БОГОМОЛОВА Наталья Егоровна, кандидат технических наук
МГТУ им. Н.Э. Баумана, доцент;

УСМАНОВ Павел Юрьевич,
фирма WiТЕХ, директор по IT-технологиям, аспирант МТУСИ.

ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ СЕТЕЙ ШИРОКОПОЛОСНОГО ДОСТУПА ФОРМАТА WiMAX

Рассмотрены принципы построения сетей стандарта IEEE 802.16 (WiMAX), частотные спектры для России, градации абонентских устройств, особенности функционирования уровня доступа к среде и физического уровня, а также проблемы, возникающие при динамическом управлении ресурсами в этих сетях.

Ключевые слова: широкополосные беспроводные сети, управление ресурсами в сетях, алгоритм контроля доступа.

Principles of networks construction of standard IEEE 802.16 (WiMAX), frequency spectra for Russia, gradation of user's devices, features of functioning of access level by medium and physical level, and also the problems arising at dynamic resource management in these networks are considered.

Keywords: broadband wireless networks, resource management in networks, algorithm of the access control.

В настоящее время в России происходит бурное развитие широкополосных беспроводных сетей передачи информации. Предпосылкой этого развития, с одной стороны, явилось интенсивное развитие глобальной сети Интернет, с другой стороны внедрение самых современных методов кодирования, модуляции и передачи информации. Для стран, в которых обширная территория сочетается с невысокой плотностью населения, широкополосные беспроводные сети находятся вне конкуренции по быстроте развертывания, цене и набору приложений.

Существует достаточно много критериев классификации беспроводных сетей. Обычно их разделяют[1]:

• по ширине полосы передачи − на узкополосные, широкополосные и сверхширокополосные;
• по локализации объектов − на статические и динамические (при этом следует различать собственно возможность мобильности абонентов и мобильность отдельных крупных зоновых узлов сети, причем чувствительность технологии связи может ограничивать скорость абонента);
• по используемой технологии − на спутниковые, атмосферные и оптические;
• по методам доступа к беспроводной среде − на системы с пространственным разделением (SDM), системы с частотным разделением (FDM), системы временным разделением (TDM), системы с кодовым разделением (CDM). Имеются также их различные модификации;
• по географической протяженности − на персональные (WPAN), локальные (WLAN), региональные (городские − WMAN) и глобальные (WWAN);

Стандартизацией широкополосных сетей занимается Институт инженеров по электротехнике и электронике IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), а именно комитет IEEE 802, занимающийся стандартизацией технологий сетей передачи данных.

Термин WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) [1] является коммерческим названием стандарта региональных (городских) сетей широкополосного беспроводного доступа WMAN − IEEE 802.16, в нем описаны нижние уровни модели OSI [2]: физический и уровень доступа к среде передачи MAC (Medium Access Control). А именно: радиоинтерфейсы, методы модуляции и доступа к каналам, системы управления потоками и взаимодействие с протоколами высших уровней. Структурная схема сети стандарта WiMAX представлена на рис. 1, здесь же представлены основные протоколы, по которым осуществляется взаимодействие элементов сети.

Рис. 1. Структурная схема беспроводной широкополосной сети типа WiMAX

Первоначально для стандарта WiMAX были выделены полосы частот в диапазоне до 66 ГГц, но в России в настоящее время выданы разрешения на полосы частот в соответствии с табл. 1.

Таблица 1 Основные режимы стандарта IEEE 802.16 в России

При этом в сетях типа WiMAX различают 3 градации абонентских устройств по степени подвижности:

1. неподвижные абонентские устройства (fixed wireless), с внешними (outdoor) и внутренними (indoor) блоками с узконаправленными антеннами, так называемый фиксированный беспроводный доступ, который описывается стандартом 802.16d-2004;

2. портативные (portable, nomadic) абонентские устройства, которые могут передвигаться со скоростью до 5 км/ч, так называемый полумобильный доступ, ранний стандарт 802.16e-2005;

3. мобильные (mobile) абонентские устройства, которые могут обеспечивать работу при передвижении абонента со скоростью до 120 км/ч, так называемая полная мобильность, стандарт 802.16e-2006.

Разработчики стандарта стремились создать единый для всех приложений протокол МАС-уровня независимо от особенностей физического канала. Это требование было выдвинуто в связи с тем, что пользователям необходимы самые различные сервисы, качество услуг которых должно удовлетворять заданному уровню QoS. МАС-уровень разделен на три подуровня.

Верхний – подуровень конвергенции (слияния) CS (Convergence Sablayer) – осуществляет слияние сервисных потоков различных протоколов верхних уровней [3]: АТМ, IP, Ethernet, VLAN (IEEE 802.1Q-1998). Сервисным потоком называется поток данных, связанный с определенным приложением. Каждый поток имеет свой класс обслуживания, при этом выделяется необходимая полоса пропускания – соответствующий виртуальный канал, которому присваивается 16-разрядный идентификатор соединения СID.

Развитие сетей связи, основывающихся на технологии коммутации пакетов, уже достигло того уровня, когда можно говорить об их широком использовании операторами связи. Вместе с тем, методики расчета сетей типа WiMAX до сих пор остаются недостаточно развитыми, и в большинстве случаев при их проектировании закладывается потребность в гораздо большей пропускной способности, чем оказывается необходимо на самом деле. Использование технологии коммутации пакетов и ряда других сопутствующих технологий приводит к принципиально иной структуре трафика, требующей разработки новых методов расчета и новых алгоритмов управление для таких сетей.

Классы обслуживание WiMAX оговариваются при подключении станции к сети.

Существует 5 классов обслуживания [7]:

1. Высшим из них является класс доступа по первому требованию UGS (Unsolicited Grant Service), при котором абонентской станции немедленно предоставляется заранее оговоренная (при подключении к сети), фиксированная скорость передачи. Несмотря на применение коммутации пакетов, этот класс позволяет эмулировать канал связи и, как при коммутации каналов [3], обеспечивает постоянную скорость передачи, что требуется, например, в традиционной телефонии.

2. Вторым является класс доступа с переменной скоростью с передачей данных в режиме реального времени RT-VR rtPS (Real-Time Variable Rate), при котором абонентская станция передает информацию, чувствительную к задержкам, с переменной скоростью без потери допустимого качества. Таким способом может передаваться видеоинформация с переменным сжатием.

3. Третий класс доступа с переменной скоростью без передачи данных в режиме реального времени NRT-VR nrtPS (Non-Real-Time Variable Rate) используется для передачи информации нечувствительной к задержкам, но требующей гарантированной скорости. Например, этот класс используется для передачи файлов (протоколы FTP, HTTP).

4. Четвертый класс доступа в режиме максимально возможной в данный момент скорости BE (Best Effort) используется для передачи данных, не критичных к скорости передачи и времени задержки. Преимущественно данный класс используется для передачи данных в Интернете.

5. Для передачи данных приложений реального времени в рекомендации [7] вводится промежуточный между UGS и RT-VT пятый расширенный класс доступа с переменной скоростью с передачей данных в режиме реального времени ERT-VR (Extended Real-Time Variable Rate), который обеспечивает постоянные скорость и задержку, например при передаче голоса с подавлением пауз.

В протоколе МАС-уровня предусмотрена поддержка дуплекса (частотного или временного), синхронизации, разрешение столкновений, возможных на этапе установления системы или на интервалах запроса на передачу. На этом уровне также обеспечивается измерение дальности до абонентских станций, необходимое для корректной работы протокола, обновление описания канала и разделение абонентского оборудования на абонентские группы.

Следующий − основной подуровень – CPS (Common Part Sablayer), на котором формируются протокольные блоки данных (пакеты) – PDU (Protocol Data Unit). Пакеты могут быть информационными и управляющими. Информационный PDU включает 6-байтовый заголовок (в нем указывается СID), поле данных (здесь передаются подзаголовки МАС-уровня, управляющие сообщения и собственно данные, далее следует контрольная сумма. Управляющий PDU передает запрос на выделение или увеличение полосы пропускания, размер которой указывается в заголовке, поля данных в нем нет.

Третий подуровень уровня МАС – подуровень защиты (секретности) − PS (Privacy Sablayer), здесь выполняются функции криптозащиты и механизмы аутентификации. Имеется набор различных алгоритмов шифрования на участке между базовой станцией (BTS) и абонентской станцией (MS). Уровень безопасности включает два протокола:

• протокол инкапсуляции для шифрования пакетов, включающий несколько вариантов пар «шифрование – аутентификация» и правила их применения к пакетам МАС-уровня;

• протокол управления ключами шифрования PKM (Privacy Key Management), обеспечивающий распределение ключей от BTS к MS; механизмы криптозащиты выполняются управляющими сообщениями.

Пакеты МАС-уровня преобразуются в кадры фиксированной длины. Распределение канальных ресурсов – динамическое. MS может как запрашивать определенный размер полосы пропускания, так и просить об изменении уже предоставленного ресурса. Так как для передачи используется дуплексный режим, кадр состоит из двух субкадров – для нисходящего потока (от BTS к MS) и для восходящего потока (от MS к BTS). Для реализации дуплексного режима может применяться как частотное – FDD (Frequency Division Duplex), так и временное TDD (Time Division Duplex) разделение восходящего и нисходящего субкадров. Пакеты от BTS к MS следуют друг за другом без интервалов. Пакеты в обратном направлении передаются в специально зарезервированных тайм-слотах, отведенных для выделенных виртуальных каналов. Запросы могут возникать либо случайно, либо по расписанию (polling). Случайный доступ от MS предусмотрен при первичной регистрации в сети при запросе или при изменении полосы пропускания предоставленного канала. При случайных запросах возможны столкновения, механизм борьбы с которыми аналогичен стандарту IEEE 802.11 [4]. Возможен переход от случайных запросов к периодическому опросу, это позволяет значительно сократить объем абонентской информации.

Основной принцип доступа к каналу для предоставления канальных ресурсов – доступ по запросу DAMA (Demand Assigned Multiple Access), − при этом различают запросы для каждого соединения и для всех соединений данного абонента. Предусматривается два режима доступа – для каждого отдельного соединения и для всех соединений данной MS. Во втором случае значительно сокращается объем передаваемой служебной информации. Для приложений, имитирующих режим коммутации каналов [3], периодичность и размер пакетов фиксированы (например, поток Е1 в телефонии) и предусмотрен механизм предоставления интервалов фиксированной длины с заданной периодичностью.

Для подтверждения приема и обратной связи с передающей стороной разработаны протоколы подтверждения передачи, основанные на механизме окна [2], размер окна может динамически изменяться. По каналу обратной связи могут передаваться результаты периодических измерений параметров радиоканалов, информация о коррекции мощности передатчиков, особое значение эта информация приобретает при работе с адаптивными многолучевыми антеннами.

Стандартом также рекомендуются полосы частот и соответствующие скорости передачи при различных видах модуляции, представленные в табл. 2. Максимальная скорость передачи, предусмотренная в стандарте − 134,4 Мбит/с при полосе 28 МГц и модуляции 64QAM.

Рассмотренные ранее особенности построения данных сетей позволяют выявить ряд их недостатков, связанных с изменением производительности при эксплуатации сетей WiMAX.

В частности, по мере удаления абонента от BTS, а также в случае ухудшения метеоусловий или наличия постоянного источника помех (аэропорт, радиостанция и т.д.) для повышения помехозащищенности сети происходит смена вида модуляции (переход от режима OFDM к режиму CS и т.д.), что приводит к снижению скорости передачи в соответствии с табл. 2 [1].

Таблица 2. Обязательные схемы кодирования (модуляции) в режиме OFDM

При этом наличие большого числа операторов данных сетей в России приводит к тому, что они имеют ограниченный частотный ресурс (см. также табл. 1). В среднем каждый оператор имеет полосу всего около 3,5 МГц, что приводит к взаимным помехам при работе сетей и также требует для их снижения менять виды модуляции на более помехоустойчивые. Кроме того, в больших городах наиболее часто используется режим отсутствия прямой видимости, при этом большое число отраженных радиосигналов также увеличивает помехи.

В настоящее время в России отсутствуют мобильные абоненты WiMAX, только появляются полумобильные абоненты, имеющие портативный доступ. При их появлении и дальнейшем широком распространении следует ожидать перехода на более низкоскоростные схемы кодирования и передачу большого количества информации по сетям. Одной из важных задач, решаемых при проектировании сетей типа WiMAX, является разработка адаптивного алгоритма контроля доступа, позволяющего повысить эффективность использования ресурсов сети.

Опишем математическую модель сегмента сети связи WiMAX, которую предполагается использовать в разрабатываемом адаптивном алгоритме. Рассматривается процесс интенсивностей, управляемый марковским MMРP [5], позволяющий точно описать суперпозицию нескольких соединений, а также его аппроксимация –процесс, управляемый марковским MMPP. Предлагаемый для разрабатываемого алгоритма критерий принятия соединения на обслуживание получен на основании результатов расчетов модели MMPP/D/1/K [6].

Если использовать эту методику напрямую, разрабатываемый алгоритм контроля доступа соединений окажется достаточно требовательным к вычислительным ресурсам системы и будет плохо масштабироваться при росте числа состояний MMPP-процесса, т.е. количества одновременных соединений, при этом он не сможет выполняться в режиме реального времени (в пределах миллисекунд), что будет означать невозможность его применения в реальных сетях WiMAX.

В связи с этим необходимо произвести упрощение исходной математической модели. По аналогии с [7], количество состояний MMPP-процесса в работе снижено до двух (рис. 2). В новом процессе состояние OL будет соответствовать состояниям перегрузки, а другое состояние UL будет соответствовать состояниям недогруженности сети.

Рис. 2. Деление состояний на UL и OL

Величину M можно получить из неравенства: С/LD – 1 < M ≤ C/LD , где С – пропускная способность канала связи, L – интенсивность поступления пакетов от одного MMPP-источника в состоянии ON, D – длина пакета.

Для нового процесса необходимо определить выражения для четырех характеризующих его параметров: r_OL и r_UL – средней интенсивности выхода из состояния OL и UL, а также λ_OL и λ_UL – интенсивности пуассоновского процесса поступлений пакетов в состоянии OL и UL.

Параметры λ_OL и λ_UL можно получить, вычислив среднюю скорость генерации пакетов в состоянии OL и UL процесса. Таким образом, могут быть получены формулы для упрощенной MMPP-модели с двумя состояниями. Исследование производительности предложенного алгоритма показало, что приведенные формулы требуют относительно небольших вычислительных ресурсов и могут быть использованы в составе алгоритма контроля доступа вызовов в реальном времени.

В процессе работы алгоритма контроля доступа соединений возникают ситуации, когда свободных ресурсов сети связи (пропускной способности) оказывается недостаточно для принятия на обслуживание нового вызова. В таком случае предлагается модифицировать параметры уже установленных соединений для сокращения занимаемой ими пропускной способности. Пропускная способность, занимаемая одним соединением, зависит от класса обслуживания и периода пакетизации. При модификации этих параметров для принятия нового соединения на обслуживание необходимо учитывать имеющиеся ограничения на классы обслуживания.

Одним из основных вопросов, возникающих при разработке динамического алгоритма контроля доступа, способного к модификации параметров уже установленных соединений, является вопрос очередности модификации этих параметров. Очевидно, что существует три направления модификации: изменение периода пакетизации, изменение класса обслуживания и принятие соединения на обслуживание без изменений каких-либо параметров (тем самым увеличивается вероятность потерь пакетов). В дальнейшем предполагается рассмотреть эффект, достигаемый при изменениях по каждому из этих направлений.

Литература

1. Вишневский В.М., Ляхов А.И., Портной С.Л., Шахнович И.В. Широкополосные беспроводные сети передачи информации. − М.: «Техносфера», 2005. – 592 с.

2. Шварц М. Сети связи, протоколы, моделирование и анализ/ Пер. с англ.: в 2т. − М.: Наука, 1992. − Т. 2. − 276 с.

3. Лазарев В.Г. Интеллектуальные цифровые сети. Справ./Под ред. Н.А. Кузнецова. − М.: Финансы и статистика, 1996. −224 с.

4. IEEE 802.16e-2005 p. − 225 t. – 132 a.

5. Heffes H., Lucantoni D. A Markov Modulated Characterization of Voice and Data Traffic and Related Statistical Multiplexer Performance/ IEEE Journal on Selected Areas in Communications, September 1986. − vol. 4. − issue 6. − PP. 856 − 868.

6. Лагутин B.C., Степанов С.Н. Телетрафик мультисервисных сетей связи. − М.: Радио и связь, 2000. – 320 c.

7. Tao Yang, Danny H.K. Tsang. A Novel Approach to Estimating the Cell Loss Probability in an ATM Multiplexer Loaded with Homogeneous On-Off Sources / Proc. IEEE Globecom'92. – vol 2. − PP. 391 – 407.