mnroff

Just another WordPress.com site

Стандарт широкополосного доступа IEEE 802.16

Обзор и особенности стандарта 802.16-2004

Стандарт описывает принципы построения сетей регионального масштаба в диапазонах до 66 ГГц – точнее, их физический и МАС-уровни. Для этого предусмотрено пять режимов (см. Таблица 1 Основные режимы в стандарте IEEE 802.16-2004). Из них только WirelessMAN-SC предназначен для работы в диапазоне 10-66 ГГц. Он ориентирован на магистральные сети (“точка-точка”, “точка-многоточка”), работающие в режиме прямой видимости (ибо затухание столь высокочастотных сигналов при отражении очень велико) с типичными скоростями потока данных (bit stream) 120 Мбит/с и шириной канала порядка 25 МГц. Это фактически описанный в документе IEEE 802.16-2001 радиоинтерфейс широкополосного доступа с модуляцией одной несущей на канал (SC – single carrier).

Остальные режимы разработаны для диапазонов менее 11 ГГц. Один из них – WirelessMAN-SCa – это “низкочастотная” вариация WirelessMAN-SC (с рядом дополнительных механизмов, в частности допускается 256-позиционная квадратурная модуляция 256-QAM). Другой, WirelessHUMAN, предназначен для работы в безлицензионных диапазонах (главным образом в США). Зато два оставшихся режима – WirelessMAN-OFDM и WirelessMAN-OFDMA – это принципиально новые по отношению к IEEE 802.16-2001 методы.

Все режимы диапазона ниже 11 ГГц отличают три характерных детали – это механизмы автоматического запроса повторной передачи (ARQ – automatic repeat request), поддержка ра6оты с адаптивными антенными системами (AAS – adaptive antenna system) и пространственно-временное кодирование (STC – space time coding) при работе с AAS. Кроме того, помимо централизованной архитектуры “точка-многоточка”, в диапазоне ниже 11 ГГц предусмотрена поддержка архитектуры Mesh-сети (“сетки” – децентрализованной сети взаимодействующих друг с другом систем). Фактически Mesh-сеть является аналогом локальных ad-hoc-сетей стандарта IEEE 802.11.

Таблица 1 Основные режимы в стандарте IEEE 802.16-2004

Режим Частотный

 

диапазон, ГГц

Опции Метод дуплексирования
WirelessMAN-SC 10-66 TDD / FDD
WirelessMAN-SCa < 11 AAS / ARQ / STC / TDD / FDD
WirelessMAN-OFDM < 11 AAS / ARQ / STC / Mesh TDD / FDD
WirelessMAN-OFDMA < 11 AAS / ARQ / STC / TDD / FDD
WirelessHUMAN < 11, безлицен зионный диапазон* DFS / AAS /ARQ / Mesh /STC TDD

*В США и Европе.

Особенность стандарта IEEE 802.16-2004 – режим WirelessHUMAN (High-speed Unlicensed Metropolitan Area Network). Фактически этот режим представляет собой адаптацию описанных в стандарте IEEE 802.16-2004 режимов для работы в безлицензионных диапазонах частот (в зоне 5-6 ГГц(в России этот диапазон лицензируется)). Основные отличия WirelessHUMAN – это использование только временного дуплексирования, режим динамического распределения частот (DFS – dynamic frequency selection) и механизм сквозной нумерации частотных каналов.

Существенное внимание в стандарте IEEE 802.16-2004 уделено качеству обслуживания (QoS), а также механизмам защиты данных и соединений. Учитывая, что IEEE 802.16 принципиально ориентирован на работу в лицензируемых диапазонах, а также его фактически общемировое признание (в Европе он принят ETSI под именем HiperMAN) и поддержку ведущих производителей СБИС и телекоммуникационного оборудования (объединившихся в WiMAX Forum), можно с большой степенью уверенности предположить, что в ближайшие годы нас ожидает новая волна “беспроводной революции”. И по своему размаху она может превзойти волны, порожденные появлением персональных компьютеров и сотовых телефонов. Здесь важно отметить, что европейский стандарт HiperMAN, равно как и WiMAX Forum, рассматривает лишь один из режимов стандарта IEEE 802.16-2004, а именно режим OFDM в диапазоне менее 11 ГГц.

МАС-уровень

Стандарт IEEE 802.16 регламентирует работу на физическом и канальном уровнях. Для поддержки протоколов верхнего уровня (АТМ, IP и др.) предусмотрен подуровень “преобразования сервиса”, основная задача процедур которого – распознать и классифицировать тип данных для эффективной их передачи через сети IEEE 802.16. Для оптимизации транслируемых потоков предусмотрен специальный механизм удаления повторяющихся фрагментов заголовков PHS (Payload Header Suppression) пакетов или АТМ-ячеек верхних уровней.

Механизм PHS позволяет избавиться от передачи избыточной информации: на передающем конце пакеты приложений в соответствии с определенными правилами преобразуются в структуры данных МАС-уровня IEEE 802.16, на приемном – восстанавливаются.

Весь поток данных в сетях IEEE 802.16 – это поток пакетов. На основном подуровне MAC формируются пакеты данных (MAС PDU -MAC Protocol Data Unit, блоки данных МАС-уровня), которые затем передаются на физический уровень, инкапсулируются в физические пакеты и транслируются через канал связи. Пакет MAC PDU (далее – PDU) включает заголовок и поле данных (его может и не быть), за которым может следовать контрольная сумма CRC. Заголовок PDU занимает 6 байт и может быть двух типов – общий и заголовок запроса полосы пропускания. Общий заголовок используется в пакетах, у которых присутствует поле данных. В этом заголовке указывается идентификатор соединения (CID), тип и контрольная сумма заголовка, а также приводится информация о наличии в поле данных подзаголовков и сообщений ARQ.

Заголовок запроса полосы (также 6 байт) применяется, когда АС просит у БС выделить или увеличить ей полосу пропускания в нисходящем канале. При этом в заголовке указывается CID и размер требуемой полосы (в байтах, без учета заголовков физических пакетов). Поля данных после заголовков запроса полосы нет.

Поле данных может содержать: подзаголовки МАС, управляющие сообщения и собственно данные приложений верхних уровней, преобразованные на CS-подуровне. МАС-подзаголовки могут быть пяти типов – упаковки, фрагментации, управления предоставлением канала, а также подзаголовки Mesh-сети и подзаголовок канала быстрой обратной связи (Fast Feedback).

Управляющие сообщения – это основной механизм управления системой IEEE 802.16. Всего зарезервировано 256 типов управляющих сообщений, из них используются 48. Формат управляющих сообщений прост – поле типа сообщения (1 байт) и поле данных (параметров) произвольной длины.

Описание профилей пакетов, управление доступом, механизмы криптозащиты, динамическое изменение работы системы и т.д. (т.е. все функции управления, предоставления доступа, запроса и подтверждения) реализуются через управляющие сообщения. Рассмотренные ниже карты входящего/нисходящего каналов (UL-/DL-MAP) также являются управляющими сообщениями.

Доступ к каналу предоставляется исключительно базовой станцией по предварительному запросу. Начальная инициализация АС и запрос канала происходят на основе механизма конкурентного доступа в специально отведенных для этого временных интервалах. БС назначает АС время и длительность доступа к каналам в зависимости от типов данных и приоритетов. Канальный ресурс конкретной АС может изменяться посредством опроса (поллинга) со стороны БС (т.е. БС предоставляет АС окно для запроса ресурсов) или специальных управляющих сообщений со стороны АС при очередной передаче данных.

Режим WirelessMAN-OFDM

На физическом уровне стандарт IEEE 802.16 предусматривает три принципиально различных метода передачи данных: метод модуляции одной несущей (SC, в диапазоне ниже 11 ГГц – SCa), метод модуляции посредством ортогональных несущих OFDM (orthogonal frequency division multiplexing) и метод мультиплексирования (множественного доступа) посредством ортогональных несущих OFDMA (orthogonal frequency division multiple access).

Режим OFDM – это метод модуляции потока данных в одном частотном канале (шириной 1-2 МГц и более) с центральной частотой fc. Деление же на каналы, как и в случае SC – частотное.

Рисунок 2 OFDM-символ

Каждая поднесущая модулируется независимо посредством квадратурной амплитудной модуляции. Общий сигнал вычисляется методом обратного быстрого преобразования Фурье (ОБПФ).

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 (Рисунок 3 Формирование вектора инициализации генератора ПСП для рандомизации нисходящего потока OFDM). В восходящем потоке все происходит аналогично, с той лишь разницей, что инициализация генератора ПСП по схеме, приведенной на Рисунок 3 Формирование вектора инициализации генератора ПСП для рандомизации нисходящего потока OFDM, происходит с первого пакета (вместо DIUC используется UIUC – uplink interval usage code).

Рисунок 3 Формирование вектора инициализации генератора ПСП для рандомизации нисходящего потока OFDM

Кодирование данных предполагает каскадный код с двумя стадиями – кодер Рида-Соломона из поля Галуа GF (256) и сверточный кодер. 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 K, перед ними добавляются (239 – K) нулевых байт. После кодирования эти байты удаляются. Если необходимо сократить число проверочных слов, так чтобы уменьшить число восстанавливаемых байт Т, используются только 2Т первых проверочных байтов. Обязательные для поддержки в IEEE 802.16 варианты каскадного кода приведены в Таблица 2 Основные режимы в стандарте IEEE 802.16-2004.

Таблица 2 Основные режимы в стандарте IEEE 802.16-2004

Модуляция Блок данных до кодирования, байт Кодер Рида-Соломона Скорость кодирования сверточного кодера 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

Рисунок 4 Схема сверточного кодера

Кодер Рида-Соломона не используется с двухпозиционной модуляцией BPSK (например, при начальной инициализации АС или запросе полосы). Он также пропускается, когда используется часть субканалов OFDM. В этом случае скорость сверточного кодирования принимается равной общей скорости кодирования (см. Таблица 2 Основные режимы в стандарте IEEE 802.16-2004) (соответственно, размер исходного блока данных умножается на число используемых субканалов, деленное на 16).

Помимо описанного механизма кодирования стандарт предусматривает опциональное применение блоковых турбо6кодов (основанных на кодах Хемминга и контроле четности) и сверточных турбо6кодов.

После кодирования следует процедура перемежения – перемешивания битов в пределах блока кодированных данных, соответствующего OFDM-символу. Эта операция проводится в две стадии. Цель первой – сделать так, чтобы смежные биты оказались разнесенными по несмежным несущим. На второй стадии смежные биты оказываются разнесенными в разные половины последовательности. Все это делается для того, чтобы при групповых ошибках в символе повреждались несмежные биты, которые легко восстановить при декодировании.

Рисунок 5 Векторные диаграммы Грея (представление модуляционных символов) для BPSK, QPSK, 16-QAM и 64-QAM

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 Q и I из векторных диаграмм Грея (Рисунок 5 Векторные диаграммы Грея (представление модуляционных символов) для BPSK, QPSK, 16-QAM и 64-QAM), которые затем используются при непосредственной модуляции несущей.

После определения модуляционных символов посредством ОБПФ вычисляется сам радиосигнал и передается в передатчик. При приеме все процедуры производят в обратном порядке.

В режиме OFDM 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 (Рисунок 6 Структура OFDM-кадров при временном дуплексировании) делится на два субкадра – нисходящий (DL – от БС к АС) и восходящий (UL – от АС 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.

Рисунок 6 Структура OFDM-кадров при временном дуплексировании

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. Первый OFDM-символ использует несущие с индексами, кратными 4, второй – только четные 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 длину 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 DCD/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 базовой станцией определенным абонентским станциям 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 МАС-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 общепринятого в стандарте IEEE 802.16, за исключением дополнительного режима “концентрированного” запроса (Region6Focused). 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 46-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 (заголовка запроса МАС-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.

MESH-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 (Рисунок 7 Пример Mesh-сети). 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.

Рисунок 7 Пример Mesh-сети

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 назначением каналов), либо получают доступ к каналам произвольным (случайным) образом. Каждый узел имеет уникальный 48-разрядный МАС-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 совокупности этих списков от каждого из узлов и происходит управление сетью.

Кадр Mesh-сети делится на управляющий субкадр и субкадр данных (Рисунок 8 Структура кадра Mesh-сети). Длина управляющего субкадра – переменная величина, задаваемая БС. Управляющий 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.

Рисунок 8 Структура кадра Mesh-сети

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 базовой станции 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 (distributed scheduling – DSCH). 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 которых 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.

Источник

Advertisements

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

%d bloggers like this: