Τεχνολογία. WIMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access

Transcript

1 Τεχνολογία WIMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ...2 Πρόλογος...3 Ορισµός τεχνολογίας WiMAX...4 Στόχοι τεχνολογίας WiMAX...5 ΠΡΩΤΟ ΜΕΡΟΣ...8 Περιγραφή Προτύπου Υποεπίπεδο σύγκλισης ειδικευµένο στις υπηρεσίες Κοινό υποεπίπεδο MAC Υποεπίπεδο Ασφαλείας Φυσικό Επίπεδο...30 ΕΥΤΕΡΟ ΜΕΡΟΣ...32 Εφαρµογές και υπηρεσίες που παρέχονται από την τεχνολογία WIMAX...33 ΤΡΙΤΟ ΜΕΡΟΣ...42 Γιατί να επιλέξουµε την τεχνολογία WiMAX για το δίκτυο µας;...43 Επεξήγηση και ανάλυση ορισµένων όρων του κειµένου...44 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ...46

3 Πρόλογος Η εργασία αυτή εστιάζει στο γνωστικό πεδίο της ασύρµατης επικοινωνίας ευρυζωνικών δικτύων. Ειδικότερα, πρόκειται για τη τεχνολογία WiMAX ή Worldwide Interoperability for Microwave Access. Στην εργασία αναλύονται ζητήµατα που αφορούν τα τεχνικά χαρακτηριστικά της τεχνολογίας (1 ο µέρος), καθώς και οι εφαρµογές που έχει η τεχνολογία αυτή στη καθηµερινή ζωή (2 ο µέρος). Τέλος, γίνεται µία αναφορά στα πλεονεκτήµατα της τεχνολογίας (3 ο µέρος). Στόχος είναι να αναφερθούν µε σύντοµο και περιεκτικό τρόπο οι λειτουργίες αυτής της τεχνολογίας και να προσδιοριστούν οι υπηρεσίες και τα οφέλη που θα έχει κάποιος χρησιµοποιώντας προϊόντα της τεχνολογίας WiMAX. Κλείνοντας, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον καθηγητή µου κ. Γεώργιο Ξυλωµένο για τις παρατηρήσεις και την πολύτιµη βοήθειά του κατά τη διάρκεια της συγγραφής. Στην επόµενες δύο σελίδες δίνεται ένας σύντοµος ορισµός της τεχνολογίας και οι στόχοι για τους οποίους δηµιουργήθηκε.

4 Ορισµός τεχνολογίας WiMAX Η τεχνολογία WiMAX παρέχει σταθερή, φορητή και πραγµατικά κινητή ασύρµατη ευρείας ζώνης PTP (point-to-point) και PTMP (point-to-multi-point) συνδεσιµότητα χωρίς την ανάγκη για απευθείας γραµµή ορατότητας (line-of-sight) µε ένα σταθµό βάσης και είναι µια εναλλακτική λύση σε σχέση µε τις τεχνολογίες DSL και τις ενσύρµατες τεχνολογίες.

5 Στόχοι τεχνολογίας WiMAX Η τεχνολογία WiMAX αναπτύχθηκε έχοντας υπ όψιν πολλούς στόχους. Μερικοί εξ αυτών, διακρίνονται στο σχήµα που ακολουθεί.

6 Πιο αναλυτικά: 1. Ευέλικτη αρχιτεκτονική: Η WiMAX υποστηρίζει διάφορες αρχιτεκτονικές συστηµάτων, περιλαµβάνοντας τις Απ άκρο εις άκρο (Point-to-Point), Από Ένα προς Πολλά σηµεία (Point-to-Multipoint), και ευρύτερη κάλυψη. Το WiMAX επίπεδο Ελέγχου Προσπέλασης Μέσων (MAC (Media Access Control)) υποστηρίζει πολλαπλή (Point-to- Multipoint) και ευρεία (ubiquitous) υπηρεσία προγραµµατίζοντας µία χρονική στιγµή για κάθε σταθµό συνδροµητή (Subscriber Station (SS)). Αν υπάρχει µόνο ένας SS στο δίκτυο, ο σταθµός βάσης (WiMAX Base Station (BS)) θα επικοινωνεί µε τον SS σε µία Point-to-Point βάση. Ένας BS σε µία Point-to-Point διάταξη µπορεί να χρησιµοποιεί µία πιο κοντινή κεραία δέσµης (beam antenna) για κάλυψη µεγαλύτερων αποστάσεων. 2. Υψηλή ασφάλεια: Η τεχνολογία WiMAX υποστηρίζει τις δηµόσιες κρυπτογραφικές µεθόδους AES (Advanced Encryption Standard) and 3DES (Triple DES, Data Encryption Standard). Κρυπτογραφώντας τους συνδέσµους (links) µεταξύ BS και SS, η WiMAX παρέχει προσωπικό απόρρητο (privacy) στους συνδροµητές και ασφάλεια κατά µήκος της Ευρυζωνικής ασύρµατης διεπαφής (broadband wireless interface). Η ασφάλεια, επιπλέον παρέχει στους διαχειριστές ισχυρή προστασία σε περίπτωση κλοπής υπηρεσίας. Η WiMAX έχει ενσωµατωµένη VLAN υποστήριξη, που παρέχει προστασία για µεταδιδόµενα δεδοµένα από διαφορετικούς χρήστες στον ίδιο σταθµό βάσης. 3. Ποιότητα Υπηρεσιών (QoS): Η WiMAX µπορεί δυναµικά να γίνει βέλτιστη για το σύνολο της κίνησης που µεταφέρεται. Τέσσερις τύποι υπηρεσίας υποστηρίζονται: Unsolicited Grant Service (UGS) Real-Time Polling Service (rtps) Non-Real-Time Polling Service (nrtps) Best Effort (BE) 4. Ταχεία υλοποίηση: Συγκρίνοντας µε την ανάπτυξη καλωδιακών λύσεων, η τεχνολογία WiMAX απαιτεί λίγη ή όχι εξωτερική εγκατάσταση. Όταν η κεραία και ο εξοπλισµός εγκατασταθούν και ενεργοποιηθούν, η WiMAX είναι έτοιµη για παροχή υπηρεσίας. Τις περισσότερες φορές, η ανάπτυξη της WiMAX µπορεί να ολοκληρωθεί σε διάστηµα κάποιων ωρών, σε σύγκριση µε µήνες για άλλες λύσεις. 5. Πολυεπίπεδη Υπηρεσία: Ο τρόπος µε τον οποίο η ποιότητα υπηρεσιών (QoS) διανέµεται βασίζεται γενικά στη συµφωνία επιπέδου υπηρεσίας (Service Level Agreement, SLA) µεταξύ του παρόχου υπηρεσίας και του τελικού χρήστη. Επιπλέον, ένας πάροχος υπηρεσίας µπορεί να προσφέρει διαφορετικά SLAs σε διαφορετικούς συνδροµητές ή ακόµα και σε διαφορετικούς χρήστες στον ίδιο σταθµό συνδροµητή (SS).

7 6. Φορητότητα: Όπως και µε τρέχοντα ψηφιακά συστήµατα, όταν ο WiMAX SS είναι ενεργοποιηµένος, προσδιορίζει τον εαυτό του, καθορίζει τα χαρακτηριστικά του συνδέσµου µε τον σταθµό βάσης (BS), όσο ο SS είναι εγγεγραµµένος στη βάση του συστήµατος, και µετά διαπραγµατεύεται την µετάδοσή του σύµφωνα µε τα χαρακτηριστικά. 7. Χαµηλό κόστος: H WiMAX σε ένα ανοιχτό, διεθνές πρότυπο, θα µειώσει δραµατικά τα κόστη, και ο επακόλουθη ανταγωνιστική τιµολόγηση θα παρέχει σεβαστή σηµαντική αποταµίευση χρηµάτων για πάροχους υπηρεσιών και τελικούς χρήστες. 8. Ευρύτερη κάλυψη: WiMAX δυναµικά υποστηρίζει πολλαπλά επίπεδα διαµόρφωσης, περιλαµβάνοντας BPSK, QPSK, 16-QAM, and 64-QAM. Όταν είναι εξοπλισµένα µε µια υψηλής ισχύος ενισχυτή (high-power amplifier) και λειτουργεί µε µία χαµηλού επιπέδου διαµόρφωση (BPSK or QPSK, for example), τα WiMAX συστήµατα είναι ικανά να καλύψουν µία µεγάλη γεωγραφικά περιοχή όταν στο µονοπάτι-διαδροµή µεταξύ των BS και SS δεν υπάρχει εµπόδιο. 9. Υψηλή χωρητικότητα: Χρησιµοποιώντας υψηλότερη διαµόρφωση (64- QAM) και εύρος ζώνης καναλιού (7 MHz), τα WiMAX συστήµατα παρέχουν σηµαντικό εύρος ζώνης στους τελικούς χρήστες.

8 ΠΡΩΤΟ ΜΕΡΟΣ

9 Περιγραφή Προτύπου Τα λειτουργικά επίπεδα της τεχνολογίας WiMAX, οι οντότητες διαχείρισης των επιπέδων και ο τρόπος επικοινωνίας τους µε το σύστηµα διαχείρισης δικτύου 1. Υποεπίπεδο σύγκλισης ειδικευµένο στις υπηρεσίες Το επίπεδο αυτό βρίσκεται στη κορυφή της στοίβας πρωτοκόλλων. Χρησιµοποιεί τις υπηρεσίες που παρέχονται από το MAC CPS, µέσω του MAC SAP (Service Acess Point). Οι λειτουργίες του υποεπιπέδου σύγκλισης (CS) συνοψίζονται στις εξής: έχεται υψηλότερου επιπέδου µονάδες δεδοµένων πρωτοκόλλου (Protocol Data Units, PDUs) από το υψηλότερο επίπεδο Εκτελεί ταξινόµηση των PDUs υψηλότερου επιπέδου Επεξεργάζεται (αν είναι απαραίτητο) τα υψηλότερου επιπέδου PDUs βάση της ταξινόµησης ιανέµει CS PDUs στο κατάλληλο MAC SAP Λαµβάνει CS PDUs από την οµότιµη οντότητα Στη παρούσα φάση, παρέχονται δύο είδη CS:

10 1. Τo CS ασύγχρονης µεταφοράς (ATM CS) και 2. τo CS πακέτου (packet CS) 1. 1 ATM CS Το CS ασύγχρονης µεταφοράς είναι µία λογική διεπαφή που συσχετίζει διαφορετικές ΑΤΜ υπηρεσίες µε το MAC CPS SAP. Το ATM CS δέχεται ΑΤΜ κελιά από το ΑΤΜ επίπεδο, κάνει ταξινόµηση και αν παρέχεται-phs, και διανέµει CS PDUs στο ανάλογο MAC SAP Ταξινόµηση Μία ΑΤΜ σύνδεση χαρακτηρίζεται µοναδικά από ένα ζεύγος τιµών των µεταβλητών Virtual Path Identifier (VPI) και Virtual Channel Identifier (VCI). Μία κατάταξη/ταξινόµηση είναι ένα σύνολο κριτηρίων ταύτισης που αφορούν κάθε ΑΤΜ κελί που µπαίνει στο ΑΤΜ CS. Αποτελείται από κάποια κριτήρια ταύτισης ΑΤΜ κελιών, όπως VPI και VCI και µια αναφορά σε ένα CID (Connection IDentifier). Αν ένα ΑΤΜ κελί ταιριάζει µε τα καθορισµένα κριτήρια ταύτισης, διανέµεται στο MAC SAP για διανοµή στη σύνδεση που ταυτοποιείται από το CID Αποκοπή κεφαλίδας ωφέλιµου φορτίου (PHS) Στο Payload Header Suppression (PHS), ένα επαναληπτικό κοµµάτι των κεφαλίδων των ωφέλιµων φορτίων των CS SDUs αποκόπτεται από την οντότητα αποστολής και η επαναφορά της γίνεται από την οντότητα παραλαβής. Στο κατερχόµενο κανάλι (downlink), η οντότητα αποστολής είναι η ΑΤΜ CS στον σταθµό βάσης (BS) και η οντότητα παραλαβής είναι η ATM CS στο σταθµό συνδροµητή (SS). Στο ανερχόµενο κανάλι (uplink), η οντότητα αποστολής είναι η ΑΤΜ CS στον SS και η οντότητα παραλαβής η ΑΤΜ CS στον BS. Για µεγαλύτερο εύρος ζώνης, πολλά ΑΤΜ κελιά (µε ή χωρίς PHS) που µοιράζονται το ίδιο CID, µπορούν να αποθηκευτούν και να µεταφερθούν από ένα µόνο MAC CPS PDU. Όταν η διαδικασία PHS σταµατά, κανένα µέρος οποιασδήποτε κεφαλίδας ΑΤΜ κελιού που περιέχει Header Error Check (HEC) πεδίο µπορεί να αποκοπεί. Έτσι, προστατεύεται η ακεραιότητα της κεφαλίδας του κελιού.

11 ιαδικασία σηµατοδοσίας (Signaling Procedure) Οι ΑΤΜ διεπαφές υποστηρίζουν τρεις τύπους συνδέσεων : SVC (Switched Virtual Circuit) PVC (Permanent Virtual Circuit) Soft PVC Οι SVCs εγκαθίστανται και τερµατίζονται δυναµικά µε τη χρήση του signaling. Αν και οι δύο, PVC και soft PVC, εγκαθιδρύονται διαχειριστικά, οι PVCs εγκαθίστανται µε διαδικασία παροχής πρόσβασης σε δεδοµένα και παροχής δικαιωµάτων ενώ οι soft PVCs µε τη χρήση του signaling Packet CS Το CS πακέτου βρίσκεται στη κορυφή του προτύπου ΙΕΕΕ MAC CPS. Το CS - χρησιµοποιώντας τις υπηρεσίες του MAC- εκτελεί τις εξής λειτουργίες: i. Ταξινόµηση της PDU, πρωτοκόλλου υψηλότερου επιπέδου, στη κατάλληλη σύνδεση ii. Απόκρυψη της πληροφορίας της κεφαλίδας (προαιρετικό) iii. ιανοµή της CS PDU που προκύπτει, στο MAC SAP που σχετίζεται µε την ροή υπηρεσίας, για µεταφορά στην οµότιµη MAC SAP. iv. Λήψη της CS PDU από το άκρο MAC SAP. v. Ανακατασκευή αποκοµµένης πληροφορίας κεφαλίδας (προαιρετικό) Το CS αποστολής είναι υπεύθυνο για διανοµή της MAC SDU στο MAC SAP. Το MAC είναι υπεύθυνο για διανοµή της MAC SDU στο οµότιµο MAC SAP σύµφωνα µε τις QoS, τεµαχισµό, συνένωση και µε άλλες λειτουργίες µεταφοράς σχετικές µε χαρακτηριστικά µιας συγκεκριµένης ροής υπηρεσίας σύνδεσης. Το CS παραλαβής είναι υπεύθυνο να δέχεται το MAC SDU από το οµότιµο MAC SAP και να το διανέµει σε οντότητα υψηλότερου επιπέδου. Το CS πακέτου χρησιµοποιείται για µεταφορά για όλα τα πρωτόκολλα βασισµένα σε πακέτα, όπως Internet Protocol (IP), Point-to-Point Protocol (PPP) και (Ethernet).

12 1.2.1 Ταξινόµηση Είναι η διαδικασία κατά την οποία µία MAC SDU αντιστοιχίζεται σε µία συγκεκριµένη σύνδεση για µετάδοση µεταξύ οµότιµων MAC. Η διαδικασία αντιστοίχισης συσχετίζει µία MAC SDU µε µία σύνδεση, που επίσης δηµιουργεί µία συσχέτιση µε τα χαρακτηριστικά ροής υπηρεσίας αυτής της σύνδεσης. Αυτή η διαδικασία διευκολύνει τη διανοµή των MAC SDUs µε τους κατάλληλους QoS περιορισµούς. Ένας ταξινοµητής είναι ένα σύνολο κριτηρίων ταιριάσµατος που αφορούν κάθε πακέτο που εισάγεται στο δίκτυο. Αποτελείται από κάποια κριτήρια πακέτων πρωτοκόλλου (διεύθυνση IP προορισµού), µία προτεραιότητα ταξινοµητή και µία αναφορά σε ένα CID. Αν ένα πακέτο ταιριάξει µε τα συγκεκριµένα κριτήρια αντιστοίχισης, τότε διανέµεται στο SAP για διανοµή στη σύνδεση που ορίζεται από το CID. Τα χαρακτηριστικά ροής υπηρεσίας της σύνδεσης παρέχουν την ποιότητα υπηρεσιών (QoS) για αυτό το πακέτο PHS

13

14 PHS signaling Το PHS απαιτεί τη δηµιουργία των τριών αντικειµένων 1. ροή υπηρεσίας 2. ταξινοµητή 3. PHS κανόνα Αυτά τα τρία αντικείµενα µπορούν να δηµιουργηθούν είτε συγχρόνως είτε σε διαφορετικές ροές µηνυµάτων. Οι PHS κανόνες δηµιουργούνται µε DSA ή µηνύµατα υναµικής Αλλαγής Υπηρεσίας. Ο σταθµός βάσης πρέπει να διευκρινίζει το PHS όταν ο PHS κανόνας δηµιουργείται. Οι κανόνες PHS διαγράφονται µε DSC ή DSD µηνύµατα. Οι SS και BS θα πρέπει να ορίζουν τα PHSS και PHSF. Για να αλλάξουµε τη τιµή του PHSF σε µία ροή υπηρεσίας, ένα νέο PHS κανόνας ορίζεται, ο παλιός κανόνας φεύγει από τη ροή υπηρεσίας και ο νέος προστίθεται. 2. Κοινό υποεπίπεδο MAC Ένα δίκτυο µε µοιραζόµενο µέσο πρέπει να παρέχει ένα αποτελεσµατικό µοιραζόµενο µηχανισµό. Το αµφίδροµο PMP και η mesh topology ασύρµατα είναι κάποια παραδείγµατα. Εδώ το µέσο είναι ο χώρος µέσα από τον οποίο τα ραδιοκύµατα διαδίδονται. Το MAC καλεί IP πρωτόκολλα, είναι απαραίτητα µόνο ως µία βάση για διαχείριση στοιχείου παρά σαν MAC διαδικασία, αφού αυτή είναι χρήσιµη και απαραίτητη σ αυτό το τύπο δικτύου.

15 2.1 PMP (Point to multipoint) Το κατερχόµενης ζεύξης (BS user) λειτουργεί σε µία PMP βάση. Το IEEE std wireless link λειτουργεί µε ένα κεντρικό BS και µία κατανεµηµένη κεραία που είναι ικανή να χειριστεί πολλαπλούς ανεξάρτητους τοµείς συγχρόνως. Μέσω ενός δοσµένου καναλιού συχνότητας και τοµέα κεραίας, όλοι οι σταθµοί λαµβάνουν την ίδια εκποµπή ή κοµµάτια. Ο BS είναι ο µοναδικός ποµπός που λειτουργεί σ αυτή τη κατεύθυνση εκτός αν υπάρχει time division duplexing (TDD) που χωρίζει το χρόνο σε ανερχόµενο και κατερχόµενο περίοδο µετάδοσης. Το κατερχόµενο είναι γενικά broadcast. Οι SS (subscriber station) µοιράζονται το ανερχόµενο στο BS µε βάση την αίτηση (ζήτηση). Ανάλογα µε τη τάξη υπηρεσίας που χρησιµοποιείται, το SS µπορεί να συνεχίσει να µεταδίδει δικαιώµατα ή το δικαίωµα για µετάδοση να παραχωρηθεί από τον BS µετά από λήψη αίτησης από το χρήστη. Επιπρόσθετα, εκτός από ατοµικά διευθυνσιοδοτηµένα µηνύµατα, µηνύµατα µπορούν να σταλούν σε πολλές συνδέσεις (multicast, ex. control messages video distribution) και broadcast σε όλους τους σταθµούς. Τέλος, αξίζει να σηµειωθεί ότι το MAC είναι συνδεσµοστρεφές Mesh Η κύρια διαφορά µεταξύ του PMP και των optional mesh µορφών είναι ότι στη PMP µορφή η κίνηση συµβαίνει µόνο µεταξύ του BS και των SSs ενώ στη Mesh µορφή η κίνηση µπορεί να δροµολογηθεί µέσα από άλλα SSs και µπορεί να υπάρχει άµεσα µεταξύ SSs. Ανάλογα µε τον αλγόριθµο πρωτοκόλλου µετάδοσης, αυτό µπορεί να γίνει στη βάση της ισότητας χρησιµοποιώντας διανεµηµένο προγραµµατισµό ή στη βάση της superiority του Mesh BS που αποτελεσµατικά καταλήγει στο κεντρικό προγραµµατισµό ή στο συνδυασµό των δύο. Μέσα σε ένα Mesh δίκτυο, ένα σύστηµα που έχει µία απευθείας σύνδεση σε backhaul services έξω από το Mesh δίκτυο λέγεται Mesh BS. Όλα τα άλλα συστήµατα ενός Mesh δικτύου λέγονται Mesh SSs. Γενικά, τα συστήµατα ενός Mesh δικτύου λέγονται κόµβοι. Μέσα σε ένα Mesh context, ανερχόµενο και κατεχόµενο ορίζεται η κίνηση στη κατεύθυνση του Mesh BS και η κίνηση µακριά από τον Mesh BS, αντίστοιχα. Οι άλλοι τρεις σηµαντικοί όροι των Mesh συστηµάτων είναι γείτονας, γειτονιά, και περιφέρεια (επεκτάσιµη γειτονιά). Οι σταθµοί µε τους οποίους ένας κόµβος έχει άµεση σύνδεση λέγονται γείτονες. Οι γείτονες ενός κόµβου διαµορφώνουν µια γειτονιά. Οι γείτονες ενός κόµβου θεωρούνται ένα βήµα µακριά από το κόµβο. Μία περιφέρεια περιέχει, επιπρόσθετα, όλους τους γείτονες της γειτονιάς. Σε ένα Mesh σύστηµα, ούτε ο Mesh BS µπορεί να µεταδώσει χωρίς να έχει συντονιστεί µε άλλους κόµβους. Χρησιµοποιώντας κατανεµηµένο προγραµµατισµό, όλοι οι κόµβοι συµπεριλαµβανοµένου του Mesh BS πρέπει να συντονίζουν τις µεταδόσεις τους στις 2-βήµα γειτονιές και πρέπει να εκπέµπουν τους χρονοπρογραµµατισµούς τους (διαθέσιµοι πόροι, αιτήσεις και παραχωρήσεις) σε όλους τους γείτονές τους. Προαιρετικά, ο χρονοπρογραµµατισµός µπορεί να εγκατασταθεί από απευθείας (uncoordinated) αιτήσεις και παραχωρήσεις ανάµεσα σε

16 δύο κόµβους. Οι κόµβοι πρέπει να διασφαλίζουν ότι οι resulting µεταδόσεις δε προκαλούν συγκρούσεις µε τα δεδοµένα και να ελέγχουν τη προγραµµατισµένη κίνηση από οποιοδήποτε άλλο κόµβο στη 2-βήµα γειτονιά. εν υπάρχει διαφορά στο µηχανισµό που χρησιµοποιείται στο να καθορίζει το χρονοπρογραµµατισµό για downlink και uplink. Χρησιµοποιώντας συγκεντρωτικό χρονοπρογραµµατισµό, οι πόροι παραχωρούνται µε ένα τρόπο πιο συγκεντρωτικό. Το BS πρέπει να µαζεύει αιτήσεις για πόρους από όλους τους Mesh SSs µέσα σε ένα συγκεκριµένο hop range. Θα πρέπει να καθορίζει τη ποσότητα των παραχωρούµενων πόρων για κάθε σύνδεσµο στο δίκτυο και στη καθοδική και στην ανοδική ζεύξη και να διανέµει αυτές τις παραχωρήσεις σε όλους τους Mesh SSs µέσα στη hop range. Τα µηνύµατα παραχωρήσεων δε περιέχουν τον πραγµατικό χρονοπρογραµµατισµό αλλά κάθε κόµβος θα πρέπει να τον υπολογίζει χρησιµοποιώντας το προκαθορισµένο αλγόριθµο µε δοσµένες παραµέτρους. Όλες οι επικοινωνίες είναι in the context of a link, που είναι εγκατεστηµένος (link) µεταξύ δύο κόµβων. Ένας σύνδεσµος (link) θα πρέπει να χρησιµοποιείται για όλες τις µεταδόσεις δεδοµένων µεταξύ των δύο κόµβων. QoS is provisioned over links σε ένα µήνυµα σε βάση µηνύµατος. Καµία υπηρεσία ή παράµετροι QoS δε συσχετίζονται µε ένα σύνδεσµο αλλά κάθε unicast µήνυµα έχει παραµέτρους υπηρεσίας στη κεφαλίδα. Ταξινόµηση κίνησης και flow regulation γίνονται στον ingress node από υψηλότερου επιπέδου ταξινόµηση/regulation protocol. Οι παράµετροι υπηρεσίας που συσχετίζονται µε κάθε µήνυµα θα πρέπει να επικοινωνούν µε το περιεχόµενο µηνύµατος µέσω του MAC SAP. Τα Mesh συστήµατα τυπικά χρησιµοποιούν omni directional ή 360 ο steerable antennas αλλά µπορούν επίσης να (be colocated) χρησιµοποιώντας κεραίες τοµέα. Στην άκρη της περιοχής του Mesh δικτύου που καλύπτεται, όπου µόνο µία σύνδεση σε ένα µοναδικό σηµείο χρειάζεται, ακόµη και υψηλά κατευθυνόµενες κεραίες µπορούν να χρησιµοποιηθούν Κατασκευή και µετάδοση των MAC PDUs Συνένωση (Concatenation) Πολλές MAC PDUs ενώνονται και µεταδίδονται ως µία SDU είτε στο ανερχόµενο είτε στο κατερχόµενο κανάλι. Παραδείγµατα PDUs: Management messages, user data, bandwidth request MAC PDUs Για κάθε MAC PDU υπάρχει ένα µοναδικό CID που τη χαρακτηρίζει. Έτσι, η MAC οντότητα λήψης είναι ικανή να παρουσιάσει τη MAC SDU στη κατάλληλη οντότητα της MAC SAP-αφού συναρµολογήσει ξανά τη MAC SDU από µία ή περισσότερες ληφθείσες MAC PDUs.

17 Κατάτµηση (Fragmentation) Η διαδικασία κατά την οποία µία MAC SDU διαιρείται σε µία ή περισσότερες MAC PDUs. Επιτρέπει αποτελεσµατική χρήση του διαθέσιµου εύρους ζώνης σύµφωνα µε τις απαιτήσεις της ποιότητας υπηρεσιών (QoS) της ροής υπηρεσίας µίας σύνδεσης. Αρχικοποιείται από το σταθµό βάσης για κατερχόµενης ζεύξης συνδέσεις και από ένα σταθµό συνδροµητή για ανερχόµενης ζεύξης συνδέσεις. Οι δυνατότητες της κατάτµησης και συναρµολόγησης είναι υποχρεωτικές. Τα τµήµατα (θραύσµατα) έχουν ετικέτες ανάλογες της θέσης τους στη πατρική SDU σύµφωνα µε το παρακάτω πίνακα. Στις µη ARQ συνδέσεις, τα θραύσµατα µεταδίδονται µια φορά και σειριακά. Στις ARQ συνδέσεις, τα θραύσµατα διαµορφώνονται για κάθε µετάδοση συνενώνοντας σύνολα από ARQ blocks µε γειτονικούς αριθµούς σειράς Ο ARQ µηχανισµός Ο ARQ (Automatic Repeat (equest) µηχανισµός χρησιµοποιείται στη τεχνολογία Wimax για εξελιγµένο και αναβαθµισµένο κόστος σύνδεσης. Είναι ένας ευρέως χρησιµοποιούµενος µηχανισµός διόρθωσης λαθών που οδηγεί σε ένα καλύτερο κόστος σύνδεσης και έτσι σε καλύτερη απόδοση. Ορισµός: Τα ARQ πρωτόκολλα ή Αυτόµατης αίτησης επανάληψης ή Θετικής Επιβεβαίωσης µε Αναµετάδοση είναι πρωτόκολλα στα οποία ο αποστολέας περιµένει µια θετική επιβεβαίωση για ένα τµήµα δεδοµένων πριν προχωρήσει στην αποστολή του επόµενου τµήµατος δεδοµένων. Το ARQ πρωτόκολλο είναι ένα µονόδροµο πρωτόκολλο για θορυβώδη κανάλια δηλ. για κανάλια επικοινωνίας στα οποία παράγονται σφάλµατα και συνεπώς είναι µη αξιόπιστα κανάλια. Τι κάνει ο ARQ µηχανισµός στη τεχνολογία Wimax? Ο ARQ µηχανισµός είναι µέρος του MAC επιπέδου και είναι προαιρετικός για υλοποίηση. Όταν υλοποιείται, ο ARQ, µπορεί να λειτουργεί ανά σύνδεση. Η ανά σύνδεση ARQ µπορεί να εγκαθιδρυθεί κατά τη διάρκεια δηµιουργίας της σύνδεσης. Μία σύνδεση δε µπορεί να έχει συνδυασµό ARQ και µη-arq κίνησης.

18 Στις συνδέσεις µε δυνατότητα ARQ, η δυνατότητα της κατάτµησης είναι προαιρετική.

19 2. 5 UGS (Unsolicited Grant Service) Ανήκει στη κατηγορία των scheduling services ή των υπηρεσιών χρονοπρογραµµατισµού. Ειδικότερα, ανήκει στη κατηγορία του uplink request/grant scheduling. Σχεδιάστηκε για να : υποστηρίζει ροές υπηρεσιών πραγµατικού χρόνου που παράγουν σταθερού µήκους πακέτα δεδοµένων σε περιοδική βάση όπως Τ1/Ε1 και Voice over IP (VoIP) χωρίς αποκοπή σιγής (silence suppression). Προσφέρει σταθερού µήκους παραχωρήσεις (grants) σε πραγµατικό χρόνο περιοδικά περιορίζοντας τις γενικές εργασίες ή επιβαρύνσεις (overhead) και τον λανθάνων χρόνο (latency) των αιτήσεων των σταθµών συνδροµητή και διασφαλίζει ότι οι grants µπορούν να ανταποκριθούν στις ανάγκες πραγµατικού χρόνου της ροής. Απαιτήσεις Ο BS πρέπει να παρέχει Data Grant Burst IEs στον SS σε περιοδικά διαστήµατα (intervals) βάση του Maximum Sustained Traffic Rate της ροής υπηρεσίας. Το µέγεθος αυτών των παραχωρήσεων (grants) πρέπει να είναι αρκετό για να κρατήσει τα δεδοµένα σταθερού µήκους που σχετίζονται µε τη ροή υπηρεσίας, αλλά, µπορεί να είναι και µεγαλύτερο κάτι που κρίνεται από το χρονοπρογραµµατιστή του σταθµού βάσης (BS). Ο BS δε µπορεί να εκχωρεί περισσότερο εύρος ζώνης από τη Maximum Sustained Traffic Rate παράµετρο του Active QoS παραµέτρου, εξαιρώντας τη περίπτωση που το SI (Slip Indicator) bit του πεδίου Grant Management είναι ενεργοποιηµένο. Σ αυτή τη περίπτωση, ο BS µπορεί να παραχωρήσει 1% επιπλέον εύρος ζώνης για αντιστάθµιση δυσαναλογίας συχνότητας ρολογιού (clock rate mismatch compensation) Εκχώρηση εύρους ζώνης και µηχανισµοί αίτησης Όταν ένας σταθµός συνδροµητή χρειάζεται εύρος ζώνης σε µία σύνδεση µε υπηρεσία χρονοπρογραµµατισµού, τη «βέλτιστη προσπάθεια» (BE, best effort), στέλνει ένα µήνυµα στο σταθµό βάσης περιέχοντας τις τρέχουσες απαιτήσεις της DAMA (Demand Assigned Multiple Access) σύνδεσης. Οι Demand Assigned Multiple Access υπηρεσίες δέχονται πόρους αναλόγως τη ζήτηση. Υπάρχουν µέθοδοι µε τις οποίες ο σταθµός συνδροµητή µπορεί να µεταφέρει το µήνυµα αίτησης εύρους ζώνης στο σταθµό βάσης. Οι µέθοδοι αναλύονται στις ακόλουθες παραγράφους Αιτήσεις (Requests)

20 Οι αιτήσεις αναφέρονται στο µηχανισµό που οι σταθµοί συνδροµητή χρησιµοποιούν για να διευκρινίσουν στο σταθµό βάσης ότι χρειάζονται κατανοµή ανερχόµενου εύρους ζώνης. Μία αίτηση µπορεί να είναι µία µεµονωµένη κεφαλίδα αίτησης εύρους ζώνης ή µπορεί να είναι µία αίτηση Piggyback. Η Piggyback δυνατότητα είναι προαιρετική. Οι αιτήσεις εύρους ζώνης µπορεί να είναι αυξητικές ή συναθροισµένες. Όταν ο σταθµός βάσης λάβει µία αυξητική αίτηση, θα προσθέσει τη ποσότητα του εύρους ζώνης που ζητήθηκε στη τρέχουσα αντίληψή του για τις ανάγκες εύρους ζώνης της σύνδεσης. Όταν ο σταθµός βάσης λάβει µία συναθροισµένη αίτηση, θα αντικαταστήσει την αντίληψή του για τις ανάγκες εύρους ζώνης της σύνδεσης µε τη ποσότητα του ζητούµενου εύρους ζώνης. Το πεδίο Type στη κεφαλίδα της αίτησης δείχνει εάν η αίτηση είναι αυξητική ή συναθροισµένη Περιόδευση (Polling) Περιόδευση είναι η διαδικασία κατά την οποία ο σταθµός βάσης κατανέµει στους σταθµούς συνδροµητή εύρος ζώνης για να κάνουν αιτήσεις εύρους ζώνης. Αυτές οι εκχωρήσεις µπορούν να γίνονται σε ατοµικούς σταθµούς συνδροµητή ή σε οµάδες σταθµών συνδροµητή. Η περιόδευση γίνεται µε βάση τον σταθµό συνδροµητή. Το εύρος ζώνης πάντα ζητείται µε βάση το CID και κατανέµεται µε βάση το σταθµό συνδροµητή. Η περιόδευση υπάρχει σε δύο µορφές, την unicast και την multicast and broadcast Αιτήσεις Εύρους Ζώνης βασισµένες στον ανταγωνισµό για WirelessMAN- OFDM Το φυσικό επίπεδο WirelessMAN-OFDM υποστηρίζει δύο µηχανισµούς αίτησης εύρους ζώνης βασισµένους στον ανταγωνισµό. Ο υποχρεωτικός µηχανισµός επιτρέπει στο σταθµό συνδροµητή να στείλει τη κεφαλίδα της αίτησης, όπως ορίζει η ενότητα , κατά τη διάρκεια µίας REQ Region-Full. Εναλλακτικά, ο σταθµός συνδροµητή µπορεί να στείλει µία µετάδοση ανταγωνισµού (Focused Contention Transmission) κατά τη διάρκεια µίας REQ Region Focused CDMA (code division multiple access) Αιτήσεις Εύρους Ζώνης βασισµένες στον ανταγωνισµό για WirelessMAN-OFDMA Το φυσικό επίπεδο WirelessMAN-OFDMA υποστηρίζει δύο υποχρεωτικούς µηχανισµούς αίτησης εύρους ζώνης βασισµένους στον ανταγωνισµό. Ο ένας µηχανισµός επιτρέπει στο σταθµό συνδροµητή να στείλει τη κεφαλίδα αίτησης, όπως ορίζει η ενότητα , ειδάλλως µπορεί να χρησιµοποιήσει τον µηχανισµό που βασίζεται στη CDMA Προαιρετική υποστήριξη για τοπολογία πλέγµατος Το WirelessHUMAN σύστηµα παρέχει προαιρετική υποστήριξη για τοπολογία πλέγµατος. Η επικοινωνία ελέγχεται από ένα συγκεντρωτικό αλγόριθµο (είτε από το σταθµό βάσης είτε από όλους τους κόµβους περιοδικά), ή µέσα στην εκτεταµένη γειτονιά κάθε κόµβου µε κατανεµηµένο προγραµµατισµό ή χρησιµοποιώντας ένα συνδυασµό αυτών.

21 Κατανεµηµένος Χρονοπρογραµµατισµός Πριν προχωρήσουµε στην ανάλυση του αλγόριθµου χρονοπρογραµµατισµού, αξίζει να αναφέρουµε κάποιους ορισµούς. Οι σταθµοί που έχουν απευθείας συνδέσµους µε έναν κόµβο λέγονται γείτονες και δηµιουργούν µία γειτονιά. Οι γείτονες ενός κόµβου είναι ένα βήµα µακριά από το κόµβο. Μία δύο-βήµα εκτεταµένη γειτονιά περιέχει όλους τους γείτονες της γειτονιάς. Στο κατανεµηµένο χρονοπρογραµµατισµό, όλοι οι σταθµοί (σταθµός βάσης και σταθµοί συνδροµητή) κατατάσσουν τις µεταδόσεις τους στην εκτεταµένη δύο-βήµα γειτονιά. Ο κατανεµηµένος χρονοπρογραµµατισµός χρησιµοποιεί κάποια ή ολόκληρη τη µερίδα ελέγχου του κάθε πλαισίου για να µεταδίδει τακτικά το δικό του πρόγραµµα και τις αλλαγές του προτεινόµενου προγράµµατος µε βάση το PMP σε όλους τους γείτονές του. Μέσα σε ένα δοσµένο κανάλι, όλοι οι γειτονικοί σταθµοί λαµβάνουν τις ίδιες µεταδόσεις προγράµµατος. Όλοι οι σταθµοί σε ένα δίκτυο θα χρησιµοποιήσουν αυτό το κοινό κανάλι για να µεταδώσουν πληροφορίες προγράµµατος σε µία µορφή συγκεκριµένης πηγής αιτήσεων και παραχωρήσεων. Ο διανεµηµένος χρονοπρογραµµατισµός εξασφαλίζει ότι οι µεταδόσεις είναι προγραµµατισµένες µε ένα τρόπο που δεν εξαρτάται από τη λειτουργία ενός σταθµού βάσης και ότι δεν είναι αναγκαία κατευθυνόµενες σε ή από το σταθµό βάσης Συγκεντρωτικός Χρονοπρογραµµατισµός Στο συγκεντρωτικό χρονοπρογραµµατισµό, οι συνδέσεις δικτύου και η τοπολογία είναι οι ίδιες µε του κατανεµηµένου προγραµµατισµού όπως περιγράφεται στην προηγούµενη ενότητα αλλά οι προγραµµατισµένες µεταδόσεις για τους σταθµούς συνδροµητή θα ορίζονται από το σταθµό βάσης. Ο σταθµός βάσης καθορίζει τις αποδόσεις αρχικής τιµής της ροής από τις αιτήσεις πόρων από τους σταθµούς συνδροµητή. Στη συνέχεια, οι σταθµοί συνδροµητή καθορίζουν το πραγµατικό πρόγραµµα από αυτές τις αποδόσεις τιµής Ποιότητα υπηρεσιών (QoS) Αυτό το πρότυπο ορίζει τα εξής QoS θέµατα : 1. Προγραµµατισµός ροής υπηρεσίας ποιότητας υπηρεσιών (Service Flow QoS Scheduling) 2. υναµική εγκαθίδρυση υπηρεσίας 3. Μοντέλο δραστηριότητας δύο φάσεων Θεωρία Λειτουργίας

22 Οι απαιτήσεις για ποιότητα υπηρεσιών περιλαµβάνουν τα ακόλουθα: Μία λειτουργία περιγραφής και εγγραφής για να προσχεδιάσουµε ροές υπηρεσιών βασισµένες στο σταθµό συνδροµητή και παραµέτρους κυκλοφορίας. Μία λειτουργία ανταλλαγής σηµάτων (signaling) για να εγκαθιδρύσουµε δυναµικά ροές υπηρεσιών και παραµέτρους κυκλοφορίας. Χρήση MAC προγραµµατισµού και παραµέτρων κυκλοφορίας ποιότητας υπηρεσιών για ανερχόµενης ζεύξης ροές υπηρεσιών. Χρήση παραµέτρων κυκλοφορίας ποιότητας υπηρεσιών για κατερχόµενης ζεύξης ροές υπηρεσιών Οµαδοποίηση ιδιοτήτων ροών υπηρεσιών σε ονοµασµένες τάξεις υπηρεσιών έτσι ώστε ανωτέρου επιπέδου οντότητες και εξωτερικές εφαρµογές (και στον BS και στον SS) να µπορούν να ζητήσουν ροές υπηρεσιών µε επιθυµητές παραµέτρους ποιότητας υπηρεσιών οµοιόµορφα. Ο πρωταρχικός µηχανισµός για παροχή ποιότητας υπηρεσιών είναι η συσχέτιση πακέτων που διασχίζουν τη MAC διεπαφή µε µία ροή υπηρεσιών. Μία ροή υπηρεσίας είναι µία µονόδροµη ροή πακέτων που παρέχει ένα συγκεκριµένη ποιότητα υπηρεσιών. Οι SS και BS παρέχουν αυτή τη ποιότητα υπηρεσιών σύµφωνα µε το σύνολο παραµέτρων ποιότητας υπηρεσιών (QoS Parameter Set) που ορίζεται για τη ροή υπηρεσίας. Οι ροές υπηρεσιών υπάρχουν και στην ανερχόµενη και στην κατερχόµενη κατεύθυνση και µπορούν να υπάρχουν χωρίς πραγµατικά να είναι ενεργοποιηµένες για να µεταφέρουν κίνηση Ροές υπηρεσιών (Service flows) Μία ροή υπηρεσίας είναι µία υπηρεσία µεταφοράς του MAC που παρέχει µονόδροµη µεταφορά πακέτων είτε σε πακέτα ανερχόµενης ζεύξης µεταδιδόµενα από τον σταθµό συνδροµητή είτε σε πακέτα κατερχόµενης ζεύξης µεταδιδόµενα από το σταθµό βάσης. Μία ροή υπηρεσίας χαρακτηρίζεται από ένα σύνολο παραµέτρων ποιότητας υπηρεσιών όπως λανθάνων χρόνος, παραµόρφωση χρονισµού και διαβεβαίωση διεκπεραιωτικής ικανότητας. Μία ροή υπηρεσίας χαρακτηρίζεται από τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: 1) Service Flow ID (SFID) 2) CID 3) ProvisionedQoSParamSet 4) AdmittedQoSParamSet 5) ActiveQoSParamSet 6) Authorization Module

23 Η σχέση ανάµεσα στα QoS Parameter Sets φαίνεται στις παρακάτω εικόνες (Figure 93, 94). Υπάρχουν τρεις τύποι ροών υπηρεσιών, οι οποίοι είναι οι εξής: i. Provisioned ii. Admitted iii. Active

24 2.7.3 Σχεσιακό µοντέλο (Object model) Το σχεσιακό µοντέλο που φαίνεται στην παραπάνω εικόνα απεικονίζει τη σχέση του αντικειµένου Service flow µε τα αντικείµενα MAC PDU, Connection και Service Class Τάξεις υπηρεσίας (Service classes) Η τάξη υπηρεσίας εξυπηρετεί τους παρακάτω σκοπούς:

25 Επιτρέπει χειριστές που µετακινούν τον όγκο των διευθετηµένων ροών υπηρεσιών από τον εξυπηρετητή απόδοσης δικαιωµάτων (provisioning server) στο σταθµό βάσης. Οι χειριστές παρέχουν δικαιώµατα στους σταθµούς συνδροµητή µε το Όνοµα Τάξης Υπηρεσίας (Service Class Name). Η υλοποίηση του ονόµατος διευθετείται στον σταθµό βάσης. Αυτό επιτρέπει οι χειριστές να διαµορφώνουν την υλοποίηση µιας δοσµένης υπηρεσίας σε τοπικές συνθήκες χωρίς αλλαγή δικαιωµάτων πρόσβασης του σταθµού συνδροµητή. Επιτρέπει στα πρωτόκολλα υψηλότερου επιπέδου να δηµιουργούν µία ροή υπηρεσίας από το Όνοµα Τάξης Υπηρεσίας της. Οποιαδήποτε ροή υπηρεσίας µπορεί να έχει το δικό της QoS Parameter Set εξειδικευµένο σε οποιοδήποτε από τρεις τρόπους: -Περιλαµβάνοντας ρητά όλες τις παραµέτρους κίνησης -Με έµµεση αναφορά σε ένα σύνολο παραµέτρων κίνησης καθορίζοντας ένα Όνοµα Τάξης Υπηρεσίας -Προσδιορίζοντας ένα Όνοµα Τάξης Υπηρεσίας µαζί µε παραµέτρους µετατροπής (modifying parameters) Το Όνοµα Τάξης Υπηρεσίας επεκτείνεται στο δικό του ορισµένο σύνολο παραµέτρων τη στιγµή που ο σταθµός βάσης επιτυχώς αποδέχεται τη ροή υπηρεσίας. Όταν ένα Όνοµα Τάξης Υπηρεσίας δίνεται σε µία αίτηση είτε αποδοχής είτε ενεργοποίησης, είναι δυνατόν το επιστρεφόµενο QoS Parameter Set να αλάξει από ενεργοποίηση σε ενεργοποίηση. Αυτό µπορεί να συµβεί εξαιτίας διαχειριστικών αλλαγών στο QoS Parameter Set της τάξης υπηρεσίας στον σταθµό βάσης. Αν ο ορισµός ενός ονόµατος Τάξης Υπηρεσίας αλλάξει στο σταθµό βάσης, αυτό δεν έχει επίδραση στις παραµέτρους ποιότητας υπηρεσιών των υπαρχόντων ροών υπηρεσιών που σχετίζονται µε αυτή τη τάξη υπηρεσίας Εξουσιοδότηση Κάθε αλλαγή στις παραµέτρους ποιότητας υπηρεσιών της ροής υπηρεσίας θα πρέπει να εγκριθεί από µία διαδικασία εξουσιοδότησης. Τέτοιες αλλαγές περιλαµβάνουν να ζητείται µία απόφαση ελέγχου αποδοχής και να ζητείται η ενεργοποίηση µιας ροής υπηρεσίας Τύποι ροών υπηρεσιών Ο πρώτος τύπος ροής υπηρεσίας είναι ο provisioned. Μία ροή υπηρεσίας µπορεί να είναι provisioned αλλά όχι άµεσα ενεργοποιηµένη. Μερικές φορές αποκαλείται αναβλητική. Αυτός είναι ο ορισµός οποιασδήποτε ροής υπηρεσίας που παρέχει αλλά αναβάλλει την ενεργοποίηση και την αποδοχή. Το δίκτυο αρχικοποιεί ένα SFID για µια τέτοιου είδους ροή υπηρεσίας. Ένας δεύτερος τύπος ροής υπηρεσίας είναι ο admitted. Αυτό το πρωτόκολλο υποστηρίζει ένα δύο φάσεων µοντέλο ενεργοποίησης που συχνά χρησιµεύει σε εφαρµογές τηλεφωνίας. Σ αυτό το δύο φάσεων µοντέλο ενεργοποίησης, οι πόροι για µια κλήση πρώτα γίνονται αποδεκτοί και µετά όταν η απ άκρου εις άκρο (the end to

26 end) διαπραγµάτευση ολοκληρωθεί, οι πόροι ενεργοποιούνται. Το δύο φάσεων µοντέλο εξυπηρετεί τους παρακάτω σκοπούς: συντηρεί πόρους του δικτύου µέχρι µία ολοκληρωµένη απ άκρου εις άκρο σύνδεση εγκαθιδρυθεί πραγµατοποιεί ελέγχους πολιτικής και έλεγχο αποδοχής σε πόρους όσο το δυνατόν γρηγορότερα και ειδικά, πριν ενηµερώσει το άλλο άκρο µιας αίτησης σύνδεσης προλαµβάνει διάφορα πιθανά σενάρια κλοπής υπηρεσίας. Τρίτος και τελευταίος τύπος ροής υπηρεσίας είναι ο active. Μία active ροή υπηρεσίας είναι µία ροή υπηρεσίας που έχει µία µη κενή ActiveQoSParamSet. Ζητά και της παραχωρείται εύρος ζώνης για µεταφορά πακέτων δεδοµένων.

27 3. Υποεπίπεδο Ασφαλείας Η ασφάλεια παρέχει προστασία απορρήτου στους συνδροµητές κατά µήκος του σταθερού ευρυζωνικού ασύρµατου δικτύου. Αυτό επιτυγχάνεται κρυπτογραφώντας συνδέσεις µεταξύ σταθµού συνδροµητή και σταθµού βάσης. Επιπρόσθετα, η ασφάλεια παρέχει ισχυρή προστασία από κλοπή υπηρεσίας. Ο σταθµός βάσης προστατεύει από τη µη εξουσιοδοτηµένη πρόσβαση σ αυτές τις υπηρεσίες µεταφοράς δεδοµένων ενισχύοντας τη κρυπτογράφηση των σχετικών ροών υπηρεσίας µέσα στο δίκτυο. Το απόρρητο χρησιµοποιεί ένα πιστοποιηµένο πρωτόκολλο διαχείρισης κλειδιού πελάτη-εξυπηρετητή στο οποίο ο σταθµός βάσης, ο εξυπηρετητής, ελέγχει τη διανοµή κλειδιών στο σταθµό συνδροµητή, πελάτη. Επιπλέον, οι βασικοί µηχανισµοί απορρήτου ενισχύονται προσθέτοντας πιστοποίηση ταυτότητας του σταθµού συνδροµητή βασισµένη σε ψηφιακό πιστοποιητικό σε κάθε πρωτόκολλο διαχείρισης κλειδιού. Αν κατά τη διάρκεια διαπραγµάτευσης δυνατοτήτων, ο σταθµός συνδροµητή διευκρινίσει ότι δεν υποστηρίζει ασφάλεια σύµφωνα µε το πρότυπο , το βήµα της εξουσιοδότησης και ανταλλαγής κλειδιού θα παρακαµφθεί. Ο σταθµός βάσης θα θεωρήσει το σταθµό συνδροµητή πιστοποιηµένο. Αλλιώς, ο σταθµός συνδροµητή δεν θα εξυπηρετηθεί. Ούτε ανταλλαγή κλειδιού, ούτε κρυπτογράφηση δεδοµένων εκτελείται. Μετά την παραπάνω σύντοµη περιγραφή του επιπέδου ασφαλείας, θα µιλήσουµε για την αρχιτεκτονική του επιπέδου αυτού. Η προστασία απορρήτου έχει δύο συστατικά πρωτόκολλα, τα οποία είναι: α)ένα ενθυλακωµένο πρωτόκολλο για κρυπτογράφηση πακέτων δεδοµένων κατά µήκος του σταθερού ευρυζωνικού ασύρµατου δικτύου. Αυτό το πρωτόκολλο ορίζει ένα σύνολο υποστηριζόµενων κρυπτογραφικών πακέτων π. χ. ζεύγη κρυπτογράφησης δεδοµένων και αλγόριθµων πιστοποίησης ταυτότητας και τους κανόνες για την εφαρµογή αυτών των αλγόριθµων στο ωφέλιµο φορτίο µιας MAC PDU. β)ένα πρωτόκολλο διαχείρισης κλειδιού (PKM-privacy key management) που παρέχει την ασφαλή διανοµή των κωδικοποιηµένων δεδοµένων από το σταθµό βάσης στο σταθµό συνδροµητή. Μέσω αυτού του πρωτοκόλλου διαχείρισης κλειδιού, ο σταθµός συνδροµητή και ο σταθµός βάσης συγχρονίζουν κωδικοποιηµένα δεδοµένα. Επιπλέον, ο σταθµός βάσης χρησιµοποιεί το πρωτόκολλο για να ενισχύσει υπό συνθήκη πρόσβαση σε υπηρεσίες δικτύου Κρυπτογράφηση πακέτων δεδοµένων Οι υπηρεσίες κρυπτογράφησης ορίζονται ως ένα σύνολο δυνατοτήτων µέσα στο MAC υποεπίπεδο ασφαλείας. Η κρυπτογράφηση εφαρµόζεται πάντα στο ωφέλιµο φορτίο της MAC PDU. Η γενική MAC κεφαλίδα δεν κρυπτογραφείται.

28 3. 2 Πρωτόκολλο διαχείρισης κλειδιού (Key management protocol) Ένας σταθµός συνδροµητή χρησιµοποιεί το PKM πρωτόκολλο για να αποκτήσει εξουσιοδότηση και κωδικοποιηµένο υλικό κίνησης από το σταθµό βάσης και για να υποστηρίξει περιοδική εξουσιοδότηση και ανανέωση κλειδιού. Το πρωτόκολλο διαχείρισης κλειδιού χρησιµοποιεί Χ. 509 ψηφιακά πιστοποιητικά, τον RSA αλγόριθµο κρυπτογράφησης δηµόσιου κλειδιού και ισχυρούς αλγόριθµους κρυπτογράφησης για να εκτελεί ανταλλαγές κλειδιών µεταξύ σταθµού βάσης και σταθµού συνδροµητή. Το PKM πρωτόκολλο ακολουθεί ένα µοντέλο πελάτηεξυπηρετητή, όπου ο σταθµός συνδροµητή, ένας PKM πελάτης ζητά κρυπτογραφηµένο υλικό και ο σταθµός βάσης, ένας PKM εξυπηρετητής απαντά σ αυτές τις αιτήσεις, διασφαλίζοντας ότι ατοµικοί σταθµοί συνδροµητή λαµβάνουν µόνο κρυπτογραφηµένο υλικό για το οποίο είναι εξουσιοδοτηµένοι. Το PKM πρωτόκολλο χρησιµοποιεί κρυπτογραφία δηµόσιου κλειδιού για να εγκαταστήσει ένα µοιραζόµενο µυστικό (π. χ. ένα ΑΚ-authorization key) µεταξύ του σταθµού συνδροµητή και του σταθµού βάσης. Το µοιραζόµενο µυστικό χρησιµοποιείται για να προστατεύσει PKM ανταλλαγές TEKs (traffic encryption keys). Ένας σταθµός βάσης πιστοποιεί τη ταυτότητα ενός πελάτη, σταθµού συνδροµητή κατά τη διάρκεια της αρχικής ανταλλαγής εξουσιοδότησης. Κάθε σταθµός συνδροµητή µεταφέρει ένα µοναδικό Χ. 509 ψηφιακό πιστοποιητικό που παράγεται από τον κατασκευαστή του σταθµού συνδροµητή. Το ψηφιακό πιστοποιητικό περιέχει το δηµόσιο κλειδί του σταθµού συνδροµητή και τη MAC διεύθυνση του σταθµού συνδροµητή. Όταν ζητά ένα ΑΚ, ένας σταθµός συνδροµητή παρουσιάζει το ψηφιακό πιστοποιητικό του στον σταθµό βάσης. Ο σταθµός βάσης επαληθεύει το ψηφιακό πιστοποιητικό και τότε χρησιµοποιεί το επαληθευµένο δηµόσιο κλειδί για να κρυπτογραφήσει ένα ΑΚ, το οποίο ο σταθµός βάσης τότε στέλνει πίσω στο σταθµό συνδροµητή. Ο σταθµός βάσης συσχετίζει µία ταυτότητα πιστοποιηµένη του σταθµού συνδροµητή σε έναν συνδροµητή (που πληρώνει) και στις υπηρεσίες δεδοµένων που ο συνδροµητής είναι εξουσιοδοτηµένος να προσπελάσει. Έτσι, µε την ανταλλαγή ΑΚ, ο σταθµός βάσης εγκαθιδρύει µία πιστοποιηµένη ταυτότητα ενός πελάτη-σταθµού συνδροµητή και τις υπηρεσίες που ο σταθµός συνδροµητή έχει πρόσβαση. Αφού ο σταθµός βάσης πιστοποιεί το σταθµό συνδροµητή, µπορεί να προστατεύσει κατά ενός εισβολέα που απασχολεί έναν κλώνο σταθµό συνδροµητή (a cloned SS). Η χρήση του Χ. 509 πιστοποιητικού εµποδίζει cloned SSs από το να περάσουν ψεύτικα πιστοποιητικά σε ένα σταθµό βάσης. Όλοι οι σταθµοί συνδροµητή πρέπει να έχουν RSA ζεύγη ιδιωτικών / δηµόσιων κλειδιών ή να τα παράγουν δυναµικά Συσχετίσεις ασφαλείας (Security Associations) Μία Συσχέτιση Ασφαλείας (SA) είναι το σύνολο της πληροφορίας ασφαλείας που ένας σταθµός βάσης και ένας ή περισσότεροι πελάτες του-σταθµοί συνδροµητή µοιράζονται για να υποστηρίξουν ασφαλείς επικοινωνίες µέσα στο δίκτυο. Ορίζονται τρεις τύποι SA : Primary, Static και Dynamic. Κάθε διαχειριζόµενος σταθµός συνδροµητή εγκαθιδρύει µία Primary SA κατά τη διάρκεια της διαδικασίας αρχικοποίησης του σταθµού συνδροµητή. Η Static SA παρέχεται µέσα στο σταθµό βάσης. Η Dynamic SA εγκαθίσταται κατά την έναρξη και σταµατά κατά τον

29 τερµατισµό ειδικών ροών υπηρεσιών. Οι Static και Dynamic SA µπορούν να χρησιµοποιούνται από πολλούς σταθµούς συνδροµητή. Οι SA αναγνωρίζονται χρησιµοποιώντας SAIDs (security association identifiers). Κάθε διαχειριζόµενος σταθµός συνδροµητή εγκαθιστά µία αποκλειστική Primary SA µε τον σταθµό βάσης του. Το SAID οποιασδήποτε Primary SA του σταθµού συνδροµητή είναι ίση µε το βασικό CID αυτού του σταθµού συνδροµητή. Χρησιµοποιώντας το PKM πρωτόκολλο, ένας σταθµός συνδροµητή ζητά από τον σταθµό βάσης του το κωδικοποιηµένο υλικό µιας SA. Ο σταθµός βάσης θα διασφαλίσει ότι κάθε πελάτης-σταθµός συνδροµητή έχει πρόσβαση µόνο στις SA που είναι εξουσιοδοτηµένος. Το κωδικοποιηµένο υλικό µιας SA έχει ένα περιορισµένο χρόνο ζωής. Όταν ο σταθµός βάσης διανέµει κωδικοποιηµένο υλικό µιας SA σε έναν σταθµό συνδροµητή παρέχει στο σταθµό συνδροµητή και αυτό τον χρόνο ζωής του υλικού. Είναι υπευθυνότητα του σταθµού συνδροµητή να ζητήσει νέο κωδικοποιηµένο υλικό από το σταθµό βάσης πριν το τρέχον υλικό λήξει στο σταθµό βάσης. Το PKM πρωτόκολλο διευκρινίζει πως οι σταθµοί συνδροµητή και βάσης διατηρούν συγχρονισµό κλειδιού Αντιστοίχιση συνδέσεων σε συσχετίσεις ασφαλείας Οι κανόνες για αντιστοίχιση συνδέσεων σε συσχετίσεις ασφαλείας (SA) είναι οι εξής: 1) Όλες οι συνδέσεις µεταφοράς θα αντιστοιχίζονται σε µία υπάρχουσα SA. 2) Οι συνδέσεις µεταφοράς πολυεκποµπής (multicast transport connections) µπορούν να αντιστοιχίζονται σε οποιαδήποτε Στατική (Static) ή υναµική (Dynamic) SA. 3) Η δευτερεύουσα σύνδεση διαχείρισης (Secondary Management Connection) θα αντιστοιχίζεται στη Primary SA. 4) Οι Basic και Primary συνδέσεις διαχείρισης δεν θα αντιστοιχίζονται σε µία SA. ε χρειάζεται ρητή αντιστοίχιση της δευτερεύουσας σύνδεσης διαχείρισης στη Primary SA Κρυπτογραφικό Πακέτο Ένα κρυπτογραφικό πακέτο είναι το σύνολο µεθόδων της SA για κρυπτογράφηση δεδοµένων, πιστοποίηση ταυτότητας δεδοµένων και TEK ανταλλαγή.

30 4. Φυσικό Επίπεδο Το πρότυπο υποστηρίζει τέσσερα φυσικά επίπεδα, το OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) τα SC (Single carrier) και SCa, και το OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access). Επίσης, ορίζει τη χρήση του εύρους ζώνης σε δύο κατηγορίες συχνοτήτων. Η µία κατηγορία περιλαµβάνει τις συχνότητες µεταξύ 10 και 66 GHz και η άλλη τις συχνότητες µεταξύ 2 και 11 GHz. Στη πρώτη κατηγορία (10-66GHz) ανήκει το φυσικό επίπεδο WirelessMAN-SC. Στη δεύτερη κατηγορία (2-11GHz) ανήκουν τα υπόλοιπα επίπεδα, δηλ. WirelessMAN- SCa, WirelessMAN-OFDM και WirelessMAN-OFDMA. Κάθε ένα από τα τρία επίπεδα, που µόλις αναφέραµε, έχει τα δικά του χαρακτηριστικά και εξυπηρετεί διαφορετικό σκοπό, στοιχεία τα οποία αναφέρουµε επιγραµµατικά παρακάτω. Το φυσικό επίπεδο WirelessMAN-SC διαθέτει µεγάλη ευελιξία, χαρακτηριστικό που δίνει τη δυνατότητα στους παροχείς υπηρεσιών να βελτιστοποιούν την ανάπτυξη του συστήµατος χωρίς να επηρεάζουν το προγραµµατισµό κελιού, το κόστος, τις δυνατότητες ραδιοκυµάτων, τις υπηρεσίες και τη χωρητικότητα. Υποστηρίζει και τις δύο τεχνικές αµφίδροµης επικοινωνίας δηλ. TDD (Time Division Duplex) και FDD (Frequency Division Duplex). Το φυσικό επίπεδο WirelessMAN-SCa έχει σχεδιαστεί για NLOS (non-line-of-sight) λειτουργία και βασίζεται σε τεχνολογία ενός φορέα (single-carrier). Υποστηρίζεται είτε η TDD είτε FDD τεχνική. Επίσης, αυτό το φυσικό επίπεδο διαθέτει δοµές πλαισίων που ευνοούν την αναβαθµισµένη ισοστάθµιση και την απόδοση της εκτίµησης του καναλιού σε NLOS και επεκτεταµένης καθυστέρησης περιβάλλοντα. Το επίπεδο WirelessMAN-OFDM είναι ένα 256-φορέων OFDM σχήµα όπου η πολλαπλή πρόσβαση διαφορετικών σταθµών υπηρεσίας βασίζεται στην τεχνική TDMA (time-division multiple access). Τα ασύρµατα συστήµατα µε OFDM φορείς σε µικρή απόσταση είναι περισσότερο ευάλωτα σε λάθη συχνότητας φέροντος σήµατος και θόρυβο φάσης που παράγονται από τον τοπικό ταλαντωτή του ραδιοφωνικού σήµατος. Η τεχνική OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) είναι µία αποδοτική σε εύρος ζώνης, τεχνική µετάδοσης πολλαπλών φορέων που είναι ευάλωτη σε παρεµβάσεις καναλιού όπως εξασθένηση πολλαπλών διαδροµών (multipath fading). Η OFDM τεχνική µετατρέπει ένα κανάλι εξασθενηµένης συχνότητας (frequency-selective fading channel) σε ένα σύνολο παράλληλων εξασθενηµένων καναλιών. Η ορθογωνικότητα (orthogonality) επιτρέπει ταυτόχρονη µετάδοση σε πολλούς φορείς σε µικρό διάστηµα συχνότητας χωρίς να εισέρχεται ο ένας µέσα στον άλλο. Το WirelesMAN-OFDMA είναι ένα 2048-φορέων OFDM σχήµα όπου παρέχεται πολλαπλή πρόσβαση διαφορετικών σταθµών συνδροµητή χρησιµοποιώντας ένα συνδυασµό των τεχνικών TDMA and OFDMA. Τα δύο OFDM-based συστήµατα είναι πιο κατάλληλα για non-los χρήση διότι η διαδικασία ισοστάθµισης (equalization)είναι απλούστερη για σήµατα πολλών φορέων.

31

32 ΕΥΤΕΡΟ ΜΕΡΟΣ

33 Εφαρµογές και υπηρεσίες που παρέχονται από την τεχνολογία WIMAX Μερικές από τις υπηρεσίες που παρέχει η τεχνολογία Wimax έχουν αναφερθεί ήδη στο πρώτο µέρος και συγκεκριµένα αφορούν τις ενότητες 2. 5 UGS, 2. 6 Εκχώρηση εύρους ζώνης και µηχανισµοί αίτησης και 2. 7 Ποιότητα υπηρεσιών (QoS). Εδώ, θα αναφέρουµε κάποιες επιπλέον εφαρµογές που µας εξυπηρετούν στη καθηµερινότητά µας. Η παρακάτω εικόνα δείχνει, σε χρονολογική σειρά, τις εργασίες του Wimax Forum για παραγωγή προϊόντων.

34 Η εικόνα που ακολουθεί απεικονίζει την εκτίµηση της εµπορικής διαθεσιµότητας των προϊόντων εξοπλισµού χρήστη της τεχνολογίας WiMAX τα επόµενα χρόνια (ας εξαιρεθεί το 2006).

35 Στον παρακάτω πίνακα, σε κάθε τύπο πρόσβασης αποδίδεται ο αντίστοιχος τύπος συσκευής. Όπως βλέπουµε, για το πρότυπο που µας ενδιαφέρει σ αυτή την εργασία, παρέχονται οι δύο πρώτοι τύποι πρόσβασης (fixed και nomadic access) µε τις αντίστοιχες συσκευές (outdoor και indoor CPEs, και PCMCIA cards).

36 Υπάρχουν τέσσερις τύποι υπηρεσιών στη τεχνολογία Wimax: η UGS (Unsolicited Grant Service), η rtps (real-time Polling Service), η nrtps (non-real-time Polling Service) και η BE (Best Effort). Αυτές οι κατηγορίες αναφέρονται στον επόµενο πίνακα µαζί µε µία σύντοµη περιγραφή για το κάθε τύπο υπηρεσίας. Εκτός από τους γενικούς τύπους υπηρεσιών, µπορούµε να διακρίνουµε αυτές τις υπηρεσίες και στις καθηµερινές εφαρµογές µας. Αυτές οι εφαρµογές κατηγοριοποιούνται σε τάξεις υπηρεσιών και είναι οι εξής: Interactive Gaming, VoIP, Streaming Media, Information Technology, Media Content Download. Στον παρακάτω πίνακα µπορούµε να δούµε τις τάξεις αυτές σε αντιστοιχία µε το τύπο εφαρµογής στην οποία παρέχεται η υπηρεσία και το εύρος ζώνης που απαιτεί. Επιπλέον αναφέρεται αν είναι εφαρµογή πραγµατικού χρόνου ή όχι.

37 Τέλος, ενδεικτικά δίνονται στο παρακάτω πίνακα καθηµερινές εφαρµογές στις οποίες η τεχνολογία WiMAX µπορεί να συνεισφέρει σηµαντικά. Στις επόµενες σελίδες, απεικονίζονται εφαρµογές σε επίπεδο ιδιωτικού και δηµόσιου δικτύου και ο τρόπος υλοποίησής τους µε τη τεχνολογία WiMAX. Private Networks

38 Cellular Backhaul Wireless Service Provider Backhaul Banking Networks

39 Education Networks

40 Public Networks Wireless Service Provider Access Network Rural Connectivity

41

42 ΤΡΙΤΟ ΜΕΡΟΣ

43 Γιατί να επιλέξουµε την τεχνολογία WiMAX για το δίκτυο µας; Τα σταθερά δίκτυα µπορούν να επωφεληθούν από τα πολλά πλεονεκτήµατα που προσφέρουν τα προϊόντα WiMAX που βασίζονται στο πρότυπο Πιο συγκεκριµένα, τα πλεονεκτήµατα που προσφέρει η τεχνολογία WiMAX είναι: Απλούστερη διαµόρφωση (OFDM) Ζώνες χωρίς άδεια χρήσης Υψηλότερη διεκπεραιωτική ικανότητα Καλύτερη χρονική στιγµή για επένδυση στη τεχνολογία αυτή λόγω διαθεσιµότητας των προϊόντων της στην αγορά, έχοντας το πλεονέκτηµα της ανταγωνιστικότητας.

44 Επεξήγηση και ανάλυση ορισµένων όρων του κειµένου 1. Κατερχόµενη ζεύξη (Downlink): Η κατεύθυνση από το σταθµό βάσης στο σταθµό συνδροµητή. 2. MAC: Έλεγχος Πρόσβασης Μέσων 3. Μονάδα εδοµένων Πρωτοκόλλου (Protocol Data Unit, PDU): Η µονάδα δεδοµένων που ανταλλάσσεται µεταξύ των οντοτήτων των άκρων του ίδιου επιπέδου πρωτοκόλλου 4. (Payload Header Suppression, PHS): Η διαδικασία αποκοπής του επαναλαµβανόµενου κοµµατιού του ωφέλιµου φορτίου στον αποστολέα και ανάκτησης των κεφαλίδων στον παραλήπτη. 5. Πρωταρχική Σύνδεση ιαχείρισης (Primary Management Connection): Μία σύνδεση που εγκαθίσταται κατά τη διάρκεια αρχικής µέτρησης απόστασης του σταθµού συνδροµητή και χρησιµοποιείται για να µεταφέρει ανθεκτικά σε καθυστερήσεις MAC µηνύµατα διαχείρισης. 6. Συσχέτιση Ασφαλείας (Security Association, SA): Η SA είναι µία µονόδροµη σύνδεση ανάµεσα σε δύο άκρα, η οποία έχει ένα αναγνωριστικό ασφαλείας που σχετίζεται µ αυτή. Αν απαιτείται ασφαλής κίνηση και προς τις δύο κατευθύνσεις, χρειάζονται δύο συσχετίσεις ασφαλείας. Τα αναγνωριστικά ασφαλείας µεταφέρονται στα πακέτα που ταξιδεύουν µέσω αυτών των ασφαλών συνδέσεων, και χρησιµοποιούνται για την αναζήτηση κλειδιών και άλλων συναφών πληροφοριών όποτε φτάνει ένα ασφαλές πακέτο. 7. Σηµείο πρόσβασης υπηρεσίας (Service Access Point, SAP): Το σηµείο στη στοίβα πρωτοκόλλων όπου οι υπηρεσίες ενός χαµηλότερου επιπέδου είναι διαθέσιµες στο επόµενο του σηµείου υψηλότερο επίπεδο. 8. Μονάδα εδοµένων Υπηρεσίας (Service Data Unit, SDU): Η µονάδα δεδοµένων που ανταλλάσσεται µεταξύ δύο γειτονικών επιπέδων πρωτοκόλλων. 9. ευτερεύουσα Σύνδεση ιαχείρισης (Secondary Management Connection): Μία σύνδεση που µπορεί να εγκατασταθεί κατά τη διάρκεια της εγγραφής του σταθµού συνδροµητή που χρησιµοποιείται για να µεταφέρει µηνύµατα SNMP, DHCP κ. ά. 10. Ανερχόµενη Ζεύξη (Uplink): Η κατεύθυνση από ένα σταθµό συνδροµητή στο σταθµό βάσης.

45

46 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Το µεγαλύτερο µέρος των πηγών από τις οποίες χρησιµοποίησα στοιχεία για να κάνω την εργασία αυτή προέρχεται από το ιαδίκτυο. Ενδεικτικό βιβλίο είναι το βιβλίο του Andrew S. Tanenbaum, ίκτυα Υπολογιστών (Τέταρτη Αµερικάνικη έκδοση). Πηγές από το διαδίκτυο pdf, IEEE standard for Local and Metropolitan area networks Can_WiMAX_Address_Your_Applications_final. pdf, White Paper, prepared by Westech Communications Inc. on behalf of the WiMAX Forum, 2005 Mettukuru_Srikanth_masters_problem_report. pdf pdf Design, Test Challenges for Fixed, Mobile WiMAX -- Nikkei Electronics Asia -- May Tech-On!. htm WiMAX_Applications. pdf Wimax presentation. pdf Telephony_WiMAX. pdf C _05. pdf