Комп’ютерні мережі архітектури WiMAX (стр. 3 из 8)

Важлива особливість стандарту ІEEE 802.16 – система контролю радіотракта, завдяки якій базова станція здатна контролювати синхронність, що несе частоту й потужність кожної АС і при необхідності змінювати/коректувати ці параметри за допомогою службових повідомлень. Фізичний рівень стандарту ІEEE 802.16 займається безпосередньою доставкою потоків даних між БС й абонентськими станціями. Все-таки завдання, пов'язані з формуванням структур цих даних, а також керуванням роботою системи ІEEE 802.16, зважуються на канальному рівні.

Спадний канал у випадку FDD при роботі з напівдуплексними абонентськими станціями.

Устаткування стандарту ІEEE 802.16 створене щоб формувати транспортне середовище для різних додатків (сервісів), тому перше завдання, розв'язуване в ІEEE 802.16, – це механізм підтримки різноманітних сервісів верхнього рівня. Розроблювачі стандарту прагнули створити єдиний для всіх протокол канального рівня, незалежно від особливостей фізичного каналу. Це істотно спрощує зв'язок терміналів кінцевих користувачів з міською мережею передачі даних – фізично середовища передачі в різних фрагментах WMAN можуть бути різні, але структура даних єдина.

Рисунок 7 – Канальний рівень стандарту ІEEE 802.16

В одному каналі можуть працювати (не одноразово) сотні різних терміналів ще більшого числа кінцевих користувачів. Цим користувачам необхідні самі різні сервіси (додатки) – потоки голосу й даних з тимчасовим поділом, з'єднання по протоколі ІP, пакетна передача мови через ІP (Voі) і т. п. Більше того, якість послуг (Qo) кожного окремого сервісу не повинне змінюватися при роботі через мережі ІEEE 802.16.

Структурно канальний рівень ІEEE 802.16 підрозділяється на три підрівня – підрівень перетворення сервісу CS, основний підрівень CPS і підрівень захисту PS. На підрівні захисти реалізуються функції, що забезпечують криптографічний захист даних і механізми аутентифікації.

На підрівень перетворення сервісу відбувається трансформація потоків даних протоколів верхніх рівнів для передачі через мережі ІEEE 802.16. Для кожного типу додатків верхніх рівнів стандарт передбачає свій механізм перетворення, але поки описані й увійшли в специфікацію ІEEE 802.16 тільки два – для роботи в режимі ATM і для пакетної передачі. Під пакетною передачею мають на увазі досить широкий набір протоколів, включаючи ІP. Ціль роботи на CS-підрівні – оптимізація переданих потоків даних кожного додатка верхнього рівня.

Для оптимізації трансльованих потоків передбачений спеціальний механізм видалення повторюваних фрагментів заголовків PHS. Кожна порція даних складається, у загальному випадку, із заголовка й поля даних – фіксованих розмірів для ATM (5 й 48 байт, відповідно) і досить довільних при пакетній передачі. У багатьох випадках заголовки пакетів й осередків містять повторювану інформацію, зайву при трансляції за допомогою протоколу ІEEE 802.16. Механізм PHS дозволяє позбутися від передачі надлишкової інформації: на передавальному кінці пакети додатків відповідно до певних правил перетворяться в структури даних канального рівня ІEEE 802.16, на прийомному – відновлюються.

На основному підрівні канального рівня формуються пакети даних (MAC PDU), які потім передаються на фізичний рівень і транслюються через канал зв'язку. Пакет MAC PDU (далі PDU) включає заголовок і поле даних (його може й не бути), за яким може випливати контрольна сума CRC (Рисунок 8). Заголовок PDU займає 6 байт і може бути двох типів – загальний і заголовок запиту смуги пропущення. Загальний заголовок використається в пакетах, у яких є присутнім поле даних. У загальному заголовку вказується ідентифікатор з'єднання CІ, тип і контрольна сума заголовка, а також приводиться інформація про поле даних. Заголовок запиту смуги коли АС просить у БС виділити або збільшити їй смугу пропущення в спадному каналі. При цьому в заголовку вказується CІ і розмір необхідної смуги. Поля даних після заголовків зі смуги бути не може.

Рисунок 8 – Пакет канального рівня ІEEE 802.16

Таблиця 1. Структура заголовка MAC PDU (від старшого до меншого бітам)

Поле	Довжина (біт)
Тип заголовка = 0 (признак загального заголовка)	1
Признак шифрування поля даних	1
Тип поля даних	6
Не використовується	1
Признак наявності CRC	1
Індекс ключа шифрування	2
Не використовується	1
Довжина пакета, включно заголовок (в байтах)	11
Ідентифікатор з’єднання CID	16
Контрольна сума заголовка g(D)=D8+D2+D+1	8

Поле даних може містити підзаголовки канального рівня, що управляють повідомлення й властиво дані додатків верхніх рівнів, перетворені на CS-підрівені. У стандарті описано три типи підзаголовків канального рівня – упакування, фрагментації й керування наданням каналу.

Підзаголовок упакування – використається, якщо в поле даних одного PDU утримуються кілька пакетів верхніх рівнів; підзаголовок фрагментування – якщо, навпроти, один пакет верхнього рівня розбитий на трохи PDU. Підзаголовок керування наданням каналу призначений, щоб АС повідомляла БС зміну своїх потреб у смузі пропускання (число байт у висхідному каналі для визначення з'єднання, повідомлення про переповнення вихідної черги в АС, вимога регулярного опитування з боку БС для з'ясування потрібної смуги).

Керуючі повідомлення – це основний механізм керування системою ІEEE 802.16. Усього зарезервовано 256 типів керуючих повідомлень, з них 30 описано в стандарті ІEEE 802.16. Опис профілів пакетів, керування доступом, механізми криптографічного захисту, динамічна зміна роботи системи й т.д. – всі функції керування, запиту й підтвердження реалізуються через керуючі повідомлення. Розглянуті вище карти вхідного/спадних каналів (UL-/DL-MAP) також є керуючими повідомленнями. Формат керуючих повідомлень просте -і поле типу повідомлення (1 байт) і поле даних (параметрів).

2.2 Керування з'єднаннями в ІEEE 802.16

Ключовий момент у стандарті ІEEE 802.16 – це поняття «сервісного потоку» і пов'язані з ним поняття «з'єднання» й «ідентифікатор з'єднання» (CІ). Оскільки система ІEEE 802.16 – лише транспортне середовище, її інфраструктура фактично формує комунікаційні канали для потоків даних різних додатків верхніх рівнів (сервісів) – передача відео даних, АТМ-потоки, ІP-потоки, передача телефонних мультиплексування пакетів типу E1 і т.д. Кожне з таких додатків мають свої вимоги до швидкості передачі, надійності (якості обслуговування), крипто захисту й т.д. Відповідно, і дані кожного додатка варто передавати через транспортне середовище з урахуванням цієї специфіки. Сервісним потоком у стандарті ІEEE 802.16 називається потік даних, пов'язаний з певним додатком.

У цьому контексті з'єднання – це встановлення логічного зв'язку на канальних рівнях на передавальній і прийомній стороні для передачі сервісного потоку. Кожному з'єднанню привласнюється 16-ти розрядний ідентифікатор CІ, з яким однозначно зв'язані тип і характеристики з'єднання. Зокрема, по запиті надання/зміни смуги пропущення з боку АС базова станція стазу розуміє, з яким сервісним потоком має справу і які умови передачі йому потрібно забезпечити. Так при початковій ініціалізації в мережі кожної АС призначається три CІ для службових повідомлень трьох рівнів. Принципово, що один АС може встановлювати безліч різних з'єднань із різними CІ. Характерний приклад – коли зв'язок великого офісу з телекомунікаційним вузлом організована через систему ІEEE 802.16. У цьому випадку один АС в офісі може підтримувати зовсім різні додатки – телефонію, телебачення, доступ в Інтернет й у розподілену корпоративну мережу й т.д. Кожне із цих додатків висуває свої вимоги до Qo і швидкості передачі, які потрібно задовольнити. За допомогою CІ базова станція довідається, із чим має справу, і надає необхідний ресурс.

Не менш важливим для розуміння ідеології ІEEE 802.16 є принцип надання доступу до каналу по запиті (DAMA). Жодна АС не може нічого передавати, крім запитів на реєстрацію й надання каналу, поки БС не дозволить їй цього – тобто відведе часовий інтервал у висхідному каналі й укаже його розташування в карті UL-MAP. Абонентська станція може запитувати як певний розмір смуги в каналі, так і просити про зміну вже наданого їй канального ресурсу.

Стандарт ІEEE 802.16 передбачає два режими надання доступу – для кожного окремого з'єднання (GPC) і для всіх з'єднань певної АС (GPSS). Режим GPSS обов'язковий для всіх пристроїв у діапазоні 10–66 Ггц. Очевидно, що перший механізм забезпечує більшу гнучкість, однак другий істотно скорочує обсяг службових повідомлень і вимагає меншої продуктивності від апаратури.

Запити можуть бути як не планові так і планованими, для БС. У першому випадку запити реалізуються за допомогою пакетів, що складаються із заголовка запиту, переданих на конкурентній основі в спеціально виділеному для них інтервалі висхідного каналу. Процедура планових запитів смуги у висхідному каналі називається опитуванням – БС як би опитує АС про їхні потреби. Реально це означає, що базова станція надає конкретної АС інтервал для передачі запиту про надання смуги, тобто ніякої конкуренції вже немає.

Опитування може бути в «реальному часі» – інтервали для запиту надаються АС із тим же періодом, з яким у неї може виникнути потреба в зміні умов доступу (наприклад, у кожному кадрі). Цей режим зручний для додатків, коли пакети даних випливають із фіксованим періодом, але їхній розмір не стабільний (наприклад, відео-MPEG). Інший варіант опитування – поза «реальним часом». У цьому випадку БС надає АС інтервал для запиту також періодично, але цей період істотно більше – наприклад, 1 с. Характерний додаток, для якого ефективний цей механізм, – FTP-протокол.