Сеть сотовой связи стандарта WiMAX

Материал из Национальной библиотеки им. Н. Э. Баумана
Последнее изменение этой страницы: 16:31, 27 января 2015.
Данная статья была согласована с её автором Р.А. Бельферым 28 апреля 2012 года.

__NUMBEREDHEADINGS__

Общие положения

Сети беспроводного доступа, реализующие стандарты семейства IEEE 802.16 получили название WiMAX (World Interoperability for Microwave Access всемирная совместимость при высокочастотном доступе). На сегодня основными являются две версии стандарта: 802.16-2004 (фиксированный доступ) и 802.16e-2005 (мобильный доступ). Стандарт 802.16e-2005 вобрал в себя всё лучшее стандарта 802.16-2004 и считается ориентированным на предоставление услуг широкополосной передачи данных мобильным пользователям. Сети WiMAX имеют сотовую структуру, увеличивающую радиус обслуживания. Стандарт WiMAX позволяет создать технологию уровня связи (для объединения многих подсетей Wi-Fi и предоставления им доступа в Интернет), а также технологию «последней мили» (конечного отрезка от точки входа в сеть провайдера до компьютера пользователя)[1]. Действующая в настоящее время первая редакция стандарта 802.16e предусматривает следующие режимы обслуживания.

  1. Fixed WiMAX – фиксированный доступ. Данный режим обеспечивает гарантированную связь при использовании без движения пользователя;
  2. Nomadic WiMAX – сеансовый доступ. Здесь подразумевается, что пользователь может передвигаться в определённой области, обслуживаемой одной базовой станцией. Если же он выходит за пределы базовой станции, то связь прерывается и устанавливается заново в новой зоне. Иногда такой доступ называют беспроводным;
  3. Portable WiMAX – в режиме перемещения. Связь гарантирована в любом месте использования. Сеанс не прерывается при перемещении между сотами через много базовых станций со скоростью до 120 км/час.
  4. Mobile WiMAX – мобильный доступ в режиме перемещения. Скорость передвижения не ограничена (например, в поезде со скоростью 350 км/час). Сеанс связи не прерывается при перемещении между сотами. Радиус действия базовой станции в соте составляет для фиксированного доступа 5-8 км, максимум 50 км. Для мобильных станций радиус 1-5 км. WiMAX беспроводного фиксированного доступа с широкой полосой пропускания является конкурентом провайдерам фиксированной высокоскоростной связи в городе или сельской местности.

Приведём основное применение WiMAX:

  • доступ абонентских терминалов фиксированной и подвижной служб сети Wi-Fi в сети Интернет, ТфОП, сети передачи данных. WiMAX является транзитной сетью для этих терминалов;
  • доступ в сети Интернет, ТфОП, сети передачи данных абонентских терминалов напрямую через WiMAX.

В WiMAX предусмотрена также как и в Wi-Fi стандарта 802.11n (см. главу 23) технология многоканальных антенных систем MIMO, способствующая увеличению пропускной способности и/или качества обслуживания за счет увеличения соотношения сигнал/помеха.

Стандарт 802.16 определяет две топологии WiMAX:

  • «точка-многоточие», когда базовая станция (БС) общается со многими абонентскими станциями (АС). Трафик в этом случае существует только между БС и АС;
  • mesh-сеть. В WiMAX предусмотрена также как и в Wi-Fi (см. главу 23) технология взаимодействия между собой абонентских станций АС. В этом случае АС называется узлом (node) сети. Основная разница между подуровнями МАС WiMAX и Wi-Fi состоит в том, что WiMAX mesh-сети основаны на множественном доступе с временным делением TDMA, которые представляют распределенное по расписанию деление временных слотов. Это позволяет избежать коллизий при обращении терминалов к mesh-сети [76]. Для устранения этих проблем в Wi-Fi в режиме с точкой доступа принят механизм CSMA/CA (глава 23, раздел 2).

Преимуществом WiMAX mesh-сети является то, что базовая станция может быть соединена с более удалённой абонентской станцией АС.

Физический уровень WiМАХ

Передача данных на физическом уровне осуществляется посредством передачи непрерывной последовательности кадров фиксированной длины. Каждый кадр состоит из двух субкадров: субкадр нисходящего (от БС к АС) и восходящего (от АС к БС) каналов. Стандартом предусмотрено как частотное FDD (Frequency Division Duplex), так и временное TDD (Time Division Duplex) разделение трафиков восходящего и нисходящего каналов (соответственно частотный и временной дуплекс).

При временном дуплексировании каналов кадры передаются в одном частотном диапазоне , сначала нисходящий, затем восходящий. При частотном дуплексировании восходящий и нисходящий субкадры транслируются одновременно, но с частотным разносом. Рассмотрим используемые в WiMАХ режим модуляции OFDM, режимы множественного доступа.

Режим OFDM

Напомним, что OFDM – ортогональное частотное разделение каналов. Это метод высокоскоростной передачи, при котором последовательный поток информации из N символов разбивается на n блоков по символов в каждом, причём символы разных блоков передаются «параллельно», каждый на своей поднесущей. Преимущество данного метода состоит в том, что он позволяет снизить межсимвольные искажения, возникающие в канале. Кроме данных, в OFDM-символе передаётся защитный интервал длительностью Tв, так что общая длительность OFDM-символа Ts = Tв + Tд, где Tд – длительность передачи данных в одном OFDM-символе. Защитный интервал представляет собой копию оконечного фрагмента символа. Его длительность Tд для OFDM согласно 802.16-04 может составлять , и длительности Ts. Для мобильного WiMAX величина является обязательной.

Модуляция OFDM основана на двух принципах: разбиение одного канала с переменными параметрами на N «параллельных» и точное измерение характеристик канала. На каждой поднесущей производится канальное кодирование, включающее скремблирование, помехоустойчивое кодирование, перемежение и модуляцию.

Из 200 поднесущих - 8 поднесущих являются пилотными для измерения характеристик канала для автоматического переключения на другую скорость канала. Остальные 192 поднесущие для передачи данных распределены на 16 логических подканалов по 12 поднесущих в каждом. Такое деление позволяет использовать не все подканалы в режиме стандарта 802.16-04. Это можно рассматривать как прообраз множественного доступа OFDMA, который подлежит рассмотрению далее.

Режим OFDMА и SOFDMА

Режим OFDM предусматривает передачу одного модулированного сигнала. Для того,чтобы иметь множественный доступ пользователя на передачу (как множественный доступ с временным разделением TDMA или множественный доступ с частотным разделением FDMA) необходимо его ассоциировать с OFDM. В действительности, множественный доступ OFDMА (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) выполняет эту функцию. OFDMA в режиме точка-многоточие является комбинацией OFDM и FDMA. В OFDMA различные поднесущие назначаются разным пользователям. Для этого поднесущие OFDMA разделены на подмножества. Каждое такое подмножество поднесущих является субканалом. В нисходящем канале субканал может быть предназначен для различных получателей или групп получателей. Передатчик восходящего канала может быть назначен одному или нескольким субканалам. OFDM-символ распределяется по различным логическим каналам для того, чтобы обеспечить множественный доступ и обеспечить масштабируемость. Нисходящий или восходящий каналы пользователей OFDMA имеют для каждого своего соединения ресурс времени и субканала. Число поднесущих в OFDMA 2048. Число каналов от 32 до 70 по 24 или 48 информационных в каждом. Режим OFDMA, обеспечивающий масштабируемость, получил название масштабируемого OFDMA (SOFDMA). SOFDMA позволяет выбрать число поднесущих из следующего набора: 2048, 1024, 512 и 128. Для мобильного WiMAX обязательными являются 1024 и 512 поднесущих, причём ширина полосы пропускания канала соответственно 10 МГц и 5 МГц.

Передатчик WiMAX

На рис. 1 приведена схема передатчика WiMAX стандартов 802.16-04 и 802.16-05.
Рис. 1. Схема передатчика WiMAX
Входной поток данных скремблируется, то есть умножается на псевдослучайную последовательность. Скремблер (блок 1) исключает длинные серии символов 1 и 0, что улучшает работу синхронизации. Кроме того, скремблер выполняет функцию шифрующего устройства. Блок 2 осуществляет помехоустойчивое кодирование потока данных. При этом применяются несколько типов кодов, среди которых обязательным стандартом 802.16-04 является каскадный код с внешним кодом Рида-Соломона и внутренним свёрточным кодом. Стандартом 802.16-05 обязательным являются свёрточные коды. Блок 3 осуществляет перемежение для преобразования блоков данных в последовательность, обеспечивающую возможность исправлять с помощью кодера одиночные ошибки. Блок 4 осуществляет модуляцию – QAM-16, QAM-64, QPSK, BPSK. Квадратурная амплитудная модуляция QAM-64 стандартом 802.16-04 является обязательной. Аналогично сетям GSM, Wi-Fi и др. WiMAX предусматривает канальную адаптацию, т.е. в зависимости от качества канала используется соответствующая модуляция и схема кодирования. Оценку качества канала в WiMAX выполняют пилотные поднесущие режима OFDM, как было отмечено выше. Функция канальной адаптации выполняется на MAC-уровне. WiMAX осуществляет выбор модуляции и схемы кодирования MCS (Modulation and Coding Scheme).

MAC-уровень WiMАХ

Структура MAC-уровня стандартов WiMАХ подразделяется на три подуровня: подуровень преобразования сервиса CS (Convergence Sublayer), основной подуровень CPS (Common Part Sublayer) и подуровень безопасности (Security Sublayer). На уровне CS производится трансформация потоков данных протоколов верхних уровней (IP, Ethernet и др.) для передачи через WiMАХ.

Подуровень CPS выполняет следующие функции:

  • распределение полосы пропускания;
  • установление соединения;
  • поддержка соединения между двумя сторонами.

Подуровень безопасности выполняет между базовой станцией и абонентской станцией функции аутентификации, обмена секретными ключами, шифрования и контроль целостности.

Классы качества обслуживания

MAC-уровень WiMAX предусматривает дифференцирование качества обслуживания QoS в зависимости от вида приложений, определив пять классов QoS. В соответствии с классом QoS обслуживания пользователя базовая станция выделяет необходимую ширину полосы частот. Так например, видео-приложениям будет предоставлена более широкая полоса частот, чем передаче файла по протоколу FTP. WiMAX дифференцирует пять классов качества обслуживания. Параметрами этих классов могут быть следующие:

  • приоритет трафика;
  • согласованное значение максимальной скорости передачи;
  • согласованная величина пульсации трафика;
  • минимальная резервируемая скорость передачи;
  • максимальная величина задержки;
  • максимальная величина вариации задержки (джиттер) и др.

Подуровень безопасности

Задача подуровня безопасности обеспечить контроль доступа и конфиденциальность канальных данных. Это относится к аутентификации, обмену ключами и шифрованию. Алгоритм взаимодействия между базовой станцией БС и абонентской станцией АС по обеспечению ИБ построен следующим образом [80].

Защищенная связь SA (Securiy Association) — это блок данных, включающий параметры безопасности, которые БС и один или несколько клиентов абонентских станций согласовывают между собой для реализации безопасной связи. В этот блок данных БА входит идентификатор SA (16 бит), тип протокола шифрования для защиты данных в канале и два ключа шифрования данных ТЕК (Traffic encryption keys), длительность работы ключа, вектор инициализации. Один из ключей текущий, а другой сменный. Длительность работы с одним ключом ограничена от 30 минут до 7 дней. Для работы протоколов блочного шифрования требуется вектор инициализации длиной 64 бит. Определено три типа данных защищенной связи: первичная (устанавливается при инициализации связи между БС и АС), статическая (устанавливается в БС) и динамическая (используется при установке соединения на транспортном уровне, когда это необходимо). Статические и динамические параметры защищенной связи могут быть установлены с несколькими мобильными станциями во время многоадресной передачи. Предоставлена возможность использовать отдельно две защищенные связи - одну для нисходящего канала, другую для восходящего канала.

Инфраструктура открытого ключа: WiMAX использует протоколы для безопасной передачи ключей между БС и мобильной станцией. Стандарт 802.16-2004 (фиксированный доступ) предусматривал аутентификацию только абонентской станции, а стандарт 802.16e-2005 (мобильный доступ) — взаимную аутентификацию. В последнем случае используется криптография с открытым ключом RSA и сертификат мобильной станции. После успешной аутентификации пользователя сеть генерирует ключ и передает его с помощью открытого ключа на мобильную станцию для использования его в алгоритме блочного шифрования AES.
Рис. 2. Шифрование данных на радиоучастке сети WiMAX

Аутентификация: WiMAX использует протокол ЕАР (описание этого протокола приведено в главе 23, раздел 5.2) для аутентификации пользователя и контроля доступа. Сообщения из БС передаются в сервер аутентификации, используя протокол RADIUS или DIAMETER.

Шифрование данных: WiMAX использует протокол блочного шифрования AES для шифрования данных на участке между базовой станцией и абонентской станцией (рис. 2). Используя ключ шифрования и счетчик, с помощью AES создается псевдослучайная ключевая последовательность для поточного шифрования. Открытый текст складывается по модулю 2 с этой ключевой последовательностью. В результате в канал от базовой станции или абонентской станции поступает зашифрованный текст в результате поточного шифрования. Этот текст из канала в абонентской станции или базовой станции складывается по модулю 2 созданной там такой же ключевой последовательностью. В результате получаем расшифрованный текст.

Примечания

  1. Вишневский В.М., Портной С.Л., Шахнович И.В. Энциклопедия WiMAX. Путь к 4G. М.: Техносфера, 2009, 472с.