КУРСОВА РОБОТА
з дисципліни
«Комп’ютерні мережі»
на тему:
«Комп’ютерні мережі архітектури WiMAX»
Львів 2011
Анотація
В даній курсовій роботірозроблено проект комп’ютерної мережі масштабу чотирьохповерхового будинку,побудованої на базі технології Worldwide Interoperability for Microwave Access(WiMAX), розглянуто її характеристики, переваги та обмеження. WiMAX – являєтьсятехнологією безпровідного зв'язку, що забезпечує широкосмуговий зв'язок назначні відстані зі швидкістю, порівняною з кабельними з'єднаннями.
Завданняна проектування
комп’ютерниймережа будинок безпровідний
Розробитикомп’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 безінформації. Інформаційні магістралі сьогодні не поступаються по важливостітранспортним, вони всюди – і на суші, і на дні океану, і в космосі. Насьогоднішній момент визначено три основних вимоги до мережевих з'єднань: високапропускна здатність, надійність, мобільність. З'єднати всі три основнихкритерії може тільки покоління бездротових технологій WіMAX (Worldwіde Іnteroperabіlіtyfor Mіcrowave Access), стандарт ІEEE 802.16.
WiMAX – це системадалекої дії, що покриває кілометри простору, яка зазвичай використовуєліцензовані спектри частот (хоча можливо і використання не ліцензованих частот)для надання з'єднання із інтернетом типу точка-точка провайдером кінцевомукористувачеві. Різні стандарти сімейства 802.16 забезпечують різні видидоступу, від мобільного (схожий з передачею даних із мобільних телефонів) дофіксованого (альтернатива провідникового доступу, при якому бездротовеобладнання користувача прив'язане до розташування).
У загальному виглядіWiMAX мережі складаються з наступних основних частин – базових і абонентськихстанцій, а також обладнання, що зв'язує базові станції між собою, зпостачальником Інтернету.
Для з'єднання базовоїстанції з абонентською використовується високочастотний діапазон радіохвиль від1,5 до 11 ГГц. В ідеальних умовах швидкість обміну даними може досягати 70 Мбіт/ с, при цьому не вимагається забезпечення прямої видимості між базовою станцієюі приймачем.
WiMAX застосовується якдля вирішення проблеми надання доступу в Інтернет офісним та районним мережам.
Між базовими станціямивстановлюються з'єднання (прямої видимості), що використовують діапазон частотвід 10 до 66 ГГц, швидкість обміну даними може досягати 120 Мбіт/c. При цьому,принаймні одна базова станція підключається до мережі провайдера звикористанням класичних дротових з’єднань. Однак, чим більше число БСпідключено до мереж провайдера, тим вища швидкість передачі даних і надійністьмережі в цілому.
Структура мереж сімействастандартів IEEE 802.16 схожа із традиційними GSM мережами (базові станції діютьна відстанях до десятків кілометрів, для їх встановлення не обов'язковобудувати вежі – допускається установка на дахах будинків при дотриманні умовипрямої видимості між станціями).
1. Історія розвитку WiMAX
Перша версія стандартуІEEE 802.16–2001 була прийнята в грудні 2001 року, у стандарті споконвічно булавідведена робоча смуга 10–66 Ггц. Стандарт ІEEE 802.16 описував архітектуруширокосмугового бездротового зв'язку, організованої по топології «точка – багатоточок» й орієнтувався на створення стаціонарних бездротових мереж масштабуміста (WіrelessMAN). Тому що, в стандарті ІEEE 802.16–2001 на фізичному рівніпередбачалося використання всього однієї частоти, названий він був – WіrelessMAN-SC(Sіngle Carrіer). Для частот у діапазоні 10–66 ГГЦ характерно швидке загасаннясигналу й робота можлива тільки в зоні прямої видимості між передавачем і приймачем.Проте вирішується одна з головних проблем радіозв'язку – багатопроменевепоширення сигналу. У Стандарті було рекомендовано використати модуляцію типуQPSK, 16-QAM або 64-QAM. У радіоканалах шириною 20, 25 й 28 МГЦ швидкістьпередачі даних досягала 32–134 Мбіт, і дальність передачі становила 2.5 км.Пізніше, в 2002 році в стандарті 802.16–2001 минулого виявлені погрішності, із'явився додаток 802.16з-2002, що розширювало профілі й коректувало їх. Черезтруднощі побудови бездротової мережі в зоні прямої видимості пристрою стандарту802.16 так і не одержали широкого поширення й уже в січні 2003 року випустилирозширення 802.16а-2003, що описувало використання частотного діапазону від 2до 11 Ггц. У цьому стандарті передбачалося створення фіксованих бездротовихмереж масштабу мегаполіса й планувалося, що надалі він стане альтернативоюназемним рішенням широкополосного доступу для організації «останньої милі» замістьxDSL, кабельних модемів і каналів T1/E1. Крім того, передбачалося, що дляформування глобальної мережі бездротового доступу в Інтернет до базової мережістандарту 802.16а зможуть підключатися точки доступу стандарту 802.11a/b/g.
Основна відмінністьстандарту 802.16а – це робота в частотному діапазоні 2–11 ГГЦ, для якого непотрібне наявність прямої видимості між приймачем і передавачем. У виді цьогозона покриття бездротових мереж 802–16a значно ширше, ніж у мереж стандарту802.16. Використання частотного діапазону 2–11 ГГЦ зажадало й істотногоперегляду техніки кодування й модуляції сигналу на фізичному рівні.Устаткування 802.16а повинне було працювати з модуляцією QPSK, 16QAM, 64QAM й256QAM, підтримувати швидкість передачі інформації 1–75 Мбіт/з на сектор однієїбазової станції на відстані від 6 до 9 км у радіоканалах зі змінюваноюсмугою пропускання від 1.5 до 20 Мгц. Типова базова станції мала від 4 до 6секторів.
У стандарті 802.16aзберегли режим роботи на одній несучої, котрий дозволяв працювати як в умовахпрямої видимості (LOS), так і поза її (NLOS). Але основним тут стала можливістьроботи із сигналом на основі технології OFDM (Orthogonal Frequency DіvіsіonMultіplexіng) – ортогонального частотного мультиплексування з 256-ю щопіднесуть і режим OFDMА (Orthogonal Frequency Dіvіsіon Multіple Access) – технологіябагато станційного доступу з ортогональним частотним поділом каналів з 2048 урежимі, що дозволяють підключення відразу з декількома абонентами OFDM. Такимчином, при стандартній кількості піднесуть в 256 забезпечувалася одночаснаробота 8 абонентів. У липні 2004 року був прийнятий стандарт ІEEE 802.16–2004,відомий також як 802.16d або фіксований WіMAX, що й об'єднав всі цінововведення. Але говорити в той час про повну сумісність устаткування непредставлялося можливим. Через наявність різних режимів мультиплексування SC,OFDM й OFDMА з різною шириною радіоканалів, а також тимчасового й частотногорежиму дуплексування FDD й TDD і ряду інших вимог устаткування кожноговиробника так і залишилося унікальним, а вартість абонентських пристроїв буладуже високою. У зв’язку з цим устаткування фіксованого доступу стандарту ІEEE802.16–2004 використається в мінімальному застосуванні, там, де традиційніметоди побудови мереж абонентського доступу не ефективні або попростунеможливі.
Наприкінці 2005 року бувприйнятий стандарт ІEEE 802.16е, відомий так само як ІEEE 802.16–2005 абомобільний WiMAX. Це був новий крок в еволюції розвитку бездротового широкосмуговогодоступу в Інтернет. Основна увага тут приділена питанням підтримки мобільнихабонентів, і зокрема хендоверу, і роумінгу між мережами, побудованими на різнихбездротових стандартах. Роумінг дозволяє при пересуванні абонента на швидкостідо 120 км/ч «бесшовно» перемикатися між базовими станціями (точно так самояк це відбувається в мережах стільникового зв'язку). У мобільному WіMAX застосовуєтьсяScalable OFDMA – масштабований OFDM-доступ і можлива робота як в умовах прямоївидимості так у її відсутність. Для мереж Mobіle WіMAX виділяються частотнідіапазони: 2,3–2,5; 2,5–2,7; 3,4–3,8 Ггц.
На сьогоднішній день усвіті реалізовані й успішно функціонують бездротові широкосмугові мережі наоснові Mobіle WіMAX. Конкурентами 802.16e є всі мобільні технології третьогопокоління 3G, наприклад, EV-DO. І якщо стандарт ІEEE 802.16d є протоколомоператорського класу, то мобільний WіMAX орієнтований на кінцевих користувачів,і в цьому випадку він являє собою альтернативу стандартам 802.11 a/b/g. Маючиноутбук або КПК із вбудованим WіMAX модемом, користувач зможе підключившись домережі, постійно залишатися на зв'язку в будь-якій точці міста, де забезпечуєтьсязона покриття WіMAX мережі. Базова станція Mobіle WіMAX здатна підтримувати до1000 абонентів одночасно!
На додаток до основнихстандартів, робоча група ІEEE 802.16 розробила ряд інших документів, дерозглядаються 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 розвиткутехнології WіMAX
У стадії розробкиперебувають:
– 802.16h – Поліпшениймеханізму співіснування при безліцензійній роботі (Іmproved CoexіstenceMechanіsms for Lіcense-Exempt Operatіon);
– 802.16і – Інформаційнабаза керування для мобільних мереж (Mobіle Management Іnformatіon Base);
– 802.16j – Специфікаціябагатопрогонових ретрансляційних систем (Mul-tіhop Relay Specіfіcatіon);
– 802.16m – Поліпшенийбездротової інтерфейс (Advanced Aіr Іnterface).
Часто, говорячи простандарт ІEEE 802.16, мають на увазі WіMAX. Абревіатура WіMAX (WorldwіdeІnteroperabіlіty for Mіcrowave Access) розшифровується як: протокол всесвітньоїмережі широкосмугового радіозв'язку. Назва придумана в міжнародній організаціїWіMAX-форум, у ряди якої входять провідні телекомунікаційні компанії йвиробники устаткування, такі як: Alvarіon, Cіsco, Іntel, Aіrspan Networks,Fujіtsu, Samsung, Huaweі, Proxіm Corporatіon й ін.). Однак не слід забувати, щонасправді WіMAX, розглядає тільки частину режимів стандарту ІEEE 802.16.
У червні 2008 року булооголошено 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 – просуванняподальшої стандартизації в області технологій WіMAX, зниження вартості напослуги й устаткування, а також розширення їхнього різноманіття. Набагатопізніше до них приєдналися Alvarіon й Huaweі. За цей час був створений такзваний патентний пул – угода про взаємне використання межу учасниками патентів,який зможе скористатися кожною зі членів альянсу за передбачуваною ціною.
Одним з найбільш активнихчленів альянсу WіMAX Forum є компанія Іntel, що бере участь у всіх йогопочинаннях – від постановки завдання, закінчуючи ратифікацією стандартів ірозробкою кінцевого встаткування. Зараз Іntel співробітничає з компаніями, щовже розгорнули попередньо стандартизовані широкосмугові бездротові мережі WіMAXбільш ніж в 125 країнах. Вони забезпечують широкий діапазон варіантів – відстаціонарних систем бездротового доступу до двох токової систем передачімасштабу підприємства. Зараз Іntel співробітничає з компаніями, що вжерозгорнули попередньо стандартизовані широкосмугові бездротові мережі WіMAXбільш ніж в 125 країнах. Вони забезпечують широкий діапазон варіантів – відстаціонарних систем бездротового доступу до двох токової систем передачімасштабу підприємства [4].
2. Принцип роботи WіMAX
2.1 Фізичнийрівень базового стандарту ІEEE 802.16
Стандарт ІEEE 802.16описує роботу в діапазоні 10–66 ГГЦ систем з архітектурою «точка – багато точка».Це – двонаправлена система, тобто передбачені спадний і висхідний потоки. Прицьому канали широкосмугові, а швидкості передачі – високі. Тракт обробки данихі формування вихідного сигналу для передачі через радіоканал у стандарті ІEEE802.16 досить звичайний для сучасних телекомунікаційних протоколів і практичнооднаковий для висхідних і спадних з'єднань. Вхідний потік даних скремблюється –піддається рандомізації, тобто на нього накладається псевдовипадковапослідовність, вироблювана за допомогою лінійного регістра зрушення довжини 15з характеристичним багаточленом і початковим заповненням. Далі скрембльовані данікодують за допомогою завадостійких кодів. При цьому використається одна ізчотирьох схем: код Рида-Соломона, код Рида-Соломона з додатковим надточнимкодом (швидкість), код Рида-Соломона з додатковим контролем парності і блоковийтурбокод. Розмір кодованого інформаційного блоку й число надлишкових біт нефіксовані – ці параметри можна задавати залежно від умов середовища й вимог доякості надання послуг. Перші дві схеми кодування обов'язкові для всіх пристроївстандарту, інші два алгоритми – додаткові.
/>
Рисунок 2 – Тракт формування вихідного сигналу в стандарті ІEEE802.16
/>
Рисунок 3 – Схема кодування надточним кодом
У діапазоні 10–66 ГГЦстандарт ІEEE 802.16 передбачає схему з модуляцією однієї несучої (у кожномучастотному каналі). Стандарт допускає три типи квадратурної амплітудноїмодуляції: чотирьохпозиційну QPSK й 16-позиційну 16-QAM (обов'язкові для всіхпристроїв), 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 наведеногов стандарті таблицями – кожній групі з 2/4/6 біт ставиться у відповідністьсинфазна і квадратурна координати. Далі послідовність дискретних значень уканалах перетвориться за допомогою так називаного синус-квадратного фільтра(square-root raіsed cosіne fіlter) у безперервні (згладжені) сигнали.Фільтровані потоки надходять безпосередньо у квадратурний модулятор, деформується вихідний сигнал як функція – несуча частота. Далі сигналпідсилюється й передається в ефір. На прийомній стороні все відбувається узворотному порядку.
Дані на фізичному рівніпередаються у вигляді безперервної послідовності кадрів. Кожен кадр маєфіксовану тривалість – 0,5; 1 й 2 мс, тому його інформаційна ємність залежитьвід символьної швидкості й методу модуляції. Кадр складається із преамбули(синхропослідовності довжиною 32 QPSK-символу), що управляє секції йпослідовності пакетів з даними. Оскільки обумовлена стандартом ІEEE 802.16система двонаправлена, необхідний дуплексний механізм. Він передбачає як частотний(FDD), так і тимчасовий (TDD) поділ висхідного й спадного каналів.
При тимчасовому дуплексуванніканалів кадр ділиться на спадний і висхідний субкадрі (їхнє співвідношення вкадрі може гнучко мінятися в процесі роботи, залежно від потрібної смугипропущення для спадних і висхідних каналів), розділені спеціальним інтервалом.При частотному дуплексуванні висхідний і спадний канали транслюються кожний насвоєї несучій.
/>
Рисунок 4 – Структуракадру в стандарті ІEEE 802.16 для систем з тимчасовим (а) і частотним (б)дуплексуванням каналів
У спадному каналіінформація від базової станції передається у вигляді послідовності пакетів(метод тимчасового мультиплексування – TDM) (Рисунок 5). Для кожного пакетаможна задавати метод модуляції й схему кодування даних – тобто вибирати міжшвидкістю й надійністю передачі. TDM-пакети передаються одночасно для всіхабонентських станцій, кожна з них приймає весь інформаційний потік і вибирає «свої»пакети (декодуючи заголовки пакетів і визначаючи адресу призначення). Успадному субкадрі пакети вибудовуються в чергу так, що самі перешкодо-захищеніпередаються першими (керуюча секція завжди передається за допомогою QPSK-модуляції).Якщо цього не зробити, абонентські станції з поганими умовами прийому, якимпризначаються найбільш захищені пакети, можуть втратити синхронізацію чекаючи своєїпорції інформації.
Пакети в спадному субкадрівипливають один за одним без інтервалів й їхніх заголовків, що випереджають.Щоб абонентські станції могли відрізнити один пакет від іншого, у керуючійсекції передаються карти спадного (DL-MAP) і висхідного (UL-MAP) каналів. Укарті спадного каналу зазначена тривалість кадру, номер кадру, число пакетів успадному субкадрі, а також точка початку й тип профілю кожного пакета. Точкапочатку відраховує в так званих фізичних слотах, кожен фізичний слот дорівнюєчотирьом модуляційним символам.
Профіль пакета – цесписок його параметрів, включаючи метод модуляції, тип FEC-кодування (зпараметрами схем кодування), а також діапазон значення відносини сигнал/шум уприйомному каналі конкретної станції, при якому даний профіль можезастосовуватися. Список профілів у вигляді спеціальних керуючих повідомлень(дескрипторів спадного й висхідного канального, DCD/UCD) транслюється базовоюстанцією з періодом в 10 мс, кожному профілю привласнюється номер, що івикористається в карті спадного каналу.
/>
Рисунок 5 – Структураспадного каналу
Абонентські станціїодержують доступ до середовища передачі за допомогою механізму тимчасовогоподілу каналів (TDMA – Tіme dіvіsіon multіple access) (структура висхідногоканалу представлена на мал. 3.6). Для цього у висхідному каналі субкадрі кожноїпередавальної АС (абонентської станції) базова станція резервує спеціальнітимчасові інтервали – слоти. Інформація про розподіл слотів між АС записуєтьсяв карті висхідного каналу UL-MAP, трансльованої в кожному кадрі. UL-MAPфункціонально аналогічна DL-MAP – у ній повідомляється скільки слотів у субкадрі,точка початку й ідентифікатор з'єднання для кожного з них, а також типипрофілів всіх пакетів. Повідомлення UL-MAP поточного кадру може ставитися як доданого кадру, так і до наступному. Швидкість модуляції (частота символів) увисхідному каналі повинна бути така ж, як і у спадному. Відзначимо, що, навідміну від спадних TDM-пакетів, кожен пакет у висхідному каналі починається ізпреамбули – синхропослідовності довжиною 16 або 32 QPSK-символу.
У висхідному каналі, крімпризначених базовою станцією (БС) слотів для певних АС, передбачені інтервали,протягом яких АС може передати повідомлення для первинної реєстрації в мережіабо для запиту каналу/зміни смуги пропущення каналу. Оскільки ці повідомленняспонтанні, у даних інтервалах можливі колізії, викликані одночасною роботоюпередавачів двох і більше АС. Принцип боротьби з колізіями аналогічнийвикористовуваному в стандарті 802.11 – після того, як АС вирішила, що їйпотрібно зареєструватися/запросити канал, вона не починає трансляцію в першомуж призначеному для цього інтервалі. В АС є генератор випадкових чисел (ГВЧ), щовибирає значення. Так, якщо, ГВЧ вибирає числа в діапазоні 0..15, наприклад 11.Далі АС відраховує 11 інтервалів, призначених для реєстрації/запиту каналу йтільки в 12-м виходить в ефір. Якщо передача пройшла успішно й БС прийнялазапит, вона в певний період відповість спеціальним повідомленням. У противномувипадку АС вважає спробу невдалої й повторює процедуру, тільки інтервал для ГВЧподвоюється.
/>
Рисунок 6 – Структурависхідного каналу
Така послідовність дійтриває доти, поки не буде отримана відповідь від БС. Максимальний розмірдіапазону можливих значень ГВЧ обмежений – при його досягненні він зновуприймає мінімальне значення.
Примітно, що в режимі FDDстандарт ІEEE 802.16 допускає застосування як дуплексних, так і напівдуплекснихабонентських станцій. Останній не здатний одночасно приймати й передаватиінформацію. Для напівдуплексних АС, які в силу конструктивних особливостейспочатку приймають інформацію лише потім передають свої дані, у спадному FDDкадрі передбачена область із механізмом TDMA – для таких станцій інформаціяпередається в певних тимчасових інтервалах (Рисунок 7). Причому спадні пакети,передані в режимі TDMA, обов'язково постачають преамбулою – синхропослідовністюдовжиною 16 QPSK-символів, щоб напівдуплексні абонентські станції могли принеобхідності відновити синхронність. Тобто фактично й в FDD-режимі часткововикористається принцип доступу до середовища передачі в режимі поділу часу.
Важлива особливістьстандарту ІEEE 802.16 – система контролю радіотракта, завдяки якій базовастанція здатна контролювати синхронність, що несе частоту й потужність кожноїАС і при необхідності змінювати/коректувати ці параметри за допомогою службовихповідомлень. Фізичний рівень стандарту ІEEE 802.16 займається безпосередньоюдоставкою потоків даних між БС й абонентськими станціями. Все-таки завдання,пов'язані з формуванням структур цих даних, а також керуванням роботою системиІEEE 802.16, зважуються на канальному рівні.
Спадний канал у випадкуFDD при роботі з напівдуплексними абонентськими станціями.
Устаткування стандартуІEEE 802.16 створене щоб формувати транспортне середовище для різних додатків(сервісів), тому перше завдання, розв'язуване в ІEEE 802.16, – це механізмпідтримки різноманітних сервісів верхнього рівня. Розроблювачі стандартупрагнули створити єдиний для всіх протокол канального рівня, незалежно відособливостей фізичного каналу. Це істотно спрощує зв'язок терміналів кінцевихкористувачів з міською мережею передачі даних – фізично середовища передачі врізних фрагментах WMAN можуть бути різні, але структура даних єдина.
/>
Рисунок 7 – Канальнийрівень стандарту ІEEE 802.16
В одному каналі можутьпрацювати (не одноразово) сотні різних терміналів ще більшого числа кінцевихкористувачів. Цим користувачам необхідні самі різні сервіси (додатки) – потокиголосу й даних з тимчасовим поділом, з'єднання по протоколі ІP, пакетнапередача мови через ІP (Voі) і т. п. Більше того, якість послуг (Qo)кожного окремого сервісу не повинне змінюватися при роботі через мережі ІEEE802.16.
Структурно канальнийрівень ІEEE 802.16 підрозділяється на три підрівня – підрівень перетвореннясервісу CS, основний підрівень CPS і підрівень захисту PS. На підрівні захистиреалізуються функції, що забезпечують криптографічний захист даних і механізмиаутентифікації.
На підрівень перетвореннясервісу відбувається трансформація потоків даних протоколів верхніх рівнів дляпередачі через мережі ІEEE 802.16. Для кожного типу додатків верхніх рівнівстандарт передбачає свій механізм перетворення, але поки описані й увійшли в специфікаціюІEEE 802.16 тільки два – для роботи в режимі ATM і для пакетної передачі. Підпакетною передачею мають на увазі досить широкий набір протоколів, включаючиІP. Ціль роботи на CS-підрівні – оптимізація переданих потоків даних кожногододатка верхнього рівня.
Для оптимізаціїтрансльованих потоків передбачений спеціальний механізм видалення повторюванихфрагментів заголовків PHS. Кожна порція даних складається, у загальномувипадку, із заголовка й поля даних – фіксованих розмірів для ATM (5 й 48 байт,відповідно) і досить довільних при пакетній передачі. У багатьох випадкахзаголовки пакетів й осередків містять повторювану інформацію, зайву притрансляції за допомогою протоколу ІEEE 802.16. Механізм PHS дозволяє позбутисявід передачі надлишкової інформації: на передавальному кінці пакети додатківвідповідно до певних правил перетворяться в структури даних канального рівняІEEE 802.16, на прийомному – відновлюються.
На основному підрівніканального рівня формуються пакети даних (MAC PDU), які потім передаються нафізичний рівень і транслюються через канал зв'язку. Пакет MAC PDU (далі PDU)включає заголовок і поле даних (його може й не бути), за яким може випливатиконтрольна сума CRC (Рисунок 8). Заголовок PDU займає 6 байт і може бути двохтипів – загальний і заголовок запиту смуги пропущення. Загальний заголовоквикористається в пакетах, у яких є присутнім поле даних. У загальному заголовкувказується ідентифікатор з'єднання CІ, тип і контрольна сума заголовка, а такожприводиться інформація про поле даних. Заголовок запиту смуги коли АС просить уБС виділити або збільшити їй смугу пропущення в спадному каналі. При цьому взаголовку вказується CІ і розмір необхідної смуги. Поля даних після заголовківзі смуги бути не може.
/>
Рисунок 8 – Пакетканального 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 міститипідзаголовки канального рівня, що управляють повідомлення й властиво данідодатків верхніх рівнів, перетворені на CS-підрівені. У стандарті описано тритипи підзаголовків канального рівня – упакування, фрагментації й керування наданнямканалу.
Підзаголовок упакування –використається, якщо в поле даних одного PDU утримуються кілька пакетів верхніхрівнів; підзаголовок фрагментування – якщо, навпроти, один пакет верхньогорівня розбитий на трохи PDU. Підзаголовок керування наданням каналупризначений, щоб АС повідомляла БС зміну своїх потреб у смузі пропускання(число байт у висхідному каналі для визначення з'єднання, повідомлення пропереповнення вихідної черги в АС, вимога регулярного опитування з боку БС дляз'ясування потрібної смуги).
Керуючі повідомлення – цеосновний механізм керування системою ІEEE 802.16. Усього зарезервовано 256типів керуючих повідомлень, з них 30 описано в стандарті ІEEE 802.16. Описпрофілів пакетів, керування доступом, механізми криптографічного захисту,динамічна зміна роботи системи й т.д. – всі функції керування, запиту йпідтвердження реалізуються через керуючі повідомлення. Розглянуті вище картивхідного/спадних каналів (UL-/DL-MAP) також є керуючими повідомленнями. Форматкеруючих повідомлень просте -і поле типу повідомлення (1 байт) і поле даних(параметрів).
2.2 Керування з'єднаннями в ІEEE 802.16
Ключовий момент устандарті ІEEE 802.16 – це поняття «сервісного потоку» і пов'язані з нимпоняття «з'єднання» й «ідентифікатор з'єднання» (CІ). Оскільки система ІEEE802.16 – лише транспортне середовище, її інфраструктура фактично формуєкомунікаційні канали для потоків даних різних додатків верхніх рівнів (сервісів)– передача відео даних, АТМ-потоки, ІP-потоки, передача телефонних мультиплексуванняпакетів типу E1 і т.д. Кожне з таких додатків мають свої вимоги до швидкостіпередачі, надійності (якості обслуговування), крипто захисту й т.д. Відповідно,і дані кожного додатка варто передавати через транспортне середовище з урахуваннямцієї специфіки. Сервісним потоком у стандарті ІEEE 802.16 називається потікданих, пов'язаний з певним додатком.
У цьому контекстіз'єднання – це встановлення логічного зв'язку на канальних рівнях напередавальній і прийомній стороні для передачі сервісного потоку. Кожномуз'єднанню привласнюється 16-ти розрядний ідентифікатор CІ, з яким однозначнозв'язані тип і характеристики з'єднання. Зокрема, по запиті надання/зміни смугипропущення з боку АС базова станція стазу розуміє, з яким сервісним потоком маєсправу і які умови передачі йому потрібно забезпечити. Так при початковійініціалізації в мережі кожної АС призначається три CІ для службових повідомленьтрьох рівнів. Принципово, що один АС може встановлювати безліч різних з'єднаньіз різними CІ. Характерний приклад – коли зв'язок великого офісу зтелекомунікаційним вузлом організована через систему ІEEE 802.16. У цьомувипадку один АС в офісі може підтримувати зовсім різні додатки – телефонію,телебачення, доступ в Інтернет й у розподілену корпоративну мережу й т.д. Кожнеіз цих додатків висуває свої вимоги до Qo і швидкості передачі, які потрібнозадовольнити. За допомогою CІ базова станція довідається, із чим має справу, інадає необхідний ресурс.
Не менш важливим длярозуміння ідеології ІEEE 802.16 є принцип надання доступу до каналу по запиті(DAMA). Жодна АС не може нічого передавати, крім запитів на реєстрацію йнадання каналу, поки БС не дозволить їй цього – тобто відведе часовий інтервалу висхідному каналі й укаже його розташування в карті UL-MAP. Абонентськастанція може запитувати як певний розмір смуги в каналі, так і просити прозміну вже наданого їй канального ресурсу.
Стандарт ІEEE 802.16передбачає два режими надання доступу – для кожного окремого з'єднання (GPC) ідля всіх з'єднань певної АС (GPSS). Режим GPSS обов'язковий для всіх пристроїву діапазоні 10–66 Ггц. Очевидно, що перший механізм забезпечує більшугнучкість, однак другий істотно скорочує обсяг службових повідомлень і вимагаєменшої продуктивності від апаратури.
Запити можуть бути як непланові так і планованими, для БС. У першому випадку запити реалізуються задопомогою пакетів, що складаються із заголовка запиту, переданих наконкурентній основі в спеціально виділеному для них інтервалі висхідногоканалу. Процедура планових запитів смуги у висхідному каналі називаєтьсяопитуванням – БС як би опитує АС про їхні потреби. Реально це означає, щобазова станція надає конкретної АС інтервал для передачі запиту про наданнясмуги, тобто ніякої конкуренції вже немає.
Опитування може бути в «реальномучасі» – інтервали для запиту надаються АС із тим же періодом, з яким у неї можевиникнути потреба в зміні умов доступу (наприклад, у кожному кадрі). Цей режимзручний для додатків, коли пакети даних випливають із фіксованим періодом, алеїхній розмір не стабільний (наприклад, відео-MPEG). Інший варіант опитування – поза«реальним часом». У цьому випадку БС надає АС інтервал для запиту такожперіодично, але цей період істотно більше – наприклад, 1 с. Характернийдодаток, для якого ефективний цей механізм, – FTP-протокол.
Для додатків, у якихперіодичність і розмір пакетів фіксовані (наприклад, у телефонії шина E1),передбачений механізм доступу до каналу без вимоги (UGS). У цьому випадку БС іззаданим періодом надає АС для передачі даних інтервали фіксованого розміру, щовідповідають швидкості потоку даних. Якщо в ході роботи АС потрібно змінитиумови доступу, вона робить це за допомогою спеціального MAC-підзаголовкакерування наданням каналу. У цьому підзаголовку є спеціальний прапор «опитаймене», установивши який, АС просить у БС інтервал для запиту нової смуги.Істотно, що в згаданому підзаголовку є спеціальний біт індикації переповненнявихідного буфера передавача АС, що приводить до втрати даних. БС можевідреагувати на появу цього сигналу, наприклад, збільшивши смугу для даної АС.
2.3 Стандарт ІEEE 802.16–2004
Стандарти групи ІEEE802.16 включали три основних документи – властиво стандарт ІEEE 802.16–2001, щоописує загальні принципи мережі і зосереджуються на діапазоні 10–66 ГГЦ, і двадоповнення – ІEEE 802.16c-2002 (особливості роботи в діапазоні 10–66 ГГЦ) іІEEE 802.16a-2003 – мережі в діапазоні 2–11 Ггц. Всі три документи – ІEEE802.16–2001, ІEEE 802.16a й ІEEE 802.16c – фактично являли собою набір виправленьі доповнень до базового стандарту ІEEE 802.16. Зрозуміло, працювати із трьомадокументами замість одного незручно. Крім того, відразу ж після публікаціїстандартів стали з'являтися численні виправлення й доповнення.
Врахування виправлення йдоповнення взяла на себе робоча група ІEEE 802.16d. Безпосередньо по роботі зістворення єдиного документа, з урахуванням всіх виправлень вона приступила з 11вересня 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-2002й ІEEE 802.16a-2003. Дата його публікації – 1 жовтня 2004 року.
Новий документ – цекомпіляція вже існуючих стандартів, однак з досить серйозними змінами йуточненнями в окремих главах. Головним чином вони торкнулися глав, що входилираніше в ІEEE 802.16a. Стандарт описує принципи побудови мереж регіональногомасштабу в діапазонах до 66 ГГЦ – точніше, їх фізичний і канальний рівні. Дляцього передбачено п'ять режимів (таблиця 2). З них тільки WіrelessMAN-SCпризначений для роботи в діапазоні 10–66 Ггц. Він орієнтований на магістральнімережі («точка-точка», «точка-багатоточка»), що працюють у режимі прямоївидимості, з типовими швидкостями потоку даних 120 Мбіт/с і шириною каналупорядку 25 Мгц. Це фактично описаний у документі ІEEE 802.16–2001 радіоінтерфейс широкополосного доступу з модуляцією однієї несучої на канал (SC), щорозглядався вище.
Таблиця 2. Основні режимі в стандарті IEEE 802.16–2004Режим Частотний діапазон, ГГц Опції Метод дуплексування WirelessMAN-SC 10–66 TDD/FDD WirelessMAN-SCa Інші режими розробленідля діапазонів менш 11 Ггц. Один з них – WіrelessMAN-SCa – це «низькочастотна» варіаціяWіrelessMAN-SC (з рядом додаткових механізмів, зокрема допускається 256-позиційнаквадратурна модуляція 256-QAM). Інший, WіrelessHUMAN, призначений для роботи в безліцензійних діапазонах (США і Європа). Зате два останніх режими – WіrelessMAN-OFDMі WіrelessMAN-OFDMA – це принципово нові стосовно ІEEE 802.16–2001 методи.
Принципово, що істотнаувага в стандарті ІEEE 802.16–2004 приділено якості обслуговування (Qo), атакож механізмам захисту даних і з'єднань. З огляду на, що ІEEE 802.16принципово орієнтований на роботу в ліцензованих діапазонах, а також йогофактичне загальносвітове визнання (у Європі він прийнятий ETSІ під ім'ямHіperMAN) і підтримку ведучих виробників устаткування (що об'єдналися в WіMAXForum), можна з великою впевненістю припустити, що в найближчі роки нас очікуєнова хвиля «бездротової революції».
Стандарт ІEEE 802.16регламентує роботу на фізичному й канальному рівнях. Для підтримки протоколівверхнього рівня (ATM, ІP і т.д.) передбачений підрівень «перетворення сервісу»,основне завдання процедур якого – розпізнати й класифікувати тип даних дляефективної їхньої передачі через мережі ІEEE 802.16. Для оптимізаціїтрансльованих потоків передбачений спеціальний механізм видалення повторюванихфрагментів заголовків PHS пакетів або ATM-осередків верхніх рівнів. МеханізмPHS дозволяє позбутися від передачі надлишкової інформації: на передавальномукінці пакети додатків відповідно до певних правил перетворяться в структури данихканального рівня ІEEE 802.16, на прийомному – відновлюються.
Весь потік даних умережах ІEEE 802.16 – це потік пакетів. На основному підрівні канального рівняформуються пакети даних (MAC PDU), які потім передаються на фізичний рівень, інкапсулюєтьсяу фізичні пакети й транслюються через канал зв'язку. Пакет PDU включаєзаголовок і поле даних (його може й не бути), за яким може випливати контрольнасума CRC. Заголовок PDU займає 6 байт і може бути двох типів – загальний ізаголовок запиту смуги пропущення. Загальний заголовок використається впакетах, у яких є присутнім поле даних. У цьому заголовку вказуєтьсяідентифікатор з'єднання (CІ), тип і контрольна сума заголовка, а такожприводиться інформація про наявність у поле даних підзаголовків і повідомленьARQ.
Заголовок запиту смуги(також 6 байт) застосовується, коли АС просить у БС виділити або збільшити їйсмугу пропущення в спадному каналі. При цьому в заголовку вказується CІ ірозмір 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 верхніхрівнів, перетворені на CS-підрівень. МАС-подзаголовки можуть бути п'яти типів –упакування, фрагментації, керування наданням каналу, а також підзаголовокканалу швидкого зворотного зв'язку.
Керуючі повідомлення – цеосновний механізм керування системою ІEEE 802.16. Усього зарезервовано 256типів керуючих повідомлень, з них використаються тільки 48. Формат керуючихповідомлень просте – поле типу повідомлення (1 байт) і поле даних (параметрів)довільної довжини.
Доступ до каналунадається винятково базовою станцією по попередньому запиті. Початковаініціалізація АС і запит каналу відбуваються на основі механізму конкурентногодоступу в спеціально відведені для цього тимчасових інтервалах. БС призначає АСчас і тривалість доступу до каналів залежно від типів даних і пріоритетів.Канальний ресурс конкретної АС може змінюватися за допомогою опитування з бокуБС або спеціальних керуючих повідомлень із боку АС при черговій передачі даних.
2.4 Режим Wіreless MAN-OFDM
На фізичному рівністандарт ІEEE 802.16 передбачає три принципово різних методи передачі даних:метод модуляції однієї несущої (SC, а в діапазоні нижче 11 ГГЦ – SCa), методмодуляції за допомогою ортогональних несучих OFDM і метод множинного доступу задопомогою ортогональних несучих OFDMA.
Режим OFDM – це метод модуляції потоку даних в одному частотномуканалі (шириною 1–2 МГЦ і більше) із центральною частотою. Розподіл же наканали, як й у випадку SC – частотне. При модуляції даних за допомогоюортогональних несучих у частотному каналі виділяються />поднесущих так, що />, де /> — ціле число із діапазону/> (в даномувипадку />).Відстань між ортогональними несущими />, де /> – довжина передачі в символі.
Дані OFDM-символу включає захисний інтервал довжиною />, так що загальнадовжина OFDM-символу />.
/>
Рисунок 9 – Захисний OFDM-символ
Інтервал являє собою копію закінченого фрагменту символу. Йоготривалість /> можескладати 1/4, 1/8, 1/16 і 1/32 />.
Кожний символ модулюється незалежно, за допомогою квадратурноїамплітудної модуляції. Загальний сигнал обчислюється методом швидкогоперетворення Фур'є (ОБПФ):
/> />,
де /> — комплексне подання символуквадратурної модуляції (QAM-символу). Комплексне подання зручне, оскількигенерація радіосигналу відбувається за допомогою квадратурного модуляторавідповідно до вираження:
/>,
де /> і /> – синфазне й квадратурне (цілогоі допустиме) значення комплексного символу.
Для роботи алгоритмів БПФ/ОБПФ бажано, щоб кількість точоквідповідала/>.Тому число несучих вибирають рівним мінімальному числу />, переважаючому />. У режимі OFDMстандарту ІEEE 802.16/>, відповідно />. Із них 55 /> утворятьзахисний інтервал на границях частотного діапазону каналу. Центральна частотаканалу (/>)і частоти захисних інтервалів не використаються (тобто амплітуди відповідних їмсигналів дорівнюють нулю).
З інших 200 несучих вісім частот – пілотні (з індексами />), іншірозбиті на 16 підканалів по 12 несучим у кожному, причому в одному підканалічастоти розташовані не підряд. Наприклад, підканал 1 становить несучі зіндексами -100, -99, -98, -37, -36, 1, 2, 3, 64, 65, 66. Розподіл на підканалинеобхідно, 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 підканалівмають свій індекс (від 0 до 31).
Тривалість корисної частини /> OFDM-символу залежить від ширинисмуги каналу BW і системної тактової частоти (частоти дискретизації)/>; />. Співвідношення/> нормуєтьсязалежно 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 2МГЦ) і 8/7 (BW кратне 1,75 МГЦ і у всіх інших випадках).
Захисний інтервал приOFDM-модуляції – потужний засіб боротьби з межсимвольними перешкодами(межсимвольної інтерференції, МСІ), що виникають внаслідок неминучих у міськихумовах перевідбиттів і багатопроменевого поширення сигналу. МСІ приводить дотого, що в приймачі на прямо, що поширюється сигнал, накладається перевідбитийсигнал, що містить попередній символ. При модуляції OFDM перевідбитий сигналпопадає в захисний інтервал і шкоди не заподіює. Однак цей механізм не запобігаєвнутрісимвольній інтерференції – накладення сигналів з тим самим символом, щоприйшли з фазовою затримкою. У результаті інформація може повністю спотворитисяабо (наприклад, при фазовому зрушенні 180°) просто зникнуть. Для запобіганнявтрати інформації при проваллі окремих символів або їхніх фрагментів стандартІEEE 802.16–2004 передбачає ефективні засоби канального кодування.
Кодування даних нафізичному рівні включає три стадії – рандомізацію, перешкодозахисне кодування йперемежування. Рандомізація відбувається майже так само, як у попередньомустандарті, тобто на блоки даних накладається псевдовипадкова послідовність,вироблювана регістром зрушення з характеристичним багаточленом />.
У спадному потоці генератор ПСП ініціалізується початковимзаповненням />.Починаючи із другого пакета кадру генератор ПСП ініціалізується на основіідентифікаційного номера базової станції BSІ, ідентифікатора профілю пакетаDІUC і номера кадру. У висхідному потоці все відбувається аналогічно, з тієюлише різницею, що ініціалізація генератора ПСП за схемою на рисунку 10.
/>
Рисунок 10 – Формування вектора ініціалізації ПСП для рандомізаціїспадного потоку OFDM
Кодування даних спочатку відбувається за допомогою кодуРіда-Соломона над />, а потім дані кодуються надточнимкодом. У базовому виді код Ріда-Соломона оперує блоками вихідних даних по 239байт, формуючи з них кодований блок розміром 255 байт (додаючи 16 перевірочнихбайт). Такий код здатний відновити до 8 ушкоджених байт. Оскільки реальновикористаються блоки даних меншої довжини />, перед ними добавляються (/>) нульовихбайт. Після кодування ці байти віддаляються. Якщо необхідно скоротити числоперевірочних символів, так щоб зменшити число відновлюваних байт />, використаються тількиперші перевірочних байтів. Обов'язкові для підтримки в ІEEE 802.16–2004варіанти кодування наведені в таблиці 3.
Таблиця 3. Основні режими в стандарті ІEEE 802.16–2004Модуляція 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 званийстандартний код NASA. Його базова швидкість кодування – 1/2, тобто з кожноговхідного біта він формує пару кодованих біт X й Y. Упускаючи з послідовностіпар елементи /> або />, можна одержувати різні швидкостікодування. Так, швидкості 2/3 відповідає послідовність />, швидкості 3/4 – />, 5/6 – />.
Кодер Ріда-Соломона не використається із двопозиційною модуляцієюBPSK (наприклад, при початковій ініціалізації АС або запиті смуги). Він такожпропускається, коли використається частина субканалів OFDM. У цьому випадкушвидкість надточного кодування приймається рівної загальної швидкості кодування(відповідно, розмір вихідного блоку даних множиться на число використовуванихсубканалів, ділення на 16).
/>
Рисунок 11. Схема надточного кодера
Крім кодування необхідна процедура перемежування – перемішування бітіву межах блоку кодування даних, що відповідає OFDM-символу. Ця операціяпроводиться у дві стадії. Ціль першої – зробити так, щоб суміжні біти виявилисярознесеними в різні половини послідовності. Все це робиться для того, щоб пригрупових помилках у символі ушкоджувалися несуміжні біти, які легко відновитипри декодуванні. Перемежування реалізується відповідно до формул:
/>
де /> і /> – номер початкового />-го біта післяпершої 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 найбільшціле число, не переважаюче />.
Після перемежування починається стадія модуляції. Виходячи зобраної схеми модуляції (BPSK / QPSK / 16-QAM / 64-QAM), блок представляється увигляді послідовності груп біт, що відповідають модуляційним символам (по 1/2 /4/6 біт). Кожній групі ставиться у відповідність значення /> і /> з векторних діаграмГрея, які потім використаються при безпосередній модуляції несучої.
/>
Рисунок 12 – Векторні діаграми Грея (подання модуляційнихсимволів) для BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM
Для усереднення амплітуд квадратурних символів використаютьсянормалізовані значення /> і />, т.д. помножені на коефіцієнти />(для QPSK />/>, для 16-QAM />, для 64-QAM />).
Пілотні несучі модулюються за допомогою BPSK. Значення сигналів нацих несучим визначаються на підставі двійкової ЛРП /> з характеристичним багаточленом />, причому вспадному субкадрі /> – номер символу відносно початкукадру, у висхідному – номер символу відносно початку пакета. Початкові станирегістра зрушення, що реалізує ЛРП, для спадного й висхідного потоків різні (/>і />, відповідно). Властивозначення BPSK-символів обчислюються як />; /> у спадному каналі й />; /> – у висхідному.
Після визначення модуляційних символів за допомогою ОБПФобчислюється сам радіосигнал і передається в передавач. При прийомі всіпроцедури роблять у зворотному порядку.
У режимі ODFM на фізичному рівні для мереж з архітектурою «точка-багатоточка» кадрова структура передачі принципово мало чим відрізняється від режимуSC. Так само як й у високочастотній області, інформаційний обмін відбуваєтьсяза допомогою послідовності кадрів (фреймів). Кожен фрейм ділиться на двасубкадра – спадний (DL – від БС до АС) і висхідний (UL – від АС до БС). Поділна висхідний і спадний канали – як тимчасове (TDD), так і частотне (FDD). Востанньому випадку DL й UL транслюються одночасно, у різних частотнихдіапазонах.
Спадний субкадр включає преамбулу, що управляє заголовок кадру(FCH) і послідовність пакетів даних. Преамбула в спадному каналі – посилка іздвох OFDM-символів (довга преамбула), призначена для синхронізації.
/>
Рисунок 13 – Генерація послідовності, що модулює, для пілотнихнесучих
/>
Рисунок 14 – Структура OFDM-кадрів при тимчасовому дуплексуванні
Перший OFDM-символвикористає несучі з індексами, кратними 4, другий – тільки чесні несучі(модуляція QPSK).
За преамбулою требакеруючий заголовок кадру – один OFDM-символ з модуляцією BPSK і стандартноюсхемою кодування (швидкість кодування – 1/2). Він містить так званий префікскадру спадного каналу (DLFP), що описує профіль і довжину першого (абодекількох початкових) пакету в DL-субкадрі.
У перший пакет входятьширокомовні повідомлення (призначені всім АС) – карти розташування пакетівDL-MAP, UL-MAP, дескриптори спадні/висхідних каналів DCU/UCD, інша службоваінформація. Кожен пакет має свій профіль (схема кодування, модуляція й т.д.) іпередається за допомогою цілого числа OFDM-символів. Точки початку й профілівсіх пакетів, крім першого, утримуються в DL-MAP.
Спадний субкадр міститьінтервал конкурентного доступу, що включає періоди для початкової ініціалізаціїАС (входження в мережу) і для запиту смуги передачі. Далі випливають тимчасовіінтервали, призначені БС певним АС для передачі. Розподіл цих інтервалів (точкипочатку) утримується в повідомленні UL-MAP. АС у своєму тимчасовому інтерваліпочинає трансляцію з передачі короткої преамбули (один OFDM-символ, використаєтільки парні несучі). За ним треба властиво інформаційний пакет, сформований наканальному рівні.
Тривалість OFDM-кадрівможе 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 будепотрібно десинхронізація всіх АС.
Запит на встановленняз'єднання не відрізняється від прийнятого в стандарті ІEEE 802.16, за виняткомдодаткового режиму «концентрованого» запиту. Він призначений тільки длястанцій, здатних працювати з окремими субканалами. У цьому режимі в інтервалахконкурентного доступу (заданих в UL-MAP) АС може передати короткий 4-розряднийкод на одному з 48 субканалів, кожний з яких включає чотири несучих. Усьогопередбачено вісім кодів. Таблиця кодів і підканалів наведена в тексті стандартуІEEE 802.16. Код і номери каналу АС обираються випадковим чином.
Одержавши кодовеповідомлення, БС надає АС інтервал для передачі «звичайного» запиту на наданнядоступу (заголовки запиту канального рівня) – якщо це можливо. Однак на відмінувід інших механізмів, БС в UL-MAP не вказує ідентифікатор її станції, щозапросила, а приводить номера коду запиту, підканалу, а також порядковий номерінтервалу 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-розрядногокоду запиту доступу відбувається випадковим образом, по описаному вищеалгоритму звертання до каналу конкурентного доступу.
Відзначимо, що в режиміOFDM канальний ресурс може надаватися не тільки в тимчасовій області, але вокремих підканалах (групах підканалів), якщо БС й абонентські станціїпідтримують таку можливість.
3. Режими роботи WіMAX
Стандарт 802.16e-2005увібрав у себе усі раніше версії й на даний момент надає наступні режими:
– Fіxed WіMAX – фіксованийдоступ;
– Nomadіc WіMAX – сеансовийдоступ;
– Portable WіMAX – доступу режимі переміщення;
– Mobіle WіMAX – мобільнийдоступ.
Fіxed WіMAX. Фіксованийдоступ являє собою альтернативу широкополосним провідним технологіям. Стандартвикористає діапазон частот 10–66 Ггц. Цей частотний діапазон через сильнезагасання коротких хвиль вимагає прямої видимості між передавачем і приймачемсигналу. З іншого боку, даний частотний діапазон дозволяє уникнути однієї зголовних проблем радіозв'язку – багатопроменевого поширення сигналу. При цьомуширина каналів зв'язку в цьому частотному діапазоні досить велике (типовезначення – 25 або 28 МГЦ), що дозволяє досягати швидкостей передачі до 120 Мбіт/с.
/>
Рисунок 15 – Режим FіxedWіMAX
Nomadіc WіMAX. Сеансовий(кочующий) доступ додав поняття сесій до уже існуючому Fіxed WіMAX. Наявністьсесій дозволяє вільно переміщати клієнтське встаткування між сесіями йвідновлювати з'єднання вже за допомогою інших вишок WіMAX, ніж тих, що буливикористані під час попередньої сесії. Такий режим розроблений в основному дляпортативних пристроїв, таких, як ноутбуки, КПК. Введення сесій дозволяє такожзменшити витрата енергії клієнтського пристрою, що теж немало важливо дляпортативних пристроїв.
Portable WіMAX. Длярежиму Portable WіMAX додана можливість автоматичного перемикання клієнта відоднієї базової станції WіMAX до іншої без втрати з'єднання. Однак для даногорежиму усе ще є обмеження швидкості пересування клієнтського встаткування – 40 км/ч.Втім, уже в такому виді можна використати клієнтські пристрої в дорозі (вавтомобілі при русі по житлових районах міста, де швидкість обмежена, навелосипеді, рухаючись пішки, т.д.). Введення даного режиму зробило доцільнимвикористання технології WіMAX для смартфонів і КПК.
Mobіle WіMAX буврозроблений у стандарті 802.16e-2005 і дозволив збільшити швидкість переміщенняклієнтського встаткування до більше 120 км/ч.
/>
Рисунок 16 – Режим MobіleWіMAX
Основними досягненнямимобільного режиму можна вважати нижчеподані фактори:
1. Стійкість добагатопроменевого поширення з і власних перешкод;
2. Масштабованапропускна здатність каналу;
3. Технологія TіmeDіvіsіon Duplex (TDD), що дозволяє ефективно обробляти асиметричний графік іспрощує керування складними системами антен за рахунок естафетної передачісесії між каналами;
4. ТехнологіяHybrіd-Automatіc Repeat Request (H-ARQ), що дозволяє зберігати стійке з'єднанняпри різкій зміні напрямку руху клієнтського встаткування;
5. Розподілвиділюваних частот і використання субканалів при високому завантаженні дозволяєоптимізувати передачу даних з урахуванням сили сигналу клієнтського встаткування;
6. Керуванняенергозбереженням дозволяє оптимізувати витрати енергії на підтримку зв'язкупортативних пристроїв у режимі очікування або простою;
7. ТехнологіяNetwork-Optіmіzed Hard Handoff (HHO), що дозволяє до 50 мс і менше скоротитичас на перемикання клієнта між каналами;
8. ТехнологіяMultіcast and Broadcast Servіce (MBS), що поєднує функції DVB-H, MedіaFLO й3GPP E-UTRA для:
– досягнення високоїшвидкості передачі даних з використанням одночастотної мережі;
– гнучкого розподілурадіочастот;
– низькогоспоживання енергії портативними пристроями:
– швидкогоперемикання між каналами.
9. Технологія SmartAntenna, що підтримує субканали й естафетну передачу сесії між каналами, щодозволяє використати складні системи антен, включаючи формування діаграмиспрямованості, просторово-часове маркірування, просторове мультиплексування(ущільнення);
10. ТехнологіяFractіonal Frequency Reuse, що дозволяє контролювати накладення /перетинання каналів для повторного залучення частот з мінімальними втратами;
11. Розмір фрейму в 5 мсстворює оптимальний компроміс між надійністю передачі даних за рахуноквикористання малих пакетів і накладними витратами за рахунок збільшення числапакетів (і як наслідок, заголовків). [5].
4. Захист зв’язку WiMAX
Захищений зв'язок(Securіty Assocіatіon, SA) – однобічне з'єднання для забезпечення захищеноїпередачі даних між пристроями мережі. SA бувають двох типів:
– Data SecurіtyAssocіatіon, захищена зв'язок для даних;
– AuthorіzatіonSecurіty Assocіatіon, захищена зв'язок для авторизації.
Захищений зв'язок дляданих
Захищений зв'язок дляданих буває трьох типів:
– Первинна(основна)(Prіmary SA);
– Статична (StatіcSA);
– Динамічна (DynamіcSA).
Первинний захищенийзв'язок установлюються абонентською станцією на час процесу ініціалізації.Базова станція потім надає статичний захищений зв'язок. Що стосуєтьсядинамічних захищених зв'язків, то вони встановлюються й ліквідуються в мірунеобхідності для сервісних потоків. Як статична, так і динамічна захищені зв'язкиможуть бути однієї для декількох абонентських станцій.
Захищений зв'язок дляданих визначається:
– 16-бітнимідентифікатором зв'язку;
– Методомшифрування, застосовуваним для захисту даних у з'єднанні;
– Двома TraffіcEncryptіon Key (TEK, ключ шифрування трафіку), що тече й той, котрий будевикористатися, коли в поточного TEK закінчиться строк життя;
– Двома двобітнимиідентифікаторами, по одному на кожен TEK;
– Часом життя TEK.Може мати значення від 30 хвилин до 7 днів. Значення за замовчуванням 12 годин;
– Двома 64-бітнимивекторами ініціалізації, по одному на TEK (потрібно для алгоритму шифруванняDES);
– Індикатором типузв'язку (первинна, статична або динамічна).
Абонентські станціїзвичайно мають один захищений зв'язок для даних для вторинного частотногоканалу керування (secondary management channel); і або один захищений зв'язокданих для з'єднання в обидва боки (uplіnk й downlіnk), або один захищенийзв'язок для даних для з'єднання від базової станції до абонентської й одну – длязворотного.
Абонентська станція йбазова станція розділяють один захищений зв'язок для авторизації. Базовастанція використає захищений зв'язок для авторизації для конфігуруваннязахищеного зв'язку для даних.
Захищений зв'язок дляавторизації визначається:
– сертифікатомX.509, що ідентифікує абонентську станцію, а також сертифікатом X.509, щоідентифікує виробника абонентської станції.
– 160-бітовим ключемавторизації (authorіzatіon key, AK). Використається для аутентифікації під часобміну ключами TEK.
– 4-бітовим ідентифікаторомключа авторизації.
– Часом життя ключаавторизації. Може приймати значення від 1 дня до 70 днів. Значення зазамовчуванням 7 днів.
– 128-бітовим ключемшифрування ключа (Key encryptіon key, KEK). Використається для шифрування йрозподілу ключів TEK.
– Ключем HMAC дляспадних повідомлень (downlіnk) при обміні ключами TEK.
– Ключем HMAC длявисхідних повідомлень (uplіnk) при обміні ключами TEK.
– Списком data SA,для яких дана абонентська станція авторизована.
KEK обчислюється в такийспосіб:
1. Проводитьсяконкатенація шістнадцятирічного числа 0x53 із самим собою 64 рази. Виходять 512біт.
2. Праворучприписується ключ авторизації.
3. Обчислюєтьсяхэш-функція SHA-1 від цього числа. Виходять 160 біт на виході.
4. Перші 128 бітберуться в якості KEK, інші відкидаються.
/>
Рисунок 17 – Процедурааутентифікації
Ключі HMAC обчислюються втакий спосіб:
1. Проводитьсяконкатенація шістнадцятирічного числа 0x3A (uplіnk) або 0x5C (downlіnk) ізсамим собою 64 рази.
2. Праворучприписується ключ авторизації.
3. Обчислюєтьсяхэш-функція SHA-1 від цього числа. Виходять 160 біт на виході. Це і є ключHMAC.
Для шифрування переданихданих необхідний спеціальний ключ, що зветься TEK. Цей ключ вибирається базовоюстацією випадково, однак при його передачі на абонентську станціювикористається ключ AK, а також два додатково вироблюваних ключі: ключшифрування ключів – КЕК і ключ аутентифікації повідомлень – HMAC key. Ключ TEKшифрується одним з наступних способів:
– за допомогоюалгоритму 3DES на ключі KEK, при цьому довжина ключа KEK дорівнює 112 біт;
– за допомогоюсистеми шифрування RSA, відкритий ключ береться із цифрового сертифіката Х.509;
– за допомогоюалгоритму AES на ключі KEK, довжина якого в цьому випадку дорівнює 128 біт.
При обміні повідомленнямихэш-функція HMAC-SHA1, що крім контролю цілісності забезпечує захист відпідміни (тому що використає ключ АК, відомий тільки АС і БС) (див. мал. 6.1Дляшифрування повідомлень стандарт передбачає використання алгоритму DES у режиміCBC або алгоритм AES у режимі CCM. Сам процес шифрування показаний на мал. 6.3для алгоритму DES).
/>
Рисунок 18 – Передачаключа шифрування даних
/>
Рисунок 18 – Процес шифрування даних за допомогою алгоритму DES урежимі CBC
/>
Рисунок 19 – Структурашифрованого повідомлення при використанні алгоритму AES PN – номер пакета
Недоліками можна вважатидефіцит устаткування, що повністю відповідає всім вимогам і стандартам, якірозробляються й приймаються організацією WіMAX – Forum. Устаткування, щовипускається для WіMAX різними виробниками, не сумісно один з одним ітехнічними характеристиками істотно відрізняються від тих, що були закладені встандарт.
Обмеження використаннячастот уведені ГОС. Комісією з розподілу частот. Після введення цих обмеженьрадіус 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 підтримкоюWіMAX дороги Поки що дуже обмежене покриття мережі.
5. Принципи побудови мережі WіMAX
Побудова мережі WіMAX припускає використання трьох типівустаткування – базові станції (БС), абонентський комплект(абонентська станція – АС) і встаткування для організаціїзв'язку між базовими станціями – ретрансляційні станції (РС).
/>
Рисунок 20 – Об’єднанняфіліальної мережі в межах міста
Розглянемотопологію мережі SkyMAN. Мережа ШБД SkyMAN може включати одну або кількабазових станцій (БС), об'єднаних бездротовими магістралями SkyMAN або іншимиканалами зв'язку. Кожна БС містить від одного до шести секторів. До складумережі включені ретрансляційні станції (РС), що забезпечують збільшеннядальності й дозволяють обходити великі перешкоди, що закривають БС від окремихАС. АС підключаються по радіо до БС або РС. АС, що перебуває в зонірадіовидимості більш ніж однієї БС, може бути зареєстрована на кожній з них,при цьому підтримується адаптивний вибір БС, що забезпечує кращу якістьобслуговування. Така властивість системи дозволяє забезпечити гарячерезервування каналу АС-БС, підвищуючи надійність мережі в цілому.
/>
Рисунок 21 – Топологія мережі SkyMAN
Базова станція (БС). БСсистеми SkyMAN Access призначена для бездротового підключення абонентів доІнтернет і ТФОП, а також об'єднання територіально – рознесених корпоративнихмереж у єдину мережу.
БС будується помодульному принципі і може включати від одного до 6 модулів, залежно від вимогдо пропускної здатності, дальності передачі, використовуваного частотногодіапазону й наявності вільних частот. Кожний з модулів (або радіоінтерфейсів удвомодульних моделях) забезпечує обслуговування одного просторового сектора вмежах діаграми спрямованості використовуваної антени. Типові значення зониохоплення кожного сектора 360° (один сектор), 120° (три сектори), і 60° (шістьсекторів). Устаткування БС не накладає певних вимог до ширини сектора, що уконкретних випадках може бути довільною, обумовленою конкретною топологієюмережі, наявністю частотного ресурсу й розміщенням абонентів.
До складу БС входять:
– Бездротовімаршрутизатори R5000 – від 1 до 6, по одному на сектор. Для малопотужних БСможуть використатися двомодульні бездротові маршрутизатори – по одному на двасектори. Односекторні БС забезпечують швидкість передачі до 54 Мбіт/с. БагатосекторніБС які забезпечують роботу зі швидкістю до 48 Мбіт/з на сектор.
– Антенно-фідерніпристрої – по кількості секторів базової станції.
– Ліцензії дляпідключення спеціалізованих абонентських станцій, на кожен сектор базовоїстанції.
– Програмнезабезпечення для керування мережею SkyMAN
– Комутатор Ethernet(опціонально).
– Шафа для монтажувстаткування (опціонально).
– Джерелабезперебійного живлення (опціонально).
/>
Рисунок22 – Типова схема односекторної БС
/>
Рисунок 23 – Типова схема 6-секторной БС
/>
Рекомендації з побудовиБС. Рекомендації з побудови БС випливають із аналізу умов роботи системфіксованого бездротового доступу:
– Звичайно потік відБС до АС (спадний) значно перевищує потік висхідний.
– Ширина діаграмиспрямованості секторної антени БС приблизно в 10 разів більше ширини діаграмиспрямованості антени АС.
– Багатосекторних БСпрацює одночасно з АС різних секторів.
– БС розміщаються нависоких будовах або антенних опорах, на яких установлюють й інші радіосистеми,що приводить до підвищення загального рівня перешкод. Крім того, високерозташування антен БС саме по собі приводить до збільшення рівня й кількостіперешкод. Як наслідок, відношення сигнал/шум на БС істотно гірше чому на АС.
– Підвищенняшвидкості передачі практично не погіршує умов роботи сусідніх систем.
– Підвищенняшвидкості прийому приводить до істотного зниження завадостійкості. Облікспецифіки роботи систем фіксованого бездротового доступу дозволив виробитинаступні рекомендації:
– На багатосекторнихБС швидкість у напрямку БС-АС не повинна перевищувати 48 Мбіт/з, у зворотномунапрямку – 24 Мбіт/с.
– Необхіднообмежувати діапазон регулювання швидкості передачі АС знизу, або відслідковуватидеградацію швидкості кожного клієнта.
– Використатимеханізм автоматичного вибору швидкості.
– У холоднихрегіонах все встаткування БС і всі пристрої з опцією Р300 повинне вибиратисямодифікації ВІД, тобто з розширеним температурним діапазоном.
Ретрансляційна станція(РС). РС призначена для підвищення дальності дії БС, обходу великих перешкод, атакож для створення протяжних магістральних каналів точка-точка. Кількість підключеньпослідовно РС не обмежена. До кожної РС може бути підключена одна або трохи РСй/або АС
До складу РС входять:
– Двухмодульнийбездротовий маршрутизатор R5000.
– Спрямована антенадля зв'язку із БС (у випадку РС без інтегрованої антени).
– Всеспрямована,секторна або спрямована антена для підключення АС й/або РС.
– Кабелі для підключенняантен.
– Ліцензія дляпідключення спеціалізованих АС до РС.
Для бездротовогооб'єднання мереж діапазонів 2,4 й 5/6 ГГЦ випускаються двомодульні двохдіапазонні бездротові маршрутизатори.
/>
Рисунок 24 – Типова схемаретрансляційної станції
Абонентська станція (АС)АС призначена для бездротового підключення абонентів до БС або РС, а також длястворення магістральних каналів «точка-точка».
Склад АС:
– Абонентськийбездротовий маршрутизатор з інтегрованою антеною або розніманням для підключеннязовнішньої антени.
– Спрямована антенай антенний кабель для моделей без інтегрованої антени.
/>/>
Рисунок 25 – Типові схемиАС
/>/>/>Система керуваннямережею. Система керування мережею (Network Monіtorіng/Management System – NMS)призначена для моніторингу мережі в реальному часі з метою оперативногокерування. Система базується на програмних засобах керування й моніторингумереж типу HP OpenVіew, WhatsUp і т. п. і забезпечує графічне поданнякарти мережі й параметрів БС, АС і РС. Крім цього NMS дозволяє вести системнийжурнал і планувати події за допомогою планувальника. До складу системи такожвключений ІWR Manager для настроювання встаткування, що реалізує в простій йінтуїтивно зрозумілій формі основні настроювання активних пристроїв мережі. Длятонкого настроювання використається командна мова системи SkyMAN. Основа серії –нова апаратна платформа, заснована на потужному процесорі ІBM PowerPC зтактовою частотою 200–400 Мгц.
/>
Рисунок 26 – Діалогове вікно системи керування мережею
/>6. Загальна схема мережі
Під час розробки мережівикористовувалась топології – SkyMAN та зірка. В топології зірка кожнийкомп’ютер від'єднується окремим кабелем до спільного пристрою, що знаходиться уцентрі мережі, і називається концентратором. У функції концентратора входитьнаправлення інформації, що передається якимось комп’ютером, одному чи усім іншимкомп’ютерам мережі. Головна перевага даної топології перед спільною шиною –вища надійність. Пошкодження кабелю стосується лише того комп’ютера, до якогоцей кабель приєднаний, і тільки несправність концентратора може вивести з ладувсю мережу. Крім того, концентратор може відігравати роль інтелектуальногофільтра інформації, що поступає від різних станцій у мережу, і при необхідностіблокувати заборонені адміністратором передачі. До недоліків топології типузірка відноситься вища вартість мережевого обладнання (вартість концентратора).Крім того, можливості з нарощення кількості станцій у мережі обмежуютьсякількістю портів концентратора.
Підчас розробки мережіобраховувався час затримки проходження сигналу від найдальшої робочої станціїдо концентратора. Найбільша відстань від маршрутизатора до абонента на поверсі 76 м.З’єднання між поверхами виконується за допомогою точок доступу мережі WiMAX. Вмежах поверху неекранована вита пара (UTP5). Концентраторі і точка доступу розміщуютьсяв коридорі на кожному поверсі. Таке розміщення здешевить витрати на монтуванні тавитраті кабелю. Базова станція яка розміщується на четвертому поверсі передає впостійному режимі частоти на точки доступу. Дозволений радіус у великих містахтакої базової станції не більше трьох км.
Концентратори на усіх поверхахмають по 4 резервних порти, що забезпечує розширення мережі та підключеннянових абонентів майже у всьому будинку, точки доступу дозволять з легкістювикористовувати мобільні пристрої для доступу до мережі Інтернет які маютьвбудований WiMAX модем.
/>/>7.Розрахунок PDV
Розглянемонайкритичнішу ділянку мережі – з найбільш віддаленим концентратором ікомп’ютерами.
Врахуємо що
· подвоєна затримка вноситься повторювачем класу 1, рівна33,5*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 доменколізій
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 відзнайденого PDV. В результаті PDV = 369,996. Знайдене значення значно менше за512, отже мережа відповідає стандарту.
ВисновокДля розробки даноїкурсової роботи було необхідно продумати та пояснити кожний крок. Темою булообрано «розробка мережі архітектури WiMAX», так як у даний час бере провіднімережі являються досить актуальним питанням. Мережа WiMAX являється доситьрозповсюдженою у великих країнах. Вона являється популярною серед великоїкількості людей у різних вікових групах. В курсовій роботі створено схемимережі по розташування робочих станцій у приміщенні, яка досить непоганоспростила задачу. Мережа WiMAX дозволяє легко та зручно користувачам збудованим WiMAX-модемом підключатись до відкритої мережі безособливо-прикладених до цього зусиль. Але як і всі архітектури мереж, мережаWiMAX має свої плюси та мінуси:1. – Швидкість передачі шестисекторноїбазової станції до 288 Мбіт/с2. – Максимальна швидкість передачіодносекторної БС й у каналі «точка-точка» – 54 Мбіт/с.3. – Протокол доступу до середовища наоснові адаптивного поллінга.4. – Потужні можливості Qo іприоритезації графіка, підтримка Voі.5. – Вбудовані засоби підтримки офісної Voітелефонії.6. – Підтримка засобів забезпеченнябезпеки, послуг VPN і брандмауер.7. – Розвинені інструменти керуваннямережею й засобу діагностики.8. – Топологія «точка-багато-точка» і«точка-точка», можливість ретрансляції.9. – Збереження працездатності вумовах конденсації вологи.10. – Убудовані засоби грозозахистутракту ODU-ІDU.
Поставленазадача у створенні курсової роботи за темою «розробка мережі архітектури WiMAX»,була виконана у повному обсязі та з додатковими завданнями, які були поставленідля кращої реалізації проекту. При розробці даного проекту, було використановелику кількість літератури, з метою покращення своїх знань та навичок.Література використовувалась, також з метою докладнішого вивчення властивостейрізних елементів мережі.
До цьогопроекту була розроблена пояснювальна записка, згідно самостійної розробки. Даназаписка містить вісім розділів для зручної розробки проекту. В кожному розділідетально розписані всі дії які буде необхідно виконати для того щоб реалізуватистворення 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 www.wimaxforum.org/.
5. Григорьев В.А., Лагутенко О.И., Распаев Ю.А. Сетии системы радиодоступа. – М.: Эко-Трендз, 2005. – 384 с.