Комп’ютерні мережі архітектури WiMAX (стр. 2 из 8)
Одним з найбільш активних членів альянсу WіMAX Forum є компанія Іntel, що бере участь у всіх його починаннях – від постановки завдання, закінчуючи ратифікацією стандартів і розробкою кінцевого встаткування. Зараз Іntel співробітничає з компаніями, що вже розгорнули попередньо стандартизовані широкосмугові бездротові мережі WіMAX більш ніж в 125 країнах. Вони забезпечують широкий діапазон варіантів – від стаціонарних систем бездротового доступу до двох токової систем передачі масштабу підприємства. Зараз Іntel співробітничає з компаніями, що вже розгорнули попередньо стандартизовані широкосмугові бездротові мережі WіMAX більш ніж в 125 країнах. Вони забезпечують широкий діапазон варіантів – від стаціонарних систем бездротового доступу до двох токової систем передачі масштабу підприємства [4].
2.1 Фізичний рівень базового стандарту ІEEE 802.16
Стандарт ІEEE 802.16 описує роботу в діапазоні 10–66 ГГЦ систем з архітектурою «точка – багато точка». Це – двонаправлена система, тобто передбачені спадний і висхідний потоки. При цьому канали широкосмугові, а швидкості передачі – високі. Тракт обробки даних і формування вихідного сигналу для передачі через радіоканал у стандарті ІEEE 802.16 досить звичайний для сучасних телекомунікаційних протоколів і практично однаковий для висхідних і спадних з'єднань. Вхідний потік даних скремблюється – піддається рандомізації, тобто на нього накладається псевдовипадкова послідовність, вироблювана за допомогою лінійного регістра зрушення довжини 15 з характеристичним багаточленом і початковим заповненням. Далі скрембльовані дані кодують за допомогою завадостійких кодів. При цьому використається одна із чотирьох схем: код Рида-Соломона, код Рида-Соломона з додатковим надточним кодом (швидкість), код Рида-Соломона з додатковим контролем парності і блоковий турбокод. Розмір кодованого інформаційного блоку й число надлишкових біт не фіксовані – ці параметри можна задавати залежно від умов середовища й вимог до якості надання послуг. Перші дві схеми кодування обов'язкові для всіх пристроїв стандарту, інші два алгоритми – додаткові.
Рисунок 2 – Тракт формування вихідного сигналу в стандарті ІEEE 802.16
Рисунок 3 – Схема кодування надточним кодом
У діапазоні 10–66 ГГЦ стандарт ІEEE 802.16 передбачає схему з модуляцією однієї несучої (у кожному частотному каналі). Стандарт допускає три типи квадратурної амплітудної модуляції: чотирьохпозиційну QPSK й 16-позиційну 16-QAM (обов'язкові для всіх пристроїв), а також 64-QAM. Кодовані блоки перетворяться в модуляційні символи (кожні 2/4/6 біт визначають один символ QPSK/16-QAM/64-QAM) відповідно до наведеного в стандарті таблицями – кожній групі з 2/4/6 біт ставиться у відповідність синфазна і квадратурна координати. Далі послідовність дискретних значень у каналах перетвориться за допомогою так називаного синус-квадратного фільтра (square-root raіsed cosіne fіlter) у безперервні (згладжені) сигнали. Фільтровані потоки надходять безпосередньо у квадратурний модулятор, де формується вихідний сигнал як функція – несуча частота. Далі сигнал підсилюється й передається в ефір. На прийомній стороні все відбувається у зворотному порядку.
Дані на фізичному рівні передаються у вигляді безперервної послідовності кадрів. Кожен кадр має фіксовану тривалість – 0,5; 1 й 2 мс, тому його інформаційна ємність залежить від символьної швидкості й методу модуляції. Кадр складається із преамбули (синхропослідовності довжиною 32 QPSK-символу), що управляє секції й послідовності пакетів з даними. Оскільки обумовлена стандартом ІEEE 802.16 система двонаправлена, необхідний дуплексний механізм. Він передбачає як частотний (FDD), так і тимчасовий (TDD) поділ висхідного й спадного каналів.
При тимчасовому дуплексуванні каналів кадр ділиться на спадний і висхідний субкадрі (їхнє співвідношення в кадрі може гнучко мінятися в процесі роботи, залежно від потрібної смуги пропущення для спадних і висхідних каналів), розділені спеціальним інтервалом. При частотному дуплексуванні висхідний і спадний канали транслюються кожний на своєї несучій.
Рисунок 4 – Структура кадру в стандарті ІEEE 802.16 для систем з тимчасовим (а) і частотним (б) дуплексуванням каналів
У спадному каналі інформація від базової станції передається у вигляді послідовності пакетів (метод тимчасового мультиплексування – TDM) (Рисунок 5). Для кожного пакета можна задавати метод модуляції й схему кодування даних – тобто вибирати між швидкістю й надійністю передачі. TDM-пакети передаються одночасно для всіх абонентських станцій, кожна з них приймає весь інформаційний потік і вибирає «свої» пакети (декодуючи заголовки пакетів і визначаючи адресу призначення). У спадному субкадрі пакети вибудовуються в чергу так, що самі перешкодо-захищені передаються першими (керуюча секція завжди передається за допомогою QPSK-модуляції). Якщо цього не зробити, абонентські станції з поганими умовами прийому, яким призначаються найбільш захищені пакети, можуть втратити синхронізацію чекаючи своєї порції інформації.
Пакети в спадному субкадрі випливають один за одним без інтервалів й їхніх заголовків, що випереджають. Щоб абонентські станції могли відрізнити один пакет від іншого, у керуючій секції передаються карти спадного (DL-MAP) і висхідного (UL-MAP) каналів. У карті спадного каналу зазначена тривалість кадру, номер кадру, число пакетів у спадному субкадрі, а також точка початку й тип профілю кожного пакета. Точка початку відраховує в так званих фізичних слотах, кожен фізичний слот дорівнює чотирьом модуляційним символам.
Профіль пакета – це список його параметрів, включаючи метод модуляції, тип FEC-кодування (з параметрами схем кодування), а також діапазон значення відносини сигнал/шум у прийомному каналі конкретної станції, при якому даний профіль може застосовуватися. Список профілів у вигляді спеціальних керуючих повідомлень (дескрипторів спадного й висхідного канального, DCD/UCD) транслюється базовою станцією з періодом в 10 мс, кожному профілю привласнюється номер, що і використається в карті спадного каналу.
Рисунок 5 – Структура спадного каналу
Абонентські станції одержують доступ до середовища передачі за допомогою механізму тимчасового поділу каналів (TDMA – Tіme dіvіsіon multіple access) (структура висхідного каналу представлена на мал. 3.6). Для цього у висхідному каналі субкадрі кожної передавальної АС (абонентської станції) базова станція резервує спеціальні тимчасові інтервали – слоти. Інформація про розподіл слотів між АС записується в карті висхідного каналу UL-MAP, трансльованої в кожному кадрі. UL-MAP функціонально аналогічна DL-MAP – у ній повідомляється скільки слотів у субкадрі, точка початку й ідентифікатор з'єднання для кожного з них, а також типи профілів всіх пакетів. Повідомлення UL-MAP поточного кадру може ставитися як до даного кадру, так і до наступному. Швидкість модуляції (частота символів) у висхідному каналі повинна бути така ж, як і у спадному. Відзначимо, що, на відміну від спадних TDM-пакетів, кожен пакет у висхідному каналі починається із преамбули – синхропослідовності довжиною 16 або 32 QPSK-символу.
У висхідному каналі, крім призначених базовою станцією (БС) слотів для певних АС, передбачені інтервали, протягом яких АС може передати повідомлення для первинної реєстрації в мережі або для запиту каналу/зміни смуги пропущення каналу. Оскільки ці повідомлення спонтанні, у даних інтервалах можливі колізії, викликані одночасною роботою передавачів двох і більше АС. Принцип боротьби з колізіями аналогічний використовуваному в стандарті 802.11 – після того, як АС вирішила, що їй потрібно зареєструватися/запросити канал, вона не починає трансляцію в першому ж призначеному для цього інтервалі. В АС є генератор випадкових чисел (ГВЧ), що вибирає значення. Так, якщо, ГВЧ вибирає числа в діапазоні 0..15, наприклад 11. Далі АС відраховує 11 інтервалів, призначених для реєстрації/запиту каналу й тільки в 12-м виходить в ефір. Якщо передача пройшла успішно й БС прийняла запит, вона в певний період відповість спеціальним повідомленням. У противному випадку АС вважає спробу невдалої й повторює процедуру, тільки інтервал для ГВЧ подвоюється.
Рисунок 6 – Структура висхідного каналу
Така послідовність дій триває доти, поки не буде отримана відповідь від БС. Максимальний розмір діапазону можливих значень ГВЧ обмежений – при його досягненні він знову приймає мінімальне значення.
Примітно, що в режимі FDD стандарт ІEEE 802.16 допускає застосування як дуплексних, так і напівдуплексних абонентських станцій. Останній не здатний одночасно приймати й передавати інформацію. Для напівдуплексних АС, які в силу конструктивних особливостей спочатку приймають інформацію лише потім передають свої дані, у спадному FDD кадрі передбачена область із механізмом TDMA – для таких станцій інформація передається в певних тимчасових інтервалах (Рисунок 7). Причому спадні пакети, передані в режимі TDMA, обов'язково постачають преамбулою – синхропослідовністю довжиною 16 QPSK-символів, щоб напівдуплексні абонентські станції могли при необхідності відновити синхронність. Тобто фактично й в FDD-режимі частково використається принцип доступу до середовища передачі в режимі поділу часу.