Безпека та аналіз фізичного рівня WiMax

КУРСОВА РОБОТА

з дисципліни

Безпека інформаційних та комунікаційних систем

Тема: “Безпека та аналіз фізичного рівня WiMax ”

Київ-2009

План

Вступ………………………………………………………………………………3

1. Стандарт фізичного рівня WiMax…………………..….………….………….4

     1.1 Введення станції користувачів в систему і ініціалізація……………….8

     1.2 Виділення часу на можливість передачі………………………………..10

     1.3 Фізичний рівень підтримки системи OFDM- MAN……………………12

     1.4 Виявлення помилок………………………………………………………13

2. Рандомізація джерела………………………………………………………….14

     2.1 Пряме виправлення помилок (FEC)……………………………………..16

     2.2 Чергування блоків………………………………………………………...18

     2.3 Застосування OFDM сигналу на фізичному рівні мережі WIMAX……20

     2.4 Спектральна ефективність OFDM сигналу системи WIMAX………….20

     2.5 Моделі безпровідних каналів……………………………………………..24

Висновок……………….………………………………………………………….27

Cписок використаної літератури………………………………………………...28

Вступ

При переході до створення систем широкосмугового радіо доступу з інтеграцією послуг стало зрозуміло, що основні принципи, закладені в без провідникові системи на попередніх етапах, потребують значної корекції. На сигнальному рівні першочергове значення дістало оптимальне використання спектрального ресурсу радіоканалу при будь-яких співвідношеннях „швидкість – захищеність. На рівні протоколів стало необхідним забезпечувати заданий рівень якості обслуговування(QoS) будь-якому абоненту мережі. З цією метою в 2004 році був розроблений стандарт IEEE 802.16-2004[164], що являє собою розраховану на введення в міських бездротових мережах (WirelessMAN) технологію без провідного широкосмугового доступу операторського класу. Часто використовується комерційна назва стандарту WiMax(Worldwide Interoperability for Microwave Access), що походить від назви міжнародної організації WiMax Forum, в яку входять ряд передових комунікаційних і напівпровідникових компаній.

Основне призначення даних мереж - це надання послуг абонентам по високошвидкісній і високоякісний безпровідній передачі даних, голосу і відео на відстані в декілька десятків кілометрів. У жовтні 2007 року International Telecommunication Union ( ITU-R) включив технологію WIMах стандарту IEEE 802.16 в сімейство стандартів мобільного зв'язку 3G. У мережах WIMах реалізовані найостанніші досягнення науки і техніки в області радіозв'язку, телекомунікацій і комп'ютерних мереж. Стандарт IEEE 802.16 визначає застосування:

                  на фізичному рівні широкосмугового радіосигналу OFDM з множиною несучих;

                  на канальному рівні використовується сучасний протокол множинного доступу Time Divion Multiply Access (TDMA) і Scalable OFDM Access (SOFDMA);

                  на мережевому (транспортному) рівні в мережах WIMах застосовується IP-протокол передачі даних, що широко використовуваний в більшості сучасних мережах передачі даних, зокрема, в мережі Інтернет.

В більшості випадків проектування мереж WiMax є досить складним і неоднозначним процесом. Розрахунок покриття відбувається на основі вимірювань рівня завад на місцевості, що потребує значних витрат коштів та часу.

Стандарт фізичного рівня WiMax

WIMах, скорочення від «Міжнародної взаємодії для Сприяння Мікрохвильовому Доступу», є ефективним рішенням для «останньої милі», що має на меті надання широкосмуговій мережі від WISP безпосередньо до будинків і офісів. Технологія WIMах ґрунтується на стандарті IEEE 802.16, який у свою чергу визначає стандарт ефірного інтерфейсу WIRELESSMAN для безпровідних мереж, призначених для обслуговування крупних регіонів. Оригінальний стандарт IEEE 802.16 призначений для WIMах в діапазоні частот 10 - 66 Ггц і припускає роботу в режимі «прямої видимості» - line of sight (LOS). Пізніше версія стандарту IEEE 802.16a була розвинена для використання в ліцензійних і звільнених від ліцензування діапазонах частот від 2 до 11 Ггц для режиму «без прямої видимості» (NLOS). Стандарт IEEE 802.16d, який також відомий як IEEE 802.16-2004, є новою версією IEEE 802.16a і є рішенням для широкосмугового доступу для останньої милі. Цей стандарт є стандартом фіксованого зв'язку, тому що він припускає використання підписувачем нерухомої антени. Стандарт IEEE 802.16e,який називають також «мобільним WIMах», є поправкою до стандарту 802.16d і додає «мобільність» до даного стандарту. Тоді як застосування фіксованого WIMах в режимі «точка-багатоточка» надає широкосмуговий доступ до будинків і фірм, «мобільний WIMах» припускає повну мобільність клієнтів стільникових мереж при наданні дійсно широкосмугових послуг.

Для WIMах застосовуються як ліцензійні, так і неліцензійні частотні спектри. Завдяки використанню направлених антен, WIMах дозволяє отримати великі відстані передачі, які можуть досягати приблизно 30 миль (50 км). Тоді як 802.16 може надати максимальну пропускну спроможність приблизно 124 Мбіт/с, 802.16a може досягти пропускної спроможності тільки 70 Мбіт/с, оскільки він повинен долати труднощі, викликані умовами режиму NLOS в діапазоні 2-11 Ггц.

WIMах використовує схему OFDM з 256 несучими, що дозволяє йому досягти високої швидкості даних, збільшення приблизно в таке ж число разів тривалості елементарного символу, одночасно приймати прямій і відбиті від перешкод сигнали або взагалі працювати тільки по відбитих сигналах поза межами прямої видимості. Режим OFDMA передбачає роботу на 2048 піднесуть відразу з декількома абонентами в режимі OFDM. При стандартній кількості піднесуть - 256, забезпечується одночасна робота з 8 абонентами. Мобільна версія WIMах, 802.16e, використовує Множинний Доступ з Ортогональним Частотним Мультиплексуванням (OFDMA), який не тільки ділить ті, що несуть на безліч тих, що піднесуть (як в OFDM), але також групує ті, що множинні несуть у півканали. Крім того, WIMах покладається на протокол доступу на основі запиту надання, який, на відміну від доступу на основі твердження, використовуваного в Wi-Fi, не дозволяє виникати колізіям даних і, таким чином, ефективніше використовує наданий діапазон частот. Як «фіксований WIMах», так і «мобільні WIMах» мають змінні смуги пропускання шириною від 1,5 до 20МГц для того, щоб забезпечити можливість передачі на великі відстані і до різного устаткування підписувачів.

Протоколи фізичного рівня описують методи організації дуплексу, способи адаптації, методи множинного доступу і модуляції.

Передбачені режими тимчасового і частотного дуплексу. Вид модуляції і кодування можуть змінюватися адаптивний від пакету до пакету індивідуально для кожного абонента, що дозволяє збільшити реальну пропускну спроможність приблизно удвічі в порівнянні з не адаптивними системами. Передача від АС до БС будується на комбінації двох методів багато станційного доступу: DAMA - доступ за запитом і TDMA - доступ з тимчасовим розділенням. Структура пакетів фізичного рівня підтримує змінну довжину пакету МАС рівня. Передбачена рандомізація, завадостійке кодування і три методи модуляції: QPSK, 16QAM і 64QAM. Два останні методи передбачено для АС як опціональні.

Передача від БС до АС ведеться в режимі тимчасового дуплексу в єдиному потоці для всіх АС одного сектора. Передавач здійснює рандомізацію, перешкодостійке кодування і модуляцію QPSK, 16QAM і 64QAM. Останній метод модуляції передбачений для БС як опціональний.

Інформація в системі передається фреймами, які діляться на два субфрейми. Перший використовується для передачі БС, другої, - АС.

Стандартом також рекомендуються смуги частот і відповідні швидкості передачі при різних видах модуляції. Максимальна швидкість передачі, передбачена в стандарті, - 134,4 Мбіт/с при смузі 28 Мгц і модуляцій 64QAM.

У першій версії стандарту передбачалося використання діапазону частот 10-66 Ггц для якого рекомендувався режим передачі на одній несучій - single-carrier (SC). Особливості розповсюдження радіохвиль цього діапазону обмежують можливості роботи умовами прямої видимості. У типових міських умовах це дозволяє підключити близько 50% абонентів, що знаходяться в межах робочої дальності від базової станції. До останніх 50% прямої видимості, як правило, немає. Тому в процесі роботи над стандартом діапазон частот був розширений включенням смуги 2-11 Ггц, в якій, крім SC, передбачені ще і режими ортогонального частотного мультиплексування (Orthogonal Frequency Division Multiplexing - OFDM) і множинного доступу на основі ортогонального частотного мультиплексування (Orthogonal Frequency Division Multiply Access - OFDMA).

У стандарті також описані моделі середовищ розповсюдження радіохвиль і на цій основі сформульовані вимоги до параметрів радіоустаткування. Передбачені можливості автоматичного регулювання посилення, динамічного вибору частоти в неліцензійних діапазонах. Крім топології точка-многоточка стандартом опціонально передбачена топологія - Mesh Mode, що дозволяє забезпечити прямий зв'язок АС, подолати перешкоди, характерні для безліцензійних діапазонів, за рахунок вибору напряму прийому, вільного від них, створювати добре масштабовані мережі і працювати поза прямою видимістю навіть в одночастотному режимі SC, за рахунок ретрансляції сигналів АС.

Стандарти IEEE 802.16 в системах BWA.

Протягом достатнього тривалого періоду часу користувачі мереж Широкосмугового Безпровідного Доступу (BWA) чекають ефективного рішення задачі доставки високошвидкісного Інтернет в їх офіси і житлові приміщення, у тому числі і до тих віддалених пунктів, де традиційні послуги широкосмугового доступу на даний момент не реалізовуються. Після публікації в повному об'ємі розвиненого промислового стандарту IEEE802.16, що є самою передовою технологією, яка для забезпечення сумісності устаткування узгоджена з промисловістю, з'явилася надія на здійснення цих очікувань.

Стандарт IEEE 802.16, перша версія якого була закінчена в жовтні 2001 і видана 8 квітня 2002, - це стандарт безпровідного інтерфейсу Wireless MAN для безпровідних мереж (MAN), здатних охопити послугами мегаполіси, який призначений для того, щоб забезпечити передачу по високочастотних радіоканалах голосу і даних до офісів і житлових приміщень клієнтів. Консорціум промисловців всього світу, який здійснює Сприяння Мікрохвильовому Доступу, широко відомий як Консорціум WIMах, сприяє розвитку стандарту IEEE 802.16, а також здійснює перевірку устаткування і його сертифікацію на предмет відповідності даному стандарту. Тому стандарт IEEE 802.16 часто сприймається як WIMах сьогодні.

Стандарт IEEE 802.16a/d визначає три різних PHY (Фізичних рівня) - WirelessMAN-SCa, WIRELESSMAN-OFDM і WIRELESSMAN-OFDMA, які у взаємодії з рівнем MAC дають можливість забезпечити надійний безперервний зв'язок. На першому етапі творцями стандарту був вивчений і реалізований PHY, відповідний варіанту WIRELESSMAN-OFDM. Були також вивчені і реалізовані різні методи, які формують PHY так, щоб забезпечити найбільш реалістичну систему. Перш ніж здійснити всі ці кроки, були проведені детальні дослідження різних технологій широкосмугового доступу. Потім розробниками стандарту були детально вивчені механізми функціонування безпровідних каналів, і лише після цього було дано короткий огляд моделі PHY системи WIMах. Були також вивчені різні застосовні види модуляції, а функціональні можливості кожної поліпшуючої параметри техніки вивчалася послідовно одна за іншою з погляду тих переваг, які вони надають системі. Нарешті, для підтвердження встановлених залежностей були приведені результати моделювання.

Введення станції користувачів в систему і ініціалізація

WIMах передбачає процедуру введення в мережу нових станцій користувачів (або вузла користувачів) і їх ініціалізацію при першому підключенні до мережі. Нижче розглянута процедура введення в мережі по схемі "точка-многоточка". У стандарті приведений спрощений алгоритм введення в мережу нової станції при сприятливому закінченні процедури. З іншими можливими сценаріями введення, включаючи і невдалу спробу, слід ознайомитися безпосередньо в стандарті ШИЇ 802.16.2004 (Revel). Схема алгоритму з успішним завершенням процедури введення і ініціалізації приведена на рис. 1

Процедура введення нової станції в мережу передбачає проходження наступних ступенів.

1. Сканування приймачем низхідного каналу і встановлення синхронізації з системним часом базової станції.

2. Отримання параметрів на передачу (для повідомлення UCD).

3. Становлення в чергу діставання доступу.

4. Ведення переговорів по встановленню базових можливостей.

5. Авторизація і обмін ключами шифрування.

6. Виконання реєстрації.

7. Створення з'єднання (зв'язки).

8. Встановлення загального часу і лати.

9. Оперативне отримання з системи необхідних параметрів.

10. Установка параметрів з'єднань (включаючи отримання набору CID).

Ступені 7, 8, 9 станція SS проходить самостійно в процесі реєстрації при сприятливому результаті обміну повідомленнями REG-REQ/REG-RSP.

Рис. 1. Алгоритм станції користувача, що прохає, в систему.

Кожна SS повинна містити наступну інформацію, встановлену в устаткування виробником:

3 48-бітова універсальна МАС-адрес (відповідно до рекомендацій IEEE Scd S02—2001). Ця адреса потрібна для ідентифікації SS в процесі введення і ініціалізації;

інформацію для кодування (визначену в сертифікаті Х.509), використовувану для аутентифікації SS і забезпечення процесу шифрування в цілях безпеки передачі.

Виділення часу на можливість передачі

Час на передачу з боку станції користувачів визначений як час, сприятливий для передачі з боку станції одного користувача (One Casting) або авторизованої групи призначених для користувача станцій, що одержують доступ до передачі повідомлень UL-MAP по каналу "вгору". Ця група міститиме всі SS, включені в стільнику. або всі SS, що входять до Multicast групи. У системі WIMAX доступ до каналів передачі організовується за запитом,що передається передавальною стороною в повідомленні UCD. Тому між станціями, що мають намір отримати канат на передачу, виникає змагання в отриманні часу на передачу. Базова станція щоб уникнути колізій встановлює розклад можливих передач. Тривалість інтервалу, протягом якого можлива передача, залежить від розміру індивідуальної потреби SS в кількості переданих даних в тому або іншому виді потоку послуг (тобто залежить від типу створюваного з'єднання). Виникнення колізій потенційно залежить від типу з'єднання, визначуваного конкретним CID. Станції користувачів після введення в мережу і ініціалізації отримує від BS з його списку необхідний набір CID. Кожен С ID однозначно визначає і необхідний рівень якості QOS. Базова станція на основі замовлень, що поступають, формуватиме розподіл наявного ресурсу частотних смуг відповідно до запрошуваних розмірів байт на передач і складає розклад на черговість доступу до передачі для обслуговуваних SS.