<<předchozí Hlavní stránka následující>>


Standard 802.16

Přehled

Tato norma je určena pro připojení první/poslední míle v bezdrátových metropolitních sítích. Primárně definuje použití frekvencí mezi 10 GHz a 66 GHz (topologie PMP: point-to-multipoint1) a pro další standardy předpokládá i využití frekvence 2-11 GHz s topologií PMP případně s Mesh 2 topologií. Dále definuje jednotnou MAC (medium access control) vrstvu která podporuje různá řešení fyzické vrstvy (v materiálech označovaná jako PHY) upravená pro konkrétní frekvence. Standard pro frekvenci 10-66 GHz počítá s obousměrnou komunikací na mnoha licencovaných frekvencích (10.5, 25, 26 GHz...) Zároveň předpokládá vzájemnou interoperabilitu jednotlivých zařízení různých výrobců (=>snížení ceny). Návrh pro 2-11 GHz sítě by měl obsahovat jak licencovaná tak i nelicencovaná pásma. Již v této normě se počítá s požadavkem na zajištění QoS (Quality of Service) závislé na použité aplikaci- u přenosu např. hlasu nebo videa je kritické zpoždění a chybovost je možné do jisté míry tolerovat, zatímco u obecně datových přenosů je tomu právě naopak.

Vrstvy

Obr1: Referenční model normy 802.16, zdroj: IEEE 802.16

Fyzická vrstva- přehled

Fyzická vrstva (dále jako PHY) byla navržena tak aby byly zaručeny pokud možno optimální podmínky pro velkou množinu požadavků (cena, kapacita, rozmístění základních stanic atd.) Aby bylo zaručeno co nejlepší využití spektra je podporována jak TDD (time division duplex 3) tak i FDD (frequency division duplex 4). V obou případech je použit přenosový mechanismus rámců, který umožňuje měnit parametry přenosu (modulace, kódování...) na úrovni jednotlivých rámců pro každou jednotlivou účastnickou stanici.
Nicméně jedním ze základních požadavků (který vyplývá z frekvence) je požadavek přímé viditelnosti (LOS: line-of-sight) mezi základní stanicí a zařízením což značným způsobem omezuje použitelnost celého systému i jeho dostupnost pro koncové uživatele (vyšší náklady). Proto se objevuje nový standard a sice 802.16a.

Specifikace servisních služeb:

Servisní služby fyzické vrstvy jsou MAC vrstvě poskytovány prostřednictvím PHY SAP (service acess point) a to jak u základové tak i účastnické stanice. Služby fyzické vrstvy lze popsat jako množinu mnoha primitiv. Tato primitiva se rozdělují do 3 základních kategorií:
  1. Primitiva určená pro přenos dat, tedy prostředníci pro MAC vrstvu (např. PHY_MACPDU).
  2. Primitiva určená pro interakce typu podvrstva-podvrstva (PHY-PHY) vztahující se k ovládání vrstvy (např. PHY_TXSTART).
  3. 'Management functions'. Primitiva určená pro správu PHY (např. PHY_DCD). Typicky se jedná o přizpůsobení frekvence, power management, korekce zpoždění atd.
Primitiva se jmény "PHY_*.request" jsou generována MAC a určena PHY za účelem volání služby PHY.
Primitiva se jmény "PHY_*.confirmation" jsou generována PHY a určena MAC. Jedná se o potvrzení obdrženého požadavku ("PHY_*.request").
Primitiva se jmény "PHY_*.indication" jsou generována PHY a určena PHY. Obsahují výsledek akce PHY.

Specifikace fyzické vrstva pro 10-66 GHz

Uplink PHY je založen na kombinaci TDMA 3 a DAMA 4. Kanál pro uplink je rozdělen do několika timeslotů, přičemž počet timeslotů přiřazených pro jednotlivá použití je ovládán základovou stanicí a může se v průběhu času měnit pro dosažení optimálního výkonu.
Kanál pro downlink používá multiplex s časovým dělením (TDM 5), informace pro každou účastnickou stanici se vysílá najednou jako jeden proud dat a obdrží ji každá účastnická stanice v daném sektoru. Aby byla zajištěna podpora i pro poloduplexní účastnické stanice (užívající FDD), zůstává v downlinku rezerva pro TDMA.

Rámce:

Specifikace fyzické vrstvy pracuje s rámci. Každý rámec se skládá z uplink podrámce a downlink podrámce. Podrámec pro downlink začíná synchronizačními a řídicími informacemi. Tyto informace by neměly žádným způsobem šifrovány. Pokud je použit TDD, je nejdříve vyslán downlink podrámec a poté následuje uplink podrámec, V případě použití FDD, probíhá přenos souběžně. Rámce mají vždy délku 0.5, 1 nebo 2 ms. Šířka pásma pro downlink je libovolná s krokem o velikosti jednoho fyzického slotu (PS 6). Šířka pásma pro downlink je libovolná s krokem o velikosti jednoho minislotu, kde minislot je 2m fyzických slotů- m je 0-7 .

Downlink:

Jedná se o přenos dat od základové stanice k stanici účastnické (vzhledem k tomu, že termíny downlink/uplink považuji za dostatečně známé a nenapadá mě žádný použitelný český ekvivalent, budu používat anglické termíny).
Downlink subframe
Podrámec pro TDD downlink, zdroj: IEEE 802.16
Začíná úvodní preambulí rámce, která obsahuje informace pro synchronizaci a vyrovnání signálu. Následují řídicí sekce rámce, ve kterých se nacházejí informace o fyzických slotech na kterých začíná shluk pro downlink a uplink. Dále se nachází TDM část která nese data organizovaná do shluků s odlišným shlukovým profilem. Shluky jsou přenášeny sestupně seřazeny podle odolnosti přenosu. Každá účastnická stanice obdrží a dekóduje řídicí informace rámce, podle kterých nalezne hlavičky MAC ve zbytku downlink podrámce.



Podrámec pro FDD downlink, zdroj: IEEE 802.16

Podrámec pro FDD downlink je organizován podobně jako v případě použití TDD. Po řídicí sekci rámce (která kromě namapování TDM shluků obsahuje i namapování TDMA shluků) TDM část obsahuje data určená pro plně duplexní účastnickou stanici nebo poloduplexní účastnickou stanici která má v aktuálním rámci vysílat data později než přijímat nebo pro poloduplexní účastnickou stanici která v aktuálním rámci vysílat nemá. Dále FDD podrámec pokračuje TDMA částí používanou pro posílání dat poloduplexním účastnickým stanicím které mají v aktuálním rámci vysílat dříve než přijímat. To umožňuje každé účastnické stanici aby dekódovala pouze specifickou část podrámce aniž by bylo potřeba jej dekódovat celý.
V TDMA části začíná každý shluk opět preambulí která slouží k opětovné fázové synchronizaci. Tyto shluky již nemusí (na rozdíl od TDM shluků) být vysílány v  žádném pořadí.

Nezávisle na použité metodě (FDD/TDD) obsahuje podrámec vždy řídicí informace- z těch nejdůležitějších například vysílací výkon základové stanice (pro ověření podmínek pro přenos účastnickou stanicí), typ fyzické vrstvy (TDD/FDD), trvání rámce a dále řídicí informace pro jednotlivé shluky- např. použitá modulace, FEC kódování atd.

Uplink

Přenos od účastnické stanice k základové stanici.

Uplink subframe
Podrámec pro uplink, zdroj: IEEE 802.16

Podrámec pro uplink může obsahovat tři skupiny shluků:
  1. Inicializační shluky (Initial Maintenance bursts)- může dojít ke kolizi mezi více účastnickými stanicemi
  2. Shluky obsahující odpovědi na multicast a broadcast vysílání- může dojít ke kolizi mezi více účastnickými stanicemi
  3. Shluky které jsou přenášeny v přidělených intervalech (pro každou účastnickou stanici).
V každém rámci se může nacházet jakýkoliv z těchto shluků. Jejich pořadí není nijak určeno a jejich počet je dohromady omezen pouze počtem dostupných fyzických slotů. Šířka pásma určená pro 1. a 2. skupinu může být alokovaná dohromady. Vysílací mezery (transition gaps) oddělují vysílání jednotlivých účastnických stanic v průběhu podrámce a mohou být základovou stanicí použity pro synchronizaci.
Každý shluk pro uplink začíná preambulí jejíž délka je buď 16 nebo 32 znaků (definovaná základovou stanicí).

Použitá modulace

Pro maximální využití vzduchu jako přenosového média používá PHY víceúrovňovou modulaci. Nastavení modulace může být unikátní pro každou účastnickou stanici v závislosti na kvalitě přenosu. Pokud se podmínky pro spojení zlepší je možné zvolit jinou složitější modulaci, která umožňuje zvětšit propustnost spoje. Pokud se podmínky naopak zhorší (typicky kvůli atmosférickým změnám), lze zvolit modulaci jednodušší, tak aby byla zaručena spolehlivost spojení.
Pro downlink i uplink se je vyžadována modulace QPSK. Dále je volitelně podporována modulace 16-QAM a 64-QAM. Principy těchto modulací považuji za dostatečně známé, nebudu je zde zmiňovat, pouze pro zopakování uveďme několik obrázků:

QPSK
QPSK, zdroj: Intel corporation

QAM
16-QAM, zdroj: Intel corporation

Popis těchto schémat lze nalézt například na: http://www.intel.com/netcomms/technologies/wimax/303788.pdf

Ovládání rádiového subsystému

Synchronizace:
Demodulátor downlinku většinou produkuje referenční hodinový signál.
Přesná synchronizace uplink time-slotů se provádí na základě kalibračních procedur definovaných MAC vrstvou (aby se zabránilo vzájemnému rušení od jednotlivých účastnických stanic).

Řízení frekvence:
Další kritická část fyzické vrstvy. Je třeba si uvědomit, že chyby frekvence závislé na čase a teplotě budou mít vždy vliv na bezdrátové přenosy (částečně i kvůli vysokým nosným frekvencím). Po počáteční kalibraci frekvence je nezbytné aby základová stanice prováděla periodická měření odchylky frekvence a zasílala tyto údaje účastnickým stanicím (prostřednictvím MAC zpráv.)

Řízení výkonu:
Podobně jako u řízení frekvence je u uplinku vyžadována počáteční kalibrace vysílacího výkonu a následná periodická měření (a případně jeho úpravy). Měření opět provádí základová stanice, která každý výsledek porovnává s referenční hodnotou a pokud zjistí chybnou hodnotu, zašle zprávu účastnické stanici. Algoritmus řízení výkonu by měl být navržen tak, aby zvládal útlum způsobený vzdáleností nebo kolísáním výkonu do 10 dB za sekundu až do nejméně 40 dB. Přesná implementace takového algoritmu je již záležitostí jednotlivých výrobců zařízení.

Minimální požadavky

Minimální požadavky na systém tak aby byla zajištěna vzájemná interoperabilita... Definovány jak pro základové stanice tak i pro účastnické stanice.

Podmínky pro šíření signálu:
Mezi základovou a účastnickou stanicí je vyžadována přímá viditelnost. Účastnické stanice vyžadují směrové antény s úzkým vyzařovacím úhlem, aby se zamezilo rušení a parazitním signálům vzniklým odrazy. Dále jsou definovány maximální vysílací výkony pro základovou i účastnickou stanici (+14 dBW/MHz a +30 dBW/MHz, případně dle podmínek regulačních orgánů).

MAC vrstva

Každá síť využívající sdílené médium potřebuje ke svému provozu mechanizmy pro efektivní sdílení tohoto média. V bezdrátových sítích s topologií PMP je tímto médiem vzdušný prostor.

Downlink u 802.16 pracuje na základě PMP, s jednou centrální základovou stanicí (ta má typicky k dispozici anténu která umožňuje simultánně obsloužit více sektorů). V rámci jednoho sektoru a jedné vysílací frekvence přijímají všechny účastnické stanice stejné vysílání (nebo jeho část); každá účastnická stanice přitom kontroluje adresu příchozího vysílání a zachová pouze zprávy jí určené.

V opačném směru probíhá sdílení na doménové bázi. V závislosti na třídě poskytovaných služeb může být účastnická stanice oprávněna k trvalému vysílání, nebo je právo k vysílání udělováno základovou stanicí na základě požadavku uživatele.
Dále je zde možnost multicast a broadcast vysílání (například přenos videa, hlasu).

MAC je spojovaná služba. Pro účely mapování služeb na účastnické stanice a sjednocení různých úrovní QoS 7 probíhá veškerá datová komunikace v rámci spojení.
Po registraci účastnické stanice se vytvoří jedno spojení pro každý service flow (tok služby). Dále mohou být vytvářena nová spojení na základě požadavku uživatele.

Koncept toku služby skrze spojení je základem operací MAC protokolu. Toky služby poskytují mechanismy pro řízení QoS pro downlink i uplink. Toky služby jako takové jsou integrální součástí alokace frekvenčního pásma.Účastnická stanice žádá o alokaci pásma pro uplink vždy v rámci spojení. Pásmo je přiděleno základovou stanicí buď pro všechny účastnické stanice (každá účastnická stanice má narozvrhovaný interval) nebo v rámci spojení.
Jednou založené spojení může vyžadovat aktivní údržbu- požadavky na tuto údržbu jsou dány typem spojované služby. Například IP služby mohou vyžadovat podstatnou podporu kvůli jejich vysoké pravděpodobnosti fragmentace.

Spojení mohou být samozřejmě ukončena. Ukončení spojení může vynutit jak základová tak i účastnická stanice.

Adresace a spojení

Každá účastnická stanice má 48 bitovou MAC adresu definovanou podle IEEE 802-2001. Ta je používána při registraci pro ustanovení odpovídajícího spojení. Je také používána (mimo jiné) při autentifikačním procesu.
Spojení jsou identifikována 16 bitovým CID (Connection ID). To dovoluje až 64K spojení v rámci každého downlink/uplink kanálu. Při inicializaci účastnické stanice by měla být mezi základovou a účastnickou stanicí založena 3 spojení v každém směru (downlink/uplink). Tři proto, že existují 3 odlišné třídy QoS provozu mezi účastnickou a základovou stanicí. Základní spojení je určeno pro zasílání krátkých urgentních zpráv řízení MAC. Primární spojení slouží k zasílání delších, na zpoždění méně kritických zpráv řízení MAC. Sekundárním spojením se zasílají zprávy řízení standardních protokolů vyšších vrstev (DHCP, TFTP, SNMP atd.) Tyto zprávy jsou přenášeny v IP paketech.
Požadavky na přenos vždy vycházejí z CID. Také vyšší vrstvy mohou z CID vycházet.

Formát MAC PDU

Každý PDU začíná hlavičkou s konstantní délkou. Poté může následovat vlastní obsah (s proměnnou délkou) a CRC (pevná délka). Jsou definovány dva formáty hlavičky- Generic MAC header (obecná hlavička MAC), obsahující zprávy řízení MAC nebo data, a Bandwidth Request Header (požadavek na pásmo) která obsahuje požadavek na dodatečné pásmo.

Generování MAC PDU

Probíhá podle následujícího vývojového diagramu: MAC PDU creation, zdroj IEEE 802.16.

Služby pro plánování uplinku

Tyto služby jsou určeny pro zefektivnění procesu přidělování práva na vysílání. Základová stanice může ze zvolené plánovací služby a vybrané úrovně QoS předvídat datový provoz a požadavky na dobu odezvy a na základě toho přidělovat vysílací práva ve vhodnou dobu.
Základní služby jsou: služba nevyžadující oprávnění (Unsolicited Grant Service), služba volby v reálném čase (Real-Time Polling Service), služba volby (Non-Real-Time Polling Service) a nejlepší snaha (Best Effort). Každá služba je přizpůsobená přenosu jiných dat.

Alokace pásma a mechanismy požadavků

Pro každou službu kromě nekomprimovaného UGS se mohou požadavky na alokované pásmo měnit, proto je potřeba mít k dispozici nástroje kterými by bylo možné změnu realizovat. Účastnická stanice má několik možností jak může posílat zprávu s žádostí základové stanici.
Grants per connection (GPC): Práva pro spojení
Pro účastnickou stanici v GPC módu je požadavek na pásmo adresován pro jednotlivá spojení (daná svým CID).
Přidělování probíhá podle následujícího diagramu: Grants per connection (GPC) mode, zdroj IEEE 802.16

Grants per subscriber station (GPSS) mode: Právo pro účastnickou stanici
Právo je přidělováno pro základní CID a ne explicitně pro CID jednotlivých spojení.

Polling: Dotazování/Hlasování
Polling je proces při kterém základová stanice (sama od sebe) alokuje účastnickým stanicím pásmo za účelem zasílání požadavků na pásmo.

MAC podpora fyzické vrstvy

MAC podporuje jak rámcovanou tak i nerámcovanou (framed a nonframed) specifikaci fyzické vrstvy. Pro rámcovanou PHY vyrovnává MAC své plánovací intervaly s dělením rámců fyzické vrstvy. Pro nerámcovanou PHY vybírá plánovací intervaly MAC (zvýšení výkonosti systému).

Inicializace, vstup do sítě

Proces inicializace je naznačen na následujícím obrázku, nezachycuje možné chyby...
Inicializace
Přehled inicializace účastnické stanice, zdroj IEEE 802.16
Tato procedura může být shrnuta do následujících fází:

Quality of Service (QoS)

QoS- kvalita služby je implementována jak pro downlink tak i pro uplink. Mechanismus zajištění QoS má následující požadavky:
Primárním záměrem funkcí QoS je definovat vysílací pořadí a plánování přenosů na přenosovém médiu.

Toky služby (service flows)
Tok služby je jednosměrná přenosová služba MAC. Tok služby je charakterizován množinou nastavení a atributů QoS (ID toku služby, CID, atd.) Toky služeb je možné rozdělit do tří kategorií: zásobené- provisioned, přiznané- admitted a aktivní- active.
Standard definuje následující objektový model:
object_model.png
Objektový model, zdroj IEEE 802.16

Bezpečnostní subvrstva (Privacy layer)

Bezpečnostní subvrstva poskytuje v prostředí bezdrátového přenosu uživateli základní zabezpečení pomocí kryptování spojení mezi účastnickou a základovou stanicí.

Architektura

Bezpečnostní subvrstva se skládá ze dvou komponent:

Security Association (SA)

SA je sada bezpečnostních informací, které sdílí základová stanice s jednou nebo více účastnickými stanicemi. Jsou definovány 3 typy SA: Primární, Sekundární a Dynamická. Každá účastnická stanice při své inicializaci vytváří primární SA. Statické i dynamické SA mohou být sdíleny více účastnickými stanicemi. Každá SA má svůj jednoznačný identifikátor SAID.

Mapování spojení na SA

Pro mapování spojení na SA platí následující pravidla:

Kryptografické metody

Pro kryptování obsahu MAC PDU se používá algoritmus DES, respektive 3-DES.

<<předchozí Hlavní stránka následující>>