676_Noskova_N.V._Izuchenie_funktsionirovanija_setej_

включает заголовок и поле данных (его может и не быть), за которым может следовать контрольная сумма CRC (рисунок 1.2)

Рисунок 1.2 – Пакет MAC PDU

Заголовок MAC PDU занимает 6 байт и может быть двух типов – общий и заголовок запроса полосы пропускания. Общий заголовок используется в пакетах, у которых присутствует поле данных, в нем указывается идентификатор соединения (CID), тип и контрольная сумма заголовка, а также приводится информация о поле данных (таблица 1.2).

Заголовок запроса полосы (6 байт) применяется, когда АС просит у БС выделить либо увеличить ей полосу пропускания в нисходящем канале. При этом в заголовке указывается CID и размер требуемой полосы (в байтах без учета заголовков физических пакетов). Поля данных после заголовков запроса полосы нет.

Таблица 1.2 – Структура общего заголовка MAC PDU

Поле данных может содержать:

Подзаголовки МАС

Управляющие сообщения

Данные приложений верхних уровней, преобразованные на CS– подуровне

МАС–подзаголовки могут быть пяти типов – упаковки, фрагментации, управления предоставлением канала, подзаголовки Mesh–сети и подзаголовок канала быстрой обратной связи Fast Feedback.

1.Подзаголовок упаковки используется, если в поле данных одного MAC PDU содержится несколько пакетов верхних уровней

11

2.Подзаголовок фрагментирования – если один пакет верхнего уровня разбит на несколько MAC PDU.

3.Подзаголовок управления предоставлением доступа предназначен для того, чтобы АС сообщала БС изменение своих потребностей в полосе пропускания.

4.Подзаголовок Fast Feedback служит для назначения конкретной АС интервала для быстрого ответа на запрос БС (при измерении характеристик канала).

Управляющие сообщения – это основной механизм управления системой IEEE 802.16. Всего зарегистрировано 256 типов управляющих сообщений, из них используется 48. Они состоят из поля типа сообщения (1 байт) и поле данных (параметров) – произвольной длины [3, 7].

Общая структура кадров IEEE 802.16

Передача данных на физическом уровне происходит посредством непрерывной последовательности кадров фиксированной длины. Кадр состоит из двух субкадров: для нисходящего потока (от БС к АС) и для восходящего (от АС к БС). Дуплексный механизм предусматривает как частотное (FDD) так и временное (TDD) разделение субкадров.

Нисходящий субкадр (DL) начинается с синхронизирующей последовательности (преамбулы), за которой следует управляющая секция с набором широковещательных служебных сообщений, включая карты нисходящего и восходящего каналов. За ними передаются пакеты физического уровня, содержащие как служебные сообщения, так и данные для различных АС.

Пакеты в нисходящем субкадре передаются друг за другом без интервалов. Для их разделения и используются карты, в карте нисходящего канала указана длительность и номер кадра, идентификационный номер БС, точка начала и тип профиля каждого пакета. Точка начала отсчитывается в так называемых физических слотах (каждый слот равен 4 модуляционным символам).

Профиль пакета – это список его параметров, включая метод модуляции, тип FEC–кодирования, а также диапазон значений отношения сигнал/шум в приемном канале конкретной станции, при котором данный профиль может применяться. Список профилей в виде специальных управляющих сообщений (дескрипторов) – транслируется БС с периодом 10с., причем каждому профилю присваивается номер, который используется в карте нисходящего канала.

В восходящем субкадре для каждой передающей АС БС резервирует специальные временные интервалы – тайм–слоты, информация о распределении которых записывается в карте восходящего канала, транслируемого в каждом кадре. В ней сообщается – сколько тайм–слотов в субкадре, точка начала и идентификатор соединения для каждого из них, а также типы профилей всех пакетов.

12

Кроме назначенных тайм–слотов в восходящем канале предусматриваются интервалы конкурентного доступа, в течение которых АС может передать сообщение для первичной регистрации в сети или для запроса канала (изменения полосы пропускания предоставленного канала).

1.2 Физический уровень стандарта IEEE 802.16

На данном уровне предусматриваются три различных метода передачи данных – метод модуляции одной несущей (SC – single carrier), метод ортогональной частотной модуляции с быстрым преобразованием Фурье на 256 точек (OFDM) и метод мультиплексирования (множественного доступа) посредством ортогональных несущих (OFDMА) с быстрым преобразованием Фурье на 2048 точек [2, 3, 7].

Для первых двух типов используется временное разделение каналов, а для третьего – ортогональное частотное разделение за счет представления отдельной АС нескольких поднесущих в общей полосе частот.

OFDM – мультиплексирование посредством ортогональных несущих. Его суть – весь доступный частотный диапазон разбивается на достаточно много поднесущих. Одному каналу связи (приемнику и передатчику) назначаются для передачи несколько таких несущих, выбранных по определенному закону. Передача ведется одновременно на всех поднесущих, т.е. в каждом передатчике исходящий поток разбивается на N субпотоков (где N – число поднесущих, назначенных каждому передатчику). Распределение поднесущих в процессе работы может динамически изменяться.

Передача от абонентских станций к базовой станции строится на комбинации двух методов многостанционного доступа: DAMA – доступ по запросу и TDMA – доступ с временным разделением. Структура пакетов физического уровня поддерживает переменную длину пакета МАС уровня. Передатчик осуществляет рандомизацию, помехоустойчивое кодирование и модуляцию QPSK, 16QAM и 64QAM. Два последних метода модуляции предусмотрены для абонентских станций как опциональные. Если абонент находится близко от базовой станции, применяется схема QAM-64 (6 бит на бод

-150 Мбит/c). В случае среднего удаления используется QAM-16 (4 бита на бод

-100 Мбит/с). В области предельных удалений применяется QPSK (2бита на бод - 50 Мбит/c). Стабильность частоты должна лежать в пределах ±10-6.

Базовая станция, следующая стандарту IEEE 802.16, размещается в здании или на вышке и осуществляет связь со станциями клиентов по схеме точка-мультиточка (PMP). Возможен сеточный режим связи (Mesh - сетка связей точка-точка - PTP), когда любые клиенты могут осуществлять связь между собой непосредственно, а антенные системы, как правило, являются всенаправленными. Базовая станция предоставляет соединение с основной сетью и радиоканалы к другим станциям. Предусмотрен также режим мультиточка-мультиточка (MPMP), который имеет ту же функциональность, что и PMP. Клиентская станция может быть радио терминалом или повторителем (более типично) для организации локального трафика. Трафик может проходить через несколько повторителей, прежде чем достигнет

13

клиента. Антенны в этом случае являются направленными с возможностью дистанционной настройки. Терминальная станция клиента обычно имеет остронаправленную антенну. По этой причине положение антенны должно быть жестко фиксировано и устойчиво к ветру и другим потенциальным источникам вибрации. Широкополосные системы доступа к радио сети помимо BS и SS содержат клиентское терминальное оборудование (TE), оборудование основной сети, межузловые каналы и повторители (RS). Повторители используются часто тогда, когда между конечными точками канала нет прямой видимости. Повторитель передает сигнал от BS к одной или нескольким SS. В системах MP-MP большинство станция являются повторителями [2, 3].

1.2.1 Режим WirelessMAN–SC

Данный метод описывает работу в диапазоне 10–66 ГГц сетей с архитектурой «точка–многоточка». Это двунаправленная система: существует нисходящий и восходящий каналы. При этом каналы являются широкополосными (до 25–28 МГц), скорость передачи 120 Мбит/с.

Разделение дуплексных каналов возможно как во временной (TDD), так и в частотной (FDD) области. От этого зависит структура обмена данными. В зависимости от удаленности абонентов предусматривается адаптивный выбор вида модуляции и способов кодирования от слота к слоту даже в одном кадре.

При этом ширина полосы частот канала составляет 25 МГц для США, 28 МГц – по европейской спецификации.

1.2.1.1 Канальное кодирование

Тракт формирования выходного сигнала на физическом уровне стандарта IEEE 802.16 представлен на рисунке 1.3.

ФКС – формирователь квадратурных символов ФНС – формирователь непрерывного сигнала ПКС – преобразователь квадратурных символов

Рисунок 1.3 – Тракт формирования выходного сигнала в стандарте IEEE 802.16 (нисходящий канал)

14

Входной поток данных скремблируется (умножается на псевдослучайную последовательность). Далее скремблированные данные защищают посредством помехоустойчивого кодирования (ПУК). Причем можно использовать одну из четырех схем кодирования: код Рида–Соломона, каскадный код с внешним кодом Рида–Соломона и внутренним сверточным кодом с кодовым ограничением (скорость 23 ) с декодированием по алгоритму Витерби,

каскадный код с внешним кодом Рида–Соломона и внутренним кодом с проверкой на четность (8,6,2) и блоковый турбокод. Параметры кодируемого информационного блока и число избыточных бит не фиксированы (задаются в зависимости от требований по качеству сигнала).

Допускается три типа квадратурной амплитудной модуляции: QPSK, 16– QAM, 64–QAM. Кодированные блоки данных преобразуются в модуляционные символы (каждые 2/4/6 бит определяют один символ 4–QPSK/16–QAM/ 64– QAM) в соответствии с приведенными в стандарте таблицами – каждой группе ставится в соответствие синфазная и квадратурная составляющая сигнала. Далее последовательность дискретных значений в каналах I и Q преобразуется посредством фильтра типа «приподнятый косинус» - для уменьшения полосы частот. Затем отфильтрованные потоки поступают непосредственно в

усиливается и передается в радиоканал.

1.2.1.2 Структура кадров

Канал связи предполагает наличие двух практически независимых направлений обмена: отправитель-получатель (uplink - восходящий канал) и получатель-отправитель (downlink - нисходящий канал; по аналогии со спутниковыми каналами). Эти два субканала используют разные неперекрывающиеся частотные диапазоны [2, 3].

Передача данных на физическом уровне происходит посредством непрерывной последовательности кадров. Каждый кадр имеет фиксированную длительность: 0,5, 1 и 2 мс. Кадр состоит из преамбулы (синхропоследовательности длиной 32–QPSK символов), управляющей секции и последовательности пакетов с данными. Управляющая секция может содержать карты DL/UL–MAP и дескрипторы нисходящего/восходящего каналов. Сообщения этой секции передаются посредством QPSK.

Встандарте, как отмечалось выше, предусмотрено как временное, так и частотное разделение каналов.

При временном дуплексировании каналов кадр делится на нисходящий и восходящий субкадры (рисунок 1.4а), разделенные специальным интервалом. При частотном разделении восходящий и нисходящий каналы передаются каждый на своей несущей (рисунок 1.4б).

Внисходящем канале информация от БС передается в виде последовательности пакетов – метод временного мультиплексирования (TDM) (рисунок 1.5).

15

Для каждого пакета можно задавать вид модуляции и схему кодирования данных. Данные о параметрах пакета, его длине, моменте начала передачи содержаться в карте нисходящего канала (DL–MAP).

б) частотное дуплексирование каналов

Рисунок 1.4 – Структура кадра в стандарте IEEE 802.16

В нисходящем канале самые помехозащищенные пакеты передаются первыми (в процессе работы может сбиться система синхронизации). Пакеты следуют друг за другом без интервалов и заголовков и идентифицируются АС на основе информации в DL–MAP.

Рисунок 1.5 – Структура нисходящего канала

АС получают доступ к среде передачи через механизм временного разделения каналов (TDMA). Для этого в восходящем субкадре для каждой передающей АС базовая станция резервирует специальные временные интервалы. Информация об их распределении записывается в карту восходящего канала UL–MAP, транслируемого в каждом кадре. В ней указывается, сколько слотов в субкадре, точка начала и идентификатор соединения для каждой из них, тип профилей всех пакетов. Каждый пакет в восходящем канале начинается с преамбулы – синхропоследовательности длиной 16 или 32 QPSK –символа.

В восходящем канале предусмотрены интервалы конкурентного доступа для первичной регистрации в сети или для запроса канала/изменения полосы пропускания канал.

16

Интервал для

Интервал

для запроса инициализации …..

полосы

Рисунок 1.6 – Структура восходящего канала

1.2.2 Режим WirelessMAN–OFDM

Данный метод позволяет уменьшить мощность излучения на линии «вверх» и обеспечить динамическое распределение частотных каналов, допускает одновременную передачу информации несколькими АС, решает задачи борьбы с многолучевым распространением и передачи информации при отсутствии прямой видимости.

Данный режим – это метод модуляции потока данных в одном частотном канале (шириной от 1–2 МГц) с центральной частотой fC . Деление на каналы – частотное. При модуляции данных посредством ортогональных несущих в частотном канале выделяются N несущих так, что fK fC k f , k –целое число

где Tb – длительность передачи данных. Кроме данных, в OFDM – символе передается защитный интервал, длительностью Tg (он представляет собой

копию оконечного фрагмента символа). Его длительность может составлять

1 ,1, 1 , 1 от Tb . 4 8 16 32

Модуляция OFDM основана на двух основных принципах: разбиении одного канала с переменными параметрами на параллельные гауссовы каналы с различными отношениями сигнал/шум и точное измерение характеристик канала [3].

В соответствии с первым принципом каждая поднесущая модулируется независимо посредством КАМ. Общий сигнал вычисляется посредством обратного быстрого преобразования Фурье. В соответствии со вторым принципом для точного определения параметров канала необходимы пилотные несущие частоты, метод модуляции и передаваемый сигнал который известен всем станциям сети (используется восемь пилотных частот). Остальные 192 несущие разбиты на 16 подканалов по 12 несущих в каждом.

1.2.2.1 Канальное кодирование

На физическом уровне кодирование данных включает три стадии – скремблирование, помехоустойчивое кодирование и перемежение. Кодирование данных предполагает кодирование каскадным кодом: внешний код–Рида–Соломона (в базовом виде он оперирует блоками исходных данных по 239 байт, формируя из них кодированный блок размером 255 байт. Такой код способен исправить 8 поврежденных байт или обнаружить до 15 поврежденных или стертых внутренним кодом байт) и внутренний сверточный

17

код (скорость кодирования 12). После кодирования идет процедура

перемежения. Эта операция проводится в два этапа: на первом делают так, чтобы смежные биты оказались разнесенными по несмежным несущим. На втором этапе смежные биты разносятся в разные половины последовательности.

После перемежения наступает стадия модуляции. Пилотные несущие модулируются посредством BPSK [2, 3, 7].

1.2.2.2 Структура кадров

Нисходящий субкадр включает преамбулу, управляющий заголовок кадра и последовательность пакетов данных. Преамбула – посылка из двух OFDM– символов (длинная преамбула), предназначенная для синхронизации. Первый символ использует несущие с индексами, кратными 4, второй – только четные несущие.

Управляющий заголовок кадра – 1 OFDM–символ с модуляцией BPSK и стандартной схемой кодирования (скорость 12). Он содержит префикс кадра

нисходящего канала, который описывает профиль и длину первого (или нескольких начальных) пакета в DL–субкадре.

В первый пакет входят широковещательные сообщения (для всех АС) – карты расположения пакетов, другая служебная информация. Нисходящий субкадр содержит интервал конкурентного доступа, включающий периоды для начальной инициализации АС и для запроса полосы передачи. Длительность

OFDM–кадров составляет: 2,5; 4; 5; 8; 10; 12,5 и 20 мс.

1.2.3 Mesh–сеть

Формально Mesh–сеть – это вид топологии сети IEEE 802.16 в режиме OFDM, и ее физический уровень – это OFDM. Основное отличие данной сети от рассматриваемой архитектуры «точка–многоточка» в том, что в Mesh–сети возможно взаимодействие непосредственно между АС [3, 7].

В Mesh–сети все станции формально равноправные, однако практически существует один узел, через который происходит обмен трафика данной сети с внешним окружением (рисунок 1.7).

Такой узел называется базовой станцией Mesh–сети, на него возлагается необходимые функции управления сетью. При этом управление доступом может происходить либо на основе механизма распределенного управления, либо централизованно под управлением БС.

Основное понятие в Mesh–сети «соседи» – под соседями понимают все узлы, которые могут устанавливать с ним непосредственное соединение. Узлы, связанные с заданным узлом через соседние узлы, называются соседями второго порядка.

Станции либо передают сообщения в отведенные для них временные интервалы, либо получают доступ к каналам произвольным (конкурентным) способом. Каждый узел имеет свой уникальный 48–разрядный МАС–адрес.

18

Кроме того, для инициализации внутри Mesh–сети станциям присваивается 16– разрядный сетевой идентификатор. Каждый узел хранит информацию о своих «соседях» и транслирует данную информацию в сеть с определенной периодичностью. На основании данных списков и происходит управление сетью.

БС

Внешняя сеть

Рисунок 1.7 – Пример Mesh–сети

1.2.3.1 Структура кадров и конфигурирование сети

Кадр Mesh–сети делится на управляющий субкадр и субкадр данных. Длина управляющего субкадра – переменная величина, задаваемая БС.

Он представляет собой набор пакетов МАС–уровня, с тем отличием, что сразу после общего заголовка МАС–пакета следует подзаголовок Mesh–сети. Управляющий субкадр, в зависимости от накладываемых функций, может быть двух типов: субкадр управления сетью (network control) – рисунок 1.8 и субкадр управления очередностью доступа к каналам связи (schedule control) – рисунок 1.9. В субкадрах всегда используется модуляция QPSK со скоростью 12. Возможна и комбинация данных методов [3]

В Mesh–сети нет понятий восходящего и нисходящего потоков. Обмен происходит посредством кадров.

19

Субкадры управления включают интервалы для подключения к сети новых устройств («сетевой вход») и следующие за ними сообщения «конфигурация сети» (КС). Данные сообщения содержат всю необходимую информацию о составе сети. Они же реализуют процедуру управления. Эти сообщения генерирует каждый узел и транслирует по сети через соседние станции.

Рисунок 1.9 – Структура кадра Mesh–сети с субкадром управления очередностью

Содержание сообщений: списки соседей каждого узла, идентификационный номер БС и число ее соседей, номер логического канала для передачи графика доступа к каналам, ранг соседства от БС,.. Посредством таких сообщений с заданной периодичностью транслируется дискрипт сети – таблица, полностью описывающая текущие параметры сети (длительность кадров, длина управляющего субкадра, профили пакетов, тип кодирования,…). Дескрипт сети передается от БС ее соседям, от него–узлам со следующим рангом соседства и т. д.

«Сетевой вход» – это интервал, в течение которого новый узел может послать сообщение о намерении подключиться к сети (NENT) (аналог интервала конкурентного доступа в сети «точка–многоточка»). Перед этим он должен принять сообщение о конфигурации сети, выбрать узел для подключения, синхронизироваться с ним и затем отправлять запрос. В ответ он либо получает отказ в доступе, либо получит сетевой идентификатор, канал и временной интервал для проведения процедуры аутентификации [2, 3].

1.2.3.3 Методы управления канальными ресурсами

Распределение канальных ресурсов в Mesh–сети может быть централизованным и децентрализованным (распределенным). В свою очередь, децентрализованное распределение может быть координированным с БС и некоординированным.

Децентрализованное распределение ресурсов предполагает, что распределение происходит в пределах одной группы соседей. При координированном децентрализованном распределении узлы обмениваются между собой специальными сообщениями управления распределением (distributed scheduling – DSCH). Координированность заключается в том, что период выдачи таких сообщений каждой станцией определен и известен ее

20