МАС - у ровень стандарта WiMAX

Физический уровень стандарта IEEE 802.16 обеспечивает непосредственную доставку потоков данных между БС и АС. Все задачи, связанные с формированием структур этих данных, а также управлением работой системы решаются на MAC- уровне (Medium Access Control).

Оборудование стандарта IEEE 802.16 формирует транспортную среду для различных услуг (сервисов).

Физически среды передачи в разных фрагментах WMAN могут быть различны, но структура данных едина. В одном канале могут работать (не единовременно) сотни различных терминалов большого числа конечных пользователей. Этим пользователям необходимы самые разные сервисы (приложения): передача голоса и данных с временным разделением, соединения по протоколу IP, пакетная передача речи через IP (VoIP) и т.п. Качество услуг (QoS) каждого отдельного сервиса не должно изменяться при работе через сети IEEE 802.16. Алгоритмы и механизмы доступа МАС-уровня должны решать все эти задачи.

Структурно МАС-уровень IEEE 802.16 разделен на три подуровня (рис.4.30):

- подуровень преобразования сервиса CS (Convergence Sublayer);

- основной подуровень CPS (Common Part Sublayer);

- подуровень защиты PS (Privacy Sublayer)

На подуровне защиты реализуют функции, обеспечивающие криптозащиту данных и механизмы аутентификации/предотвращения несанкционированного доступа. Для этого предусмотрены наборы алгоритмов криптозащиты и протокол управления ключом шифрования. Ключ каждой АС базовая станция может передавать в процессе авторизации, используя схему работы «клиент (АС) – сервер (БС)».

На подуровне преобразования сервиса происходит трансформация потоков данных протоколов верхних уровней для передачи через сети IEEE 802.16. Для каждого типа приложений верхних уровней стандарт предусматривает свой механизм преобразования. Спецификации стандарта IEEE 802.16 содержат механизмы работы в режиме АТМ и пакетной передачи. Под пакетной передачей подразумевают достаточно широкий набор различных пакетов типа IP, РРР и IEEE Std 802.3 (Ethernet).

  

                             

Рис. 4.30. Структура МАС-уровня стандарта IEEE 802.16

Цель работы на CS-подуровне – оптимизация передаваемых потоков данных каждого приложения верхнего уровня с учетом их специфики. Различают 4 типа трафика по требованиям к задержкам:

UGS – Unsolicited Grant Service – передача в реальном времени сигналов и потоков телефонии (T1/Е1). Допустимая задержка менее 5 – 10 мс в одном направлении при BER = 10^-6… 10^-4.

ertPS – extended real time Polling Service. При этом можно изменять при передаче вверх адаптивно со скоростью передачи данных полосу передачи. Основное применение ‒ VoIP.

rtPS – real time Polling Service – потоки реального времени с пакетами переменной длины (MPEG видео).

nrtPS – non-real-time Polling Service – поддержка потоков переменной длины при передаче файлов в широкополосном режиме.

BE – Best Effort – остальной трафик

Механизм обеспечения QoS состоит в присоединении на уровне конвергенции в МАС заголовок сведений о типе передаваемого потока. Для этого используют либо 32–битовый идентификатор потока услуг SFID (Service Flow Identifier), либо CID (Connection Identifier).

Сформированные пакеты данных MAС PDU (MAC Protocol Data Unit, блоки данных МАС-уровня) далее передают на физический уровень и транслируют по каналу связи. Пакет MAC PDU (рис.4.31) включает заголовок и поле данных (его может и не быть), за которым может следовать контрольная сумма CRC (cyclic redundancy check).

 

Общий MAC-заголовок

Поле данных

Контрольная сумма CRC

Рис. 4.31. Пакет МАС –уровня.

 

 Архитектура построения сети WiMAX

WiMAX определяют передачу трафика и сигнальный обмен только на радиоинтерфейсе. Что касается соединения БС с Интернетом, сетями беспроводного доступа и сетями различных операторов, решения по архитектуре сети принимает оператор совместно с производителем. С целях унификации и определенной оптимизации WiMAX Forum предложена базовая архитектура сети (рис.4.32).

На рис 4.1 показана NRM (network reference model – базовая модель сети) WiMAX, которая является логическим представлением сетевой архитектуры. NRM разделяет систему на три логические части:

1. мобильные станции, используемые абонентами для получения доступа к сети;

2. ASN (access services network) – сеть доступа к услугам, которая является собственностью оператора доступа к сети (NAP – Network Access Provider); ASN состоит из одной или нескольких базовых станций, которыми управляет один или несколько шлюзов ASN (ASN-GW).

3. CSN (connectivity services nerwork) – подсеть оператора, обеспечивающая выход на IP и другие сети для реализации абонентских услуг. Эта подсеть обеспечивает необходимые коммутационные функции и функции безопасности. Абонента может обслуживать оператор домашней сети NSP (Network Services Provider). Абонент может также находиться в роуминге. В этом случае его обслуживает оператор визитной сети; при этом происходит обмен сигнальной информацией CSN визитного и домашнего оператора.

ASN выполняет следующие функции:

· соединение на уровне L2 с АС;

· поиск и выбор сети на основе предпочтений абонента о CSN/NSP;

· обеспечение безопасности: передача данных об устройствах, пользователях, и услугах, серверу безопасности, временное хранение профилей пользователей;

· организация сквозных IP-соединений между АС и CSN;

· управление радиоресурсом (RRM) в соответствии с классом трафика и требуемым QoS;

· обеспечение мобильности, т.е. выполнение процедур хэндовера, локализации и пейджинга.

 

Рис.4.32. Базовая модель сети

 

WiMAX Forum определил различные способы организации ASN, получившие название профилей. Существуют профили A, B, C. Шлюз ASN представляет логическое устройство, которое может быть организовано по разному. Профиль B ASN представляет простую организацию, которая включает БС и шлюз ASN. Профили A и C разделяют функции между БС и шлюзом ASN по-разному, а именно в управлении мобильностью и радиоресурсами.

Функционально БС определяют как один сектор с выделенным частотным диапазоном, обеспечивающим интерфейс с АС. Дополнительные функции, выполняемые БС в обоих профилях, включают распределение для восходящего и нисходящего каналов, классификацию трафика и SFM (управление сервисным потоком). При этом должны быть выполнены требования по QoS для различных классов трафика, передаваемых по радиоинтерфейсу. БС также управляет статусом АС (активный, неработающий), поддерживает туннельный протокол в направлении к шлюзу ASN, обеспечивает с помощью сервера DHCP динамическими адресами. БС также транслирует сигнальный обмен по протоколам MM обеспечивая все уровни защиты предусмотренные стандартом. БС может быть подключена одновременно к двум шлюзам для баланса нагрузки для баланса нагрузки.

Шлюз ASN является основным элементом сети. Во время сеансов связи шлюз организует хэндовер абонентом и пейджинг АС, управляет доступом к сети. Для каждого подсоединенного абонента в шлюзе открыта база данных, содержащая профили абонента и ключи шифрования. На шлюз возложены задачи авторизации потока услуг согласно профилю абонентов и QoS. В направлении БС шлюз поддерживает туннельное соединение; в направлении ядра сети (CSN) шлюза организует соединение по стандартному IP протоколу.

 

                   Технология MIMO

 

Необходимость повышения скорости передачи информации в системах связи существовала всегда. Однако, несмотря на растущий спрос на высоко­скоростное обслуживание, сделать это, особенно в беспроводных системах подвижной связи, очень сложно. Но даже увеличение скорости передачи до 50 Мбит/с оказывается недостаточным. Речь может идти о нескольких сотнях мегабит в секунду. При использовании традиционных технологий передачи и приема сигналов такое увеличение скорости передачи данных может потребовать чрезмерно высокой излучаемой мощности или слишком большой полосы частот, что не всегда выполнимо.

Кроме того, расширение спектра сигнала влечет за собой повышение несущей частоты, что в отсутствие прямой видимости может привести к существенному снижению дальности связи. Поэтому для достижения высоких скоростей передачи необходимо развитие новых телекоммуникационных технологий. Теоретические исследования и полученные практические результаты последних лет показали высокую эффективность использования в системах связи многоантенных приемных и передающих структур, когда между приемником и передатчиком устанавливают канал со многими входами и многими выходами (multiple-input multiple-output (MIMO)).

h11

Структурная схема MIMO-радиоканала приведена на рис. 4.33.

hnTnR

hnT2

hnT1

h2nR

h22

h1nR

h21

h12

RxnR

Rx2

Rx1

TxnT

Tx2

Tx1

Рис.4.33. Модель канала с n_T передающими и n_R приемными антеннами

Канал образован n_T передающими и n_R приемными антеннами, и описывается n_T H n_R случайной матрицей H комплексных коэффициентов передачи:

                                                      (4.2)

Здесь h_ij – комплексный коэффициент передачи пути от i -й передающей до j -й приемной антенны. Статистические характеристики матрицы H определяются свойствами канала.

Спектральная эффективность характеризует степень использования выделенной полосы частот и определяется выражением:

,

где R – скорость передачи данных;

       Δ F – ширина полосы частот.

Предел Шеннона для спектральной эффективности равен:

где P_c – мощность сигнала;

       P _ш – мощность шума в канале.

 

История MIMO начинается с разнесенного приема. При разнесено приеме используют одну передающую антенну и несколько приемных, так что сигналы, поступающие на них, некоррелированы. Наиболее распространенный вариант при передаче вверх: одна передающая антенна на АС и две на базовой. Цель – увеличить результирующее отношение γ = сигнал/помеха (SNR – Signal to Noise Ratio). При этом используют 2 варианта обработки сигналов.

В первом при приеме каждого кадра выбирают сигнал с наилучшим SNR. Если  - среднее SNR, то при наличии N приемных антенн получаем:

       Во втором варианте результирующий сигнал определяют в виде взвешенной суммы сигналов, принятых разными антеннами. Если взвешивающий коэффициент определить в виде комплексного числа

                                         

а приходящий на антенну сигнал как x (t) × h_i, где

                                         

комплексное затухание на трассе, то суммарный сигнал

 

Если положить φ_i=-θ_i, то SNR для принятого сигнала y (t):

                       

где ε_χ – энергия переданного сигнала, а σ² – средняя мощность помехи. Максимальное значение это выражение будет иметь при условии:

                                  ,

то-есть каждый сигнал при приеме умножается на свое SNR. Другими словами, мощность лучших каналов будет повышаться, худших – понижаться и   

отношение сигнал/шум принятого сигнала можно записать как:

                       

       В многоантенных системах число передающих и приемных антенн может меняться. При этом можно реализовать две разные технологии: STC – Space Time Coding (пространственно-временное кодирование) и пространственное мультиплексирование (увеличение скорости передачи за счет передачи через разные антенны разных сигналов).

       При STC должно быть несколько передающих антенн. В простейшем варианте приемная антенна будет одна (рис. 4.34).

Рис.4.34. Вариант схемы STC

       Среди схем STC наибольшее распространение, включая WiMAX, получила схема Аламути (Alamouti). Через 2 передающие антенны передают следующую комбинацию двух символов:

                  

Приемная антенна одна и в два последующих момента времени она принимает сигналы

                             

где  n – белый гауссовский шум. Тогда может быть использована следующая комбинационно-разнесенная схема, при условии что канал известен приемнику (по приему пилотных сигналов):

                       

Далее можно выразить y₁ как:

                       

а y₂ как:

         

Следовательно, мы получаем очень простой декодер, который складывает два полученных отсчета и при этом устраняет пространственную интерференцию. В итоге получаем результирующее SNR:

             

Пространственное мультиплексирование гораздо сложнее. Здесь число как передающих антенн, так и приемных должно быть не менее двух. В общем случае каждая из антенн передает свой независимый сигнал и связь между ветором передачаемых сигналов s и вектором принимаемых сигналов r отображается матрицей Н (4.1). Рассмотрим наиболее простой и частый вариант, когда на передающей и приемной сторонах установлено по две антенны (рис. 4.35). В этом случае связь между переданныи вектором s и принятым r устанавливается соотношением

                       (4.2)

где  - помехи на входе приемников, а H – канальная матрица коэффициентов передач.

 

                              Рис.4.35. Вариант MIMO 2×2

 

При линейном детектировании для получения сигналов достаточно принятый вектор  умножить на матрицу W, обратную H:

                                            (4.3)

Однако из-за сильного влияния помех качество принимаемых сигналов оказывается низким. Для уменьшения влияния помех предложены разные методы приема сигналов при MIMO. В частности, при линейном детектировании при вычислении матрицы W = H ^-1 ее отдельные элементы умножают на весовые коэффициенты в зависимости от отношения сигнал/помеха в каждом из 4-х соединений радиотракта. Более надежным и эффективным методом представляется реализация MIMO с обратной связью, где каждый из двух передатчиков передает взвешенную сумму сигналов s ₁ и s ₂ (рис.4.36).

 

       Рис.4.36. Структура передачи при 2×2 MIMO с обратной связью

Используя при передаче предварительное мультиплексирование, получаем ортогональные сигналы при приеме. Матрица мультиплексирования V = H ^-1, так что при приеме имеем

                                                             (4.4)

Так как , то

 

              и                          (4.5)

Кроме рассмотренных методов линейного детектирования, для приема сигналов MIMO разработаны методы нелинейного детектирования, основанные на поиске сигналов s ₁ и s ₂ с использованием критерия максимального правдоподобия.

 

       Стандарт 802.16 m

Новый стандарт называется «Улучшенный беспроводной интерфейс», из чего следует, что изменения в основном затрагивают физический уровень, при полном соблюдении обратной совместимости с IEEE802.16e. Основные отличия на физическом уровне состоят в стандартизации частотно-временных ресурсов. Во временной области фиксирована кадровая структура. В стандарте IEEE 802.16e длина кадра могла меняться в пределах 2…20 мс. В IEEE802.16m введено понятие суперкадра (superframe) длиной 20 мс. Основные характеристики кадровой структуры поясняет рис. 4.37.

       Рис.4.37. Кадровая структура в стандарте 802.16 m

 

       Суперкадр делят на 4 кадра (frame) длиной 5 мс. Если ширина радиоканала кратна 5МГц, то каждый кадр поделен на 8 подкадров (subframe). Один подкадр может содержать 6 (тип1), 7 (тип2) или5 (тип3) ОЧР символов. Возможна передача как с временным, так и с частотным дуплексом. Временные и частотные характеристики физического уровня стандарта 802.16m приведены в табл. 4.16. В табл. 4.16:

RTG – межкадровый защитный промежуток (receive/transmit transition gap) равный 60 мкс,

TTG – внутрикадровый защитный промежуток (transmit/receive transition gap), составляющий 105,714 мкс при длине префикса 1/8 Tu и 82,853 мкс  при длине префикса 1/16Tu.

К настоящему времени специфицированы структуры кадров при длительности префиксов Tg=1/8Tu и Tg=1/16Tu.

 

                                                                                                                            Таблица 4.16

Номинальная ширина канала, МГц		5	10	20	7	8,75
Коэффициент расширения полосы		28/25			8/7
Частота дискретизации, МГц		5,6	11,2	22,4	8	10
Номинальное число поднесущих (для БПФ)		512	1024	2048	1024	1024
Шаг поднесущих, кГц		10,938			7,812	9,765
Длительность ОЧР символа без циклического префикса (Tu),мкс		91,429			128	102,4
Циклический префикс длительностью Tg=1/8Tu	Длительность символа с префиксом, мкс	102,86			144	115,2
	Число ОЧР-символов в кадре	48			34	43
	Интервал переключе-ний, RTG+TTG, мкс	62,86			104	46,4
Циклический префикс длительностью Tg=1/16Tu	Длительность символа, мкс	97,143			Не используется
	Число ОЧР-символов в кадре	51
	Интервал переключе-ний, RTG+TTG, мкс	45,71

           

На рис. 4.38 приведены структуры кадров при временном и частотном дуплексах при длине префикса Tg=1/8Tu. При временном дуплексе в кадре 7 подкадров типа 1 с 6 ОЧР символами и 1 подкадр типа 3 с 5 ОЧР символами. Это подкадр вниз, в конце которого происходит переключение направления передачи. В кадре возможны следующие отношения времени передачи вниз/вверх: 3/5, 4/4, 5/3, 6/2 и 8/0.

 

 

[РА1] [РА2] [РА3]

Рис. 4.38. Структуры кадров при временном и частотном дуплексе при Tg =1/8 Tu

       На рис. 4.39 показаны структуры кадров при Tg=1/16Tu.

Рис. 4.39. Структуры кадров при временном и частотном дуплексе при Tg =1/16 Tu

 

При частотном дуплексе кадр содержит 5 подкадров типа 1 и 3 подкадра типа 2. При временном дуплексе в кадре остаются только 2 подкадра типа 2. При отношении времени передачи вниз/вверх 5/3 подкадр вниз, после которого происходит переключение направления передачи, также относится к типу 2.

В зависимости от класса абонентские станции WiMAX разделяют на AMS (Advanced Mobile Station) и YMS. AMS имеют программное обеспечение, позволяющее им работать как в стандарте IEEE802.16m, так и в стандарте IEEE802.16e. АС прежнего поколения (YMS) поддерживают только интерфейс стандарта IEEE802.16e. Поэтому при эволюции сетей WiMAX необходимо обеспечить совместимость стандартов IEEE802.16e и IEEE802.16m. Для этого в стандарте 802.16m введено понятие временных зон. Временная зона состоит из целого числа последовательных подканалов. Деление кадра на временные зоны позволяют распределить подкадры между пользователями, работающими в разных модификациях стандарта, которых базовая станция обслуживает одновременно. На рис.4.40 приведена структура временных зон при временном дуплексе. В каждом кадре сплошной закраской показаны временные зоны, называемые L-зонами (Legacy, т.е. традиционные), выделенные для абонентов, работающих в стандарте 802.16e, а штриховкой М-зоны, где идет передача трафика абонентам AMS, работающим в стандарте 802.16m. Заметим, что AMS могут работать как в М-зонах, так и в L-зонах, в то время как YMS только в L-зонах.

 

Рис. 4.40. Структуры временных зон при частотном дуплексе

 

       На рис.4.41 приведены структура временных зон при временном дуплексе.

Рис. 4.41. Структуры временных зон при временном дуплексе

 

       Организация подканалов происходит на основе физических ресурсных единиц. В частотной области каждая физическая ресурсная единица содержит 18 расположенных рядом поднесущих. Во временной области длина ресурсной единицы равна длительности подканала. В соответствии с тремя типами подканалов, содержащих 6, 7 или 5 ОЧР-символов (рис.4.39, 4.40) определены 3 типа ресурсных единиц (рис.4.42). 

      

                   Рис. 4.42. Три типа ресурсных единиц в стандарте IEEE 802.16 m

       На основе табл. 4.16 и рис. 4.42 можно дать оценку пропускной способности сетей 802.16m. Число передаваемых символов на одной поднесущей за 1с в ресурсной единице первого типа равно 9600. Сквозная скорость передачи составляет в полосе 20 МГц величину порядка 9600× 1800 = 17,28 Мсимв/с. При передаче в формате 64-КАМ и скорости кодирования 5/6 получаем скорость передачи данных 17,28 ×5 = 86,4 Мбит/с. Применение мультиплексирования MIMO (специфицированы варианты 2×2, 4×4 и 8×8) сквозные скорости передачи данных составят 172,8, 345,6 и 691,2 Мбит/с соответственно.

Стандарт LTE

    Новый стандарт сотовой связи Evolved UTRA (E-UTRA) представляет собой эволюцию стандарта 3-го поколения UMTS в направлении повышения скоростей передачи, уменьшения задержек и оптимизации пакетной передачи данных. Стандарт E-UTRA разрабатываемый как технология LTE (Long-Term Evolution), описан в спецификациях 3GPP, начиная с Rel.8. По своим характеристикам LTE является гибридом двух достаточно разных стандартов: сотовой связи UMTS и беспроводного доступа WiMAX. Из WiMAX как основа физического уровня взята технология ОЧР (ортогонального частотного разнесения или OFDM). Поэтому E-UTRA относится к стандартам с частотно-временным разделением каналов, где возможны реализации как с частотным, так и с временным дуплексом. Из UMTS использованы прежде всего протоколы уровня L2: Mobility Management, Session management, в меньшей степени RRC (Radio Resource Control). Структура сети E-UTRA является конечной точкой эволюции структуры сети UMTS при работе с коммутацией пакетов, производимой в рамках модернизации стандарта UMTS в Rel.7 и Rel.8.

В LTE реализованы задачи эволюции системной архитектуры SAE (System Architecture Evolution) при передаче пакетного трафика. Архитектура E-UTRAN представлена на рис.5.1. Она включает в себя ядро пакетной сети EPC (Evolved Packet Core), модернизированные eNB и интерфейсы S1 и X2.

      

             Рис.5.1. Базовая архитектура сети E - UTRAN

       EPC состоит из шлюзов доступа, которые относительно обслуживаемых абонентских устройств становятся S-GW (Serving Gateway). eNB аккумулируют функции существующих Node B и контроллеров RNC, касающихся обработки пакетного трафика и выделения канального ресурса. В E-UTRAN выдержан принцип логического разделения транспортных сетей передачи данных и сигнализации. Стек протоколов плоскости управления интерфейса S1: S1-MME (Mobility Management Entity) приведен на рис.5.2.а, а стек протоколов в пользовательской плоскости (туннельный протокол на уровне L2) на рис.5.2.б. 

             

                              a)                                                     б)       

                                          Рис.5.2.. Интерфейс S 1

 

       Аналогичным образом построен и интерфейс Х2.

Логическая структура сети E-UTRAN изображена на (рис.5.3), где красным обозначены новые элементы и интерфейсы.

Рис.5.3.  Логическая структура сети Rel. 8

 

       На рис.11 UPE – User Plane Entity, HSS – Home Subscriber Server, ePDG – Evolved Packet Data Gateway, PCRF - Policy and Charging Rules Function.

       На физическом уровне (на радиоинтерфейсе) в технологии LTE используют OFDM при модуляции 4-ФМ, 16-КАМ и 64-КАМ. При этом максимальное число поднесущих частот в рабочей полосе может достигать 2048.

Взаимная синхронизации E-UTRA и UTRA обеспечивается тактированием с длительностью временной единицы T_s = 1/(15000×2048) c. Передача по радиоканалу идет кадрами длиной 10 мс, что составляет 307200 Ts. Различают 2 структуры кадров: кадры типа 1 при работе с частотным дуплексом (FDD) и кадры типа 2 при работе с временным дуплексом (TDD). Структура кадра типа 1 показана на рис.5.4. Кадр состоит из 20 временных слотов длиной 15360× Ts = 0,5мс, пронумерованных от 0 до 19. Два последовательных слота составляют 1 субкадр – всего 10 субкадров, от 0 до 9 (рис.5.5).

              Рис.5.4. Структура кадра при частотном дуплексе

   

              Рис.5.5. Конфигурация кадра при частотном дуплексе

    Структура кадра при временном дуплексе приведена на рис. 5.6.

Рис.5.6. Структура кадра при временном дуплексе

 

    Кадр длиной 10 мс также состоит из 10 субкадров длиной 1 мс. Однако в отличие от рис.5.5 в некоторых субкадрах идет передача вниз (D), в других вверх (U); кроме того есть специальные субкадры (S),состоящие из трех полей: UpPTS – поля передачи вверх, DwPTS – поля передачи вниз, и защитного интервала (GP). Возможны 7 конфигураций кадров при временном дуплексе (табл.5.1).

 

                                                                                         Таблица 5.1

Конфигурация

Вверх-вниз