Введение
В настоящем разделе дан краткий обзор системы мобильной связи — мобильного WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access — всемирный доступ для взаимодействия микроволновых сетей) на основе стандарта 802.16e, приводятся рабочие характеристики минимальной основной конфигурации на основе [62, 103, 127]. Мобильный WiMAX может обеспечить скорость десятки мегабит в секунду для основных конфигураций базовых станций, реализованных согласно системе стандартов (системному профилюПрофиль — совокупность требований, ориентированных на выполнение определенной прикладной функции или на построение конкретной системы. Профиль базируется на требованиях определенного стандарта, но не повторяет его спецификации, а только ссылается на них. Русский аналог — руководящие указания (РУК).
) IEEE 802.16, известной также под общим названием WiMAX.
Ниже будут рассмотрены основные новые технические решения, например, адаптивные антенные системы (AAS — Adaptive Antenna System), которые значительно улучшают рабочие характеристики (но без подробного анализа последних).
Сервисные службы, которые могут поддержать такие системы, включают широкополосные услуги, которые требуют высоких скоростей передачи данных, в том числе потоки видео и VoIP с высоким качеством обслуживания.
Характеристики мобильного WiMAX предполагают взаимодействие между мобильным WiMAX и широкополосными проводными услугами, например, по кабельным и цифровым абонентским линиям типа DSL. Важным требованием для успеха проекта является обеспечение услуг мобильного Интернета.
Наращиваемая архитектура, высокая производительность при передаче данных и низкая стоимость установки на сети делают мобильный WiMAX лидером беспроводных широкополосных услуг. Другие преимущества WiMAX включают открытый подход структуры стандартов, "дружественные" интерфейсы и обеспечение здоровой экосистемы.
Множество компаний внесли вклад в развитие технологии, и много компаний объявили о своих планах в этом направлении.
Такая растущая конкуренция гарантирует удовлетворение другого важного требования для успеха технологии — низкую стоимость мобильного Интернета.
8.1. Основные технические характеристики
Для общего представления ниже перечислены основные характеристики системы мобильного WiMAX, после чего они будут рассмотрены более детально.
Технология Мобильного WiMAX базируется на двух стандартах: на стандарте IEEE 802.16-2004 радиоинтерфейс (Air Interface Standard) и на принятом 7 декабря 2005 года стандарте IEEE 802.16e-2005 (он будет играть ключевую роль при построении фиксированной широкополосной радиосети города). Первая лаборатория для сертификации систем этого стандарта развернута в лаборатории Cetecom Labs (Малага, Испания).
7 декабря 2005 IEEE [). Для наземной сети он определил архитектуру сети, необходимую, чтобы осуществлять мобильные соединения WiMAX "из конца в конец".
(рис 8.1) Принцип организации мобильного профайла WiMAXМобильный WiMAX — это система беспроводной связи, которая позволяет конвергенцию (постепенное сближение) мобильной широкополосной и стационарной сетей на основе технологии радиодоступа и гибкой архитектуры сети.
В системе мобильного WiMAX для радиоинтерфейса принят ортогональный многостанционный доступ с частотным разделением каналов (OFDMA — Orthogonal Frequency Division Multiple Access), который обеспечивает хорошие характеристики в условиях многолучевости и при отсутствии прямой видимости. Этот метод доступа [3 , 22 ] заключается в том, что последовательный поток информации из N символов разбивается на n блоков по N/n символов в каждом, причем символы разных блоков передаются "параллельно", каждый на своей поднесущей. Преимущество данного метода состоит в том, что он позволяет снизить до минимума или полностью исключить межсимвольные искажения, возникающие в радиоканале. Чтобы дать возможность наращивать пропускную способность канала от 1,25 к 20 МГц, поправками IEEE 802.16e был введен метод "наращиваемый OFDMA" (SOFDMA — Scalable OFDMA) [109 ].
Группа WiMAX-Форума, занимающаяся обеспечением мобильности, разработала системные профили, которые оговаривают обязательные и дополнительные характеристики, необходимые для построения гибкого радиоинтерфейса. Системный профиль мобильного WiMAX позволяет создавать мобильные системы на основании общей базы и общего набора характеристик, которые гарантируют полностью совместимые основные функциональные возможности для терминалов и базовых станций [90 -92 ].
Некоторые из характеристик системных профилей необязательны, но они обеспечивают гибкость для создания сетей и устройств на базе различных сценариев и оптимизируют их характеристики в конкретных условиях.
Группа WiMAX Forum NWG (Network Working Group), занимающаяся сетевыми вопросами, определила спецификации высшего уровня, помимо тех, которые определены в стандартах IEEE 802.16 для радиоинтерфейса. объединение усилий IEEE 802.16 и форума WiMAX помогло найти решения для установления WiMAX-соединения "из конца в конец" для мобильных объектов.
Мобильные системы WiMAX предлагают технологии и архитектуру, реализующие наращиваемость радиодоступа и сетевых услуг, таким образом, обеспечивая большую гибкость построения сетей.
Некоторые из существенных характеристик мобильного WiMAX приведены ниже.
Высокая скорость передачи данных за счет применения системы антенн MIMOТехнология MIMO предполагает использование двух или более передающих и принимающих антенн, что позволяет увеличить скорость передачи и применять новые технологии для улучшения качества.
(Multi Input — Multi Output) антенны в сочетании с гибкими схемами каналообразования, усовершенствованным кодированием и модуляцией. Все это позволяет технологии мобильного WiMAX поддержать пиковую скорость данных по направлению "вниз" до 63 Мбит/с и в направлении "вверх" — до 28 Мбит/с.
Качество обслуживания (QoS) является фундаментальным условием архитектуры протоколов доступа к среде (IEEE 802.16 MAC — Media Access Control). Оно определяется применением метода DiffServ — дифференцированного обслуживания. Это стандартизированный метод для поддержки служб с различными уровнями качества. При этом трафик разделяется с помощью меток на несколько групп в зависимости от QoS.
Мобильный WiMAX предусматривает применение многопротокольной коммутации с использованием меток (MPLS — Multiprotocol Label Switching). Эта технология работает с метками в пакетах данных и позволяет создавать выделенные коммутируемые потоки. Применение этих методов позволяет осуществлять IP-соединения с учетом QoS. Оптимальное использование времени, пространства и частоты обеспечивается механизмом образования подгрупп каналов на заданное время (subcanalization) и сигнализацией по отдельным каналам связи (ОКС), применяющей специальные сигнальные протоколы прикладного уровня (MAP — Mobile Application Part).
Наращиваемость. Технология WiMAX разработана так, что она способна наращивать каналы и работать при различных методах формирования каналов от 1,25 до 20 МГц, чтобы удовлетворить различные требования к использованию диапазона.
Все это позволяет достичь выгодных экономических решений в конкретной географической зоне, например, обеспечить доступный беспроводной Интернет в сельской местности, предоставлять мобильную связь в пригородах с малой плотностью абонентов и т. п.
Безопасность. Применяемые средства безопасности являются лучшими в классе расширяемых протоколов аутентификации (EAP — Extensible Authentication Protocol). Эти методы основаны на применении дополнительных средств помимо SIM-карты (одноразовые маркеры, цифровые подписи и пр.). Схемы шифрования основаны на усовершенствованном стандарте шифрования AES (Advanced Encryption Standard) и коде аутентификации сообщений на основе хешированияХеширование – метод шифрования с помощью табдицы, отображающей фрагменты открытого сообщения в шифрованную строку фиксированной длины.
(HMAC — Hash based Message Authentication Code). Эти методы поддерживают различные средства аутентификации: SIM- или USIM-карты, интеллектуальные карты (Smart Card), цифровые подписи, схемы "пользователь — пароль".
Мобильность. Мобильный WiMAX поддерживает оптимальные схемы передачи соединения (хэндовера) со временем задержки меньше чем 50 миллисекунд, чтобы гарантировать работу приложений, таких как VoIP, в реальном масштабе времени. Они выполняются без ухудшения обслуживания. Гибкие схемы управления ключами гарантируют безопасность в процессе передачи соединения.
8.2. Основы ортогонального многостанционного доступа с частотным разделением каналов — OFDMA
Ортогональный многостанционный доступ с частотным разделением каналов (OFDMA) базируется на системе мультиплексирования OFDM.
Ортогональное частотное разделение каналов (OFDM — Orthogonal Frequency Division Multiplexing) — методика мультиплексирования, которая подразделяет полосу канала на множество поднесущих частот [.
В системе OFDM входной поток данных разделен на несколько параллельных подпотоков с уменьшенной скоростью передачи данных (с увеличением продолжительности каждого передаваемого на этой частоте знака). Каждый подпоток модулируется и передается на отдельной ортогональнойНазвание "ортогональные" связано с тем, что поднесущие обладают свойством ортогональности, т. е. коэффициент взаимной корреляции между ними равен нулю.
поднесущей частоте. Протокольная единица, передаваемая с помощью одной несущей, называется символом. Увеличенная продолжительность символа улучшает устойчивость OFDM, уменьшая их максимальный разброс между символами, предаваемыми с помощью разных несущих.
Основные устройства, обеспечивающие модуляцию с несколькими несущими по принципу OFDM, показаны на рис 8.2. Каждый подканал работает на своей несущей частоте. Если обозначить частоту первой несущей $$\omega$$, то вторая несущая будет иметь частоту $$2\omega$$ и т. д.; для $$n$$ -го канала эта частота будет равна $$n\omega$$.
Если для каждого из $$n$$ подпотоков применить квадратурную модуляцию, то получим $$n$$ квадратурных (ортогональных) функций типа $$a_k \cos k\omega t + b_k \sin k\omega t$$. Если функции всех подканалов просуммировать, то получим функцию, аналогичную функции, которая называется рядом Фурье:
$$x(t)=a_0+\sum\limits_{k=1}^{N-1}[a_k\cos k\omega t + b_k \sin k\omega t]$$
Функция, полученная в результате модуляции, отличается от ряда Фурье тем, что она конечна. Для увеличения точности обработки и исключения взаимного влияния каналов реальная функция дополняется "префиксом", содержащим несколько значений ряда Фурье (псевдоканалов). Он устанавливается перед последовательностью квадратурных сигналов. Это увеличивает точность получения функции $$x(t)$$ и позволяет более четко отделять подканалы друг от друга.
(рис 8.2) Модуляция с несколькими несущимиСумма функций, полученных в результате модуляции, "свертывается" с помощью обратного преобразования Фурье в одну функцию $$x(t)$$, которая преобразуется в цифровую форму и передается в линию.
На приемном конце происходит переход из цифровой в аналоговую форму, производится прямое преобразование Фурье, квадратурные функции каждого канала демодулируются и собираются в одну последовательность. Как уже было сказано, для устранения межсимвольной интерференции вводится циклический префикс (CP).
Циклический префикс добавляется в начало каждого OFDM-символа (рис 8.3) и представляет собой циклическое повторение окончания символа. Наличие циклического префикса создает временные паузы между отдельными символами, и если длительность защитного интервала превышает максимальное время задержки сигнала в результате многолучевого распространения, то межсимвольная интерференция не возникает.
(рис 8.3) Защита от межсимвольной интерференции с помощью циклического префиксаЦиклический префикс является избыточной информацией и в этом смысле снижает полезную (информационную) скорость передачи, но именно он служит защитой от возникновения межсимвольной интерференции. Указанная избыточная информация добавляется к передаваемому символу в передатчике и отбрасывается при приеме символа в приемнике.
8.3. Структура и формирование OFDMA-подканалов
Структура подканала OFDMA [:
поднесущие информационные частоты для передачи данных;
поднесущие частоты для передачи пилот-сигналов (для целей измерений и синхронизации);
нулевые поднесущие частоты, используемые для защитных интервалов частот.
(рис 8.4) Распределение поднесущих частотАктивные поднесущие частоты (информационные и пилот-сигнал) сгруппированы в поднаборы поднесущих частот, называемые подканалами. Поднесущие частоты, формирующие один подканал, могут быть, но не должны быть, смежными. Основная нагрузка и сигналы управления предаются в подканалах.
Пилот-сигналы распределяются в зависимости от способа распределения поднесущих и направления потока.
При формировании подканалов в направлении "вниз"Направление "вниз" (DL — Down Link) — линия в направлении от центрального узла к периферийному, в данном случае — от базовой станции к мобильной. Направление "вверх" (UL — Up Link) — линия в направлении от периферийного узла к центральному, в данном случае — от мобильной станции к базовой.
применяются следующие способы:
каналообразование с полным использованием поднесущих частот (FUSC — Fully Used Sub canalization);
каналообразование с частичным использованием поднесущих частот (PUSC — Partly Used Sub canalization);
смежные перестановки AMC (Adoption Modulation and Coding).
Частичное использование поднесущих частот означает, что из всего набора несущих частот выбирается только часть. Устройства (например, подвижные станции) работают, занимая только часть полосы. Поскольку в этом случае вся излучаемая мощность концентрируется в используемой полосе, это приводит к увеличению мощности на каждую поднесущую. Для передачи информации в направлении "вверх" в городских условиях это дает дополнительный запас на замирания.
При направлении "вверх" применяется только два способа: с полным использованием поднесущих частот (UL PUSC) и дополнительные перестановки.
Подканалы в направлении "вниз" могут работать с различным приемниками, подканалы в направлении "вверх" могут работать с различными передатчиками.
Существует два типа формирования подканалов из поднесущих частот:
смежные;
с разнесением.
В первом случае для подканала выбираются поднесущие, которые находятся рядом в диапазоне частот.
Формирование подканала с разнесением выбирает номиналы поднесущих частот для каждого канала в соответствии с псевдослучайной последовательностью. Этим обеспечивается разнесение по частоте и усреднение межсотовой интерференции.
8.3.1. Наращиваемый OFDMA
Режим передачи согласно стандарту IEEE 802.16e-2005 основан на концепции наращиваемого (масштабируемого) OFDMA (SOFDMA — Scalable OFDMA) [109]. Он поддерживает широкий диапазон пропускной способности и гибко приспосабливается к потребностям в различных диапазонах спектра. Наращивание пропускной способности поддерживается регулировкой числа шагов быстрого преобразования Фурье (БПФ — FFT — Fast Fourier Transform). Параметры SOFDMA приведены в табл. 8.1. Техническая рабочая группа WiMAX Forum вначале запланировала разработку документов (профилей) для значений ширины каналов 5 и 10 МГц (выделены в табл.).
Параметры SOFDMA
| Параметры |
Значение |
|---|
| Ширина канала (МГц) |
1,25 |
5 |
10 | 20 |
|---|
| Частота опроса ( $$F_p$$ в МГц) |
1,4 |
5,6 |
11,2 | 22,4 |
|---|
| Размер преобразования Фурье ( $$N_{FFT}$$ ) |
128 |
512 |
1024 | 2048 |
|---|
| Число подканалов |
2 |
8 |
16 | 32 |
|---|
| Интервал между несущими |
10,94кГц |
| Длительность полезного символа ( $$T_b=1/f$$ ) |
91,4мкс |
| Защитный интервал ( $$T_g=T_b/8$$ ) |
11,4мкс |
| Длительность OFDMA-символа ( $$T_S=T_b+T_g$$ ) |
102,9мкс |
| Число символов (кадр 5мс) |
48 |
8.3.2. Формирование подканала с полным использованием поднесущих частот в направлении "вниз"
Минимальной частотно-временной единицей формирования канала является один слот, который содержит 48 поднесущих. Это единица поддерживается физическим уровнем в обоих направлениях.
В табл. 8.2 приводится пример [109] распределения поднесущих частот при полном использовании поднесущих частот для формирования подканала в направлении "вниз".
Распределение поднесущих с полным использованием в направлении "вниз" (DL FUCS)
| Параметры |
Значение |
|---|
| Ширина полосы частот, МГц |
1,25 |
5 |
10 |
20 |
| Размер преобразования Фурье |
128 |
512 |
1024 |
2048 |
| Число защитных поднесущих частот |
22 |
86 |
173 |
345 |
| Число используемых поднесущих частот |
106 |
426 |
851 |
1703 |
| Число поднесущих частот данных |
96 |
384 |
768 |
1536 |
| Число поднесущих частот пилот-сигнала |
9 |
42 |
83 |
166 |
| Число подканалов |
2 |
8 |
16 |
32 |
| Тип перестановки каналов |
|
|
|
|
Для каждой полосы частот каналов выбирается количество частот, используемых в преобразовании Фурье.
Число защитных поднесущих определяется величиной максимальной задержки сигнала (см. рис 8.3 – 8.4). Распределение поднесущих частот происходит с помощью циклического префикса. Для таблицы это время принято около 17 % от числа, указанного в строке "размер преобразования Фурье". Эти поднесущие распределяются на два примерно равных поднабора — один в начале, другой в конце. Например, для размера преобразования Фурье 2048 в табл. 8.2 выбрано число защитных поднесущих 345.
Число используемых поднесущих частот получается вычетом числа защитных поднесущих из их общего числа. В данном примере остается 1703 поднесущих.
Для подканалов поднесущих с полным использованием поднесущих частот и направлением "вниз" сначала распределяются пилот-сигналы, а затем оставшиеся сигналы распределяются на подканалы данных. Число пилот-сигналов указывается в стандарте. В данном случае оно равно 166.
Число поднесущих частот данных определяется кратным 48.
Число подканалов определяется числом поднесущих частот данных и длиной слота 48 поднесущих. В данном примере оно равно $$32 (1536/48=32)$$.
8.3.3. Распределение поднесущих с частичным использованием в направлении "вниз" (DL)
При использовании DL PUSC для каждой пары OFDM символов, доступных или используемых, поднесущие частоты сгруппированы в .
(рис 8.5) Структура кластеров для четных и нечетных символов OFDMРезультат распределения поднесущих частот показан в табл. 8.3.
Распределение поднесущих с частичным использованием в направлении "вниз" (DL)
| Параметры |
Значение |
|---|
| Ширина полосы частот, МГц |
1,25 |
5 |
10 |
20 |
| Размер преобразования Фурье |
128 |
512 |
1024 |
2048 |
| Число защитных поднесущих частот |
43 |
91 |
183 |
367 |
| Число используемых поднесущих частот |
85 |
421 |
841 |
1681 |
| Число кластеров/подканалов |
6/3 |
30/15 |
60/30 |
120/60 |
| Число информационных поднесущих частот |
72 |
360 |
720 |
1440 |
| Число поднесущих частот пилот-сигнала |
12 |
60 |
120 |
240 |
В таблице выделены поднесущие защитного интервала. Зная число несущих в каждом кластере, можно определить максимальное число кластеров (минимальное число показано через черту). По величине поднесущих кластера определяется число поднесущих для передачи данных и пилотсигналов.
8.3.4. Распределение поднесущих с частичным использованием в направлении "вверх" (UL)
В данном случае для организации подканалов применяется элемент, называемый "фрагмент" ( tileБуквальный перевод tile — "одна черепица", элемент мозаичного панно.
). Фрагмент компонуется из 4 поднесущих. Для передачи 3 символов OFDM используются приведенные ниже компоновки (рис 8.6). Каждый символ отображается фрагментом, состоящим из четырех несущих.
(рис 8.6) Компоновка символов с помощью несущих: а) 3 символов с помощью 4 поднесущих; б) 3 символов с помощью 3 поднесущихКаждый подканал содержит 6 фрагментов по 4 поднесущих в каждом, используемых в соответствии с рис 8.6. Таким образом, для одного подканала нужно 24 поднесущих, а для 3 символов — $$24 \times 3 = 72$$. Из этих поднесущих образуется слот, содержащий 48 поднесущих для передачи данных и 24 поднесущих пилот-сигнала. Результат разнесения поднесущих частот приведен в табл. 8.4.
При распределении поднесущих "вверх" возможно использование фрагментов, показанных на рис 8.6-б, которые содержат 3 поднесущих на фрагмент, что немного увеличивает число подканалов.
Распределение поднесущих в направлении "вверх" (UL)
| Параметры |
Значение |
|---|
| Ширина полосы частот МГц |
1,25 |
5 |
10 |
20 |
| Размер преобразования Фурье |
128 |
512 |
1024 |
2048 |
| Число защитных поднесущих частот |
31 |
103 |
183 |
367 |
| Число используемых поднесущих частот |
97 |
409 |
841 |
1681 |
| Число фрагментов |
24 |
102 |
210 |
420 |
| Число подканалов |
4 |
17 |
35 |
70 |
8.3.5. Распределение поднесущих с помощью смежных перестановок
Смежная перестановка группирует блок смежных поднесущих частот, чтобы сформировать подканал. Они представляют собой наборы кодовых комбинаций AMC (Adaptive Modulation and Coding) для обоих направлений — "вниз" (DL) и "вверх" (UL), которые имеют одну и ту же структуру. Они содержат контейнеры, включающие в себя передаваемые символы. Контейнер состоит из 9 смежных поднесущих частот в символе. Из этих символов 8 предназначены для передачи данных и один для передачи пилот-сигнала.
Слот в AMC определен как совокупность контейнеров типа $$(N\times М= 6)$$, где $$N$$ — число смежных контейнеров и $$М$$. — число смежных символов. Таким образом, возможны следующие комбинации: 6 контейнеров, 1 символ; 3 контейнера, 2 символа; 2 контейнера, 3 символа; 1 контейнер, 6 символов.
Вообще, частичное или полное распределение поднесущей частоты дает хорошие результаты в случае мобильности объекта, в то время как смежные перестановки поднесущей частоты хорошо удовлетворяют случаях передачи от объектов с фиксированным местоположением или с низкой подвижностью.
Подводя итоги рассмотрению вопроса о разделении поднесущих, заметим, что после их распределения проводится их нумерация [51, 52, 109]. Нумерация позволяет разместить логические поднесущие по физическим объектам, при этом проводится перемежение. Поскольку мобильный WiMAX предусматривает работу с несколькими антеннами (этот метод будет рассмотрен ниже), нумерация позволяет распределение поднесущих между антеннами с применением пространственного кодирования.
8.3.6. Зоны переключения
Гибкость использования мобильного WiMAX обеспечивается сегментированием и созданием зон переключения.
Сегмент — это объединение части доступных OFDMA - подканалов (в крайнем случае, один сегмент может содержать все подканалы). Один сегмент используется для установления единственного экземпляраЭкземпляр процесса представляет собой одну конкретную реализацию процесса, который использует собственные данные экземпляра процесса. Например, телефонная станция устанавливает несколько исходящих соединений. Порождается несколько экземпляров процесса установления соединений, отличающихся данными — исходными и полученными в процессе обработки.
процесса управления доступом к среде (MAC).
Зона переключения — множество смежных OFDMA-символов "вниз" (DL) или "вверх" (UL), в каждом из которых использованы одни и те же методы разделения каналов.
Физический уровень OFDMA обеспечивает в пределах одного и того же кадра работу с зонами, которые используют различные разделения поднесущих, предоставляя возможность работы с терминалами различных станций.
Рис. 8.7 иллюстрирует структуру зоны памяти, которая обеспечивает набор поднесущих, используемых в сотах. Соты идентифицируются с помощью идентификатора соты (ID Cell X, ID Cell Y, ID Cell Z). Идентификаторы этих сот размещаются в преамбуле. Идентификатор ID Cell 0 закреплен за широковещательными соединениями. В данном случае в начале области каждой соты размещены адреса поднесущих, соответствующих принципу частичного использования (PUSC), а потом адреса поднесущих, соответствующих принципу полного использования. Эти области памяти могут применяться в зависимости от разработанной программы.
(рис 8.7) Структура мультизонового кадра OFDMA: PUSC (Part Used Sub Carrier) – подсистема с частичным использованием поднесущих; FUSC (Full Used Sub Carrier) – подсистема с полным использованием поднесущих
8.3.7. Структура кадра TDD
Документы рассматриваемого стандарта для физического уровня 802.16e PHY предусматривают дуплексную работу по принципу "дуплексная передача с временным разделением" (TDD — Time Division Duplex) и полудуплексную передачу по принципу "полудуплекс с частотным разделением" (HDFDD – Half-Duplex — Frequency Division Duplex).
Однако в первую очередь был разработан профиль, относящийся к TDD. Профили для принципа FDD будут предназначены только для тех стран, где считается, что частотные методы работы предпочтительны для данной местности.
Чтобы обеспечить устойчивую работу, TDD требует широко развитой системы синхронизации. Однако он предпочтителен по следующим соображениям:
предоставляет возможность регулировки отношения скоростей "вверх" и "вниз" и тем самым эффективного обслуживания асимметричного трафика/ Принцип FDD обеспечивает передачу в каждом направлении с фиксированной скоростью, и в общем случае скорость по направлению "вниз" равна скорости по направлению "вверх";
обеспечивает взаимодействие с системой антенн MIMO и другими прогрессивными технологиями антенн;
в отличие от FDD, который требует парных каналов, принцип TDD требует только одного канала по направлениям "вверх" и "вниз". Это обеспечивает лучшую адаптацию в выделяемом спектре;
реализация приемопередатчиков для TDD менее сложна, поэтому устройства, реализующие этот принцип, дешевле.
Рис. 8.8 отображает структуру кадра для дуплекса c временным разделением (TDD). Каждый кадр разделен на два подкадра — "вниз" и "вверх", отделенных промежутком передача/прием и прием/передача (TRG — Transmit/Receive Guard period и RTG — Receive/Transmit Guard period) для предупреждения конфликтов.
(рис 8.8) Структура кадра OFDM Wi MAX по принципу TDDДля нормальной работы в кадре содержится следующая информация.
Преамбула: используется для синхронизации, является первым OFDM-символом кадра. Преамбула содержит адреса отправителя и получателя и данные, необходимые для синхронизации.
Заголовок управления кадром (FCH — Frame Control Header): следует за преамбулой. Он обеспечивает информацию подсистемы мобильной связи о конфигурации кадра, такую как длина сообщения, схема кодирования и используемые подканалы.
Карты распределения информации для направлений DL-MAP and ULMAP: информация о закреплении каналов и другая управляющая информация для направления "вниз" (DL) и "вверх" (UL).
Порядок расположения информации UL (Ranging): указывает местоположение: данных о подканале, передаваемые по направлению "вверх", время распространения по замкнутой петле, информации для настройки частоты, информации управления мощностью и информацию для запросов на дополнительное расширение полосы пропускания.
UL индикатор качества канала (CQICH — Channel Quality Indicator) предназначен для передачи информации обратной связи о состоянии канала.
Подтверждение UL ACK — информация подтверждения сообщений, которые поступили по направлению "вниз".
8.4. Основные процедуры WiMAX
8.4.1. Процедуры физического уровня WiMAX
Система мобильного WiMAX для того, чтобы увеличить объем и область применения мобильной связи, первая внедрила такие современные решения, как адаптивная модуляция и кодирование (AMC — Adaptive Modulation and Coding), гибридный автоматический повторный запрос (HARQ — Hybrid Automatic Repeat Request) и индикатор качества канала (CQI — Channel Quality Indicator).
Мобильный WiMAX поддерживает различные виды модуляции. Для направления "вниз" (DL) обязательной является поддержка QPSK (Quadrature Phase Shift Keying — квадратурно-фазовая манипуляция), 16 QAM и 64 QAM (Quadrature Amplitude Modulation — квадратурно-амплитудная модуляция).
В направлении "вверх" (UL) может применяться 64 QAM. Для кодирования могут использоваться:
сверточное кодирование (CC— Convolution Code);
сверточное турбокодирование (CTC — Convolution Turbo Code) с переменной скоростью кода и повторным кодированием;
блочное турбокодирование (BTC — Block Turbo Code);
кодирование низкой плотности с проверкой на четность (LDPC — Low Density Parity Check Code).
Табл. 8.5 приводит информацию о применяемых схемах кодирования и схемах модуляции, реализуемых в мобильном WiMAX.
Применяемые коды и модуляции
|
Вниз |
Вверх |
|---|
| Модуляция |
QPSK,16 QAM, 64 QAM |
QPSK,16 QAM, 64 QAM |
| Кодирование |
Сверточное |
1/2, 2/3, 3/4, 5/6 |
1/2, 2/3, 5/6 |
| Турбокод |
1/2, 2/3, 3/4, 5/6 |
1/2, 2/3, 5/6 |
| Повторение |
x2,x4,x6 |
x2,x4,x6 |
Комбинации различных модуляций и кодовых скоростей обеспечивают очень удобную настройку пропускной способности системы для передачи данных. Программа-планировщик базовой станции определяет соответствующую скорость данных (или параметры пакета). Это определяется для каждого подмножества пакетов на основе размера буфера, состояния канала по оценке в приемнике и т. д.
Канал индикатора качества канала (CQI) используется для того, чтобы обеспечить передачу информации о состоянии канала от пользовательских терминалов к программе-планировщику базовой станции. Информация о состоянии, передаваемая по каналу CQI, может включать в себя оценку интерференции и коэффициента сигнал/шум, выбор частоты и способа работы антенн (MIMO) для отдельного канала. При дуплексном режиме с временным разделением для адаптации каналов может использоваться процедура более точного измерения состояния каналов (периодическое зондирование состояния каналов).
Для улучшения пропускной способности системы применяется гибридный автоматический повторный запрос (HARQ — Hybrid Automatic Repeat Request), который позволяет использовать N каналов в старт-стопном режиме с поблочным повторением. В этом методе после отправки кадра передатчик делает паузу, в течение которой ожидается прием подтверждения. В зависимости от типа подтверждения (положительное — ACK или отрицательное — NAK) источник передает следующий кадр или повторяет предыдущий. Многоканальный старт-стопный режим с небольшим числом каналов — эффективный простой протокол, который минимизирует память.
WiMAX реализует сигнализацию, которая позволяет работу в асинхронном режиме, что обеспечивает устойчивость передачи в условиях переменной задержки. При ретрансляции сигналов это дает больше гибкости программе-планировщику, но требует размещения лишней информации в заголовке при каждой ретрансляции.
Гибридный автоматический повторный запрос (HARQ) вместе с каналом индикатора качества канала (CQICH) и адаптивной модуляцией и кодированием создают возможность для AMC (Adaptive Modulation and Coding) — помехоустойчивой линии связи. Эта линия с большим энергетическим запасом, обеспечивающая мобильную связь в различной окружающей среде при скорости передвижения свыше 120 км/час.
Табл. 8.6 показывает скорости передачи данных для каналов на 5 и 10 МГц с PUSC-подканалами. Продолжительность кадра — 5 миллисекунд. Каждый кадр имеет 48 OFDM-символов, из них 44 предназначены для передачи данных. Выделенные значения — это скорости данных для необязательного способа модуляции 64 QAM в направлении "вверх" (UL).
Параметры подканала с частичным использованием поднесущих (физический уровень) и скорости передачи данных по этим подканалам
| Параметр |
Направление |
|---|
| Вниз |
Вверх |
Вниз |
Вверх |
|---|
| Полоса системы |
5МГц |
10МГЦ |
| Защитные поднесущие |
512 |
1024 |
512 |
1024 |
| Поднесущие пилот сигналов |
92 |
104 |
184 |
184 |
| Поднесущие данных |
60 |
136 |
120 |
280 |
| Поднесущие данных |
360 |
272 |
720 |
560 |
| Подканалы |
15 |
17 |
30 |
35 |
| Период символа,Ts |
102,9 микросекунд |
| Длительность кадра |
5 миллисекунд |
| Число OFDM символов в кадре |
48 |
| Число символов данных |
44 |
| Модуляции |
Кодовая скорость |
Канал 5 МГЦ |
Канал 10 МГЦ |
|---|
| Скорость "вниз", Мбит/c |
Скорость "Вверх", Мбит/c |
Скорость "вниз", Мбит/c |
Скорость "Вверх", Мбит/c |
|---|
| QPSK |
1/2 CTC, 6x |
0,53 |
0,38 |
1,06 |
0,78 |
| 1/2 CTC 4x |
0,79 |
0,57 |
1,58 |
1,18 |
| 1/2 CTC2x |
1,58 |
1,14 |
3,17 |
2,35 |
| 1/2 CTC1x |
3,17 |
2,28 |
6,34 |
4,70 |
| 3/4 CTC |
4,75 |
3,43 |
9,50 |
7,06 |
| 16 QAM |
1/2 CTC |
6,34 |
4,57 |
12,67 |
9,41 |
| 3/4 CTC |
9,50 |
6,85 |
19,01 |
14,11 |
| 64 QAM |
1/2 CTC |
9,50 |
6,85 | 19,01 |
14,11 |
|---|
| 2/3 CTC |
12,67 |
9,14 | 25,34 |
18,82 |
|---|
| 3/4 CTC |
14,26 |
10,28 | 28,51 |
21.17 |
|---|
| 5/6 CTC |
15,84 |
11,42 | 31,68 |
23,52 |
|---|
8.4.2. Управление доступом к среде (MAC)
Стандарты 802.16 были разработаны для предоставления широкополосных услуг, включая речь, данные и видео.
Уровень управления доступом к среде (MAC — Media Access Control) основан на испытанном временем стандарте DOCSIS [68] (Data Over Cable Service Interface Specification — спецификации интерфейса передачи данных по кабелю(ТВ)) и может обеспечить передачу пульсирующего трафика данных с высоким пиковым запросом ресурсов. Пульсирующий трафик включает в себя передачу через один и тот же канал непрерывного потока видеоинформации и чувствительного ко времени задержки речевого трафика.
Ресурс, предоставляемый одному терминалу, планировщиком MAC может изменяться от единственного слота времени до полного кадра. Таким образом обеспечивается очень большой динамический диапазон производительности на заданный пользовательский терминал в любое заданное время. Кроме того, распределение ресурса может изменяться на основании сообщений, передаваемых в начале каждого кадра, тем самым приспосабливая ресурсы к трафику, имеющему внезапные пики нагрузки.
8.4.3. Обеспечение качества обслуживания (QoS)
Используя скоростные радиолинии, асимметричное соотношение между пропускной способностью "вниз" и "вверх", тонкую настройку ресурса и гибкий механизм распределения ресурса, мобильный WiMAX может выполнить требования по качеству обслуживания (QoS) для широкого диапазона услуг передачи данных и различных приложений.
На уровне управления доступом к среде (MAC) качество обслуживания (QoS) гарантируется посредством создания сервисных потоков, как это показано на рис 8.9. Они представляют собой однонаправленные потоки пакетов, которые обеспечивают конкретный набор параметров QoS.
Перед началом обслуживания некоторого типа данных базовая станция и пользовательский терминал устанавливают однонаправленное логическое соединение между MAC с одинаковыми характеристиками (peer-to-peer). Далее MAC доставляет информацию по этому логическому соединению. Параметры QoS, связанные с этим сервисным потоком, определяют порядок и планирование передачи по радиоинтерфейсу.
Качество обслуживания может эффективно обеспечивать управление QoS "из конца в конец". Сервисные параметры потока могут динамически управляться с помощью MAC-сообщений.
Механизм, основанный на сервисных потоках, поддерживает качество обслуживания в обоих направлениях.
В табл. 8.7 показаны характеристики качества сервиса для различных приложений.
(рис 8.9) Поддержка качестваобслуживания в мобильном WiMAXПриложения и качество обслуживания мобильного WiMAX
| Категория QoS |
Приложение |
Описание QoS |
|---|
| Сервис по запросу |
VoIP |
Максимально возможная скорость Максимальная устойчивость к задержкам
Устойчивость к джиттеру
|
| Сервис реального времени по запросу |
Поток радио и видео информации |
Минимально зарезервированная скорость Максимально возможная скорость
Максимальная устойчивость к задержкам
Приоритетный трафик
|
| Расширенный сервис реального времени по запросу |
Голос с распознаванием активности (VoIP) |
Максимально возможная скорость Максимальная устойчивость к задержкам
Устойчивость к джиттеру
Приоритетный трафик
|
| Сервис нереального времени по запросу |
Протокол передачи файлов (FTP). |
Минимально зарезервированная скорость Максимально возможная скорость
Приоритетный трафик
|
| Сервис с негарантированным качеством |
Обмен данными, передача WEB браузеров. |
Максимально возможная скорость Приоритетный трафик
|
8.4.4. Служба планирования управления доступом к среде
Служба MAC (Media Access Control) мобильного WiMAX разработана для эффективного предоставления широкополосных служб, включая речь, данные, видео, по изменяющемуся во времени каналу. Служба планирования MAC имеет следующие составляющие.
Быстрый Планировщик: планировщик MAC должен эффективно распределить доступные ресурсы в ответ на изменение трафика и изменяющееся во времени состояние канала. Пакеты данных, связанные с обслуживанием потока, для которого точно определены параметры QoS на MAC-уровне, обслуживаются планировщиком так, чтобы корректно был определен порядок передачи пакетов через радиоинтерфейс.
Канал индикации качества при этом обеспечивает передатчику быструю обратную связь и передачу информации канала, что дает возможность планировщику выбрать соответствующее кодирование и модуляцию для каждого распределения ресурсов.
Адаптивная модуляция/кодирование, объединенная с автоматическим повторным запросом, обеспечивает устойчивую передачу по изменяющемуся во времени каналу.
8.4.5. Управление мощностью
Мобильный WiMAX имеет два режима для управления мощностью: "спящий" режим и свободный режим. "спящий" режим - это состояние перед началом обмена с обслуживающей базовой станцией по радиоинтерфейсу.
Этот период характерен тем, что мобильная станция не готова к приему или передаче информации "вниз" или "вверх".
"Спящий" режим предназначен для экономии мощности MS и ресурсов радиосети. Он предоставляет возможность MS сканировать другие базовые станции, чтобы подготовить хэндовер в этом режиме.
Свободный режим - это механизм, позволяющий MS быть периодически доступной для связи "вниз" и приема широковещательных сообщений без регистрации в заданной базовой станции, когда как MS пересекает зоны многих базовых станций. Достоинство свободного режима - в том, что он устраняет лишние запросы на хэндовер и освобождает базовые станции и сеть от лишних работ по передаче вызова. В то же время он имеет возможность принять сигнал о необходимости трафика, направленного "вниз".
8.4.6. Инициализация вызова и запрос полосы
Физический уровень позволяет разместить поступающие вызовы в частотной радиополосе, предоставленной данной базовой станции. Процесс инициализации вызова используется не только на первоначальном этапе, но и периодически при работе подвижной станции для регулировки параметров, например, при временных сдвигах или изменениях уровня мощности.
В случае инициативы абонентской станции к базовой передается специальный запрос на инициализацию. (При входящей связи сигнал запроса на инициализацию не требуется.) Приняв сигнал запроса, базовая станция начинает процесс инициализации. Вначале генератором псевдослучайного кода с помощью циклического полинома формируется псевдослучайная последовательность. Всего для запроса предусмотрен набор из 256 кодов. Код — это последовательность бинарных символов с длиной 144 бита. Символы модулированы методом двоичной фазовой манипуляции (BPSK — Binary Phase Shift Keying). Для передачи этой последовательности используется 6 смежных подканалов с 24 поднесущими каждый. В качестве исходных данных для формирования псевдослучайного кода используется идентификатор соты U-ID — Cell. Значение самого кода зависит от момента обращения к генератору псевдослучайных чисел и от числа тактов формирования последовательности.
Базовая станция формирует три последовательности кодов:
N — код процесса инициализации;
M — код процесса периодической подстройки;
L — код запроса полосы.
При начальной инициализации необходимы все три процесса.
Получив наборы кодов в соответствии с номером (идентификатором) базовой станции и картой распределения информации (UL-MAP), абонентская станция определяет местоположение наборов в сообщении, случайным образом выбирает один код из предложенного множества кодов и передает его назад к базовой станции.
Различные абонентские станции могут конкурировать за пропускную полосу, и их запросы могут прийти на базовую станцию одновременно. Базовая станция выбирает одну из них и посылает ей обратную информацию. В ответном сообщении размещаются полученный псевдокод, подканал и номер OFDDM-символа, в котором был передан этот код. Абонентская станция, приняв это подтверждение, подготавливается к принятию информации о выделяемом ресурсе. В следующем широковещательном сообщении передаются идентификатор соединения (CID — Connection ID) и идентификатор сервиса (SID — Service ID), необходимые для контроля параметры. Далее абонентская станция начинает процедуру аутентификации и регистрации.
С учетом возможности поступления одновременных вызовов, код, выбранный абонентской станцией, транслируется в двух последовательных символах. Этим гарантируется интервал времени, достаточный для разрешения конфликта. В случае большой вероятности многих вызовов указанный интервал увеличивают с помощью посылки четырех последовательных сообщений.
Если передается сообщение периодической подстройки параметров, то оно передается в одном символе. Сообщение запроса полосы указывает либо номер полосы, либо специальный код.
8.4.7. Передача вызова (хэндовер)
Есть три метода передачи вызова, реализуемые стандартом 802.16e: жесткий хэндовер (HHO - Hard Handover), быстрое переключение базовой станции (FBSS - Fast Base Station Switching) и хэндовер с макроразнесением (MDHO - Macro Diversity Handover). Из них HHO - обязательный, а FBSS и MDHO - два не обязательных (опциональных) режима.
В рамках стандарта 802.16e WiMAX-Форум разработал несколько методов для того, чтобы оптимизировать жесткий хэндовер. Цель этих усовершенствований - обеспечить время процедуры передачи вызова менее чем 50 мс.
Когда реализуется метод быстрого переключения базовой станции (FBSS), мобильная и базовая станции обслуживают список, на которые может переключиться данная мобильная станция (MS). Набор, включенный в этот список, называется активным набором. MS непрерывно контролирует базовые станции в активном наборе. Среди базовых станций активного набора есть станция, через которую мобильная станция может получить доступ к сети связи, - базовая станция привязки (ABS - Anchor Base Station). Когда мобильная станция работает по методу FBSS, она соединяется только c ABS для обмена сообщениями "вниз" и "вверх", включая сообщения технического обслуживания и соединения трафика. Переход от одного ABS к другому BS (то есть коммутация BS) выполняется без явного обмена сообщениями хэндовера.
Процедуры модификации станции ABS позволяют передать сообщение о напряженности сигнала к обслуживающей BS через канал индикатора качества CQICH.
Хэндовер при FBSS начинается с решения MS получить или транслировать данные от ABS, которые могут изменить активный набор. MS сканирует соседние базовые станции и выбирает те, которые могут быть включены в активный набор. Анализ списка выбранных станций (отчет о выбранных станциях) и процедура модификации активного набора выполняется совместно базовой и мобильной станцией. Мобильная станция постоянно контролирует интенсивность сигналов базовых станций, которые находятся в активном наборе, и выбирает одну из этого набора, чтобы она была "в роли" ABS.
Мобильная станция сообщает о выборе ABS по каналу индикатора качества или мобильной станции, передавшей запрос о хэндовере. Важнейшее требование FBSS состоит в том, чтобы данные передавались одновременно всем членам активного набора базовых станций, которые могут обслужить мобильную станцию.
Когда реализуется метод хэндовера с макроразнесением (MDHO - Macro Diversity Handover), мобильная станция может получить доступ к сети связи через станцию привязки ABS. В этом режиме мобильная станция обменивается в направлении "вниз" и "вверх" однонаправленными сообщениями и двунаправленной информацией трафика с единственной станцией, записанной в активный набор.
Хэндовер с макроразнесением (MDHO) начинается тогда, когда мобильная станция решает проводить обмен в одно и то же время с несколькими станциями. Для направления "вниз" хэндовер с макроразнесением обеспечивает обмен мобильной станции с двумя или более базовыми станциями, а объединение этих сообщений происходит на базовой станции. Для направления "вверх" сообщения от мобильной станции получаются многими базовыми станциями, и среди них определяется ее новая ABS.
8.4.8. Безопасность
Мобильный WiMAX обладает высоким классом безопасности, которая реализуется лучшими из доступных на сегодняшний день технологиями, например:
взаимная аутентификация устройство/пользователь;
протокол гибкого изменения ключей шифрования;
глубокое шифрование трафика;
управление и администрирование защиты сообщений;
оптимальный протокол защиты для быстрого хэндовера.
Основные особенности обеспечения безопасности следующие.
Протокол управления ключами. Как это определено в стандарте IEEE 802.16e, протокол конфиденциальности и управления ключами версии 2 (PKMv2 — Privacy and Key Management Protocol Version 2) является основой безопасности Мобильного WiMAX. Он управляет безопасностью среды доступа (MAC), используя сообщения запрос/ответ для процедур аутентификации PKM. На этом протоколе основываются процедуры управления шифрованием трафика, изменения ключей при хэндовере и безопасность при групповой и широковещательной рассылке.
Аутентификация устройство/пользователь. Мобильный WiMAX поддерживает протокол аутентификации устройств и пользователя, используя расширяемый протокол аутентификации (EAP — Extensible Authentication Protocol). Он обеспечивает работу с SIM- и USIM-картами, цифровыми подписями и системой "имя пользователя / пароль". Этот метод поддерживает обновление ключей.
Шифрование трафика. Для шифрования всех пользовательских данных используется усовершенствованный стандарт шифрования (AES — Advanced Encryption Standard). Ключ шифрования генерируется при процедуре аутентификации и обновляется периодически, что улучшает защиту от перехвата ключей.
Защита управляющих сообщений осуществляется с помощью процедур шифрования, аналогичных процедурам шифрования трафика.
Поддержка быстрого хэндовера обеспечивается последовательностью проведения хэндовера и оптимальной схемой повторной аутентификации при хэндовере.
Более подробно о методах обеспечения безопасности можно узнать из курса лекций "Криптография и безопасность сетей".
8.5. Краткие итоги лекции 8
Мобильная система WiMAX предназначена для обеспечения по радиоканалу широкополосных услуг, таких как высококачественная речь, высокоточное телевидение, медиауслуги, передача информации на высокой скорости, услуги мобильного Интернета.
В системе мобильного WiMAX для радиоинтерфейса принят ортогональный многостанционный доступ с частотным разделением каналов (OFDMA — Orthogonal Frequency Division Multiple Access), который обеспечивает хорошие характеристики в условиях многолучевости и отсутствии прямой видимости.
Ортогональный многостанционный доступ с частотным разделением каналов заключается в том, что последовательный поток информации из $$N$$ символов разбивается на $$n$$ блоков по $$N/n$$ символов в каждом, причем символы разных блоков передаются "параллельно", каждый на своей поднесущей.
Некоторые из существенных характеристик, которые обеспечиваются Мобильным WiMAX: высокая скорость передачи данных, дифференцированное обслуживание, способность наращивать каналы и работать при различных методах формирования каналов от 1,25 до 20 МГц.
Ортогональное частотное разделение каналов (OFDM) — методика мультиплексирования, которая подразделяет полосу канала на множество поднесущих частот. Входной поток данных разделен на несколько параллельных подпотоков с уменьшенной скоростью передачи данных (с увеличением продолжительности каждого передаваемого на этой частоте знака). Каждый подпоток модулируется и передается на отдельной ортогональной поднесущей частоте.
Для устранения межсимвольной интерференции вводится циклический префикс (CP). Его наличие создает временные паузы между отдельными символами в случае, если длительность охранного интервала превышает максимальное время задержки сигнала в результате многолучевого распространения.
Структура подканала OFDMA содержит три типа поднесущих частот:поднесущие информационные частоты для передачи данных;
поднесущие частоты для передачи пилот-сигналов (для измерений и целей синхронизации);
нулевые поднесущие частоты, используемые для защитных интервалов частот.
При формировании подканалов в направлении "вниз" применяются способы: каналообразование с полным использованием поднесущих частот (FUSC), каналообразование с частичным использованием поднесущих частот (PUSC), смежные перестановки AMC.
Есть два типа формирования подканалов из поднесущих частот: смежные и с разнесением. В первом случае для подканала выбираются поднесущие, которые находятся рядом в диапазоне частот.
Режим OFDMA, применяемый в мобильном WiMAX, основан на концепции наращиваемого OFDMA (S-OFDMA). Наращивание поддерживается регулировкой числа шагов быстрого преобразования Фурье (БПФ — FFT).
Распределение поднесущих частот для формирования подканала зависит от способа использования поднесущих частот и направления передачи информации.
Гибкость использования мобильного WiMAX обеспечивается сегментированием и созданием зон переключения. Сегмент — это объединение части доступных OFDMA подканалов (в крайнем случае, один сегмент может содержать все подканалы), используемых для обслуживания единственного экземпляра процесса управления доступом к среде (MAC). Зона переключения — множество смежных OFDMA-символов "вниз" (DL) или "вверх" (UL), в каждом из направлений использованы одни и те же методы разделения каналов.
Стандарты мобильного WiMAX предусматривают дуплексную работу по принципу "дуплексная передача с временным разделением"" (TDD) и полудуплексную передачу по принципу "полудуплекс с частотным разделением" (HDFDD).
Принцип TDD имеет следующие преимущества: он регулирует отношения скоростей "вверх" и "вниз", обеспечивает взаимодействие с адаптивной антенной системой, не требует парных каналов.
Кадр для принципа дуплекса c временным разделением (TDD) содержит поля: преамбула, заголовок управления кадром, карты распределения информации для направлений, порядок расположения информации, индикатор качества канала, подтверждение.
Мобильный WiMAX поддерживает различные виды модуляции. Для направления "вниз" (DL) обязательной является поддержка QPSK (квадратурно-фазовая манипуляция), 16 QAM и 64 QAM (квадратурно-фазовая модуляция).
Программа — быстрый планировщик базовой станции определяет соответствующую скорость данных (или параметры пакета).
Канал индикатора качества канала (CQI) используется для того, чтобы обеспечить передачу информации о состоянии канала от пользовательских терминалов к программе-планировщику базовой станции.
Гибридный автоматический повторный запрос (HARQ — Hybrid Automatic Repeat Request) позволяет использовать N каналов в старт-стопном режиме с поблочным повторением.
Уровень управления доступом к среде (MAC) обеспечивает передачу пульсирующего трафика данных с высоким пиковым запросом ресурсов.
На уровне управления доступом к среде (MAC) мобильного WiMAX качество обслуживания (QoS) обеспечивается посредством сервисных потоков.
Служба планирования MAC имеет следующие свойства: быстрый планировщик, канал индикатора качества, адаптивная модуляция/кодирование.
Мобильный WiMAX имеет два режима для управления мощностью: "спящий" режим и свободный режим. "спящий" режим — это состояние перед началом обмена с обслуживающей базовой станцией по радиоинтерфейсу. Свободный режим — это механизм, позволяющий MS быть периодически доступной для связи "вниз" и приема широковещательных сообщений без регистрации в заданной базовой станции.
Физический уровень позволяет разместить поступающие вызовы в частотной радиополосе, предоставленной данной базовой станции. Процесс инициализации вызова используется не только на первоначальном этапе, но и периодически при работе подвижной станции для регулировки параметров, например, при временных сдвигах или изменениях уровня мощности.
При начальной инициализации необходимы три процесса: код процесса инициализации, код процесса периодической подстройки, код запроса полосы.
Существует три метода передачи вызова, реализуемые стандартом 802.16e: жесткий хэндовер (HHO), быстрое переключение базовой станции (FBSS) и макроразнесенный хэндовер (MDHO). Из них HHO — обязательный, а FBSS и MDHO — два не обязательных (опциональных) режима.
При реализации метода быстрого переключения базовой станции мобильная и базовая станции обслуживают список станций, на которые может переключиться данная мобильная станция (MS). Набор, включенный в этот список, называется активным набором.
Когда реализуется хэндовер с макроразнесением (MDHO), мобильная станция обменивается в направлении "вниз" и "вверх" однонаправленными сообщениями и двунаправленной информацией трафика с единственной станцией, записанной в активный набор.
Мобильный WiMAX в части обеспечения безопасности реализует следующие технологии: взаимная аутентификация устройство/пользователь, протокол гибкого изменения ключей шифрования, глубокое шифрование трафика, управление и администрирование защиты сообщений, оптимальный протокол защиты для быстрого хэндовера.
Введение
В настоящем разделе дан краткий обзор системы мобильной связи — мобильного WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access — всемирный доступ для взаимодействия микроволновых сетей) на основе стандарта 802.16e, приводятся рабочие характеристики минимальной основной конфигурации на основе [62, 103, 127]. Мобильный WiMAX может обеспечить скорость десятки мегабит в секунду для основных конфигураций базовых станций, реализованных согласно системе стандартов (системному профилюПрофиль — совокупность требований, ориентированных на выполнение определенной прикладной функции или на построение конкретной системы. Профиль базируется на требованиях определенного стандарта, но не повторяет его спецификации, а только ссылается на них. Русский аналог — руководящие указания (РУК).
) IEEE 802.16, известной также под общим названием WiMAX.
Ниже будут рассмотрены основные новые технические решения, например, адаптивные антенные системы (AAS — Adaptive Antenna System), которые значительно улучшают рабочие характеристики (но без подробного анализа последних).
Сервисные службы, которые могут поддержать такие системы, включают широкополосные услуги, которые требуют высоких скоростей передачи данных, в том числе потоки видео и VoIP с высоким качеством обслуживания.
Характеристики мобильного WiMAX предполагают взаимодействие между мобильным WiMAX и широкополосными проводными услугами, например, по кабельным и цифровым абонентским линиям типа DSL. Важным требованием для успеха проекта является обеспечение услуг мобильного Интернета.
Наращиваемая архитектура, высокая производительность при передаче данных и низкая стоимость установки на сети делают мобильный WiMAX лидером беспроводных широкополосных услуг. Другие преимущества WiMAX включают открытый подход структуры стандартов, "дружественные" интерфейсы и обеспечение здоровой экосистемы.
Множество компаний внесли вклад в развитие технологии, и много компаний объявили о своих планах в этом направлении.
Такая растущая конкуренция гарантирует удовлетворение другого важного требования для успеха технологии — низкую стоимость мобильного Интернета.
8.1. Основные технические характеристики
Для общего представления ниже перечислены основные характеристики системы мобильного WiMAX, после чего они будут рассмотрены более детально.
Технология Мобильного WiMAX базируется на двух стандартах: на стандарте IEEE 802.16-2004 радиоинтерфейс (Air Interface Standard) и на принятом 7 декабря 2005 года стандарте IEEE 802.16e-2005 (он будет играть ключевую роль при построении фиксированной широкополосной радиосети города). Первая лаборатория для сертификации систем этого стандарта развернута в лаборатории Cetecom Labs (Малага, Испания).
7 декабря 2005 IEEE [). Для наземной сети он определил архитектуру сети, необходимую, чтобы осуществлять мобильные соединения WiMAX "из конца в конец".
(рис 8.1) Принцип организации мобильного профайла WiMAXМобильный WiMAX — это система беспроводной связи, которая позволяет конвергенцию (постепенное сближение) мобильной широкополосной и стационарной сетей на основе технологии радиодоступа и гибкой архитектуры сети.
В системе мобильного WiMAX для радиоинтерфейса принят ортогональный многостанционный доступ с частотным разделением каналов (OFDMA — Orthogonal Frequency Division Multiple Access), который обеспечивает хорошие характеристики в условиях многолучевости и при отсутствии прямой видимости. Этот метод доступа [3 , 22 ] заключается в том, что последовательный поток информации из N символов разбивается на n блоков по N/n символов в каждом, причем символы разных блоков передаются "параллельно", каждый на своей поднесущей. Преимущество данного метода состоит в том, что он позволяет снизить до минимума или полностью исключить межсимвольные искажения, возникающие в радиоканале. Чтобы дать возможность наращивать пропускную способность канала от 1,25 к 20 МГц, поправками IEEE 802.16e был введен метод "наращиваемый OFDMA" (SOFDMA — Scalable OFDMA) [109 ].
Группа WiMAX-Форума, занимающаяся обеспечением мобильности, разработала системные профили, которые оговаривают обязательные и дополнительные характеристики, необходимые для построения гибкого радиоинтерфейса. Системный профиль мобильного WiMAX позволяет создавать мобильные системы на основании общей базы и общего набора характеристик, которые гарантируют полностью совместимые основные функциональные возможности для терминалов и базовых станций [90 -92 ].
Некоторые из характеристик системных профилей необязательны, но они обеспечивают гибкость для создания сетей и устройств на базе различных сценариев и оптимизируют их характеристики в конкретных условиях.
Группа WiMAX Forum NWG (Network Working Group), занимающаяся сетевыми вопросами, определила спецификации высшего уровня, помимо тех, которые определены в стандартах IEEE 802.16 для радиоинтерфейса. объединение усилий IEEE 802.16 и форума WiMAX помогло найти решения для установления WiMAX-соединения "из конца в конец" для мобильных объектов.
Мобильные системы WiMAX предлагают технологии и архитектуру, реализующие наращиваемость радиодоступа и сетевых услуг, таким образом, обеспечивая большую гибкость построения сетей.
Некоторые из существенных характеристик мобильного WiMAX приведены ниже.
Высокая скорость передачи данных за счет применения системы антенн MIMOТехнология MIMO предполагает использование двух или более передающих и принимающих антенн, что позволяет увеличить скорость передачи и применять новые технологии для улучшения качества.
(Multi Input — Multi Output) антенны в сочетании с гибкими схемами каналообразования, усовершенствованным кодированием и модуляцией. Все это позволяет технологии мобильного WiMAX поддержать пиковую скорость данных по направлению "вниз" до 63 Мбит/с и в направлении "вверх" — до 28 Мбит/с.
Качество обслуживания (QoS) является фундаментальным условием архитектуры протоколов доступа к среде (IEEE 802.16 MAC — Media Access Control). Оно определяется применением метода DiffServ — дифференцированного обслуживания. Это стандартизированный метод для поддержки служб с различными уровнями качества. При этом трафик разделяется с помощью меток на несколько групп в зависимости от QoS.
Мобильный WiMAX предусматривает применение многопротокольной коммутации с использованием меток (MPLS — Multiprotocol Label Switching). Эта технология работает с метками в пакетах данных и позволяет создавать выделенные коммутируемые потоки. Применение этих методов позволяет осуществлять IP-соединения с учетом QoS. Оптимальное использование времени, пространства и частоты обеспечивается механизмом образования подгрупп каналов на заданное время (subcanalization) и сигнализацией по отдельным каналам связи (ОКС), применяющей специальные сигнальные протоколы прикладного уровня (MAP — Mobile Application Part).
Наращиваемость. Технология WiMAX разработана так, что она способна наращивать каналы и работать при различных методах формирования каналов от 1,25 до 20 МГц, чтобы удовлетворить различные требования к использованию диапазона.
Все это позволяет достичь выгодных экономических решений в конкретной географической зоне, например, обеспечить доступный беспроводной Интернет в сельской местности, предоставлять мобильную связь в пригородах с малой плотностью абонентов и т. п.
Безопасность. Применяемые средства безопасности являются лучшими в классе расширяемых протоколов аутентификации (EAP — Extensible Authentication Protocol). Эти методы основаны на применении дополнительных средств помимо SIM-карты (одноразовые маркеры, цифровые подписи и пр.). Схемы шифрования основаны на усовершенствованном стандарте шифрования AES (Advanced Encryption Standard) и коде аутентификации сообщений на основе хешированияХеширование – метод шифрования с помощью табдицы, отображающей фрагменты открытого сообщения в шифрованную строку фиксированной длины.
(HMAC — Hash based Message Authentication Code). Эти методы поддерживают различные средства аутентификации: SIM- или USIM-карты, интеллектуальные карты (Smart Card), цифровые подписи, схемы "пользователь — пароль".
Мобильность. Мобильный WiMAX поддерживает оптимальные схемы передачи соединения (хэндовера) со временем задержки меньше чем 50 миллисекунд, чтобы гарантировать работу приложений, таких как VoIP, в реальном масштабе времени. Они выполняются без ухудшения обслуживания. Гибкие схемы управления ключами гарантируют безопасность в процессе передачи соединения.
8.2. Основы ортогонального многостанционного доступа с частотным разделением каналов — OFDMA
Ортогональный многостанционный доступ с частотным разделением каналов (OFDMA) базируется на системе мультиплексирования OFDM.
Ортогональное частотное разделение каналов (OFDM — Orthogonal Frequency Division Multiplexing) — методика мультиплексирования, которая подразделяет полосу канала на множество поднесущих частот [.
В системе OFDM входной поток данных разделен на несколько параллельных подпотоков с уменьшенной скоростью передачи данных (с увеличением продолжительности каждого передаваемого на этой частоте знака). Каждый подпоток модулируется и передается на отдельной ортогональнойНазвание "ортогональные" связано с тем, что поднесущие обладают свойством ортогональности, т. е. коэффициент взаимной корреляции между ними равен нулю.
поднесущей частоте. Протокольная единица, передаваемая с помощью одной несущей, называется символом. Увеличенная продолжительность символа улучшает устойчивость OFDM, уменьшая их максимальный разброс между символами, предаваемыми с помощью разных несущих.
Основные устройства, обеспечивающие модуляцию с несколькими несущими по принципу OFDM, показаны на рис 8.2. Каждый подканал работает на своей несущей частоте. Если обозначить частоту первой несущей $$\omega$$, то вторая несущая будет иметь частоту $$2\omega$$ и т. д.; для $$n$$ -го канала эта частота будет равна $$n\omega$$.
Если для каждого из $$n$$ подпотоков применить квадратурную модуляцию, то получим $$n$$ квадратурных (ортогональных) функций типа $$a_k \cos k\omega t + b_k \sin k\omega t$$. Если функции всех подканалов просуммировать, то получим функцию, аналогичную функции, которая называется рядом Фурье:
$$x(t)=a_0+\sum\limits_{k=1}^{N-1}[a_k\cos k\omega t + b_k \sin k\omega t]$$
Функция, полученная в результате модуляции, отличается от ряда Фурье тем, что она конечна. Для увеличения точности обработки и исключения взаимного влияния каналов реальная функция дополняется "префиксом", содержащим несколько значений ряда Фурье (псевдоканалов). Он устанавливается перед последовательностью квадратурных сигналов. Это увеличивает точность получения функции $$x(t)$$ и позволяет более четко отделять подканалы друг от друга.
(рис 8.2) Модуляция с несколькими несущимиСумма функций, полученных в результате модуляции, "свертывается" с помощью обратного преобразования Фурье в одну функцию $$x(t)$$, которая преобразуется в цифровую форму и передается в линию.
На приемном конце происходит переход из цифровой в аналоговую форму, производится прямое преобразование Фурье, квадратурные функции каждого канала демодулируются и собираются в одну последовательность. Как уже было сказано, для устранения межсимвольной интерференции вводится циклический префикс (CP).
Циклический префикс добавляется в начало каждого OFDM-символа (рис 8.3) и представляет собой циклическое повторение окончания символа. Наличие циклического префикса создает временные паузы между отдельными символами, и если длительность защитного интервала превышает максимальное время задержки сигнала в результате многолучевого распространения, то межсимвольная интерференция не возникает.
(рис 8.3) Защита от межсимвольной интерференции с помощью циклического префиксаЦиклический префикс является избыточной информацией и в этом смысле снижает полезную (информационную) скорость передачи, но именно он служит защитой от возникновения межсимвольной интерференции. Указанная избыточная информация добавляется к передаваемому символу в передатчике и отбрасывается при приеме символа в приемнике.
8.3. Структура и формирование OFDMA-подканалов
Структура подканала OFDMA [:
поднесущие информационные частоты для передачи данных;
поднесущие частоты для передачи пилот-сигналов (для целей измерений и синхронизации);
нулевые поднесущие частоты, используемые для защитных интервалов частот.
(рис 8.4) Распределение поднесущих частотАктивные поднесущие частоты (информационные и пилот-сигнал) сгруппированы в поднаборы поднесущих частот, называемые подканалами. Поднесущие частоты, формирующие один подканал, могут быть, но не должны быть, смежными. Основная нагрузка и сигналы управления предаются в подканалах.
Пилот-сигналы распределяются в зависимости от способа распределения поднесущих и направления потока.
При формировании подканалов в направлении "вниз"Направление "вниз" (DL — Down Link) — линия в направлении от центрального узла к периферийному, в данном случае — от базовой станции к мобильной. Направление "вверх" (UL — Up Link) — линия в направлении от периферийного узла к центральному, в данном случае — от мобильной станции к базовой.
применяются следующие способы:
каналообразование с полным использованием поднесущих частот (FUSC — Fully Used Sub canalization);
каналообразование с частичным использованием поднесущих частот (PUSC — Partly Used Sub canalization);
смежные перестановки AMC (Adoption Modulation and Coding).
Частичное использование поднесущих частот означает, что из всего набора несущих частот выбирается только часть. Устройства (например, подвижные станции) работают, занимая только часть полосы. Поскольку в этом случае вся излучаемая мощность концентрируется в используемой полосе, это приводит к увеличению мощности на каждую поднесущую. Для передачи информации в направлении "вверх" в городских условиях это дает дополнительный запас на замирания.
При направлении "вверх" применяется только два способа: с полным использованием поднесущих частот (UL PUSC) и дополнительные перестановки.
Подканалы в направлении "вниз" могут работать с различным приемниками, подканалы в направлении "вверх" могут работать с различными передатчиками.
Существует два типа формирования подканалов из поднесущих частот:
смежные;
с разнесением.
В первом случае для подканала выбираются поднесущие, которые находятся рядом в диапазоне частот.
Формирование подканала с разнесением выбирает номиналы поднесущих частот для каждого канала в соответствии с псевдослучайной последовательностью. Этим обеспечивается разнесение по частоте и усреднение межсотовой интерференции.
8.3.1. Наращиваемый OFDMA
Режим передачи согласно стандарту IEEE 802.16e-2005 основан на концепции наращиваемого (масштабируемого) OFDMA (SOFDMA — Scalable OFDMA) [109]. Он поддерживает широкий диапазон пропускной способности и гибко приспосабливается к потребностям в различных диапазонах спектра. Наращивание пропускной способности поддерживается регулировкой числа шагов быстрого преобразования Фурье (БПФ — FFT — Fast Fourier Transform). Параметры SOFDMA приведены в табл. 8.1. Техническая рабочая группа WiMAX Forum вначале запланировала разработку документов (профилей) для значений ширины каналов 5 и 10 МГц (выделены в табл.).
Параметры SOFDMA
| Параметры |
Значение |
|---|
| Ширина канала (МГц) |
1,25 |
5 |
10 | 20 |
|---|
| Частота опроса ( $$F_p$$ в МГц) |
1,4 |
5,6 |
11,2 | 22,4 |
|---|
| Размер преобразования Фурье ( $$N_{FFT}$$ ) |
128 |
512 |
1024 | 2048 |
|---|
| Число подканалов |
2 |
8 |
16 | 32 |
|---|
| Интервал между несущими |
10,94кГц |
| Длительность полезного символа ( $$T_b=1/f$$ ) |
91,4мкс |
| Защитный интервал ( $$T_g=T_b/8$$ ) |
11,4мкс |
| Длительность OFDMA-символа ( $$T_S=T_b+T_g$$ ) |
102,9мкс |
| Число символов (кадр 5мс) |
48 |
8.3.2. Формирование подканала с полным использованием поднесущих частот в направлении "вниз"
Минимальной частотно-временной единицей формирования канала является один слот, который содержит 48 поднесущих. Это единица поддерживается физическим уровнем в обоих направлениях.
В табл. 8.2 приводится пример [109] распределения поднесущих частот при полном использовании поднесущих частот для формирования подканала в направлении "вниз".
Распределение поднесущих с полным использованием в направлении "вниз" (DL FUCS)
| Параметры |
Значение |
|---|
| Ширина полосы частот, МГц |
1,25 |
5 |
10 |
20 |
| Размер преобразования Фурье |
128 |
512 |
1024 |
2048 |
| Число защитных поднесущих частот |
22 |
86 |
173 |
345 |
| Число используемых поднесущих частот |
106 |
426 |
851 |
1703 |
| Число поднесущих частот данных |
96 |
384 |
768 |
1536 |
| Число поднесущих частот пилот-сигнала |
9 |
42 |
83 |
166 |
| Число подканалов |
2 |
8 |
16 |
32 |
| Тип перестановки каналов |
|
|
|
|
Для каждой полосы частот каналов выбирается количество частот, используемых в преобразовании Фурье.
Число защитных поднесущих определяется величиной максимальной задержки сигнала (см. рис 8.3 – 8.4). Распределение поднесущих частот происходит с помощью циклического префикса. Для таблицы это время принято около 17 % от числа, указанного в строке "размер преобразования Фурье". Эти поднесущие распределяются на два примерно равных поднабора — один в начале, другой в конце. Например, для размера преобразования Фурье 2048 в табл. 8.2 выбрано число защитных поднесущих 345.
Число используемых поднесущих частот получается вычетом числа защитных поднесущих из их общего числа. В данном примере остается 1703 поднесущих.
Для подканалов поднесущих с полным использованием поднесущих частот и направлением "вниз" сначала распределяются пилот-сигналы, а затем оставшиеся сигналы распределяются на подканалы данных. Число пилот-сигналов указывается в стандарте. В данном случае оно равно 166.
Число поднесущих частот данных определяется кратным 48.
Число подканалов определяется числом поднесущих частот данных и длиной слота 48 поднесущих. В данном примере оно равно $$32 (1536/48=32)$$.
8.3.3. Распределение поднесущих с частичным использованием в направлении "вниз" (DL)
При использовании DL PUSC для каждой пары OFDM символов, доступных или используемых, поднесущие частоты сгруппированы в .
(рис 8.5) Структура кластеров для четных и нечетных символов OFDMРезультат распределения поднесущих частот показан в табл. 8.3.
Распределение поднесущих с частичным использованием в направлении "вниз" (DL)
| Параметры |
Значение |
|---|
| Ширина полосы частот, МГц |
1,25 |
5 |
10 |
20 |
| Размер преобразования Фурье |
128 |
512 |
1024 |
2048 |
| Число защитных поднесущих частот |
43 |
91 |
183 |
367 |
| Число используемых поднесущих частот |
85 |
421 |
841 |
1681 |
| Число кластеров/подканалов |
6/3 |
30/15 |
60/30 |
120/60 |
| Число информационных поднесущих частот |
72 |
360 |
720 |
1440 |
| Число поднесущих частот пилот-сигнала |
12 |
60 |
120 |
240 |
В таблице выделены поднесущие защитного интервала. Зная число несущих в каждом кластере, можно определить максимальное число кластеров (минимальное число показано через черту). По величине поднесущих кластера определяется число поднесущих для передачи данных и пилотсигналов.
8.3.4. Распределение поднесущих с частичным использованием в направлении "вверх" (UL)
В данном случае для организации подканалов применяется элемент, называемый "фрагмент" ( tileБуквальный перевод tile — "одна черепица", элемент мозаичного панно.
). Фрагмент компонуется из 4 поднесущих. Для передачи 3 символов OFDM используются приведенные ниже компоновки (рис 8.6). Каждый символ отображается фрагментом, состоящим из четырех несущих.
(рис 8.6) Компоновка символов с помощью несущих: а) 3 символов с помощью 4 поднесущих; б) 3 символов с помощью 3 поднесущихКаждый подканал содержит 6 фрагментов по 4 поднесущих в каждом, используемых в соответствии с рис 8.6. Таким образом, для одного подканала нужно 24 поднесущих, а для 3 символов — $$24 \times 3 = 72$$. Из этих поднесущих образуется слот, содержащий 48 поднесущих для передачи данных и 24 поднесущих пилот-сигнала. Результат разнесения поднесущих частот приведен в табл. 8.4.
При распределении поднесущих "вверх" возможно использование фрагментов, показанных на рис 8.6-б, которые содержат 3 поднесущих на фрагмент, что немного увеличивает число подканалов.
Распределение поднесущих в направлении "вверх" (UL)
| Параметры |
Значение |
|---|
| Ширина полосы частот МГц |
1,25 |
5 |
10 |
20 |
| Размер преобразования Фурье |
128 |
512 |
1024 |
2048 |
| Число защитных поднесущих частот |
31 |
103 |
183 |
367 |
| Число используемых поднесущих частот |
97 |
409 |
841 |
1681 |
| Число фрагментов |
24 |
102 |
210 |
420 |
| Число подканалов |
4 |
17 |
35 |
70 |
8.3.5. Распределение поднесущих с помощью смежных перестановок
Смежная перестановка группирует блок смежных поднесущих частот, чтобы сформировать подканал. Они представляют собой наборы кодовых комбинаций AMC (Adaptive Modulation and Coding) для обоих направлений — "вниз" (DL) и "вверх" (UL), которые имеют одну и ту же структуру. Они содержат контейнеры, включающие в себя передаваемые символы. Контейнер состоит из 9 смежных поднесущих частот в символе. Из этих символов 8 предназначены для передачи данных и один для передачи пилот-сигнала.
Слот в AMC определен как совокупность контейнеров типа $$(N\times М= 6)$$, где $$N$$ — число смежных контейнеров и $$М$$. — число смежных символов. Таким образом, возможны следующие комбинации: 6 контейнеров, 1 символ; 3 контейнера, 2 символа; 2 контейнера, 3 символа; 1 контейнер, 6 символов.
Вообще, частичное или полное распределение поднесущей частоты дает хорошие результаты в случае мобильности объекта, в то время как смежные перестановки поднесущей частоты хорошо удовлетворяют случаях передачи от объектов с фиксированным местоположением или с низкой подвижностью.
Подводя итоги рассмотрению вопроса о разделении поднесущих, заметим, что после их распределения проводится их нумерация [51, 52, 109]. Нумерация позволяет разместить логические поднесущие по физическим объектам, при этом проводится перемежение. Поскольку мобильный WiMAX предусматривает работу с несколькими антеннами (этот метод будет рассмотрен ниже), нумерация позволяет распределение поднесущих между антеннами с применением пространственного кодирования.
8.3.6. Зоны переключения
Гибкость использования мобильного WiMAX обеспечивается сегментированием и созданием зон переключения.
Сегмент — это объединение части доступных OFDMA - подканалов (в крайнем случае, один сегмент может содержать все подканалы). Один сегмент используется для установления единственного экземпляраЭкземпляр процесса представляет собой одну конкретную реализацию процесса, который использует собственные данные экземпляра процесса. Например, телефонная станция устанавливает несколько исходящих соединений. Порождается несколько экземпляров процесса установления соединений, отличающихся данными — исходными и полученными в процессе обработки.
процесса управления доступом к среде (MAC).
Зона переключения — множество смежных OFDMA-символов "вниз" (DL) или "вверх" (UL), в каждом из которых использованы одни и те же методы разделения каналов.
Физический уровень OFDMA обеспечивает в пределах одного и того же кадра работу с зонами, которые используют различные разделения поднесущих, предоставляя возможность работы с терминалами различных станций.
Рис. 8.7 иллюстрирует структуру зоны памяти, которая обеспечивает набор поднесущих, используемых в сотах. Соты идентифицируются с помощью идентификатора соты (ID Cell X, ID Cell Y, ID Cell Z). Идентификаторы этих сот размещаются в преамбуле. Идентификатор ID Cell 0 закреплен за широковещательными соединениями. В данном случае в начале области каждой соты размещены адреса поднесущих, соответствующих принципу частичного использования (PUSC), а потом адреса поднесущих, соответствующих принципу полного использования. Эти области памяти могут применяться в зависимости от разработанной программы.
(рис 8.7) Структура мультизонового кадра OFDMA: PUSC (Part Used Sub Carrier) – подсистема с частичным использованием поднесущих; FUSC (Full Used Sub Carrier) – подсистема с полным использованием поднесущих
8.3.7. Структура кадра TDD
Документы рассматриваемого стандарта для физического уровня 802.16e PHY предусматривают дуплексную работу по принципу "дуплексная передача с временным разделением" (TDD — Time Division Duplex) и полудуплексную передачу по принципу "полудуплекс с частотным разделением" (HDFDD – Half-Duplex — Frequency Division Duplex).
Однако в первую очередь был разработан профиль, относящийся к TDD. Профили для принципа FDD будут предназначены только для тех стран, где считается, что частотные методы работы предпочтительны для данной местности.
Чтобы обеспечить устойчивую работу, TDD требует широко развитой системы синхронизации. Однако он предпочтителен по следующим соображениям:
предоставляет возможность регулировки отношения скоростей "вверх" и "вниз" и тем самым эффективного обслуживания асимметричного трафика/ Принцип FDD обеспечивает передачу в каждом направлении с фиксированной скоростью, и в общем случае скорость по направлению "вниз" равна скорости по направлению "вверх";
обеспечивает взаимодействие с системой антенн MIMO и другими прогрессивными технологиями антенн;
в отличие от FDD, который требует парных каналов, принцип TDD требует только одного канала по направлениям "вверх" и "вниз". Это обеспечивает лучшую адаптацию в выделяемом спектре;
реализация приемопередатчиков для TDD менее сложна, поэтому устройства, реализующие этот принцип, дешевле.
Рис. 8.8 отображает структуру кадра для дуплекса c временным разделением (TDD). Каждый кадр разделен на два подкадра — "вниз" и "вверх", отделенных промежутком передача/прием и прием/передача (TRG — Transmit/Receive Guard period и RTG — Receive/Transmit Guard period) для предупреждения конфликтов.
(рис 8.8) Структура кадра OFDM Wi MAX по принципу TDDДля нормальной работы в кадре содержится следующая информация.
Преамбула: используется для синхронизации, является первым OFDM-символом кадра. Преамбула содержит адреса отправителя и получателя и данные, необходимые для синхронизации.
Заголовок управления кадром (FCH — Frame Control Header): следует за преамбулой. Он обеспечивает информацию подсистемы мобильной связи о конфигурации кадра, такую как длина сообщения, схема кодирования и используемые подканалы.
Карты распределения информации для направлений DL-MAP and ULMAP: информация о закреплении каналов и другая управляющая информация для направления "вниз" (DL) и "вверх" (UL).
Порядок расположения информации UL (Ranging): указывает местоположение: данных о подканале, передаваемые по направлению "вверх", время распространения по замкнутой петле, информации для настройки частоты, информации управления мощностью и информацию для запросов на дополнительное расширение полосы пропускания.
UL индикатор качества канала (CQICH — Channel Quality Indicator) предназначен для передачи информации обратной связи о состоянии канала.
Подтверждение UL ACK — информация подтверждения сообщений, которые поступили по направлению "вниз".
8.4. Основные процедуры WiMAX
8.4.1. Процедуры физического уровня WiMAX
Система мобильного WiMAX для того, чтобы увеличить объем и область применения мобильной связи, первая внедрила такие современные решения, как адаптивная модуляция и кодирование (AMC — Adaptive Modulation and Coding), гибридный автоматический повторный запрос (HARQ — Hybrid Automatic Repeat Request) и индикатор качества канала (CQI — Channel Quality Indicator).
Мобильный WiMAX поддерживает различные виды модуляции. Для направления "вниз" (DL) обязательной является поддержка QPSK (Quadrature Phase Shift Keying — квадратурно-фазовая манипуляция), 16 QAM и 64 QAM (Quadrature Amplitude Modulation — квадратурно-амплитудная модуляция).
В направлении "вверх" (UL) может применяться 64 QAM. Для кодирования могут использоваться:
сверточное кодирование (CC— Convolution Code);
сверточное турбокодирование (CTC — Convolution Turbo Code) с переменной скоростью кода и повторным кодированием;
блочное турбокодирование (BTC — Block Turbo Code);
кодирование низкой плотности с проверкой на четность (LDPC — Low Density Parity Check Code).
Табл. 8.5 приводит информацию о применяемых схемах кодирования и схемах модуляции, реализуемых в мобильном WiMAX.
Применяемые коды и модуляции
|
Вниз |
Вверх |
|---|
| Модуляция |
QPSK,16 QAM, 64 QAM |
QPSK,16 QAM, 64 QAM |
| Кодирование |
Сверточное |
1/2, 2/3, 3/4, 5/6 |
1/2, 2/3, 5/6 |
| Турбокод |
1/2, 2/3, 3/4, 5/6 |
1/2, 2/3, 5/6 |
| Повторение |
x2,x4,x6 |
x2,x4,x6 |
Комбинации различных модуляций и кодовых скоростей обеспечивают очень удобную настройку пропускной способности системы для передачи данных. Программа-планировщик базовой станции определяет соответствующую скорость данных (или параметры пакета). Это определяется для каждого подмножества пакетов на основе размера буфера, состояния канала по оценке в приемнике и т. д.
Канал индикатора качества канала (CQI) используется для того, чтобы обеспечить передачу информации о состоянии канала от пользовательских терминалов к программе-планировщику базовой станции. Информация о состоянии, передаваемая по каналу CQI, может включать в себя оценку интерференции и коэффициента сигнал/шум, выбор частоты и способа работы антенн (MIMO) для отдельного канала. При дуплексном режиме с временным разделением для адаптации каналов может использоваться процедура более точного измерения состояния каналов (периодическое зондирование состояния каналов).
Для улучшения пропускной способности системы применяется гибридный автоматический повторный запрос (HARQ — Hybrid Automatic Repeat Request), который позволяет использовать N каналов в старт-стопном режиме с поблочным повторением. В этом методе после отправки кадра передатчик делает паузу, в течение которой ожидается прием подтверждения. В зависимости от типа подтверждения (положительное — ACK или отрицательное — NAK) источник передает следующий кадр или повторяет предыдущий. Многоканальный старт-стопный режим с небольшим числом каналов — эффективный простой протокол, который минимизирует память.
WiMAX реализует сигнализацию, которая позволяет работу в асинхронном режиме, что обеспечивает устойчивость передачи в условиях переменной задержки. При ретрансляции сигналов это дает больше гибкости программе-планировщику, но требует размещения лишней информации в заголовке при каждой ретрансляции.
Гибридный автоматический повторный запрос (HARQ) вместе с каналом индикатора качества канала (CQICH) и адаптивной модуляцией и кодированием создают возможность для AMC (Adaptive Modulation and Coding) — помехоустойчивой линии связи. Эта линия с большим энергетическим запасом, обеспечивающая мобильную связь в различной окружающей среде при скорости передвижения свыше 120 км/час.
Табл. 8.6 показывает скорости передачи данных для каналов на 5 и 10 МГц с PUSC-подканалами. Продолжительность кадра — 5 миллисекунд. Каждый кадр имеет 48 OFDM-символов, из них 44 предназначены для передачи данных. Выделенные значения — это скорости данных для необязательного способа модуляции 64 QAM в направлении "вверх" (UL).
Параметры подканала с частичным использованием поднесущих (физический уровень) и скорости передачи данных по этим подканалам
| Параметр |
Направление |
|---|
| Вниз |
Вверх |
Вниз |
Вверх |
|---|
| Полоса системы |
5МГц |
10МГЦ |
| Защитные поднесущие |
512 |
1024 |
512 |
1024 |
| Поднесущие пилот сигналов |
92 |
104 |
184 |
184 |
| Поднесущие данных |
60 |
136 |
120 |
280 |
| Поднесущие данных |
360 |
272 |
720 |
560 |
| Подканалы |
15 |
17 |
30 |
35 |
| Период символа,Ts |
102,9 микросекунд |
| Длительность кадра |
5 миллисекунд |
| Число OFDM символов в кадре |
48 |
| Число символов данных |
44 |
| Модуляции |
Кодовая скорость |
Канал 5 МГЦ |
Канал 10 МГЦ |
|---|
| Скорость "вниз", Мбит/c |
Скорость "Вверх", Мбит/c |
Скорость "вниз", Мбит/c |
Скорость "Вверх", Мбит/c |
|---|
| QPSK |
1/2 CTC, 6x |
0,53 |
0,38 |
1,06 |
0,78 |
| 1/2 CTC 4x |
0,79 |
0,57 |
1,58 |
1,18 |
| 1/2 CTC2x |
1,58 |
1,14 |
3,17 |
2,35 |
| 1/2 CTC1x |
3,17 |
2,28 |
6,34 |
4,70 |
| 3/4 CTC |
4,75 |
3,43 |
9,50 |
7,06 |
| 16 QAM |
1/2 CTC |
6,34 |
4,57 |
12,67 |
9,41 |
| 3/4 CTC |
9,50 |
6,85 |
19,01 |
14,11 |
| 64 QAM |
1/2 CTC |
9,50 |
6,85 | 19,01 |
14,11 |
|---|
| 2/3 CTC |
12,67 |
9,14 | 25,34 |
18,82 |
|---|
| 3/4 CTC |
14,26 |
10,28 | 28,51 |
21.17 |
|---|
| 5/6 CTC |
15,84 |
11,42 | 31,68 |
23,52 |
|---|
8.4.2. Управление доступом к среде (MAC)
Стандарты 802.16 были разработаны для предоставления широкополосных услуг, включая речь, данные и видео.
Уровень управления доступом к среде (MAC — Media Access Control) основан на испытанном временем стандарте DOCSIS [68] (Data Over Cable Service Interface Specification — спецификации интерфейса передачи данных по кабелю(ТВ)) и может обеспечить передачу пульсирующего трафика данных с высоким пиковым запросом ресурсов. Пульсирующий трафик включает в себя передачу через один и тот же канал непрерывного потока видеоинформации и чувствительного ко времени задержки речевого трафика.
Ресурс, предоставляемый одному терминалу, планировщиком MAC может изменяться от единственного слота времени до полного кадра. Таким образом обеспечивается очень большой динамический диапазон производительности на заданный пользовательский терминал в любое заданное время. Кроме того, распределение ресурса может изменяться на основании сообщений, передаваемых в начале каждого кадра, тем самым приспосабливая ресурсы к трафику, имеющему внезапные пики нагрузки.
8.4.3. Обеспечение качества обслуживания (QoS)
Используя скоростные радиолинии, асимметричное соотношение между пропускной способностью "вниз" и "вверх", тонкую настройку ресурса и гибкий механизм распределения ресурса, мобильный WiMAX может выполнить требования по качеству обслуживания (QoS) для широкого диапазона услуг передачи данных и различных приложений.
На уровне управления доступом к среде (MAC) качество обслуживания (QoS) гарантируется посредством создания сервисных потоков, как это показано на рис 8.9. Они представляют собой однонаправленные потоки пакетов, которые обеспечивают конкретный набор параметров QoS.
Перед началом обслуживания некоторого типа данных базовая станция и пользовательский терминал устанавливают однонаправленное логическое соединение между MAC с одинаковыми характеристиками (peer-to-peer). Далее MAC доставляет информацию по этому логическому соединению. Параметры QoS, связанные с этим сервисным потоком, определяют порядок и планирование передачи по радиоинтерфейсу.
Качество обслуживания может эффективно обеспечивать управление QoS "из конца в конец". Сервисные параметры потока могут динамически управляться с помощью MAC-сообщений.
Механизм, основанный на сервисных потоках, поддерживает качество обслуживания в обоих направлениях.
В табл. 8.7 показаны характеристики качества сервиса для различных приложений.
(рис 8.9) Поддержка качестваобслуживания в мобильном WiMAXПриложения и качество обслуживания мобильного WiMAX
| Категория QoS |
Приложение |
Описание QoS |
|---|
| Сервис по запросу |
VoIP |
Максимально возможная скорость Максимальная устойчивость к задержкам
Устойчивость к джиттеру
|
| Сервис реального времени по запросу |
Поток радио и видео информации |
Минимально зарезервированная скорость Максимально возможная скорость
Максимальная устойчивость к задержкам
Приоритетный трафик
|
| Расширенный сервис реального времени по запросу |
Голос с распознаванием активности (VoIP) |
Максимально возможная скорость Максимальная устойчивость к задержкам
Устойчивость к джиттеру
Приоритетный трафик
|
| Сервис нереального времени по запросу |
Протокол передачи файлов (FTP). |
Минимально зарезервированная скорость Максимально возможная скорость
Приоритетный трафик
|
| Сервис с негарантированным качеством |
Обмен данными, передача WEB браузеров. |
Максимально возможная скорость Приоритетный трафик
|
8.4.4. Служба планирования управления доступом к среде
Служба MAC (Media Access Control) мобильного WiMAX разработана для эффективного предоставления широкополосных служб, включая речь, данные, видео, по изменяющемуся во времени каналу. Служба планирования MAC имеет следующие составляющие.
Быстрый Планировщик: планировщик MAC должен эффективно распределить доступные ресурсы в ответ на изменение трафика и изменяющееся во времени состояние канала. Пакеты данных, связанные с обслуживанием потока, для которого точно определены параметры QoS на MAC-уровне, обслуживаются планировщиком так, чтобы корректно был определен порядок передачи пакетов через радиоинтерфейс.
Канал индикации качества при этом обеспечивает передатчику быструю обратную связь и передачу информации канала, что дает возможность планировщику выбрать соответствующее кодирование и модуляцию для каждого распределения ресурсов.
Адаптивная модуляция/кодирование, объединенная с автоматическим повторным запросом, обеспечивает устойчивую передачу по изменяющемуся во времени каналу.
8.4.5. Управление мощностью
Мобильный WiMAX имеет два режима для управления мощностью: "спящий" режим и свободный режим. "спящий" режим - это состояние перед началом обмена с обслуживающей базовой станцией по радиоинтерфейсу.
Этот период характерен тем, что мобильная станция не готова к приему или передаче информации "вниз" или "вверх".
"Спящий" режим предназначен для экономии мощности MS и ресурсов радиосети. Он предоставляет возможность MS сканировать другие базовые станции, чтобы подготовить хэндовер в этом режиме.
Свободный режим - это механизм, позволяющий MS быть периодически доступной для связи "вниз" и приема широковещательных сообщений без регистрации в заданной базовой станции, когда как MS пересекает зоны многих базовых станций. Достоинство свободного режима - в том, что он устраняет лишние запросы на хэндовер и освобождает базовые станции и сеть от лишних работ по передаче вызова. В то же время он имеет возможность принять сигнал о необходимости трафика, направленного "вниз".
8.4.6. Инициализация вызова и запрос полосы
Физический уровень позволяет разместить поступающие вызовы в частотной радиополосе, предоставленной данной базовой станции. Процесс инициализации вызова используется не только на первоначальном этапе, но и периодически при работе подвижной станции для регулировки параметров, например, при временных сдвигах или изменениях уровня мощности.
В случае инициативы абонентской станции к базовой передается специальный запрос на инициализацию. (При входящей связи сигнал запроса на инициализацию не требуется.) Приняв сигнал запроса, базовая станция начинает процесс инициализации. Вначале генератором псевдослучайного кода с помощью циклического полинома формируется псевдослучайная последовательность. Всего для запроса предусмотрен набор из 256 кодов. Код — это последовательность бинарных символов с длиной 144 бита. Символы модулированы методом двоичной фазовой манипуляции (BPSK — Binary Phase Shift Keying). Для передачи этой последовательности используется 6 смежных подканалов с 24 поднесущими каждый. В качестве исходных данных для формирования псевдослучайного кода используется идентификатор соты U-ID — Cell. Значение самого кода зависит от момента обращения к генератору псевдослучайных чисел и от числа тактов формирования последовательности.
Базовая станция формирует три последовательности кодов:
N — код процесса инициализации;
M — код процесса периодической подстройки;
L — код запроса полосы.
При начальной инициализации необходимы все три процесса.
Получив наборы кодов в соответствии с номером (идентификатором) базовой станции и картой распределения информации (UL-MAP), абонентская станция определяет местоположение наборов в сообщении, случайным образом выбирает один код из предложенного множества кодов и передает его назад к базовой станции.
Различные абонентские станции могут конкурировать за пропускную полосу, и их запросы могут прийти на базовую станцию одновременно. Базовая станция выбирает одну из них и посылает ей обратную информацию. В ответном сообщении размещаются полученный псевдокод, подканал и номер OFDDM-символа, в котором был передан этот код. Абонентская станция, приняв это подтверждение, подготавливается к принятию информации о выделяемом ресурсе. В следующем широковещательном сообщении передаются идентификатор соединения (CID — Connection ID) и идентификатор сервиса (SID — Service ID), необходимые для контроля параметры. Далее абонентская станция начинает процедуру аутентификации и регистрации.
С учетом возможности поступления одновременных вызовов, код, выбранный абонентской станцией, транслируется в двух последовательных символах. Этим гарантируется интервал времени, достаточный для разрешения конфликта. В случае большой вероятности многих вызовов указанный интервал увеличивают с помощью посылки четырех последовательных сообщений.
Если передается сообщение периодической подстройки параметров, то оно передается в одном символе. Сообщение запроса полосы указывает либо номер полосы, либо специальный код.
8.4.7. Передача вызова (хэндовер)
Есть три метода передачи вызова, реализуемые стандартом 802.16e: жесткий хэндовер (HHO - Hard Handover), быстрое переключение базовой станции (FBSS - Fast Base Station Switching) и хэндовер с макроразнесением (MDHO - Macro Diversity Handover). Из них HHO - обязательный, а FBSS и MDHO - два не обязательных (опциональных) режима.
В рамках стандарта 802.16e WiMAX-Форум разработал несколько методов для того, чтобы оптимизировать жесткий хэндовер. Цель этих усовершенствований - обеспечить время процедуры передачи вызова менее чем 50 мс.
Когда реализуется метод быстрого переключения базовой станции (FBSS), мобильная и базовая станции обслуживают список, на которые может переключиться данная мобильная станция (MS). Набор, включенный в этот список, называется активным набором. MS непрерывно контролирует базовые станции в активном наборе. Среди базовых станций активного набора есть станция, через которую мобильная станция может получить доступ к сети связи, - базовая станция привязки (ABS - Anchor Base Station). Когда мобильная станция работает по методу FBSS, она соединяется только c ABS для обмена сообщениями "вниз" и "вверх", включая сообщения технического обслуживания и соединения трафика. Переход от одного ABS к другому BS (то есть коммутация BS) выполняется без явного обмена сообщениями хэндовера.
Процедуры модификации станции ABS позволяют передать сообщение о напряженности сигнала к обслуживающей BS через канал индикатора качества CQICH.
Хэндовер при FBSS начинается с решения MS получить или транслировать данные от ABS, которые могут изменить активный набор. MS сканирует соседние базовые станции и выбирает те, которые могут быть включены в активный набор. Анализ списка выбранных станций (отчет о выбранных станциях) и процедура модификации активного набора выполняется совместно базовой и мобильной станцией. Мобильная станция постоянно контролирует интенсивность сигналов базовых станций, которые находятся в активном наборе, и выбирает одну из этого набора, чтобы она была "в роли" ABS.
Мобильная станция сообщает о выборе ABS по каналу индикатора качества или мобильной станции, передавшей запрос о хэндовере. Важнейшее требование FBSS состоит в том, чтобы данные передавались одновременно всем членам активного набора базовых станций, которые могут обслужить мобильную станцию.
Когда реализуется метод хэндовера с макроразнесением (MDHO - Macro Diversity Handover), мобильная станция может получить доступ к сети связи через станцию привязки ABS. В этом режиме мобильная станция обменивается в направлении "вниз" и "вверх" однонаправленными сообщениями и двунаправленной информацией трафика с единственной станцией, записанной в активный набор.
Хэндовер с макроразнесением (MDHO) начинается тогда, когда мобильная станция решает проводить обмен в одно и то же время с несколькими станциями. Для направления "вниз" хэндовер с макроразнесением обеспечивает обмен мобильной станции с двумя или более базовыми станциями, а объединение этих сообщений происходит на базовой станции. Для направления "вверх" сообщения от мобильной станции получаются многими базовыми станциями, и среди них определяется ее новая ABS.
8.4.8. Безопасность
Мобильный WiMAX обладает высоким классом безопасности, которая реализуется лучшими из доступных на сегодняшний день технологиями, например:
взаимная аутентификация устройство/пользователь;
протокол гибкого изменения ключей шифрования;
глубокое шифрование трафика;
управление и администрирование защиты сообщений;
оптимальный протокол защиты для быстрого хэндовера.
Основные особенности обеспечения безопасности следующие.
Протокол управления ключами. Как это определено в стандарте IEEE 802.16e, протокол конфиденциальности и управления ключами версии 2 (PKMv2 — Privacy and Key Management Protocol Version 2) является основой безопасности Мобильного WiMAX. Он управляет безопасностью среды доступа (MAC), используя сообщения запрос/ответ для процедур аутентификации PKM. На этом протоколе основываются процедуры управления шифрованием трафика, изменения ключей при хэндовере и безопасность при групповой и широковещательной рассылке.
Аутентификация устройство/пользователь. Мобильный WiMAX поддерживает протокол аутентификации устройств и пользователя, используя расширяемый протокол аутентификации (EAP — Extensible Authentication Protocol). Он обеспечивает работу с SIM- и USIM-картами, цифровыми подписями и системой "имя пользователя / пароль". Этот метод поддерживает обновление ключей.
Шифрование трафика. Для шифрования всех пользовательских данных используется усовершенствованный стандарт шифрования (AES — Advanced Encryption Standard). Ключ шифрования генерируется при процедуре аутентификации и обновляется периодически, что улучшает защиту от перехвата ключей.
Защита управляющих сообщений осуществляется с помощью процедур шифрования, аналогичных процедурам шифрования трафика.
Поддержка быстрого хэндовера обеспечивается последовательностью проведения хэндовера и оптимальной схемой повторной аутентификации при хэндовере.
Более подробно о методах обеспечения безопасности можно узнать из курса лекций "Криптография и безопасность сетей".
8.5. Краткие итоги лекции 8
Мобильная система WiMAX предназначена для обеспечения по радиоканалу широкополосных услуг, таких как высококачественная речь, высокоточное телевидение, медиауслуги, передача информации на высокой скорости, услуги мобильного Интернета.
В системе мобильного WiMAX для радиоинтерфейса принят ортогональный многостанционный доступ с частотным разделением каналов (OFDMA — Orthogonal Frequency Division Multiple Access), который обеспечивает хорошие характеристики в условиях многолучевости и отсутствии прямой видимости.
Ортогональный многостанционный доступ с частотным разделением каналов заключается в том, что последовательный поток информации из $$N$$ символов разбивается на $$n$$ блоков по $$N/n$$ символов в каждом, причем символы разных блоков передаются "параллельно", каждый на своей поднесущей.
Некоторые из существенных характеристик, которые обеспечиваются Мобильным WiMAX: высокая скорость передачи данных, дифференцированное обслуживание, способность наращивать каналы и работать при различных методах формирования каналов от 1,25 до 20 МГц.
Ортогональное частотное разделение каналов (OFDM) — методика мультиплексирования, которая подразделяет полосу канала на множество поднесущих частот. Входной поток данных разделен на несколько параллельных подпотоков с уменьшенной скоростью передачи данных (с увеличением продолжительности каждого передаваемого на этой частоте знака). Каждый подпоток модулируется и передается на отдельной ортогональной поднесущей частоте.
Для устранения межсимвольной интерференции вводится циклический префикс (CP). Его наличие создает временные паузы между отдельными символами в случае, если длительность охранного интервала превышает максимальное время задержки сигнала в результате многолучевого распространения.
Структура подканала OFDMA содержит три типа поднесущих частот:поднесущие информационные частоты для передачи данных;
поднесущие частоты для передачи пилот-сигналов (для измерений и целей синхронизации);
нулевые поднесущие частоты, используемые для защитных интервалов частот.
При формировании подканалов в направлении "вниз" применяются способы: каналообразование с полным использованием поднесущих частот (FUSC), каналообразование с частичным использованием поднесущих частот (PUSC), смежные перестановки AMC.
Есть два типа формирования подканалов из поднесущих частот: смежные и с разнесением. В первом случае для подканала выбираются поднесущие, которые находятся рядом в диапазоне частот.
Режим OFDMA, применяемый в мобильном WiMAX, основан на концепции наращиваемого OFDMA (S-OFDMA). Наращивание поддерживается регулировкой числа шагов быстрого преобразования Фурье (БПФ — FFT).
Распределение поднесущих частот для формирования подканала зависит от способа использования поднесущих частот и направления передачи информации.
Гибкость использования мобильного WiMAX обеспечивается сегментированием и созданием зон переключения. Сегмент — это объединение части доступных OFDMA подканалов (в крайнем случае, один сегмент может содержать все подканалы), используемых для обслуживания единственного экземпляра процесса управления доступом к среде (MAC). Зона переключения — множество смежных OFDMA-символов "вниз" (DL) или "вверх" (UL), в каждом из направлений использованы одни и те же методы разделения каналов.
Стандарты мобильного WiMAX предусматривают дуплексную работу по принципу "дуплексная передача с временным разделением"" (TDD) и полудуплексную передачу по принципу "полудуплекс с частотным разделением" (HDFDD).
Принцип TDD имеет следующие преимущества: он регулирует отношения скоростей "вверх" и "вниз", обеспечивает взаимодействие с адаптивной антенной системой, не требует парных каналов.
Кадр для принципа дуплекса c временным разделением (TDD) содержит поля: преамбула, заголовок управления кадром, карты распределения информации для направлений, порядок расположения информации, индикатор качества канала, подтверждение.
Мобильный WiMAX поддерживает различные виды модуляции. Для направления "вниз" (DL) обязательной является поддержка QPSK (квадратурно-фазовая манипуляция), 16 QAM и 64 QAM (квадратурно-фазовая модуляция).
Программа — быстрый планировщик базовой станции определяет соответствующую скорость данных (или параметры пакета).
Канал индикатора качества канала (CQI) используется для того, чтобы обеспечить передачу информации о состоянии канала от пользовательских терминалов к программе-планировщику базовой станции.
Гибридный автоматический повторный запрос (HARQ — Hybrid Automatic Repeat Request) позволяет использовать N каналов в старт-стопном режиме с поблочным повторением.
Уровень управления доступом к среде (MAC) обеспечивает передачу пульсирующего трафика данных с высоким пиковым запросом ресурсов.
На уровне управления доступом к среде (MAC) мобильного WiMAX качество обслуживания (QoS) обеспечивается посредством сервисных потоков.
Служба планирования MAC имеет следующие свойства: быстрый планировщик, канал индикатора качества, адаптивная модуляция/кодирование.
Мобильный WiMAX имеет два режима для управления мощностью: "спящий" режим и свободный режим. "спящий" режим — это состояние перед началом обмена с обслуживающей базовой станцией по радиоинтерфейсу. Свободный режим — это механизм, позволяющий MS быть периодически доступной для связи "вниз" и приема широковещательных сообщений без регистрации в заданной базовой станции.
Физический уровень позволяет разместить поступающие вызовы в частотной радиополосе, предоставленной данной базовой станции. Процесс инициализации вызова используется не только на первоначальном этапе, но и периодически при работе подвижной станции для регулировки параметров, например, при временных сдвигах или изменениях уровня мощности.
При начальной инициализации необходимы три процесса: код процесса инициализации, код процесса периодической подстройки, код запроса полосы.
Существует три метода передачи вызова, реализуемые стандартом 802.16e: жесткий хэндовер (HHO), быстрое переключение базовой станции (FBSS) и макроразнесенный хэндовер (MDHO). Из них HHO — обязательный, а FBSS и MDHO — два не обязательных (опциональных) режима.
При реализации метода быстрого переключения базовой станции мобильная и базовая станции обслуживают список станций, на которые может переключиться данная мобильная станция (MS). Набор, включенный в этот список, называется активным набором.
Когда реализуется хэндовер с макроразнесением (MDHO), мобильная станция обменивается в направлении "вниз" и "вверх" однонаправленными сообщениями и двунаправленной информацией трафика с единственной станцией, записанной в активный набор.
Мобильный WiMAX в части обеспечения безопасности реализует следующие технологии: взаимная аутентификация устройство/пользователь, протокол гибкого изменения ключей шифрования, глубокое шифрование трафика, управление и администрирование защиты сообщений, оптимальный протокол защиты для быстрого хэндовера.
