В рубрику "Решения операторского класса" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций

Мобильные сети вещания технологии Wi-Fi. Часть 1

Николай Слепов, к.т.н., с.н.с. РАН

Уровень развития связи в разных странах неодинаков. Наша страна здесь отстает, и не только от Европы и Америки. Речь ниже, однако, о том, как (и на какой технологии) построить сеть вещания, доступную всем.

Необходимость сети вещания

22 июня 1941 г. картонные репродукторы разнесли по всей России весть о начале Великой Отечественной войны и регулярно информировали нас о поражениях, победах и других новостях.

11 сентября 2001 г. обрушение "башен-близнецов" в Нью-Йорке вместе с установленными на них вышками сотовой связи лишило спасателей связи и не позволило им в должной мере выполнить функцию защиты населения.

Насущная необходимость в надежной сети радиовещания для всех, а не только для избранных, формально ясна и понятна всем. Какую технологию выбрать для ее реализации?

Выбор технологии

Технология связи для такой сети должна удовлетворять ряду требований. Одни из них очевидны, другие - нет. Ясно, что в сети вещания связь должна быть мобильной, чтобы дойти до любого пользователя, где бы он ни находился. Преимущества мобильной связи описаны в ряде источников [1].

Однако методов мобильной связи много, а сотовая связь обычной топологии - "точка (базовая станция, БС) - много точек (абонентские станции, АС)" - не годится, как показали события в Нью-Йорке.

Кроме сотовых сетей в последнее время для сетей вещания широко рекламируются мобильные технологии локальных сетей (ЛС) [1]: WLAN (беспроводные ЛС), Wi-Fi (стандарта IEEE 802.11) и WiMAX (стандарта IEEE 802.16). Наиболее перспективными из них (в плане соотношения "цена/качество") считаются WLAN IEEE 802.11s [2] с топологией mesh-сети, которая, как утверждают специалисты [3; 4], позволяет избежать при эксплуатации коллапса вроде того, что был в Нью-Йорке.

Действительно, mesh-сети в отличие от обычных радиосетей с топологией "звезда" могут рассматриваться как двухсвязные сети (two-tiers) [4], имеющие:

связь прямого доступа (AT - Access Tier): mesh-узел (MP) → точка доступа (AP) → клиент/станция (STA);
обходную связь (BT - Backhaul Tier): mesh-узел (MPi) → сопряженный mesh-узел (MPic) → точка досту- па (AP) → клиент/станция (STA).

Если по какой-то причине связь прямого доступа окажется недоступна (как это было в Нью-Йорке), то клиентская станция может быть достигнута по обходной связи. Опишем такие связи более подробно, дав некоторые пояснения по структуре и терминологии mesh-сетей IEEE 802.11s.

Схема организации сети WLAN IEEE 802.11

Исходно (1999 г.) сети WLAN IEEE 802.11 имели только связи типа AT. Компоненты этой сети, их организация и взаимодействие показаны на рис. 1.

При ее формировании используются следующие элементы и понятия:

WLAN - Wireless LAN - беспровод- ная ЛС, имеющая только связи типа AT;
STA - Station - станция: мобильная станция или клиент, ПК, сотовый телефон и т.д.; элемент сети, который может присоединяться только к точкам доступа (AP) или устройствам с функциями AP;
AP - Access Point - узел/точка доступа: любой объект WLAN с функциями станции, обеспечивающий доступ STA к сервису, распространяемому по беспроводной среде (WM);
BSS - Basic Service Set - базовый набор - набор станций, управляемых точечными функциями координации (PCF); основной блок архитектуры WLAN, имеющий возможность работать с базовым набором скоростей (BRS) потоков, распространяемых по WM;
BSA - Basic Service Area - основная зона обслуживания - зона покрытия, внутри которой станции STA могут быть связаны друг с другом;
CF - Coordination Function - функция координации: логическая функция, определяющая, в какой момент станция из набора BSS может передавать или принимать протокольные блоки данных (PDU) из среды WM; функция координации может быть точечной (PCF), если она управляет одной станцией, или распределенной (DCF), если управляет всеми станциями набора BSS;
DS - Distribution System - система распределения (сигнала), используемая для связи набора BSS с LAN-сетями и создания расширенного набора блоков (ESS);
DSS - Distribution System Service - сервис системы распределения, дающий возможность подуровню MAC передавать блоки данных MSDU между станциями, не имеющими прямой связи друг с другом, на расстоянии одного сегмента среды WM;
ESS - Extended Service Set - расширенный набор блоков - набор одного или более связанных BSS и LAN, который представлен на уровне LLC (верхнего подуровня звена данных модели OSI) как единый набор для любой станции, ассоциированной с одним из этих BSS;
MPDU - MAC Protocol Data Unit - протокольный блок данных, которым обмениваются два логических MAC-объекта, используя сервисы физического уровня (PHY);
MSDU - MAC Service Data Unit - сервисный блок данных: информационный блок, передаваемый между точками сервисного доступа (SAP) MAC-подуровня;
Portal - портал - логическая точка, где блоки MSDU из сетей LAN, не относящихся к IEEE 802.11, входят в систему DS набора ESS;
MMPDU - MAC Management Protocol Data Unit - блок данных, которым обмениваются два логических MAC-объекта для реализации протокола MAC-менеджмента;
DSS - Distribution System Service - сервис системы распределения DS, дающий подуровню MAC возможность передавать MSDU между станциями, которые не находятся в прямой связи друг с другом по сегменту WM: между точками AP блоков из BSS, входящих в ESS; между порталами и BSS/ESS; между STA внутри BSS;
SS - Station Service - станционный сервис: в сети WLAN - это набор сервисов, которые поддерживают транспорт сервисных блоков MSDU между станциями набора BSS.

Используемые здесь понятия - LLC, MAC, PDU, PHY, SAP, SDU - взяты из арсенала LAN и модели OSI.

Функционирование WLAN

Сети WLAN IEEE 802.11 обычно используют два режима работы:

Ad hoc Network - простая сеть, состоящая из станций, связанных между собой через WM с помощью фиксированного хаба (приемопередатчика, или транспондера);
Hot Spot Network - сеть с выбранным активным узлом ("горячей точкой" - hot spot) - режим WLAN, когда один из узлов AP назначается в качестве хаба, передающего кадры-биконы ("сигналы маяка") для синхронизации станций STA сети WLAN, все связи между узлами идут через этот хаб.

Сеть Ad hoc легко сформировать и расформировать, не привлекая квалифицированных специалистов или серьезные материальные ресурсы, но в ней нет гибкости и надежности. Второй режим работы (или сеть) сложнее и дороже, так как активным элементом может быть любой узел. Но он дает нужную гибкость и надежность: в случае необходимости система управления может выбрать в качестве hot spot другой узел. Однако и для этой сети связь между узлами типа BT также невозможна, как и в сети Ad hoc.

Архитектура и элементы mesh-сети

Архитектура собственно mesh-сети показана на рис. 2.

При ее формировании используются следующие элементы и понятия [2]:

MWLAN - Mesh Wireless LAN - беспроводная mesh-сеть: сеть WLAN, имеющая связи типа AT и BT;
MP - Mesh Point - узел mesh-сети: узел MWLAN, устанавливающий одноранговые связи с соседними MP-узлами; участник mesh-сервиса WLAN, к которому нет доступа со стороны STA;
MAP - Mesh AP - узел mesh-сети с точкой доступа, обладающий функциональностью MP и совмещенный с точкой доступа AP (она обеспечивает доступ и сервис станции STA набора BSS);
MPP - Mesh-portal - mesh-портал: узел, на уровне которого существует и вводится в MWLAN сервисный блок данных MSDU, осуществляющий связь MWLAN с внешней сетью: беспроводной и проводной (рис. 2, 3); mesh-портал играет роль шлюза между этими сетями;
MSDU - Mesh-network Service Data Unit - сервисный блок данных mesh-сети, осуществляющий (через точки доступа SAP) взаимодействие верхнего уровня внешней сети (лежащего выше уровня LLC) с уровнями MAC и PHY сети MWLAN; характер взаимодействия через этот шлюз зависит от мостовых функций верхнего уровня и типа сети;
QBSS - Quality of Service Basic Service Set - базовый набор, удовлетворяющий требованиям QoS;
UCG - Unified Channel Graph - граф объединенного канала: топологический элемент (см. ниже) радио-mesh-сети (WLAN), описанный в IEEE 802.11s.

Топологии mesh-сетей

Полносвязная ячеистая сеть
Понятие и термин mesh-сеть и перевод его на русский язык термином ячеистая сеть (ЯчС) [5] имеют свои особенности и границы.

Mesh-сеть в проводной связи понималась как сеть с топологией, где каждый узел связан с каждым другим, и рассматривалась как полносвязная ЯчС (full-mesh-сеть). Она использовалась сначала в мультипроцессорных (МП) системах, а не в ЛС для реализации взаимодействия между МП и блоками памяти (рис. 4), в то время как ее узлы размещались в вершинах соответствующего гиперкуба [5].

Литература

Вишневский В.М., Портной С.Л., Шахнович И.В. Энциклопедия WiMAX. Путь к 4G. - М.: Техносфера, 2009.
IEEE P802.11s Draft 1.00. Draft Amendment: ESS Mesh Networking, 2006.
Conner W.S. et al. IEEE 802.11s Tutorial Overview of the Amendment for Wireless Local Area Mesh Networking. IEEE 802 Plenary. Dallas, 2006.
Camp J. et al. Measurement Driven Deployment of a Two-Tier Urban Mesh Access Network. - In Proc. of ACM MobiSys 2006, Uppsala, Sweden.
Слепов Н.Н. Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи. - 2-е изд. испр. - М.: Радио и связь, 2003.

Опубликовано: Журнал "Технологии и средства связи" #3, 2010
Посещений: 7364

Автор

Николай Слепов

Независимый эксперт

Всего статей: 23