Проектирование сети беспроводного доступа Wimax

Сформированный пакет  данных PDU включает в себя заголовок (MAC Header) и может включать в себя тело (Payload) и контрольную сумму (CRC). Если при формировании пакета данных PDU используются операции фрагментации или упаковки, тот тело содержит также подзаголовки фрагментации (Fragmentation Subheader) и подзаголовки упаковки (Packing Subheader).

Повторная передача ошибочно принятых пакетов

Стандарт IEEE 802.16 предусматривает использование повторной передачи ARQ ошибочно принятых пакетов данных SDU.

Для этого каждому сервисному потоку, использующему повторную передачу ARQ, назначается размер блока ARQ. Все пакеты данных сервисного потока логически делятся на блоки ARQ заданного размера. Фрагментация осуществляется по границе блоков ARQ. Переданные блоки ARQ удаляются из очереди на передачу, только если пришло подтверждение на их успешный приём. Очевидно, что при использовании повторной передачи ARQ пакет данных PDU должен включать сумму для контроля правильности приёма содержащихся в нём блоков ARQ.

   Кроме механизма повторной  передачи ARQ, некоторые схемы кодирования части физических уровней стандарта IEEE 802.16 позволяют использовать механизм гибридной повторной передачи  H- ARQ, который отличается более высокой сложностью реализации и более высокой эффективностью.

Средства запроса и выделения  частотно-временного ресурса

Как отмечалось ранее, управление передачей  в стандарте IEEE 802.16 осуществляется на уровне МАС базовой станции. Для управления передачей в обратном канале в стандарте предусмотрены следующие средства запроса и выделения частотно-временного ресурса:

• Запросы (Request);
• Выделение ресурса для передачи данных (Grant);
• Выделение ресурса для передачи запроса (Poll);
• Канал запроса ресурса (Bandwidth Request Subchannel).

Эти средства используются в соответствии с одной из предусмотренных  в стандарте процедур (Scheduling Service). В стандарте IEEE 802.16 предусмотрено четыре процедуры:

• Выделение ресурса без предварительного запроса UGS (Unsolicited Grant Service);
• Выделение ресурса под запрос с высокой частотой  rtPS (Real Time Polling Service);
• Выделение ресурса под запрос со средней частотой nrtPS (non real time Polling Service);
• Запросы со случайным доступом BE (Best Effort).

Каждому сервисному потоку в обратном канале назначается одна из четырёх процедур исходя из требований QoS и других параметров этого сервисного потока.

 

Процедура UGS предназначена для передачи сервисного потока с постоянной скоростью поступления пользовательских данных и постоянным размером пакетов данных SDU. Она заключается в том, что сервисному потоку на периодической основе выделяется ресурс  в кадре обратного канала под передачу данных.

Процедуры rtPS и nrtPS очень схожи между собой. В соответствии с ними сервисному потоку на периодической основе выделяют в кадре обратного канала ресурс под передачу запроса, который держит информацию о размере очереди этого сервисного потока на пользовательской станции. После приёма этого запроса уровень МАС базовой станции выделяет ресурс в кадре обратного канала под передачу данных из очереди этого сервисного потока.

Отличия процедур rtPS и nrtPS перечислены ниже.

Как следует из названия, предполагается, что при использовании процедуры  rtPS ресурс под запрос выделяется чаще, чем при использовании процедуры nrtPS.

  Сервисным потокам, использующим  процедуру nrtPS, дополнительно разрешается передавать сообщения в канале запроса ресурса.

Процедура BE предназначена для передачи сервисных потоков, практически не чувствительных к задержке. При этом минимальная скорость передачи также не гарантируется. В соответствии с процедурой ВЕ уровень МАС пользовательской станции передаёт сообщение в канале запроса ресурса. Этот канал использует случайный доступ. В случае успешного приёма сообщения на базовой станции она выделяет ресурс для передачи запроса в кадре обратного канала. Запрос содержит информацию о размере очереди сервисного потока. После приёма запроса уровень МАС базовой станции выделяет ресурс для передачи данных этого сервисного потока.

Вход в сеть и синхронизация

Для входа в сеть пользовательской станции предусмотрен канал начального доступа. Он идентичен каналу запроса  ресурса за исключение того, что  использует другой набор сообщений. Во время процедуры входа в  сеть пользовательская станция осуществляет начальную частотно-временную синхронизацию и регулировку мощности (Initial Ranging). Также пользовательская и базовая станции обмениваются информацией о сервисных потоках, которые надо будет поддерживать в прямом и обратном каналах.

При входе в сеть происходит аутентификация пользовательской станции. Стандарт IEEE 802.16 поддерживает шифрование предаваемых данных для обеспечения безопасности.

В процессе работы пользовательская станция осуществляет периодическую  частотно-временную синхронизацию (Periodic Ranging).

Стандарт IEEE 802.16e является дополнение к стандарту IEEE 802.16 для обеспечения мобильности. Рассмотрим основные дополнительные механизмы стандарта IEEE 802.16e.

Физический уровень

Стандарт IEEE 802.16e поддерживает работу мобильных пользователей со следующими физическими уровнями стандарта IEEE 802.16: WirelessMAN-SCa; WirelessMAN-OFDM; WirelessMAN-OFDMA.

Основные дополнения коснулись  физического уровня WirelessMAN-OFDMA. Из них можно выделить два основных дополнения. Во-первых, кроме OFDM- символа с 2048 поднесущими, в стандарте IEEE 802.16e  предусмотрены OFDM-символы с 1024, 512 и 128 поднесущими. Во-вторых, предусмотрен новый вид кодирования- код с низкой избыточностью и проверкой чётности LDPC ( LowDensity Parity Check).

МАС-уровень

Уровень МАС стандарта IEEE 802.16e содержит ряд существенных дополнений для поддержки мобильных пользовательских станций.

Для экономии расхода батареи мобильных  пользовательских станций предусмотрен спящий режим ( Sleep Mode). В этом режиме мобильная пользовательская станция осуществляет приём и передачу только в заранее согласованные интервалы времени, а в остальное время отключается.

В стандарте  IEEE 802.16e предусмотрены различные виды Handover (передача обслуживания мобильной пользовательской станции между базовыми станциями) для поддержания непрерывности соединений при движении мобильной пользовательской станции. Предусмотрены следующие виды Handover: жесткий (Hard); быстрая смена обслуживающей базовой станции (FBSS- Fast Base Station Switching); мягкий (Soft).

В стандарте IEEE 802.16e предусмотрен режим ожидания (Idle Mode). В случае если у мобильной пользовательской станции нет активных соединений, то она может перейти в режим ожидания. Это существенно уменьшает нагрузку на сеть как в прямом, так и в обратном каналах, а также экономит ресурс батареи мобильной пользовательской станции. В этом режиме предусмотрен поиск мобильной пользовательской станции (Paging).

 

1.3 Ключевые технологи стандарта

 

В стандарте IEEE 802.16 b IEEE 802.16e заложены технологии, которые являются обязательными для современных беспроводных сетей передачи данных. Нет сомнений, что все эти технологии будут использованы в сетях сотовой связи четвёртого поколения и включают в себя: обеспечение требований QoS; адаптивное кодирование и модуляцию; поддержку адаптивных антенных систем; поддержку мобильных пользователей.

Обеспечение требований QoS

При передаче данных и мультимедийной информации потоки пользовательских данных характеризуются различными требованиями по качеству сервиса (требования QoS). В отличие от сотовых сетей второго поколения, ориентированных на передачу голоса, обеспечение требований QoS является обязательным свойством беспроводных сетей передачи данных.

Для обеспечения требований QoS в стандарте предусмотрено понятие сервисного потока (Service Flow).Сервисный поток- поток пользовательских данных от одного источника или приложения, характеризующийся набором требований QoS, и других параметров. Стандарт IEEE 802.16 позволяет на каждой пользовательской станции обеспечивать поддержку нескольких разных сервисных потоков в прямом и обратном каналах.

Кроме этого, стандарт предусматривает  ряд механизмов: запросы (Request), выделение ресурса для передачи данных (Grant) и для передачи запроса (Poll)- и ряд процедур их использования- UGS, rtPS, nrtPS, BE- для обеспечения самых разнообразных наборов требований QoS.

Адаптивное кодирование и модуляция.

Стандарт поддерживает механизм адаптивного  кодирования и модуляции, а также  механизм регулировки мощности. Это  позволяет адаптивно подстраивать параметры передачи под изменяющиеся условия приёма для самых различных наборов требований QoS.

Адаптивное кодирование и модуляция  является самой эффективной технологией  повышения пропускной способности  при передаче данных. Механизм регулировки  мощности в прямом и обратном каналах позволяет в ряде случаев дополнительно увеличить эффективность передачи.

Поддержка адаптивных антенных систем.

В беспроводных сотовых сетях передачи данных основным фактором, ограничивающим  пропускную способность , является наличие внутрисистемных помех. Использование адаптивных антенных систем, разнесённой передачи и приёма является одним из способов борьбы с внутрисистемными помехами.

Стандарт IEEE 802.16 обеспечивает поддержку широкого класса методов пространственно-временной обработки при передаче и приёме.

Поддержка мобильных пользователей

    Стандарт  IEEE 802.16e обеспечивает поддержку мобильности. При этом он предусматривает все ключевые механизмы, такие как: механизм поиска мобильной пользовательской станции (Paging); жесткий Handover; быстрая смена обслуживающей базовой станции (быстрый жесткий Handover); мягкий Handover; режим энергосбережения (Sleep Mode).

Всё это говорит о  том, что семейство стандартов IEEE 802.16, несомненно, является ключевым кандидатом на роль базиса для создания беспроводных сетей передачи данных четвёртого поколения.

Технологии и решения, заложенные в текущую версию стандарта, позволяют обеспечить эффективную мобильную беспроводную передачу данных, мультимедийной информации, голоса, видео и Интернета.

1.4 Принципы  построения сети WiMAX

Построение сети WiMAX предполагает использование трёх типов оборудования – базовые станции (БС), абонентский комплект  (абонентская станция – АС) и оборудование для организации связи между базовыми станциями – ретрансляционные станции (РС).

Рассмотрим в качестве примера топологию сети SkyMAN (рисунок 2.13).Сеть ШБД SkyMAN может включать одну или несколько базовых станций (БС), объединенных беспроводными магистралями SkyMAN или другими каналами связи. Каждая БС содержит от одного до шести секторов.

Рисунок 2.13 - Топология сети SkyMAN

В состав сети могут быть включены ретрансляционные станции (РС), обеспечивающие увеличение дальности  и позволяющие обходить крупные препятствия, закрывающие БС от отдельных АС. АС подключаются по радио к БС или РС. АС, находящаяся в зоне радиовидимости более чем одной БС, может быть зарегистрирована на каждой из них, при этом поддерживается адаптивный выбор БС, обеспечивающей лучшее качество обслуживания. Такое свойство системы позволяет обеспечить горячее резервирование канала АС-БС, повышая надежность сети в целом.

   Базовая станция (БС)

   БС системы SkyMAN Access предназначена  для беспроводного подключения  абонентов к Интернет и ТФОП, а также объединения территориально - разнесенных корпоративных сетей в единую сеть. 

БС строится по модульному принципу (рисунок 2.14, 2.15) и может включать от одного до 6 модулей, в зависимости от требований к пропускной способности, дальности передачи, используемого частотного диапазона и наличия свободных частот. Каждый из модулей (или радиоинтерфейсов в двухмодульных моделях) обеспечивает обслуживание одного пространственного сектора в пределах диаграммы направленности используемой антенны. Типичные значения зоны охвата каждого сектора 360º (один сектор), 120º (три сектора), и 60º (шесть секторов). Оборудование БС не накладывает определенных требований к ширине сектора, которая в конкретных случаях может быть произвольной, определяемой конкретной топологией сети, наличием частотного ресурса и размещением абонентов.

  В состав БС входят:

- Беспроводные маршрутизаторы R5000 - от 1 до 6, по одному на сектор. Для маломощных БС могут использоваться двухмодульные беспроводные                    маршрутизаторы – по одному на два сектора. Односекторные БС обеспечивают скорость передачи до 54 Мбит/с. Многосекторные БС обеспечивают работу со скоростью до 48 Мбит/с на сектор.

         - Антенно-фидерные устройства - по количеству секторов базовой станции.

        - Лицензии для подключения специализированных абонентских станций, на         каждый сектор базовой станции.

        - Программное обеспечение для управления сетью SkyMAN

        -Коммутатор Ethernet (опционально).

       - Шкаф для монтажа оборудования (опционально).

        - Источники бесперебойного питания (опционально).

 
рисунок 2.14 - Типовая схема односекторной БС

 

Рисунок 2.15 - Типовая схема 6-секторной БС