Курсовая работа: Технология WiMax

Рис. 3.7

Канальный уровень стандарта IEEE 802.16

Оборудование стандарта IEEE 802.16 призвано формировать транспортную среду для различных приложений (сервисов), поэтому первая задача, решаемая в IEEE 802.16, – это механизм поддержки разнообразных сервисов верхнего уровня. Разработчики стандарта стремились создать единый для всех протокол канального уровня, независимо от особенностей физического канала. Это существенно упрощает связь терминалов конечных пользователей с городской сетью передачи данных – физически среды передачи в разных фрагментах WMAN могут быть различны, но структура данных едина. В одном канале могут работать (не единовременно) сотни различных терминалов еще большего числа конечных пользователей. Этим пользователям необходимы самые разные сервисы (приложения) – потоки голоса и данных с временным разделением, соединения по протоколу IP, пакетная передача речи через IP (VoIP) и т.п. Более того, качество услуг (QoS) каждого отдельного сервиса не должно изменяться при работе через сети IEEE 802.16. Алгоритмы и механизмы доступа канального уровня должны уверенно решать все эти задачи.

Структурно канальный уровень IEEE 802.16 подразделяется на три подуровня (см. рис. 2) – подуровень преобразования сервиса CS[8] , основной подуровень CPS[9] и подуровень защиты PS[10] . На подуровне защиты реализуются функции, обеспечивающие криптографическую защиту данных и механизмы аутентификации (подробнее этот подуровень будет рассмотрен в дальнейшем).

На подуровне преобразования сервиса происходит трансформация потоков данных протоколов верхних уровней для передачи через сети IEEE 802.16. Для каждого типа приложений верхних уровней стандарт предусматривает свой механизм преобразования, но пока описаны и вошли в спецификацию IEEE 802.16 только два – для работы в режиме ATM и для пакетной передачи. Под пакетной передачей подразумевают достаточно широкий набор протоколов, включая IP. Цель работы на CS-подуровне – оптимизация передаваемых потоков данных каждого приложения верхнего уровня с учетом их специфики. Поэтому важнейшая задача, решаемая на данном подуровне, – классификация пакетов/ячеек. От результатов ее зависит и оптимизация передаваемых потоков, и выделение полосы пропускания для каждого из них.

Для оптимизации транслируемых потоков предусмотрен специальный механизм удаления повторяющихся фрагментов заголовков PHS[11] . Действительно, и в ATM, и в пакетном режиме данные передаются отдельными порциями – ячейками и пакетами, соответственно. Каждая такая порция данных состоит, в общем случае, из заголовка и поля данных – фиксированных размеров для ATM (5 и 48 байт, соответственно) и достаточно произвольных при пакетной передаче. Во многих случаях заголовки пакетов и ячеек содержат повторяющуюся информацию, излишнюю при трансляции посредством протокола IEEE 802.16. Механизм PHS позволяет избавиться от передачи избыточной информации: на передающем конце пакеты приложений в соответствии с определенными правилами преобразуются в структуры данных канального уровня IEEE 802.16, на приемном – восстанавливаются.

На основном подуровне канального уровня формируются пакеты данных (MACPDU[12] ), которые затем передаются на физический уровень и транслируются через канал связи. Пакет MACPDU (далее PDU) включает заголовок и поле данных (его может и не быть), за которым может следовать контрольная сумма CRC (рис. 3.8). Заголовок PDU занимает 6 байт и может быть двух типов – общий и заголовок запроса полосы пропускания. Общий заголовок используется в пакетах, у которых присутствует поле данных. В общем заголовке указывается идентификатор соединения CID, тип и контрольная сумма заголовка, а также приводится информация о поле данных (см. табл. 1).

Заголовок запроса полосы применяется, когда АС просит у БС выделить или увеличить ей полосу пропускания в нисходящем канале. При этом в заголовке указывается CID и размер требуемой полосы (в байтах, без учета заголовков физических пакетов). Поля данных после заголовков запроса полосы быть не может.

Пакет канального уровня IEEE 802.16

Рис. 3.8

Таблица 1

Структура заголовка MACPDU (от старшего к младшим битам)

Поле	Длина, бит
Тип заголовка = 0 (признак общего заголовка)	1
Признак шифрования поля данных	1
Тип поля данных	6
Не используется	1
Признак наличия CRC	1
Индекс ключа шифрования	2
Не используется	1
Длина пакета, включая заголовок (в байтах)	11
Идентификатор соединения CID	16
Контрольная сумма заголовка (задающий многочлен )	8

Поле данных может содержать подзаголовки канального уровня, управляющие сообщения и собственно данные приложений верхних уровней, преобразованные на CS-подуровне. В стандарте описано три типа подзаголовков канального уровня – упаковки, фрагментации и управления предоставлением канала. Подзаголовок упаковки используется, если в поле данных одного PDU содержатся несколько пакетов верхних уровней; подзаголовок фрагментирования – если, напротив, один пакет верхнего уровня разбит на несколько PDU. Подзаголовок управления предоставлением канала предназначен, чтобы АС сообщала БС изменение своих потребностей в полосе пропускания (число байт в восходящем канале для определения соединения, сообщение о переполнении выходной очереди в АС, требование регулярного опроса со стороны БС для выяснения потребной полосы).

Управляющие сообщения – это основной механизм управления системой IEEE 802.16. Всего зарезервировано 256 типов управляющих сообщений, из них 30 описано в стандарте IEEE 802.16. Описание профилей пакетов, управление доступом, механизмы криптографической защиты, динамическое изменение работы системы и т.д. – все функции управления, запроса и подтверждения реализуются через управляющие сообщения. Рассмотренные выше карты входящего/нисходящего каналов (UL-/DL-MAP) также являются управляющими сообщениями. Формат управляющих сообщений прост -- поле типа сообщения (1 байт) и поле данных (параметров).

Управление соединениями в IEEE 802.16

Ключевой момент в стандарте IEEE 802.16 – это понятие «сервисного потока» и связанные с ним понятия «соединение» и «идентификатор соединения» (CID). Поскольку система IEEE 802.16 – лишь транспортная среда, ее инфраструктура фактически формирует коммуникационные каналы для потоков данных различных приложений верхних уровней (сервисов) – передача видеоданных, АТМ-потоки, IP-потоки, передача телефонных мультиплексированных пакетов типа E1 и т.д. Каждое из таких приложений обладает своими требованиями к скорости передачи, надежности (качеству обслуживания), криптозащите и т.д. Соответственно, и данные каждого приложения следует передавать через транспортную среду с учетом этой специфики. Сервисным потоком в стандарте IEEE 802.16 называется поток данных, связанный с определенным приложением. В этом контексте соединение – это установление логической связи на канальных уровнях на передающей и приемной стороне для передачи сервисного потока. Каждому соединению присваивается 16-ти разрядный идентификатор CID, с которым однозначно связаны тип и характеристики соединения. В частности, по запросу предоставления/изменения полосы пропускания со стороны АС базовая станция стазу понимает, с каким сервисным потоком имеет дело и какие условия передачи ему нужно обеспечить. Так при начальной инициализации в сети каждой АС назначается три CID для служебных сообщений трех уровней. Принципиально, что одна АС может устанавливать множество различных соединений с различными CID. Характерный пример – когда связь крупного офиса с телекоммуникационным узлом организована через систему IEEE 802.16. В этом случае одна АС в офисе может поддерживать совершенно разные приложения – телефонию, телевидение, доступ в Интернет и в распределенную корпоративную сеть и т.д. Каждое из этих приложений предъявляет свои требования к QoS и скорости передачи, которые нужно удовлетворить. Посредством CID базовая станция узнает, с чем имеет дело, и предоставляет необходимый ресурс.

Не менее важным для понимания идеологии IEEE 802.16 является принцип предоставления доступа к каналу по запросу (DAMA[13] ). Ни одна АС не может ничего передавать, кроме запросов на регистрацию и предоставление канала, пока БС не разрешит ей этого – т.е. отведет временной интервал в восходящем канале и укажет его расположение в карте UL-MAP. Абонентская станция может запрашивать как определенный размер полосы в канале, так и просить об изменении уже предоставленного ей канального ресурса.

Стандарт IEEE 802.16 предусматривает два режима предоставления доступа – для каждого отдельного соединения (GPC[14] ) и для всех соединений определенной АС (GPSS[15] ). Режим GPSS обязателен для всех устройств в диапазоне 10-6