Giao thức MAC IEEE 802.16a được thiết kế cho những ứng dụng truy nhập không dây băng rộng “điểm – đa điểm”. Nó hướng vào nhu cầu những tốc độ truyền theo bit rất cao, cả đường lên (tới BS) và đường xuống (từ BS). Những giải thuật truy cập và định vị dải thông phải thích ứng hàng trăm thiết bị đầu cuối cho mỗi kênh, với những thiết bị đầu cuối dùng chung cho nhiều người dùng cuối. Những dịch vụ được yêu cầu bởi những người dùng cuối này vẫn thay đổi như vốn có và bao gồm tiếng và dữ liệu TDM (Time Division Multiplex) kế thừa, kết nối IP (Internet Protocol) và VoIP (Voice over IP) gói hóa. Để hỗ trợ sự đa dạng các dịch vụ, MAC 802.16a phải điều tiết cả hai lưu lượng liên tục và không liên tục. Đồng thời, những dịch vụ này
đang chờ để được gán chất lượng dịch vụ (QoS) thích hợp với những kiểu lưu lượng như vậy. MAC 802.16a cung cấp một phạm vi rộng các kiểu dịch vụ tương tự như những dịch vụ ATM truyền thống cũng như những dịch vụ mới hơn.
Giao thức MAC 802.16a cũng phải hỗ trợ một sự đa dạng các nhu cầu gửi trả về, bao gồm giao thức ATM và giao thức dựa theo gói (Packet Based). Thông qua những đặc tính như chặn đầu mục tải tối đa (Payload Header), đóng gói và phân mảnh, những lớp con quy tụ và MAC làm việc cùng nhau để mang lại một lưu lượng nhiều hiệu quả hơn cơ chế vận chuyển vốn có. Cơ chế “request grant” (cấp phát theo yêu cầu) được thiết kế để có thể biến đổi, có hiệu suất cao và tự sửa chữa lỗi.
Cùng với những nhiệm vụ cơ bản như cấp phát dải thông và vận chuyển dữ liệu, MAC bao gồm một lớp con bảo mật cung cấp sự chứng thực truy cập mạng và thiết lập kết nối để ngăn ngừa hành vi trộm dịch vụ và cung cấp sự trao đổi và mã hóa khóa cho dữ liệu riêng biệt.
MAC bao gồm những lớp con quy tụ chuyên biệt về dịch vụ giao diện với những lớp cao hơn, phía trên lớp con phần chung (Common Part) MAC nòng cốt thực hiện những chức năng MAC chủ yếu. Bên dưới lớp con phần chung là lớp con bảo mật (Privacy Sublayer).
a) Những lớp con quy tụ chuyên biệt về dịch vụ
Chuẩn IEEE 802.16a định nghĩa hai lớp con quy tụ chuyên biệt về dịch vụ tổng thể để ánh xạ các dịch vụ đến và từ những kết nối MAC 802.16a. Lớp con quy tụ ATM được định nghĩa cho những dịch vụ ATM và lớp con quy tụ gói được định nghĩa để ánh xạ các dịch vụ gói như IPv4, IPv6, Ethernet và VLAN (Virtual Local Area Network). Nhiệm vụ chủ yếu của lớp con là phân loại các SDU (Service Data Unit) theo kết nối MAC thích hợp, bảo toàn hay cho phép QoS và cho phép định vị dải thông. Ngoài những chức năng cơ bản
này, các lớp con quy tụ có thể cũng thực hiện nhiều chức năng phức tạp hơn như chặn và xây dựng lại đầu mục tải tối đa (Payload Header) để nâng cao hiệu suất kết nối không gian.
b) Lớp con phần chung (Common Part Sublayer)
Nhìn chung về kiến trúc tổng thể MAC 802.16a được thiết kế để hỗ trợ kiến trúc “điểm – đa điểm” với một BS trung tâm điều khiển nhiều khu vực độc lập đồng thời. Trên đường xuống, dữ liệu đến các CPE được dồn kênh theo kiểu TDM. Đường lên được dùng chung giữa các CPE theo kiểu TDMA.
MAC 802.16a theo kiểu hướng kết nối. Tất cả những dịch vụ bao gồm những dịch vụ không kết nối cố hữu, được ánh xạ tới một kết nối. Điều đó cung cấp một cơ chế cho yêu cầu dải thông, việc kết hợp QoS và các tham số về lưu lượng, vận chuyển và định tuyến dữ liệu đến lớp con quy tụ thích hợp và tất cả các hoạt động khác có liên quan đến điều khoản hợp đồng của dịch vụ. Các kết nối được tham chiếu đến các CID 16bits (16bits Connection Indentifier) và có thể yêu cầu liên tiếp dải thông được cấp phát hay dải thông theo yêu cầu.
Mỗi CPE có một địa chỉ MAC 48 bit chuẩn, nhưng những phục vụ này chủ yếu như một bộ nhận diện thiết bị, từ khi những địa chỉ gốc được sử dụng trong thời gian hoạt động là các CID. Lúc vào mạng, CPE được gán ba kết nối quản lý (Management Connection) cho mỗi hướng. Ba kết nối này phản ánh ba yêu cầu QoS khác nhau được sử dụng bởi ba mức quản lý khác nhau. Kết nối đầu tiên là kết nối cơ sở (Basic Connection) được dùng để truyền các thông điệp ngắn, “Time Critical MAC” và RLC (Radio Link Control). Kết nối quản lý sơ cấp (Primary Management Connection) được sử dụng để truyền các thông điệp dài hơn, chịu trễ nhiều hơn như những gì được sử dụng để chứng thực và cài đặt kết nối. Kết nối quản lý thứ cấp được sử dụng để truyền các thông điệp quản lý dựa trên cơ sở các chuẩn như DHCP (Dynamic Host
Control Protocol). Ngoài những kết nối quản lý này, các CPE được cấp phát các kết nối vận chuyển (Transport Connection) cho các dịch vụ đã ký hợp đồng. Những kết nối vận chuyển theo một hướng duy nhất đơn giản hóa các tham số QoS đường lên và đường xuống khác nhau và các tham số lưu lượng. Ngoài ra MAC còn dự trữ các kết nối bổ sung cho những mục đích khác như sự truy nhập lúc khởi đầu trên cơ sở cạnh tranh, sự truyền quảng bá (Broadcast) cho đường xuống cũng như cho báo hiệu kiểm tra tuần tự (Polling).
Việc truyền các MAC - PDU
Lớp MAC của IEEE 802.16 MAC hỗ trợ các giao thức lớp cao hơn khác nhau như ATM hay IP. Những MAC – SDU mới đến từ các lớp con quy tụ tương ứng được định dạng theo khuôn dạng của MAC – PDU, có thể với sự phân mảnh và / hoặc đóng gói, trước khi được chuyên trở qua một hay nhiều kết nối với sự đồng ý của giao thức MAC. Sau khi vượt qua kết nối không gian, các MAC – PDU được cấu trúc trở về các MAC – SDU gốc, như vậy những sửa đổi khuôn dạng được thực hiện bởi giao thức lớp MAC thể hiện tính “trong suốt” đối với thực thể nhận.
IEEE 802.16 tận dụng lợi thế của sự hợp nhất các quá trình đóng gói và phân mảnh với quá trình định vị dải thông để tối ưu hóa tính linh hoạt và hiệu suất cho cả hai. Phân mảnh là một quá trình trong đó một MAC – SDU được chia cắt ra làm một hay nhiều đoạn MAC – SDU. Đóng gói là một quá trình trong đó nhiều MAC – SDU được hợp nhất lại vào một “Payload” MAC – PDU. Cả hai quá trình có thể được bắt đầu bởi một BS cho một kết nối đường xuống hoặc một CPE cho một kết nối đường lên. IEEE 802.16 cho phép phân mảnh và đóng gói đồng thời để có thể sử dụng dải thông một cách hiệu quả.
Hỗ trợ PHY và cấu trúc khung
có tính đến các kỹ thuật nâng cao hiệu suất như chèn (interleaving). Các đường xuống không liên tục (hoặc FDD hoặc TDD) cho phép sử dụng nhiều kỹ thuật nâng cao khả năng và dung lượng hơn như burst – profiling thích ứng mức thuê bao và các hệ thống anten cải tiến.
MAC xây dựng khung con (subframe) của đường xuống bắt đầu với một đoạn điều khiển khung có chứa các thông điệp DL – MAP và UL – MAP. Chúng chỉ ra những chuyển tiếp PHY trên đường xuống cũng như những định vị dải thông và các burst – profile ở đường lên.
DL – MAP luôn có thể ứng dụng cho khung hiện thời và luôn có độ dài tối thiểu là hai block FEC. Sự chuyển tiếp PHY đầu tiên được biểu thị trong block FEC đầu tiên, cho phép thời gian xử lý thích ứng. Trong cả hai hệ thống TDD và FDD, UL – MAP cung cấp các định vị bắt đầu không muộn hơn khung đường xuống tiếp theo. Tuy vậy, UL – MAP có thể định vị sự khởi đầu khung hiện thời, miễn là những thời gian xử lý và những độ trễ toàn phần (round trip delay) phải được giám sát.
Điều khiển kết nối Radio RLC (Radio Link Control)
Công nghệ được cải tiến của PHY 802.16 đòi hỏi RLC nâng cao, đặc biệt khả năng PHY để chuyển tiếp từ một burst – profile tới một burst – profile khác. RLC phải điều khiển khả năng này cũng như các chức năng RLC truyền thống.
Các dịch vụ lập lịch đường lên (Uplink Scheduling Services) mỗi kết nối theo hướng đường lên được ánh xạ đến một scheduling – service. Mỗi scheduling – service liên quan đến một tập các quy tắc dựa trên trình lập lịch BS (BS – Scheduler) chịu trách nhiệm cấp phát dung lượng cho đường lên và giao thức cấp phát theo yêu cầu giữa CPE và BS. Đặc tả chi tiết các quy tắc và scheduling – service được dùng cho một kết nối đường lên đặc thù được thỏa thuận tại thời gian cài đặt kết nối.
Dịch vụ cấp phát tự nguyện UGS (Unsolicited grant service) được biến đổi để mang lại các dịch vụ tạo ra những đơn vị cố định dữ liệu theo chu kỳ. Khi được sử dụng với UGS, đầu mục con quản lý cấp phát gồm poll – me bít
cũng như slip indicator flag (cờ báo lỗi) cho phép CPE báo cáo rằng hàng đợi truyền bị ùn do các yếu tố như mất sự cấp phát hay lệch giờ giữa hệ thống IEEE 802.16 và mạng bên ngoài. Nhờ vào sự phát hiện slip indicator flag BS có thể cấp phát dung lượng bổ sung nào đó cho CPE, cho phép nó hồi phục trạng thái hàng đợi trung bình. Những kết nối được cấu hình với UGS thì không được phép sử dụng những cơ hội truy nhập ngẫu nhiên cho các yêu cầu.
Những yêu cầu dải thông và cấp phát
MAC IEEE 802.16 điều tiết hai lớp của CPE, được phân biệt thông qua khả năng chấp nhận cấp phát dải thông của chúng cho một kết nối hoặc cho CPE toàn vẹn. Cả hai lớp dải thông CPE yêu cầu dải thông cho mỗi kết nối để cho phép giải thuật “BS Uplink Scheduling” (lập lịch đường lên BS) để cân nhắc một cách đúng đắn QoS khi định vị dải thông. Với sự cấp phát cho mỗi lớp kết nối (Grant per Connection, GPC) của CPE, dải thông được cấp phát cho một kết nối và CPE chỉ sử dụng cấp phát này cho kết nối đó. RLC và các giao thức quản lý khác sử dụng dải thông được cấp phát cho những kết nối quản lý này.
Với lớp cấp phát cho mỗi CPE (Grant per CPE, GPCPE), các CPE được cấp các dải thông được tập hợp lại vào trong một cấp phát đơn cho bản thân CPE đó. GPCPE – CPE cần thông minh hơn trong việc xử lý chất lượng dịch vụ của nó. Nó sẽ sử dụng đặc trưng dải thông cho kết nối đã yêu cầu nó, nhưng không cần thiết.
Để bỏ qua chu trình kiểm tra tuần tự thông thường, bất kỳ CPE nào với một kết nối có chạy UGS có thể sử dụng poll – me bit trong đầu mục con
dải thông trên một kết nối khác. BS chỉ có thể chọn để cất giữ dải thông qua việc kiểm tra tuần tự các CPE đã tự nguyện cấp phát các dịch vụ chỉ khi chúng đã đặc poll – me bit.
Sự thu nhận kênh (Chanel Acquisition) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Giao thức MAC bao gồm một thủ tục khởi tạo được thiết kế để loại trừ nhu cầu cấu hình thủ công. Vào lúc cài đặt, một CPE bắt đầu quét danh sách tần số của nó để tìm ra một kênh hoạt động. Nó có thể được chương trình hoá để đăng ký với một BS xác định, tham chiếu đến một broadcast ID BS (có khả năng chương trình hoá). Đặc tính này giúp ích cho việc triển khai nơi mà CPE có thể “nghe” (nhận biết) một BS thứ cấp do sự giảm âm có chọn lọc hoặc khi CPE bắt được một “sidelobe” của một anten BS gần ngay cạnh.
Sau khi quyết định trên kênh nào, CPE cố gắng thử đồng bộ hóa sự truyền đường xuống do phát hiện ra các đoạn đầu khung theo chu kỳ (Periodic Frame Preambles).
Chứng thực và đăng ký CPE
Mỗi CPE có chứa một giấy chứng nhận số X509 được cài đặt từ nhà máy và giấy chứng nhận của nhà sản xuất. Các giấy chứng nhận này thiết lập một liên kết giữa địa chỉ MAC 48 bit của CPE và khóa RSA dùng chung, được gửi cho BS từ CPE trong những thông báo yêu cầu cấp phép và thông tin chứng thực. Mạng có khả năng xác minh khả năng giống nhau của CPE bởi việc kiểm tra các giấy chứng nhận và sau đó kiểm tra mức cho phép của CPE. Nếu CPE được cấp phép để tham gia mạng, BS sẽ đáp lại yêu cầu của nó với một Authorization Reply (trả lời cấp phát) có chứa một khóa AK (Authorization Key) được mã hóa với khóa dùng chung của CPE và được dùng để bảo vệ những giao dịch sau này.
Trong lúc cấp phép thành công, CPE sẽ đăng ký với mạng. Điều đó sẽ thiết lập kết nối quản lý thứ cấp của CPE và xác định những khả năng có liên
quan đến cài đặt kết nối và quá trình hoạt động MAC. Phiên bản IP được sử dụng với kết nối quản lý thứ cấp cũng được xác định trong thời gian đăng ký.
Kết nối IP
Sau khi đăng ký, CPE giành được một địa chỉ IP qua DHCP và thiết lập thời gian trong ngày qua đường ITP (Internet Time Protocol). Server DHCP cũng cung cấp địa chỉ của server TFTP (Trivial File Transfer Protocol), từ đó CPE có thể yêu cầu một file cấu hình. File này cung cấp một giao diện chuẩn đưa ra thông tin cấu hình đặc trưng của nhà cung cấp.
Cài đặt kết nối
Nhìn tổng thể, việc cài đặt các luồng dịch vụ trong IEEE 802.16 được khởi tạo bởi BS trong thời gian khởi tạo CPE. Tuy vậy, các luồng dịch vụ có thể được thiết lập động bởi BS hoặc CPE. Điển hình CPE chỉ khởi tạo các luồng dịch vụ nếu có một kết nối được báo hiệu động như một SVC (Switched Virtual Connection) từ một mạng ATM. Sự thiết lập các luồng dịch vụ được thực hiện thông qua một giao thức bắt tay ba bước (three way handshaking) mà tại đó yêu cầu thiết lập luồng dịch vụ được đáp ứng và sự đáp lại đó được xác nhận.
Những liên kết bảo mật (Security Associations SA)
Giao thức bảo mật của IEEE 802.16 dựa trên cơ sở giao thức PKM (Privacy and Key Management), PKM được xây dựng xung quanh khái niệm các SA. SA là một tập các phương pháp mật mã và các nguyên liệu mã khóa kết hợp. Điều đó có nghĩa là nó có chứa thông tin về những thuật toán nào được áp dụng, khóa nào được dùng. Mỗi CPE thiết lập tối thiểu một SA trong thời gian khởi tạo. Mỗi kết nối, với ngoại lệ các kết nối quản lý cơ sở và sơ cấp, được ánh xạ tới một SA hoặc tại thời gian cài đặt kết nối hoặc trong quá trình hoạt động.
các chuẩn cung cấp truy nhập không dây băng thông rộng trong nhiều môi trường điều tiết. Chuẩn này nhằm mục đích tính đến nhiều nhà cung cấp sản xuất ra các thiết bị có thể hoạt động cùng nhau. Tuy vậy, nó cũng chú tâm đến sự khác nhau giữa các nhà cung cấp. Chẳng hạn chuẩn này cung cấp trạm cơ sở với một tập các công cụ để thực hiện công việc lập kế hoạch hiệu quả. Tuy nhiên, các thuật toán lập lịch xác định hiệu suất toàn bộ sẽ khác nhau đối với từng nhà cung cấp khác nhau và có thể tối ưu hóa những mô hình lưu lượng cụ thể. Theo cách đó, đặc tính burst – profile thích ứng cho phép điều khiển để tối ưu hóa hiệu suất của vận chuyển PHY. Những nhà cung cấp có tính đổi mới sẽ giới thiệu những kế hoạch thực hiện thông minh để tăng khả năng cơ hội này trong khi bảo lưu tính hoạt động cùng nhau với các trạm thuê bao tương hợp.
Việc công bố chuẩn IEEE 802.16 có một tầm quan trọng trong đó truy cập không dây băng rộng chuyển sang thế hệ thứ hai và bắt đầu sự thiết lập như một xu hướng lựa chọn cho truy cập băng rộng.