Вопреки обещаниям, существующие системы широкополосного беспроводного доступа, такие, как LMDS и MMDS, оказались нерентабельными при решении проблемы "последней мили" для доставки данных, голоса и видео в дома, офисы, университетские городки и т. п. Как полагают, одной из основных причин явилось отсутствие соответствующих стандартов.
Похоже, индустрия фиксированных широкополосных беспроводных сетей доступа (Fixed
Broadband Wireless Access — FBWA) созрела, чтобы иметь собственный стандарт.
Считается, что спецификация IEEE 802.16 и радиоинтерфейс, который называется WirelessMAN
(MAN — Metropolitan Area Networks), положат начало широкому распространению этой
технологии во всем мире.
Исторически начало разработки нового стандарта приходится на август 1998 г., когда состоялась встреча, организованная Национальным институтом стандартов и технологий США (NIST). Инициатива получила положительную оценку группы IEEE 802, и уже в 2001 г. был одобрен вариант, предусматривающий радиоинтерфейс для частот от 10 до 66 GHz. Однако коротковолновый диапазон доступен далеко не всем, и проект дополнили поправкой IEEE 802.16a, которая расширила используемый спектр в область низких частот, включив в него полосу 2—11 GHz.
Уровень управления доступом к среде
Стандарт IEEE 802.16 задумывался таким образом, чтобы развиваться как набор радиоинтерфейсов, базирующихся на общем протоколе управления доступом к среде (Medium Access Control — МАС), но со спецификациями физического уровня, зависящими от используемой части спектра и связанных с ним правил лицензирования. Протокол МАС-уровня разрабатывался для сетей доступа с топологией "точка-многоточка" (point-to-multipoint) с целью достижения высокой скорости передачи сигналов как в восходящем потоке (от абонента к базовой станции), так и в нисходящем. Алгоритмы доступа и распределения полосы пропускания должны были обеспечить функционирование сотен терминалов на канал, при том, что они могли бы разделяться многими абонентами.
Сервисы, которые сегодня нужны конечным пользователям, различаются по своей природе.
Они включают передачу голоса и данных с традиционным мультиплексированием с разделением
по времени (TDM), подсоединение к IP-сетям, передачу голоса поверх IP (VoIP).
Чтобы поддерживать это многообразие сервисов, протокол МАС-уровня должен уметь
справляться как с непрерывным, так и с пульсирующим режимами передачи. Дополнительно
пользователь вправе ожидать обеспечения необходимого уровня QoS в зависимости
от типа трафика. Действительно, МАС-уровень 802.16 предлагает широкий набор типов
сервисов, аналогичных классическим категориям сервисов АТМ, а также ряд новых
услуг, в частности гарантированную скорость передачи кадров (Guaranteed Frame
Rate — GFR). Протокол МАС поддерживает и традиционные протоколы, включая как
АТМ, так и пакетную передачу данных. Это осуществляется с помощью так называемого
уровня конвергенции, функции которого определяются характером предоставляемого
сервиса. Он, например, выполняет инкапсуляцию кадров или блоков данных (MAC Protocol
Data Unit — MAC PDU), поступающих с более высоких уровней, в кадры 802.16 MAC/PHY,
преобразование адресов и параметров, определяющих уровень QoS, к необходимому
формату, адаптацию временных характеристик трафика вышележащих уровней к соответствующим
сервисам МАС-уровня.
Эффективность транспортного механизма обеспечивается интерфейсом между физическим (PHY) и МАС-уровнем. Так, описатель пакета содержит схемы модуляции и кодирования, которые динамично изменяются для каждой передаваемой порции данных и каждой абонентской станции. При хороших условиях на линии трафик передается с максимальной пропускной способностью, в тех же случаях, когда необходимо получить высокую надежность, скорость передачи данных может быть снижена.
Наряду с решением основных задач по распределению полосы пропускания и транспортировке данных протокол включает также подуровень безопасности, осуществляющий аутентификацию пользователя при доступе к сети и установлении соединения. Он выполняет такие функции, как обмен ключами и шифрование для сохранения конфиденциальности информации.
Физический уровень
Как уже упоминалось выше, протокол физического уровня предусматривает передачу данных в высокочастотном (10—66 GHz) и низкочастотном (2—11 GHz) диапазонах.
Высокочастотный диапазон предполагает прямую видимость между антеннами станций. При выполнении этого условия наиболее подходящей является схема однотональной (Single Carrier — SC) модуляции. Ее суть заключается в том, что для передачи всей последовательности символов используется только одна частота. В стандарте радиоинтерфейс для этой схемы обозначается как WirelessMAN-SC. Ввиду архитектуры "точка-многоточка" базовые станции (Base Station — BS), как правило, применяют мультиплексирование с разделением по времени (TDM), при котором каждой абонентской станции (Subscriber Station — SS) последовательно выделяются временные слоты. Абоненты же разделяют общий канал посредством схемы множественного доступа с разделением по времени (Time Division Multiple Access — TDMA). В случае однотональной модуляции все вместе имеет название SC-TDMA. Обширная дискуссия возникла при определении метода дуплексного обмена данными. Выбор остановился на двух вариантах: дуплексировании с разделением по времени (TDD), при котором нисходящий и восходящий потоки разделяют общий канал, но не передаются одновременно, и дуплексировании с разделением по частотам (FDD), когда эти потоки оперируют на разных каналах и обмен данными может выполняться одновременно. Оба метода поддерживают адаптивные описатели пакетов — с их помощью параметры модуляции и кодирования присваиваются динамически для каждого пакета.
При разработке физического уровня для низкочастотной полосы 2—11 GHz учитывалась необходимость обеспечения функционирования при отсутствии прямой видимости между антеннами базовых и абонентских станций. Это вызвано предположением, что основная масса абонентских станций будет располагаться в жилых домах и высота крыши может оказаться недостаточной для беспрепятственного визирования антенны базовой станции, например вследствие экранировки деревьями.
В спецификации 802.16a Draft 3 определяются три радиоинтерфейса:
Сделаем некоторые пояснения относительно системы OFDM-TDMA. Здесь ресурсы распределяются как во временном, так и в частотном домене. Как и в случае SC-TDMA, пользователю предоставляется эксклюзивный доступ к радиоинтерфейсу в соответствующем временном слоте. Дополнительно пользовательские данные подразделяются на параллельные потоки, используемые для модуляции множества ортогональных узкополосных поднесущих. Параметры модуляции могут меняться как в отношении поднесущих, так и временных слотов.
Приведем краткие комментарии к некоторым подуровням стека протоколов, схема которого представлена на рисунке.
Подуровень конвергенции. Стандарт IEEE 802.16 описывает два основных сервис-специфических подуровня конвергенции для согласования сервисов с МАС-уровнем. Для АТМ-сервисов определяется АТМ-подуровень, а для пакетных сервисов, таких, как IPv4, IPv6, Ethernet и VLAN, — пакетный подуровень конвергенции. Главная задача подуровня конвергенции заключается в классификации данных относительно вышеуказанных сервисов и обеспечении им соответствующего МАС-соединения, предоставляя необходимый уровень QoS и полосу пропускания. В дополнение к этим базовым функциям подуровень конвергенции также выполняет и более сложные задачи, такие, как подавление или реконструкция заголовка полезной нагрузки для повышения эффективности работы радиоинтерфейса.
Подуровень общей части МАС-протокола. Напомним, что МАС-уровень создавался для поддержки архитектуры "точка-многоточка" с центральной BS, которая одновременно работает с потоками данных в нескольких независимых секторах. Нисходящие к SS потоки данных мультиплексируются посредством TDM, в то время как доступ к восходящему каналу SS осуществляют с помощью TDMA.
Протокол 802.16 МАС ориентирован на соединение. Поэтому все сервисы, в том числе и не ориентированные на предварительное соединение, становятся таковыми. Это обеспечивает механизм для запроса полосы пропускания, привязки уровня QoS к параметрам трафика, передачи и направления данных к необходимому подуровню конвергенции. Все соединения имеют свой 16-битный идентификатор (Connection IDentifier — CID) и используют полосу пропускания либо постоянную, либо по запросу.
У каждой абонентской станции есть стандартный 48-битный МАС-адрес, но он служит главным образом для идентификации оборудования, поскольку при функционировании в качестве основного адреса служат CID.
Данные, передаваемые через радиоинтерфейс как к абоненту, так и от него, представляют собой последовательность МАС-кадров. Их не нужно путать с кадрами TDMA, которые состоят из последовательности временных слотов, принадлежащих некоторому абоненту. Временной слот TDMA может содержать точно один МАС-кадр, его часть или несколько МАС-кадров. Последовательность временных слотов, выделенная для одного абонента, образует логический канал, и МАС-кадры передаются через него.
Что касается структуры МАС-кадров, то мы упомянем лишь о том, что они состоят из трех секций: заголовка с управляющей информацией и адресами, полезных данных и контрольной последовательности (суммы). Спецификация определяет три формата заголовков. Прежде всего это два заголовка для нисходящих и восходящих кадров, заголовок третьего формата используется для запроса полосы пропускания.
Физический уровень. Поддерживает различные структуры для каналов нисходящих "точка-многоточка" и восходящих "многоточка-точка". Как уже упоминалось, для доступа к восходящему каналу применяется схема TDMA, расширенная техникой предоставления полосы пропускания по запросу (Demand Assignment Multiple Access — DAMA). Это позволяет лучше использовать возможности сети при постоянно изменяющихся потребностях абонентов.
Для нисходящего потока стандарт устанавливает два режима работы: один (режим А) предназначен для поддержки непрерывных потоков данных (аудио, видео), второй (режим В) — для потоков с переменной интенсивностью (IP-пакеты).
В заключение заметим, что с радиоинтерфейсом WirelessMAN, описанным в спецификации IEEE 802.16, связывают надежду на то, что он обеспечит платформу для разворачивания городских сетей с широкополосным беспроводным доступом, базирующихся на открытом стандарте.