Протоколы RLC/MAC

В сквозном соединении опорной сети GPRS используются пакетно-ориентированные протоколы управления множественным доступом к радиосреде: MAC/PS (Medium Access Control based on Packet Switching) и управления радиоресурсами RLC/PS (Radio Link Control based on Packet Switching). В отличие от технологии коммутации каналов, ресурсы радиоканала с коммутацией пакетов распределяются не статически (на время сеанса) в обоих направлениях дуплекса, а динамически (на интервал передачи пакета или нескольких IP-пакетов) в одном, на момент распределения, направлении дуплекса [33]. Подуровень MAC/PS управляет параллельным распределением временных слотов общего радиоканала одновременно для пакетов многих MS.

Таким образом, на интерфейсе Um канальный уровень делится на два подуровня: контроля за радиоканалом RLC и контроля доступа к среде MAC. Совместно они обеспечивают арбитраж доступа к разделяемой среде передачи и разрешение конфликтов, контроль за качеством QoS и обработку ошибок, перемежение, контроль качества сигнала в радиоканале и процедуры регулирования мощности. При обнаружении ошибочных кадров задействуется механизм автоматического избирательного повторного запроса (SREJ-ARQ). Для контроля за доступом к среде передачи используется разновидность дискретного алгоритма ALOHA с резервированием [92, 93].

Уровень протоколов RLC/MAC, расположенный в блоке управления пакетами PCU, реализует различные логические каналы и обеспечивает услуги для передачи протокольных блоков данных LLC, используя среду, разделенную между множеством мобильных терминалов и сетью. Иными словами, данный уровень организует распределенное статистическое мультиплексирование пакетного трафика множества MS в коллективном радиоканале.

Функции RLC протокола включают сегментацию и повторную сборку протокольных блоков данных PDU LLC. Он может использоваться в режимах с подтверждением или без подтверждения, в соответствии с требуемым качеством обслуживания (QoS). В режиме с подтверждением используется обнаружение ошибочных RLC PDU на основе контрольной суммы и их ретрансляция.

Администрирование радиоресурсов выполняется с помощью группы функций, состав которых определяется индивидуально для каждой мобильной или базовой станции. В их число входят, например, измерение вероятности ошибок на бит (BER), блок (BLER) и кадр (FER).

На МАС-подуровне могут быть реализованы три режима передачи, которые основаны на применении протокола управления радиоканалом RLCP, позволяющего МС взаимодействовать с сетью:

- достоверный – в нем используются специальные протоколы с защитой от ошибок

(ARQ и др.), гарантирующие надежную доставку сообщений;

- недостоверный – успешность доставки по большей части зависит от характеристик

радиоканала и в меньшей мере – от сетевых процедур;

- прозрачный – RLCP пропускает поток данных без обработки и добавления служебных символов.

Физический уровень L1

Взаимодействие MS и BSS описывается протоколами физического уровня. Физический уровень делится на два подуровня – подуровень физического канала (Physical Link Sublayi PLL) и физический радиочастотный подуровень (Physical RF Sublayer, RFL). RFL описывает модуляцию и демодуляцию радиосигналов, включая несущие частоты, структуру радиоканалов, скорости передачи данных, а также характеристики радиопередатчиков и приемников. PLL предоставляет необходимые сервисы для передачи информации по радиоканалу между телефоном и базовой станцией, в том числе формирование блоков данных, кодирование, а также обнаружение и исправление ошибок при передаче.

В разд. 10.5 была представлена форматная структура каналов PDCH. Рассмотрим, каким образом организуются блоки данных PDU протокольного стека GPRS, и структуру радиоблоков канала PDCH.

Рис. 10.14 отражает сегментацию передаваемых блоков, соответствующую различным протокольным уровням. На рисунке показано, как прикладной блок данных (PDU), переданный через радио-интерфейс GPRS, сегментирован и инкапсулирован в несколько подпротокольных PDU. Дополнительные заголовки образуются на каждом протокольном ypoвне. Суммарно приблизительно 20...30% пропускной способности GPRS тратится на заголовки и не доступны для передачи полезной информации [78].

Рис. 10.15 раскрывает структуру PDU подуровней RLC и MAC канального уровш GPRS.

Как уже было показано в разд.10.5, на основе канала PDCH организуется ряд логических каналов:

- каналы трафика пакетированных данных PDTCH (Packet Data Traffic Channel), восходящий и

нисходящий каналы – по этим каналам пересылаются пакеты данных. MS может использовать

один или несколько PDTCH;

- широковещательный канал управления GPRS – РВССН (Packet Broadcast Control Channel),

нисходящий канал – по нему в GPRS передается системная информация;

- пакетный канал со случайным доступом PRACH (Packet Random Access Channel), восходящий –

общий канал, используемый мобильными терминалами для того, чтобы начать передачу по

восходящему (от MS к BSS) каналу;

- канал поискового вызова в режиме пакетной передачи РРСН (Packet Paging Channel), нисходящий

канал – BSC использует этот канал для передачи данных нисходящего канала подвижным

абонентам (от BSS к MS);

- канал разрешения доступа PAGCH (Packet Access Grant Channel), нисходящий канал –

этот канал используется для назначения одного или нескольких каналов PDTCH абонентской станции;

- пакетный ассоциированный канал управления РАССН (packet associated control channel), восходящий

и нисходящий канал. Этот канал передает информацию сигнализации, связанную с данным

MS и соответствующими PDTCH.

Рис. 10.15. Организация канала PDCH и структура PDU

Для поддержки принципов коммутации пакетов в GPRS, BSC управляет ресурсами PDCH в нисходящем и в восходящем направлениях. Получаемые радиоблоки пересылаются по нисходящему каналу от BSC к MS, идентифицированной адресом MS в заголовке блока MAC. Восходящие каналы PDCH разделены между несколькими MS. Чтобы избегать конфликтов доступа в этом направлении, BSC передает в каждом заголовке радиоблока нисходящего канала USF-указатель, позволяющий MS передавать данные по соответствующему восходящему PDCH. Хотя эта концепция предотвращает коллизии при передаче данных, все еще остается вероятность коллизий между каналами запроса MS, которые предполагают начать передачу данных. Поэтому нужен канал PRACH, который используется при одновременном доступе к восходящему радиоканалу. Это общий канал контроля, использующий механизм, подобный методу доступа синхронной ALOCHA, для разрешения доступа MS.

Как только MS получает канал, устанавливается временный поток блоков (TBF). Когда TBF установлен, мобильному терминалу выделяются ресурсы (PDTCH, буфера, и т.д.) и может начинаться передача данных. Как только все данные для одного MS успешно переданы, TBF прерывается. Использование этой гибкой пакетно-ориентированной схемы предоставления ресурса дает возможность поддерживать TBF продолжительностью в пределах от нескольких миллисекунд до нескольких минут, в зависимости от количества данных, которые должны быть переданы.

В одном канале PDCH может быть организовано несколько каналов PDTCH, разделенных во времени для различных MS, с целью более эффективного использования радиоресурса. Также, одна MS может использовать несколько PDTCH, организованных в различных PDCH для достижения более высоких скоростей передачи. Число тайм-слотов, которые MS может использовать, определяется его классом. Определенная часть слотов TS0 выделяется для восходящего (uplink) пакетного канала случайного доступа PRACH, а слоты TSO...TS1 выделяются для размещения радиоблоков восходящего/нисходящего (uplink/downlink) канала PDTCH. Как уже было показано ранее, 12-блочные структуры состоят из 4 мультикадрм пакетных данных (PDMF – packet data multiframe), которые содержат по 12 задействованных на канальном уровне TDMA кадров, а также по одному свободному TDMA-кадру. Всего мультикадр PDMF занимает 60 мс (13 TDMA кадров).

На рис. 10.16 показано, как используются ресурсы радиоинтерфейса. В частности, на рисунке отображен временный поток TBF, включая запрос и назначение пакетного канала каждый радиоблок (рис. 10.16) включает указатель USF, который определяет, какой MS позволяется использовать соответствующий радиоблок в восходящем направлении, тип сообщения (Dt, PUA, PCR, PCA, Ack), и обозначение MS, являющейся владельцем переданньп данных (номера в скобках).

Рис. 10.16. Использование USF и установление TBF:

Dt – блок данных;

PCR – запрос пакетного канала (PRACH);

Ack – подтверждение пакетного восходящего канала (РАССН);

PUA – назначение восходящего канала (PAGSH);

РСА – подтверждение управления от канала.

На рис. 10.16 показаны радиоблоки в направлении нисходящего канала, несущие USF, и радиоблоки в направлении восходящего канала, для которого USF предоставляется. MS должен принять USF перед передачей в восходящем направлении.

Как показано, радиоблок может транспортировать данные для одной MS в направлении нисходящего канала и, в то же самое время, позволяет указывать посредством USF различным MS право доступа на восходящее направление. Это показано в блоке 2 на слоте TS1 в направлении нисходящего канала. Блок данных (Dt) для станции MS3 передан, и MS1 должна использовать блок 2 в TS1 в восходящем направлении.

Здесь же показаны два тайм-слота для восходящего и нисходящего каналов, используемых как PDCH. В этом сценарии подразумевается, что MS1 уже установила указатель TBF для восходящего направления (TS0 и TS1) и передает данные. Предполагается, что MS3 имеет TBF для направления нисходящего канала только в слоте TS1. В этой же точке MS2 также предполагает установить TBF на восходящее направление.

Блок 2 в TS0 в направлении нисходящего канала включает USF = R, указывая, что следующий радиоблок принадлежит каналу PRACH. Все MS, которые хотят установить TBF, сначала должны использовать этот логический канал. На рис. 10.16 только MS2 посылает запрос пакетного канала (PCR) в канале PRACH. BSC отвечает назначением канала в восходящем направлении (PUA), показывающим MS, какие ресурсы (то есть PDTCH) были назначены по его запросу. После приема устанавливается TBF и MS получает указатель USF в TSO и TS1 в направлении нисходящего канала. Согласно рис. 10.16, три радиоблока переданы MS2 в двух различных PDCH. После того, как эти блоки были переданы, BSC отвечает сообщением Асk, указывающим, что все протокольные блоки данных (PDU) были получены правильно. Конечный радиоблок предназначен MS2 для передачи подтверждения управления пакетной передачей (РСА) для реализации его потока TBF. На рис. 10.13 проиллюстрирована передача без ошибок и, следовательно, конечное подтверждение указывает, что нет необходимости в повторах и TBF может быть установлен.