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).



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.

1.9 Обеспечение качества обслуживания

Используя скоростные радиолинии, асимметричное соотношение между пропускной способностью «вниз» и «вверх», тонкую настройку ресурса и гибкий механизм распределения ресурса, мобильный WiMAX может выполнить требования по качеству обслуживания (QoS) для широкого диапазона услуг передачи данных и различных приложений.

На уровне управления доступом к среде качество обслуживания обеспечивается посредством сервисных потоков. Они представляют собой однонаправленные потоки пакетов, которые обеспечивают конкретный набор параметров QoS.

Перед началом обслуживания некоторого типа данных базовая станция и пользовательский терминал устанавливают однонаправленное логическое соединение между MAC с одинаковыми характеристиками (peer-to-peer). Далее MAC доставляет информацию по этому логическому соединению. Параметры QoS, связанные с этим сервисным потоком, определяют порядок и планирование передачи по радиоинтерфейсу. В соответствии с параметрами этого потока могут динамически управляться характеристики сервиса. Такое управление должно обеспечивать качество обслуживания в обоих направлениях. Для потока с другим QoS устанавливается другой логический канал.



1.10 Служба планирования управления доступом к среде

Служба MAC мобильного WiMAX разработана для эффективного предоставления широкополосных услуг, включая речь, данные, видео, по изменяющемуся во времени каналу. Служба планирования MAC имеет следующие составляющие:

Быстрый планировщик. Планировщик MAC должен эффективно распределить доступные ресурсы в ответ на изменение трафика и изменяющееся во времени состояние канала. Пакеты данных, связанные с обслуживанием потока, для которого точно определены параметры QoS на МАС-уровне, обслуживаются планировщиком так, чтобы порядок передачи пакетов через радиоинтерфейс был определен корректно.

Канал индикации качества канала при этом обеспечивает передатчику быструю обратную связь информации канала, что дает возможность планировщику выбрать соответствующее кодирование и модуляцию для каждого распределения ресурсов.

Адаптивная модуляция/кодирование, объединенная с автоматическим запросом повторной передачи, обеспечивает устойчивую передачу по изменяющемуся во времени каналу.

1.11 Управление мощностью

Мобильный WiMAX имеет два режима для управления мощностью -- «спящий» режим и свободный режим.

«Спящий» режим -- это состояние перед началом обмена с обслуживающей базовой станцией по радиоинтерфейсу. Этот период характерен тем, что мобильная станция не готова к приему или передаче информации «вниз» или «вверх». «Спящий» режим предназначен для экономии мощности мобильной станции и ресурсов радиосети. Он предоставляет возможность MS сканировать другие базовые станции, чтобы подготовить хэндовер в этом режиме.

Свободный режим -- это механизм, позволяющий MS быть периодически доступной для связи «вниз» и приема широковещательных сообщений без регистрации в заданной базовой станции, когда MS пересекает зоны многих базовых станций. Достоинство свободного режима в том, что он устраняет лишние запросы на хэндовер и освобождает базовые станции и сеть от лишних работ по передаче вызова. В то же время он имеет возможность принять сигнал о необходимости приема трафика, направленного «вниз».

1.12 Инициализация вызова и запрос полосы

Физический уровень позволяет разместить поступающие вызовы в частотной радиополосе, предоставленной данной базовой станции. Процесс инициализации вызова используется не только на первоначальном этапе, но и периодически при работе подвижной станции для регулировки параметров, например, при временных сдвигах или изменениях уровня мощности.

В случае инициативы абонентской станции к базовой передается специальный запрос на инициализацию. (При входящей связи сигнал запроса на инициализацию не требуется). Приняв сигнал запроса, базовая станция начинает процесс инициализации. Вначале формируется псевдослучайная последовательность. Эта последовательность формируется генератором псевдослучайного кода с помощью циклического полинома. Всего для запроса предусмотрен набор из 256 кодов. Код -- последовательность бинарных символов длиной 144 бита. Символы модулированы методом двоичной фазовой манипуляции (BPSK -- Binary Phase Shift Keying). Для передачи этой последовательности используется 6 смежных подканалов с 24 поднесущими каждый. В качестве исходных данных для формирования псевдослучайного кода используется идентификатор соты ID Cell. Значение самого кода зависит от момента обращения к генератору псевдослучайных чисел и числа тактов формирования последовательности.

Базовая станция формирует три последовательности кодов:

N -- код процесса инициализации;

М -- код процесса периодической подстройки;

L -- код запроса полосы.

При начальной инициализации необходимы все три последовательности.

Получив наборы псевдослучайных кодов в соответствии с номером (идентификатором) базовой станции и картой распределения информации (UL-MAP), абонентская станция определяет местоположение различной информации в сообщении. Абонентская станция случайным образом выбирает один код из предложенного множества и передает его обратно к базовой станции.

Различные абонентские станции могут конкурировать за пропускную полосу, и их запросы могут прийти на базовую станцию одновременно. Базовая станция выбирает одну из них и посылает ей в ответ информацию. В ответном сообщении размещается следующая информация: полученный псевдокод, подканал и номер того OFDM-символа, в котором был передан этот код. Абонентская станция, приняв это подтверждение, подготавливается к принятию информации о выделяемом ресурсе. В следующем широковещательном сообщении передается информация: идентификатор соединения (CID -- Connection ID), идентификатор сервиса (SID), необходимые для контроля параметры. Далее абонентская станция начинает процедуру аутентификации и регистрации.

С учетом возможности поступления одновременных вызовов, код, выбранный абонентской станцией, транслируется в двух последовательных символах. Это обеспечивает интервал времени, достаточный для разрешения конфликта. В случае значительной вероятности одновременного поступления многих вызовов на базовую станцию указанный интервал увеличивают за счет посылки четырех последовательных сообщений.

Если передается сообщение периодической подстройки параметров, то оно передается в одном символе. Сообщение запроса полосы указывает номер полосы.

1.13 Передача вызова (хэндовер)

Существует три метода передачи вызова, реализуемые стандартом IEEE 802.16е -- жесткий хэндовер HHO (Hard Handover), быстрое переключение базовой станции FBSS (Fast Base Station Switching) и хэндовер с макроразнесением MDHO (Macro Diversity Handover). Из них, HHO -- обязательный, a FBSS и MDHO -- два необязательных (опциональных) режима.

В рамках стандарта IEEE 802.16е WiMAX Forum разработал несколько методов для того, чтобы оптимизировать жесткий хэндовер. Эти усовершенствования были введены с целью обеспечить время процедуры передачи вызова не более чем 50 мс.

Когда реализуется метод быстрого переключения базовой станции FBSS, мобильная и базовая станции обслуживают список станций, на которые может переключиться данная мобильная станция (MS). Набор, включенный в этот список, называется активным набором. MS непрерывно контролирует базовые станции в активном наборе. Среди базовых станций активного набора есть станция, через которую мобильная станция может получить доступ к сети связи -- базовая станция привязки (ABS -- Anchor Base Station). Когда мобильная станция работает по методу FBSS, она соединяется только с ABS для обмена сообщениями «вниз» и «вверх», включая сообщения технического обслуживания и сообщения трафика. Переход от одной ABS к другой BS (то есть, коммутация BS) выполняется без явного обмена сообщениями хэндовера.

Процедуры модификации ABS позволяют передать сообщение об интенсивности сигнала обслуживающей BS через канал индикации качества канала CQICH.

Хэндовер по методу FBSS начинается с решения MS получить или транслировать данные от ABS, которые могут изменить активный набор. MS сканирует соседние базовые станции и выбирает те, которые могут быть включены в активный набор. Анализ списка выбранных станций (отчет) и процедура модификации активного набора выполняются совместно базовой и мобильной станциями. Мобильная станция постоянно контролирует интенсивность сигналов базовых станций, которые находятся в активном наборе, и выбирает одну из этого набора для того, чтобы она использовалась как ABS.

Мобильная станция сообщает о выборе ABS по каналу индикации качества или мобильной станции, передавшей запрос о хэндовере. Важнейшее требование FBSS состоит в том, чтобы данные передавались одновременно всем членам активного набора базовых станций, которые могут обслужить данную мобильную станцию.

Когда реализуется хэндовер с макроразнесением (MDHO), мобильная станция может получить доступ к сети связи через станцию привязки. В этом режиме мобильная станция обменивается в направлениях «вниз» и «вверх» однонаправленными и двунаправленными сообщениями, переносящими информацию, с единственной станцией, записанной в активный набор.

Хэндовер с макроразнесением начинается тогда, когда мобильная станция решает проводить обмен с несколькими станциями в одно и тоже время. Для направления «вниз» MDHO обеспечивает обмен сообщениями мобильной станции с двумя или более базовыми станциями, а объединение этих сообщений происходит на одной базовой станции. Для направления «вверх» сообщение от мобильной станции получается многими базовыми станциями, где выполняется определение ее новой ABS.



1.14 Защита связи

Безопасность в сетях WiMAX

Сети беспроводного доступа WiMAX, основанные на стандарте IEEE 802.16, являются сегодня новой быстро развивающейся телекоммуникационной технологией. Вопросы безопасности в них, также как и в сетях WiFi (IEEE 802.11), стоят более острым образом чем в проводных сетях, в связи с легкостью получения физической возможности подключения к сети. Стандарт IEEE 802.16 определяет протокол PKM (privacy and key management protocol), протокол приватности и управления ключом. На самом же деле, имеется в виду конфиденциальность (confidentiality), а не приватность (privacy).

Security Associations

Security Association (SA, ассоциация безопасности) - это данные о безопасности, которые разделяют базовая станция и один или несколько ее абонентов, для обеспечения защищенной передачи данных по сети WiMAX. SA бывают двух типов:

Data Security Association, ассоциация безопасности для данных.

Authorization Security Association, ассоциация безопасности для авторизации.

Data Security Association

Data SA бывают трех типов:

Primary SA, основная SA.

Static SA, статическая SA.

Dynamic SA, динамическая SA.

Primary SA устанавливаются абонентской станцией на время процесса инициализации. Базовая станция затем предоставляет static SA. Что касается dynamic SA, то они устанавливаются и ликвидируются по мере необходимости для сервисных потоков. Как Static SA, так и Dynamic SA могут быть одной для нескольких абонентских станций. Data SA состоит из

16-битный идентификатор SA.

Метод шифрования, применяемый для защиты данных в соединении.

Два Traffic Encryption Key (TEK, ключ шифрования траффика), текущий и тот, который будет использоваться, когда у текущего TEK закончится срок жизни.

Два двухбитных идентификатора, по одному на каждый TEK.

Время жизни TEK. Может иметь значение от 30 минут до 7 дней. Значение по умолчанию полдня.

Два 64-битных вектора инициализации, по одному на TEK (требуется для алгоритма шифрования DES).

Индикатор типа data SA (primary, static или dynamic).

Абонентские станции обычно имеют одну data SA для вторичного частотного канала управления (secondary management channel); и либо одну data SA для соединения в обе стороны (uplink и downlink), либо одну data SA для соединения от базовой станции до абонентской и одну - для обратного.

Authorization Security Association

Абонентская станция и базовая станция разделяют одну ассоциацию для безопасности авторизации. Базовая станция использует authorization SA для конфигурирования data SA. Authorization SA состоит из:

сертификат X.509, идентифицирующий абонентскую станцию, а также сертификат X.509, идентифицирующий производителя абонентской станции.

160-битовый ключ авторизации (authorization key, AK). Используется для аутентификации во время обмена ключами TEK.

4-битовый идентификатор ключа авторизации.

Время жизни ключа авторизации. Может иметь значение от 1 дня до 70 дней. Значение по умолчанию 7 дней.

128-битовый ключ шифрования ключа (Key encryption key, KEK). Используется для шифрования и распределения ключей TEK.

Ключ HMAC для нисходящих сообщений (downlink) при обмене ключами TEK.

Ключ HMAC для восходящих сообщений (uplink) при обмене ключами TEK.

Список data SA, для которых данная абонентская станция авторизована.

KEK вычисляется следующим образом:

1. Проводится конкатенация шестнадцатеричного числа 0x53 с самим собой 64 раза. Получаются 512 бит.

2. Справа приписывается ключ авторизации.

3. Вычисляется хэш-функция SHA-1 от этого числа. Получаются 160 бит на выходе.

4. Первые 128 бит берутся в качестве KEK, остальные отбрасываются.

Ключи HMAC вычисляются следующим образом:

1. Проводится конкатенация шестнадцатеричного числа 0x3A (uplink) или 0x5C (downlink) с самим собой 64 раза.

2. Справа приписывается ключ авторизации.

3. Вычисляется хэш-функция SHA-1 от этого числа. Получаются 160 бит на выходе. Это и есть ключ HMAC.

Extensible Authentication Protocol

Extensible Authentication Protocol (EAP, расширяемый протокол аутентификации) - это протокол, описывающий более гибкую схему аутентификации по сравнению с сертификатами X.509. Она была введена в дополнении к стандарту IEEE 802.16e. EAP-сообщения кодируются прямо в кадры управления. В связи с этим в протокол PKM были добавлены два новых сообщения PKM EAP request (EAP-запрос) и PKM EAP response (EAP-ответ). Стандарт IEEE 802.16e не устанавливает какой-либо определенный метод аутентификации EAP, эта область сейчас активно исследуется.

Privacy and Key Management Protocol

Privacy and Key Management Protocol (PKM Protocol) - это протокол для получения авторизации и ключей шифрования траффика TEK.

На рисунке 1.14.1 показана процедура авторизации.

Рисунок 1.14.1 - Процедура авторизации

1. Абонентская станция начинает обмен, посылая сообщение, содержащее X.509 сертификат изготовителя абонентской станции. Обычно этот сертификат никак не используется базовой станцией, хотя возможно настроить базовую станцию так, что авторизоваться будут только абонентские станции от доверяемых производителей.

2. Сразу после первого сообщения, абонентская станция отправляет сообщение, содержащее X.509 сертификат самой абонентской станции, ее криптографические возможности и идентификатор основной SA (Primary SA).

3. Базовая станция по сертификату абонента определяет, авторизован ли он. Если он авторизован, она посылает сообщение, содержащее зашифрованный ключ авторизации, последовательный номер данного ключа авторизации, его время жизни, а также список идентификаторов Static SA, в которых абонент авторизован. Ключ авторизации шифруется алгоритмом RSA с публичным ключом, получаемым из сертификата абонентской станции. Однажды авторизовавшись, абонентская станция будет периодически переавторизовываться.

На рисунке 1.14.2 изображен обмен ключами Traffic Encryption Keys (TEK).



Рисунок 1.14.2 - Передача ключа шифрования данных

1. (Опционально) Базовая станция посылает сообщение, принуждающее абонентскую станцию обновить ключ шифрования траффика TEK. Сообщение содержит:

- последовательный номер ключа авторизации, который был использован при генерации HMAC

- идентификатор того SA, TEK которого необходимо обновить

HMAC для того, чтобы абонентская станция могла проверить подлинность этого сообщения.

2. В ответ на первое сообщение (при успешной проверке HMAC), или же по собственной инициативе абонентская станция посылает запрос на обновление ключа TEK, содержащий:

последовательный номер ключа авторизации, который был использован при генерации HMAC

идентификатор того SA, TEK которого необходимо обновить (совпадает с идентификатором из первого сообщения, если оно было)

HMAC для того, чтобы базовая станция могла проверить подлинность этого сообщения.

3. Если предыдущее сообщение пройдет аутентификацию HMAC, базовая станция посылает сообщение, содержащее:

- последовательный номер ключа авторизации, который был использован при генерации HMAC

- идентификатор SA, для которого проводится обновление ключа TEK

- прежний TEK, т.е. текущий TEK того SA, для которого запрошено обновление

- новый TEK, т.е. TEK, который будет использоваться, когда истечет срок жизни текущего TEK

- HMAC для проверки подлинности данного сообщения.

Оба ключа TEK передаются в зашифрованном виде. В IEEE 802.16 для этого используется тройной DES в режиме электронной кодовой книги c ключом KEK:

Рисунок 1.14.3 - Шифрование DES в режиме электронной кодовой книги

Здесь KEK 1 - это первые 64 бит ключа KEK, а KEK 2 - последние 64 бит ключа KEK.

Шифрование данных

Стандарт IEEE 802.16 использует алгоритм DES в режиме сцепления блока шифров для шифрования данных.

В настоящее время DES считается небезопасным, поэтому в дополнении к стандарту IEEE 802.16e для шифрования данных был добавлен алгоритм AES. Сам процесс шифрования показан на рисунке 1.14.3 (для алгоритма DES).

Рисунок 1.14.4 - Процесс шифрования данных при помощи алгоритма DES в режиме CBC

Шифрование данных проходит следующим образом: Вектор инициализации из данного data SA и поле синхронизации проходят побитовую операцию исключающего ИЛИ и подаются как инициализирующий вектор алгоритму DES в режиме сцепления блока шифров (CBC, cipher block chaining). Также на вход схемы подается ключ TEK для шифрования и открытый текст сообщения. Алгоритм выдает зашифрованный текс. Заголовок Generic MAC header (GMH) не меняется за исключением битового поля EC, а концевик CRC, если он имеется, меняется под зашифрованный текст.

Шифрование AES

Стандарт 802.16e определяет использование шифрования AES в четырех режимах:

Cipher Block Chaining (CBC, режим сцепления блока шифров)

Counter Encryption (CTR, шифрование счетчика)

Counter Encryption with Cipher Block Chaining message authentication code (CCM, счетчиковое шифрование с message authentication code, полученным сцеплением блока шифров). Добавляет возможность проверки подлинности зашифрованного сообщения к режиму CTR.

Electronic Code Book (ECB, режим электронной кодовой книги). Используется для шифрования ключей TEK.

AES в режиме CCM, последовательность Nonce.

Рисунок 1.14.5 - AES в режиме CCM

В режиме CCM, для шифрования полезной информации передающая станция генерирует на каждый пакет nonce - байтовую последовательность, первые 5 байт которой представляют собой начало Generic MAC Header. Далее идут 4 зарезервированных байта, имеющих нулевые значения. Затем следует 4-байтовый номер пакета Packet Number (PN) в данном data SA. Значение Packet Number ставится в 1 при установлении нового data SA или нового TEK.

Блок CBC.

Рисунок 1.14.6 - Блок СВС



Блок CBC состоит из однобайтового флага, имеющего значение 00011001, последовательности nonce и поля, содержащего длину информационной части сообщения.

Блок Counter.

Рисунок 1.14.7 - Блок counter

Блок Counter состоит из однобайтового флага, имеющего значение 00000001, последовательности nonce и поля, содержащего номер i Counter-блока. Число i может меняться от нуля до n, где n - количество Counter-блоков, необходимых для покрытия всего сообщения и кода message authentication code.

Создание и шифрование message authentication code в AES - CCM

При создании message authentication code используется модифицированный режим CBC, в котором вместо инициализирующего вектора IV, к началу информационной части сообщения присоединяется начальный (нулевой) блок CBC. Далее эта пара зашифровывается алгоритмом AES в режиме CBC с ключом TEK. Последние 128 бит зашифрованного текста берутся в качестве message authentication code (кода аутентичности). Далее message authentication code шифруется побитовым сложением по модулю два исходного message authentication code и зашифрованного, с помощью алгоритма AES в режиме CTR начального (нулевого) Counter-блока.

Шифрование информационной части сообщения.



Рисунок 1.14.8 - Шифрование информационной части сообщения

Каждый из n оставшихся Counter-блоков (нулевой уже был задействован в шифровании message authentication code) зашифровывают методом AES в режиме CTR с ключом TEK. Затем результат складывают побитовым сложением по модулю два с информационной частью сообщения. Полученный зашифрованный текст вместе с зашифрованным message authentication code, номером пакета данных, заголовком Generic MAC Header и CRC-концевиком отправляется на физический уровень. При этом в заголовке GMH поле EC (Encryption Control) устанавливают в единицу, поскольку данные были зашифрованы, а в двухбитовом поле EKS (Encryption Key Sequence) стоит индекс использованного при этом ключа TEK (traffic encryption key).

На рисунке 1.14.9 показано шифрование message authentication code в AES - CCM



Рисунок 1.14.9 - шифрование message authentication code в AES - CCM

Уязвимости в стандарте IEEE 802.16

Атаки физического уровня, такие как глушение передачи сигнала, ведущее к отказу доступа или лавинный наплыв кадров (flooding), имеющий целью истощить батарею станции. Эффективных способов противостоять таким угрозам на сегодня нет.

Самозваные базовые станции, что связано с отсутствием сертификата базовой станции. В стандарте проявляется явная несимметричность в вопросах аутентификации. Предложенное решение этой проблемы - инфраструктура управления ключом в беспроводной среде (WKMI, wireless key management infrastructure), основанная на стандарте IEEE 802.11i. В этой инфраструктуре есть взаимная аутентификация с помощью сертификатов X.509.

Уязвимость, связанная с неслучайностью генерации базовой станцией ключей авторизации. Взаимное участие базовой и абонентской станции, возможно, решило бы эту проблему.

Возможность повторно использовать ключи TEK, чей срок жизни уже истек. Это связано с очень малым размером поля EKS индекса ключа TEK. Так как наибольшее время жизни ключа авторизации 70 суток, т.е. 100800 минут, а наименьшее время жизни ключа TEK 30 минут, то необходимое число возможных идентификаторов ключа TEK - 3360. А это означает, что число необходимых бит для поля EKS - 12.

Еще одна проблема связана, как уже упоминалось с небезопасностью использования шифрования DES. При достаточно большом времени жизни ключа TEK и интенсивном обмене сообщениями возможность взлома шифра представляет реальную угрозу безопасности. Эта проблема была устранена с введением шифрования AES в поправке к стандарту IEEE 802.16e. Однако, большое число пользователей до сих имеет оборудование, поддерживающее лишь старый стандарт IEEE 802.16.



2. Построение сети доступа в проектируемом районе

2.1 Назначение проектируемой сети связи

Проектом организуется подключение абонентов районов МЖК, Гавань и микрорайона Октябрьский, для предоставления физическим и юридическим лицам услуг доступа в интернет, локальным ресурсам (ftp), а также мобильному IP цифровому телевидению.

Для организации выхода пользователей в сеть Интернет, предоставления услуг передачи данных, проектом предусматривается подключение проектируемых узлов доступа через проектируемые узлы агрегации к существующей магистральной сети оператора связи (с целью уменьшения затрат на дополнительную прокладку кабеля и покупку нового оборудования). Также проектируемые базовые станции будут располагаться на принадлежащих компании узлах радиодоступа.

Проектируемая сеть будет состоять из проводного и беспроводного участков. Беспроводной участок сети является последней милей и состоит из трех базовых станций WiMAX. Базовые станции, в свою очередь, посредством мультиплексоров подключаются к транспортному оптическому кольцу SDH ЗАО «Сибинтертелеком». Физически существующие «сайты» находятся по адресам: ул. Красной Звезды 7 (Цирк) и Геодезическая 45. По этим адресам проходит транспортное кольцо компании. По адресу ул. Аргунская 44 «сайт» только готовится к постройке и вводу в эксплуатацию, поэтому туда потребуется рассчитать транспортный участок сети на основе ВОЛС. Схема расположения базовых станций в проектируемом районе представлена в приложении А.

2.2 Расчет емкости сети

Для предоставления пользователям услуг доступа к информационным ресурсам сети Интернет проектируемая сеть охватывает районы: МЖК, район Гавань, а также микрорайон Октябрьский.

При расчете количества абонентов проектируемой сети доступа в проектируемом районе следует учитывать два фактора:

1) Количество жителей, имеющих возможность подключения.

2) Количество жителей, желающих подключиться именно к данной сети.

В данном районе проектируемой сети доступа высока доля частного сектора, где отсутствуют какие-либо поставщики проводных услуг доступа к сети интернет. Конкуренцию будут составлять лишь мобильные операторы, предоставляющие доступ к сети интернет по технологии 3G. Также в данном районе присутствует достаточное количество и многоквартирных домов, в которых уже присутствуют другие поставщики данного вида услуг.

Статистически установленные коэффициенты: 80% жителей частного сектора желают подключиться к сети доступа и доля рынка компании составляет 70%. В многоквартирных домах доля рынка, строящей сеть, составляет 33% и желающих подключиться к сети 50%. Таким образом, расчетные коэффициенты будут равны:

для частного секора (2.2.1)

для многоквартирных домов (2.2.2)

Исходя из этого только 56% жителей частного сектора данного района и 16,5% жителей многоквартирных домов являются потенциальными абонентами проектируемой сети доступа. Рассчитаем общее количество вероятных абонентов в проектируемом районе.

В данном микрорайоне находится более 400 частных домов:

(2.2.3)



Однако в связи с тем, что в данном микрорайоне нет представителей других компаний, количество подключившихся абонентов будет увеличиваться.

И более 50 многоквартирных многоэтажных домов, с более чем 4000 квартир

(2.2.4)

Итого:

(2.2.5)

Нагрузка - трафик создаваемый абонентами за определенное количество времени. Так же нагрузка является эквивалентом скорости передачи за определенный промежуток времени (секунды, час).

Трафик рассчитывается в час максимальной загрузки сети и в час средней загрузки. Нагрузка на центральный терминал в час средней загрузки рассчитывается по формуле:

, Мбит/с; (2.2.6)

В данном дипломном проекте нагрузка от одного абонента в час средней загрузки будет рассчитана по данным, предоставленными компанией «Сибинтертелеком»: скорость V на одного абонента в час средней загрузки составляет V=6 Мбит/с, количество N абонентов проектируемой сети - 884.

Тогда:

Мбит/с (2.2.7)

На одну базовую станцию будет приходиться треть всех абонентов. Рассчитаем максимальную нагрузку:



Мбит/с (2.2.8)

Что входит в возможности беспроводной точки доступа.

2.3 Расчет зоны обслуживания с использованием модели Окамуры-Хата

Исходные данные:

Тип местности: Город средних размеров;

· тип стандарта: IEEE802.16е - Mobile WiMAX;

· вид модуляции принимающей стороны: 64QAM;

· коэффициент усиления антенны:

· БС: 14 дБ;

· МС: 18 дБ;

· высота антенны:

· БС: 40 м,

· МС: 1,5 м;

· мощность передатчика БС: 40 Вт;

· потери в фидере антенны БС: 4,4 дБ;

· потери в дуплексере - 1 дБ;

· потери в комбайнере - 3 дБ;

· К мшу = 25 дБ.

В соответствии с этой моделью величина затухания сигнала при распространении в городских районах определяется по формуле 2.3.1:

(2.3.1)

Где - частота излучения, МГц;

- расстояние между БС и МС, км;

- высота антенны БС, м;

- высота антенны МС, м;

-поправочный коэффициент, учитывающий высоту антенны МС в зависимости от размеров города, дБ.

Частоту излучения выбираем из диапазона стандарта (2495 - 2690) МГц равной 2500МГц.

Расстояние между БС и МС выбираем равным 2км.

Высота антенн БС и МС над землей по заданию равно 40 и 1,5 метров соответственно.

Поправочный коэффициент, учитывающий высоту антенны МС, рассчитаем для городов средних размеров в дБ, определяется по формуле 2.3.2:

(2.3.2)

Таким образом, с учетом данных: сеть станция

Определяем величину затухания сигнала по формуле 2.3.1:

Размеры зоны покрытия базовой станции будут определяться дальностью связи между базовой и мобильной станциями. Дальность связи будет определяться путем решения первого уравнения связи по формуле 2.3.3:

(2.3.3)

где РПС [дБм] - уровень мощности полезного сигнала на входе приемной антенны в дБм;

РИЗЛ [дБм] - уровень эффективной изотропно излучаемой мощности передатчика в дБм;

L(R, hБС, hMC) [дБ] - затухание сигнала при распространении в небольшом городе;

ВТ [дБ] - дополнительные потери сигнала при работе с портативной абонентской станцией, которые составляют величину около 3 дБ;

ВЭ [дБ] - дополнительные потери сигнала при работе с портативной абонентской станцией в здании или автомобиле (для автомобиля около 8 дБ, для здания 15 дБ ).

Уровень эффективной изотропно излучаемой мощности передатчика определяется по формуле 2.3.4:

(2.3.4)

где - уровень мощности передатчика в дБ/мВт;

Р'ПРД - мощность передатчика в Вт = 40 Вт;

[дБ] = - потери в фидере антенны передатчика;

[дБ/м] - погонное затухание в фидере антенны передатчика;

[м] - длина фидера антенны передатчика;

ВДПРД [дБ] - потери в дуплексере на передачу = 1 дБ;

ВК [дБ] - потери в комбайнере (устройстве сложения) = 3 дБ;

GПРД [дБ] - коэффициент усиления антенны передатчика = 15 дБ.

С учетом приведенных выше данных определяется по формуле 2.3.4:

Тогда уровень мощности полезного сигнала на входе приемной антенны находим по формуле 2.3.3:

Основным условием обеспечения связи будет необходимость превышения уровня мощности полезного сигнала на входе приемной антенны минимально необходимого уровня мощности (РПСмин), определяемого техническими характеристиками приемника согласно формуле 2.3.5:

(2.3.5)

где - чувствительность приемника в дБм

Р'ПРМ - чувствительность приемника в мкВт (в случае, если чувствительность приемника задается в дБм, то в качестве РПРМ используется именно это значение);

РПРМ = - 98 дБм;

RПРМ [Ом] - входное сопротивление приемника; - потери в фидере антенны приемника;

ВДПРМ [дБ] - потери в дуплексном фильтре на прием = 1 дБ;

КМШУ [дБ] - коэффициент усиления антенного тракта приема (МШУ) =25 дБ;

GПРМ [дБ] - коэффициент усиления антенны приемника =17 дБм.

С учетом всех данных находим минимальную мощность полезного сигнала по формуле 2.3.5:

Величина дополнительного запаса уровня мощности сигнала определяется статистическими параметрами сигнала на трассах подвижной связи, а именно стандартными отклонениями сигнала по месту (d[дБ]) и по времени (t[дБ]). При этом многочисленные экспериментальные исследования показали, что значение d зависит в основном от степени неровности местности и диапазона частот, а t - от дальности связи.

На расстояниях меньше 10 км значение стандартного отклонения зависит от дальности связи (r).Для практических вычислений эти данные с высокой степенью точности в диапазоне 300...3000 МГц аппроксимируются формулой 2.3.6:

(2.3.6)

Подставляя данные, получаем:

Стандартное отклонение сигнала по времени уt зависит от дальности связи и для точек приема, расположенных на расстоянии менее 100 км от передатчиков, определяется формулой 2.3.7:

(2.3.7)

Обобщенное значение стандартного отклонения сигнала по месту и по времени вычисляется по формуле 2.3.8:

(2.3.8)

Подставляя рассчитанные значения, получаем:

Дополнительный запас уровня сигнала рассчитывается по формуле 2.3.9:



РПСдоп= kтр (2.3.9)

где kтр - коэффициент логнормального распределения, обеспечивающий требуемую надежность связи.

Определяется из таблицы 2.3.1 для заданной вероятности и kтр = 1,645.

Таблица 2.3.1 - Значения величин и

	0.5	0.6	0.7	0.8	0.9	0.95	0.99
	0	0.253	0.524	0.842	1.282	1.645	2.326

Подставляя данные, получаем:

РПСдоп= 1,645*6,3= 10,4;

Таким образом, для того чтобы мощность сигнала на входе приемной антенны РПС, превышала минимальную мощность сигнала на входе приемной антенны РПСмин исходя из чувствительности приемника, с заданной вероятностью, необходимо, чтобы выполнялось условие 2.3.10:

РПС РПСмин + РПСдоп (2.3.10)

Значение требуемого уровня мощности сигнала на входе приемной антенны, обеспечивающей необходимую надежность связи

РПСтр=РПСмин+РПСдоп ,

РПСтр = -141+10,4 = -130,6 дБм

-150 - 130,6;

-112 - 130,6.

Максимально допустимые потери при распространении сигнала на трассе:

LДОП = РИЗЛ - РПСтр - ВТ - В (2.3.11)

LДОП1 = 52,6+130,6-3-8 = 172,2 дБм;

LДОП2 = 52,6+130,6-3-15 = 165,2 дБм.

Максимальная дальность связи решается уравнением:

L(R) = LДОП

Необходимо решить это уравнение графическим способом для этого найдем все необходимые параметры.

· Расчет для R=4км:

, дБ

, дБ

, дБ

, дБ

РПСдоп= kтр

РПСдоп= 1.6457,5= 12,3;

;

;

РПС РПСмин + РПСдоп ,

LДОП1 = 52,6+128,7 -3-8 = 170,3 дБм;

LДОП2 = 52,6+128,7 -3-15 = 163,3 дБм.

-115,2 дБм ? -128,7 дБм

-122,2 дБм ? -128,7 дБм - условие выполняется.

...