Телеарна жиіліктеріндегі бос кеңістікті пайдалану стандарты (IEEE 802.22)

Кіріспе

IEEE 802.22 – теледидар (ТВ) жиілік спектріндегі бос орындарды пайдаланатын сымсыз аймақтық желілер (WRAN) стандарты. IEEE 802.22 WRAN стандартын әзірлеудің мақсаты – теледидарлық хабар тарату қызметіне бөлінген, географиялық тұрғыдан қолданылмаған спектрді, кедергісіз бөлісуге мүмкіндік беретін когнитивті радио (CR) техникаларын пайдалану арқылы, ауылдық жерлерге тән, халық тығыздығы төмен аймақтарда кеңжолақты қолжетімділікті қамтамасыз ету болып табылады. Сондықтан, бұл стандарт өте уақтылы және бүкіл әлемде кең қолданылуға ие болуы мүмкін. Бұл, CR техникаларын негізге алған, теледидар жолақтарын кедергісіз пайдалануға арналған стандартталған әуе интерфейсін анықтау бойынша жасалған әлемдегі алғашқы әрекет. IEEE 802.22 WRAN теледидар тарату жолақтарында жұмыс істеуге арналған, сонымен қатар қолданыстағы операцияға зиянды кедергілер келтірмейтінін қамтамасыз етеді: цифрлық және аналогты теледидар тарату, сондай-ақ сымсыз микрофондар сияқты төмен қуатты лицензиялық құрылғылар. Стандарт 2010 жылдың бірінші тоқсанында аяқталуы күтілген, бірақ 2011 жылдың шілдесінде жарияланды. IEEE P802.22.1 – теледидарлық хабар тарату жолақтарында жұмыс істейтін төмен қуатты лицензиялы құрылғыларды зиянды кедергілерден қорғауды жақсартуға бағытталған тиісті стандарт. IEEE P802.22.2 – IEEE 802.22 жүйелерін орнату және іске қосу үшін ұсынылатын практика. Оның жобасы, ресми түрде Сымсыз аймақтық желілер (WRAN) стандарты деп аталады, 22-бөлім: Когнитивті сымсыз RAN ортаға қолжетімділікті бақылау (MAC) және физикалық қабат (PHY) ерекшеліктері: Теледидар жолақтарында жұмыс істеу саясаты мен рәсімдері, 54 пен 862 МГц арасындағы UHF/VHF теледидар жолақтарын пайдаланатын бірізді, ұлттық тұрақты нүктеден көп нүктеге дейінгі WRAN құруға бағытталған. IEEE 802.22 стандартында байланыс үшін белгілі бір телеарналар мен олардың қорғаушы белдеулерін пайдалану жоспарланып отыр. Электр және электроника инженерлері институты (IEEE), FCC-мен бірлесіп, қолжетімді спектрді анықтау үшін орталықтандырылған тәсілді қолданды. Нақтырақ айтқанда, әрбір базалық станция (BS) GPS қабылдағышымен жабдықталады, бұл оның орнын хабарлауға мүмкіндік береді. Бұл ақпарат орталықтандырылған серверлерге жіберіледі (АҚШ-та оларды FCC басқарады), олар BS орналасқан аймақтағы қолжетімді тегін телеарналар мен күзет жолақтары туралы ақпаратпен жауап береді. Басқа ұсыныстар бойынша, тек жергілікті спектрді анықтау мүмкін болады, онда BS байланыс үшін қандай арналар қолжетімді екенін өзі шешеді. Бұл екі тәсілдің комбинациясы да қарастырылуда. Теледидардағы бос кеңістікте (TVWS) жұмыс істейтін құрылғылар негізінен екі түрге бөлінеді: тұрақты және жеке/көшірме. Тұрақты құрылғыларда GPS құрылғысы бар геодеректік анықтау мүмкіндігі болады. Тұрақты құрылғылар сондай-ақ орталық деректер базасымен байланыс жасап, TVWS-те жұмыс істейтін аймақтағы басқа да хабар таратушыларды анықтайды. FCC және IEEE кедергілерді болдырмау үшін ұсынған басқа шаралар динамикалық спектрді анықтау және динамикалық қуатты басқаруды қамтиды.

IEEE 802.22, is a standard for wireless regional area network (WRAN) using white spaces in the television (TV) frequency spectrum. The development of the IEEE 802.22 WRAN standard is aimed at using cognitive radio (CR) techniques to allow sharing of geographically unused spectrum allocated to the television broadcast service, on a non interfering basis, to bring broadband access to hard to reach, low population density areas, typical of rural environments, and is therefore timely and has the potential for a wide applicability worldwide. It is the first worldwide effort to define a standardized air interface based on CR techniques for the opportunistic use of TV bands on a non interfering basis. IEEE 802.22 WRANs are designed to operate in the TV broadcast bands while assuring that no harmful interference is caused to the incumbent operation: digital TV and analog TV broadcasting, and low power licensed devices such as wireless microphones. The standard was expected to be finalized in Q1 2010, but was finally published in July 2011. IEEE P802.22.1 is a related standard being developed to enhance harmful interference protection for low power licensed devices operating in TV Broadcast Bands
IEEE P802.22.2 is a recommended practice for the installation and deployment of IEEE 802.22 Systems. Its project, formally called as Standard for Wireless Regional Area Networks (WRAN) Specific requirements Part 22: Cognitive Wireless RAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications: Policies and procedures for operation in the TV Bands focused on constructing a consistent, national fixed point to multipoint WRAN that will use UHF/VHF TV bands between 54 and 862 MHz. Specific TV channels as well as the guard bands of these channels are planned to be used for communication in IEEE 802.22. The Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), together with the FCC, pursued a centralized approach for available spectrum discovery. Specifically each base station (BS) would be armed with a GPS receiver which would allow its position to be reported. This information would be sent back to centralized servers (in the USA these would be managed by the FCC), which would respond with the information about available free TV channels and guard bands in the area of the BS. Other proposals would allow local spectrum sensing only, where the BS would decide by itself which channels are available for communication. A combination of these two approaches is also envisioned. Devices which would operate in the TV white space band (TVWS) would be mainly of two types: Fixed and Personal/Portable. Fixed devices would have geolocation capability with an embedded GPS device. Fixed devices also communicate with the central database to identify other transmitters in the area operating in TVWS. Other measures suggested by the FCC and IEEE to avoid interference include dynamic spectrum sensing and dynamic power control.

WRAN топологиясының жалпы көрінісі

802.22 стандартының бастапқы жобаларында желі нүктеден көп нүктеге (P2MP) негізде жұмыс істеуі тиіс деп көрсетілген. Жүйе базалық станциялардан (БС) және абоненттік жабдықтардан (АЖ) құралады. Абоненттік жабдықтар сымсыз байланыс арқылы БС-ке қосылады. БС оған қосылған барлық абоненттік жабдықтардың ортаға қол жеткізуін басқарады. WRAN базалық станцияларының маңызды ерекшелігі – олар когнитивтік сезімталдық функциясын орындай алады. Яғни, абоненттік жабдықтар спектрді зерделейді және БС-ке олардың байқағандары туралы мерзімді есептер жібереді. БС жиналған ақпарат негізінде қолданылатын арнаны өзгерту қажеттігін, немесе керісінше, айналымдағы арнада хабар тарату мен қабылдауды жалғастыру қажеттігін бағалайды.

PHY қабатына жақындау

PHY қабаты әртүрлі жағдайларға бейімделе алуы керек, сондай-ақ тарату кезінде қателер тудырмай немесе клиенттерді (CPE) жоғалтпай, арнадан арнаға жылдам ауысу үшін икемді болуы тиіс. Бұл икемділік жолақтықты, модуляцияны және кодтау схемаларын динамикалық түрде реттеуге де қажет. Жоғары және төменгі байланыста модуляция схемасы ретінде OFDMA қолданылады. OFDMA арқылы базалық станциялар (BS) мен клиенттік құрылғылар (CPE) үшін қажетті жылдам бейімделуді іске асыру мүмкін болады. Тек бір телеарнаны пайдалану арқылы (телеарнаның жолақтығы 6 МГц; кейбір елдерде 7 немесе 8 МГц болуы мүмкін) 30 км қашықтықта шамамен ең жоғары бит жылдамдығы 19 Мбит/с құрайды. Алған жылдамдық пен қашықтық стандарттың талаптарын қанағаттандыруға жеткіліксіз. «Арналарды біріктіру» мүмкіндігі осы мәселені шешеді. Channel Bonding – Tx/Rx үшін бірнеше арнаны бірдей пайдалану. Бұл жүйеге жолақтықты арттыруға мүмкіндік береді, нәтижесінде жүйенің жұмысы жақсарады.

MAC қабатына қатынау

Бұл қабат когнитивті радио технологиясын негізге алады. Сондай-ақ, ол спектрді сезу арқылы ортаның өзгеруіне динамикалық түрде бейімделе алуы керек. MAC қабаты екі құрылымнан тұрады: Frame және Superframe. Суперкадр көптеген кадрлардан құралады. Суперкадр басқару ақпараты (SCH) мен преамбуладан тұрады. Бұл сигналдар BS-тің барлық қолжетімді арналар арқылы, кедергі тудырмай трансляциялай алатындай етіп жіберіледі. CPE қосылғанда, ол спектрді сезіп, қолжетімді арналарды анықтайды және BS-ке қосылу үшін қажетті барлық ақпаратты алады. CPE екі түрлі спектр өлшеуін жүргізеді: жолақты және жолақтан тыс. Жолақты өлшеу BS және CPE қолданып жатқан нақты арнаны сезуден тұрады. Жолақтан тыс өлшеу қалған арналарды сезуден тұрады. MAC қабаты жолақты немесе жолақтан тыс өлшеулерде екі түрлі сезінуді жүзеге асырады: жылдам сезіну және мұқият сезіну. Жылдам сезіну арнаға 1 мс-тан кем уақытта сезінуден тұрады. Бұл сезіну CPE және BS арқылы жүзеге асырылады, ал BS барлық ақпаратты жинап, жаңа әрекеттер қажет пе, жоқ па, деп шешеді. Мұқият сезінуге көбірек уақыт кетеді (әр арнаға шамамен 25 мс немесе одан да көп) және ол алдыңғы жылдам сезіну механизмінің нәтижелеріне негізделген. Бұл сезіну механизмдері негізінен жұмыс істеп тұрған құрылғы бар-жоғын анықтау және оған кедергі келтірмеу қажеттілігін анықтау үшін қолданылады. Сенімді сезінуді қамтамасыз ету үшін, жоғарыда сипатталғандай, бір жиілік диапазонындағы негізгі жұмыс режимінде («сөйлеу алдында тыңдау» режимі) деректерді жіберуге рұқсат етілмейтін үнсіз уақыттарды бөлу қажет. Деректерді берудің мұндай үзілісі когнитивтік радио жүйелерінің қызмет сапасын нашарлата алады. Бұл мәселе IEEE 802.22 стандартында ұсынылған Динамикалық жиілік секіру (DFH) деп аталатын баламалы жұмыс режимімен шешіледі, онда WRAN жүйелерінің деректерін беру спектрді сезумен бірге, ешқандай үзіліссіз жүзеге асырылады.

This layer will be based on cognitive radio technology. It also needs to be able to adapt dynamically to changes in the environment by sensing the spectrum. The MAC layer will consist of two structures: Frame and Superframe. A superframe will be formed by many frames. The superframe will have a superframe control header (SCH) and a preamble. These will be sent by the BS in every channel that it's possible to transmit and not cause interference. When a CPE is turned on, it will sense the spectrum, find out which channels are available and will receive all the needed information to attach to the BS. Two different types of spectrum measurement will be done by the CPE: in band and out of band. The in band measurement consists in sensing the actual channel that is being used by the BS and CPE. The out of band measurement will consist in sensing the rest of the channels. The MAC layer will perform two different types of sensing in either in band or out of band measurements: fast sensing and fine sensing. Fast sensing will consist in sensing at speeds of under 1ms per channel. This sensing is performed by the CPE and the BS and the BS's will gather all the information and will decide if there is something new to be done. The fine sensing takes more time (approximately 25 ms per channel or more) and it is used based on the outcome of the previous fast sensing mechanism. These sensing mechanisms are primarily used to identify if there is an incumbent transmitting, and if there is a need to avoid interfering with it. To perform reliable sensing, in the basic operation mode on a single frequency band as described above (the "listen before talk" mode) one has to allocate quiet times, in which no data transmission is permitted. Such periodic interruption of data transmission could impair the QoS of cognitive radio systems. This issue is addressed by an alternative operation mode proposed in IEEE 802.22 called Dynamic frequency hopping (DFH) where data transmission of the WRAN systems are performed in parallel with spectrum sensing without any interruption.

Шифрлау, аутентификация және авторизация

Тек AES GCM аутентификацияланған шифрлау алгоритмі қолданылады. Аутентификация және шифрлау кілтін алу үшін EAP TLS немесе EAP TTLS қолданылуы тиіс. IEEE 802.22 X.509v3 сертификат профилін анықтайды, ол құрылғы өндірушісі, MAC мекенжайы және FCC ID (сәйкесінше, Өндіруші/Қызмет көрсетуші сертификаты, CPE сертификаты және BS сертификаты) сияқты ақпарат негізінде құрылғыларды аутентификациялау және авторизациялау үшін кеңейтімдерді пайдаланады. Бұл желі провайдерлері таңдаған өндірушілер растамаған құрылғыларға желіге қол жеткізуден бас тартатын, клиенттерді шектеуге мүмкіндік береді (яғни, құрылғыда желі провайдері қабылдайтын өндірушінің сертификаттау органына (CA) сенім тізбегі бар X.509 сертификатының жеке кілті болуы керек), бұл қазіргі ұялы байланыс желілеріндегі SIM-картаны құлыптауға және кабельдік желілердегі DOCSIS "сертификаттау тестеріне" ұқсас.

802.11af-пен салыстыру

802.22-ден басқа, IEEE тағы бір ақ кеңістікті когнитивті радио стандартын – 802.11af стандартын қабылдады. 802.22 – 100 км-ге дейінгі радиустағы сымсыз аймақтық желі (WRAN) стандарты болса, 802.11af – 1 км-ге дейінгі радиустағы сымсыз LAN стандарты болып табылады. 802.22 және 802.11af стандарттарының үйлесімді жұмыс істеуі орталықтандырылған немесе таратылған әдістермен және түрлі үйлесімді жұмыс істеу технологияларын қолдану арқылы қамтамасыз етіледі.