676_Noskova_N.V._Izuchenie_funktsionirovanija_setej_

Федеральное агентство связи

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики» (СибГУТИ)

Н. В. Носкова, О. А. Быстрова

ИЗУЧЕНИЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СЕТЕЙ СТАНДАРТА IEEE 802.16

НА ПРИМЕРЕ ОБОРУДОВАНИЯ WIMIC6000

Учебное пособие

Рекомендовано УМО по образованию в области Инфокоммуникационных технологий и систем связи в качестве учебного пособия для студентов

высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 11.03.02 и 11.04.02 – Инфокоммуникационные технологии и системы связи

квалификации (степени) «бакалавр», «магистр»

Новосибирск

2016

УДК 621.396.43

Утверждено редакционно-издательским советом СибГУТИ

Рецензенты: д.т.н. Ю.А. Пальчун,

к.т.н. Е.Р. Трубехин

Носкова Н. В., Быстрова О. А. Изучение функционирования сетей стандарта IEEE 802.16 на примере оборудования WIMIC6000 : Учебное пособие / Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики; каф. систем радиосвязи. – Новосибирск, 2016. – 147 с.

В учебном пособии излагаются:

–технические особенности и принципы функционирования сетей радиодоступа стандарта IEEE 802.16;

–основные методы обработки информации в сетях радиодоступа: канальное кодирование, модуляция;

–принципы защиты информации от несанкционированного использования в стандарте IEEE 802.16;

–методики расчета зон покрытия базовых станций внутри помещений с учетом их конструктивных особенностей;

–принципы практической реализации сетей радиодоступа на примере оборудования НПФ «Микран» WiMIC6000.

Для студентов телекоммуникационных вузов и специалистов, занимающихся разработкой, проектированием и эксплуатацией сетей радиодоступа.

В авторской редакции

©Носкова Н. В., Быстрова О. А., 2016

©Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, 2016

2

Содержание

Введение……………………………………………………………………….... 4 1 Описание WiMAX…………………………………………….…………….... 5

1.1Широкополосный мобильный доступ под управлением стандарта IEEE 802.16……………………………………………………………………………... 9

1.2Физический уровень стандарта IEEE 802.16…………………………….. 13

1.2.1Режим WirelessMAN–SC…………………………………………… 14

1.2.1.1Канальное кодирование……………………………….…… 14

1.2.1.2Структура кадров……………………….…………………. 15

1.2.2Режим WirelessMAN–OFDM………………………………………. 17

1.2.2.1Канальное кодирование…………………………………… 17

1.2.2.2Структура кадров………………………………………….. 18

1.2.3Mesh–сеть……………………………………………………………. 18

1.2.3.1Структура кадров и конфигурирование сети……………. 19

1.2.3.3Методы управления канальными ресурсами……………. 20

1.2.4Режим OFDMA……………………………………………………… 21

1.2.4.1Нисходящий OFDMA–канал……………………………… 22

1.2.4.2Восходящий OFDMA-канал………………………………. 23

2 Канальное кодирование……………………………………………………… 26

2.1Скремблирование цифровых потоков……………………………………. 26

2.2Помехоустойчивое кодирование………………………………………….. 30

2.2.1 Коды Рида-Соломона………………………………………………… 32 2.2.2Свёрточные коды……………………………………………...…….. 34 2.3Перемежение битов………………………………………………………... 36

2.3.1Блоковое перемежение………........................................................... 37

2.3.2Сверточное перемежение………………………………………….…. 39 3 Модуляция в стандарте IEEE 802.16…………………………………….…. 42 3.1 Четырехпозиционная относительная фазовая модуляция………….. 42 3.2 16-КАМ………………………………………………………………….. 50 3.3 64-КАМ………………………………………………………………….. 59 4 Ортогональное частотное разделение со многими поднесущими……….. 68

5 Защита информации в сетях стандарта IEEE 802.16……………………... 83

6 Описание оборудования WiMIC6000……………………………………….. 90

3

1 Введение

Впоследние годы наблюдается стремительное развитие методов и способов обработки данных в сетях радиодоступа, направленных на увеличение скорости передачи; способствующих повышению гибкости и надежности систем и снижению стоимости оборудования.

На фоне этого растет и количество производимого оборудования. Но в тоже время катастрофически не хватает методических материалов, помогающих получить наиболее целостное представление о технических возможностях и особенностях функционирования сетей радиодоступа.

И данное учебное пособие делает попытку решить эту задачу.

Впервой главе приводятся технические параметры рассматриваемого стандарта IEEE802.16 (WiMAX); принципы организации передачи на физическом уровне модели взаимодействия открытых систем.

Главы 2 и 3 посвящены обзору применяемых в беспроводных системах методах обработки информации: кодированию и модуляции.

Приводится описание, как методов обнаружения ошибок, так и исправления их. Дано подробное описание процедур скремблирования, каскадного помехоустойчивого кодирования с внутренним сверточным кодом и внешним – кодом Рида-Соломона, а также операции перемежения.

Вкачестве методов модуляции наибольшее распространение в сетях радиодоступа получили QPSK, 116-QAM и 64-QAM.

Вглаве 4 представлены принципы метода множественного доступа с использованием ортогональных несущих и формирования OFDM-сигналов.

Глава 5 посвящена обзору методов повышения надежности систем радиодоступа на основе использования алгоритма шифрования данных AES.

В6 и 7 главе приводятся технические особенности построения и функционирования сетей радиодоступа стандарта IEEE 802.16 на основе оборудования НПФ «Микран» WiMIC6000. Приводятся программные продукты, позволяющие контролировать как состояние оборудования, так и функционирование сети в целом.

Кроме того, уделяется внимание расчету радиуса зоны обслуживания внутри помещений.

4

1 Описание WiMAX

WiMAX «Worldwide Interoperability for Microwave Access» – это современная телекоммуникационная технология, разработанная для предоставления универсальной высокоскоростной беспроводной связи на больших расстояниях для широкого спектра мобильных устройств: от рабочих станций до аппаратов сотовой телефонной связи. Технология основана на стандарте IEEE 802.16, также известном как Wireless MAN, а название «сеть WiMAX» было впервые применено WiMAX Forum – организацией, основанной в 2001 году для продвижения и развития WiMAX технологии [1].

Как правило, сети WiMAX организовываются для решения следующих задач:

создание альтернативы выделенным линиям Интернет и DSL предоставление высокоскоростных каналов передачи данных и услуг в области телекоммуникаций

соединение точек доступа друг с другом и другими сегментами сети Интернет

создание независимых от географического положения точек доступа организация высококачественной голосовой и видеосвязи.

Вобобщенном виде сеть WiMAX состоит из базовых и абонентских станций и оборудования, связывающего эти станции между собой и с поставщиком Интернета. Для соединения используется высокочастотный диапазон радиоволн от 1,5 до 11 ГГц. В благоприятной среде скорость передачи данных может достигать 70 Мбит/с, при этом прямой видимости между базовой станцией и приемником не требуется. Более того, обмен данными происходит независимо от городских застроек, деревьев или погодных условий. Пожалуй, это и есть основной и в большинстве случаев решающий аргумент в пользу технологии микроволновых сетей WiMAX при ее сравнении с Wi-Fi. А тот факт, что WiMAX осуществляет высокоскоростной доступ в Интернет с гораздо большим покрытием, чем у Wi-Fi сетей, позволяет использовать данную технологию для организации «магистральных каналов» с продолжением в виде традиционных выделенных линий. Следствием подобного подхода являются высокоскоростные масштабируемые информационные сети городского и межрегионального значения.

Создатели технологии WiMAX не могли не позаботиться о безопасности передачи информации для бизнеса: WiMAX предусматривает тройное шифрование данных, сертификацию, аутентификацию и тому подобные методы формирования защищенных туннелей для обмена данными как внутри корпорации, так и с удаленными пользователями сети.

Первая версия стандарта IEEE 802.16–2001 была принята в декабре 2001 года, в стандарте изначально была отведена рабочая полоса 10–66 ГГц. Стандарт IEEE 802.16 описывал архитектуру широкополосной беспроводной связи, организованной по топологии «точка-многоточка» и ориентировался на

5

создание стационарных беспроводных сетей масштаба города (WirelessMAN). Так как в стандарте IEEE 802.16–2001 на физическом уровне предполагалось использование всего одной несущей частоты, назван он был — WirelessMANSC (Single Carrier) [2, 3, 4, 7]. Для частот в диапазоне 10–66 ГГц характерно быстрое затухание сигнала и работа возможна только в зоне прямой видимости между передатчиком и приемником. Зато решается одна из главных проблем радиосвязи — многолучевое распространение сигнала, при этом скорость передачи данных достигала 32–134 Мбит/с и дальность передачи составляла 2.5 км.

Позже, в 2002 году в стандарте IEEE 802.16–2001 были выявлены погрешности, и появилось приложение IEEE 802.16с-2002, которое расширяло профили и корректировало их. Из-за трудностей построения беспроводной сети в зоне прямой видимости устройства стандарта IEEE 802.16 так и не получили широкого распространения и уже в январе 2003 года выпустили расширение IEEE 802.16а-2003, которое описывало использование частотного диапазона от 2 до 11 ГГц. В этом стандарте предусматривалось создание фиксированных беспроводных сетей масштаба мегаполиса и планировалось, что в дальнейшем он станет альтернативой наземным решениям широкополосного доступа для организации «последней мили» вместо xDSL, кабельных модемов и каналов T1/E1. Кроме того, предполагалось, что для формирования глобальной сети беспроводного доступа в Интернет к базовой сети стандарта IEEE 802.16а смогут подключаться точки доступа стандарта IEEE 802.11a/b/g.

Основное отличие стандарта IEEE 802.16а — это работа в частотном диапазоне 2–11 ГГц, для которого не требуется наличие прямой видимости между приемником и передатчиком. В виду этого зона покрытия беспроводных сетей IEEE 802.16a значительно шире, чем у сетей стандарта IEEE 802.16.

Использование частотного диапазона 2–11 ГГц потребовало и существенного пересмотра техники кодирования и модуляции сигнала на физическом уровне. Оборудование IEEE 802.16а должно было работать с модуляцией QPSK, 16QAM, 64QAM и 256QAM, поддерживать скорость передачи информации 1–75 Мбит/с на сектор одной базовой станции на расстоянии 6–9 км в радиоканалах с изменяемой полосой пропускания от 1.5 до 20 МГц. Типовая базовая станции имела от 4 до 6 секторов.

В стандарте IEEE 802.16a сохранили режим работы на одной несущей, который позволял работать как в условиях прямой видимости (LOS), так и вне ее (NLOS). Но основным здесь стала возможность работы с сигналом на основе технологии OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)-

ортогонального частотного мультиплексирования с 256-ю поднесущими и режим OFDMА (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) — технология многостанционного доступа с ортогональным частотным разделением каналов с 2048 поднесущими сразу с несколькими абонентами в режиме OFDM. Таким образом, при стандартном количестве поднесущих в 256 обеспечивалась одновременная работа 8 абонентов. В июле 2004 года был принят стандарт IEEE 802.16–2004, известный также как 802.16d или фиксированный WiMAX, который и объединил все эти нововведения [2, 3, 4, 7]. Но говорить в то время о

6

полной совместимости оборудования не представлялось возможным. Из-за наличия разных режимов мультиплексирования SC, OFDM и OFDMА с разной шириной радиоканалов, а также временного и частотного режима дуплексирования FDD и TDD и ряда других требований оборудование каждого производителя так и осталось уникальным, а стоимость абонентских устройств была очень высокой. В силу этих обстоятельств оборудование фиксированного доступа стандарта IEEE 802.16–2004 используется в нишевом применение, там, где традиционные методы построения сетей абонентского доступа не эффективны или попросту невозможны.

В конце 2005 года был принят стандарт IEEE 802.16е, известный так же как IEEE 802.16–2005 или мобильный WiMAX (Mobile WiMAX). Это был новый шаг в эволюции развития беспроводного широкополосного доступа в Интернет Основное внимание здесь уделено вопросам поддержки мобильных абонентов, и в частности хендоверу, и роумингу между сетями, построенными на различных беспроводных стандартах. Роуминг позволяет при передвижении абонента на скорости до 120 км/ч «бесшовно» переключаться между базовыми станциями (точно так же как это происходит в сетях сотовой связи). В мобильном WiMAX применяется Scalable OFDMA — масштабируемый OFDMдоступ и возможна работа как в условиях прямой видимости, так в ее отсутствие. Для сетей Mobile WiMAX выделяются частотные диапазоны: 2,3– 2,5; 2,5–2,7; 3,4–3,8 ГГц.

На сегодняшний день в мире реализованы и успешно функционируют беспроводные широкополосные сети на основе Mobile WiMAX, в том числе первыми в России свои сети развернули компании «Скартел» — бренд Yota. Конкурентами IEEE 802.16e являются все мобильные технологии третьего поколения 3G. И если стандарт IEEE 802.16d является протоколом операторского класса, то мобильный WiMAX ориентирован на конечных пользователей, и в данном случае он представляет собой альтернативу стандартам IEEE 802.11 a/b/g. Имея ноутбук или КПК со встроенным WiMAX модемом, и подключившись к сети, пользователь сможет постоянно оставаться на связи в любой точке города, где обеспечивается зона покрытия WiMAX сети. Базовая станция Mobile WiMAX способна поддерживать до 1000 абонентов одновременно.

Необходимо отметить, что все режимы с частотами ниже 11 ГГц отличают три характеристики: механизм автоматического запроса повторной передачи (ARQ), поддержка работы с адаптивными антенными системами (AAS) и пространственно-временное кодирование (STC). Кроме того, помимо централизованной архитектуры «точка-точка» предусмотрена поддержка архитектуры Mesh-сети (децентрализованной сети взаимодействующих друг с другом систем) [2, 3].

В таблице 1.1 приведены основные параметры стандартов [2, 3].

7

Таблица 1.1 - Краткие характеристики семейства стандартов 802.16

Сети стандарта IEEE 802.16 регламентируют четыре класса услуг:

1)потоки услуг в реальном масштабе времени, которые производят пакеты данных фиксированного размера, типа Т1/Е1 и передача голоса VoIP (выделенные линии);

2)передача потоков данных с гарантированной полосой пропускания

игарантированной задержкой, например, передача голоса, видео

MPEG4;

3)передача потоков данных с гарантированной полосой пропускания

инегарантированной задержкой, например, передача файлов, организация VPN;

4)негарантированная полоса пропускания на основе «справедливого распределения ресурса», например, доступ в Интернет.

Принцип предоставления канальных ресурсов.

Основной принцип предоставления доступа к каналу в стандарте IEEE 802.16 – это доступ по запросу Demand Assigned Multiple Access (DAMA). Ни одна АС не может ничего передавать, кроме запросов на регистрацию и предоставление канала, пока БС не разрешит ей этого (отведет временной интервал в восходящем канале и укажет его расположение в карте). АС может, как запрашивать определенный размер полосы в канале, так и просить об изменении уже предоставленного ей канального ресурса [2, 3].

Стандарт IEEE 802.16 предусматривает два режима предоставления доступа – для каждого отдельного соединения и для всех соединений определенной АС. В первом случае обеспечивается большая гибкость сети, во втором существенно сокращается объем служебных сообщений и требуется меньшая производительность аппаратуры.

8

Запросы полосы могут быть как спорадическими для БС, так и планированными. В первом случае запрос идет посредством пакетов, состоящих из заголовка запрос, передаваемых на конкурентной основе в специально выделенном для них интервале восходящего канала.

Процедура плановых запросов полосы в восходящем канале называется опросом – БС опрашивает все АС об их потребностях в канальных ресурсах.

Опрос может быть в реальном времени – интервалы для запроса предоставляются АС с тем же периодом, с каким у нее могут возникнуть потребности в изменении условий доступа. Этот режим удобен для приложений, когда пакеты следуют с фиксированным периодом, но их размер не стабилен (видео–MPEG). Другой вариант опроса – вне реального времени. В этом случае БС предоставляет АС интервал для запроса также периодически, но период значительно больше (1 с.).

Для приложений, у которых периодичность и размер пакета фиксированы (поток Е1), предусмотрен механизм доступа к каналу без требования (Unsolicited Grant Service–UGS). В этом случае БС предоставляет АС для передачи данных интервалы фиксированного размера с заданным периодом, соответствующим скорости потока данных.

Если в ходе работы необходимо изменить условия доступа, АС делает это с помощью специального МАС–подзаголовка управления предоставлением канала. В нем есть специальный флаг «опроси меня», установив который АС просит у БС интервал для запроса новой полосы. Кроме того, есть возможность АС непосредственно запросить у БС дополнительную прибавку (в байтах) к уже предоставленной полосе для конкретного соединения [3].

1.1Широкополосный мобильный доступ под управлением стандарта

IEEE 802.16

Стандарт 802.16: стек протоколов.

Набор протоколов, используемый стандартом IEEE 802.16, показан на рисунке 1.1. Нижний подуровень занимается физической передачей данных. Используется обычная узкополосная радиосистема с обыкновенными схемами модуляции сигнала. Над физическим уровнем находится MAC-подуровень [2, 3].

Подуровень преобразования CS

Основной подуровень

Подуровень безопасности

Физический уровень

Среда передачи

Рисунок 1.1 – МАС–уровень в стандарте IEEE 802.16

9

Структурно МАС–уровень разделяется на три подуровня: подуровень преобразования сервиса (CS – convergence sublayer), основной подуровень и подуровень защиты, на котором реализуются функции криптозащиты данных и механизмы аутентификации (защиты от несанкционированного доступа). Для этого предусмотрены два основных компонента – набор алгоритмов криптозащиты и протокол управления ключом шифрования. Ключ каждой абонентской станции (АС) базовая станция (БС) может передавать в процессе авторизации, используя схему «клиент-сервер».

На подуровне преобразования сервиса происходит трансформация потоков данных протоколов верхних уровней для передачи через сеть. Для каждого типа приложений верхнего уровня стандарт предусматривает свой механизм преобразования. Сейчас описаны два основных типа сервисных потоков: АТМ и пакетная передача (протоколы IP, Ethernet). Таким образом, целью работы на данном уровне является оптимизация передаваемых данных каждого приложения верхних уровней с учетом их специфики. Для оптимизации транслируемых потоков предусмотрен специальный механизм удаления повторяющихся фрагментов заголовков (PHS).

Поскольку система IEEE 802.16 лишь транспортная среда, ее инфраструктура фактически формирует коммуникационные каналы для потоков данных различных приложений верхних уровней – передача видеоданных, АТМ–потоки, IP–потоки, … Каждое из таких приложений обладает своими требованиями к скорости передачи, надежности, криптозащите и т.д.

Сервисным потоком в стандарте IEEE 802.16 называется поток данных, связанных с определенным приложением. Тогда соединение – это установление логической связи на МАС–уровнях на передающей и приемной сторонах для передачи сервисного потока. Каждому соединению присваивается 16– разрядный идентификатор (CID), с которым однозначно связаны тип и характеристика соединения (например, по запросу об изменении полосы пропускания со стороны АС БС понимает, какие данные будут передаваться, и какие условия передачи надо обеспечить). При начальной инициации каждой АС присваивается три CID для служебных сообщений трех уровней.

Сервисный поток характеризуется набором требований к каналу передачи информации – времени задержки символов, джиттеру, гарантированной пропускной способности. Каждому сервисному потоку в сети присваивается 32–разрядный идентификатор (SFID), основываясь на котором БС определяет необходимые параметры связанного с данным потоком соединение [3].

Весь поток данных в сетях IEEE 802.16 – это поток пакетов. На основном подуровне МАС формируются пакеты данных (MAC PDU – MAC Protocol Data Unit), которые затем передаются на физический уровень, инкапсулируются в физические пакеты и транслируются через канал связи. Пакет MAC PDU

10