1.3. Построение канального уровня системы (L2) 

1.3.1. Описание назначения сервисов канального уровня исходя из контекста решаемых задач (п.1.2). Определение способа идентификации служебных и информационных сообщений, пояснение способа адресной и широковещательной доставки сообщений на канальном уровне. Пояснение организации доступа к ФК, решение проблемы коллизий при организации доступа к сети.

Канальный уровень стандарта IEEE 802.16

Оборудование стандарта IEEE 802.16 призвано формировать транспортную среду для различных приложений (сервисов), поэтому первая задача, решаемая в IEEE 802.16, - это механизм поддержки разнообразных сервисов верхнего уровня. Разработчики стандарта стремились создать единый для всех протокол канального уровня, независимо от особенностей физического канала. Это существенно упрощает связь терминалов конечных пользователей с городской сетью передачи данных - физически среды передачи в разных фрагментах WMAN могут быть различны, но структура данных едина. В одном канале могут работать (не единовременно) сотни различных терминалов еще большего числа конечных пользователей. Этим пользователям необходимы самые разные сервисы (приложения) - потоки голоса и данных с временным разделением, соединения по протоколу IP, пакетная передача речи через IP (VoIP) и т.п. Более того, качество услуг (QoS) каждого отдельного сервиса не должно изменяться при работе через сети IEEE 802.16. Алгоритмы и механизмы доступа канального уровня должны уверенно решать все эти задачи.

Структурно канальный уровень IEEE 802.16 подразделяется на три подуровня (см. рис. 1) - подуровень преобразования сервиса CS Convergence Sublayer, основной подуровень CPS Common Part Sublayer и подуровень защиты PS Privacy Sublayer. На подуровне защиты реализуются функции, обеспечивающие криптографическую защиту данных и механизмы аутентификации   

Структура МАС-уровня стандарта IEEE 802.16

Рис 1.

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, но пока описаны и вошли в спецификацию IEEE 802.16 только два - для работы в режиме ATM и для пакетной передачи. Под пакетной передачей подразумевают достаточно широкий набор протоколов, включая IP. Цель работы на CS-подуровне - оптимизация передаваемых потоков данных каждого приложения верхнего уровня с учетом их специфики. Поэтому важнейшая задача, решаемая на данном подуровне, - классификация пакетов/ячеек. От результатов ее зависит и оптимизация передаваемых потоков, и выделение полосы пропускания для каждого из них.

Для оптимизации транслируемых потоков предусмотрен специальный механизм удаления повторяющихся фрагментов заголовков PHS Payload Header Suppression. Действительно, и в ATM, и в пакетном режиме данные передаются отдельными порциями - ячейками и пакетами, соответственно. Каждая такая порция данных состоит, в общем случае, из заголовка и поля данных - фиксированных размеров для ATM (5 и 48 байт, соответственно) и достаточно произвольных при пакетной передаче. Во многих случаях заголовки пакетов и ячеек содержат повторяющуюся информацию, излишнюю при трансляции посредством протокола IEEE 802.16. Механизм PHS позволяет избавиться от передачи избыточной информации: на передающем конце пакеты приложений в соответствии с определенными правилами преобразуются в структуры данных канального уровня IEEE 802.16, на приемном - восстанавливаются.

На основном подуровне канального уровня формируются пакеты данных (MAC PDU MAC Protocol Data Unit - блоки данных канального уровня), которые затем передаются на физический уровень и транслируются через канал связи. Пакет MAC PDU (далее PDU) включает заголовок и поле данных (его может и не быть), за которым может следовать контрольная сумма CRC (рис. 3.8). Заголовок PDU занимает 6 байт и может быть двух типов - общий и заголовок запроса полосы пропускания. Общий заголовок используется в пакетах, у которых присутствует поле данных. В общем заголовке указывается идентификатор соединения CID, тип и контрольная сумма заголовка, а также приводится информация о поле данных (см. табл. 1).

Заголовок запроса полосы применяется, когда АС просит у БС выделить или увеличить ей полосу пропускания в нисходящем канале. При этом в заголовке указывается CID и размер требуемой полосы (в байтах, без учета заголовков физических пакетов). Поля данных после заголовков запроса полосы быть не может.

Пакет канального уровня IEEE 802.16

Таблица 1

Структура заголовка MAC PDU (от старшего к младшим битам)

Поле

Длина, бит

Тип заголовка = 0 (признак общего заголовка)

1

Признак шифрования поля данных

1

Тип поля данных

6

Не используется

1

Признак наличия CRC

1

Индекс ключа шифрования

2

Не используется

1

Длина пакета, включая заголовок (в байтах)

11

Идентификатор соединения CID

16

Контрольная сумма заголовка (задающий многочлен )

8

Поле данных может содержать подзаголовки канального уровня, управляющие сообщения и собственно данные приложений верхних уровней, преобразованные на CS-подуровне. В стандарте описано три типа подзаголовков канального уровня - упаковки, фрагментации и управления предоставлением канала. Подзаголовок упаковки используется, если в поле данных одного PDU содержатся несколько пакетов верхних уровней; подзаголовок фрагментирования - если, напротив, один пакет верхнего уровня разбит на несколько PDU. Подзаголовок управления предоставлением канала предназначен, чтобы АС сообщала БС изменение своих потребностей в полосе пропускания (число байт в восходящем канале для определения соединения, сообщение о переполнении выходной очереди в АС, требование регулярного опроса со стороны БС для выяснения потребной полосы).

Управляющие сообщения - это основной механизм управления системой IEEE 802.16. Всего зарезервировано 256 типов управляющих сообщений, из них 30 описано в стандарте IEEE 802.16. Описание профилей пакетов, управление доступом, механизмы криптографической защиты, динамическое изменение работы системы и т.д. - все функции управления, запроса и подтверждения реализуются через управляющие сообщения. Рассмотренные выше карты входящего/нисходящего каналов (UL-/DL-MAP) также являются управляющими сообщениями. Формат управляющих сообщений прост -- поле типа сообщения (1 байт) и поле данных (параметров).


1.3.2. Выделение типов логических каналов связи (ЛКС),  используемых на канальном уровне. Краткое пояснение назначения сообщений, передаваемых по каждому ЛКС (в соответствии с п.1.5.6.). Способы обеспечения достоверности принимаемых сообщений в каждом ЛКС. 

Необходимые  логические каналы можно организовать из анализа режимов работы системы на сеансовом уровне. ЛКС группируются по содержанию передаваемых данных, т.е. передается ли информация пользователя или сигнал управления, запрос на КС и т.д.

 В разрабатываемой системе связи необходимо сформировать каналы для:

o   Передачи несущей

o    Синхронизации, необходимые для подстройки несущей частоты, обеспечения временной синхронизации и доступа к каналам связи в системе

o   Запроса на КС

o    Назначение КС

o   Приема и передачи информации.

Это поясняется следующим алгоритмом взаимодействия БС и АС.

БС передает несущую по каналу ВССН в вещательном режиме, т.е. без адресования какой-либо АС.  АС осуществляет подстройку частоты  по каналу FCCH. Далее БС начинает передавать специальную последовательность данных, благодаря которым АС осуществляет тактовую синхронизацию по каналу SCH и передает служебную информацию по BCCH.

При запросе на КС, АС предоставляется канал доступа RACH. Для установления связи между БС и АС используется индивидуальный канал управления SDCCH,при этом АС отсылает свой уникальный номер БС. На основании его БС решает «своя» или «чужая» это АС. Если «своя», то отказа нет и, БС предоставляет ей по каналу AGCH  КС с известным номером.

Диалог АС и БС происходит по каналу трафика ТСН. А управление, синхронизация,

и анализ качества канала во время сеанса связи осуществляется по медленному совмещенному каналу ACCH, который также используется в двух направлениях.

 В результате проведенного анализа все ЛК связи можно классифицировать на 2 типа

1. Каналы управления, предоставленные для управления параметрами и качества связи в системе.

2. Каналы трафика

 

        Наименование

         Назначение

         Тип

BCCH

Вещательный канал управления

Для передачи сигналов управления в направлении от БС к АС в вещательном режиме

Симплексный

      FCCH

Канал подстройки частоты

Обеспечивает подстройку несущей частоты

Симплексный

      SCH

Канал синхронизации

Для установления  синхронизации

Симплексный

RACH

Канал случайного доступа

Для передачи от АС на БС запроса о назначении выделенного канала связи

Симплексный

AGCH

Канал разрешения доступа

Информирует АС о выделенном канале

Симплексный

SDCCH

Индивидуальный канал управления

Для  установления связи между АС и БС.

Дуплексный

TCH

Канал трафика

Для приема/передачи данных

Дуплексный

ACCH

Совмещенный канал управления

Для диалога БС и АС когда ТСН уже создан,

отслеживания качества и уровня радиосигнала, синхронизации.

Дуплексный

 

 

Система связи с позиции трафика носит ярко выраженный ассиметричный характер. Поток данных передаваемый в направлении от БС к АС (DownStream: 512 Кбит/с) превосходит поток данных передаваемый от АС к БС (UpStream: 96 Кбит/с). Поэтому в данной системе целесообразно использовать временное дуплексное разделение: большая часть временного ресурса будет отводиться для Down, а меньшая для Up.

             При проектировании системы связи, необходимо учесть и особенности распространения радиоволн, а в частности такой негативный эффект, как многолучевость, следствие которой является замирания.

Существует много методов борьбы с ней. В данной системе будем использовать перемежение.


1.3.3. Вычисление долевой оценки пропускной способности ЛКС, оценка полного трафика системы. Составление сводной таблицы ЛКС с указанием наименования, назначения и типа КС. 

Самым востребованным логическим каналом  является канал трафика и медленный совмещенный.

 Так как гарантируемая скорость передачи информации в направлении «вниз», равна 512 кбит/с, а в «вверх» 96 кбит/с , то пропускная способность канала трафика составляет 608 кбит/с.

Оценим долевое участие каждого ЛКС  в основном  режиме работы , приняв за 100% пропускную способность физического КС. 

Наимено-вание ЛКС

BCCH

FCCH

SCH

RACH

AGSH

SDCCH

TCH

ACCH

Доля,%

7

1

2

-

-

-

90


1.3.4. Пояснение структуры сообщения (пакета) канального уровня: описание предполагаемых видов пакетов и необходимых полей. 

Интерфейс состоит из 3-х иерархических уровней: слот – кадр – мультикадр (рис.2  )

 


Рис 2. иерархические уровни

     Структура первого уровня – слот (пакет). В слоте содержится 256 бит информации.

Тип информации зависит назначения пакета. Имеем 4 типа пакета.

Пакет данных.


Пакет синхронизации .


Пакет БС.


Пакет АС (доступа).


 

Структура второго уровня – кадр. Кадр образует 26 слотов, 13 в   прямом направлении  (Down) направлении и 13 в обратном направлении Up;  которые предназначены для обслуживания 13 абонентов. 

 

       Структура  третьего уровня – мультикадр (МК). Его образует 7 кадров. Причем один из них ( первый) кадр управления, а остальные кадры трафика.

      Поясним размещение ЛК в разрабатываемом  радиоинтерфейсе.  

  В нулевом кадре мультикадра передаются все сигналы каналов управления. Представим данное расположение КУ следующим образом :

 


 

     Как видно из рисунка в нулевом интервале кадра управления на линии «вниз» в канале подстройки частоты и  синхронизации передается пакет синхронизации в следующем слоте по каналу BCCH передается пакет БС. Канал RACH организован на линии  «вверх» и по нему передается пакет доступа, AGCH – «вниз».Пакет доступа – это первый пакет передаваемый АС, синхропоследовательность позволяет правильно принять информационную часть пакета. Остальные слоты, помимо интервалов для канала SDCCH, отводятся каналу трафика и медленному совмещенному по которому передаётся  пакет данных.

        В остальных кадрах мультикадра передаются сигналы канала трафика.


Список используемой литературы:
  1. Бакке А.В.«Лекции по курсу ССПО»
  2. Бакке А.В. Методические указания к лабораторной работе "Основы построения беспроводных сетей стандарта 802,11".
  3. http://omoled.ru/publications/view/335
  4. http://omoled.ru/publications/view/318