Вопросы совместимости гетерогенных беспроводных сетей связи

Автор: Сингал Т.Л.

Автор перевода: Гришаева А.Д.

Источник: International Journal of Computing and Business Research (IJCBR), ISSN (Online): 2229-6166, Volume 4 Issue 2 May 2013.

Источник (англ.): Issuesof interoperability among heterogeneous wireless communication networks

Аннотация

Несколько накладывающих беспроводных сетей, таких как сотовые (3G), беспроводные локальные сети (WiFi), беспроводные городские сети (WiMAX), мобильные Adhoc сети (MANETs), беспроводные mesh-сети (WMNS) и беспроводные  сенсорные сети (WSNs) могут существовать на одной и той же географической территории. Требование совместимости этих гетерогенных беспроводных сетей связи имеет первостепенное значение. Наложение спектра, т.е. использование конкурирующими технологиями одинаковых диапазонов частот и взаимная интерференция, приводит к существенному снижению эффективности при использовании соседних рабочих диапазонов. Взаимодействие этих разнообразных беспроводных технологий для эффективного предоставления дополнительных видов приложений и услуг, сопряжено с рядом сложных задач, связанных с архитектурой, распределением ресурсов, управлением мобильностью, обеспечением качества обслуживания (QoS) и безопасностью. Целью данной статьи является рассмотрение различных аспектов взаимодействия гетерогенных беспроводных сетей и исследование путей решения выше перечисленных проблем. Также рассматривается возникший стандарт IEEE 802.21, который реализует бесшовный и прозрачный хэндовер между различными элементами гетерогенной беспроводной сети. Аутентификации пользователей и вопросы безопасности данных – это другие серьезные проблемы при взаимодействии гетерогенных беспроводных сетей. В настоящее время разрабатывается много стандартов и проверка на их совместимость необходима для обеспечения надежного взаимодействия между различными реализациями.

Ключевые слова: 4G, хэндовер, совместимость, гетерогенные сети, безопасность, наложение спектра.

1 Введение

В последние годы наблюдается быстрое развитие коммерчески доступных беспроводных мобильных устройств. Современные цифровые беспроводные сети и технологии поддерживают более высокую пропускную способности, обеспечивают высокое качество передачи голоса и адекватную защиту данных. Пользовательское устройство имеет потенциал, чтобы стать платформой для предоставления комплекса дополнительных услуг связи, включающих передачу голоса, данных, видео и мультимедиа [1]. Существующие цифровые беспроводные стандарты, в частности, связанные с пропускной способностью, покрытием, емкостью, межсетевым взаимодействием, дополнительными видами обслуживания, и, конечно, стоимостью, продолжают развиваться. Все основные провайдеры и поставщики оборудования для беспроводной связи едины в том, что следующее поколение гетерогенных беспроводных сетей должно эволюционировать от существующей инфраструктуры.

Следующим значительным развитием беспроводных сетей будет усовершенствование радиодоступа, которое позволит предоставлять мультимедийные услуги на высоких скоростях передачи. С развитием мобильных информационных технологий, таких как программно-конфигурируемая радиосистема (SDR - software  defined  radio), сверхвысокие скорости передачи данных, мобильный Интернет-протокол MIPv6, потенциальные пользователи смогут получить мобильный доступ в Интернет, использовать мобильный телефон, ноутбук или другой PDA в качестве мобильного устройства связи, иметь свободный выбор услуг, приложений и сети обслуживания, использовать передовые мобильные приложения электронной коммерции с более высоким уровнем безопасности и целостности данных во время транзакций [2].

Беспроводные сети мобильной связи (например, 3G и более) и широкополосные беспроводные технологии доступа (например, Wi-Fi и WiMAX) предоставляют множество приложений и услуг: от голосовых вызовов на потокового видео. Возниканет потребность в интеграции различных беспроводных технологий доступа в единой унифицированной платформа, способной обеспечивать бесшовную и прозрачную мобильности пользователей с высоким уровнем качества обслуживания (QoS) для конечных пользователей. Такая интеграция приводит к понятию гетерогенных беспроводных сетей (Heterogeneous  Wireless Networks - HWNs). Один из типичных аспектов HWN - реконфигурируемая совместимость, которая требует управления ресурсам в условиях гетерогенности. Повышенный уровень пользовательских потребностей и интеграция различных беспроводных сетей доступа приводит к развитию гетерогенной персонализированной и прозрачной для пользователя среды беспроводной связи с множественным доступ, как показано на рис. 1. [3].

Рис.1 – Гетерогенная беспроводная сеть

Взаимодействие между различными беспроводными сетями в гетерогенной среде требует новых методов управления ресурсами, способных обеспечить как эффективное использование сети, так и удовлетворенность пользователей.

2 Спектральная совместимость

Среди проблем, связанных с беспроводными локальными сетями (WLAN) и беспроводными персональными сетями (WPANs), наложение спектров является наиболее серьезной. В общем случае, спектральной несовместимостью является потенциальное конкурирование беспроводных сетевых технологий в использовании тех же диапазонов частот и взаимная интерференция, как следствие. Это может привести к значительному снижению их работоспособности при использовании соседних рабочих диапазонов. Например, сети IEEE 802.11 b/g плохо работают в диапазоне 2,4 ГГц, если поблизости находится радиотелефон. Эта проблема затрагивает все DSSS и FHSS технологии, работающие в том же частотном диапазоне. Для решения этой проблемы производители беспроводных телефонов начали внедрение моделей, работающих в другом нелицензируемом диапазоне – ISM 5,8 ГГц.

Технология Bluetooth может конфликтовать с технологиями IEEE 802.11 b/g, которые также используют диапазон частот 2,4 ГГц. Использование этих технологий в непосредственной близости может привести к разрыву соединения в WLAN. Один из простых способов решения этой проблемы – удаление устройства Bluetooth от 802.11b/g устройства. Кроме того, в стандарте IEEE 802.15.1 рекомендуется, чтобы Bluetooth и 802.11b/g устройства перед передачей проверяли занятость среды передачи данных [4]. Стандарт 802.11a использует другую полосу частот, что позволяет избежать наложения спектра. 

Применение технологии Ultra Wide Band (UWB) в персональных сетях позволяет значительно уменьшить проблему наложения спектра. Относительно широкополосные помехи, производимые IEEE 802.11b, выглядят как белый шум в приемнике стандарта IEEE 802.15.4, поскольку только часть мощности 802.11b лежит в пределах ширины полосы пропускания приемника 802.15.4. Для приемника IEEE 802.11b сигнал от передатчика 802.15.4 выглядит как узкополосная помеха. Кроме того, малые рабочие циклы типичных устройств ZigBee способствуют дальнейшему снижению влияния помех [5]. Аналогично, влияние помех от IEEE 802.15.1 Bluetooth устройств будет минимальным из-за значительно меньшей полосы пропускания каждого частотного канала. И устройства стандарта 802.15.4 будут интерферировать лишь примерно на трех из 79 прыжков по частоте Bluetooth, что составляет примерно 4%. Однако UWB интерферирует с сетями IEEE 802.11a. 

Одним из аспектов, которые следует учитывать при рассмотрении беспроводной передачи данных в нелицензируемых диапазонах, является то, что при увеличении количества одновременных передач, пропорционально возрастают и помехи. В конце концов, это может сделать технологию непригодной для использования. Это имеет особое значение с учетом расстояний, достигаемых технологией IEEE 802.16 WiMAX. WiMAX отличается от 802.11 тем, что он не ограничивается полосами 2,4 ГГц или 5 ГГц. Полоса ISM составляет около 80 МГц, тогда как диапазон U-NII предоставляет полосу пропускания около 300 МГц и 12 каналов, которые могут быть разделены между пользователями. В зависимости от расстояния между передатчиками, помехи могут быть незначительными: WiMAX-сигналы ограничены примерно 48-56 км при идеальных условиях прямой видимости. Кроме того с использованием адаптивной модуляции, переменной скорости передачи данных, а также помехоустойчивого кодирования с прямой коррекцией ошибок, проблема интерференции может быть легко решена путем тестирования производительности канала связи. Другим вариантом решения такого типа проблем является внедрение smart-антенн.

3   Хендовер и роуминг

Эволюция и возникновение разнообразных беспроводных систем с различными характеристиками требуют интеграции в единую платформу, которая способна поддерживать прозрачный и бесшовный роуминг пользователя посредством хэндовера без разрыва текущего сеанса связи. Этот процесс сопровождается разработкой новых пользовательских устройств, способных работать с различными стандартами сетей и протоколами. Внедрение HWN значительно облегчается с недавним возникновением стандарта IEEE 802.21 [6]. Этот стандарт призван обеспечить функцию «хэндовера, не зависящего от среды передачи» (Media  Independent Handover  Function -MIHF) в гетерогенной среде, который бы обеспечил бесшовный и прозрачный роуминг пользователей. Стандарт IEEE 802.21 расширяет возможности пользователей мобильных устройств, поддерживая хендовер между гетерогенными беспроводными сетями. Кроме того, стандарт IEEE 802.21 обеспечивает более легкое введение схемы управления ресурсами. Рис. 2 отображает архитектуру стандарта IEEE 802.21.

Рис.2 – Архитектура стандарта IEEE 802.21

IEEE 802.21 поддерживает алгоритмы прозрачного хэндовера как между сетями одного и того же типа, так и хэндовер между различными типами сетей. Стандарты 802.21 предоставляют информацию, необходимую для обеспечения хэндовера в/из сотовых сетей (2G/3G), беспроводных локальных сетей IEEE 802.11, Wi-Fi, Bluetooth, IEEE 802.16 WiMAX сетей с помощью различных механизмов.

В сотовых сетях и сетях стандарта IEEE 802.11 беспроводных сетей передачи определены внутрисистемные механизмы передачи соединения (хэндовера), называемые горизонтальным хэндовером. Протокол Mobile IP обеспечивает механизмы хэндовера между подсетями различных типов, но может вносит значительные задержки. Характерными особенностями стандарта IEEE 802.21 являются хэндовер между сотовыми  3G-сетямии сетями IEEE 802.11, поддержку adhoc-телеконференций, применимых к проводным и беспроводным сетям, совместимость с другими стандартами IEEE 802, поддержку множеством производителей и пользователей. Хотя алгоритмы и протоколы безопасности не определены в стандарте, но поддерживаются механизмы аутентификации, авторизации и обнаружения и выбора сети. Гетерогенные беспроводные сети охватывают различные решения для радиодоступа. Пользователи должны иметь возможность бесшовно и прозрачно перемещаться в таких условиях, выполняя вертикальный хэндовер между различными технологиями доступа. Поддержка мобильности на уровне IP для гетерогенных мобильных сетей следующего поколения показана на рис. 3 [7]. Также обеспечиваются механизмы аутентификации, авторизации и учета (AAA), качества обслуживания (QoS), управления сетью.

Рис.3 – Поддержка Mobile IP в сетях HWN

Вертикальным хэндовером называется изменение сетевым узлом типа соединения, используемого для доступа к инфраструктуре предоставления услуг, как правило, для поддержки мобильности. Вертикальный хэндовер в гетерогенной среде в значительной степени зависит от функционирования протокола Mobile IP [8], что приводит к высоким задержкам передачи, возрастанию числа разрывов соединения и увеличению количества потерянных пакетов. Например, хорошо оборудованный ноутбук мог бы использовать для доступа в Интернет одновременно высокоскоростную беспроводную локальную сети и сети сотовой связи. WLAN-соединения, как правило, обеспечивают более высокие скорости, в то время как сотовые технологии обеспечивают более повсеместное покрытие. Таким образом, пользователь ноутбука мог бы использовать беспроводное подключение к локальной сети, когда она доступен, и переключаться на сотовую связь, когда локальная сеть недоступна. Вертикальный хэндовер также предполагает автоматическое переключение от одной технологии к другой с целью поддержания соединения. Его отличие от горизонтального, при котором переключение осуществляется между различными беспроводными точками доступа, которые используют ту же технологию, в том, что при вертикальном хэндовере происходит изменение технологии канального уровня, используемой для доступа к сети. Вертикальный хэндовер между различными проводными и беспроводными технологиями доступа можно реализовать при помощи  MIH-функции, реализующей передачу IP сессий от одной технологии уровня доступа к другой. Мультистандартные беспроводные устройств, поддерживающие более одного беспроводного интерфейса, требуют возможности переключения между ними в ходе IP-сессии, а такие девайсы как ноутбуки, поддерживающие Ethernet и беспроводные интерфейсы, должны иметь возможность переключаться так же между проводным и беспроводным доступом в Интернет.

Когда сеанс связи передается от одной точки доступа к другой, использующей ту же канальную технологию, хэндовер обычно может быть выполнен в пределах этой технологии, без привлечения IP или MIH функциональности. Например, голосовой трафик (VoIP), передаваемый между Wi-Fi телефоном и Wi-Fi точкой доступа, может быть передан в другую Wi-Fi точку доступа в пределах той же корпоративной сети с помощью таких стандартов как IEEE 802.11f  и 802.11r. Однако, если необходима передача от Wi-Fi точки доступа в корпоративной сети к общественной точке доступа Wi-Fi, то требуется использование MIH-функции, так как две точки доступа не могут общаться друг с другом на канальном уровне, и в целом находятся в разных подсетей. Когда осуществляется передача сеанса связи от одной беспроводной технологии к другой, MIHF может обеспечить хэндовер путем передачи сообщений между беспроводными технологиями и IP-протоколом.

4 Выводы

Требования гетерогенных беспроводных сетей нового поколения (NextG) открывают еще больше новых возможностей для интересных и всесторонних исследований на тему концепций, методологии и методов поддержки передовых мобильных услуг. Очевидно, что разработка новых механизмов, протоколов, алгоритмов, приложений, архитектур и систем будет иметь значительное влияние на успешное развертывание новых беспроводных сетей. 

Беспроводные сети нового поколения должны обрабатывать большие объемы мультимедийной информации, иметь асимметричные скорости передачи данных «вверх» и «вниз», также обеспечивать непрерывное покрытие на большой географической территории, обеспечивая механизмы QoS ( эффективное кодирование, методы обнаружения и коррекции ошибок, эхоподавление, голосовые эквалайзеры и т.д.), глобального роуминга по низким, доступным и разумным эксплуатационным затратам. Гетерогенная беспроводная сеть должна быть прозрачной в отношении среды передачи и открытой по отношению к платформе мобильного терминала и узлов обслуживания, а также должна обеспечивать  адекватные механизмы безопасности. Это означает, что пользователь должен иметь возможность свободно выбирать протоколы, приложения и сети. Провайдеры дополнительных услуг и контент-провайдеры смогут расширить перечень предоставляемых услуги и контента независимо от операторов, а информация о местоположении и начислении платы сможет передаваться между сетями и приложениями.

Ссылки

[1]  Suk  Yu  Hui;  Kai  Hau  Yeung, “Challenges  in  the  migration  to  4G mobile systems”, IEEE Communications Magazine,  Vol. 41,  Issue 12, pp 54-59, Dece. 2003.

[2]   Varshney,  U.;  Jain,  R.,  “Issues  in emerging  4G wireless networks”, IEEE Computers  Magazine,  Vol.  34,  Issue  6, pp94-96, 2001.  

[3]   L.  Gavrilovska,  V.  Atanasovski, “Interoperability  in  Future  Wireless Communications  Systems:  A  Roadmap to 4G,” Microwave Review, 13(1), June 2007, pp.19 – 28.  

[4]  T.  L.  Singal,  “Wireless Communications”,  ISBN:  978-0-07-068178-1, Tata-McGraw Hill Education, 2010. 

[5]  J. M. Pereira, "Fourth Generation: Now, It Is Personal," Proceedings of the 11th IEEE  International  Symposium  on Personal,  Indoor  and  Mobile  Radio Communications, London, UK, pp18-21 September 2000.  

[6]   A.  Dutta  et  al.,  “Seamless  Handover across  Heterogeneous  Networks  –  An IEEE  802.21  Centric  Approach”, WPMC  2005,  Aalborg,  Denmark, September 2005. 

[7]   J. Li, H. H. Chen, “Mobility support for IP-based  networks”,  IEEE Communication  Magazine,  Vol.  43, No.10, Oct. 2005, pp.127-132. 

[8]  Project:  “QoS  based  Vertical  Handoff between  WLAN  and  WiMAX Compatible  with  the  IEEE  802.21 Framework”, Queen Mary, University of London.  http://www.elec.qmul.ac.uk/ networks/opnet.html  

[9]  B.  G.  Evans  and  K.  Baughan,  "Visions of 4G”, Electronics and Communication Engineering Journal, Vol. 12, No. 6, pp. 293-303, Dec. 2000.

[10]  V.  Gurbani,  X-He  Sun,  “A  system approach  for  closer  integration  of cellular  and  Internet  services”,  IEEE Network,  Vol.19,  No.1,  Jan/Feb.  2005, pp. 26-32.