Компьютерная радиосеть WiMax

Министерство  образования Российской Федерации

     Кафедра        ВТ  и  АСУ  
 

     ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

     к курсовому  проекту (работе) 

     по  дисциплине ‘‘Сети ЭВМ и телекоммуникации’’ 

     на  тему   ‘‘Компьютерная радиосеть WiMax’’ 

       Выполнила студентка 

       группы   

       Допущен к защите_______________________________________ 

       Руководитель  проекта ___________________________________      

       Нормоконтролер________________________________________

       Защищен_____________     Оценка_______________

                             (дата)

     Содержание 

     Введение 

     Население планеты Земля насчитывает 6,75 миллиарда  человек, 4,05 из которых пользуются различными видами телефонной сотовой связи, 3,5 миллиарда пользуются Интернетом и только полмиллиарда обладают широкополосным мультимедийным доступом в различные сети. Современные технологии и прогресс человечества в целом диктуют стремительный рост широкополосного доступа. Однако этот рост сдерживают различные факторы, в том числе — необходимость огромных финансовых вложений в инфраструктуру всемирных сетей. Человечество затратило больше 100 лет для развития инфраструктуры всемирной телефонной сети общего пользования, именно эта сеть использовалась для доступа в Интернет на первом этапе его развития. Однако очень скоро стало ясно, что для широкополосного доступа нужны новые сети. Чтобы не строить их еще 100 лет, естественно использовать развитые технологии подвижной радиосвязи.

     Технологии WiMAX, хотя и не являются единственными  технологиями беспроводной связи, впитали  в себя все лучшее, что есть в  пограничных технологиях ЗG, IEEE 802.11, DVB, DАB и другие. И поэтому, именно эта технология являются наилучшим решением для обеспечения жителей Земля мобильным широкополосный доступом, как в развевающихся, так и в развитых странах

     1. Архитектура сети WiMAX: основные элементы и принципы 

     1.1. Основные принципы архитектуры сети WiMAX 

     Сеть  WiMAX представляет собой совокупность беспроводного и базового (опорного) сегментов. Первый описывается в Стандарте IEEE 802.16, второй же определятся спецификациями WiMAX-форума. Базовый сегмент – это все, что не относится к радиосети, т.е. cвязь базовых станций друг с другом, cвязь с локальными и глобальными сетями (в том числе с интернетом) и т.п. Базовый сегмент основывается на IP-протоколах (IETF RFC) и стандартах Ethernet (IEEE 802.3-2005). Однако собственно архитектура сети, включая механизмы аутентификации, криптозащиты, роуминга, и т.п. (в части, не относящейся к беспроводной сети), описывается в Документах WiMAX Forum Network Architecture [1, 2].

     Спецификации сети WiMAX основываются на технологии пакетной коммутации, протоколах IP и Ethernet, дополняя их по мере необходимости. Архитектура WiMAX-сети должна обеспечивать независимость архитектуры сети доступа, включая радиосеть, от функций и структуры транспортной IP-Сети. Сеть WiMAX должна быть легко масштабируемой и гибко изменяемой, основываться на принципах декомпозиции (т.е. строиться на основе стандартных логических модулей, объединяемых через стандартные интерфейсы). Масштабируемость и гибкость возможна по таким эксплуатационным параметрам, как плотность абонентов, географическая протяженность зоны покрытия (районная, городская, или пригородная сеть), частотные диапазоны, топология сети (иерархическая, плоская, mesh и т.п.), мобильность абонентов (фиксированные, мобильные, номадические). 
 
 
 

     1.2. Базовая модель сети 

     Базовая модель сети WiMAX (БМ) – это логическое представление сетевой архитектуры WiMAX. термин "логическое" в данном случае означает, что модель рассматривает набор стандартных логических функциональных модулей и стандартных интерфейсов (точек сопряжения этих модулей). При практической реализации одно устройство может включать несколько функциональных элементов или, напротив, функция может быть распределена между различными устройствами.

     БМ  включает три основных элемента – множество абонентских (мобильных) станций (МС), совокупность сетей доступа (сервисная сеть доступа, ASN) и совокупность сетей подключения (CSN). Кроме того, в БМ входят так называемые базовые точки (R1–R8), через которые происходит сопряжение функциональных модулей (рис.1.2.1). Сеть (сети) ASN принадлежат провайдеру сети доступа (NAP) – организации, предоставляющей доступ к радиосети для одного или нескольких сервис-провайдеров WiMAX (NSP). В свою очередь, сервис-провайдер WiMAX – организация, предоставляющая IP-соединения и услуги WiMAX конечным абонентам. В рамах данной модели уже сервис-провайдеры WiMAX заключают соглашения с Интернет-провайдерами, операторами других сетей доступа, соглашения о роуминге и т.п. Сервис-провайдеры по отношению к абоненту могут быть домашними и гостевыми, каждый – со своей сетью CSN.

     Сеть  доступа ASN представляет собой множество базовых станций (БС) беспроводного доступа по стандарту IEEE 802.16 и шлюзов для связи с транспортной IP-сетью (т.е. с локальной или глобальной сетью передачи информации) (рис.1.2.2). Фактически эта сеть связывает радиосеть IEEE 802.16 и IP-сеть. ASN включает как минимум одну БС и как минимум один ASN-шлюз. Но и базовых станций, и шлюзов в одной ASN может быть несколько, причем одна БС может быть логически связана с несколькими шлюзами. 

     Рисунок 1.2.1.– Базовая модель WiMAX-сети в соответствии со стандартом 

     Рисунок 1.2.2.– Логическая модель сети доступа ASN 

     БС  в рамках данной модели – это  логическое устройство, поддерживающее набор протоколов IEEE 802.16 и функции  внешнего сопряжения. Логическая БС –  односекторная, с одним частотным номиналом. Очевидно, что реальная базовая станция представляет собой набор нескольких логических БС.

     Шлюз ASN – это также логическое устройство, связывающее базовые станции  одной ASN с другими сетями доступа и с сетью подключения CSN. Шлюз ASN обеспечивает связность как на уровне каналов передачи данных, так и на уровне управления. Примечательно, что для каждой МС базовая станция логически связана с одним шлюзом. Но реально функции ASN-шлюза для каждой МС могут быть распределены между нескольким шлюзами, принадлежащими одной или нескольким сетям доступа.

     Шлюз ASN опционально может быть представлен  как совокупность двух групп функциональных элементов – блока решения (DP – Decision Point) и блока исполнения (EP –Enforcement Point). ЕР реализует функции, связанные с передачей потока данных, в то время как в DP сосредоточены функции, непосредственно не относящиеся к передаче данных (например, функции контроллера управления радиоресурсами сети). Эти два функциональных модуля соединены через базовую точку R7. Зачем в стандарт введена такая модель, можно только  догадываться. Нигде подробнее она не раскрыта, но без упоминания о возможности такой декомпозиции функций ASN-шлюза невозможно объяснить наличие R7. В целом распределение функций между реальными шлюзами и базовыми станциями определяется так называемыми профилями ASN. На сегодня их утверждено три (А, В и С), их мы рассмотри ниже.

     Cеть подключения CSN – это собственно сеть оператора WiMAX, именно в ней реализуются функции управления авторизацией, аутентификацией и доступом (ААА), подключение абонентов WiMAX к глобальным IP-сетям, предоставление таких услуг, как IP-телефония, доступ к телефонным сетям общего пользования, доступ в Интернет и частные сети и т.п. Важно отметить, что базовая модель сети WiMAX допускает, что одной сетью доступа ASN могут пользоваться несколько сервис-провайдеров WiMAX (каждый со своей CSN). И напротив – одна CSN может подключаться к сетям доступа разных провайдеров доступа.

     В CSN реализованы такие функции, как  предоставление мобильным абонентам IP-адресов и других сетевых параметров на период сетевой сессии, сервер политик/контроля доступа и хранения профилей абонентов, передача (туннелирование) данных между сетями доступа и подключения, биллинг абонентов WiMAX и межоператорские расчеты, туннелирование данных между различными CSN при роуминге, обеспечение мобильности при выходе МС за переделы одной ASN. Поддерживаются такие WiMAX услуги, как соединения"точка-точка", авторизация и/или подключение к мультимедийным IP-сервисам, функции легального перехвата трафика (для России – выполнение требований СОРМ) и т.п.

     CSN может включать такие элементы, как маршрутизаторы, серверы (и  прокси-серверы) для функций авторизации/аутентификации/доступа,  базы данных пользователей, шлюзы  и т.п.

     В связи с поддержкой мобильности  в базовой модели сети WiMAX введены  понятия домашних и гостевых сервис-провайдеров  – H-CSP и V-CSP, соответственно (рис.1.2.3). Домашний NSP – это оператор, заключивший договор об обслуживании с абонентом WiMAX. Именно он реализует функции авторизации, аутентификации и контроля доступа (включая биллинг и взимание абонентской платы). Для поддержки роуминга домашний сервис-провайдер WiMAX заключает роуминговые соглашения с другими NSP.

     Гостевой  NSP (V-NSP) – это оператор, который предоставляет WiMAX-абоненту услуги роуминга. Прежде всего, V-NSP обеспечивает для такого абонента функции ААА, а также полный или частичный доступ ко всем услугам WiMAX-сети. При этом возможны различные варианты маршрутизации трафика – через домашнюю сеть подключения или непосредственно через гостевую CSN-сеть.

     Базовые точки в рамках базовой модели сети WiMAX – это каналы связи между  базовыми модулями. Они представляют собой стандартные интерфейсы, причем не обязательно физические, особенно если соединяемые базовой точкой модули конструктивно находятся в одном устройстве.  

     Рисунок 1.2.3.– Модель взаимодействия операторов сервисных сетей WiMAX, сетей доступа и абонентов 

     Базовая точка R1 представляет собой канал  связи между мобильной станцией и сетью доступа ASN. Это – беспроводной интерфейс, соответствующий стандарту IEEE 802.16, однако допустимы и дополнительные протоколы управления.

     Базовая точка R2 является каналом между МС и CSN. Она включает протоколы и процедуры, связанные с аутентификацией МС, авторизацией и IP-конфигурированием. Это – чисто логический интерфейс, ему нельзя поставить в соответствие никакой конкретный физический интерфейс между МС и CSN.

     Базовая точка R3 содержит набор протоколов управления между ASN и CSN для реализации процедур AAA, выполнения различных политик и управления мобильностью. Она также поддерживает функции передачи данных (в том числе – туннелирования) между ASN и CSN.

     Базовая точка R4 – это канал связи между ASN-шлюзами различных ASN-сетей или между ASN-шлюзами в пределах одной ASN.

     Базовая точка R5 является каналом связи между  сетью домашнего и гостевого  сервис-провайдера.

     Базовая  точка  R6  служит  интерфейсом  между БС и ASN-шлюзом.

     Базовая точка R7 определен как некий виртуальный  канал внутри ASN-шлюза для связи двух групп функций (связанных с каналом передачи информации и не связанных с ним). Конкретизации протоколов R7, видимо, следует ожидать в будущем (или не ожидать вовсе).

     Базовая точка R8 – это канал связи непосредственно  между базовыми станциями. Он должен поддерживать передачу управляющих сообщений и опционально – непосредственную трансляцию данных (для быстрого и бесшовного хендовера). 

     1.3. Профили ASN 

     Профилями ASN называют распределение логических функций ASN-сетей между физическими устройствами. В стандарте описано три типа ASN-профилей. Профиль В подразумевает полную свободу производителя – ему соответствует как концентрация всех функций в одном устройстве, так и их произвольное распределение. Профили А и С более конкретны. На уровне описания они чрезвычайно похожи – различие в том, что функции контроллера радиоресурсов (RRC) и управления хэндовером в профиле А отнесены к ASN-шлюзу, а в профиле С – к базовой станции. Несмотря на, казалось бы, незначительное формальное различие, на практике оно привело к тому, что профиль А был официально закрыт летом 2007 года на сессии WiMAX-форума в Мадриде, а общепризнанным стандартом стал профиль С (рис.1.3.1).

     Действительно, профиль А, концентрируя функции  управления в ASN-шлюзе, затрудняет совместимость  оборудования различных поставщиков. В профиле В интеллект базовых станций возрастает, они играют более существенную роль в управлении трафиком и мобильностью. Профиль С – наиболее открытая и потому перспективная система. В нем, в отличие от профиля А, базовые станции ответственны за все управление радиоресурсами и за обеспечение хендовера. В идеальном случае все элементы такой системы взаимозаменяемы на продукты других поставщиков, сертифицированных WiMAX Forum. 

     Рисунок 1.3.1.– Распределение основных логических функций между базовой станцией и ASN-шлюзом в соответствии с ASN-профилем С 

     1.4 Режимы работы WiMAX 

     Стандарт 802.16 на данный момент предоставляет следующие режимы:

     - Fixed WiMAX - фиксированный доступ;

     - Nomadic WiMAX - сеансовый доступ;

     - Portable WiMAX - доступ в режиме перемещения;

     - Mobile WiMAX - мобильный доступ.

     Fixed WiMAX. Фиксированный доступ представляет  собой альтернативу широкополосным  проводным технологиям. Стандарт  использует диапазон частот 10-66 ГГц.  Этот частотный диапазон из-за сильного затухания коротких волн требует прямой видимости между передатчиком и приёмником сигнала. С другой стороны, данный частотный диапазон позволяет избежать одной из главных проблем радиосвязи - многолучевого распространения сигнала. При этом ширина каналов связи в этом частотном диапазоне довольно велика (типичное значение - 25 или 28 МГц), что позволяет достигать скоростей передачи до 120 Мбит/с.  

     Рисунок 1.4.1. – Fixed WiMAX 

     Nomadic WiMAX. Сеансовый (кочующий) доступ добавил понятие сессий к уже существующему Fixed WiMAX. Наличие сессий позволяет свободно перемещать клиентское оборудование между сессиями и восстанавливать соединение уже с помощью других вышек WiMAX, нежели тех, что были использованы во время предыдущей сессии. Такой режим разработан в основном для портативных устройств, таких, как ноутбуки, КПК. Введение сессий позволяет также уменьшить расход энергии клиентского устройства, что тоже немаловажно для портативных устройств.

     Portable WiMAX. Для режима Portable WiMAX добавлена  возможность автоматического переключения клиента от одной базовой станции WiMAX к другой без потери соединения. Однако для данного режима всё ещё ограничена скорость передвижения клиентского оборудования - 40 км/ч. Впрочем, уже в таком виде можно использовать клиентские устройства в дороге (в автомобиле при движении по жилым районам города, где скорость ограничена, на велосипеде, двигаясь пешком, т.д.). Введение данного режима сделало целесообразным использование технологии WiMAX для смартфонов и КПК.

     Mobile WiMAX был разработан в стандарте 802.16e-2005 и позволил увеличить скорость перемещения клиентского оборудования до более 120 км/ч.  

     Рисунок 1.4.2. – Mobile WiMAX 

     Основными достижениями мобильного режима можно  считать нижеприведённые факторы:

1. Устойчивость к многолучевому распространению сигнала и собственным помехам;
2. Масштабируемая пропускная способность канала;
3. Технология Time Division Duplex (TDD), которая позволяет эффективно обрабатывать ассиметричный трафик и упрощает управление сложными системами антенн за счёт эстафетной передачи сессии между каналами;
4. Технология Hybrid-Automatic Repeat Request (H-ARQ), которая позволяет сохранять устойчивое соединение при резкой смене направления движения клиентского оборудования;
5. Распределение выделяемых частот и использование субканалов при высокой загрузке позволяет оптимизировать передачу данных с учётом силы сигнала клиентского оборудования;
6. Управление энергосбережением позволяет оптимизировать затраты энергии на поддержание связи портативных устройств в режиме ожидания или простоя;
7. Технология Network-Optimized Hard Handoff (HHO), которая позволяет до 50 миллисекунд и менее сократить время на переключение клиента между каналами;
8. Технология Multicast and Broadcast Service (MBS), которая объединяет функции DVB-H, MediaFLO и 3GPP E-UTRA для:

     - достижения высокой скорости передачи данных с использованием одночастотной сети;

     - гибкого распределения радиочастот;

     - низкого потребления энергии портативными устройствами:

     - быстрого переключения между каналами.

9. Технология Smart Antenna, поддерживающая субканалы и эстафетную передачу сессии между каналами, что позволяет использовать сложные системы антенн, включая формирование диаграммы направленности, простанственно-временное маркирование, пространственное мультиплексирование (уплотнение);
10. Технология Fractional Frequency Reuse, которая позволяет контролировать наложение/пересечение каналов для повторного задействования частот с минимальными потерями;
11. Размер фрейма в 5 миллисекунд создает оптимальный компромисс между надёжностью передачи данных за счёт использования малых пакетов и накладными расходами за счёт увеличения числа пакетов (и как следствие, заголовков).

     2. Широрокополосный мобильный доступ под управлением стандарта IEEE 802.16 

     2.1 Стандарт 802.16: стек протоколов 

     Набор протоколов, используемый стандартом 802.16, показан на рисунке 2.1.1. Общая структура подобна другим стандартам серии 802, но больше подуровней. Нижний подуровень занимается физической передачей данных. Используется обычная узкополосная радиосистема с обыкновенными схемами модуляции сигнала. Над физическим уровнем находится подуровень сведения (с ударением на второй слог), скрывающий от уровня передачи данных различия технологий.

     Уровень передачи данных состоит из трех подуровней. Нижний из них относится к защите информации, в которых передача данных осуществляется в эфире, физически никак не защищенном от прослушивания. На этом подуровне производится цифрация, дешифрация данных, а также управления ключами доступа. 

     Рисунок 2.1.1 - Стандарт 802.16: стек протоколов. 

     Затем следует общая часть подуровня  МАС. Именно на этом уровне иерархии располагаются  основные протоколы - в частности, протоколы  управления каналом. Здесь станция  контролируют всю систему. Она очень  эффективно распределяет очередность передачи входящего трафика абонентам, немалую роль играет и в управлении исходящим трафиком (от абонента к базовой станции). От всех остальных стандартов 802.x МАС подуровень стандарта 802.16 отличается тем, что он полностью ориентирован на установку соединения. Таким образом, можно гарантировать определенное качество обслуживания при предоставлении услуг телефонной связи и при передаче мультимедиа. 

     2.2 Стандарт 802.16: физический  уровень 

     Широкополосным  беспроводным сетям необходим широкий  частотный спектр, который можно найти только в диапазоне от 10 до 66 ГГц. Миллиметровые волны обладают одним интересным свойством, которое отсутствует у более длинных микроволн: они распространяются не во всех направлениях (как звук), а по прямым линиям (как свет). Следовательно, на базовой станции должно быть установлено множество антенн, покрывающих различные секторы окружающей территории, как показано на рисунок 2.2.1. В каждом секторе будут свои пользователи. Секторы не зависят друг от друга, чего не скажешь о сотовой радиосвязи, в которой сигналы распространяются сразу по всем направлениям. 

     Рисунок 2.2.1 - Оперативная среда передачи данных сетей 802.16.

     Поскольку мощность сигнала передаваемых миллиметровых  волн сильно уменьшается с увеличением  расстояния от передатчика (то есть базовой станции), то и соотношение сигнал/шум также понижается. По этой причине 802.16 использует три различных схемы модуляции в зависимости от удаления абонентской станции. Если абонент расположен недалеко от БС, то применяется ЦАМ-64 с шестью битами на отсчет. На среднем удалении используется ОДМ-16 и 4 бита/бод. Если абонент расположен далеко, то работает схема ЦР5К с Двумя битами на отсчет. Например, при типичной полосе спектра 25 МГц ОДМ-64 дает скорость 150 Мбит/с, СЭАМ-16 - 100 Мбит/с, а СФ5К - 50 Мбит/с. Таким образом чем дальше находится абонент от базовой станции, тем ниже скорость передачи данных. Фазовые диаграммы всех трех методов были показаны на рисунке 2.2.2. 

     Рисунок 2.2.2 - Фазовые диаграммы применяемых методов. 

     Стандарт 802.16 обеспечивает гибкость распределения  полосы пропускания. Применяются две  схемы модуляции: FDD (дуплексная связь с частотным разделением) и ТDD (дуплексная связь с временным разделением). Последний метод показан на рисунок 2.2.3. Базовая станция периодически передает кадры, разделенные на временные интервалы. Первая часть временных интервалов отводится под входящий трафик. Затем следует защитный интервал (разделитель), позволяющий станциям переключать режимы приема и передачи, а за ним - интервалы исходящего трафика. Число отводимых тактов может динамически меняться, что позволяет подстроить пропускную способность под трафик каждого из направлений. 

     Рисунок 2.2.3 - Дуплексная связь с временным разделением: кадры и временные интервалы 

     Входящий трафик разбивается на временные интервалы базовой станцией. Она полностью контролирует это направление передачи. Исходящий трафик от абонентов управляется более сложным образом и зависит от требуемого качества обслуживания. Мы еще вернемся к распределению временных интервалов, когда будем обсуждать подуровень МАС.

     Еще одним интересным свойством физического  уровня является его способность  упаковывать несколько соседних кадров МАС в одну физическую передачу. Это дает возможность повысить эффективность  распределения спектра путем уменьшения числа различных преамбул и заголовков, столь любимых физическим уровнем.

     Для непосредственного исправления  ошибок на физическом уровне используется код Хэмминга. Все сетевые технологии просто полагаются на контрольные суммы и обнаруживают ошибки с их помощью, запрашивая повторную передачу испорченных фрагментов. Но при широкополосной беспроводной связи на больших расстояниях возникает много ошибок, что их обработкой приходится заниматься физическому уровню, хотя на более высоких уровнях и применяется метод контрольных сумм. Основная задача коррекции ошибок на физическом уровне состоит в том, чтобы заставить канал выглядеть лучше, чем он есть на самом деле (точно так же компакт-диски кажутся столь надежными носителями только лишь благодаря тому, что больше половины суммарного числа бит отводится под исправление ошибок на физическом уровне).

     2.3 Стандарт 802.16 протокол  подуровня МАС 

     Уровень передачи данных разделен на три подуровня. Кадры МАС всегда занимают целое число временных интервалов физического уровня. Каждый кадр разбит на части, первые две из которых содержат карту распределения интервалов между входящим и исходящим трафиком. Там находится информация о том, что передается в каждом такте, а также о том, какие такты свободны. Карта распределения входящего потока содержит также разнообразные системные параметры, которые важны для станций, только что подключившихся к эфиру.

     Канал входящего трафика состоит из базовая станция, которая определяет, что разместить в каждой части кадра. Исходящий канал имеет конкурирующие между собой станции, желающие получить доступ к нему. Его распределение тесно связано с вопросом качества обслуживания. Определены четыре класса сервисов: