Широкополосные беспроводные сети. Стек протоколов 802.16. Физический уровень.

Установить одну большую антенну на горке где-нибудь рядом с населенным пунктом и расставить на крышах домов абонентов приемные антенны гораздо проще и дешевле, чем рыть траншеи и протягивать кабель. Таким образом, конкурирующие операторы связи оказались крайне заинтересованы в раз­витии многомегабитных беспроводных систем связи, реализующих услуги голо­совой коммуникации, доступа к Интернету, видео по заказу и т. д. Очень неплохо с задачей справляется система LMDS. Однако еще до недавних пор каждый оператор стремился использовать свою собственную систему. Отсутствие стандартов означало, что аппаратное и программное обеспечение не могли быть запущены в массовое производство. Это, в свою очередь, приводило к установке неоправданно высоких цен при низ­кой популярности.

Как было сказано ранее, широкополосным беспроводным сетям необходим ши­рокий частотный спектр, который можно найти только в диапазоне от 10 до 66 ГГц. Миллиметровые волны обладают одним интересным свойством, которое отсутствует у более длинных микроволн: они распространяются не во всех на­правлениях (как звук), а по прямым линиям (как свет). Следовательно, на базо­вой станции должно быть установлено множество антенн, покрывающих различ­ные секторы окружающей территории, как показано на рис. 4.29. В каждом секторе будут свои пользователи. Секторы не зависят друг от друга, чего не ска­жешь о сотовой радиосвязи, в которой сигналы распространяются сразу по всем направлениям.

Поскольку мощность сигнала передаваемых миллиметровых волн сильно уменьшается с увеличением расстояния от передатчика (то есть базовой стан­ции), то и соотношение сигнал/шум также понижается. По этой причине 802.16 использует три различных схемы модуляции в зависимости от удаления абонент­ской станции. Если абонент расположен недалеко от БС, то применяется QAM-64 с шестью битами на отсчет. На среднем удалении используется QAM-16 и 4 бита/бод. Наконец, если абонент расположен далеко, то работает схема QPSK с двумя битами на отсчет. Например, при типичной полосе спектра 25 МГц QAM-64 дает скорость 150 Мбит/с, QAM-16 — 100 Мбит/с, aQPSK — 50 Мбит/с. Други­ми словами, чем дальше находится абонент от базовой станции, тем ниже ско­рость передачи данных (то же самое мы наблюдали в ADSL, см. рис. 2.23). Фазо­вые диаграммы всех трех методов были показаны на рис. 2.21.

Перед разработчиками сетей 802.16 стояла трудная задача: необходимо было создать широкополосную систему с учетом приведенных ранее физических огра­ничений. Для этого следовало продумать наиболее эффективный способ исполь­зования доступного спектра. Схемы работы стандартов GSM и DAMPS были от­вергнуты сразу: и там, и там для входящего и исходящего трафика используются хоть и разные, но эквивалентные по ширине полосы частот. Для голосовой связи это действительно логично, но при работе в Интернете предоставление широкой полосы для исходящего трафика является непозволительной роскошью. Стан­дарт 802.16 обеспечивает гибкость распределения полосы пропускания. Приме­няются две схемы модуляции: FDD(FrequencyDivisionDuplexing — дуплексная связь с частотным разделением) и TDD(TimeDivisionDuplexing — дуплексная связь с временным разделением). Последний метод показан на рис. 4.30. Что здесь происходит? Базовая станция периодически передает кадры, разделенные на временные интервалы. Первая часть временных интервалов отводится под входящий трафик. Затем следует защитный интервал (разделитель), позволяю­щий станциям переключать режимы приема и передачи, а за ним — интервалы исходящего трафика. Число отводимых тактов может динамически меняться, что позволяет подстроить пропускную способность под трафик каждого из на­правлений.

Входящий трафик разбивается на временные интервалы базовой станцией. Она полностью контролирует это направление передачи. Исходящий трафик от абонентов управляется более сложным образом и зависит от требуемого качест­ва обслуживания. Мы еще вернемся к распределению временных интервалов, когда будем обсуждать подуровень MAC.

Еще одним интересным свойством физического уровня является его способ­ность упаковывать несколько соседних кадров MAC в одну физическую пере­дачу. Это дает возможность повысить эффективность распределения спектра путем уменьшения числа различных преамбул и заголовков, столь любимых фи­зическим уровнем.

Необходимо также отметить, что для непосредственного исправления оши­бок на физическом уровне используется код Хэмминга. Почти все сетевые тех­нологии просто полагаются на контрольные суммы и обнаруживают ошибки с их помощью, запрашивая повторную передачу испорченных фрагментов. Но при широкополосной беспроводной связи на больших расстояниях возникает столь­ко ошибок, что их обработкой приходится заниматься физическому уровню, хо­тя на более высоких уровнях и применяется метод контрольных сумм. Основная задача коррекции ошибок на физическом уровне состоит в том, чтобы заставить канал выглядеть лучше, чем он есть на самом деле (точно так же компакт-диски кажутся столь надежными носителями только лишь благодаря тому, что больше половины суммарного числа бит отводится под исправление ошибок на физиче­ском уровне).

43) Широкополосные беспроводные сети. Стандарт 802.16: протокол подуровня MAC.

Проблема распространения проводных сетей только в том, что прокладка волоконно-оптического кабеля, коаксиала или даже витой пары пятой категории к миллионам абонентов обходится очень дорого. Что же делать?

Ответ прост - нужны широкополосные беспровод­ные сети. Установить одну большую антенну на горке где-нибудь рядом с насе­ленным пунктом и расставить на крышах домов абонентов приемные антенны гораздо проще и дешевле, чем рыть траншеи и протягивать кабель. Таким обра­зом, конкурирующие операторы связи оказались крайне заинтересованы в раз­витии многомегабитных беспроводных систем связи, реализующих услуги голо­совой коммуникации, доступа к Интернету, видео по заказу и т. д. Очень неплохо с задачей справляется система LMDS. Однако еще до недавних пор каждый оператор стремился использовать свою собственную систему. Отсутствие стандартов означало, что аппаратное и программное обеспечение не могли быть запущены в массовое производство. Это, в свою очередь, приводило к установке неоправданно высоких цен при низ­кой популярности.

Итак, уровень передачи данных разделен на три подуровня, как показано на рис. 2.28. Достаточно сказать, что для сокрытия передаваемых данных применяется шифрация, причем шифруются только сами данные; а заголовки не шифруются.

Когда абонент соединяется с базовой станцией, выполняется взаимная иден­тификация с использованием алгоритма RSA с открытым ключом (сертификат Х.509). Сама передаваемая информация шифруется с помощью симметричного криптографического ключа: либо DES с цепочкой цифровых блоков, либо трой­ной DES с двумя ключами. Вскоре, возможно, будет добавлен AES(Rijndael). Целостность данных проверяется алгоритмом SHA-1. Ну что, не очень страш­ный абзац получился?

Теперь перейдем к общей части подуровня MAC. Кадры MAC всегда занима­ют целое число временных интервалов физического уровня. Каждый кадр раз­бит на части, первые две из которых содержат карту распределения интервалов между входящим и исходящим трафиком. Там находится информация о том, что передается в каждом такте, а также о том, какие такты свободны. Карта распре­деления входящего потока содержит также разнообразные системные парамет­ры, которые важны для станций, только что подключившихся к эфиру.

Канал входящего трафика устроен довольно просто, поскольку есть базовая станция, которая определяет, что разместить в каждой части кадра. С исходя­щим каналом все несколько сложнее, поскольку имеются конкурирующие меж­ду собой станции, желающие получить доступ к нему. Его распределение тес­но связано с вопросом качества обслуживания. Определены четыре класса сер­висов:

1. Сервис с постоянной битовой скоростью.

2. Сервис реального времени с переменной битовой скоростью.

3. Сервис, работающий не в реальном масштабе времени, с переменной битовой скоростью.

Сервис с обязательством приложения максимальных усилий по предоставле­нию услуг.

Все предоставляемые стандартом 802.16 сервисы ориентированы на соедине­ние, и каждое соединение получает доступ к одному из приведенных ранее клас­сов сервиса. Это определяется при установке связи. Такое решение сильно отли­чается как от 802.11, так и от Ethernet, где отсутствовали какие-либо намеки на установление соединения на подуровне MAC.

Сервис с постоянной битовой скоростью предназначен для передачи несжа­той речи, такой, какая передается по каналу Т1. Здесь требуется передавать пре­допределенный объем данных в предопределенные временные интервалы. Это реализуется путем назначения каждому соединению такого типа своих интерва­лов. После того как канал оказывается распределенным, доступ к временным ин­тервалам осуществляется автоматически, и нет необходимости запрашивать ка­ждый из них по отдельности.

Сервис реального масштаба времени с переменной битовой скоростью приме­няется при передаче сжатых мультимедийных данных и других программных приложений реального времени. Необходимая в каждый момент времени пропу­скная способность может меняться. Та или иная полоса выделяется базовой станцией, которая опрашивает через определенные промежутки времени абонен­та с целью выявления необходимой на текущий момент ширины канала.

Сервис, работающий не в реальном масштабе времени, с переменной битовой скоростью предназначен для интенсивного трафика — например, для передачи файлов большого объема. Здесь базовая станция тоже опрашивает абонентов до­вольно часто, но не в строго установленные моменты времени. Абонент, рабо­тающий с постоянной битовой скоростью, может установить в единицу один из специальных битов своего кадра, тем самым предлагая базовой станции опро­сить его (это означает, что у абонента появились данные, которые нужно пере­дать с новой битовой скоростью).

Если станция не отвечает на kопросов подряд, базовая станция включает ее в широковещательную группу и прекращает персональные опросы. Теперь если станции потребуется передать данные, то во время широковещательного опроса она должна ответить базовой станции, запрашивая тем самым сервис. Таким об­разом, станции с малым трафиком не отнимают у базовой станции ценное время на персональные опросы.

Наконец, сервис с обязательством приложения максимальных усилий исполь­зуется для всех остальных типов передачи. Никаких опросов здесь нет, а стан­ции, желающие захватить канал, должны соперничать с другими станциями, которым требуется тот же класс сервиса. Запрос пропускной способности осуще­ствляется во временных интервалах, помеченных в карте распределения исходя­щего потока как доступные для конкуренции. Если запрос прошел удачно, это будет отмечено в следующей карте распределения входящего потока. В против­ном случае абоненты-неудачники должны продолжать борьбу. Для минимиза­ции числа коллизий используется взятый из Ethernet алгоритм двоичного экс­поненциального отката.

Стандартом определены две формы распределения пропускной способности: для станции и для соединения. В первом случае абонентская станция собирает вместе все требования своих абонентов (например, компьютеров, принадлежа­щих жильцам здания) и осуществляет коллективный запрос. Получив полосу, она распределяет ее между пользователями по своему усмотрению. В последнем случае базовая станция работает с каждым соединением отдельно.

44) Широкополосные беспроводные сети. Стандарт 802.16: структура кадра.

Проблема распространения проводных сетей только в том, что прокладка волоконно-оптического кабеля, коаксиала или даже витой пары пятой категории к миллионам абонентов обходится очень дорого. Что же делать?

Ответ прост - нужны широкополосные беспровод­ные сети. Установить одну большую антенну на горке где-нибудь рядом с насе­ленным пунктом и расставить на крышах домов абонентов приемные антенны гораздо проще и дешевле, чем рыть траншеи и протягивать кабель. Таким обра­зом, конкурирующие операторы связи оказались крайне заинтересованы в раз­витии многомегабитных беспроводных систем связи, реализующих услуги голо­совой коммуникации, доступа к Интернету, видео по заказу и т. д. Очень неплохо с задачей справляется система LMDS. Однако еще до недавних пор каждый оператор стремился использовать свою собственную систему. Отсутствие стандартов означало, что аппаратное и программное обеспечение не могли быть запущены в массовое производство. Это, в свою очередь, приводило к установке неоправданно высоких цен при низ­кой популярности.

м

Все кадры подуровня управления доступом к среде (MAC) начинаются с одного и того же заголовка. За ним следует (или не следует) поле данных, и кончается кадр также необязательным полем контрольной суммы (CRC). Это показано на рис. 4.31. Поле данных отсутствует в служебных кадрах, которые предназначены, например, для запроса временных интервалов. Контрольная сумма (как ни стран­но) тоже является необязательной благодаря тому, что исправление ошибок про­изводится на физическом уровне и никогда не бывает попыток повторно пере­слать кадры информации, передающейся в реальном масштабе времени. Так если все равно нет повторных передач, зачем же беспокоить аппаратуру вычислением и проверкой контрольных сумм?

Давайте кратко рассмотрим поля заголовка (рис. 4.31, а).Бит ЕС говорит о том, шифруется ли поле данных. Поле Тип указывает тип кадра (в частности, сообщает о том, пакуется ли кадр и есть ли фрагментация). Поле CIуказывает на наличие либо отсутствие поля финальной контрольной суммы. Поле ЕК сообща­ет, какой из ключей шифрования используется (если он вообще используется). В поле Длина содержится информация о полной длине кадра, включая заголо­вок. Идентификатор соединения сообщает, какому из соединений принадлежит кадр. В конце заголовка имеется поле Контрольная сумма заголовка, значение которого вычисляется с помощью полинома х⁸ + х² + х + 1.

На рис. 4.31, б показан другой тип кадра. Это кадр запроса канала. Он начина­ется с единичного, а не нулевого бита и в целом напоминает заголовок обычного кадра, за исключением второго и третьего байтов, которые составляют 16-бит­ный номер, говорящий о требуемой полосе для передачи соответствующего чис­ла байтов. В кадре запроса канала отсутствует поле данных, нет и контрольной суммы всего кадра.