Технология беспроводных региональных сетей

Для стандартизации широкополосных беспроводных сетей (чаще называемых беспроводными региональными сетями) комитетом IEEE разработана спецификация 802.16. Сети 802.11 и 802.16 имеют сходство прежде всего в том, что и те, и дру­гие предназначены для обеспечения беспроводной связи с высокой пропускной способностью. Однако при этом назначение сетей 802.16 – предос­тавление услуг связи, например, для целых зданий и организаций, а не отдельных мобильных пользователей. Сети 802.16 могут охватывать целые районы городов, а расстояния при этом исчисляются километрами. Следовательно, получаемый станциями сигнал мо­жет быть разной мощности в зависимости от их удаленности от передатчика. Эти отклонения влияют на соотношение сигнал/шум, что, в свою очередь, при­водит к использованию нескольких схем модуляции. Этот вид телекоммуника­ций является открытым, эфирный сигнал проходит над большими территориями, поэто­му вопросы защиты информации здесь крайне важны.

В каждой ячейке (соте) широкополосной региональной сети может быть намного больше пользователей, чем в обычной ячейке 802.11, и при этом каждому поль­зователю предоставляется гораздо более высокая пропускная способность, чем пользователю беспроводной ЛВС. Из-за потенциально большого числа пользователей и связанной с этим значительной нагрузкой, сети 802.16, как правило, рабо­тают в высокочастотном диапазоне 10–66 ГГц.

В набор протоколов, используемых стандартом 802.16, входит несколько подуровней. Нижний подуровень занимается физической передачей данных. Ис­пользуется обычная узкополосная радиосистема с обыкновенными схемами моду­ляции сигнала. Над физическим уровнем находится подуровень сведения (с уда­рением на второй слог), скрывающий от уровня передачи данных различия тех­нологий. Уровень передачи данных состоит из трех подуровней. Нижний из них отно­сится к защите информации, что очень критично для сетей, в которых передача данных осуществляется в эфире, физически никак не защищенном от прослуши­вания. На этом подуровне производится шифрация, дешифрация данных, а также управления ключами доступа. Затем следует общая часть подуровня MAC. Именно на этом подуровне иерар­хии располагаются основные протоколы – в частности, протоколы управления каналом. Идея состоит в том, что базовая станция контролирует всю систему. Она очень эффективно распределяет очередность передачи входящего трафика абонентам, немалую роль играет и в управлении исходящим трафиком (от абонен­та к базовой станции). От всех остальных стандартов 802.x МАС-подуровень стан­дарта 802.16 отличается тем, что он полностью ориентирован на установку со­единения. Таким образом можно гарантировать определенное качество обслужи­вания при предоставлении услуг телефонной связи и при передаче мультимедиа. Подуровень сведения отдельных сервисов играет роль подуровня логической связи в других протоколах 802.x. Его функция заключается в организации ин­терфейса для сетевого уровня.

Как уже было отмечено, широкополосным беспроводным сетям необходим ши­рокий частотный спектр, который можно найти только в диапазоне от 10 до 66 ГГц. Миллиметровые волны обладают следующим свойством, которое отсутствует у более длинных микроволн: они распространяются не во всех на­правлениях (как звук), а по прямым линиям (как свет). Следовательно, на базо­вой станции должно быть установлено множество антенн, покрывающих различ­ные секторы окружающей территории. Поскольку мощность сигнала передаваемых миллиметровых волн существенно уменьшается с увеличением расстояния от передатчика (то есть базовой стан­ции), то и соотношение сигнал/шум также понижается. По этой причине 802.16 использует три различных схемы модуляции в зависимости от удаления абонент­ской станции. Так, при типичной полосе спектра 25 МГц обеспечиваются скорости передачи 150 Мбит/с на близком расстоянии от базовой станции, 100 Мбит/с ­­– на среднем расстоянии, 50 Мбит/с – на дальнем. То есть, чем дальше находится абонент от базовой станции, тем ниже ско­рость передачи данных.

Стан­дарт 802.16 обеспечивает гибкость распределения полосы пропускания. Приме­няются две схемы модуляции: FDD (Frequency Division Duplexing – дуплексная связь с частотным разделением) и TDD (Time Division Duplexing – дуплексная связь с временным разделением). Во второй из указанных схем базовая станция периодически передает кадры, разделенные на временные интервалы. Первая часть временных интервалов отводится под входящий трафик. Затем следует защитный интервал (разделитель), позволяющий станциям переключать режимы приема и передачи, а за ним – интервалы исходящего трафика. Число отводимых тактов может динамически меняться, что позволяет подстроить пропускную способность под трафик каждого из на­правлений. Входящий трафик разбивается на временные интервалы базовой станцией. Она полностью контролирует это направление передачи. Исходящий трафик от абонентов управляется более сложным образом и зависит от требуемого качест­ва обслуживания.

Все предоставляемые стандартом 802.16 сервисы ориентированы на соедине­ние, и каждое соединение получает доступ к одному из клас­сов сервиса. Это определяется при установке связи. Такое решение сильно отли­чается как от 802.11, так и от Ethernet, где отсутствует установление соединения на подуровне MAC.

В стандарте 802.16 определены четыре класса сер­висов. Сервис с постоянной битовой скоростью предназначен для передачи несжа­той речи. В таком случае требуется передавать пре­допределенный объем данных в предопределенные временные интервалы. Это реализуется путем назначения каждому соединению своих интерва­лов. После того, как канал оказывается распределенным, доступ к временным ин­тервалам осуществляется автоматически, и нет необходимости запрашивать ка­ждый из них по отдельности. Сервис реального масштаба времени с переменной битовой скоростью приме­няется при передаче сжатых мультимедийных данных и других программных приложений реального времени. Необходимая в каждый момент времени пропу­скная способность может меняться. Та или иная полоса выделяется базовой станцией, которая опрашивает через определенные промежутки времени абонен­та с целью выявления необходимой на текущий момент ширины канала. Сервис, работающий не в реальном масштабе времени и с переменной битовой скоростью предназначен для интенсивного трафика – например, для передачи файлов большого объема. Здесь базовая станция тоже опрашивает абонентов до­вольно часто, но не в строго установленные моменты времени. Сервис с обязательством приложения максимальных усилий исполь­зуется для всех остальных типов передачи. Никаких опросов здесь нет, а стан­ции, желающие захватить канал, должны соперничать с другими станциями, которым требуется тот же класс сервиса. Запрос пропускной способности осуще­ствляется во временных интервалах, помеченных в карте распределения исходя­щего потока как доступные для конкуренции. Если запрос прошел удачно, это будет отмечено в следующей карте распределения входящего потока. В случае неудачи абоненты должны продолжать борьбу, используя при этом алгоритм двоичного экс­поненциального отката, взятый из Ethernet.