Bezprzewodowe sieci ATM - perspektywy rozwoju

Robert Kotrys, Piotr Remlein

Politechnika Poznańska, Instytut Elektroniki i Telekomunikacji;

ul. Piotrowo 3a; 60-965 Poznań, tel. [phone] w. 285;

E-mail: Robert.Kotrys, [e-mail].

Streszczenie
W referacie przedstawione zostały ogólne
wymagania stawiane transmisji przez
bezprzewodowe sieci ATM. Omówiono
problemy związane z realizacją radiowego
łącza ATM. Przedstawiono obecny stan badań
nad bezprzewodowymi sieciami ATM.
Zestawione zostały również charakterystyczne
parametry wybranych eksperymentalnych
systemów W-ATM.

1. Wprowadzenie
Referat zawiera przegląd stanu badań nad
bezprzewodowymi sieciami zgodnymi ze
standardem ATM. Przedstawione zostaną
wymagania stawiane bezprzewodowej sieci
ATM (W-ATM wiereless ATM) i podstawowe
obszary zastosowań. Scharakteryzowane
zostaną problemy związane z przeniesieniem
standardu ATM z sieci przewodowych w
środowisko łącza radiowego. Przeprowadzone
zostanie porównanie istniejących
eksperymentalnych instalacji, jak też
zestawione zostaną dominujące obecnie w
literaturze pomysły i propozycje rozwiązań
dotyczących bezprzewodowego ATM
(systemy opracowywane przez: NEC C&C,
Cambridge-Olivetti, Columbia University
/IBM, Bell Labs., NTT AWA, Carleton
University, ACTS Magic WAND) [3-8]. W
referacie porównane będą wyłącznie aspekty
charakterystyczne dla sieci bezprzewodowych,
w szczególności parametry warstwy fizycznej
związanej z łączem radiowym, oraz
modyfikacje w warstwie MAC (Media Access
Control) i warstwie łącza DLL (Data Link
Layer).

2. Założenia i wymagania dotyczące
bezprzewodowych sieci ATM.
W miarę swojego rozwoju standard ATM staje
się szkieletem sieci telekomunikacyjnych,
wykorzystywanym do przenoszenia coraz

większej ilości różnorodnych usług [1]. Coraz
bardziej mobilne społeczeństwo i coraz bardziej
mobilne miejsca pracy stwarzają zapotrzebowanie na
szybką i niezawodną łączność, o jednakowej,
wysokiej jakości. Rodzaj przekazywanych
informacji jest bardzo zróżnicowany, od zwykłej
rozmowy, poprzez transmisję danych np. plików,
transmisję video np. telewizja aż do połączeń
telekonferencyjnych. Oznacza to różne rodzaje usług
i różne wymagania stawiane sieci
telekomunikacyjnej. Rozwiązaniem staje się ATM.
Podstawowe zalety ATM to wysoka wydajność i
elastyczność oferowanych usług. ATM dostarcza
unikalnych narzędzi gwarantujących wymaganą
jakość usługi QoS na czas połączenia.
Standaryzacja protokołu ATM dotyczy zarówno
rozległych siei telekomunikacyjnych jak i lokalnych
sieci komputerowych, daje to unikalną szansę
powstania jednolitej sieci transmisji danych,
pozwoliłoby to jednocześnie poprawić jakość i
obniżyć koszty związane z jej użytkowaniem.
Rozszerzenie protokołu ATM na sieci
bezprzewodowe staje się więc logiczną i
nieuchronną perspektywą. Bez wątpienia niezwykle
istotną sprawą jest zachowanie jak najdalej idącej
zgodności pomiędzy przewodową i bezprzewodową
siecią ATM, która stanowi naturalne uzupełnienie
stałej infrastruktury telekomunikacyjnej. Od
bezprzewodowej sieci ATM oczekuje się z reguły
spełnienia następującej listy wymagań [2]:
• Radiowa stacja bazowa dołączona do

przewodowej sieci ATM zapewnia taką samą
jakość połączenia z ruchomym terminalem, jak w
sieci przewodowej.

• Do łączności pomiędzy stacjami bazowymi

stosowany jest standardowy protokół

i

standardowe przełączniki ATM.

• Charakterystyka ruchowa sieci ATM, jak

limitowane opóźnienia czy rezerwowany QoS jest
zachowany również w części bezprzewodowej

• Zarówno węzły ruchome jak i stałe używają tego

samego protokołu sygnalizacji.

• Pasmo radiowe jest wykorzystane możliwie

efektywnie.

• Możliwe jest istnienie terminali o różnym

poziomie złożoności.

• Aktywne połączenia wirtualne VCs są

przekazywane pomiędzy stacjami
bazowymi.

• Przemieszczanie się terminali jest możliwie

niewidoczne dla przewodowej części ATM.

Przewidywane dziedziny zastosowań
bezprzewodowych sieci ATM są podobnie
różnorodne jak zastosowania przewodowych
łączy ATM. W początkowej fazie największe
zapotrzebowanie na tego typu instalacje
dotyczyć będą z pewnością lokalnych sieci
komputerowych, czy z szerszego punktu
widzenia lokalnych sieci transmisji danych
wykorzystywanych przez wielkie korporacje w
środowisku biurowym, czy w obiektach
produkcyjnych. Dzięki bezprzewodowemu
ATM znacząco poprawi się dostępność i
elastyczność systemów dystrybucji informacji,
obniżą się również koszty związane z
rekonfiguracją i zarządzaniem siecią
przewodową.

3. Problemy związane z realizacją
radiowego łącza ATM.
By możliwe stało się zastosowanie ATM za
pomocą łącza radiowego, konieczne jest
rozwiązanie dwóch fundamentalnych
problemów [10]:
• ATM projektowany był dla kanału

transmisyjnego o bardzo niskim poziomie
błędów (na poziomie 10

-10

). Poziom błędów

możliwy do uzyskania w kanale radiowym,
z natury zaszumionym, wielodostępnym i
zmiennym w czasie, jest większy o kilka
rzędów wielkości. Konieczne jest więc
wprowadzenie dodatkowych mechanizmów
ochronnych, układów detekcji i korekcji
błędów. Konieczne jest znalezienie
kompromisu pomiędzy efektywnym
wykorzystaniem pasma radiowego,
prędkością transmisji, poziomem ochrony i
koniecznością zapewnienia wymaganego
QoS.

• Łącze radiowe jest z natury wspólne dla

wszystkich, konieczne jest więc

zastosowanie jakiejś metody wielodostępu,
umożliwiając efektywne współużytkowanie
kanału radiowego przez wielu użytkowników.
Dla zwiększenia pojemności sytemu przestrzeń
dzielona jest na części-komórki, obsługiwane
przez odrębne (o ściśle ograniczonym zasięgu)
stacje bazowe. Obsługa przemieszczającego się
terminala musi być przejmowana przez kolejne
stacje bazowe. Sytuacja ta nie była przewidziana
w systemie ATM. Warstwa łącza DLL musi
zostać rozszerzona o protokół przekazywania
aktywnych połączeń wirtualnych pomiędzy
kolejnymi stacjami bazowymi. Konieczne jest
rozwiązanie problemów: zachowania ciągłości
połączenia, możliwie bez strat danych oraz
zachowania wynegocjowanego w fazie inicjacji
połączenia poziomu QoS. To ostatnie jest
szczególnie groźnym problem, ponieważ ATM
nie przewiduje możliwości renegocjacji QoS dla
aktywnych połączeń.

W sieci W-ATM rozróżnić można bezprzewodową
warstwę fizyczną W-PHY (wireless physical layer) i
bezprzewodową warstwę łącza danych W-DLL
(wireless data link layer), która z kolei jest
podzielona na warstwę dostępu do medium
transmisyjnego W-MAC (wireless access control) i
warstwę łącza logicznego W-LLC (wireless logical
link control). Zadaniem tych warstw jest
zapewnienie odpowiedniej jakości

łączności

radiowej między przenośnymi terminalami a stacją
bazową.
Zabezpieczenie przed błędami realizowane jest w
warstwie fizycznej i warstwie łącza danych. Po
stronie warstwy fizycznej W-PHY realizowane jest
zwykle kodowanie protekcyjne a warstwa W-LLC
realizuje określony protokół kontroli błędów ARQ,
FEC lub kombinację obu tych sposobów.
Oczywistym jest, że na jakość transmisji przez łącze
bezprzewodowe zasadniczy wpływ ma rodzaj
protokołu transmisji danych oraz struktura
podstawowego pakietu, ramki. Istnieje kilka
propozycji protokołów transmisji dla sieci W-ATM.
Zwykle dąży się do tego by pakiet w systemie W-
ATM zawierał stałą wielokrotność danych z
komórki ATM (48 bajtów).

4. Prototypowe sieci W-ATM.
Transmisja poprzez bezprzewodowe sieci ATM jest
w fazie badań. Dla technologii tej nie istnieją jeszcze

zalecenia. Natomiast bezprzewodowe sieci
lokalne, ze względy na swoją atrakcyjność,
znalazły już od pewnego czasu swoje miejsce
na komercyjnym rynku. Różnorodne, firmowe
standardy doczekały się pewnej unifikacji w
postaci dwu najważniejszych obecnie
standardów w bezprzewodowych sieciach
lokalnych W-LAN ( wireless local area
network) według nowopowstałych zaleceń
802.11 i Hiperlan. Standard IEEE 802.11 ma
odegrac podobną rolę co standard Ethernet w
sieciach przewodowych (IEEE 802.5), tzn.
Zapewnić bezkonfliktową współpracę
pomiędzy urządzeniami różnych producentów.
IEEE 802.11 definiuje jedną wspólną warstwę
MAC i trzy różne, stosowane zamiennie
warstwy fizyczne (PHY). Dwie warstwy PHY
operują na częstotliwości 2400..2483.5 MHz,
różnią się przepływnością, 1 i 2 Mb/s. Trzecia
warstwa korzysta z transmisji w podczerwieni.
Standard Hiperlan (High Performance LAN)
obejmuje zarówno bezprzewodowa strukturę
sieci lokalnej, jak również bezprzewodowy
dostęp do sieci ATM, oraz bezprzewodową
infrastrukturę sieci ATM. Cechą szczególną
standardu Hiperlan jest możliwość
natychmiastowej budowy sieci wyłącznie w
oparciu o bezprzewodowe terminale, bez
wsparcia ze strony stałej kablowej
infrastruktury sieciowej.

Systemy pracujące według tych standardów działają
w nielicencjonowanym paśmie ISM (industrial,
sientific and medical). Właściwości obu
wymienionych zaleceń zestawione zostały w tabeli
1.

W przypadku transmisji WATM powstają dopiero
systemy prototypowe. Wśród nich dominują
propozycje: NEC C&C Research Laboratories.
GAHAMA - Bell Laboratories, ACTS Magic
WAND (European Council Advanced
Communications Technologies and Services), AWA
(ATM Wireless Access) NTT Wireless Systems
Laboratories, Carelton University, Cambridge -
Olivetii Research Laboratories. Każdy z
przytoczonych systemów prototypowych proponuje
transmisję w innym zakresie częstotliwości, z inną
prędkością, przy użyciu odmiennych sposobów
modulacji, kodowania i wielodostępu. Ich wspólną
cechą jest zapewnienie bezkolizyjnej współpracy
między siecią ATM i siecią radiową przy
jednoczesnym zachowaniu jakości usług (QoS)
wymaganej przez przewodową sieć ATM, tabela 2.
Wszystkie systemy W-ATM znajdują się w stadium
badań i testów, istniejące instalacje mają charakter
eksperymentalny. Niektóre z prezentowanych
systemów projektowane są z myślą o konkretnych
rodzajach usług jak transmisje multimedialne i video
konferencje.
Wnioski

Tabela 2. Zestawienie właściwości prototypowych sieci W-ATM.

Pasmo
częstotliwości

Rodzaj modulacji

Prędkość
transmisji

Metoda dostępu

Kod
transmisyjny

NEC

2,4 GHz, ISM

π/4 QPSK

8 Mb/s

TDMA/TDD

ze

szczelinami
ALOHA

-

BAHAMA

900 MHz, 5 GHz

OFDM/GMSK

2-20 Mb/s

DQRUMA

ARQ, FEC

Magic WAND

5,2 GHz / 17,1-17,3
GHz

16 kanałów, OFDM 24 Mb/s

ALOHA,
MASCARA

-

NTT AWA

>10 GHz

QPSK,

π/4 QPSK

30-80 Mb/s

TDMA

FEC

Carelton

20, 60 GHz

-

40 - 160 Mb/s

TDMA

ARQ

Cambridge-Olivetii 2,45 GHz

(pasmo 10MHz)

QPSK

10 Mb/s

ALOHA

CRC, ARQ

Median

60 GHz

255

punktowe

OFDM

155 Mb/s

TDMA

-

Samba

40 GHz

16 punktowe
OFDM

20-50 Mb/s

TDMA

-

AWAS

19/40 GHz

OQSK

70 Mb/s

TDMA

-

Bezprzewodowa sieć ATM stanowi obecnie
przedmiot bardzo intensywnych badań. W toku
są liczne projekty badawcze nierzadko
znajdujące się już na etapie instalacji
eksperymentalnych. Daje się zauważyć
podstawowe tendencje jak: zastosowanie
modulacji OFDM i metody zwielokrotnienia
TDMA dla systemów o najwyższych
przepływnościach. Wciąż brak jest standardów
dotyczących bezprzewodowego ATM. Dużą
trudność sprawia wygospodarowanie
odpowiednio szerokiego pasma częstotliwości.
Większość eksperymentalnych systemów
operuje na tzw. paśmie ISM, jednak pasmo to
jest zbyt wąskie dla transmisji rzędu 155 Mb/s.
Najświeższe projekty koncentrują się na
zagospodarowaniu wysokiego pasma 60 GHz..
Pasmo to ze względu na wysoką tłumienność
spowodowaną rezonansem atomów tlenu nie
nadaje się do transmisji na większe odległości
i może być względnie bezpiecznie
wykorzystane do tworzenia bezprzewodowych
sieci wewnątrz budynków biurowych czy
przemysłowych.

Literatura

1. P. Mermelstein et al., „Integrated Services on Wireless

Multiple Access Networks”, Proc. IEEE ICC’93, pp. 863-
867.

2. A.J. Viterbi, „Wireless digital communication: A view based

on three lessons learned”, IEEE Commun. Mag., Vol. 29,
No. 9, pp. 33-36, Sept., 1991.

3. D. Raychaudhuri and N.D. Wilson, „ATM-Based Transport

Architecture for Multiservices Wireless Personal
Communication Networks,” IEEE JSAC, vol. 12, Oct.
1994, pp. 1401-1414.

4. J. Porter, A. Hopper „ An ATM-Based Protocol for Wireless

LANs”, Olivetii Research Ltd. Tech. Rep. 94.2. 1994.

5. A.S. Acampora, M. Naghshineh, „An Architecture and

Methodology for Mobile-Executed Handoff in Cellular
ATM Networks”, IEEE JSAC, vol. 12, Oct. 1994, pp.
1365-1375.

6. K.Y. Eng et al., „BAHAMA: A Broadband Ad-Hoc Wireless

ATM Local-Area Network”, Proc. ICC’95, pp. 1216-1223.

7. M. Umehira et al., „An ATM Wireless Accesss Systems for

Tetherless Multimedia Services”, Proc. ICUPC’95.

8. D.D. Falconer, „A System Architecture for Broadband

Milimeter Wave Access to an ATM LAN”, Proc.
Wireless’95,

9. D. Pietras, A. Hettich, A. Kramling „Performance Evaluation

of Logical Link Cointrol Protocol for an ATM air
interface”, Proc. IEEE PIMRC’96.

10. E. Ayanoglu et. al., „Wireless ATM: Limits, Challenges

and Proposals”, IEEE Personal Communications - Special
Issue, vol. 3, No. 4, August 1996.

Tabela 1. Porównanie standardów 802.11 i HIPERLAN

Pasmo
częstotliwości

Rodzaj
modulacji

Prędkość
transmisji

Metoda
dostępu

Usługi MAC

QoS

Dostępność

802.11

2,4-2,4835
GHz

z
rozproszonym
widmem
(direct
sequence
DBPSK,
DQPSK z
rozproszonym
widmem
(frequency
hopping)
2GFSK,
4GFSK
BT=0.5

1 i 2 Mb/s

proste
CSMA/CA,
RTS/CTS,
PCF

Identyfikacja,
szyfrowanie
transmisji,
sterowanie
mocą, kontrola
czasu

nie wspiera
bezpośrednio
QoS

standard
zamknięty,
dostępne
zestawy
układów
scalonych,
dostępne
urządzenia

HIPERLAN 5,15-5,30

GHz

FSK lub
GMSK
BT=0.3

1.47 i 23.53
Mb/s

NPMA,
PDU

szyfrowanie
transmisji,
sterowanie
mocą, routing
i forwarding,
kontrola czasu

zawansowany
system
priorytetów i
kontroli
pakietów
wspiera QoS

standard nie
jest zamknięty,
brak urządzeń
na rynku,
instalacje
prototypowe