Ключевыми факторами, стимулирующими спрос на широкополосные сети доступа по радиоканалам, являются огромный рост объема беспроводной и мобильной связи, появление приложений мультимедиа, потребность в высокоскоростном доступе в Интернет. Современные беспроводные сети связи, изначально узкополосные, наиболее часто используются для услуг телефонной связи с коммутацией каналов. Эволюция беспроводных систем мобильной связи второго поколения и разработка систем третьего поколения ориентированы на реализацию в сетях скоростей передачи до 2 Мбит/с на радиоканал. Такие скорости значительно расширяют возможности приложений с пакетной передачей данных и приложений мультимедиа для мобильной связи. В то же время, с применением новейших технологий беспроводной связи, в локальных сетях могут быть достигнуты значительно более высокие скорости. Типичными для таких сетей являются критичные к задержкам интерактивные услуги мультимедиа, например, передача видеопрограмм с высоким качеством, приложения с архитектурой "клиент-сервер", доступ к банкам данных. Более того, новые беспроводные широкополосные сети ориентированы на реализацию высокоскоростных интегрированных услуг (с передачей данных, речи и видео) с экономически оправданным качеством сервиса (QoS). Для реализации адекватных этим задачам передающих и сетевых технологий, на исследования и стандартизацию были потрачены значительные силы. Инженерная группа по разработке стандартов Интернет (IETF), Международный союз электросвязи (ITU) и Форум АТМ создали спецификации для опорной фиксированной сети. Аналогично участники проекта BRAN (Широкополосные сети доступа по радиоканалу) Европейского института стандартизации электросвязи также работают над стандартами для различных видов беспроводных широкополосных сетей доступа. Один из этих стандартов, названный HIPERLAN/2 (Высокопроизводительная локальная радиосеть, тип 2), призван обеспечить высокоскоростной доступ к различным опорным широкополосным сетям и движущимся терминалам (портативным, а также мобильным). В Японии ассоциация MMAC, работающая под эгидой ARIB, также начала разработку разнообразных систем высокоскоростного радиодоступа на частоте 5 ГГц для пользователей делового и квартирного секторов. Одна из таких систем для деловых приложений в корпоративных сетях и сетях общего пользования была гармонизирована с HIPERLAN/2.
До начала работы по стандартизации HIPERLAN/2 в ETSI был разработан стандарт HIPERLAN/1 для сетевой поддержки портативных устройств. Основным содержанием этого стандарта было использование асинхронного режима передачи и механизма множественного доступа, взятого от семейства локальных сетей шинного типа со случайным доступом (CSMA) с предотвращением конфликтов (СА). Посредством использования механизмов CSMA/CA достигалось разделение пропускной способности доступного радиоканала между активными пользователями, которые делают попытки передачи информации в течение одного интервала времени. Хотя в сети HIPERLAN/1 поддерживался транспортный механизм для услуг с разделением времени, все же качество услуги на участке беспроводного звена не контролировалось и не гарантировалось. Такая сеть рассматривалась как система по принципу "лучшее из возможного". Для ETSI это и было главным стимулом к разработке нового поколения стандартов с поддержкой асинхронной передачи данных и услуг, критичных к задержкам.
В то время как в ETSI разрабатывался стандарт HIPERLAN/2, американский Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) начал создание спецификаций для физического уровня нелицензируемого диапазона Национальной информационной инфраструктуры США, чтобы расширить свой стандарт IEEE 802.11 для высокоскоростных приложений. В результате был предложен стандарт IEEE 802.11a, в котором было предусмотрено использование того же протокола доступа к среде (MAC), что и для диапазона ISM (2,4 ГГц). В отличие от HIPERLAN/2, стандарт IEEE 802.11a применяется, главным образом, для приложений с асинхронной передачей данных в качестве обязательного рабочего режима.
Стандарт HIPERLAN/2 дополняет современные системы беспроводного доступа, предоставляя пользователям с ограниченной мобильностью высокую скорость передачи информации на загруженных участках. Типичная среда применения данного стандарта — офисы, жилые дома, выставочные залы, аэропорты, вокзалы и т.п. (рис. 2). На рис. 3 показана персональная сеть (PAN) пользователя, получающего доступ к своей сети по системе HIPERLAN/2 — к Интернет, интранет или к другому терминалу, совместимому с HIPERLAN/2. В отличие от этого стандарта, технология Bluetooth1 используется, в основном, для связи между отдельными устройствами в пределах персональной сети.
Стандарт HIPERLAN/2 содержит спецификации сети радиодоступа, которая может быть реализована с различными опорными сетями. Это становится возможным благодаря:
Рис. 7. Архитектура протоколов HIPERLAN/2.
При этом уже разработаны или разрабатываются в настоящее время специальные уровни конвергенции для взаимодействия с:
Рис. 8. Общая структура уровня конвергенции.
Блоки данных, передаваемые по этим опорным сетям, могут различаться по формату: длине, типу и содержанию. Сегментация блоков данных в блоки данных пользователя услуги уровня DLC стандарта HIPERLAN/2 (U-SDU) выполняется на специальном уровне конвергенции этого стандарта, после чего блоки U-SDU передаются к месту назначения с помощью услуг передачи данных уровней PHY и DLC.
В стандарте HIPERLAN/2 поддерживается мобильность терминалов со скоростью передвижения до 10 м/с. Кроме того, в нем предусмотрены возможности управления в средах с различной помеховой обстановкой за счет:
В основе радиоинтерфейса в стандарте HIPERLAN/2 лежат дуплексный режим с временным разделением канала (TDD) и множественный доступ с временным разделением канала (TDMA). Стандарт HIPERLAN/2 представляет собой гибкую платформу, на базе которой разнообразные приложения мультимедиа для офиса и дома могут поддерживаться со скоростью передачи до 54 Мбит/с. Офисный мобильный терминал принимает данные по фиксированной корпоративной сетевой инфраструктуре или сети общего пользования. Кроме качества услуги для мобильных терминалов в сети могут поддерживаться услуги по защищенной передаче и мобильному административному управлению при переходе терминалов от одной сети к другой, например, от локальной к глобальной сети или от корпоративной к сети общего пользования. В домашней обстановке стандартом поддерживается гибкое взаимодействие беспроводных цифровых устройств пользователя при низких расценках.
Система HIPERLAN/2 опирается на топологию сети сотовой связи в комбинации со специальными сетевыми функциями. В HIPERLAN/2 предусмотрена поддержка двух базовых режимов функционирования: централизованный (СМ) и прямой (DM).
Централизованный режим ориентирован на топологию сети сотовой связи, в которой управление каждой сотой осуществляется от общей для определенной географической области точки доступа (AP). В этом режиме мобильные терминалы взаимодействуют между собой или с опорной сетью через точку доступа. Централизованный режим используется, в основном, для бизнес-приложений внутри и вне помещения в условиях, для которых область покрытия превышает границы соты.
Прямой режим функционирования предназначен для специфической сетевой топологии частного жилого сектора или условий, при которых область обслуживания полностью покрывается одной сотой сети радиопередачи. В данном режиме мобильные терминалы в сети, покрываемой одной сотой, могут обмениваться данными непосредственно друг с другом. Выделением ресурсов радиопередачи для мобильных терминалов управляет точка доступа.
На уровне конвергенции (CL) предусмотрены две основные функции: адаптация запросов от более высоких уровней к услуге, предоставляемой уровнем DLC, и преобразование пакетов протоколов высшего уровня фиксированной или переменной длины в блоки данных услуги (SDU) фиксированной длины, которые используются в протоколах уровня DLC.
Возможны два типа уровня конвергенции:
Для соответствующей адаптации услуг Ethernet, IEEE 1394, PPP и универсальной мобильной связи (UMTS) определены отдельные подуровни конвергенции услуг (SSCS).
Функция заполнения, сегментации и сборки блоков данных с фиксированной длиной услуги на уровне DLC является ключевой возможностью, позволяющей стандартизировать и реализовать функции уровней PHY и DLC независимо от типа опорной сети. На рис. 6 показано отображение блоков данных протокола высшего уровня на пакеты физического уровня. Для передачи полезной информации блоки данных уровня DLC представляют собой блоки данных протокола (PDU) "длинного" транспортного канала (LCH); для сообщений управления используются блоки PDU "короткого" транспортного канала (SCH).
Уровень DLC состоит из подуровня управления радиозвеном (RLC), протокола защиты от ошибок (ЕС) и протокола МАС.
На уровне RLC поддерживается три главные функции управления:
В целом подуровень RLC предназначен для обмена данными на плоскости управления между точкой доступа и мобильным терминалом. Например, пусть мобильный терминал формирует ассоциативную связь с точкой доступа с помощью средств сигнализации RLC. После завершения процедуры установления ассоциативной связи мобильный терминал может запросить выделенный канал управления радиоканала для передачи по нему данных. В спецификациях HIPERLAN/2 такой радиоканал передачи данных рассматривается как соединение уровня DLC. Мобильный терминал может запросить даже несколько соединений DLC, для каждого из которых точкой доступа может поддерживаться индивидуальный набор параметров качества услуги (QoS). В то же время установление соединения не обязательно приводит к немедленному выделению радиоресурса в точке доступа, однако мобильный терминал сразу получает уникальный адрес DLC, который соответствует соединению на уровне DLC.
Для поддержки разных типов услуг определены следующие режимы работы защиты от ошибок:
Адресная передача данных конкретному устройству (unicast) реализуется при использовании режимов как с подтверждением, так и без подтверждения. Режим широковещательной передачи данных (broadcast) реализуется либо с повтором, либо с без подтверждения. Режим многоадресной передачи (multicast) может быть реализован в режиме без подтверждения или с мультиплексированием по существующим соединениям с конкретными устройствами.
Длительность базовой части кадра для передачи информации в радиоинтерфейсе фиксирована и равна 2 мс. Кадр также содержит поля управления: безадресной передачей, структурой кадра, обратным каналом, передачей данных в прямом и обратном направлениях, а также случайным доступом. В процессе передачи в прямом направлении каждый кадр содержит дополнительное поле управления передачей в прямом направлении. Поле управления безадресной передачей всегда имеет фиксированную длину, в то время как длина других полей динамически адаптируется к текущим характеристикам трафика.
Информация в поле безадресной передачи данных (BCH) посылается в каждом кадре МАС и позволяет, в основном, поддерживать управление ресурсами радиопередачи. Поле канала кадра (FCH) содержит точное описание назначения ресурсов в пределах данного кадра МАС. Поле канала доступа с обратной связью (АСН) транспортирует информацию о предыдущих попытках при случайном доступе. Поля информации о нагрузке в прямом и обратном направлениях содержат данные о нагрузке к (от) мобильному(го) терминалу(а). Трафик нескольких соединений к (от) мобильному(го) терминалу(а) может быть мультиплексирован в одну последовательность блоков PDU, в которой каждому соединению принадлежат поля LCH длиной 54 октета для данных и поля SCH длиной 9 октетов для сообщений управления.
В стандарте HIPERLAN/2 предусмотрена поддержка работы с многовибраторной (многосекторной) антенной с целью улучшения использования ресурса и снижения помех при радиопередаче. Для протокола МАС и структуры кадра HIPERLAN/2 поддерживается работа с многовибраторной антенной с числом вибраторов до 8.
Когда на мобильном терминале есть данные для передачи по определенному соединению DLC, от него сначала должен быть послан запрос ресурса (RR) пропускной способности к точке доступа. Этот запрос содержит данные о числе блоков LCH PDU, ожидающих на мобильном терминале передачи по конкретному соединению DLC. С помощью системы разделения на временные интервалы для посылки сообщения RR мобильный терминал может использовать разное количество интервалов времени для передачи полезной информации. При возникновении конфликта мобильный терминал получает информацию об этом в поле АСН следующего кадра МАС. После этого мобильный терминал "сбрасывает" значение случайного числа временных интервалов доступа.
После передачи запроса ресурсов к точке доступа мобильный терминал переходит в режим, в котором возможности передачи заранее спланированы как для прямого, так и для обратного направления. Планирование ресурсов выполняется в точке доступа. Время от времени из точки доступа может осуществляться опрос мобильного терминала с целью получения информации о наличии блоков PDU для передачи. Аналогично от мобильного терминала может передаваться информация о его состоянии посредством посылки запроса ресурсов через RCH.
Рис. 9. Зависимость процента отношения пропускной способности к максимально возможной (CDF) от отношения сигнал-помеха (C/I) для входящего (DL) и исходящего (UL) потоков для выставочного зала .
В стандарте HIPERLAN/2 определены процедуры измерений и сигнализации, предназначенные для поддержки ряда функций сети радиопередачи, включая динамический выбор частотного канала, адаптацию на уровне звена, передачу управления доступом, работу с многовибраторными антеннами и управление энергетическими характеристиками. При этом алгоритмы разрабатываются самими производителями оборудования. Поддерживаемые функции сети радиопередачи позволяют развернуть соты системы HIPERLAN/2 с полным покрытием и высокими скоростями передачи данных для различных условий. Система автоматически назначает частоты для связи с каждой точкой доступа, причем динамический выбор частот (DFS) позволяет разным операторам совместно использовать одну полосу. Выбор частот базируется на процедурах измерения интерференции, выполняемых в точке доступа и на взаимодействующих с ней мобильных терминалах.
Качество звена радиопередачи зависит как от среды распространения сигнала, параметры которой меняются со временем, так и от загрузки соседних радиосот. Для работы в таких условиях применяется схема адаптации звена на физическом уровне, в которой скорость кода и схема модуляции выбираются на основе измерений качества радиоканала. Адаптация звена используется как в прямом, так и в обратном направлениях. Качество звена измеряется в точке доступа на входящем направлении и, посредством индикатора FCH, показывает, какой режим для мобильного терминала на физическом уровне должен использоваться для входящей связи. Аналогично на мобильном терминале измеряется качество звена на исходящем направлении, в результате чего в каждом запросе ресурса, поступающем к точке доступа, предлагается режим исходящей связи на физическом уровне для мобильного терминала. В точке доступа происходит окончательный выбор режима на физическом уровне как для входящей, так и исходящей связи.
Контроль энергетических характеристик передатчика поддерживается на мобильном терминале (исходящая связь) и в точке доступа (входящая связь). Этот тип контроля на мобильном терминале используется, в основном, для упрощения конструкции приемника в точке доступа, так как позволяет избежать необходимости реализации автоматического контроля коэффициента усиления. В точке доступа контроль энергетических характеристик вводится, в первую очередь, в целях электромагнитной совместимости с другими системами, работающими в том же диапазоне частот.
В системе HIPERLAN/2 качество услуг поддерживается за счет возможности определения и управления различными ресурсами передачи в точке доступа во время передачи. В точке доступа производится выбор соответствующего режима защиты от ошибок (с подтверждением, без подтверждения или с повтором), включая детальную настройку параметров протокола (например, размер "окна" ARQ, число повторных передач, критерии отбрасывания). Кроме того, в точке доступа определяется объем полезной информации и информации сигнализации на уровне МАС, которая должна быть передана в текущем кадре МАС. Например, посредством периодического опроса мобильного терминала о наличии данных для передачи в точке доступа для терминала предоставляется ресурс радиопередачи с малой задержкой доступа. Механизм опроса обеспечивает быстрый доступ к услугам в режиме реального времени. Дополнительно поддержка качества услуг включает в себя функции адаптации звена и внутренние функции системы (механизмы допуска, управления перегрузкой и сброса).
Блоки данных, передаваемые на физическом уровне HIPERLAN/2, представляют собой пакеты переменной длины. Каждый пакет состоит из преамбулы и поля данных. Поле данных, в свою очередь, состоит из последовательности SCH и блоков LCH PDU, которые передаются или принимаются мобильным терминалом.
В качестве схемы модуляции для HIPERLAN/2 было выбрано мультиплексирование с ортогональным частотным разделением (OFDM), позволяющее обеспечить хорошую помехоустойчивость для радиоканалов со сложной помеховой обстановкой. В таких радиоканалах и при скорости передачи информации от 25 Мбит/с, когерентная OFDM в среднем обеспечивает на 2-3 дБ характеристики помехоустойчивости лучше, чем использование одной несущей. Недостатком OFDM является относительно большой пик-фактор, который применительно к стандарту HIPERLAN/2 на 2-3 дБ больше, чем при одной несущей.
В качестве стандартного радиоканала был выбран канал с полосой частот 20 МГц. Этот стандартный канал разбивается на 64 поднесущие для возможности использования в модуляторе алгоритма 64-точечного обратного быстрого преобразования Фурье (IFFT), формирующего OFDM-символ. При этом поднесущие следуют через 20/64=0.3125 МГц. C целью минимального взаимного влияния соседних каналов из 64 возможных поднесущих реально используется лишь 52: 48 для передачи информации и 4 пилот-сигнала для управления когерентной демодуляцией.
Ключевой функциональной возможностью физического уровня является поддержка семи режимов физического уровня с различными скоростями кодирования и схемами модуляции, выбираемыми при адаптации звена (табл.1). Поддерживается двоичная и квадратурная фазовая манипуляция (BPSK, QPSK), 16-квадратурная амплитудная модуляция (16QAM), а также (при необходимости) 64QAM для модуляции поднесущих. В качестве базового канального помехоустойчивого кода (FEC) используется сверточный код со скоростью 1/2 и кодовым расстоянием 7. Скорости кода 9/16 и 3/4 реализуются выкалыванием базового кода.
Каждый пакет протокола физического уровня включает в себя преамбулу, которая может быть одного из трех следующих типов:
Преамбула пакетов для канала прямого звена идентична преамбуле пакетов "длинного" входящего канала. Преамбула канала управления безадресной передачей позволяет поддерживать кадровую синхронизацию, автоматический контроль усиления, частотную синхронизацию и процедуру оценки параметров канала. Напротив преамбула пакетов исходящего трафика используется исключительно для процедуры оценки параметров радиоканала. Пакеты входящего трафика и пакеты быстрого доступа позволяют поддерживать процедуры оценки параметров радиоканала и частоты. Таким образом, существуют разные преамбулы с различной структурой и длиной. В зависимости от возможностей приемника в точке доступа может осуществляться выбор одного из двух типов преамбул для исходящего трафика. Мобильный терминал должен обязательно поддерживать каждый тип преамбулы.
Терминалы осуществляют тактовую синхронизацию по преамбуле BCH. Результаты моделирования показали, что даже при наихудших значениях отношения сигнал-шум (5 дБ мощности в канале с широкой дисперсией затухания и разбросом задержки в 250 нс), вероятность успешной синхронизации в HIPERLAN/2 составляет 96%. Таким образом, в HIPERLAN/2 поддерживаются средства быстрой, эффективной и надежной синхронизации.
В настоящее время проведено моделирование системы HIPERLAN/2 для офисного пятиэтажного здания с несколькими мобильными терминалами и выставочного зала. В качестве математической модели среды радиосвязи между терминалами и точкой доступа была выбрана расширенная модель Кинана-Мотлима, которая учитывает зависимость затухания сигнала в стенах от расстояния, этажности здания и т.п. Покрытие офисного здания обеспечивалось 8-ю точками доступа. Условия выставочного зала моделировались большим одноэтажным зданием без внутренних стен, а покрытие зала обеспечивалось 16-ю точками доступа, равномерно расположенными на расстоянии 60 м друг от друга по всей площади зала. Для обоих случаев мобильность терминалов (перемещение людей) учитывалась наличием замирания сигнала с дисперсией 2 дБ. Терминалы были размещены в здании случайным образом с равномерным распределением, а каждой точке доступа соответствовал один активный терминал. При этом использовалась стратегия, при которой каждому терминалу выделялся одинаковый объем радиоресурса, выраженный в числе передаваемых OFDM-символов в единицу времени. Интерференция моделировалась исходя из предположения, что есть второй оператор связи, который использует 11 из 19 рабочих каналов (несущих). Взаимное проникновение соседних каналов было установлено на уровне 25 дБ. Для обеспечения постоянного уровня мощности приема в точке доступа использовалось управление мощностью исходящего трафика. Процедура адаптации звена моделировалась путем изменения положения терминалов каждые 10 кадров MAC. В каждом интервале между изменениями оценивалась пропускная способность для всех режимов физического уровня, и во время следующего интервала использовался режим, при котором была достигнута максимальная пропускная способность на предыдущем интервале. Результатом моделирования явилась оценка средней пропускной способности для всех терминалов.
Стандарт HIPERLAN/2 представляет собой описание системы высокоскоростного (до 54 Мбит/с) радиодоступа на расстояниях до 150 м для диапазона 5 ГГц.
Исследования подтверждают, что высокая пропускная способность может быть достигнута в различных условиях. Для условий сильной интерференции в стандарте предусмотрены централизованное управление (поддержка QoS), избирательный повтор ARQ, процедуры адаптации звена и динамический выбор частоты. При этом поддерживается взаимодействие с широкополосными опорными сетями различных типов.
