Телекоммуникационная технология WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access)

На уровне управления доступом к среде качество обслуживания обеспечивается посредством сервисных потоков. 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. В соответствии с параметрами этого потока могут динамически управляться характеристики сервиса. Такое управление должно обеспечивать качество обслуживания в обоих направлениях. Для потока с другим QoS устанавливается другой логический канал.

5. Служба планирования управления доступом к среде

Служба MAC мобильного WiMAX разработана для эффективного предоставления широкополосных услуг, 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 МАС-уровне, обслуживаются планировщиком так, чтобы порядок передачи пакетов через радиоинтерфейс был определен корректно.

Канал индикации качества канала при этом обеспечивает передатчику быструю обратную связь информации канала, что дает возможность планировщику выбрать соответствующее кодирование и модуляцию для каждого распределения ресурсов.

Адаптивная модуляция/кодирование, объединенная с автоматическим запросом повторной передачи, обеспечивает устойчивую передачу по изменяющемуся во времени каналу.

6. 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 мобильной станции 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 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 приема трафика, направленного «вниз».

7. 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 формируется псевдослучайная последовательность. Эта последовательность формируется генератором псевдослучайного кода с помощью циклического полинома. Всего для запроса предусмотрен набор из 256 кодов. Код -- последовательность бинарных символов 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 ID Cell. Значение самого кода зависит от момента обращения к генератору псевдослучайных чисел и числа тактов формирования последовательности.

Базовая станция формирует три последовательности кодов:

N -- код процесса инициализации;

М -- код процесса периодической подстройки;

L -- код запроса полосы.

При начальной инициализации необходимы все три последовательности.

Получив наборы псевдослучайных кодов в соответствии с номером (идентификатором) базовой станции и картой распределения информации (UL-MAP), абонентская станция определяет местоположение различной информации в сообщении. Абонентская станция случайным образом выбирает один код из предложенного множества и передает его обратно 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 в ответ информацию. В ответном сообщении размещается следующая информация: полученный псевдокод, подканал и номер того OFDM-символа, в котором был передан этот код. Абонентская станция, приняв это подтверждение, подготавливается к принятию информации о выделяемом ресурсе. В следующем широковещательном сообщении передается информация: идентификатор соединения (CID -- Connection ID), идентификатор сервиса (SID), 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. Это обеспечивает интервал времени, достаточный для разрешения конфликта. В случае значительной вероятности одновременного поступления многих вызовов на базовую станцию указанный интервал увеличивают за счет посылки четырех последовательных сообщений.

Если передается сообщение периодической подстройки параметров, то оно передается в одном символе. Сообщение запроса полосы указывает номер полосы.

8. Передача вызова (хэндовер)

Существует три метода передачи вызова, реализуемые стандартом IEEE 802.16е -- 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, a FBSS и MDHO -- два необязательных (опциональных) режима.

В рамках стандарта IEEE 802.16е WiMAX Forum разработал несколько методов для того, чтобы оптимизировать жесткий хэндовер. Эти усовершенствования были введены с целью обеспечить время процедуры передачи вызова не более чем 50 мс.

Когда реализуется метод быстрого переключения базовой станции FBSS, мобильная и базовая станции обслуживают список станций, 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 с ABS для обмена сообщениями «вниз» и «вверх», включая сообщения технического обслуживания и сообщения трафика. Переход от одной ABS к другой BS (то есть, коммутация BS) выполняется без явного обмена сообщениями хэндовера.

Процедуры модификации ABS позволяют передать сообщение об интенсивности сигнала обслуживающей BS через канал индикации качества канала CQICH.

Хэндовер по методу 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) и процедура модификации активного набора выполняются совместно базовой и мобильной станциями. Мобильная станция постоянно контролирует интенсивность сигналов базовых станций, которые находятся в активном наборе, и выбирает одну из этого набора для того, чтобы она использовалась как ABS.

Мобильная станция сообщает о выборе ABS по каналу индикации 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 данную мобильную станцию.

Когда реализуется хэндовер с макроразнесением (MDHO), мобильная станция может получить доступ к сети связи через станцию привязки. В этом режиме мобильная станция обменивается в направлениях «вниз» и «вверх» однонаправленными и двунаправленными сообщениями, переносящими информацию, с единственной станцией, записанной в активный набор.

Хэндовер с макроразнесением начинается тогда, когда мобильная станция решает проводить обмен с несколькими станциями в одно и тоже время. Для направления «вниз» MDHO обеспечивает обмен сообщениями мобильной станции с двумя или более базовыми станциями, а объединение этих сообщений происходит на одной базовой станции. Для направления «вверх» сообщение от мобильной станции получается многими базовыми станциями, где выполняется определение ее новой ABS.

9. Безопасность

Мобильный WiMAX обладает высоким классом безопасности, что реализуется лучшими из доступных на сегодняшний день технологиями. Реализованы следующие из них:

взаимная аутентификация устройство/пользователь;

протокол гибкого изменения ключей шифрования;

глубокое шифрование трафика;

управление и администрирование защиты сообщений;

оптимальный протокол защиты для быстрого хэндовера. Основные средства и действия обеспечения безопасности следующие: Протокол управления ключами. Как определено в стандарте ШЕЕ 802.1бе,

протокол конфиденциальности и управления ключами версии 2 (PKM.v2 -- Privacy and Key Management protocol. Version 2) является основой безопасности мобильного WiMAX. Этот протокол управляет безопасностью среды доступа, используя сообщения запрос/ответ для процедур аутентификации РКМ. 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 ЕАР (Extensible Authentication Protocol). Этот протокол 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, оптимальной схемой повторной аутентификации при хэндовере.

Заключение

Стандарт WiMAX сегодня находится на стадии тестирования. Единственная конкурентоспособная версия стандарта, для которой существует лицензия на оборудование, - это Fixed WiMAX. Однако провайдеры не спешат заменять дорогостоящее, но уже работающее оборудование новым, ибо это требует существенных вложений без возможности поднять производительность (и, соответственно, цену на услуги) и вернуть вложенные средства быстро.

При развертывании WiMAX-сетей там, где доступа к Internet раньше не было, приходится сталкиваться с проблемой наличия в малонаселенных или удаленных регионах достаточного числа потенциальных пользователей, обладающих необходимым оборудованием или денежными средствами на его приобретение. То же касается и перехода на Mobile WiMAX после его лицензирования, так как, помимо затрат провайдеров на модернизацию операторского оборудования, следует учитывать затраты пользователей на модернизацию клиентского оборудования: приобретение WiMAX-карт и обновление портативных устройств.

Вторым сдерживающим фактором является позиция многих специалистов, которые считают недопустимым использование сверхвысоких частот радиосвязи прямой видимости, вредных для здоровья человека. Наличие вышек на расстоянии десятков метров от жилых объектов (а базовые станции рекомендуется устанавливать на крышах домов) может пагубно сказаться на здоровье жителей, особенно детей. Однако результатов медицинских экспериментов, подтверждающих наличие или высокую вероятность вреда, пока не опубликовано.

Третьим фактором является, как ни странно, быстрое развитие стандарта. Появление новых, принципиально различных версий стандарта WiMAX, приводит к вопросу о неизбежной смене оборудования через несколько лет. Так, станции, сейчас работающие в режиме Fixed WiMAX, не смогут поддерживать Mobile WiMAX. При переходе на следующий стандарт потребуется обновление части оборудования, что отпугивает крупных провайдеров. На данный момент внедрение и использование Fixed WiMAX на коммерческой основе могут позволить себе только небольшие компании, которые не планируют значительного расширения (в том числе территориального) и используют новые технологии для привлечения клиентов.

И, наконец, четвертым фактором является наличие конкурентного стандарта широкополосной связи, использующего близкие диапазоны радиочастот - WBro. Этот стандарт тоже до конца не лицензирован, однако он уже получил определенную известность. А потому всегда существует вероятность, что через несколько лет предпочтительным окажется не WiMAX, а WBro. И компании, вложившие средства в разработку и внедрение WiMAX-систем, серьезно пострадают. Впрочем, из-за схожести стандартов существует также вероятность слияния и в дальнейшем использования оборудования, поддерживающего оба стандарта одновременно.

Таким образом, при видимых преимуществах стандарта еще рано говорить о тотальном внедрении технологии или даже о возможности перехода на нее и отказа от существующих сетевых решений. Необходимо сначала получить первое лицензированное оборудование стандарта Mobile WiMAX, а также результаты полевых испытаний. Затем можно ожидать утверждения стандартов версии 802.16f (Full Mobile WiMAX) и 802.16m.

Первый из них включает в себя алгоритмы обхода препятствий и оптимизацию сотовой топологии покрытия между базовыми станциями. Второй стандарт должен поднять скорость передачи данных со стационарным клиентским оборудованием до 1 Гбит/с и с мобильным клиентским оборудованием - до 100 Мбит/с. Эти стандарты планируется утвердить в 2009 году соответственно.

Далее можно ожидать лицензирования оборудования с поддержкой новых стандартов, конкуренции на рынке производства оборудования и услуг доступа через WiMAX. И только тогда можно будет говорить о действительных преимуществах и недостатках этой технологии по сравнению с ныне существующими.

Список использованной литературы

1) Столлингс В. Беспроводные линии связи и сети.: Пер. с англ. - М.: Издательский

дом «Вильямс», 2003. - 640 с.

2) Вишневский В., Ляхов А., Портной С., Шахнович И. Широкополосные

беспроводные сети передачи информации. - М.:Эко-Трендз, 2005. - 592 с.

3) Олифер В.Г.,. Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы:

Учебник для вузов. 3-е изд. - Спб.: Питер, 2006. - 958 с.

4) Григорьев В.А., Лагутенко О.И., Распаев Ю.А. Сети и системы радиодоступа. -

М.:Эко-Трендз, 2005. - 384 с.

5) Рошан Педжман, Лиэри Джонатан. Основы постороения беспроводных локальных

сетей стандарта 802.11. : Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильямс», 2004. 304 с.

6) Максим М. Безопасность беспроводных сетей / Мерит Максим, Дэвид Полино; Пер.

с англ. Семенова А.В. - М.: Компания АйТи; ДМК Пресс, 2004.- 288с.

7) Владимиров А.А.Wi-фу: «боевые» приемы взлома и защиты беспроводных сетей /

Андрей А. Владимиров, Константин В. Гавриленко, Андрей А. Михайловский; пер. с

англ. А.А. Слинкина. М.: НТ Пресс, 2005. -- 463с.

8) http://www.intuit.

9) http://www.3dnews.ru/communication/wimax/.

10) Берлин А.Н. Цифровые сотовые системы связи. - М.:Эко-Трендз, 2007. - 296 с.