Физический уровень стандарта IEEE802.16 (L1) организует непосредственную доставку потоков данных между БС и АС. Все задачи, относящиеся к формированию структур этих данных, а также контроль передачи потоков производятся на MAC-уровне (Medium Access Control).
Оборудование стандарта IEEE 802.16 создаёт транспортную среду для трансляции потоков различных услуг (сервисов). Поток услуги (service flow) – центральная концепция МАС-протокола.
Обобщенная задача уровня МАС – это поддержка механизма различных услуг верхнего уровня. Разработчики стандарта стремились реализовать единый для всех приложений протокол MAC-уровня, независимо от особенностей физического канала, что позволяет сопрягать терминалы конечных пользователей с кабельными сетями передачи.
Физически среды передачи в разных соединениях сети могут быть различны, но структура данных одинакова. В одном канале могут работать (не одновременно) десятки различных абонентских терминалов. Абоненты являются потребителями самых разных сервисов (приложений) в виде соединений по протоколу IP. Качество услуг (QoS) каждого отдельного соединения не должно изменяться при передаче информации через сети IEEE 802.16е. Алгоритмы и механизмы доступа МАС-уровня должны решать эти задачи.
МАС-уровень IEEE 802.16 включает три подуровня (рис. 9):
¾ подуровень преобразования потоков услуг (CS - Convergence Sublayer);
¾ основной подуровень (CPS - Common Part Sublayer);
¾ подуровень безопасности (PS - Privacy Sublayer).
Рис. 9. Структура МАС-уровня стандарта IEEE 802.16
Подуровень безопасности осуществляет криптозащиту данных и механизмы аутентификации/предотвращения несанкционированного доступа. С этой целью реализованы наборы алгоритмов криптозащиты и протокол управления ключами шифрации.
На подуровне преобразования потоков услуг осуществляется преобразование потоков данных протоколов верхних уровней для передачи по сети WiMAX. Стандарт предусматривает свой механизм трансформации для каждого типа приложений верхних уровней. При этом на уровне L2 можно реализовать различные протоколы пакетной передачи данных: АТМ, РРР, IEEE 802.3 (Ethernet).
Разнообразные услуги имеют соответствующую классификацию и для каждого класса специфицированы качественные показатели QoS (Quality of Service). Характеристики QoS определяют:
¾ приоритетность трафика,
¾ допустимые задержки,
¾ надежность передачи,
¾ требуемые скорости передачи: максимальную поддерживаемую скорость трафика и минимальную зарезервированную скорость,
¾ допустимый временной джиттер (неравномерность в периодичности доставки пакетов).
Во время реализации транспортного соединения любому потоку данных (service flow) присваивают SFID (Service Flow Identifier) (32 бита). При назначении SFID индивидуально в направлениях вверх и вниз указывают значения параметров QoS, которые могут быть абсолютно разными, например, при однонаправленной передаче видеотрафика.
Функцию по выделению канального ресурса с учетом обеспечения QoS реализует планировщик (scheduler). Это ПО в базовой станции, поставляемое производителем аппаратуры. При осуществлении передачи вниз (БС→АС) планировщик всегда знает полную информацию обо всех обслуживаемых потоках данных и может обеспечить оптимальное распределение канального ресурса. При организации передач вверх (АС→БС) существует 5 типов трафика в зависимости от их приоритета и требованиям к задержкам. В трех из них предусмотрен опрос (polling) АС с тем, чтобы оперативно изменять выделяемый конкретной АС канальный ресурс:
UGS – Unsolicited Grant Service: передача в реальном времени сигналов и потоков телефонии (Е1) и VoIP; допустимая задержка менее 5 – 10 мс в одном направлении при BER = 10-6… 10-4,
ertPS – extended real time Polling Service, необходима для передачи вверх телефонии с использованием детектора речевой активности абонента,
rtPS – real time Polling Service: передача потоков реального времени с пакетами переменной длины (например, видео),
nrtPS – non-real-time Polling Service: поддержка потоков переменной длины при передаче файлов в широкополосном режиме,
BE – Best Effort: остальной трафик.
На рис.9 отмечены операции, реализуемые на отдельных подуровнях уровня МАС.
.
Рис. 10. Структура МАС-уровня стандарта IEEE 802.16
С целью оптимизации транслируемых потоков предусмотрен специальный механизм удаления повторяющихся фрагментов заголовков PHS (Payload Header Suppression) IP-дейтаграмм и АТМ ячеек, которые восстанавливают на приемном конце.
Информационное сообщение приходит на БС в виде потока пакетов SDU (Service Data Unit). На верхнем подуровне SDU преобразуют в МАС PDU (Protocol Data Unit), при этом несколько SDU, передаваемых одному абоненту, могут быть упакованы в одном PDU. Затем пакеты данных MAС PDU транслируют на физический уровень и передают по каналу связи. Любому активному соединению присваивают идентификатор CID (Connection Identifier) длиной 16 бит. Каждому SFID соответствует собственный CID.
Принцип работы
В общем виде WiMAX сети состоят из следующих основных частей: базовых и абонентских станций, а также оборудования, связывающего базовые станции между собой, с поставщиком сервисов и с Интернетом.
Для соединения базовой станции с абонентской используется высокочастотный диапазон радиоволн от 1,5 до 11 ГГц. В идеальных условиях скорость обмена данными может достигать 70 Мбит/с, при этом не требуется обеспечения прямой видимости между базовой станцией и приёмником.
Как уже говорилось выше, WiMAX применяется как для решения проблемы «последней мили», так и для предоставления доступа в сеть офисным и районным сетям[3].
Между базовыми станциями устанавливаются соединения (прямой видимости), использующие диапазон частот от 10 до 66 ГГц, скорость обмена данными может достигать 140 Мбит/c. При этом, по крайней мере одна базовая станция подключается к сети провайдера с использованием классических проводных соединений. Однако чем большее число БС подключено к сетям провайдера, тем выше скорость передачи данных и надёжность сети в целом.
Структура сетей семейства стандартов IEEE 802.16 имеет схожесть с традиционными GSM сетями (базовые станции действуют на расстояниях до десятков километров, для их установки не обязательно строить вышки — допускается установка на крышах домов при соблюдении условия прямой видимости между станциями)[4].
Режимы работы
В Wi-Fi сетях все пользовательские станции, которые хотят передать информацию через точку доступа (АР), соревнуются за «внимание» последней. Такой подход может вызвать ситуацию, при которой связь для более удалённых станций будет постоянно обрываться в пользу более близких станций. Подобное положение вещей делает затруднительным использование таких сервисов, как Voice over IP (VoIP), которые очень сильно зависят от непрерывного соединения.
Что же касается сетей 802.16, в них MAC использует алгоритм планирования. Любой пользовательской станции стоит лишь подключиться к точке доступа, для неё будет создан выделенный слот на точке доступа, недоступный другим пользователям.
Архитектура
WiMAX Forum разработал архитектуру, которая определяет множество аспектов работы WiMAX сетей: взаимодействия с другими сетями, распределение сетевых адресов, аутентификация и др. Приведённая иллюстрация даёт некоторое представление об архитектуре сетей WiMAX.
Рис. 11. WiMAX Форум WiMAX Архитектура
¾ SS/MS: (the Subscriber Station/Mobile Station)
¾ ASN: (the Access Service Network)
¾ BS: (Base station), базовая станция, часть ASN
¾ ASN-GW: (the ASN Gateway), шлюз, часть ASN
¾ CSN: (the Connectivity Service Network)
¾ HA: (Home Agent, часть CSN)
¾ NAP:(a Network Access Provider)
¾ NSP: (a Network Service Provider)
¾ ASN (Access Service Network) — сеть доступа.
¾ ASN Gateway — предназначен для объединения трафика и сообщений сигнализации от базовых станций и дальнейшей их передачи в сеть CSN.
¾ BS (Base Station) — базовая станция. Основной задачей является установление, поддержание и разъединение радиосоединений. Кроме того, выполняет обработку сигнализации, а также распределение ресурсов среди абонентов.
¾ CSN (Connectivity Service Network) — сеть обеспечения услуг.
¾ HA (Home Agent) — элемент сети, отвечающий за возможность роуминга. Кроме того, обеспечивает обмен данными между сетями различных операторов.
Архитектура сетей WiMax не привязана к какой-либо определённой конфигурации, обладает высокой гибкостью и масштабируемостью.