Компьютерная радиосеть WiMax

     1.3. Профили ASN 

     Профилями ASN называют распределение логических функций ASN-сетей между физическими устройствами. В стандарте описано три типа ASN-профилей. Профиль В подразумевает полную свободу производителя – ему соответствует как концентрация всех функций в одном устройстве, так и их произвольное распределение. Профили А и С более конкретны. На уровне описания они чрезвычайно похожи – различие в том, что функции контроллера радиоресурсов (RRC) и управления хэндовером в профиле А отнесены к ASN-шлюзу, а в профиле С – к базовой станции. Несмотря на, казалось бы, незначительное формальное различие, на практике оно привело к тому, что профиль А был официально закрыт летом 2007 года на сессии WiMAX-форума в Мадриде, а общепризнанным стандартом стал профиль С (рис.1.3.1).

     Действительно, профиль А, концентрируя функции  управления в ASN-шлюзе, затрудняет совместимость  оборудования различных поставщиков. В профиле В интеллект базовых станций возрастает, они играют более существенную роль в управлении трафиком и мобильностью. Профиль С – наиболее открытая и потому перспективная система. В нем, в отличие от профиля А, базовые станции ответственны за все управление радиоресурсами и за обеспечение хендовера. В идеальном случае все элементы такой системы взаимозаменяемы на продукты других поставщиков, сертифицированных WiMAX Forum. 

     

     Рисунок 1.3.1.– Распределение основных логических функций между базовой станцией и ASN-шлюзом в соответствии с ASN-профилем С 

     1.4 Режимы работы WiMAX 

     Стандарт 802.16 на данный момент предоставляет следующие режимы:

     - Fixed WiMAX - фиксированный доступ;

     - Nomadic WiMAX - сеансовый доступ;

     - Portable WiMAX - доступ в режиме перемещения;

     - Mobile WiMAX - мобильный доступ.

     Fixed WiMAX. Фиксированный доступ представляет  собой альтернативу широкополосным  проводным технологиям. Стандарт  использует диапазон частот 10-66 ГГц.  Этот частотный диапазон из-за сильного затухания коротких волн требует прямой видимости между передатчиком и приёмником сигнала. С другой стороны, данный частотный диапазон позволяет избежать одной из главных проблем радиосвязи - многолучевого распространения сигнала. При этом ширина каналов связи в этом частотном диапазоне довольно велика (типичное значение - 25 или 28 МГц), что позволяет достигать скоростей передачи до 120 Мбит/с.  

     

     Рисунок 1.4.1. – Fixed WiMAX 

     Nomadic WiMAX. Сеансовый (кочующий) доступ добавил понятие сессий к уже существующему Fixed WiMAX. Наличие сессий позволяет свободно перемещать клиентское оборудование между сессиями и восстанавливать соединение уже с помощью других вышек WiMAX, нежели тех, что были использованы во время предыдущей сессии. Такой режим разработан в основном для портативных устройств, таких, как ноутбуки, КПК. Введение сессий позволяет также уменьшить расход энергии клиентского устройства, что тоже немаловажно для портативных устройств.

     Portable WiMAX. Для режима Portable WiMAX добавлена  возможность автоматического переключения клиента от одной базовой станции WiMAX к другой без потери соединения. Однако для данного режима всё ещё ограничена скорость передвижения клиентского оборудования - 40 км/ч. Впрочем, уже в таком виде можно использовать клиентские устройства в дороге (в автомобиле при движении по жилым районам города, где скорость ограничена, на велосипеде, двигаясь пешком, т.д.). Введение данного режима сделало целесообразным использование технологии WiMAX для смартфонов и КПК.

     Mobile WiMAX был разработан в стандарте 802.16e-2005 и позволил увеличить скорость перемещения клиентского оборудования до более 120 км/ч.  

     

     Рисунок 1.4.2. – Mobile WiMAX 

     Основными достижениями мобильного режима можно  считать нижеприведённые факторы:

1. Устойчивость к многолучевому распространению сигнала и собственным помехам;
2. Масштабируемая пропускная способность канала;
3. Технология Time Division Duplex (TDD), которая позволяет эффективно обрабатывать ассиметричный трафик и упрощает управление сложными системами антенн за счёт эстафетной передачи сессии между каналами;
4. Технология Hybrid-Automatic Repeat Request (H-ARQ), которая позволяет сохранять устойчивое соединение при резкой смене направления движения клиентского оборудования;
5. Распределение выделяемых частот и использование субканалов при высокой загрузке позволяет оптимизировать передачу данных с учётом силы сигнала клиентского оборудования;
6. Управление энергосбережением позволяет оптимизировать затраты энергии на поддержание связи портативных устройств в режиме ожидания или простоя;
7. Технология Network-Optimized Hard Handoff (HHO), которая позволяет до 50 миллисекунд и менее сократить время на переключение клиента между каналами;
8. Технология Multicast and Broadcast Service (MBS), которая объединяет функции DVB-H, MediaFLO и 3GPP E-UTRA для:

     - достижения высокой скорости передачи данных с использованием одночастотной сети;

     - гибкого распределения радиочастот;

     - низкого потребления энергии портативными устройствами:

     - быстрого переключения между каналами.

9. Технология Smart Antenna, поддерживающая субканалы и эстафетную передачу сессии между каналами, что позволяет использовать сложные системы антенн, включая формирование диаграммы направленности, простанственно-временное маркирование, пространственное мультиплексирование (уплотнение);
10. Технология Fractional Frequency Reuse, которая позволяет контролировать наложение/пересечение каналов для повторного задействования частот с минимальными потерями;
11. Размер фрейма в 5 миллисекунд создает оптимальный компромисс между надёжностью передачи данных за счёт использования малых пакетов и накладными расходами за счёт увеличения числа пакетов (и как следствие, заголовков).

 

 

     2. Широрокополосный мобильный доступ под управлением стандарта IEEE 802.16 

     2.1 Стандарт 802.16: стек протоколов 

     Набор протоколов, используемый стандартом 802.16, показан на рисунке 2.1.1. Общая структура подобна другим стандартам серии 802, но больше подуровней. Нижний подуровень занимается физической передачей данных. Используется обычная узкополосная радиосистема с обыкновенными схемами модуляции сигнала. Над физическим уровнем находится подуровень сведения (с ударением на второй слог), скрывающий от уровня передачи данных различия технологий.

     Уровень передачи данных состоит из трех подуровней. Нижний из них относится к защите информации, в которых передача данных осуществляется в эфире, физически никак не защищенном от прослушивания. На этом подуровне производится цифрация, дешифрация данных, а также управления ключами доступа. 

     

     Рисунок 2.1.1 - Стандарт 802.16: стек протоколов. 

     Затем следует общая часть подуровня  МАС. Именно на этом уровне иерархии располагаются  основные протоколы - в частности, протоколы  управления каналом. Здесь станция  контролируют всю систему. Она очень  эффективно распределяет очередность передачи входящего трафика абонентам, немалую роль играет и в управлении исходящим трафиком (от абонента к базовой станции). От всех остальных стандартов 802.x МАС подуровень стандарта 802.16 отличается тем, что он полностью ориентирован на установку соединения. Таким образом, можно гарантировать определенное качество обслуживания при предоставлении услуг телефонной связи и при передаче мультимедиа. 

     2.2 Стандарт 802.16: физический  уровень 

     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 рисунок 2.2.1. 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. 

     

     Рисунок 2.2.1 - Оперативная среда передачи данных сетей 802.16.

     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 ЦАМ-64 с шестью битами на отсчет. На среднем удалении используется ОДМ-16 и 4 бита/бод. Если абонент расположен далеко, то работает схема ЦР5К с Двумя битами на отсчет. Например, при типичной полосе спектра 25 МГц ОДМ-64 дает скорость 150 Мбит/с, СЭАМ-16 - 100 Мбит/с, а СФ5К - 50 Мбит/с. Таким образом чем дальше находится абонент от базовой станции, тем ниже скорость передачи данных. Фазовые диаграммы всех трех методов были показаны на рисунке 2.2.2. 

     

     Рисунок 2.2.2 - Фазовые диаграммы применяемых методов. 

     Стандарт 802.16 обеспечивает гибкость распределения  полосы пропускания. Применяются две  схемы модуляции: FDD (дуплексная связь с частотным разделением) и ТDD (дуплексная связь с временным разделением). Последний метод показан на рисунок 2.2.3. 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. 

     

     Рисунок 2.2.3 - Дуплексная связь с временным разделением: кадры и временные интервалы 

     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 МАС.

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

     Для непосредственного исправления  ошибок на физическом уровне используется код Хэмминга. 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 много 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).

     2.3 Стандарт 802.16 протокол  подуровня МАС 

     Уровень передачи данных разделен на три подуровня. Кадры МАС 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 состоит из базовая станция, которая определяет, что разместить в каждой части кадра. Исходящий канал имеет конкурирующие между собой станции, желающие получить доступ к нему. Его распределение тесно связано с вопросом качества обслуживания. Определены четыре класса сервисов: