CC BY
25
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 621.391 С. Н. НАЗАРОВ
АНАЛИЗ СПОСОБА МОДЕЛИРОВАНИЯ СЕТЕЙ БЕСПРОВОДНОЙ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ СТАНДАРТА IEEE 802.16 НА ОСНОВЕ МОДЕЛИ DOCSIS OPNET
Рассматриваются основные функции физического уровня (PHY) и уровня контроля доступа (MAC), стандартизированные в IEEE 802.16. Проводится анализ возможности моделирования сети стандарта IEEE 802.16 с использованием модели DOCSIS OPNET.
Ключевые слова: профиль пакета, базовая станция, станция подписчика.
Введение
Бурное развитие беспроводных сетей передачи информации (БСПИ) связано с такими их достоинствами, как гибкость структуры; высокая скорость передачи информации; низкие временные затраты на проектирование и развертывание сети; высокая степень защиты от несанкционированного доступа.
Современные телекоммуникационные технологии построения БСПИ базируются на совокупности научных, технических, технологических достижений во многих областях науки и техники: микроэлектроники, схемотехники, теории связи, вычислительной техники, современных методов производства [1].
Основными признаками классификации БСПИ являются: способ обработки первичной информации - цифровые и аналоговые; ширина полосы пропускания - узкополосные, широкополосные, сверхширокополосные; локализации абонентов - подвижные и фиксированные; географическая протяжённость - персональные, локальные, региональные, глобальные; вид передаваемой информации - системы передачи речи, видео, данных, гибридные.
Из всего многообразия БСПИ больший интерес вызывают системы широкополосного беспроводного доступа (BWA). В стандарте IEEE 802.16 осуществлена стандартизация физического уровня (PHY) и уровня контроля доступа (MAC) для систем BWA [2, 3].
© С. Н. Назаров, 2009
Краткий обзор основных положении стандарта IEEE 802.16
IEEE 802.16 MAC управляет доступом в обратном канале, используя разновидность системы TDMA - множественный доступ, назначенный по требованию (Demand Assined Multiple Access - DAMA). Базовая станция (BS) управляет распределением полосы пропускания в обратном канале. Станции подписчиков (SS) запрашивают о возможности передачи своих сообщений по обратному каналу. BS собирает эти запросы и предоставляет разрешения станциям подписчиков на основании соглашений по качеству их обслуживания. Эти возможности передачи могут быть предварительно оговорены для специфических подписчиков или могут быть сделаны доступными для соревнования всем SS. Восходящий канал разделён на поток минисло-тов. Система делит время на последовательность физических слотов (PS). Каждый физический слот имеет продолжительность, равную четырём символам модуляции. Каждый минислот - это некоторое количество PS. SS по обратному каналу может запрашивать дополнительные ресурсы в единицах минислотов. BS в течение «времени карты» принимает эти запросы и создаёт карту распределения, описывающую распределение канала. Сообщение о состоянии карты распределения передаётся по эфиру к SS. Сообщение карты (MAP) включает определённое число минислотов для доступа SS на соревновательной основе, информационные элементы (IE), которые определяют порядок использования SS ресурсов сети: запроса интервала в обратном канале, в течение которого SS может сделать запросы о полосе пропускания в обратном канале; начального обслуживания - определяют те временные интервалы, когда новые SS могут
войти в сеть; обслуживания станции - определяют временные интервалы, когда SS могут выполнить контроль мощности и расположения; тип пакета предоставления данных определяет временные интервалы, когда SS могут передать единицы данных протокола (PDU) по обратному каналу.
IEEE 802.16 MAC определяет планирование различных классов обслуживания. Каждая станция подписчика (SS) договаривается о её обслуживании с базовой станцией (BS) во время установления связи. Эта политика планирования проводится BS путём закрепления полосы пропускания в обратном канале для каждой SS. Ме-толы планирования, определённые в IEEE 802.16, основаны на методах, предлагаемых стандартом DOCSIS v.1.1 [4]. В IEEE 802.16 определены следующие услуги планирования: незапрашиваемое обслуживание предоставления (UGS), обслуживание опроса реального времени (rtPS), обслуживание опроса нереального времени (nrtPS) и принудительно улучшенное обслуживание (BE) [3].
Стандарт поддерживает различные схемы модуляции и прямого исправления ошибок (FEC). В обратном канале принудительно поддерживается тип модуляции QPSK, а 16-QAM и 64-QAM являются дополнительными. В прямом канале поддерживаются модуляции QPSK и 16-QAM, 64-QAM является дополнительной. В дополнение к этим схемам модуляции на PHY уровне стандарт также определяет различные техники FEC в восходящем и нисходящем канале. Их диапазон простирается от однокаскадного кода Рида - Соломона (RS) до кода RS, совмещённого с внутренним свёрточным кодом (Block Convolution Codes - ВСС [2].
Комбинации модуляций и схем FEC на PHY уровне, используемых как BS, так и SS, называют в зависимости от направления их передачи профилями пакетов в восходящем и »исходящем потоках. Об этих профилях пакетов договариваются между собой BS и каждая из SS на основании решений, принятых как в BS, так и в SS. Стандарт рекомендует, чтобы SS использовали отношение мощности принятого сигнала к сумме мощностей помех и шума как критерий для принятия решения об изменении профиля пакета. Каждая SS обязана определять качество сигнала в течение начального обслуживания и просить BS о специфическом профиле пакетов. После начального обслуживания SS обязана непрерывно контролировать качество передачи и управлять профилем пакета в нисходящем канале. BS может также контролировать полученное качество передачи и инструктировать SS в отношении переключения профилей пакетов в
восходящем канале. Такая способность к адаптации позволяет системе при ухудшении условий распространения в канале переключаться на более подходящий режим работы, обеспечивающий приемлемое качество канала. Определения порогов переключения осуществляется на основе определённых критериев эффективности функционирования с заданными показателями надёжности сети при использовании данных профилей пакетов.
Применение модели OPNET DOCSIS для сети стандарта IEEE 802.16
Для моделирования IEEE 802.16 MAC могут применяться модели DOCSIS OPNET [6,7,8,9]. Отличия IEEE 802.16 заключается в поддержке режима работы TDD в дополнение к режиму FDD; число байтов, переданных в минислоте, сохраняется постоянным при изменении символьной скорости, что, в свою очередь, изменяет продолжительность интервала времени, занимаемого минислотом; IEEE 802.16 работает на беспроводном PHY.
При моделирования усиления антенны и интерференции, воздействий различных других помех, таких как потери в радиолинии и шумы земли, фединги и многолучёвость, могут быть применены дополнительные инструменты такие, как MATLAB. За счёт использования МАТЬ А В для моделирования этих аспектов на PHY уровне удаётся обеспечить большую гибкость модели и вычислить таблицы коэффициентов ошибок (BER) [8].
Модель OPNET DOCSIS позволяет выполнять измерения для определения возможности соединения сети через шину передатчика и приёмника. При этом замена в процессе моделирования шины связи радиолинией приводит к некоторым прерывающим связь ошибкам. Поэтому на определённом этапе моделирования необходимо сохранять Приёмник Шины (OPC OBJTYPE BURX) и Передатчик Шины (OPC_OBJTYPE_BUTX) с изменением участков коаксиальной линии таким образом, чтобы они напоминали участки радиолинии, для этого необходимо осуществлять ввод двух BER для
нисходящего и восходящего соединений.
/
При моделировании рекомендуется использовать простейшую топологию «точка-многоточка», которая включает одну BS и две SS, использовать метод FDD. В начале моделирования BS посылает информацию MAP нисходящей линии (DL_MAP) вместе с информацией синхронизации. SS воспринимают информацию синхронизации и после её приёма обрабатывают сообщения BS. BS также передает Описатель Восходящего Канала (UCD) для всех SS. SS изучают конфигурацию
SS изучают конфигурацию восходящего канала после получения UCD и впоследствии посылают BS запрос о диапазоне (RNG REQUEST). BS использует этот запрос для того, чтобы определить задержку распространения между каждой SS и BS, и повторно посылает эту информацию в интервале ответа (RNG RESP) к SS с целью выбора момента времени передачи кадра для компенсации задержки. BS тогда посылает MAP с реальными возможностями для соревнования между SS. В зависимости от вида планирования обслуживания эти возможности могут или не могут использоваться. SS запрашивают BS о возможности передачи, a BS передаёт сообщения MAP, содержащие информацию о грантах. SS тогда передают данные, касающиеся восходящей линии, которые основываются на сообщении MAP.
При таком сценарии SS работает с использованием планирования UGS, при котором моделируются сеансы протокола передачи файла (FTP) между BS и SS. Для определения параметров сеанса FTP используются модели прикладной конфигурации OPNET и конфигурации профиля. BS работает как сервер FTP, в то время как SS выполняют операцию «получения» FTP для загрузки файлов, получаемых от сервера.
Для получения общих результатов используются максимально простые профили пакетов PHY: все профили пакетов PHY уровня, в которых используются QPSK, 16-QAM и 64-QAM, не применяют FEC; канал AWGN без учёта эффектов федингов или интерференции. Полученные BER для различных величин отношения сигнал/шум (SNR) используются на участках кабельной линии OPNET для оценки потери пакетов. Основные параметры данной модели представлены в таблице 1.
Анализ данного способа моделирования функционирования сети согласно стандарту IEEE 802.16 показывает, что при моделировании нисходящего канала возможно: применять собственные модели трафика протокола прикладного уровня модели взаимодействия открытых систем (МВОС), в частности рассмотрена модель трафика FTP; изменять профиль пакета и соответствующие ему скорости данных в прямом канале.
На рис. 1 показана задержка из конца в конец на уровне линии для SS как функция SNR и используемых схем модуляции. При изменении профиля пакета в нисходящем канале в направлении от QPSK к 64-QAM скорость данных в эфирном интерфейсе возрастает как функция количества бит на один символ. Возрастание скорости данных приводит в рассматриваемых кадрах MAC к уменьшению задержек при передаче. Это видно на кривых задержки для QPSK и 16-QAM. Если SNR спадает до уровней, при
Таблица !
Параметры моделирования сети 1ЕЕЕ 802.16 при реализации FTP-трафика
• о.«... «•..». . ......................... ......... - «!•• 1 ■ 1 ••« .. —.ими - ........ • —• Моделируемый параметр Величина
• Скорость данных в обратном канале 40 Мбит/с
Скорость данных ' в прямом канале QPSK - 40 Мбит/с; 16-QAM - 80 Мбит/с; 64-QAM - 120 Мбит/с
Количество байт на один минислот 8
Тип дуплекса FDD
Схема сетевого планирования UGS
1 Размер гранта 1024 байта
Профили пакетов PHY ;QPSK, 16QAM, 64QAM уровня без FEC
Модель используемого радиоканала f • AWGN без замираний
Профиль применения Размер файла FTP -100 Кбайт ;Интервал между запросами - 30 с
которых BER находится вблизи от 10-5 или 10-4, задержка начинает увеличиваться. Это явление возникает вследствие того, что TCP находится в фазе быстрой повторной передачи [7]. При величинах BER, превышающих 10-5 или 10-4, пакеты начинают быстро спадать, так как сказывается дополнительная задержка при повторной передаче TCP. Во время этой фазы не происходит спада при прохождении, а продолжается повторная передача потерянных пакетов. Таким образом, размер последовательности и соответствующая ему задержка на уровне MAC увеличивается, увеличивая в свою очередь и задержку из конца в конец линии. При дальнейшем спаде SNR ошибки становятся настолько частыми, что наступает перерыв TCP, и механизм управления накоплением приводит размеры окна накопления к единице и спадам прохождения. Это приводит к быстрому спаду задержки из конца в конец. Как уже было отмечено, эта точка на кривой совпадает с внезапным подъёмом задержки TCP.
Как видно из графиков на рис.2, при увеличении BER задержка TCP значительно увеличивается относительно величины, характерной для обычных величин SNR. Например, эти графики показывают, что профиль пакетов нисходящего потока должен изменяться путём перехода от 64-QAM к 16-QAM в случае, если SNR спадает ниже 19дБ.
-в- 64 ОАМ -Ъ- 16 QAM -в- OPSK
0.3 02 01
10 12 14 16 18 20
SNR (dB)
22
24
26
28
Рис. 1. Задержка из конца в конец на уровне линии
* 10
18 20 SUR (dB)
-е- 64 ОАМ -е- 16QAM
-е- opsk
26
23
Рис. 2. Задержка TCP как функция SNR
2000 1800 1600 1400
S 1200
I 1000 £ 800 600 ЛИ 200 О
-В- MQAM -в- 16 ОАМ -в- QPSK
10
12
-9—©-14
16 1в 20 SNR (<¡8}
Л—9—«
22
Рис. 3. Трафик, принимаемый станцией подписчика как функция SNR
На рис.3 представлены графики пропускной способности, измеренные для нисходящей линии в SS. Они отражают поведения TCP. Увеличение пропускной способности замечено в течение фазы быстрой повторной передачи, а снижение - в течение фазы медленного старта алгоритма контроля накопления TCP.
Заключение
В статье представлен достигнутый на настоящий момент времени уровень моделирования параметров радиолинии стандарта IEEE 802.16.
Для моделирования эфирного интерфейса WirelessMANTM были использованы расширенные функции программы моделирования OPNET, предложенные в работе [8].
Для проверки модели использовались только простые профили пакетов. Результаты показывают, что задержка TCP может служить достоверной мерой для определения пределов работы данного профиля пакета.
Расширение функциональности рассмотренного способа моделирования возможно за счёт реализации профилей пакетов с учётом FEC, мобильности SS, интерференции и замирания в канале, расширения количества используемых профилей для более точной настройки при переключении профилей пакетов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Шахнович, И. В. Современные технологии беспроводной связи / И. В. Шахнович. - М. : Техносфера, 2006. - 288 с.
2. IEEE 802.16-2001, "IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks - Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems," April 2002.
3. Eshler, T. J. "Adaptive Protocols to improve TCP/IP Performance in an LMDS Network Using a Broadband Channel Sounder," M.S. Thesis, Virginia Polytechnic Institute and State University, April 2002.
4. SCTE DSS 00-05," Data-Over-Cable Service Interface Specification (DOCSIS) SP-RFIvl. 1-105-000714, "Radio Frequency Interface 1.1 Specification," July 2000.
5. Eklund, C., R. B. Marks, K. L. Stanwood, and S. Wang, "EEEE Standard 802.16: A Technical Overview of the WirelessMANTM Air Interface for Broadband Wireless Access," IEEE Communications Mag., June 2002, vol. 40, no. 6, pp. 98-107.
4 6. IEEE 802.16.1mc-00/01,"Media Access Control Protocol based on DOCSIS 1.1," 1999.
7. Sater, G. Personal communication, May 2002.
8. Развитие стандарта IEEE 802.16 способствует его применению в сетях широкополосного доступа - http:// www.roks.com.ua//ru/info/our/ieee-802 - статьи, патенты ЗАО «РОКС».
9. Peterson, L. L. and В. S. Davie, Computer Networks: A Systems Approach, 2nd Edition, Morgan Kaufman Publishers, 1999. 5.
Назаров Сергей Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры информатики УВАУГА (института), докторант УлГТУ. Круг интересов - системы и сети беспроводной связи, математические методы моделирования.
