Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

«Системы беспроводного доступа стандарта Wi-Max»

Учебное пособие

А.П. Горбенко

Таганрог 2008

УДК 621.396.

Горбенко А. П. Системы беспроводного доступа стандарта Wi-Max:

Учебное пособие. - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2008. -66с.

Целью издания является ознакомление студентов с современным стандартом беспроводного доступа Wi-Max, а также обеспечение возможности самостоятельного изучения некоторых видов обработки сигналов, широко используемых в других системах связи.

Пособие состоит из краткого технического образа стандарта Wi-Max, в котором рассмотрены вопросы физического уровня, MAC-уровня, основные технологии стандарта. Два метода обработки сигналов - ортогональное частотное разделение и коды Рида-Соломона рассмотрены подробно.

Учебное пособие в первую очередь предназначено для студентов специальности 210402 «Средства связи с подвижными объектами», а также может быть использовано студентами других радиотехнических специальностей.

Ил. Табл. Библиогр.

Введение

Период бурного роста систем сотовой связи постепенно сменяется параллельным развитием нескольких связных технологий. Системы беспроводного радиодоступа относительно долгое время находилось в тени проводных систем и систем сотовой связи. Однако в последнее время благодаря новым способам формирования и обработки сигналов, упрощению и снижению стоимости оборудования, это положение начинает меняться. На момент написания государственного стандарта систем «Wi-Max» не было вообще. Но за короткий срок была разработана группа стандартов IEEE 802.16, которые некоторые авторы объединяют под общим названием «Wi-Max» (Worldwide Interoperability for Mikroware Access- всемирный доступ для взаимодействия микроволновых сетей). Формально она является названием альянса производителей оборудования. Многие эксперты считают, что в будущем системы стандарта Wi-Max займут значительную часть рынка беспроводных систем связи. Поэтому возникает необходимость в написании учебной литературы, помогающей изучению данного стандарта.

Учебное пособие предназначено для использования студентами специальности 210402 «Системы и сети связи с подвижными объектами» в курсе «Средства связи с подвижными объектами». Однако оно может быть полезно для студентов специальности 210405 «Радиосвязь, радиовещание и телевидение», например, в курсе «Космические и наземные системы радиосвязи и сети телерадиовещания», а также при изучении ряда других радиотехнических дисциплин. Каждый раздел является законченным учебным модулем, имеющим квалиметрическое обеспечение. Это поможет тем студентам, которые данный материал будут изучать самостоятельно.

Общие положения

Предметом изучения является ознакомление с принципами построения и функционированием отдельных подсистем стандарта беспроводного доступа IEEE 802.16. Этот материал является разделом дисциплины «Системы и сети связи с подвижными объектами», одной из базовых дисциплин специальности «Средства связи с подвижными объектами». Основная задача этой дисциплины состоит в том, чтобы на базе знаний и умений, полученных студентами в предшествующих курсах, дать будущему специалисту современные теоретические основы статического синтеза и анализа средств связи с подвижными объектами. При этом необходимо научить по заданным характеристикам устройств, оптимизировать значения их параметров, производить оценку эффективности принимаемых технических решений, дать необходимые сведения об основных типах систем подвижной радиосвязи, в том числе и о системах «Wi-Max».

Важной составляющей изучения данной дисциплины является развитие навыков самостоятельной работы студентов. При этом можно выделить следующие задачи: развитие способностей по применению знаний теории вероятностей и математической статистики при синтезе и анализе функциональных узлов систем связи; развитие способностей по разработке отдельных подсистем связи с выбором компонентов в соответствии с сформулированными требованиями; совершенствование и обновление знаний, необходимых для решения инженерных задач и др.

Учебный модуль 1. Технический обзор стандарта IEEE 802.16

канал многостанционный код

1.1 Комплексная цель модуля

Комплексная цель модуля состоит в изучении физического уровня стандарта IEEE 802.16; MAC-уровня, управляющего доступом к среде передачи; особенностей и дополнений к стандарту, обеспечивающих его мобильность. При этом наибольшее внимание уделяется изучению структуры различных кадров передачи данных, перечня основных функций MAC-уровня и процедур, обеспечивающих мобильность стандарта.

1.2 Физический уровень

Основными узлами сети по стандарту IEEE 802.16 являются базовая станция (Base Station) и пользовательская станция [Subscriber Station].

Предусмотрено две топологии взаимодействия между узлами сети: "точка-многоточка" РМР (Point-to Multipoint), при которой каждая пользовательская станция взаимодействует со своей базовой станцией, и ячеистая [Mesh], при которой пользовательские станции могут взаимодействовать между собой.

Первая топология подразумевает сотовую структуру организации зоны покрытия сети. При этом не исключен более простой способ организации связи -- "точка-точка".

Стандарт IEEE 802.16 описывает четыре физических уровня:

* Single Carrier (WirelessMAN-SC) -- символы модуляции передаются на несущей частоте -- ориентирован на работу в условиях прямого распространения сигнала, на частоте несущей в диапазоне 10 -- 66 ГГц;

* Single Camera (WirelessMAN-SCa) -- модификация WirelessMAN-SC--для работы в условиях непрямого распространения сигнала на частоте несущей до 11 ГГц;

* Orthogonal Frequency Division Multiplexing в (WirelessMAN-OFDM) -- символы модуляции передаются на множестве поднесущих с использованием технологии OFDM -- предназначен для работы в условиях не прямого распространения сигнала на частоте несущей до 11 ГГц;

* Orthogonal Frequency Division Multiple Access (WirelessMAN-OFDMA) -- множественный доступ с частотно-временным разделением с использованием технологии OFDM -- предназначен для работы в условиях непрямого распространения сигнала на частоте несущей до 11 ГГц.

Физический уровень WirelessMAN-SC предназначен для работы в условиях прямого распространения сигнала на частоте несущей в диапазоне 10 -- 66 ГГц.

Стандарт IEEE 802.16 жестко не регламентирует полосу частот для WirelessMAN-SC. Вместо этого приведено три наиболее типичных значения -- 20,25 и 28 МГц.

Физический уровень WirelessMAN-SC поддерживает два вида дуплекса: частотный FDD (Frequency Division Duplex), и временной TDD (Time Division Duplex]. В случае частотного дуплекса стандарт поддерживает как полнодуплексные пользовательские станции, которые могут принимать и передавать одновременно, так и полудуплексные пользовательские станции, которые одновременно могут либо передавать, либо принимать.

Передача данных в прямом канале (от базовой станции к пользовательской] и в обратном канале имеет кадровую структуру. Стандарт регламентирует три размера кадpa: 0,5, 1 и 2 мс.

Рассмотрим подробнее структуру кадра. Он содержит кадр прямого канала, и кадр обратного канала. В случае частотно дуплекса кадры прямого и обратного каналов передаются одновременно на разных частотах (рис.1.1). При использовании временного дуплекса в кадре сначала передают кадр прямого канала, а за ним - кадр обратного канала (рис. 1.2). При этом кадр имеет фиксированный размер, а доли кадра, занимаемые кадрами прямого и обратного каналов, могут адаптивно меняться от кадра к кадру.

Рис. 1.1. Кадры прямого и обратного каналов в случае частотного дуплекса

Рис. 1.2. Кадры прямого и обратного каналов в случае временного дуплекса

В случае частотного дуплекса кадр прямого канала имеет структуру, показанную на рис. 1.3.

Кадр прямого канала при использовании частотного дуплекса включает следующие основные элементы: преамбулу кадра прямого канала; DL-MAP (Downlink Map] -- расписание кадра прямого канала; UL-MAP [Uplink Map] -- расписание кадра обратного канала; TDM-часть; TDM-пакеты с пользовательскими данными; TDMA-часть; TDMA-пакеты с пользовательскими данными, перед каждым из которых передается преамбула.

Данные разных пользовательских станций в прямом канале разделяются по времени. При этом предусмотрено два подхода: TDM (Time Division Multiplexing] -- временное мультиплексирование; TDMA (Time Division Multiple Access] -- множественный доступ с временным разделением.

Последний подход предусмотрен для поддержки полудуплексных станций.

Рис. 1.3. Структура кадра прямого канала в случае частотного дуплекса

Сообщение DL-MAP задает расписание пакетов разных пользователей внутри кадра прямого канала, а сообщение UL-MAP -- внутри кадра обратного канала.

Преамбулы служат для измерений, частотно-временной синхронизации и оценки канала.

В случае временного дуплекса кадр прямого канала имеет структуру, показанную на рис. 1.4. Она проще, так как отсутствует TDMA-часть. Добавлен временной интервал TTG (Transmit/Receive Transition Gap) -- защитный интервал, предназначенный для перестройки от передачи к приему (на базовой станции) и от приема к передаче (на пользовательской станции).

Структура кадра обратного канала показана на рис. 1.5 Она практически одинакова для частотного и временного дуплекса. Отличие заключается в наличии временного интервала RTG (Receive/Transmit Transition Gap] -- защитного интервала, предназначенного для перестройки от приема к передаче (на базовой станции) и от передачи к приему (на пользовательской станции].

Рис. 1.4. Структура кадра прямого канала в случае временного дуплекса

Рис. 1.5. Структура кадра обратного канала

Кадр обратного канала включает следующие основные элементы: канал начального доступа; канал запроса частотно-временного ресурса; пакеты с пользовательскими данными. Последние состоят из SSTG [Subscriber Station Transition Gap) -- защитного временного интервала между пакетами разных пользовательских станций; преамбулы; пользовательских данных; временного интервала RTG (только в случае временного дуплекса).

Длительности канала начального доступа и канала запроса частотно-временного ресурса, а также расписание пакетов с пользовательскими данными задает сообщение UL-MAP текущего или одного из предыдущих кадров прямого канала.

Физический уровень WirelessMAN-SC стандарта IEEE 802.16 определяет четыре схемы кодирования: код Рида-Соломона (Reed-Solomon Code); код Рида-Соломона и блочный сверточный код (Block Convolutional Code); код Рида-Соломона и проверка четности (Parity Check); блочный турбокод (Block Turbo Code).

Предусмотрено три вида модуляции: QPSK; 16-QAM; 64-QAM.

Несколько схем кодирования и видов модуляции позволяют осуществлять адаптивное кодирование и модуляцию.

Канальные скорости передачи для размера кадра 1 мс и трех рекомендованных полос частот для физического уровня WirelessMAN-SC приведены в табл. 1.1.

Для работы стандарт предусматривает начальную и периодическую частотно-временную синхронизацию. Предполагается, что она осуществляется по сигналу базовой станции.

Также предусмотрена регулировка мощности пользовательской станции.

Для адаптивного кодирования и модуляции, а также для регулировки мощности стандарт IEEE 802.16 предусматривает периодические измерения уровня принимаемого сигнала, а также отношения сигнал/(шум + помехи).

Таблица 1.1. Канальные скорости передачи для WirelessMAN-SC

Физический уровень WirelessMAN-SCa предназначен для работы в условиях не прямого распространения сигнала на частоте несущей до 11 ГГц.

Предусмотрены следующие схемы кодирования: код Рида-Соломона + перемежитель + совместное кодирование и модуляция с переменной скоростью на основе сверточного кода (rate-compatible TCM from K=7 R=1/2 CC); кодирование отсутствует; блочный турбокод; сверточный турбокод.

Предусмотрены следующие виды модуляции: BPSK с расширением спектра; BPSK; QPSK; 16-QAM; 64-Q.AM 256-QAM.

В структуру кадра добавлены пилотные символы для оценки канала; есть возможность повторной передачи (ARQ); предусмотрена разнесенная передача на основе пространственно-временных кодов; существует поддержка адаптивных антенных систем.

Физический уровень WirelessMAN-OFDM предназначен для работы в условиях не прямого распространения сигнала на частоте несущей до 11 ГГц и основан на технологии OFDM.

OFDM-символ содержит 256 поднесущих, из которых используется 200 поднесущих. Из них на 8 поднесущих передают пилот-сигналы, а остальные используют для передачи данных.

Стандарт IEEE 802.16 жестко не регламентирует полосу частот для WirelessMAN-OFDM. Вместо этого приведены значения, одному из которых должна быть кратна полоса частот: 1,25; 1,5; 1,75; 2 и 2,75 МГц.

Физический уровень WirelessMAN-OFDM поддерживает два вида дуплекса: частотный и временной. В случае частотного дуплекса стандарт поддерживает как полнодуплексные пользовательские станции, так и полудуплексные пользовательские станции.

Стандарт регламентирует следующие размеры кадра для WirelessMAN-OFDM: 2,5; 4; 5; 8; 10; 12,5 и 20 мс.

Рис.1.6. Структура кадра прямого канала

Рассмотрим подробнее структуру кадров прямого и обратного каналов для режима РМР.

Кадр прямого канала имеет структуру, показанную на рис. 1.6.

Кадр прямого канала включает следующие основные элементы: преамбулу кадра прямого канала; FCH (Frame Control Header) -- заголовок кадра, указывающий на местоположение и вид кодирования и модуляцию сообщений DL-MAP и UL-MAP; DL burst #1 - первый пакет прямого канала. Последний содержит DL-MAP - расписание кадра прямого канала; UL-MAP -- расписание кадра обратного канала; DL burst #n -- основные пакеты прямого канала.

Вид кодирования и модуляции -- одинаковый внутри пакета прямого канала и может меняться от пакета к пакету Пакет может содержать данные, предназначенные как для одного, так и для разных пользователей.

Сообщение DL-MAP задает расписание пакетов разных пользователей внутри кадра прямого канала, а сообщение UL-MAP -- внутри кадра обратного канала.

Преамбула служит для измерений, частотно-временной синхронизации и оценки канала.

Кадр обратного канала имеет структуру, показанную на рис. 1.7.

Канал начального доступа	Канал запроса ресурса	Преамбула	UL burst #1	Преамбула	UL burst #2	Преамбула	UL burst #3

Рис. 1.7. Структура кадра прямого канала

Кадр обратного канала включает следующие основные элементы: канал начального доступа; канал запроса частотно-временного ресурса; пакеты с пользовательскими данными. Последние включают: преамбулу, пользовательские данные.

Как и в предыдущих физических уровнях, предусмотрены защитные интервалы для разделения кадров прямого и обратного каналов при использовании временного дуплекса и для разделения пакетов обратного канала разных пользовательских станций.

Длительности канала начального доступа и канала запроса частотно-временного ресурса, а также расписание пакетов с пользовательскими данными задает сообщение UL-MAP текущего или одного из предыдущих кадров прямого канала.

Физический уровень WirelessMAN-OFDM стандарта IЕЕЕ 802.16 определяет три схемы кодирования: код Рида-Соломона и блочный сверточный код; блочный турбокод; сверточный турбокод (Convolutional Turbo Code]. Предусмотрено четыре вида модуляции. BPSK. QPSK; 16-QAM; 64-QAM.

Несколько схем кодирования и видов модуляции позволяют осуществлять адаптивное кодирование и модуляцию.

Канальные скорости передачи для полос частот 6, 7 и 20 МГц для физического уровня WirelessMAN-OFDM, для циклического префикса и для разных видов кодирования и модуляции приведены в табл. 1.2.

Стандарт предусматривает начальную и периодическую частотно-временную синхронизацию. Предполагается, что она осуществляется по сигналу базовой станции. Также имеется регулировка мощности пользовательской станции.

Для адаптивного кодирования, модуляции и для регулировки мощности стандарт IEEE 802.16 предусматривает периодические измерения уровня принимаемого сигнала, а также отношения сигнал/(шум + помехи).

Существуют возможность повторной передачи (ARQ], а также разнесенная передача и поддержка адаптивных антенных систем.

Физический уровень WirelessMAN-OFDMA предназначен для работы в условиях не прямого распространения сигнала на частоте несущей до 11 ГГц.

В качестве множественного доступа в прямом и обратном каналах данный физический уровень использует OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access] -- множественный доступ с частотно-временным разделением с использованием технологии OFDM

OFDM-символ содержит 2048 поднесущих, из которых для передачи используется только часть. Из них на части поднесущих передают пилот-сигналы, а остальные используют для передачи данных.

Стандарт IEEE 802.16 жестко не регламентирует полосу частот для WirelessMAN-OFDMA. Вместо этого приведены значения, одному из которых должна быть кратна полоса частот: 1,25; 1,5; 1,75; 2 и 2,75 МГц.

Физический уровень WirelessMAN-OFDMA поддерживает два вида дуплекса: частотный и временной В случае частотного дуплекса стандарт поддерживает как полнодуплексные пользовательские станции, так и полудуплексные.

Стандарт регламентирует следующие размеры кадра для WirelessMAN-OFDMA: 2,5; 4; 5; 8; 10; 12,5 и 20 мс.

Рассмотрим подробнее структуру кадров прямого и обратного каналов.

Таблица 1.2. Канальные скорости передачи для WirelessMAN-OFDM

Полоса частот, МГц	BPSK 1/2	QPSK1/2	QPSK 3/4	16-QAM 1/2	16-QAM 3/4	64-QAM 2/3	64-QAM 3/4
6	2,43	4,86	7,28	9,71	14,57	19,43	21,85
7	2,82	5,65	8,47	11,29	16,94	22,59	25,41
20	8,13	16,26	24,40	32,53	48,79	65,05	73,19

Зоны в основном отличаются количеством пилот-сигналов и схемами перемежения поднесущих В прямом канале возможны следующие зоны:

* PUSC (Partial Usage of Subcarriers) -- зона, использующая частотное разнесение при передаче и предусматривающая три частотных сегмента, при этом базовая станция может использовать 1 /3,2/3 или всю полосу частот;

* FUSC (Full Usage of Subcarriers) -- зона, использующая частотное разнесение при передаче и предусматривающая только один частотный сегмент;

* Optional FUSC -- отличается от зоны FUSC только количеством пилот-сигналов;

* АМС [Adaptive Modulation and Coding) -- зона, не использующая частотного разнесения (предполагается использование многопользовательского разнесения)

В обратном канале возможны следующие зоны:

* PUSC -- зона, использующая частотное разнесение при передаче и предусматривающая три частотных сегмента, при этом базовая станция может использовать 1 /3, 2/3 или всю полосу частот (для обратного канала),

* Optional PUSC -- отличается от зоны PUSC только количеством пилот сигналов;

* АМС -- зона, не использующая частотного разнесения (предполагается использование многопользовательского разнесения).

Все зоны имеют приблизительно одинаковые логические структуры. Для примера рассмотрим зону PUSC прямого канала и зону PUSC обратного канала При этом будем предполагать, что базовая станция использует всю полосу частот. На рис 1.9 показана структура этих зон.

Зона PUSC прямого канала включает следующие основные элементы.

* преамбулу [так как это первая зона в кадре прямого канала);

* FCH -- заголовок кадра, указывающий на местоположение и вид кодирования и модуляции сообщения DL-MAP;

* DL-MAP -- расписание кадра прямого канала;

* UL-MAP -- расписание кадра обратного канала;

* DL burst #n -- пакеты прямого канала.

Зона PUSC обратного канала содержит пакеты обратного канала.

DL-MAP задает расписание зон внутри кадра прямого канала, а также расписание пакетов данных внутри каждой зоны прямого канала UL-MAP задает расписание зон внутри кадра обратного канала, а также расписание пакетов данных внутри каждой зоны обратного канала.

Зоны PUSC и Optional PUSC обратного канала могут содержать каналы начального доступа и запроса частотно-временного ресурса.

Преамбула	Fch	UL-MAP	DL burst #1
			DL burst #2
		DL burst #3	DL burst #4
			DL buist#5

Рис. 1.9. Структура зоны PUSC прямого и обратного каналов

Физический уровень WirelessMAN-OFDMA стандарта IEEE 802.16 определяет три схемы кодирования, блочный сверточный код; блочный турбокод; сверточный турбокод.

Предусмотрено три вида модуляции- QPSK, 16-QAM, 64-QAM

Несколько схем кодирования и видов модуляции позволяют осуществлять адаптивное кодирование и модуляцию.

Канальные скорости передачи для полос частот 6 и 7 МГц -- для физического уровня WirelessMAN-OFDMA, для циклического префикса и для разных видов кодирования и модуляции приведены в табл. 1.3.

Стандарт предусматривает начальную и периодическую частотно-временную синхронизацию. Предполагается, что она осуществляется по сигналу базовой станции .Имеется регулировка мощности пользовательской станции.

Таблица 1.3. Канальные скорости передачи для WirelessMAN 0FDMA

Полоса частот, МГц QPSK1/2	QPSK 3/4	16 QAM 1/2	16-QAM 3/4	64-QAM 2/3	64-QAM 3/4
6 4,99 7 5,82	7,48 8,73	9,97 11,64	14,96 17,45	19,95 23,27	22,44 26,18

Для адаптивного кодирования и модуляции, а также для регулировки мощности стандарт IEEE 802.16 предусматривает периодические измерения уровня принимаемого сигнала, а также отношения сигнал/(шум + помехи).

Предусмотрена возможность повторной передачи (ARQ) гибридной повторной передачи (H-ARQ), а также разнесенная передача и поддержка адаптивных антенных систем.

1.3 МАС-уровень

Уровень MAC осуществляет управление доступом к среде передачи различных пользовательских станций, а также управление параметрами передачи.

Основные функции уровня MAC базовой станции и пользовательской станции показаны на рис. 1.10, 1.11 и 1.12.

В стандарте IEEE 802.16 реализован уровень MAC с централизованным управлением. Управление передачей данных в прямом и обратном канале осуществляется на базовой станции. Уровни MAC пользовательских станций при передаче данных в обратном канале выполняют решения, принятые на базовой станции.

На базовую станцию и на пользовательские станции поступают пакеты данных SDU (Service Data Unit] с верхних уровней. При этом пакеты данных идут от разных источников или приложений. Поток данных от одного источника (приложения) называют сервисным потоком (Service Fow). Он характеризуется своим набором требований по качеству обслуживания QoS (Quality of Service). На уровне MAC каждый сервисный поток обрабатывается отдельно.

Уровень MAC базовой станции

Рис. 1.10. Основные функции уровня MAC базовой станции при управлении передачей в прямом канале

Уровень MAC базовой станции

Обратный канал

Рис. 1.11. Основные функции уровня MAC базовой станции при управлении передачей в обратном канале

Уровень MAC пользовательской станции m

Рис. 1.12. Основные функции уровня MAC пользовательской станции при управлении передачей

Уровень MAC базовой станции при управлении передачей в прямом канале выполняет следующие основные функции:

* хранение пакетов данных SDU, поступивших с верхних уровней, в очередях (отдельная очередь для каждого сервисного потока);

* принятие решения о том, сколько данных и из каких очередей будет передано в текущем кадре;

* преобразование пакетов данных SDU в пакеты данных PDU (Protocol Data Unit);

* отдельное назначение каждому набору пакетов данных PDU одного сервисного потока вида кодирования и модуляции, а также излучаемой мощности (при этом используется информация о требованиях QoS этого сервисного потока, количестве и структуре сформированных пакетов данных PDU, а также результатах измерений состояния канала передачи);

* логическое размещение сформированных наборов пакетов данных PDU сервисных потоков в кадре пряного канала.

Формирование сообщения DL-MAP, содержащего для текущего кадра прямого канала следующую информацию: количество наборов пакетов данных РОЦ, используемые при их передаче виды кодирования и модуляции; их положение в кадре прямого канала; передача сформированных наборов пакетов данных PDU на физический уровень.

Уровень MAC базовой станции при управлении передачей в обратном канале выполняет следующие основные функции:

* принятие решения о том, сколько данных и из каких очередей будет передано в текущем кадре (при этом используется информация о размере очередей на пользовательских станциях);

* назначение отдельно каждому сервисному потоку вида кодирования и модуляции, а также излучаемой мощности (при этом используется информация о требованиях QoS этого сервисного потока, размере его очереди на пользовательской станции, а также результатах измерений состояния канала передачи);

* выделение места для передачи сервисных потоков в кадре обратного канала.

Формирование сообщений UL-MAP, содержащего для текущего кадра обратного канала следующую информацию: количество выделенных мест; назначенные виды кодирования и модуляции; положение выделенных мест в кадре обратного канала.

Уровень MAC пользовательской станции при управлении передачей в обратном канале выполняет следующие основные функции:

* хранение пакетов данных SDU, поступивших с верхних уровней, в очередях (отдельная очередь для каждого сервисного потока);

* прием информации, содержащейся в сообщении UL-MAP;

* принятие решения о том, сколько данных будет взято из очередей, под которые выделено место для передачи в текущем кадре обратного канала;

* преобразование пакетов данных SDLJ в пакеты данных PDLJ;

* передача сформированных наборов пакетов данных PDU, а также информации из сообщения UL-MAP на физический уровень.

Рассмотрим подробнее механизмы уровня MAC стандарта IEEE 802.16, позволяющие осуществлять описанные функции.

Приходящие с верхних уровней пакеты данных SDLJ имеют в общем случае произвольный размер. Для увеличения эффективности их передачи на физическом уровне, на уровне MAC, они предварительно преобразуются в пакеты данных PDU.

Для этого в стандарте IEEE 802.16 предусмотрены следующие операции:

* фрагментация (Fragmentation) -- разбиение пакета данных SDU на несколько фрагментов, каждый из которых включается в свой пакет данных PDU;

* упаковка (Packing) -- объединение нескольких пакетов данных SDU или их фрагментов для включения в один пакет данных PDU;

* объединение (Concatenation) -- объединение нескольких сформированных пакетов данных PDU в один набор.

Сформированный пакет данных PDU включает в себя заголовок (MAC Header) и может включать в себя тело (Payload) и контрольную сумму (CRC). Если при формировании пакета данных PDLJ используются операции фрагментации или упаковки, то тело содержит также подзаголовки фрагментации (Fragmentation Subheader) и подзаголовки упаковки (Packing Subheader).

Стандарт IEEE 802.16 предусматривает использование повторной передачи ARQ ошибочно принятых пакетов данных SDU.

Для этого каждому сервисному потоку, использующему повторную передачу ARQ, назначается размер блока ARQ. Все пакеты данных сервисного потока логически делятся на блоки ARQ заданного размера. Фрагментация осуществляется по границе блоков

ARQ. Переданные блоки ARQ удаляются из очереди на передачу, только если пришло подтверждение на их успешный прием. Очевидно, что при использовании повторной передачи ARQ пакет данных PDU должен включать сумму для контроля правильности приема содержащихся в нем блоков ARQ.

Кроме механизма повторной передачи ARQ, некоторые схемы кодирования части физических уровней стандарта IEEE 802.16 позволяют использовать механизм гибридной повторной передачи H-ARQ, который отличается более высокой сложностью реализации и более высокой эффективностью.

Как отмечалось ранее, управление передачей в стандарте IEEE 802.16 осуществляется на уровне MAC базовой станции. Для управления передачей в обратном канале в стандарте предусмотрены следующие средства запроса и выделения частотно-временного ресурса:

* запросы (Request);

* выделение ресурса для передачи данных (Grant);

* выделение ресурса для передачи запроса (Poll);

* канал запроса ресурса (Bandwidth Request Subchannel).

Эти средства используются в соответствии с одной из предусмотренных в стандарте процедур (Scheduling Service). В стандарте IEEE 802.16 предусмотрено четыре процедуры:

* выделение ресурса без предварительного запроса UGS (Unsolicited Grant Service);

* выделение ресурса под запрос с высокой частотой rtPS (Real Time Polling Service);

* выделение ресурса под запрос со средней частотой nrtPS (non real time Polling Service);

* запросы со случайным доступом BE (Best Effort).

Каждому сервисному потоку в обратном канале назначается одна из четырех процедур исходя из требований и других параметров этого сервисного потока.

Процедура UGS предназначена для передачи сервисного потока с постоянной скоростью поступления пользовательских данных и с постоянным размером пакета данных SDU. Она заключается в том, что сервисному потоку на периодической основе выделяется ресурс в кадре обратного канала под передачу данных.

Процедуры rtPS и nrtPS очень схожи между собой. В соответствии с ними сервисному потоку на периодической основе выделяют в кадре обратного канала ресурс под передачу запроса, который содержит информацию о размере очереди этого сервисного потока на пользовательской станции. После приема этого запроса уровень MАС базовой станции выделяет ресурс в кадре обратного канала под передачу данных из очереди этого сервисного потока.

Отличия процедур rtPS и nrtPS перечислены ниже.

Как следует из названия, предполагается, что при использовании процедуры rtPS ресурс под запрос выделяется чаще, чем при использовании процедуры nrtPS.

Сервисным потокам, использующим процедуру nrtPS, дополнительно разрешается передавать сообщения в канале запроса ресурса.

Процедура BE предназначена для передачи сервисных потоков, практически не чувствительных к задержке. При этом минимальная скорость передачи также не гарантируется. В соответствии с процедурой BE уровень MAC пользовательской станции передает сообщение в канале запроса ресурса. Этот канал использует случайный доступ. В случае успешного приема сообщения на базовой станции она выделяет ресурс для передачи запроса в кадре обратного канала. Запрос содержит информацию о размере очереди сервисного потока. После приема запроса уровень MAC базовой станции выделяет ресурс для передачи данных этого сервисного потока

Для входа в сеть пользовательской станции предусмотрен канал начального доступа. Он идентичен каналу запроса ресурса за исключением того, что использует другой набор сообщений. Во время процедуры входа в сеть пользовательская станция осуществляет начальную частотно-временную синхронизацию и регулировку мощности [Initial Ranging). Также пользовательская и базовая станции обмениваются информацией о сервисных потоках, которые надо будет поддерживать в прямом и обратном каналах.

При входе в сеть происходит аутентификация пользовательской станции. Стандарт IEEE 802.16 поддерживает шифрование передаваемых данных для обеспечения безопасности.

В процессе работы пользовательская станция осуществляет периодическую частотно-временную синхронизацию (Periodic Ranging].

1.4 Особенности стандарта IEEE 802.16е и ключевые технологии

Стандарт IEEE 802.16е является дополнением к стандарту IEEE 802.16 для обеспечения мобильности. Рассмотрим основные дополнительные механизмы стандарта IEEE 802.16е.

Стандарт IEEE 802.16е поддерживает работу мобильных пользователей со следующими физическими уровнями стандарта IEEE 802.16: WirelessMAN-SCa: WirelessMANOFDM;WirelessMAN-OFDMA.

Основные дополнения коснулись физического уровня WirelessMAN-OFDMA. Из них можно выделить два ключевых дополнения. Во-первых, кроме OFDM-символа с 2048 поднесущими, в стандарте IEEE 802.16е предусмотрены OFDM-символы с 1024, 512 и 128 поднесущими. Во-вторых, предусмотрен новый вид кодирования -- код с низкой избыточностью и проверкой четности LDPC (Low Density Parity Check).

Уровень MAC стандарта IEEE 802.16е содержит ряд существенных дополнений для поддержки мобильных пользовательских станций.

Для экономии расхода батарей мобильных пользовательских станций предусмотрен спящий режим (Sleep Mode). В этом режиме мобильная пользовательская станция осуществляет прием и передачу только в заранее согласованные интервалы времени, а в остальное время отключается.

В стандарте IEEE 802.16е предусмотрены различные виды Handover (передача обслуживания мобильной пользовательской станции между базовыми станциями) для поддержания непрерывности соединений при движении мобильной пользовательской станции. Предусмотрены следующие виды Handover: жесткий (Hard); быстрая смена обслуживающей базовой станции (FBSS -- Fast Base Station Switching); мягкий (Soft).

В стандарте IEEE 802.16е предусмотрен режим ожидания (Idle Mode). В случае если у мобильной пользовательской станции нет активных соединений, то она может перейти в режим ожидания. Это существенно уменьшает нагрузку на сеть как в прямом, так и в обратном каналах, а также экономит ресурс батареи мобильной

пользовательской станции. В этом режиме предусмотрен поиск мобильной пользовательской станции (Paging].

В стандарты IEEE 802.16 и 802.16е заложены технологии, которые являются обязательными для современных беспроводных сетей передачи данных. Нет сомнений, что все эти технологии будут использованы в сетях сотовой связи четвертого поколения и включают в себя: обеспечение требований QoS; адаптивное кодирование и модуляцию; поддержку адаптивных антенных систем; поддержку мобильных пользователей.

При передаче данных и мультимедийной информации потоки пользовательских данных характеризуются различными требованиями по качеству сервиса (требования QoS). В отличие от сотовых сетей второго поколения, ориентированных на передачу голоса, обеспечение требований QoS является обязательным свойством беспроводных сетей передачи данных.

Для обеспечения требований QoS в стандарте предусмотрено понятие сервисного потока (Service How]. Сервисный поток -- поток пользовательских данных от одного источника или приложения, характеризующийся набором требований QoS, и других параметров. Стандарт IEEE 802.16 позволяет на каждой пользовательской станции обеспечивать поддержку нескольких разных сервисных потоков в прямом и обратном каналах.

Кроме этого, стандарт предусматривает ряд механизмов: запросы (Request], выделение ресурса для передачи данных (Grant] и для передачи запроса (Poll] -- и ряд процедур их использования -- UGS, rtPS, nrtPS, BE -- для обеспечения самых разнообразных наборов требований QoS.

Стандарт поддерживает механизм адаптивного кодирования и модуляции, а также механизм регулировки мощности. Это позволяет адаптивно подстраивать параметры передачи под изменяющиеся условия приема для самых различных наборов требований QoS.

Адаптивное кодирование и модуляция является самой эффективной технологией повышения пропускной способности при передаче данных. Механизм регулировки мощности в прямом и обратном каналах позволяет в ряде случаев дополнительно увеличить эффективность передачи.

В беспроводных сотовых сетях передачи данных основным фактором, ограничивающим пропускную способность, является наличие внутрисистемных помех. Использование адаптивных антенных систем, разнесенной передачи и приема является одним из способов борьбы с внутрисистемными помехами.

Стандарт IEEE 802.16 обеспечивает поддержку широкого класса методов пространственно-временной обработки при передаче и приеме.

Стандарт IEEE 802.16е обеспечивает поддержку мобильности. При этом он предусматривает все ключевые механизмы, такие как: механизм поиска мобильной

пользовательской станции (Paging); жесткий Handover; быстрая смена обслуживающей базовой станции (быстрый жесткий Handover]; мягкий Handover; режим энергосбережения (Sleep Mode].

Семейство стандартов IEEE 802.16, несомненно, является ключевым кандидатом на роль базиса для создания беспроводных сетей передачи данных четвертого поколения.

Технологии и решения, заложенные в текущую версию стандарта, позволяют обеспечить эффективную мобильную беспроводную передачу данных, мультимедийной информации, голоса, видео, Интернета.

Благодаря своей гибкости, решения на основе стандарта IEEE 802.16 могут использоваться в системах интерактивного цифрового телевидения для объединения зон обслуживания локальных беспроводных сетей передачи данных IEEE 802.11х в качестве мобильной системы связи четвертого поколения, а также для других целей.

1.5 Контрольные вопросы

1. Перечислите варианты построения физического уровня?

2. Какие существуют топологии организации зоны покрытия сети?

3. В чем отличие структуры кадров для частного и временного дуплекса?

4. В чем заключается основное назначение преамбулы кадра?

5. Какие виды модуляции могут быть использованы?

6. Какие виды помехоустойчивого кодирования могут быть использованы?

7. Какие имеются отличия в структуре кадров прямого и обратного канала?

8. Перечислите основные функции MAC-уровня?

9. Какие существуют преобразования пакетов данных?

10. В чем заключаются особенности стандарта IEEE 802.16 e?

Проектное задание

Составьте структуру обработки данных для стандарта IEEE 802.16 e, аналогично как это было рассмотрено для стандарта IEEE 802.16. Выделите блоки обработки, обеспечивающие мобильность стандарта. Сформулируйте возможные пути дальнейшего его развития.

Учебный модуль 2. Ортогональный многостанционный доступ с частотным разделением каналов

2.1 Комплексная цель модуля

Целью модуля является изучение ортогонального многостанционного доступа с частотным разделением каналов. При этом основное внимание уделяется ознакомлению с общей схемой модуляции с несколькими несущими, формированию OFDMA-подканалов с различными распределениями под несущих, структуры TDD кадра, методам защиты от межсимвольной интерференции.

2.2 Основы доступа с частотным разделением каналов

Ортогональный многостанционный доступ с частотным разделением каналов базируется на системе мультиплексирования OFDM.

Ортогональное частотное разделение каналов (OFDM -- Orthogonal Frequency Division Multiplexing) -- методика мультиплексирования, которая разделяет полосу канала на множество поднесущих частот, как показано на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Модуляция с несколькими несущими

В системе OFDM входной поток данных разделен на несколько параллельных подпотоков с уменьшенной скоростью передачи данных (с увеличением продолжительности каждого передаваемого на этой частоте знака). Каждый подпоток модулируется и передается на отдельной ортогональной поднесущей частоте. Протокольная единица, передаваемая с помощью одной несущей, называется символом. Увеличенная продолжительность символа улучшает устойчивость OFDM, уменьшая максимальный разброс между длительностью символов, передаваемых с помощью разных несущих.

Основные устройства, обеспечивающие модуляцию с несколькими несущими по принципу OFDM, показаны на рис. 2.1. Каждый подканал работает на своей несущей частоте. Если обозначить частоту первой несущей щ, то, вторая несущая будет иметь частоту 2щ, и т.д. для n-го канала эта частота будет равна nщ.

Если для каждого из n подпотоков применить квадратурную модуляцию, то получим п квадратурных (ортогональных) функций типа . Если функции всех подканалов просуммировать, то получим функцию, сходную с функцией, называемой рядом Фурье:

Функция, полученная в результате модуляции, отличается от ряда Фурье тем, что она конечна. Для увеличения точности обработки и исключения взаимного влияния каналов реальная функция дополняется «префиксом», содержащим несколько значений ряда Фурье (псевдоканалов). Он устанавливается перед последовательностью квадратурных сигналов. Это увеличивает точность получения функции x(t) и позволяет более четко отделять подканалы друг от друга.

Сумма функций, полученных в результате модуляции, «свертывается» с помощью обратного преобразования Фурье в одну функцию x(t), которая преобразуется в цифровую форму и передается в линию.

На приемном конце происходит преобразование из цифровой формы в аналоговую, выполняется прямое преобразование Фурье, квадратурные функции каждого канала демодулируются и собираются в одну последовательность. Для устранения межсимвольной интерференции вводится циклический префикс (СР). Он добавляется в начало каждого OFDM-символа (рис. 2.2) и представляет собой циклическое повторение окончания символа. Наличие циклического префикса создает временные паузы между отдельными символами, и, если длительность «охранного» интервала превышает максимальное время задержки сигнала в результате многолучевого распространения, межсимвольной интерференции не возникает.

Рис. 2.2. Защита от межсимвольной интерференции с помощью циклического префикса

Циклический префикс является избыточной информацией и в этом смысле снижает полезную (информационную) скорость передачи, но именно он служит защитой от возникновения межсимвольной интерференции. Указанная избыточная информация добавляется к передаваемому символу в передатчике и отбрасывается при приеме символа в приемнике.

2.3 Структура и формирование OFDMA-подканалов

Структура подканала OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) содержит три типа поднесущих частот, как показано на рис. 2.3.

- поднесущие информационные частоты для передачи данных;

- поднесущие частоты для передачи пилот-сигналов (для измерений и целей синхронизации);

- нулевые поднесущие частоты, используемые для защитных интервалов частот.

Активные поднесущие частоты (информационные и пилот-сигнала) сгруппированы в поднаборы поднесущих частот, называемые подканалами. Поднесущие частоты, формирующие один подканал, могут, но не должны, быть смежными. Основная нагрузка и сигналы управления передаются в подканалах.

Рис. 2.3. Распределение поднесущих частот

Пилот-сигналы распределяются в зависимости от способа распределения поднесущих и направления потока.

При формировании подканалов в направлении «вниз» применяются следующие способы:

- каналообразование с полным использованием поднесущих частот (FUSC -- Fully Used Subcanalization);

- каналообразование с частичным использованием поднесущих частот (PUSC -- Partly Used Subcanalization);

- смежные перестановки поднесущих адаптивной модуляции и кодирования (АМС -- Adoptive Modulation and Coding).

Частичное использование поднесущих частот означает, что из всего набора несущих частот выбирается только часть. Устройства (например подвижные станции) работают, занимая только часть полосы. В этом случае вся излучаемая мощность концентрируется только в используемой полосе, что приводит к увеличению излучаемой мощности на каждую поднесущую. Для передачи информации в направлении «вверх» в городских условиях это дает дополнительный запас на замирания.

Подканалы в направлении «вниз» могут работать с различным приемниками, подканалы в направлении «вверх» могут работать с различными передатчиками.

Существуют два типа подканалов, формируемых из поднесущих частот:

- смежные;

- с разнесением.

В первом случае для подканала выбираются поднесущие, которые находятся в диапазоне частот рядом. При формировании подканала с разнесением выбираются номиналы поднесущих частот для каждого канала в соответствии с псевдослучайной последовательностью. Это обеспечивает разнесение по частоте и усредняет межсотовую интерференцию. Режим передачи информации согласно стандарту IЕЕЕ 802.16е-2005 основан на концепции наращиваемого (масштабируемого) OFDMA -- S-OFDMA (Scalable OFDMA). Он поддерживает широкий диапазон пропускной способности и гибко приспосабливается к потребностям в различных диапазонах спектра.

Наращивание пропускной способности (числа передаваемых единиц информации) поддерживается регулировкой числа шагов быстрого преобразования Фурье (БПФ -- FFT -- Fast Fourier Transform). Параметры S-OFDMA приведены в табл. 2.1. Техническая рабочая группа WiMAX Forum первоначально запланировала разработку документов (профилей) для значений ширины каналов 5 и 10 МГц.

Таблица 2.1. Параметры S-OFDMA

Параметр	Значение
Ширина канала, МГц	1.25	5	10	20
Частота опроса fp, МГц	1.4	5.6	11.2	22.4
Размер преобразования Фурье NFFT	128	512	1024	2048
Число подканалов	2	8	16	32
Интервал между поднесущими, кГц	10.94
Длительность полезного символа Тb = 1/f , мкс	91.4
Защитный интервал Тg = Тb/8, мкс	11.4
Длительность OFDMA-символа ТS =Тb + Тg , мкс	102.9
Число символов (кадр 5 мс)	48

2.4 Формирование подканала с полным использованием поднесущих частот в направлении «вниз»

Минимальной частотно-временной единицей формирования канала является один слот, который содержит 48 поднесущих. Это единица поддерживается физическим уровнем в обоих направлениях.

В табл. 2.2 приводится пример распределения поднесущих частот при их полном использовании для формирования подканала в направлении «вниз».

Для каждой полосы частот каналов выбирается количество частот, используемых в преобразовании Фурье.

Число защитных поднесущих определяется величиной максимальной задержки сигнала. Для табл. 2.2 это время соответствует около 17% от числа, указанного в строке «размер преобразования Фурье». Эти поднесущие распределяются на два примерно равных поднабора -- один в начале, другой в конце. Например, для размера преобразования Фурье 2048 в табл. 2.2 выбрано число защитных поднесущих 345. Число используемых поднесущих частот получается вычитанием числа защитных поднесущих из их общего числа. В данном примере остается 1703 поднесущих.

Таблица 2.2. Распределение поднесущих с полным использованием в направлении «вниз» (DL FUCS)

Параметр	Значение
Ширина полосы частот, МГц	1.25	5	10	20
Размер преобразования Фурье	128	512	1024	2048
Число защитных поднесущих частот	22	86	173	345
Число используемых поднесущих частот	106	426	851	1703
Число поднесущих частот данных	96	384	768	1536
Число поднесущих частот пилот-сигнала	9	42	83	166
Число подканалов	2	8	16	32

Для подканалов с полным использованием поднесущих частот и направлением «вниз» сначала распределяются пилот-сигналы, а затем оставшиеся сигналы распределяются на подканалы данных. Число пилот-сигналов указывается в стандарте. В данном примере это число равно166.

Число поднесущих частот данных определяется кратным 48.

Число подканалов определяется числом поднесущих частот данных и длиной слота (48 поднесущих). В данном примере оно равно 32 (1536/48 = 32).

2.5 Распределение поднесущих с частичным использованием в направлении «вниз»

При использовании способа DL PUSC для каждой пары символов OFDM, доступных или используемых, поднесущие частоты сгруппированы в кластеры, содержащие 14 непрерывных поднесущих частот на один период символа. Пилот-сигналы и данные распределены в каждом кластере с учетом четных и нечетных символов как показано на рис. 2.4.

Результат распределения поднесущих частот приведен в табл. 2.3. В ней выделены поднесущие защитного интервала. Зная число несущих в каждом кластере, можно определить максимальное число кластеров (минимальное число показано через черту). По величине поднесущих кластера определяется число поднесущих для передачи данных и пилот-сигналов.

Таблица 2.3. Распределение поднесущих с частичным использованием и направлении «вниз» (DL PUSC)

Параметр	Значение
Ширина полосы частот, МГц	1.25	5	10	20
Размер преобразования Фурье	128	512	1024	2048
Число защитных поднесущих частот	43	91	183	367
Число используемых поднесущих частот	85	421	841	1681
Число кластеров/ подканалов	6/3	30/15	60/30	120/60
Число информационных поднесущих частот	72	360	720	1440
Число поднесущих частот пилот-сигнала	12	60	120	240

2.6 Распределение поднесущих в направлении «вверх»

В данном случае для организации подканалов используется элемент, называемый «фрагмент» (tile). Фрагмент компонуется из 4-х поднесущих. Для передачи 3-х символов OFDM используются приведенные на рис. 2.5 компоновки. Каждый символ отображается фрагментом, состоящим из четырёх несущих.

Каждый подканал содержит 6 фрагментов по 4 поднесущих в каждом, используемых в соответствии с рис. 2.5. Таким образом, для одного подканала используется 24 поднесущих. Для 3-х символов используется 24x3 = 72 поднесущих. Из этих поднесущих образуется слот, содержащий 48 поднесущих для передачи данных и 24 поднесущих пилот-сигнала.

Результат распределения поднесущих частот приведен в табл. 2.4.

При распределении поднесущих в направлении «вверх» возможно использование фрагментов, показанных на рис. 2,5, б, которые содержат 3 поднесущих на фрагмент, что немного увеличивает число подканалов.

Таблица 2.4. Распределение поднесущих в направлении «вверх» (UL)

Параметр	Значение
Ширина полосы частот, МГц	1.25	5	10	20
Размер преобразования Фурье	128	512	1024	2048
Число защитных поднесущих частот	31	103	183	367
Число используемых поднесущих частот	97	409	841	1681
Число фрагментов	24	102	210	420
Число подканалов	4	17	35	70

2.7 Распределение поднесущих с помощью смежных перестановок

Смежная перестановка группирует блок смежных поднесущих частот, чтобы сформировать подканал. Блоки представляют собой наборы кодовых комбинаций системы адаптивной модуляции и кодирования (АМС -- Adaptive Modulation and Coding -- адаптивная модуляция и кодирование) для направлений «вниз» (DL) и «вверх» (UL), которые имеют одну и ту же структуру, и содержат контейнеры, включающие в себя передаваемые символы. Контейнер состоит из 9 смежных поднесущих частот в символе. Из этих символов восемь предназначены для передачи данных и один для передачи пилота-сигнала.

Слот в АМС определен как совокупность контейнеров типа (NM=6), где N -- число смежных контейнеров и М -- число смежных символов. Таким образом, возможны следующие комбинации: 6 контейнеров, 1 символ; 3 контейнера, 2 символа; 2 контейнера, 3 символа; 1 контейнер, 6 символов.

Вообще, частичное или полное распределения поднесущей частоты дают хорошие результаты в мобильных приложениях, в то время как смежные перестановки поднесущей частоты хорошо удовлетворяют приложениям с фиксированным местоположением или с низкой подвижностью.

...