Protocol Layers si Topologii

Nivelurile topologice ale WiMAX

Standardul de retea IEEE 802.16 BWA aplica asa-zisul model de referinta OSI (Open Systems Interconnection), cunoscut si sub numele de modelul OSI cu 7 niveluri. Acest model este adesea folosit pentru a descrie diferitele aspecte ale tehnologiei de retea. Porneste de la Nivelul Aplicatie, sau nivelul 7, cel mai de sus si se termina cu Nivelul Fizic, sau nivelul 1, cel mai de jos (vezi Figura 3.1).

Figura – Modelul OSI pentru retele. In WiMAX sunt definite doar primele 2 layere

Modelul OSI separa functiile diferitelor protocoale in mai multe niveluri, fiecare nivel folosind doar functiile nivelului imediat inferior si exportand date doar nivelului imediat superior. De exemplu, IP (Internet Protocol) se afla la nivelul 3, sau nivelul retea. De obicei, numai nivelurile inferioare sunt implementate in hardware, in timp ce nivelurile superioare se implementeza in software.

Ultimele 2 niveluri sunt nivelul fizic, sau nivelul 1 si nivelul legatura de date, sau nivelul 2. IEEE 802 imparte nivelul OSI legatura de date in doua subniveluri denumite Logical Link Control (LLC – controlul legaturilor logice) si Media Access Control (MAC - controlul de acces la mediu). Nivelul fizic (PHY) face legatura fizica intre doua entitati care comunica (entitatile peer), in timp ce nivelul MAC este responsabil pentru stabilirea si mentenanta conexiunii.

Standardul IEEE 802.16 specifica interfata unui sistem BWA fix care ofera servicii multimedia. Nivelul MAC mentine o arhitectura initiala punct la multipunct (PMP), cu o top 828b18i ologie optionala mesh. Nivelul MAC este structurat pentru a sustine mai multe niveluri fizice (PHY) specificate in cadrul aceluiasi standard. De fapt, numai doua sunt folosite in WiMAX.

Arhitectura pe niveluri definita in WiMAX/802.16 este prezentata in figura 3.2. Se poate observa ca standardul 802.16 defineste doar ultimele doua niveluri, nivelul fizic si nivelul MAC, care este partea principala a nivelului legatura de date, cu nivelul LLC aplicand adeseori standardul IEEE 802.2. Nivelul MAC in sine este alcatuit din 3 subniveluri, subnivelul de convergenta (CS), partea comuna a subnivelului de acces la mediu (CPS) si subnivelul securitate.

Figura – Standardul 802.16 BWA – Protocol Layers

Dialogul dintre entitatile sau protocoalele corespondente ale fiecarui nivel se realizeaza dupa cum urmeaza. Un nivel X adreseaza un XPDU (Layer X Protocol Data Unit - Unitate de date a protocolului nivelului X) unui nivel corespunzator X (nivelul X al entitatii egale). Acest XPDU se receptioneaza ca un (X-1)SDU (Layer X-1 Service Data Unit - Unitate de date a servicului nivelului X-1) de catre nivelul X-1 al dispozitivului considerat. De exemplu, cand nivelul MAC al unui dispozitiv trimite un MPDU (MAC PDU) unui dispozitiv corespunzator, acest MPDU este receptionat ca un PSDU (SDU de nivel fizic) de catre nivelul fizic.

In acest capitol, sunt introduse diferitele niveluri. Fiecare dintre acestea si multe dintre functiile lor sunt descrise in urmatoarele paragrafe.

Convergence Sublayer (CS - Subnivelul de convergenta)

Subivelul de convergenta specific servicii (CS), deseori cunoscut doar ca CS, se afla chiar deasupra partii comune a subnivelului acces la mediu (MAC CPS) (vezi figura 3.2). CS utilizeaza servicii furnizate de MAC CPS prin punctul de acces la servicii MAC (SAP). CS executa urmatoarele functii:

Accepta PDU-uri de nivel inalt de la nivelurile superioare. In versiunea actuala a standardului, sunt prevazute specificatii CS pentru doua tipuri de niveluri superioare: CS mod de transfer asincron (ATM) si CS mod de transfer de pachete. Pentru cel din urma protocoalele pot fi IPv4 sau IPv6.

Clasificarea si schitarea MSDU-urilor in CID-uri (Connection IDentifier - identificatori de conexiune) echivalente. Aceasta este o functie de baza a mecanismului de management al QoS al 802.16 BWA.

Procesarea (daca este nevoie) a PDU-urilor de nivel inalt bazate pe clasificare

O functie optionala a CS este PHS (Payload Header Suppression - Reprimarea incarcaturii utile a antentului), procesul de reprimare a partilor incarcaturilor anteturilor care se repeta, cand pornesc de la expeditor si reconstruirea acestora la destinatie

Transmiterea PDU-urilor CS spre MAC SAP –ul corespunzator si receptia PDU-urilor CS de la entitatea egala

Medium Access Control Common Part Sublayer (MAC CPS - Partea comuna a subnivelului acces la mediu)

Partea comuna a subnivelului acces la mediu (CPS) se situeaza in centrul nivelului MAC. CPS reprezinta nucleul protocolului MAC si este responsabil pentru:

Alocarea latimii de banda;

Stabilirea conexiunii;

Mentinerea conexiunii intre cele doua parti comunicante.

Standardul 802.16-2004 defineste un set de mesaje de management si transfer. Mesajele de management sunt schimbate intre SS si BS inainte de si in timpul stabilirii conexiunii. Cand conexiunea este realizata, mesajele de transfer pot fi schimbate pentru a permite transmisiile de date.

CPS primeste date de la mai multe CS-uri, prin intermediul MAC SAP, clasificate pentru anumite conexiuni MAC. QoS se ia in considerare pentru transmisia si programarea datelor la nivelul fizic. CPS include multe proceduri de diferite tipuri: construirea de frame-uri, acces multiplu, cerinte si alocare de banda, programari, managementul resurselor radio, managementul QoS, etc.

Security Sublayer (Subnivelul securitate)

Subnivelul MAC contine deasemenea un subnivel separat de securitate, care furnizeaza autentificarea, gestionarea sigura de chei, controlul criptarii si al integritatii in sistemul BWA. Cele doua subiecte principale a securitatii retelei de date sunt criptarea datelor si autentificarea. Algoritmii care rezolva aceste obiective ar trebui sa preintampine toate atacurile de securitate cunoscute a caror obiective pot fi refuzul serviciilor (denial of service), furtul serviciilor (theft of service), etc.

In standardul 802.16 criptarea conexiunilor intre SS si BS se realizeaza cu un protocol de criptare a datelor aplicat in ambele sensuri. Acest protocol defineste un set de grupuri criptografice acceptate, cum ar fi algoritmii de autentificare si criptarea pe perechi de date. Un protocol de incapsulare este utilizat pentru criptarea pachetelor de date peste BWA. Acest protocol defineste un se de grupuri criptografice acceptate, cum ar fi algoritmii de autentificare si criptarea pe perechi de date. Regulile pentru aplicarea acestor algoritmi peste informatia utila a MAC PDU sunt de asemenea furnizate.

Un protocol de autentificare, si anume Managementul Cheilor de Confidentialitate (PKM) este folosit pentru a furniza distribuirea securizata a datelor de criptare de la BS la SS. Prin acest schimb securizat al cheilor, datorita protocolului de management al cheilor, SS si BS sincronizeaza datele de criptare. Mecanismele de baza ale confidentialitatii sunt intarite adaugand autentificarea SS bazata pe cheie digitala la protocolul de management al cheilor. Mai mult, BS utilizeaza protocolul PKM pentru a garanta accesul conditional la serviciile retelei. Amendamentul 802.16e a definit PKMv2 care are aceleasi idei de baza ca si PKm, redenumit PKMv1, cu niste adaugiri cum ar fi algoritmi de criptare noi, autentificare reciproca intre SS si BS, suport pentru un handover si un algoritm nou de control al integritatii.

PHYsical Layer (PHY - Nivelul fizic)

WiMAX este un sistem BWA. Asadar, datele se transmit la viteze mari pe interfata aerului prin intermediul undelor electromagnetice (radio) folosind o frecventa data (frecventa de operare).

Nivelul PHY stabileste o conexiune fizica de ambele parti, adeseori in ambele directii (uplink si downlink). Cum 802.16 este evident o tehnologie digitala, nivelul PHY este responsabil pentru transmiterea secventelor de biti. El defineste tipul de semnal folosit, tipul de modulatie si demodulatie, puterea de transmisie si de asemenea alte caracteristici fizice.

Standardul 802.16 utilizeaza frecvente in banda 2-66 GHz. Aceasta banda este impartita in doua parti:

Prima parte este in intervalul 2 si 11 GHz si este destinata pentru transmisii NLOS. Acesta a fost standardul 802.16a. Este singurul interval inclus in prezent in WiMAX.

Al doilea interval este intre 11 si 66 GHz si este destinat pentru transmisii LOS. Nu se foloseste pentru WiMAX.

Standardul 802.16 defineste cinci interfete fizice. Aceste interfete sunt prezentate in tabelul 3.1 Cele cinci interfete fizice sunt descrise fiecare intr-o sectiune specifica a standardului 802.16 (si in amendamentele sale). Optiunile MAC (AAS,ARQ,STC,HARQ,etc.) vor fi descrise mai incolo in aceasta lucrare. Ambele moduri principale de duplexare, si anume Transmisie Duplex prin Divizarea in Timp (TDD) si Transmisie Duplex prin Divizarea Frecventei (FDD), pot fi incluse in sistemele 802.16.

Tabelul – Cele 5 interfete definite in standardul 802.16

Pentru frecventele din intervalul 10-66 GHz (LOS), este specificat nivelul fizic WirelessMAN-SC PHY. Pentru frecventele sub 11 GHz sunt propuse trei interfete:

WirelessMAN-OFDM, cunoscut ca OFDM si utilizand transmisia OFDM;

WirelessMAN-OFDMA, cunoscut ca OFDMA si folosind transmisia OFDM si Acces multiplu cu divizare in frecvente ortogonale (OFDMA), cu nivelul fizic OFDMA, descris in sectiunea 8.4 a standardului 802.16, fiind complet rescris intre 802.16-2004 si 802.16e;

WirelessMAN-SCa, cunoscut ca si SCa si utilizand modulari cu purtatoare unica

Sunt date unele specificatii pentru benzile de frecventa utilizate pentru 802.16-2004 in cadrul nivelului fizic al retelei WirelessHUMAN (Retea metropolitana la viteza mare fara licenta). Frecventa fara licenta este inclusa in certificarea WiMAX fix. Pentru benzi de frecventa fara licenta, pe langa caracteristicile mentionate in tabelul 3.1, standardul pretinde mecanisme de genul Selectarii dinamice a frecventelor (DFS - Dynamic Frequency Selection), pentru a facilita detectarea si evitarea interferentelor si prevenirea interferentelor daunatoare asupra altor utilizatori, inclusiv utilizatorii de spectru specific identificati de regulamente ca utilizatori prioritari.

WiMAX ia in considerare numai nivelurile PHY OFDM si OFDMA ale 802.16 (vezi figura 3.3).

Figura - Partea comuna a subnivelului de acces la mediu al IEEE 802.16 poate fi folosita cu doua niveluri PHY posibile in WiMAX 802.16

Purtatoare unica (SC) si OFDM

Utilizarea OFDM mareste capacitatea datelor si, in consecinta, eficienta latimii benzii cu privire la transmisia clasica cu purtatoare unica (SC). Acest lucru se obtine avand purtatoarele foarte apropiate si totusi evitand interferentele datorita caracterului ortogonal al acestor purtatoare. Asadar, OFDM are o eficienta buna a spectrului. In termeni de biti/Hz sunt adeseori date numere ca 3.5-5 b/s Hz pentru eficienta spectrului. Aceste valori sunt mai mari decat cele obisnuite pentru CDMA (acces multiplu cu divizare prin cod) utilizat pentru 3G, desi aceasta presupunere nu este definitiva deoarece depinde in mare parte de mediu si alti parametri de sistem.

Modelul de referinta al managementului retelei

Amendamentul 802.16f furnizeaza imbunatatiri pentru IEEE 802.16-2004, definind o Baza de management al informatiilor (Management Information Base - MIB) pentru nivelurile MAC si PHY si procedurile de management asociate. Acest document descrie folosirea unui protocol management al retelei (Simple Network Management Protocol - SNMP), si a unui protocol IETF (Internet Engineering Task Force – IETF: RFC-urile 1902, 1903, 3411-5 si 3418) ca un model de referinta al managementului retelei.

802.16f se constituie dintr-un sistem de management al retelei (Network Management System NMS), noduri dirijate si o baza de date a fluxului de servicii (vezi figura 3.4). Nodurile dirijate de BS si SS aduna si memoreaza obiectele dirijate, in formatul MIB al Interfetei WiressMan si wmanDevMib, definite in documentul 802.16f, si care sunt disponibile pentru NMS-uri prin protocoale de management, cum ar fi SNMP. Baza de date a fluxului de servicii contine fluxul de servicii si informatiile de QoS asociate, care trebuie sa conlucreze cu BS si SS cand un SS intra intr-o retea BS.

Figura – Model de referinta al managementului retelei, asa cum este el definit in 802.16f

Topologii WiMAX

Standardul IEEE 802.16 defineste doua topologii de retea posibile:

Topologia PMP (Punct la Multipunct) (vezi figura 3.5);

Topologia de tip mesh sau modul mesh (vezi figura 3.6).

Figura – Topologia Punct la Multipunct (PMP)

Figura – Topologie Mesh – BS nu mai este centrul topologiei

Diferenta principala dintre cele doua moduri este urmatoarea: in modul PMP, traficul poate avea loc doar intre un BS si SS-urile sale, in timp ce in modul Mesh traficul poate fi rutat prin ale SS-uri pana la BS si poate exista doar intre SS-uri. PMP este o topologie centralizata unde BS este centrul sistemului in timp ce in topologia Mesh nu este. Elementele unei retele Mesh sunt denumite noduri, de exemplu, un SS Mesh este un nod.

In topologia Mesh, fiecare statie poate isi poate crea comunicatii cu orice alta statie din retea si nu este restrictionata sa comunice doar cu BS-ul. Asadar, un avantaj major al modului Mesh este ca accesibilitatea unui BS poate fi mult mai mare, depinzand de numarul de salturi, pana la cel mai distant SS. Pe de alta parte, folosind modul Mesh se ridica problema deja mult-studiatului subiect de cercetare al rutarii ad hoc in retele (fara infrastructura fixa).

Cand e autorizat intr-o retea Mesh, un nod SS candidat primeste un ID de nod de 16 biti in urma unei cereri catre un SS identificat ca BS-ul retelei Mesh. ID-ul nodului sta la baza identificarii nodului. ID-ul nodului este transferat in subantetul Mesh al unui frame MAC generic in mesajele unicast si in cele multicast.

Primele desfasurari ale retelei WiMAX sunt planificate sa urmareasca in principal topologia PMP. Topologia Mesh nu este inca o parte a profilului de certificare WiMAX (Septembrie 2006). S-a reportat ca unii producatori planuiesc sa includa caracteristica Mesh in cadrul produselor lor, chiar inainte ca aceasta sa devina parte a profilului de certificare.