Имея асимметричный трафик, станции обычно чередуют передачу и прием. Этот метод называют TDD (Time Division Duplex — дуплекс с временным разделением).
Альтернативный метод, при котором станция посылает и получает данные в то же самое время (на различных поднесущих частотах), называют FDD (Frequency Division
Duplex — дуплекс с частотным разделением). WiMAX допускает оба метода, но пред-почителен TDD, потому что он более гибкий и его легче осуществить.
На рис. 4.29 показан пример структуры кадра, которая повторяется в течение долгого времени. Она начинается с преамбулы для синхронизации всех станций, затем следует нисходящая передача от базовой станции. Сначала базовая станция посылает карты, которые говорят всем станциям, как нисходящие и восходящие поднесущие назначены кадру. Базовая станция управляет картами, таким образом, она может выделять различную часть полосы пропускания станциям от кадра к кадру, в зависимости от потребностей каждой станции.
Рис. 4.29. Структура кадра для OFDMA и дуплекса с временным разделением
Затем базовая станция посылает пакет трафика абонентским и мобильным станциям на поднесущих в соответствии с временем, указанным в карте. Передачи нисходящего трафика заканчиваются защитным интервалом, позволяющим станциям переключиться с режима приема на передачу.
Наконец, абонентские и мобильные станции посылают свои пакеты трафика к базовой станции в восходящих позициях, которые были выделены для них в карте. Один из этих восходящих пакетов зарезервирован для масштабирования (ranging) — это процесс, при котором новые станции корректируют свою синхронизацию и запрашивают начальную полосу пропускания, чтобы соединиться с базовой станцией. Так как никакое соединение на данном этапе не установлено, новые станции только осуществляют передачу и надеются, что коллизий нет.
4.5.4. Стандарт 802.16: протокол подуровня MAC
Итак, уровень передачи данных разделен на три подуровня, как показано на рис. 2.28. Поскольку мы не будем вплоть до главы 8 касаться принципов криптографии, то сейчас нет смысла пояснять работу подуровня защиты информации. Достаточно сказать, что для сокрытия передаваемых данных применяется шифрование, причем шифруются только сами данные, а заголовки не шифруются. Это означает, что злоумышленник может узнать, кто с кем разговаривает, но не может подслушать содержание разговора.
Если вы уже знакомы с криптографией, то ниже приводится один абзац, из которого вы поймете, какие именно принципы применяются подуровнем защиты информации. В противном случае, в следующем абзаце вы найдете мало знакомых слов. Лучше перечитать его после ознакомления с главой 8.
Когда абонент соединяется с базовой станцией, выполняется взаимная идентификация с использованием алгоритма RSA с открытым ключом (сертификат X.509). Сама передаваемая информация шифруется с помощью симметричного криптографического ключа: или AES (Rijndael), или DES со сцеплением зашифрованных блоков (cipher block chaining). Целостность данных проверяется алгоритмом SHA-1. Ну что, не очень страшный абзац получился?
Теперь перейдем к общей части подуровня MAC. Подуровень MAC ориентирован на соединение и является точка-многоточечным, это означает, что одна базовая станция общается с несколькими абонентскими станциями. Большая часть этой схемы заимствована у кабельных модемов, в которых один головной узел кабеля управляет обменом с несколькими кабельными модемами в помещениях пользователей.
Канал нисходящего трафика устроен довольно просто. Базовая станция управляет пакетами физического уровня, которые используются, чтобы послать информацию различным абонентским станциям. Подуровень MAC просто упаковывает свои кадры в эту структуру. Существуют несколько различных вариантов уменьшения служебных данных. Например, кадры MAC можно посылать индивидуально или упаковаными один за другим в группу.
С восходящим каналом все несколько сложнее, поскольку имеются конкурирующие между собой станции, желающие получить доступ к нему. Его распределение тесно связано с вопросом качества обслуживания. Определены четыре класса сервисов.
1. Сервис с постоянной битовой скоростью.
2. Сервис реального времени с переменной битовой скоростью.
3. Сервис, работающий не в реальном масштабе времени, с переменной битовой
скоростью.
4. Сервис с обязательством приложения максимальных усилий по предоставлению
услуг.
Все предоставляемые стандартом 802.16 сервисы ориентированы на соединение, и каждое соединение получает доступ к одному из приведенных выше классов сервиса, что определяется при установке связи. Такое решение сильно отличается как от 802.11, так и от Ethernet, где отсутствовали какие-либо намеки на установление соединения на подуровне MAC.
Сервис с постоянной битовой скоростью предназначен для передачи несжатой речи, такой как передается по каналу T1. Здесь требуется передавать предопределенный объем данных в предопределенные временные интервалы, что реализуется путем назначения каждому соединению такого типа 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 полоса пропускания может меняться. Та или иная полоса выделяется базовой станцией, которая опрашивает абонента через определенные промежутки времени с целью выявления необходимой на текущий момент ширины канала.
Сервис, работающий не в реальном масштабе времени, с переменной битовой скоростью предназначен для интенсивного трафика — например, передачи файлов большого объема. Здесь базовая станция тоже опрашивает абонентов довольно часто, но не в строго установленные моменты времени. Соединения с этим сервисом могут также использовать описанный ниже сервис с обязательством приложения максимальных усилий, чтобы запросить полосу.
Наконец, 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 восходящего потока как доступные для конкуренции. Если запрос прошел удачно, это будет отмечено в следующей карте распределения нисходящего потока. В противном случае абонент-неудачник должен продолжать борьбу. Для минимизации числа коллизий используется взятый из Ethernet алгоритм двоичной экспоненциальной выдержки.
4.5.5. Стандарт 802.16: структура кадра
Все кадры подуровня управления доступом к среде (MAC) начинаются с одного и того же заголовка. За ним следует (или не следует) поле данных, и кончается кадр также не обязательным полем контрольной суммы (CRC). Структура кадра показана на рис. 4.30. Поле данных отсутствует в служебных кадрах, которые предназначены, например, для запроса временных интервалов. Контрольная сумма (как ни странно) тоже является необязательной, благодаря тому, что исправление ошибок производится на физическом уровне, и никогда не бывает попыток повторно переслать кадры информации, передающейся в реальном масштабе времени. Так если все равно нет повторных передач, зачем же беспокоить аппаратуру вычислением и проверкой контрольных сумм? Но если контрольная сумма есть, она стандартная для IEEE 802, а подтверждения и повторные передачи используются для надежности.
Давайте кратко рассмотрим поля заголовка (рис. 4.30, а). Бит EC говорит о том, шифруется ли поле данных. Поле Тип указывает тип кадра (в частности, сообщает о том, пакуется ли кадр и есть ли фрагментация). Поле CI указывает на наличие либо отсутствие поля финальной контрольной суммы. Поле EK сообщает, какой из ключей шифрования используется (если он вообще используется). В поле Длина содержится информация о полной длине кадра, включая заголовок. Идентификатор соединения сообщает, какому из соединений принадлежит кадр. В конце заголовка имеется поле Контрольная сумма заголовка, значение которого вычисляется с помощью полинома х8 + х2 + x + 1.
