Viime vuosina telekoomunikaatiossa on ollut kaksi selvää trendiä: langattomuus ja laajakaistaisuus. Matkapuhelimet ovat yleistyneet kovaa vauhtia, ja ihmiset ovat tottuneeet niiden tuomaan liikkumisen vapauteen. Kannettavien tietokoneiden suorituskyky on kasvanut ja niiden käyttö on lisääntynyt toimistoympäristöissä. Samalla ATM-tekniikan käyttö on yleistynyt ja mahdollistanut mm. multimediasovellukset.

Ihmiset, jotka ovat tottuneet langallisen ATM:n tarjoamiin palveluihin, haluavat käyttää niitä ennen pitkää myös kannettavista tietokoneistaan. On syntynyt tarve laajentaa langallisen ATM:n palvelut ja toiminteet ilmarajapinnan yli langattomille käyttäjille.

Langattoman maailman ja ATM-maailman yhdistäminen tuo mukanaan monia haasteita, koska ATM:a sunniteltaessa ei otettu huomioon ATM-terminaalien mahdollista liikkuvuutta tai ATM-solujen kuljetusta ilmarajapinnan yli. Yksi näistä haasteista on suunnitella sellainen Medium Access Control -protokolla, joka jakaa yhteisen radiokanavan kapasiteettia usean terminaalin kesken tasapuolisesti ja tehokkaasti siten, että virtuaaliyhteyksien laatuvaatimukset täyttyvät.

Tässä työssä esitellään langattoman ATM:n käsitettä sekä perehdytään tarkemmin joihinkin ATM-radiorajapinnan MAC-protokollalle asetettuihin vaatimuksiin ja esitellään erään MAC-protokollan toimintaa. ATM:n perusteita ei käsitellä työssä lainkaan, vaan niiden oletetaan olevan lukijalle tuttuja.

1. Perusidea

 

Langattoman ATM:n perusidea on käyttää standardia ATM-solua verkkotason toiminnoissa ja lisätä soluun header ja trailer radiolinkkiä varten. (Kuva 1) Headeria ja traileria tarvitaan radiotien spesifisiä funktioita, kuten kanavallepääsykontrollia (Medium Access Control), virheiden havaitsemista ja korjamista varten (Data Link Control) sekä verkon ohjausta (Wireless Network Control) varten.

 

 



Kuva 1. Langattoman ATM:n perusidea

 

Virtuaaliyhteyksien palvelunlaatuvaatimuksia (QoS) tuetaan yhteyden päästä päähän, myös radiotiellä. Terminaalin liikkuvuutta tukevia toiminteita kuten handoveria ja paikan hallintaa (location management) varten tukiasemissa ja ATM-kytkimissä oleviin ATM-signalointi- ja ohjausprotokolliin täytyy tehdä laajennuksia. Langattoman ATM:n verkkospesifikaatiot voidaan siten jakaa kahteen osaan: Radio Access Layer -protokolliin, jotka tukevat ATM-solujen siirtoa radiorajapinnan yli ja Mobile ATM:ään , joka sisältää terminaalin liikkuvuuden mahdollistavat toiminnot. /1/

 

 

 

2. Protokolla-arkkitehtuuri

 



Kuva 2. Langattoman ATM:n protokolla-arkkitehtuuri

 

Langattoman ATM:n (wireless ATM = WATM) protokolla-arkkitehtuuri on esitetty kuvassa 2. Ideana uudessa protokolla-arkkitehtuurissa on integroida uudet protokollakerrokset ATM-protokollakerrosmalliin.

Radiospesifiset protokollakerrokset ovat Data Link Control, Medium Access Control, Radio Physical Layer ja Wireless Control. Liikkuvuutta tukevat protokollalaajennukset sijoittuvat ohjaustasolle (C-Plane).

 

Langattoman ATM:n toiminteiden tuomisessa ATM protokollapinoon on tarkoitus selvitä mahdollisimman vähäisillä muutoksilla ja esimerkiksi AAL-kerrokseen ei olla aikeissa tehdä muutoksia. Periaatteessa käyttäjäkerrokselta (User Plane) ei pitäisi havaita, onko alapuolella normaali vai langaton ATM-verkko.

 

 

3. Protokollareferenssimalli

 

Kuva 3. Langattoman ATM:n protokollareferenssimalli /3/

 

WATM:n protokollaviitemalli on esitetty kuvassa 3. Viitemalli kuvastaa, mitä pääkomponentteja WATM-verkossa on ja mitä eri käyttäjätason (U-Plane) ja ohjaustason (U-Plane) protokollia tarvitaan kuhunkin komponenttiin. Mallin pääkomponentit ovat seuraavat: /3/

 

Access Point: Tarjoaa langattoman liitynnän M.E.-kytkimeen. AP:n "vastapuoli" voi olla WATM terminaalin terminaaliadapteri tai toisen M.E.-kytkimen AP

 

Mobility Enabled (M.E.) ATM-kytkin: Normaali ATM-kytkin, jossa lisäksi signalointitoiminteita NNI-kerroksessa (NNI+M) verkon liikkuvien komponenttien tukemiseksi.

 

Wireless TA: Terminaaliadapteri, joka tarjoaa standardille ATM-terminaalille langattoman yhteyden RAL:n kautta ja tukee liikkuvuutta tarjoamalla UNI+M- toiminteet

 

ATM-terminal: Normaali ATM terminaali

 

UNI+M: User- Network-rajapinta, jossa on lisäsignalointitoiminteita liikkuvuuden tukemiseksi

 

NNI+M: Network - Network-rajapinta, jossa on lisäsignalointitoiminteita liikkuvuuden tukemiseksi

 

RAL (Radio Access Layer): RAL on päästä päähän ATM-yhteyden langaton segmentti. RAL:iin kuuluvat Radio Physical Layer, Medium Access Control, Data Link Control ja Wireless Control.

 

Viitemallia tarkasteltaessa on huomattava, että monet liikkuvuutta ja radiorajapintaa koskevat kysymykset ovat vielä määrittely vaiheessa ja tulevat todennäköisesti vielä muuttumaan standardointityön edetessä.

4. W-ATM = RAL + M-ATM

Langaton ATM muodostuu Radio Access Layerista ja Mobile ATM-verkosta

 

1. Mobile ATM

1. Radio Access Layer (RAL)

Medium Access Control-kerros on tärkeä osa langatonta ATM-järjestelmää. Se on keskeisessä asemassa yhdistettäessä kahta erilaista maailmaa, ATM- ja langatonta maailmaa toisiinsa. MAC-protokollan tehtävä pähkinänkuoressa on jakaa kanavan kapasiteettia tasapuolisesti ja tehokkaasti käyttäjien kesken.

1. ATM ja langaton maailma

 

ATM suunniteltiin toimimaan valokuituun perustuvissa verkoissa, joissa on riittävästi kaistanlaveyttä, siirtolaatu on hyvä ja yhteydet ovat tyypillisesti point-to point full duplex -yhteyksiä. Langattoman median eli tässä tapauksessa radiokanavan kaistanleveys on rajallinen ja se voi lisäksi vaihdella ajan mukana. Radiokanava on virheherkkää mm. häipymien ja monitie-etenemisen takia. Lisäksi radiokanava on n.s. broadcast-ympäristö, jossa kaikki kuulevat kun yksi lähettää. Taulukossa 2 on vertailtu langatonta ja ATM-maailmaa.

 

Taulukko 2. ATM:n ja langattoman maailman vertailua

 

	ATM	Langaton
Datapaketin koko	hyvin lyhyt, 53 tavun solu	tehokas pitkillä paketeilla (siirto-overhead pieni)
Siirtomoodi	Full Duplex, point-to-point	Half Duplex, point-to-multipoint
Siirtolaatu	lähes virheetön	heikko
Kaistanleveys	taattu sopimuksella	voi vaihdella ajan mukana

 

2. MAC langattomassa ATM:ssa

 

ATM-Forumin WATM-työryhmä on määritellyt MAC-kerroksesta seuraavaa: MAC-kerroksen on tuettava sellaista radiokanavan käyttöä, jossa useilla terminaaleilla on pääsy samalle kanavalle. Avaintekijä MAC-kerroksen toiminnassa on kyky tukea ATM-palveluluokkia järkevillä palvelunlaatutasoilla ja samalla ylläpitää mahdolisimman korkea radiokanvan tehokkuus./2/

 

3. Vaatimukset WATM MAC:lle

1. Arkkitehtuuri

1. Palvelunlaatu

 

Jotta WATM olisi aidosti integroitu osa ATM-verkkoa, tulee WATM:n ja sen MAC-protokollan tukea kaikkia palveluluokkia (CBR, rt-VBR, nrt-VBR, ABR, UBR) /4/.

 

2. Suorituskyky

 

MAC-protokollan tulee voida tukea 60-90%:n liikennekuormia riippuen liikenteen laadusta.

3. Tehon kontrolli

MAC-protokollan tulee mahdollistaa se, että BS voi kontrolloida lähetystehoansa lähettäessään radiosolun sisällä oleville terminaaleille, jotta muiden samalla taajuudella olevien BS:ien toiminta ei häiriintyisi. Kontrolli voidaan toteuttaa välttämällä mahdollisimman paljon broadcast-lähetyksiä, koska broadcastit pitää lähettää sellaisella teholla, että kaikki terminaalit kuulevat. /7/

 

4. Tehon säästö

MAC-protokollan toiminnan tulee sallia, että langattomat terminaalit voivat kytkeä itsensä välillä sleep-moodiin pidentääkseen toiminta-aikaansa. Tämäkin voidaan toteuttaa välttämällä broadcast-lähetyksiä. /7/

 

5. Handover-tuki

Koska on kyse terminaleista, jotka liikkuvat tukiasemien vaikutusalueelta toiselle, MAC-protokollan on tuettava mahdollisuutta handoveriin eri tukiasemien välillä.

6. Kanavointi

Kanavointi radiosolun sisällä ja radiosolujen välillä voidaan periaatteessa toteuttaa käyttäen TDMA-, FDMA- tai CDMA-tekniikkaa.

 

CDMA-tekniikka ei sovi käytettäväksi WATM-järjestelmässä, koska käytetyillä datanopeuksilla se vaatisi epäkäytännöllisen suuren kaistanleveyden. /4/

Radiosolujen väliseen kanavointiin suositetaan käytettäväksi FDMA:ta, koska TDMA:n käyttö vaatii tarkan synkronoinnin tukiasemien välillä, mikä tekee järjestelmän monimutkaisemmaksi

 

TDMA sopii sen sijaan hyvin solun sisäiseen kanavointiin, sillä se mahdollistaa joustavan ja dynaamisen kaistan varaamisen sekä uplink- että downlink kuin myös eri käyttäjien välillä. /4/

 

7. Duplexing

Duplexing tarkoittaa sitä, kuinka kaksisuuntainen liikenne järjestetään. Tähän on esitetty kaksi vaihtoehtoa WATM-järjestelmässä: TDD (Time Division Duplexing) ja FDD (Frequency Division Duplexing).

 

FDD:ssä kaistanleveys puolittuu verrattuna TDD:hen. TDD:n haittana on turn-around -viiveen aiheuttama overhead. Toisaalta TDD:ssa voi joustavasti vaihdella uplink- ja downlink -liikenteelle varattua kaistaa, mikä on hyödyllistä, kun liikenne on asymmetrista. TDD:tä suositetaan käytettäväksi 5GHz:n taajuusalueella, jossa on vaikea käyttää FDD:tä, koska FDD vaatii usean GHz:n välikaistan uplink- ja downlink- suuntien väliin. FDD sopii paremmin korkeammille taajuuksille, jossa on myös enemmän kaistanleveyttä tarjolla. /10/

 

8. Kanavan varaukseen perustuva MAC

 

Jotta virtuaaliyhteyksien palvelunlaatu voidaan taata myös ATM-yhteyden langattomalla segmentillä, MAC-protokollan on oltava varaukseen perustuva. /7/ Varaukseen perustuva tarkoittaa sitä, että itse datapakettia; tässä tapauksessa ATM-solua, ei lähetetä ennen kuin sitä varten on varattu kapasiteettia kanavalta. Varaukseen perustuvien protokollien lisäksi on olemassa ns. random access- ja fixed assignment -protokollia.

 

Random accessiin perustuvissa protokollissa , kuten ALOHA ja CSMA lähetys tapahtuu satunnaisella hetkellä (ALOHA) tai kun terminaali havaitsee kanavan vapaaksi (CSMA). Tällöin terminalli lähettää itse datapaketin. Jos kaksi terminaalia lähettää yhtä aikaa, tapahtuu törmäys ja molemmat paketit menetetään. Random access protokollien viiveet voivat törmäysten ja uudelleenlähetysten takia kasvaa hyvinkin suuriksi, minkä vuoksi ne eivät sovellu aikakriittisen datan (CBR, rt-VBR) kuljetukseen. Random access- protokollien suorituskykyä voidaan parantaa törmäyksenratkaisualgoritmeilla. /12/

 

Perinteiset fixed assignment -protokollat kuten TDMA ja FDMA varaavat kiinteän kapasiteetin terminaalin käyttöön koko yhteyden ajaksi. Ne sopivat CBR-tyyppiselle liikenteelle mutta eivät VBR-liikenteelle, koska varattua kaistaa menee hukkaan aina, kun ei ole mitään lähetettävää. /12/

 

9. Dynaaminen TDMA

Seuraavassa on kuvattu erään D-TDMA-tyyppisen protokollan, DSA++:n toiminnan keskeiset piirteet.

1. DSA++:n kehysrakenne

 

DSA++:n kehysrakennetta voidaan kuvata seuraavasti (Kuva 6) /9/:

 

Uplink ja downlink-liikenne ovat eri taajuuksilla eli protokolla käyttää FDD:ta, duplexing-metodina. /9/:n mukaan protokolla voitaisiin pienillä muutoksilla saada käyttämään TDD:tä.

 

Downlink muodostuu signalointiperiodeista. Signalointiperiodi käsittää yhden downlink-signalointipurskeen ja useita datasloteja ATM-solujen lähetyksiä varten.

 

Uplink suunta on jaettu datasloteihin ja erityisiin RACH sloteihin. Datasloteissa kulkevat terminaalien BS:lle lähettämät ATM-solut. RACH-slotien avulla uudet terminaalit voivat liittyä verkkoon ja verkossa jo olevat terminaalit lähettää BS:lle pyyntöjä lähetyskapasiteetin saamiseksi.

 

2. DSA++: toiminta

Langattoman ATM:n standardointityö on parhaillaan käynnissä. Standardointityöskentelyyn osallistuvat pääasiassa ATM Forum, johon on perustettu oma työryhmä WATM Working Group, sekä ETSI :n RES 10 työryhmä. Ensimmäisten standardien odotetaan valmistuvan vuoden , kahden sisällä.

Käsite langaton ATM voidaan jakaa kahteen osaan: Radio Access Layeriin ja mobile ATM:ään. Radio Access Layer on päästä päähän ATM-yhteyden langaton segmentti, jossa ATM-solut kuljetetaan radiorajapinnan yli. ATM-liikenteen sovittaminen perusteiltaan hyvin erilaiselle radiotielle on haasteellinen tehtävä, jossa käytetyllä Medium Acces Protokollalla on suuri osuus. Tässä työssä on kuvattu langattoman ATM:n käsitettä sekä tarkasteltu lähemmin ATM-radiorajapinnan MAC-protokollille asetettuja vaatimuksia, joita on tullut esille ATM Forumin spesifiointityössä. Lopuksi esiteltiin erään esimerkkiprotokollan toiminta.