Формирование каналов и основные процедуры

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 символов разбивается на блоков по 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.