Непрерывный мобильный доступ к беспроводным сетям

---

По материалам корпорации Intel (http://www.intel.com).

Представьте себе такую ситуацию: вы практически готовы к деловой встрече, которая может стать самой важной для вас в этом году. У вас в руках персональный коммуникатор, и вы собираетесь встретиться в кафе с коллегами, перед тем как ехать в аэропорт. Ваш коммуникатор – сотовый телефон стандарта GSM (Global System for Mobile Communications), но это не просто телефон. Он оснащен несколькими приемопередатчиками, необходимыми для работы глобальной системы позиционирования GPS (Global Positioning System), для подключения к точкам доступа беспроводных локальных сетей Wi-Fi, а также для широкополосного подключения к беспроводным сетям WiMAX. Когда вы подходите к кафе, ваш коммуникатор благодаря возможностям интеллектуального роуминга автоматически определяет наличие точки доступа и активизирует приемопередатчик для доступа к беспроводным локальным сетям. Общаясь с коллегами, вы запускаете загрузку последних изменений вашей презентации, используя беспроводную сеть кафе. Вдруг, взглянув на часы, вы понимаете, что уже опаздываете. Вы быстро выбегаете из кафе и ловите такси до аэропорта. Соединение с сетью разрывается, но коммуникатор переключается на сеть WiMAX, чтобы закончить процесс загрузки. При этом вы успеваете сделать несколько срочных звонков в сотовой сети GSM. По пути в аэропорт ваш коммуникатор определяет, что его батареи разряжены, разрывает соединение WiMAX и переключается в режим связи GPRS (General Packet Radio Service, служба пакетной передачи данных в стандарте GSM) с низким энергопотреблением. В аэропорту вы включаете в розетку зарядное устройство, и коммуникатор сразу после обнаружения точки доступа автоматически подключается к беспроводной локальной сети аэропорта, чтобы закончить загрузку.

В этом сценарии, впервые продемонстрированном на осеннем Форуме Intel для разработчиков 2005 г., использовалась концептуальная модель персонального коммуникатора с четырьмя приемопередатчиками, позволяющими связываться с четырьмя разными сетевыми операторами или поставщиками услуг связи. Скорость передачи данных варьируется от 9,6 Кбит/с для сотовой связи до 11 Мбит/с в беспроводных сетях Wi-Fi и до 40 Мбит/с в широкополосных сетях WiMAX. Этот сценарий был призван подчеркнуть основное преимущество наступающего мобильного стиля жизни – непрерывный мобильный доступ к любой доступной сети в любом месте и в любое время.

Интеллектуальный роуминг

Возможность подключения для передачи голоса, видео и данных в любом месте и в любое время очень привлекательна для пользователей. В связи с началом повсеместного распространения корпоративных, домашних и общественных беспроводных сетей, работающих в стандартах Wi-Fi, WiMAX и 3GPP (3rd Generation Partnership Project), появилась и необходимость поддержки мобильными платформами связи в разных частотных диапазонах и стандартах. По мере развития нового мобильного стиля жизни на смену устройствам, рассчитанным на работу только в сетях определенного типа и обладающим фиксированным набором функциональных возможностей, придут мультисетевые многофункциональные устройства с несколькими встроенными приемопередатчиками. Сейчас уже появляются мобильные телефоны с возможностью подключения к сетям Wi-Fi, а сетевые операторы начинают оказывать такие услуги. Перспектива повышения пропускной способности и возможности оказания дополнительных услуг потребителям становится движущей силой для разработки MP3-плееров, принтеров и камер с возможностью подключения к беспроводным сетям. Появляется также продукция с возможностью беспроводного доступа в Интернет и первые образцы устройств в стандарте 802.11n, которые расширяют для пользователей возможности передачи видео, голоса и информации.

Хотя появление мультисетевых устройств должно стимулировать и появление новых услуг передачи голоса и мультимедийной информации, одновременная поддержка нескольких разночастотных приемопередатчиков создает специфические проблемы, связанные с мобильностью и с платформами. Не последняя из них – разработка технологий интеллектуального роуминга, которые позволят организовать “прозрачное” переключение как в гомогенных, так и в гетерогенных средах передачи.

Гетерогенность предполагает возможность переключения между разными сетями – сотовыми, WLAN, WiMAX. Гомогенность – это возможность “прозрачного” переключения между разными точками подключения одной сети (точками доступа беспроводной локальной сети или базовыми станциями WiMAX). В случае переключения в гомогенной среде беспроводной локальной сети мобильные платформы в первую очередь должны автоматически определять структуру беспроводной среды, в которой находится пользователь, и выбирать точку доступа с наилучшим качеством связи. Во-вторых, необходим доступ к ресурсам, чтобы предоставить гарантированное качество обслуживания, а также выполнить аутентификацию – или до, или в процессе переключения.

Для того чтобы организовать переключение, а также для организации мобильной связи оконечных устройств с разными точками подключения одной сети или между различными сетями (если одна из доступных сетей предпочтительнее для пользователя, чем другие), необходимы стандарты мобильной связи. Эти стандарты регламентируют два типа переключений.

Гомогенное переключение между совместимыми точками подключения, например,
между точками доступа Wi-Fi или базовыми станциями WiMAX в рамках одной сети,
регламентируется соответствующими стандартами технологий доступа к сетям. Стандарты
IEEE 802.11k и 802.11r посвящены мобильности в локальных беспроводных сетях.
Стандарт IEEE 802.16e описывает мобильные расширения сетей WiMAX (802.16), а
3GPP и 3GPP2 – параметры мобильной связи в сотовых сетях.

IEEE 802.11k (Radio Resource Measurement) и 802.11r (Secure Fast Roaming) – основные отраслевые стандарты, которые в настоящее время находятся в стадии разработки. Они должны обеспечить базовый набор сервисов (Basic Service Set, BSS) при “прозрачных” переключениях между точками доступа беспроводной локальной сети. Стандарт IEEE 802.11k позволяет найти наилучшую из возможных точку доступа, а стандарт IEEE 802.11r определяет механизмы обеспечения безопасности и быстрого переключения между точками доступа в рамках одного и того же расширенного набора сервисов (Extended Service Set, ESS).

Гетерогенное переключение определяется как переключение между разнородными
сетями и применимо для пользовательских платформ, имеющих несколько приемопередатчиков.
Будущий стандарт IEEE 802.21 (Media Independent Handovers) посвящен мобильности
в гетерогенных сетях. Он определяет функцию переключения, независимого от носителя
(media independent handover), для уровней 2 и 3 модели протоколов передачи данных
OSI. Стандарт IEEE 802.21 предусматривает механизмы, позволяющие различным клиентским
устройствам динамически переключаться между различными типами сетей – Wi-Fi,
WiMAX и сотовыми сетями, а также выбирать оптимальный тип подключения, что может
существенно повысить возможности мобильной связи.

Чтобы обеспечить повсеместное распространение различных беспроводных сетей для передачи голоса, видео и цифровых данных, корпорация Intel возглавила группу IEEE по разработке этих стандартов и сейчас занимается проектированием компонентов, которые должны предоставить непрерывный мобильный доступ к беспроводным сетям для мобильных платформ Intel.

Непрерывный мобильный доступ в сетях Wi-Fi

В среде Wi-Fi можно определить три основных сценария роуминга.

Перемещающийся клиент – в этом сценарии, когда клиент покидает зону
действия точки доступа, его устройство переключается на другую точку доступа
с максимальным уровнем сигнала.

Балансировка нагрузки – при росте трафика голоса и данных через какую-либо
точку доступа станция может переключить устройство клиента на другую точку доступа,
чтобы повысить общую пропускную способность беспроводной сети.

Доступность услуг – в числе причин ухудшения качества связи можно назвать
взаимное влияние, помехи и потери в тракте передачи, а также условия передачи
– например, недоступность узлов. Эти параметры связи могут меняться в процессе
сеанса. Параметры связи (например, требования к трафику), которые обеспечивались
в начале сеанса голосовой или видеосвязи, в процессе сеанса могут отклоняться
от гарантированного уровня качества обслуживания из-за изменений сетевой среды.
В этом случае станция должна пересмотреть уровень качества обслуживания для
данной точки доступа или переключить устройство пользователя на другую точку
доступа, которая обеспечивает гарантированный уровень.

Стандарт IEEE 802.11k описывает интеллектуальный роуминг в сетях Wi-Fi. Согласно этому стандарту, мобильное пользовательское устройство получает от текущей точки доступа отчет о соседних точках доступа, чтобы найти новых кандидатов для подключения. Алгоритм интеллектуального роуминга, реализованный в пользовательском устройстве, анализирует условия связи со всеми найденными точками доступа и их уровень обслуживания. Затем устройство выбирает точку доступа с наилучшей пропускной способностью и соответствующим уровнем качества.

После того как подходящий кандидат найден, станция выполняет переключение с базовым набором сервисов. Для этого она разрывает соединение с текущей точкой доступа и подключается к новой. Процесс переключения включает настройку передатчика на другой канал, отправку запроса на подключение, получение ответа от новой точки доступа, аутентификацию и обмен ключами, а также установку других параметров соединения, в том числе уровня качества обслуживания.

Стандарт IEEE 802.11r позволяет ускорить и обеспечить безопасность переключений с базовым набором сервисов, определяя понятие обмена для обеспечения переключения. Этот механизм резервирования ресурсов предназначен для того, чтобы при переключении с текущей точки доступа на новую активизировать ресурсы во время переключения, используя модифицированный обмен для обеспечения переключения. Новая среда управления ключами позволяет станции и точке доступа установить уникальное защищенное соединение с парными главными ключами (Pairwise Master Key Security Association, PMKSA). Этот механизм использует новый протокол роуминга, чтобы сгенерировать парные временные ключи (Pairwise Transient Key, PTK) до или во время переключения.

Переключения, независимые от носителя

Стандарт переключений, независимых от носителя, IEEE 802.21, описывает интеллектуальные функции канального уровня, а также содержит другую информацию о сети верхних уровней, позволяющую оптимизировать переключение между гетерогенными носителями. Этот стандарт регламентирует переключение как между мобильными, так и между стационарными устройствами. Для мобильных устройств переключение может быть вызвано изменением условий связи или тем, что пользователь находится в движении и выходит из зоны охвата точки подключения. Для стационарных устройств переключение может быть связано с тем, что по каким-то причинам одна сеть становится предпочтительнее для пользователя, чем другая.

Другой причиной переключения могут стать потребности приложения, которое работает на пользовательском устройстве. Например, если запущена загрузка большого мультимедийного файла или файла данных, возможно, понадобится переключиться на сеть, обладающую достаточной пропускной способностью. Все эти сценарии предусматривают непрерывный доступ, чтобы максимально удовлетворить потребности пользователя.

Стандарт IEEE 802.21 в дополнение к инфраструктуре сети предусматривает совместное использование мобильных устройств. Мобильное устройство сможет определять наличие доступных сетей, а инфраструктура – сохранять необходимую информацию о сетях, например, списки ближайших точек подключения и местоположение мобильных устройств. В целом как пользовательские устройства, так и точки подключения к сетям (базовые станции WiMAX или точки доступа Wi-Fi) смогут поддерживать несколько стандартов радиосвязи (станут мультирежимными), и в некоторых случаях можно будет использовать несколько интерфейсов одновременно.

Стандарт IEEE 802.21 описывает архитектуру для поддержки непрерывного обслуживания при переключении мобильного узла (mobile node, MN) в гетерогенной среде, где используются разные технологии связи. Такая архитектура основывается на идентификации стека протоколов управления мобильной связью в доступной сетевой инфраструктуре. Как показано на рис. 1, функции обеспечения переключения в составе стека протоколов управления мобильной связью включают новую функцию, названную “переключение, независимое от носителя” (Media Independent Handover, MIH). Функция MIH – это промежуточный уровень стека протоколов, она обеспечивает сервисы для вышележащих уровней, а также получает сервисы от нижележащих уровней. Стандарт также определяет различные типы точек доступа к службам (Service Access Point, SAP) и связанные с ними примитивы, которые обеспечивают доступ к службам функции MIH.

Рис. 1. Функция переключения, независимого от носителя, – промежуточный уровень стека протоколов управления мобильной связью для мобильного устройства и для сетей.

Функция MIH помогает в принятии решений о переключении. Вышележащие уровни принимают решение о переключении и выбирают новый тип связи на основании данных и контекста, получаемых от функции MIH. Важнейшие составные части стандарта IEEE 802.21 – распознавание необходимости переключения и поиск информации для принятия решения о самом эффективном переключении.

Функция MIH обеспечивает унифицированный интерфейс для вышележащих уровней. Примитивы сервисов, предоставляемые функцией MIH, независимы от протоколов, которые отличаются для разных технологий в гетерогенных сетевых средах. Функция MIH связывается с нижележащими уровнями стека протоколов управления мобильной связью через интерфейсы, зависимые от технологий. Эти интерфейсы уже определены как точки доступа к службам в стандартах, которые имеют отношение к соответствующим технологиям, включая IEEE 802.3, IEEE 802.11, IEEE 802.16, 3GPP и 3GPP2. Функция MIH помогает поддерживать пользовательские подключения, обеспечивает поиск и выбор оптимальной сети, а также может включать и выключать приемопередатчики в зависимости от доступности сети определенного типа в целях энергосбережения для портативных мобильных устройств.

Платформы Intel для мобильных систем

Корпорация Intel внесла значительный вклад в разработку стандартов IEEE 802, включая стандарт измерения параметров радиосвязи (Radio Resource Measurement) 802.11k, стандарт защищенного скоростного роуминга (Secure Fast Roaming) 802.11r, а также стандарт переключений, независимых от носителя (Media Independent Handovers) IEEE 802.21. Эти будущие стандарты уже прошли основные этапы утверждения, поэтому скоро станут доступными новые телекоммуникационные компоненты, которые смогут искать и выбирать доступные сети, а также обеспечат безопасные и прозрачные переключения.

Intel также занимается разработкой набора микросхем и интеграцией платформ радиосвязи, чтобы решить проблемы поддержки множества развивающихся интерфейсов платформ. Корпорация разрабатывает технологии для выбора “наилучшей точки доступа” и “наилучшего режима радиосвязи”, которые обеспечат прозрачное переключение между различными беспроводными сетями для мобильных платформ Intel. Эти функции платформ Intel для мобильной связи и роуминга расширят для пользователей возможности передачи голоса и видео в сетях Wi-Fi, а также через сети сотовой связи, Wi-Fi, WiMAX.

Стандарты IEEE 802.11k и 802.11r – важнейшие составные части платформы, позволяющие оптимизировать подключения в среде беспроводных локальных сетей (рис. 2). Стандарт IEEE 802.11k предоставляет информацию об условиях радиосвязи и о доступных сетях, чтобы обеспечить оптимальный роуминг. Алгоритм интеллектуального роуминга, работающий в пользовательском устройстве, позволяет выбрать наилучшую точку доступа, обеспечивающую необходимую пропускную способность и уровень качества обслуживания. Стандарт IEEE 802.11r предоставляет решение для быстрых и защищенных переключений с базовым набором сервисов. Стандарт IEEE 802.21, в свою очередь, описывает механизмы быстрых переключений между сетями Wi-Fi, WiMAX и сетями сотовой связи.

Рис. 2. Мобильные платформы корпорации Intel – реализация стандартов IEEE 802.11k, 802.11r и 802.21 (архитектура устройств с несколькими приемопередатчиками).

Новые стандарты и компоненты платформ, обеспечивающие непрерывный мобильный доступ к различным типам беспроводных сетей, позволят сетевым операторам, поставщикам сетевых инфраструктур, производителям устройств и разработчикам приложений существенно расширить мобильные возможности для миллионов людей.