмодульные двух диапазонные беспроводные маршрутизаторы.

Ретрансляционная станция

Рисунок 2.16 - Типовая схема ретрансляционной станции

Абонентская станция (АС)

АС (Рисунок 2.17 )предназначена для беспроводного подключения абонентов к БС или РС, а также для создания магистральных каналов "точка-точка".

Состав АС:

- Абонентский беспроводный маршрутизатор с интегрированной антенной или разъемом для подключения внешней антенны.

- Направленная антенна и антенный кабель для моделей без интегрированной антенны.



Рисунок 2.17 - Типовые схемы АС

Система управления сетью

Система управления сетью (Рисунок 2.18 ) (Network Monitoring/Management System - NMS) предназначена для мониторинга сети в реальном времени с целью оперативного управления. Система базируется на программных средствах управления и мониторинга сетей типа HP OpenView, WhatsUp и т.п. и обеспечивает графическое представление карты сети и параметров БС, АС и РС. Помимо этого NMS позволяет вести системный журнал и планировать события с помощью планировщика. В состав системы также включен IWR Manager для настройки оборудования, реализующий в простой и интуитивно понятной форме основные настройки активных устройств сети. Для тонкой настройки используется командный язык системы SkyMAN. Основа серии - новая аппаратная платформа, основанная на мощном процессоре IBM PowerPC с тактовой частотой 200-400 МГц.



Рисунок 2.18 - Диалоговое окно системы управления сетью

Особенности и преимущества

- Скорость передачи шестисекторной базовой станции до 288 Мбит/с

- Максимальная скорость передачи односекторной БС и в канале "точка-точка" - 54 Мбит/с.

- Диапазоны частот 2,4-2,4835 ГГц (DSSS и 64OFDM), 5,15-5,35, 5,65-6,07 ГГц (64OFDM).

- Протокол доступа к среде на основе адаптивного поллинга.

- Встроенный маршрутизатор, IP роуминг.

- Мощные возможности QoS и приоритезации трафика, поддержка VoIP.

- Встроенные средства поддержки офисной VoIP телефонии.

- Поддержка средств обеспечения безопасности, услуг VPN и брандмауэр.

- Развитые инструменты управления сетью и средства диагностики.

- Топология "точка-многоточка" и "точка-точка", возможность ретрансляции.

- Наличие моделей с расширенным температурным диапазоном (от -55оС до +60оС).

- Сохранение работоспособности в условиях конденсации влаги.

- Встроенные средства грозозащиты тракта ODU-IDU.