Протокол MAC

Между протоколом физического уровня и протоколом МАС-уровня в архитектуре протоколов присутствует подуровень согласования. Он преобразует протокольные блоки данных переменной длины МАС-уровня в блоки данных фиксированной длины с применением защитного кодирования в каждом пакете.

Протокол MAC стандарта 802.16 разработан для приложений широкополосного радиодоступа со структурой сети «точка-много точек». Предназначен для высокоскоростной передачи информации в направлениях «вверх» и «вниз». Алгоритмы доступа и распределения емкости канала должны допускать подключение сотен АС на канал. АС могут подключать и одиночных пользователей, и локальные сети с множеством конечных пользователей, разнообразных услуг, таких как синхронная передача речи и видеоизображений, передача данных с помощью IP-протоколов, передача речи «поверх» IP и т.д.

Для реализации этих услуг уровень MAC стандарта 802.16 должен поддерживать передачу непрерывного и прерывистого (пакетного) трафика, а также обеспечивать поддержку функций обеспечения качества обслуживания QoS.

Уровень MAC включает подуровень согласования, ориентированный на конкретные услуги, и общий подуровень MAC (см. рис. 1.1). Подуровень согласования MAC поддерживает более высокие уровни модели OSI, соответствующие предоставляемым услугам. Общий подуровень MAC реализует базовые функции MAC.

Стандарт 802.16 определяет два подуровня согласования специфики услуг к и от МАС-соединений. Подуровень согласования с ATM определяет ATM услуги службы, а также обеспечивает согласование длин пакетов для услуг пакетной передачи, таких как Ipv4, Ipv6, Ethernet.

В осно...

Протокол MAC 802.16 поддерживает разнообразные протоколы более высоких уровней модели OSI, такие как ATM, IP и др. Входящие блоки данных услуг МАС-уровня, поступающие от подуровня согласования, формируются в формат протокольного блока данных МАС-уровня. Это достигается посредством процессов фрагментации и упаковки.

После передачи через радиоканал протокольные блоки данных МАС-уровня претерпевают обратное преобразование в изначально переданные блоки данных услуг МАС-уровня таким образом, чтобы производимые преобразования были нечувствительны к особенностям приема-передачи.

Максимальная эффективность использования пропускной способности в стандарте 802.16 достигается процессом фрагментации и упаковки совместно с процессом распределения емкости канала. Фрагментация -- процесс, при котором блок данных услуги МАС-уровня (SDU) разделяется на несколько фрагментов. Упаковка -- процесс, с помощью которого несколько блоков данных услуги МАС-уровня упаковываются в один протокольный блок данных (полезную нагрузку) (рисунок 1.8.2).

Структура процессов фрагментации и упаковки на МАС-уровне стандарта 802.16

Рисунок 1.8.2 - Структура процессов фрагментации и упаковки на МАС-уровне стандарта 802.16

Процессы упаковки и фрагментации могут быть использованы БС и АС.

Уровень MAC стандарта 802.16 поддерживает оба режима дуплексного разделения: TDD и FDD. В режиме FDD поддерживаются непрерывные и (пакетные) прерывистые логические каналы. Непрерывные каналы линии «вниз» для повышения помехоустойчивости используют перемежение (интерливинг). Прерывистые (пакетные) каналы «вниз» в режимах TDD и FDD для достижения еще большей устойчивости и пропускной способности канала позволяют адаптивно задавать параметры передачи индивидуально для каждого пакета информации и абонента, использовать улучшенные антенные системы, адаптивные антенные системы и т.д.

На МАС-уровне построение подкадра линии «вниз» (см. рис. 1.7.6) начинается с поля управления, которое содержит сведения о структуре кадров «вниз» и «вверх» (DL-MAP и UL-MAP). В поле управления содержится информация о распределении пропускной способности между каналами, о моментах начала передачи блоков данных непрерывного и прерывистого трафиков физическому уровню. Поле структуры кадра «вниз» задает структуру текущего кадра и состоит из двух блоков, защищенных помехоустойчивым кодом Рида-Соломона.

Момент начала передачи на физическом уровне указывается в первом блоке.

В обоих режимах (TDD и FDD) поле распределения моментов начала передачи на линии «вверх» (UL-MAP) передается не позднее ближайшего блока данных канала «вниз» (см. рис. 1.7.5, а). Поле структуры кадра «вверх» (UL-MAP) распределяет моменты начала передачи данных в канале «вверх» с учетом задержек распространения сигнала Гр и времени обработки Г0бР (см. рис. 1.75, б).

Передовые технологии, используемые в стандарте 802.16, требуют соответствующего управления радиоканалом, особенно управления характеристиками физического уровня передачи (при прерывистом (пакетном) характере трафика) в зависимости от индивидуальных особенностей канала конкретного абонента и его потребностей в пропускной способности. Уровень управления радиоканалом (RLC) стандарта 802.16 обеспечивает эти возможности так же, как и традиционные функции управления мощностью излучения (ограничение мощности допустимыми пределами). Передача сообщений управления обеспечивается в широковещательном режиме. Характеристики протоколов прерывистого обмена выбираются исходя из нескольких факторов, таких как статистика дождей конкретного региона, параметры и возможности оборудования и т.д.

Параметры передачи для линии «вниз» задаются с помощью команд использования интервала канала «вниз» (DIUC), а для линии «вверх» параметры передачи задаются командами использования интервалов канала «вверх» (UIUC).

В начальный период осуществления доступа к сети АС изменяют уровень мощности передачи и передают в заданных пределах (окнах) сообщения запроса (RNC-REQ) передачи и использования в окне начальных установок (см. рис. 1.7.7).

Управление временем передачи АС достигается так же, как и управление мощностью, возвращаемым АС сообщением, указывающем период времени излучения (RNG-RSP). Для начальной установки мощности и периода излучения БС может передавать сообщения RNG-RSP без запроса, указывая АС на необходимость регулировки их мощности или времени излучения.

В процессе начальной установки АС направляет к БС запрос обслуживания в направлении «вниз» с помощью специального профиля прерывистой передачи посредством выбора кода DIUC. Выбор основан на измерении качества принимаемого сигнала. БС может устанавливать или отклонять выбор в пределах окна запроса. В БС анализируется качество сигналов в канале «вверх» в процессе их приема от АС. БС передают команду АС на использование специального прерывистого профиля на линии «вверх», вкладывая пакеты UIUC с предоставлением времени передачи в состав сообщений UL-MAP.

После начальной установки каналов «вверх» и «вниз» и определения профилей прерывистой передачи между БС и особыми (специальными) АС, протокол RLC продолжает производить мониторинг каналов и управлять профилем прерывистой передачи. Ухудшение состояния окружающей среды, например, дождевые осадки, могут увеличить количество запросов большей устойчивости профиля прерывистой передачи. В хорошую погоду главным показателем является эффективность использования пропускной способности канала. Протокол RLC продолжает подстраивать характеристики АС к текущим характеристикам профиля прерывистой передачи в каналах «вверх» и «вниз» исходя из компромисса между устойчивостью и эффективностью использования пропускной способности канала.

Так как БС осуществляет управление и прямое наблюдение качества сигнала в канале «вверх», протокол обмена для профиля прерывистой передачи является простым: БС с помощью кода интервала передачи в канале «вверх» (UIUC) резервирует для АС объем передаваемых данных в кадре. Такая процедура нуждается в подтверждении АС предоставления или непредоставления передачи.

В канале «вниз» АС наблюдает за качеством принимаемого сигнала и после того, как узнает, какой используется профиль прерывистой передачи, может быть начат обмен данными. БС устанавливается в режим управления обменом. Возможны два способа предоставления пропускной способности: предоставление емкости на соединение (GPC) или режим предоставления емкости для AC (GPSS). Первый способ (GPC) основан на дискретном алгоритме планирования порядка обработки и передачи информации БС и используется для предоставления емкости на соединение АС. В этом случае БС должна между активными АС распределять доступный интервал. АС использует запрос емкости канала «вниз» с помощью сообщений RNG-REQ. Запрос емкости на линии «вниз» обеспечивается сообщениями DBPC-REQ. Подтверждение выделения емкости осуществляется сообщениями RNG-RSP или DBPC-RSP.

Так как сообщения могут быть искажены из-за неисправляемых ошибок, протоколы профиля прерывистого обмена данными с АС на линии «вниз» должны быть тщательно структурированы. Порядок действий при обмене данными с помощью профиля прерывистой (пакетной) передачи различен для случаев, когда требуется обеспечить большую устойчивость, чем когда передача ведется без ее учета. Стандарт дает преимущество, фактически состоящее в том, что АС обычно требуют больше помехоустойчивых участков в канале «вниз», соответствующих профилю, который использован для согласования параметров и режимов работы.

В направлении «вверх» каждому логическому соединению сопоставляется базовая услуга. Каждая базовая услуга ассоциируется с установкой в БС запланированного распределения емкости канала «вверх» и протокола, обеспечивающего обмен запросами и ответами между БС и АС. В стандарте приведена детальная спецификация правил и порядка услуг для специальных логических каналов «вверх», таких как процесс согласования в период установки соединения.

Базовые услуги стандарта 802.16 основаны на установленных для кабельных модемов услугах стандарта DOCSIS.

Услуги передачи непрерывных данных (UGS) служат для поддержки служб, обеспечивающих периодическую передачу фиксированных блоков данных. БС формирует регулярное расписание передачи, в простейшем случае предусматривающее объем согласования параметров при установке логического канала без запроса от АС. Это происходит скрытно от запросов пропускной способности с учетом величины задержки и разброса задержки (джиттер) для запросов услуг нижних уровней. Практические ограничения на джиттер устанавливаются исходя из длительности кадра. Величина джиттера напрямую связана с размером буферного регистра, который должен сохранять данные на интервале времени, равном длительности джиттера.

Базовые услуги могут поддерживать совместно с непрерывными услугами верхнего уровня, включая ATM с постоянной битовой скоростью (CBR), синхронные каналы Е1 поверх ATM.

Когда применяются услуги непрерывной передачи данных, в подзаголовок вкладывается бит голосования, так же как и бит флага индикации проскальзываний, которые позволяют АС сообщать, что очередь на передачу не закончена из-за отсутствия предоставленных интервалов для передачи, временного сдвига (потери синхронизации) между системой 802.16 и внешней сетью. БС, обнаружив индикатор проскальзывания (потери синхронизации), может выделить для АС дополнительную емкость, позволяя ей восстановить нормальное состояние очереди. Логические каналы конфигурируются с помощью услуг непрерывной передачи, не позволяя использовать случайные методы доступа, допустим при запросах.

Услуга голосования реального времени построена на столкновении запросов услуг, которые являются динамическими по природе функционирования. Однако часто периодически формируемые запросы появляются из-за потребностей обмена данными в реальном времени.

Службы голосования в реальном времени пригодны для каналов, поддерживающих услуги непрерывной передачи, такие как передача голоса поверх IP, передача в широковещательном режиме видео- и аудиосигналов.

Службы голосования нереального времени почти идентичны службам реального времени кроме того, что такие соединения могут использовать методы случайного доступа для запроса пропускной способности. Обычно услуги, поддерживаемые такими логическими каналами, устойчивы к более длительным задержкам, услуги сети Интернет с минимальной скоростью, ATM, FR соединений и др.

Службы «с наибольшим старанием» в рамках возможного в оставшейся емкости канала также используются в сетях стандарта 802.16. В них не гарантируется выполнение ограничений на задержку. АС передает запрос на предоставление пропускной способности в каждом интервале времени случайного доступа или специальной возможности передачи данных. Специальные возможности доступа определяются параметрами загрузки сети, поэтому АС не может от нее отключиться.

На МАС-уровне стандарта 802.16 различают два класса АС, отличающихся по возможности занимать предоставленную пропускную способность для логического канала или для АС. Оба класса АС для запроса пропускной способности используют на линии «вверх» базовый алгоритм, который обеспечивает соответствие соединения заданным требованиям качества обслуживания QoS.

При предоставлении пропускной способности для логического канала АС реализуют предоставленную пропускную способность только для логического канала. Протокол управления радиоканалом и другие протоколы управления используют часть пропускной способности, выделенной исключительно для целей управления.

Для режима предоставления пропускной способности АС требуется большие вычислительные мощности и интеллектуальность программного обеспечения при учете параметров качества обслуживания QoS для каждого канала АС, которых может быть несколько. Например, если задано состояние качества обслуживания QoS, когда АС имела право на передачу с более высоким качеством обслуживания, затем передается поток данных с меньшими требованиями качества обслуживания и через запрос АС может восстановить пропускную способность.

АС может использовать свою пропускную способность для важных целей, таких как передача запросов с большей реакцией.

Два режима применения АС позволяют выбирать между простотой и эффективностью. Потребности точного предоставления большой пропускной способности для протокола управления радиоканалом и запросов появляются из-за высокой вероятности наличия более, чем одного абонентского подключения к АС. Последнее делает режим GPC менее эффективным и менее масштабируемым, чем GPSS.

Режим GPSS позволяет АС реагировать намного быстрее на запросы физического уровня и увеличение количества соединений. Режим GPSS реализуется только АС, работающими в диапазоне частот 10... 66 ГГц.

С обоими классами АС применяется самонастраивающийся протокол установления соединения с гораздо большим набором функций, чем протокол подтверждения приема. Этот протокол имеет меньшую пропускную способность, так как протоколы с подтверждением

могут затрачивать дополнительное время, добавляемое к задержке распространения сигнала и обработки.

Абонентская станция может не получить запрашиваемую пропускную способность для логического канала по следующим причинам:

БС не видит запрос из-за неисправимых ошибок на физическом уровне;

АС не видит предоставленный интервал из-за неисправимых ошибок на физическом уровне;

БС не имеет достаточной пропускной способности;

АС в режиме GPSS использует пропускную способность для других целей.

В самонастраивающемся протоколе все эти ситуации устраняются сами. После перерыва, используемого для задания параметров качества обслуживания QoS в канале, АС возобновляет запрос. Для повышения эффективности пропускная способность, предоставляемая в канале по запросу, повышается на одну единицу, для того чтобы АС получила большую пропускную способность и смогла решить все задачи. Для самонастраивающегося протокола управления пропускной способностью алгоритм «запрос-предоставление» должен работать корректно. Запросы пропускной способности объединяются по ситуациям для того, чтобы АС сообщали БС о полной поддержиьаемой пропускной способности, необходимой для соединения. БС разрешено сбрасывать текущее состояние потребностей АС и без усложненного протокола подтверждения использовать пропускную способность.

В дополнение к индивидуально запрошенным в результате голосования АС интервалам, БС распределяют пропускную способность канала через запрос интервала CID широковещательной рассылки.

В состав протокола MAC входят процедуры инициализации процесса обмена данными, построенные таким образом, чтобы исключить ручные операции настройки параметров абонентских станций и конфигурации. Процедура установления соединения включает следующие этапы: сканирование частотных каналов на линии «вниз» и установление синхронизации с БС; получение параметров канала «вверх» (из сообщения UCD); согласование основных характеристик и параметров; авторизацию АС и обмен ключами; регистрацию, установление IP соединения; установление времени; передачу используемых параметров; установление соединения. При начальной установке (инсталляции) АС сканирует все доступные частотные каналы до тех пор, пока не будет найден рабочий канал. Порядок сканирования каналов может быть запрограммирован в памяти АС с помощью спецификаций, полученных от БС. В процессе сканирования АС сверяет индивидуальные номера (ID), рассылаемые каждой АС в широковещательном режиме, с хранящимся значением ID базовой станции, с которой должна функционировать АС в одной сети. Такая организация процесса начального установления связи с БС важна, если АС может принимать сигналы от нескольких БС.

После принятия решения о том, какой частотный канал (режим TDD) либо дуплексная пара каналов (режим FDD) используются для связи, АС повторяет процедуру синхронизации на линии «вниз» по преамбуле подкадра канала «вниз». Если синхронизация каналов на физическом уровне достигнуто, АС просматривает рассылаемые периодически в широковещательном режиме сообщения DCD и UCD для установки текущих вида модуляции несущей и способа кодирования.

В процессе начальной установки и согласования параметров АС просматривает сообщения UL-MAP, которые представлены в каждом кадре. АС используют усеченный экспоненциальный алгоритм, определяющий, в каком окне (слоте) начальной установки будет передано сообщение начальной установки. АС сначала осуществляет передачу с минимальной мощностью, затем, если ответа о приеме окна установки нет, то мощность сигнала увеличивается, и передача окна установки повторяется до тех пор, пока АС не примет ответ об установке.

Основываясь на времени прибытия запроса начальной установки и измерении мощности сигнала, БС формирует команды регулирования мощности сигнала и сообщения успешной синхронизации в поле ответа. Подтверждение успешной синхронизации возможно с помощью процедуры управления индивидуальными номерами соединения (СЮ). После успешной синхронизации АС может быть корректно определена. Процедура точной настройки мощности передачи реализуется с помощью передачи «приглашений» так, что каждая передача увеличивает значение мощности, повышая помехоустойчивость.

Для снижения расходов пропускной способности АС в ближайшем отчете для БС помещает поддерживаемые параметры физического уровня, такие как вид модуляции, способы кодирования, для FDD систем указывается режим обмена: полудуплексный или дуплексный и т.д. Базовая станция, получив отчет от АС, может запрещать использование некоторых возможностей.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   Загрузить   След >