MAC-рівень протоколу IEEE 802.16-2004

Мережа, яка використовує загальнодоступне середовище, повинна забезпечувати ефективний механізм її сумісного використання. З'єднання типу “точка-багатоточка” (PMP), або “багатоточка-багатоточка” (Mesh) є прикладами використання загального середовища бездротового доступу.

Управління бездротовою мережею, виділення ресурсів і їх перерозподіл, установка і підтримка з'єднання здійснюється централізованого за допомогою засобів програмно-апаратного забезпечення базової станції (BS). В результаті це дозволяє ефективніше використовувати радіочастотний ресурс і забезпечити ефективну передачу даних.

MAC-уровень складається з трьох підрівнів (рис.2.3). Підрівень конвергенцій є інтерфейсом між протоколами верхніх рівнів і протоколом МАС-рівня 802.16-2004. Безпосередньо ядро, яке виконує ключові функції MAC - загальний рівень MAC CPS, і підрівень безпеки.

Сам стандарт IEEE 802.16-2004 - це стандарт бездротового зв'язку, який забезпечує широкосмуговий зв'язок на великі відстані зі швидкістю, порівнянною з кабельними з'єднаннями. Побудова мереж на базі технології WiMAX дозволяє забезпечити широкосмуговий доступ в мережу в районах, де відсутні кабельні мережі, а також організувати зв'язок між будівлями і іншими об'єктами, розташованими на відстані до 15-25 км.

У Києві та Харкові запущена в комерційну експлуатацію перша в країнах СНД мережа WiMAX для бездротового широкосмугового доступу. Компанія “Українські новітні технології” (торгова марка Alternet) стала двадцять третьою компанією у світі, що надає послуги бездротового доступу в Інтернет за допомогою технології WiMAX. Тобто у нас з'явився оператор бездротового швидкісного широкосмугового Інтернету, що працює за принципами операторів мобільного зв'язку (компанія хоче покрити WiMAX більшу частину України).
Зараз вже покриті повністю Київ і Харків. Крім того, оператор планує найближчим часом покрити всі регіони України.

 

 

Підрівень конвергенції

Підрівень конвергенції (CS) розміщується поверх рівня МАС. Цей підрівень виконує наступні функції:

- сприймає дані від вищерозположенного рівня;

- здійснює класифікацію цих даних;

- виконує (якщо потрібно) обробку даних на основі цієї класифікації;

- транспортує блоки даних рівня конвергенції відповідному сервісу МАС;

- отримує блоки даних від рівня конвергенції партнерів.

Для різних протоколів, які поступають на вході підрівня конвергенцій, є відповідні ним специфікації, для перетворення (інкапсулювання) до форми SDU (Service Data Unit) і передачі загальному рівню MAC CPS. У даному стандарті це АТМ, IEEE 802.3, IEEE 802.1Q, IP (рис. 2.6).

 

Рисунок 2.6 - Формат MAC–SDU

 

Всі ці функції здійснюються за допомогою точки доступу підрівня конвергенції (CS SAP). Інформація, що поступила, перетвориться в “зрозумілий” для MAC-рівня сервісні одиниці даних (SDU) і через MAC SAP-інтерфейс передається безпосередньо в MAC CPS. На цьому рівні здійснюється обробка примітивів посланих і отримуваних базовою станцією, які відповідають за формування і управлінням з'єднаннями, модифікації, а так само управлінням передачею даних.

Серед цих примітивів містяться запити/відгуки послуги, підтвердження і індикації.

SDU містить всю необхідну інформацію про зовнішню мережу (тип даних, адреса відправника зовнішньої мережі, і визначає адресу одержувача усередині мережі), а так само, асоціює його з відповідним ідентифікатором сервісного потоку (service flow identifier – SFID) і ідентифікатором підключення (connection identifier – CID).

Важливо, що загальний ресурс MAC CPS при обробці SDU не потребує розпізнавання інформаційного навантаження підрівня конвергенції (CS payload).

Загальний MAC-рівень

Відповідно до IEEE 802.16-2004, кожній SS привласнюється універсальний 48 бітова адреса MAC, яка однозначно описує виробника абонентської станції, її тип і є для кожного екземпляра унікальним. Ця адреса використовується в процесі реєстрації, щоб встановити з'єднання для SS. Він також застосовується в процесі аутентифікації, коли BS і SS ідентифікують один одного. В процесі ініціалізації SS встановлюються три типи керівників з'єднання в обидві сторони (два - обов'язкових, третій - опціонально) для кожного напряму між SS і BS. Перший тип - базове управління з'єднанням, яке забезпечує обмін критичними до часу повідомленнями. Другий тип - первинне управління - забезпечує доставку між SS і BS повідомлень, менш критичних до часу.

Третій тип - вторинне управління з'єднанням - забезпечує передачу стандартних повідомлень, таких як DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol), TFTP (Trivial File Transfer Protocol), SNMP. Останній тип повідомлень передається через IP-датаграми, і може бути пакетований і/або фрагментований.

Встановлене з'єднання між SS і BS однозначно визначається за допомогою 16 бітового ідентифікатора з'єднання (CID - Connection Identifier).

При ініціалізації SS повинні бути встановлені два типи з'єднання, третій тип - опціональний.

CID привласнюються за допомогою повідомлень RNG-RSP і REG-RSP. 16 бітий CID дозволяє здійснити до 64К з'єднань для вхідного і вихідного каналів. Так само в CID поміщена інформація про тип сервісу.

C одним і тим же CID може працювати декілька сесій високого рівня. Наприклад, декілька користувачів можуть взаємодіяти через TCP/IP з декількома різними мережевими об'єктами. Слід при цьому пам'ятати, що IP-адреса інкапсулюються в полі даних транспортних пакетів.

МАС-рівень 802.16-2004 керує з'єднаннями. Це означає, що всі сервіси і потоки даних повинні прив'язуватися до певного з'єднання. Таким чином, всі запити на передачу, QoS-сервіси, а так само параметри трафіку прив'язуються до певного з'єднання.

Так само, MAC-рівень резервує з'єднання для широкомовної передачі від базової до абонентських станцій, для запиту передачі від абонентської станції до базової, а так само для групових повідомлень.

 

 

Структура MAC-фрейма

MAC PDU фрейм призначений для передачі повідомлень між МАС рівнем базовою і абонентських станцій, і має вигляд (структуру) представлену на рисунку 2.7.

Рисунок 2.7 - MAC-фрейм

 

Кожен PDU повинен починатися із заголовка фіксованої довжини. Навантаження (Payload), якщо така є в структурі кадру, має змінну довжину і повинна складатися з підзаголовків і MAC SDU. Навантаження може бути фрагментоване, і розміщуватися в різних MAC PDU. Ця особливість дозволяє MAC рівню передавати будь-які типи даних (класифіковані на рівні конвергенції), без спеціальних мір по виділенню структури передаваній інформації. Так само, фрейм може містити контрольну суму CRC.

Існує два типи заголовків, які визначаються параметром поля HT. Перший тип - загальний (Generic) - який містить в тілі кадру або інформацію MAC, що управляє, або дані CS.

Другий тип - запит смуги пропускання (Bandwidth Request) - використовується для запиту отримання ресурсу, для передачі інформації. Ці два типи представлено на рисунку 2.8.

 

 

 

Рисунок 2.8 - Формат MAC PDU

 

 

Значення полів загального MAC-заголовка описані в таблиці 2.1.

 

Таблиця 2.1 - Описи полів МАС-заголовка

Ім'я поля	Довжина в бітах	Опис
CI		Індикатор CRC 1 = CRC додається до поля даних 0 = CRC відсутній
CID		Ідентифікатор з'єднання
EC		Управління шифруванням 0 = поле даних не зашифроване 1 = дані зашифровані
EKS		Послідовність ключів шифрування Індекс ключа шифрування трафіку і вектор ініціалізації для шифрування поля даних. Поле має сенс при EC = 1
HCS		8-бітова контрольна сума заголовка. Створюючий поліном: g(D)=D^8+D2+D+1
HT		Тип заголовка. Буде встановлений рівним нулю
LEN		Довжина в байтах поля даних і МАС-заголовка
Тип		Поле указує на тип поля даних, що включає підзаголовки

 

Таблиця 2.2 - Описи поля «тип» МАС-заголовка

Тип	Опис
	Підзаголовок MESH (1 – є, 0 - немає)
	Навантаження ARQ (1 – є, 0 - немає)
	Розширений тип. 1 - розширений; 0 - нерозширений. Указує, чи є розширеними дані підзаголовки упаковки або фрагментації
	Підзаголовок фрагментації
	Підзаголовок упакований
	Вхідний: FAST FEEDBACK (швидкий зворотний зв'язок); Вихідний: надання ресурсів для передачі даних

 

Значення полів MAC-заголовка запиту смуги пропускання описані в таблиці 2.3.

 

Таблиця 2.3 - Описи поля «тип» МАС-заголовка

Ім'я поля	Довжина в бітах	Опис
BR		Запит смуги. Число байтів запрошуваної SS смуги вихідного каналу. Запит відноситься до даного CID.
CID		Ідентифікатор з'єднання
EC		Завжди рівно нулю
HCS		8-бітова контрольна сума заголовка. Створюючий поліном: g(D)=D^8+D2+D+1.
HT		Header Type = 1.
Тип		Поле указує на тип заголовка запиту смуги

 

Існує п'ять типів підзаголовків МАС:

- підзаголовок надання ресурсів для передачі даних (The grant management subheader). Використовується SS для запиту ресурсів у BS;

- підзаголовок фрагментації (fragmentation subheader), який сповіщає про фрагментоване навантаження SDU в PDU (наприклад довгі Ethernet-пакеты);

- підзаголовок пакетування (packing subheader), який сповіщає про пакетування декілька SDU в один PDU (наприклад осередки АТМ);

- підзаголовок MESH;

- FAST-FEEDBACK_Allocation для системи ARQ.

Враховуючи, що механізм МАС-уровня орієнтований на роботу із з'єднаннями, кожен PDU однозначно визначається по ідентифікатору CID.

Підрівень безпеки

MAC-рівень, також містить окремий підрівень безпеки, що забезпечує встановлення достовірності, обмін ключами безпеки і шифрування даних. Навантаження у вигляді PDU передається від CPS на підрівень безпеки, і далі через PHY SAP на рівень PHY. Приватність забезпечується протоколом управління ключа секретності (PKM), запозиченого і допрацьованого з DOCSIS BPI+ протоколу. Оскільки дана частина стандарту не входить в розгляд даної роботи, наводяться лише короткі дані. PKM-протокол використовує цифровий підпис Х.509 з відкритим ключем шифрування RSA для аутентифікації SS. Для шифрування трафіку використовується DES.