Многоуровневая модель взаимодействия стандарта IEEE 802.16-2004 (802.16Revd) PDF Print E-mail
Written by Administrator   
Sunday, 19 August 2012 21:46


К настоящему времени опубликован стандарт ШЕЕ 802.16—2004 (802.16Revd), относящийся к системам WiMAX с фиксированным расположением антенн пользователей, и стандарт ШЕЕ 802.16е, описывающий дополнения, необходимые для организации связи как с фиксированным расположением станций пользователей, так и с мобильными пользователями. В этих стандартах определены характеристики радиоинтерфейса на физическом и МАС-уровнях в соответствии с эталонной моделью взаимодействия открытых систем OSI.

Современные системы связи строятся на основе семиуровневой модели взаимодействия открытых систем OSI. Верхние уровни, относящиеся к приложениям и системам административного управления, хорошо отработаны и достаточно универсальны для многих систем связи. Поэтому при разработке стандартов для технологии WiMAX основное внимание уделяется проработке спецификаций, касающихся нижних уровней, — физической среды PHY (Physical) и уровня доступа к среде MAC (Media Access Control). На рис. 6.1 условно показаны некоторые виды источников данных различных технологий (пользовательский уровень), обслуживаемых системой WiMAX, и их положение относительно уровневой модели открытых систем.
Подуровень конвергенции CS (Convergence Sublayer) предусматривает возможность работы с транспортными технологиями IP, VoIP, ячейками ATM, цифровой телефонией и т. п., как это показано на рис. 6.1. Этот подуровень открыт для адаптации к другим транспортным технологиям-приложениям пользователей. Эти приложения можно условно объединить в четыре группы по степени их толерантности ко времени задержки доставки:

□    Unsolicited Grant Service (UGS) — предназначен для поддержки потоков реального времени, генерирующих пакеты данных фиксированного размера, таких как передача потоков Е1 и голоса поверх IP без подавления пауз;

□    Real-Time Polling Service (rtPS)— предназначен для поддержки потоков реального времени, формирующих пакеты данных переменной длины, таких как MPEG-видео;

□    Non-Real-Time Polling Service (nrtPS) — предназначен для поддержки потоков, требующих пакетов переменной длины, таких как широкополосная FTP;

□    Best Effort (BE) service — предназначен для эффективного обслуживания трафика best effort.

Последние два вида транспортных потоков допускают наличие временных задержек в доставке пакетов данных.

Протокол подуровня должен выполнять следующие процедуры:

П инкапсулировать блок данных PDU (Protocol Data Unit) верхних уровней в естественные для MAC форматы;
□    отображать адреса верхнего уровня в адреса, принятые стандартом WiMAX;

П преобразовывать параметры качества QoS в естественные форматы МАС-уровня;

□    адаптировать временные зависимости трафика верхнего уровня в эквивалентную услугу MAC.

На этом уровне к блоку данных PDU присоединяются необходимые заголовки (в обратном направлении на приеме удаляются), формируя тем самым формат кадра MAC PDU.

В некоторых случаях (передача цифрового аудио/видеовещания) уровень конвергенции и не нужен. Блоки данных таких источников поступают непосредственно на уровень передач.

Интерфейс стандартов 802.16 поддерживает разные типы трафика с различным требованием по скорости передачи, качества QoS, требуемого сетью или IP, и допустимым временам задержек.

Уровень доступа к среде (MAC). На этом уровне протокол между базовой и пользовательской станциями определяет спецификации доступа к радиоканалу. В условиях многопользовательского доступа для устранения коллизий одновременного доступа и переполнения данными буфера приемного устройства в протоколе МАС-уровня определяется, как и когда базовая и пользовательская станции могут начинать передачу в канале, т. е. производится регулирование доступом к среде. В системе нет общего центра коммутации, привычного в системах сотовой связи. Доступ к каналам связи обеспечивается взаимной "договоренностью" между каждой пользовательской станцией и базовой станцией. Используется так называемый множественный доступ с распределением по запросу DAMA (Demand Assigned Multiple Access).

Поскольку для некоторых уровней приложений (например, для передачи ATM-ячеек) необходимо определять уровень предоставляемого качества QoS, то протокол MAC должен уметь распределять пропускную способность таким образом, чтобы удовлетворить требованиям этих приложений. На нисходящей линии (от базовой станции к пользовательским) работает один передатчик, поэтому протокол MAC более простой. В восходящем направлении за доступ к радиоканалам состязаются несколько пользовательских станций, поэтому протокол MAC для управления в этом направлении сложнее.

На МАС-уровне осуществляются функции, связанные с предоставлением услуг пользователям. При передаче производится дополнение блока данных, полученного из вышестоящего подуровня необходимыми полями и адресами, включая поля для обнаружения ошибок. В обратном направлении на приеме выделяется информационная часть, распознаются адресные заголовки и выявляются ошибки.

В стандарте описаны следующие концепции качества:

□    список потока QoS;

□    организация потока услуг;

□    модель двухфазного процесса.

Требования обеспечения качества:

□    функция конфигурации и регистрации для предварительной конфигурации потока услуг и параметров трафика;

□    функции сигнализации для создания возможности динамического управления потоком услуг и параметрами трафика;

□    использование МАС-списка и параметров QoS трафика для образования потока услуг на линии вверх (восходящем потоке);

□    использование параметров QoS трафика для образования потока услуг на линии вниз (нисходящем потоке);

□    группирование потока услуг по их свойствам в группы, называемые классами услуг, в процедурах верхнего уровня и внешних приложениях как на SS, так и на BS;

П использование процедуры запросов на обеспечение необходимого качества QoS.

Механизм обеспечения QoS заключается в присоединении на уровне конвергенции в МАС-заголовок необходимых сведений о типе передаваемого потока. Поток услуг — это однонаправленный поток пакетов, которые обеспечены индивидуальным качеством QoS. BS и SS обеспечивают это качество посредством определения установки параметра QoS для потока услуг. Все каналы потоков услуг имеют 32-битовый идентификатор потока услуг SFID (Service Flow Ш); допускается активация потока услуг по 16-битовому СЮ.

Поток услуг характеризуется заданием QoS-параметров, таких как допускаемое время ожидания, джиттер, требуемая пропускная способность. В частности, поток услуг характеризуется следующими свойствами:

□    Service Flow ID (SFID)— идентификатор потока услуг, назначенный для каждого вида потока услуг. Является принципиальным индикатором потока услуг в сети;
□   CID -   идентификатор соединения. Отображается в SFID и определяет QoS на каждом соединении;

□    Provisioned QoS ParamSet — процедура присвоения необходимого значения качества QoS. Не входит в описание данного стандарта и может быть произведена, например, системным администратором сети;

□    Admitted QoS ParamSet — допустимые параметры QoS. Определены стандартом как QoS-параметры, для обеспечения которых BS (и, возможно, SS) имеют возможности, в частности, резерв полос частот, объем памяти, ресурсы по времени;

О Active QoS ParamSet — определяет начало активации параметров QoS. Пакеты, активированные на обеспечение QoS, обслуживаются первыми;

О Authorisation Module — это логическая функция, с помощью которой BS санкционирует или, наоборот, не допускает любые изменения в QoS и в Классификаторе, совмещенных с потоком услуг.

Защита информации. Защита пользовательской информации (безопасность передачи) осуществляется с помощью криптографических методов. Для этого используются протокол управления ключами конфиденциальности РКМ (Privacy Key Management) и алгоритм шифрования. И в BS, и в SS реализован метод упаковки шифрованных данных, ключ шифрования данных ТЕК (Traffic Encryption Key) и сообщение результата их обработки.

Если в ассоциированном сообщении о переходе в режим шифрования значение SA (Security Association) равно 0x01 (в шестнадцатеричном коде), то данные установленного соединения будут шифроваться в режиме цепного шифрования СВС (Chiper Block Chaining) по алгоритму шифрования данных стандарта США DES (US Data Encryption Standard). Если значение SA равно 0x00, то шифрование производится по алгоритму AES (US Advanced Encryption Standard) стандарта США. Если значение SA равно 0x02, то шифрование производится в режиме ССМ по алгоритму AES (US Advanced Encryption Standard, NIST Special Publication 800-38C, FIPS-197) стандарта США.

Физический уровень PHY обеспечивает выполнение многих функций, связанных непосредственно с передачей и приемом данных. В частности, осуществляет канальное кодирование/декодирование сигнала, генерирование/ удаление начальной комбинации битов для синхронизации, управляет работой передатчика/приемника.

На рис. 6.2 показано расположение уровней и подуровней стандарта 802.16 Revd в модели открытых систем.
Прохождение блоков данных в уровневой модели происходит из слоя в слой через точки доступа (интерфейсы) — SAP (Service Access Point). Для каждой точки доступа из верхних уровней к нижележащим уровням и наоборот спецификациями стандарта определены размеры передаваемого блока данных их поля и форматы в зависимости от типа и назначения передаваемых данных и предоставляемых услуг.

На подуровне общей части MAC производится управление доступом к каналу. Здесь к кадру MAC CS (PDU CS) добавляются МАС-адреса отправителя и получателя и некоторая управляющая информация. В итоге формируется блок данных в виде кадра MAC PDU. На подуровне шифрования производятся процедуры, необходимые для обеспечения режима безопасности. В эти процедуры входят обмен ключами шифрования, ключами аутентификации и авторизации, их вычисление, сравнение и решение об их легитимности. На физическом уровне производится канальное кодирование для подготовки данных к модуляции несущих. В канальное кодирование входят процедуры сверточного и блочного кодирования, перемежения, ввода кодов, обнаруживающих ошибки и корректирующих их (например, коды Рида—Соломона). То есть ведется подготовка данных для модуляции и дальнейшей передачи по ненадежному радиоканалу.

Уровневую модель можно представить как послойное выполнение процедур по подготовке данных на передачу и обратные операции на прием, что наглядно показано на рис. 6.3.