Стандарт IEEE 802.22: Беспроводные региональные сети в телевизионных диапазонах.

Введение

IEEE 802.22 – это стандарт для беспроводных региональных сетей (WRAN), использующий неиспользуемые частоты в телевизионном (TV) частотном спектре. Разработка стандарта IEEE 802.22 WRAN направлена на использование методов когнитивного радио (CR) для совместного использования географически свободных участков спектра, выделенных для телевизионного вещания, без создания помех, с целью обеспечения широкополосного доступа в труднодоступные районы с низкой плотностью населения, характерные для сельской местности. Это делает стандарт актуальным и перспективным для широкого применения во всем мире. Это первая в мире попытка определить стандартизированный радиоинтерфейс на основе методов CR для оппортунистического использования телевизионных диапазонов без создания помех. IEEE 802.22 WRAN предназначены для работы в телевизионных диапазонах, обеспечивая при этом отсутствие вредных помех для действующего оборудования: цифрового и аналогового телевидения, а также для лицензированных устройств малой мощности, таких как беспроводные микрофоны. Ожидалось, что стандарт будет завершен в первом квартале 2010 года, но он был опубликован в июле 2011 года. IEEE P802.22.1 – это сопутствующий стандарт, разрабатываемый для повышения защиты от вредных помех для лицензированных устройств малой мощности, работающих в телевизионных диапазонах. IEEE P802.22.2 – это рекомендуемая практика по установке и развертыванию систем IEEE 802.22. Проект, официально называемый «Стандарт для беспроводных региональных сетей (WRAN) – Частные требования. Часть 22: Спецификации среднего контроля доступа (MAC) и физического уровня (PHY) когнитивной беспроводной RAN: Политики и процедуры работы в телевизионных диапазонах», ориентирован на создание согласованной, национальной сети WRAN типа «точка-многоточка», использующей диапазоны UHF/VHF телевидения между 54 и 862 МГц. Для связи в IEEE 802.22 планируется использовать отдельные телевизионные каналы, а также охранные полосы между ними. Институт инженеров электротехники и электроники (IEEE) совместно с FCC реализовали централизованный подход к обнаружению доступного спектра. В частности, каждая базовая станция (БС) будет оснащена GPS-приемником, позволяющим определять ее местоположение. Эта информация будет отправляться на централизованные серверы (в США ими будет управлять FCC), которые будут предоставлять информацию о доступных свободных телевизионных каналах и охранных полосах в зоне действия БС. Другие предложения предусматривали использование только локального зондирования спектра, когда БС самостоятельно определяет доступные каналы для связи. Также рассматривается возможность комбинирования этих двух подходов. Устройства, работающие в полосе белого пространства (TVWS), будут в основном двух типов: стационарные и персональные/портативные. Стационарные устройства будут оснащены функцией геолокации со встроенным GPS-приемником. Стационарные устройства также взаимодействуют с центральной базой данных для идентификации других передатчиков в зоне действия, работающих в TVWS. Другие меры, предложенные FCC и IEEE для предотвращения помех, включают динамическое зондирование спектра и динамическое управление мощностью.

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.

Обзор топологии WRAN

Первоначальные проекты стандарта 802.22 предусматривают, что сеть должна функционировать по принципу "точка-многоточка" (P2MP). Система будет состоять из базовых станций (БС) и абонентского оборудования (CPE). CPE будут подключаться к БС через беспроводной канал. БС будут управлять доступом к среде передачи для всех CPE, подключенных к ней. Ключевой особенностью базовых станций WRAN является их способность к когнитивному зондированию. Это означает, что CPE будут проводить зондирование спектра и отправлять периодические отчеты в БС, информируя его о результатах. БС, используя полученную информацию, будет оценивать необходимость изменения используемого канала или, наоборот, продолжения передачи и приема на том же канале.

Подход к слою PHY

PHY-слой должен быть способен адаптироваться к различным условиям и обеспечивать гибкий переход между каналами без ошибок передачи или потери клиентов (CPE). Такая гибкость также необходима для динамической регулировки полосы пропускания, схемы модуляции и кодирования. Для передачи в восходящем и нисходящем каналах будет использоваться схема модуляции OFDMA. OFDMA позволит достичь необходимой быстрой адаптации для базовых станций (BS) и CPE. При использовании только одного телевизионного канала (ширина полосы пропускания которого составляет 6 МГц, а в некоторых странах – 7 или 8 МГц) приблизительная максимальная скорость передачи данных составляет 19 Мбит/с на расстоянии 30 км. Достигнутая скорость и дальность недостаточны для соответствия требованиям стандарта. Для решения этой проблемы используется технология объединения каналов (Channel Bonding). Channel Bonding заключается в использовании нескольких каналов для передачи/приема (Tx/Rx). Это позволяет увеличить полосу пропускания системы, что положительно сказывается на ее производительности.

Подход к уровню MAC

Этот слой будет основан на технологии когнитивного радио. Он также должен быть способен динамически адаптироваться к изменениям в окружающей среде путем анализа спектра. MAC-слой будет состоять из двух структур: Frame и Superframe. Суперкадр будет формироваться из множества кадров. Суперкадр будет иметь заголовок управления суперкадром (SCH) и преамбулу. Они будут передаваться BS по всем каналам, по которым возможна передача без создания помех. Когда CPE включается, он анализирует спектр, определяет доступные каналы и получает всю необходимую информацию для подключения к BS. CPE будет выполнять два типа измерений спектра: в полосе и вне полосы. Измерение в полосе заключается в анализе текущего канала, используемого BS и CPE. Измерение вне полосы заключается в анализе остальных каналов. MAC-слой будет выполнять два типа зондирования при измерениях в полосе или вне полосы: быстрое и детальное. Быстрое зондирование заключается в анализе со скоростью менее 1 мс на канал. Это зондирование выполняется CPE и BS, при этом BS собирают всю информацию и принимают решение о необходимости выполнения новых действий. Детальное зондирование занимает больше времени (примерно 25 мс на канал или более) и используется на основе результатов предыдущего быстрого зондирования. Эти механизмы зондирования используются прежде всего для определения наличия действующего передатчика и необходимости избегать помех для него. Для обеспечения надежного зондирования в базовом режиме работы на одной частотной полосе, как описано выше (режим "слушать перед передачей"), необходимо выделять периоды тишины, в течение которых запрещена передача данных. Такое периодическое прерывание передачи данных может ухудшить качество обслуживания (QoS) когнитивных радиосистем. Эта проблема решается альтернативным режимом работы, предложенным в IEEE 802.22, под названием динамическое переключение частот (DFH), при котором передача данных WRAN-систем осуществляется параллельно с анализом спектра без каких-либо прерываний.

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.

Шифрование, аутентификация и авторизация

Поддерживается только алгоритм шифрования AES GCM. Для аутентификации и получения ключа шифрования необходимо использовать EAP TLS или EAP TTLS. IEEE 802.22 определяет профиль сертификата X.509v3, использующий расширения для аутентификации и авторизации устройств на основе информации, такой как производитель устройства, MAC-адрес и идентификатор FCC (соответственно, сертификат производителя/поставщика услуг, сертификат CPE и сертификат BS). Это может привести к ситуации, когда поставщики сети отказывают в доступе к устройствам, не прошедшим проверку у производителей, выбранных поставщиком сети (то есть устройство должно обладать закрытым ключом сертификата X.509 с цепочкой доверия к удостоверяющему центру (CA) производителя, который примет поставщик сети). Это аналогично блокировке SIM-карт в современных сотовых сетях и "сертификационным тестерам" DOCSIS в кабельных сетях.

Сравнение с 802.11af

В дополнение к 802.22, IEEE стандартизировала еще один стандарт когнитивного радио, работающего в незанятом спектре, 802.11af. В то время как 802.22 является стандартом беспроводной региональной сети (WRAN) с радиусом действия до 100 км, 802.11af – это стандарт беспроводной локальной сети (WLAN), разработанный для радиуса действия до 1 км. Совместное использование стандартов 802.22 и 802.11af может быть реализовано централизованным или распределенным способом, с применением различных технологий обеспечения совместной работы.