Wi-MAX технологиясы

4. Сервис с обязательством  приложения максимальных усилий  по предоставлению услуг.

Все предоставляемые  стандартом 802.16 сервисы ориентированы  на соединение, и каждое соединение получает доступ к одному из приведенных  ранее классов сервиса.

Сервис с постоянной битовой скоростью предназначен для передачи несжатой речи, такой, какая передается по каналу Т1. Здесь требуется передавать предопределенный объем данных в предопределенные временные интервалы. Это реализуется путем назначения каждому соединению такого типа своих интервалов. После того как канал оказывается распределенным, доступ к временным интервалам осуществляется автоматически, и нет необходимости запрашивать каждый из них по отдельности.

Сервис реального  масштаба времени с переменной битовой  скоростью применяется при передаче сжатых мультимедийных данных и других программных приложений реального времени. Необходимая в каждый момент времени пропускная способность может меняться. Та или иная полоса выделяется базовой станцией, которая опрашивает через определенные промежутки времени абонента с целью выявления необходимой на текущий момент ширины канала.

Сервис, работающий не в реальном масштабе времени, с  переменной битовой скоростью предназначен для интенсивного трафика — например, для передачи файлов большого объема. Здесь базовая станция тоже опрашивает абонентов довольно часто, но не в  строго установленные моменты времени. Абонент, работающий с постоянной битовой  скоростью, может установить в единицу  один из специальных битов своего кадра, тем самым предлагая базовой  станции опросить его (это означает, что у абонента появились данные, которые нужно передать с новой  битовой скоростью)..

Сервис с обязательством приложения максимальных усилий используется для всех остальных типов передачи. Никаких опросов здесь нет, а  станции, желающие захватить канал, должны соперничать с другими  станциями, которым требуется тот  же класс сервиса. Запрос пропускной способности осуществляется во временных  интервалах, помеченных в карте распределения  исходящего потока как доступные  для конкуренции. Если запрос прошел удачно, это будет отмечено в следующей  карте распределения входящего  потока. В противном случае абоненты-неудачники должны продолжать борьбу. Для минимизации  числа коллизий используется взятый из Еsегпеt; алгоритм двоичного экспоненциального отката.

Стандартом определены две формы распределения пропускной способности: для станции и для  соединения. В первом случае абонентская  станция собирает вместе все требования своих абонентов (например, компьютеров, принадлежащих жильцам здания) и  осуществляет коллективный запрос. Получив  полосу, она распределяет ее между  пользователями по своему усмотрению. В последнем случае базовая станция  работает с каждым соединением отдельно.

2.4 Стандарт 802.16: структура  кадра

Все кадры подуровня  управления доступом к среде (МАС) начинаются с одного и того же заголовка. За ним следует (или не следует) поле данных, и кончается кадр также  необязательным полем контрольной  суммы. Это показано на рис. 4.31. Поле данных отсутствует в служебных  кадрах, которые предназначены, например, для запроса временных интервалов. Контрольная сумма тоже является необязательной благодаря тому, что исправление ошибок производится на физическом уровне и никогда не бывает попыток повторно переслать кадры информации, передающейся в реальном масштабе времени.

Рассмотрим поля заголовка (рисунок 7, а). Бит ЕС говорит  о том, шифруется ли поле данных. Поле Тип указывает тип кадра (в частности, сообщает о том, пакуется ли кадр и есть ли фрагментация). Поле С1 указывает на наличие либо отсутствие поля финальной контрольной суммы. Поле ЕК сообщает, какой из ключей шифрования используется (если он вообще используется). В поле Длина содержится информация о полной длине кадра, включая заголовок. Идентификатор соединения сообщает, какому из соединений принадлежит кадр. В конце заголовка имеется поле Контрольная сумма заголовка, значение которого вычисляется с помощью полинома х⁸ + х² + х + 1.

Рисунок 7 - Обычный  кадр (а); кадр запроса канала (б).

На рисунке 7, б  показан другой тип кадра. Это  кадр запроса канала. Он начинается с единичного, а не нулевого бита и в целом напоминает заголовок  обычного Кадра, за исключением второго  и третьего байтов, которые составляют 16-битный номер, говорящий о требуемой  полосе для передачи соответствующего числа байтов. В кадре запроса  канала отсутствует поле данных, нет  и контрольной суммы всего  кадра.

Сети 802.16 могут охватывать целые районы городов, и расстояния при этом исчисляются километрами. Следовательно, получаемый станциями  сигнал может быть разной мощности в зависимости от их удаленности  от передатчика. Эти отклонения влияют на соотношение сигнал/шум, что, в  свою очередь, приводит к использованию  нескольких схем модуляции.

В каждой ячейке широкополосной региональной сети может быть намного  больше пользователей, чем в обычной  ячейке 802.11, и при этом каждому  пользователю предоставляется гораздо  более высокая пропускная способность, чем пользователю беспроводной ЛВС. Нелицензированной (15М) полосы частот недостаточно для такой нагрузки, поэтому сети 802.16 работают в высокочастотном диапазоне 10-66 ГГц.

Сети 802.11 поддерживают передачу информации в реальном времени (в режиме РСР), но вообще-то они не предназначены для телефонной связи  и большого мультимедийного трафика. Стандарт 802.16, напротив, ориентирован на поддержку подобных приложений, поскольку он предназначен как для обывателей, так и для деловых людей.

 

3. ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ  МОДЕМОВ OFDM И МНОГОСТАНЦИОННОГО ДОСТУПА OFDMA

На физическом уровне стандарт IEEE 802.16 предусматривает три  принципиально различных метода передачи данных: метод модуляции  одной несущей (SC, в диапазоне  ниже 11 ГГц), метод модуляции посредством  ортогональных несущих OFDM (orthogonal frequency division multiplexing) и метод мультиплексирования (множественного доступа) посредством ортогональных несущих OFDMA (orthogonal frequency division multiple access).

3.1 Особенности применения  модемов OFDM.

Режим OFDM – это  метод модуляции потока данных в  одном частотном канале (шириной 1–2 МГц и более) с центральной  частотой fc. Деление же на каналы, как и в случае SC – частотное. Напомним, что при модуляции данных посредством ортогональных несущих в частотном канале выделяются N поднесущих:

fk= fc + k∆ f, (1)

где: k– целое число из диапазона [6 N/2, N/2] (в данном случае k ≠ 0). Расстояние между ортогональными несущими.

∆ f= 1/ Tb, (2)

где Tb – длительность передачи данных в символе.

Помимо данных OFDM6символ включает защитный интервал длительностью  Tg, так что общая длительность OFDM – символа

Ts= Tb+ Tg, (3)

Защитный интервал представляет собой копию оконечного фрагмента символа. Его длительность Tg может составлять 1/4, 1/8, 1/16 и 1/32 от Tb.

Каждая поднесущая модулируется независимо посредством квадратурной амплитудной модуляции.

Рисунок 8 - OFDM-символ.

Общий сигнал вычисляется  методом обратного быстрого преобразования Фурье (ОБПФ) как комплексное представление  удобно, поскольку генерация радиосигнала происходит с помощью квадратурного  модулятора в соответствии с выражением

 (4)

где: - комплексное представление символа квадратной модуляции (QAM – символа)

Для работы алгоритмов БПФ/ОБПФ желательно, чтобы количество точек соответствовало 2 . Поэтому число несущих выбирают равным минимальному числу NFFT = 2 , превосходящему N. В режиме OFDM стандарта IEEE 802.16 N = 200, соответственно NFFT = 256. Из них 55 ( k = 6128…6101 и 101…127) образуют защитный интервал на границах частотного диапазона канала. Центральная частота канала ( k= 0) и частоты защитных интервалов не используются (т.е. амплитуды соответствующих им сигналов равны нулю). Из остальных 200 несущих восемь частот – пилотные (с индексами ±88, ±63, ±38, ±13), остальные разбиты на 16 подканалов по 12 несущих в каждом, причем в одном подканале частоты расположены не подряд. Например, подканал 1 составляют несущие с индексами -100, -99, -98, -37, -36, -35, 1, 2, 3, 64, 65, 66. Деление на подканалы необходимо, поскольку в режиме WirelessMAN-OFDM предусмотрена (опционально) возможность работы не во всех 16, а в одном, двух, четырех и восьми подканалах – некий прообраз схемы множественного доступа OFDMA. Для этого каждый подканал и каждая группа подканалов имеют свой индекс (от 0 до 31).

Длительность полезной части Tb OFDM6символа зависит от ширины полосы канала BW и системной тактовой частоты (частоты дискретизации) Fs;

Fs = NFFT/ Tb. (5) 

Соотношение Fs/ BW = n нормируется, и в зависимости от ширины полосы канала принимает значения 86/75 (BW кратно 1,5 МГц), 144/125 (BW кратно 1,25 МГц), 316/275 (BW кратно 2,75 МГц), 57/50 (BW кратно 2 МГц ) и 8/7 (BW кратно 1,75 МГц и во всех остальных случаях). Защитный интервал при OFDM-модуляции – мощное средство борьбы с межсимвольными помехами (межсимвольной интерференции, МСИ), возникающими вследствие неизбежных в городских условиях переотражений и многолучевого распространения сигнала. МСИ приводит к тому, что в приемнике на прямо распространяющийся сигнал накладывается переотраженный сигнал, содержащий предыдущий символ. При модуляции OFDM переотраженный сигнал попадает в защитный интервал и вреда не причиняет. Однако этот механизм не предотвращает внутрисимвольную интерференцию – наложение сигналов с одним и тем же символом, пришедших с фазовой задержкой. В результате информация может полностью исказиться или (например, при фазовом сдвиге на 180°) просто исчезнуть. Для предотвращения потери информации при пропадании отдельных символов или их фрагментов стандарт IEEE 802.16 предусматривает эффективные средства канального кодирования.

Кодирование данных на физическом уровне включает три  стадии – рандомизацию, помехозащитное кодирование и перемежение. Рандомизация – это умножение блока данных на псевдослучайную последовательность (ПСП), которую формирует генератор  ПСП с задающим полиномом вида 1 + х14 + х15. В нисходящем потоке генератор  ПСП инициализируется с началом  кадра посредством кодового слова 4А8016. Начиная со второго пакета кадра  генератор ПСП инициализируется на основе идентификационного номера базовой станции BSID, идентификатора про филя пакета DIUC (downlink interval usage code) и номера кадра (рисунок 9). В восходящем потоке все происходит аналогично, с той лишь разницей, что инициализация генератора ПСП по схеме, приведенной на рис.2, происходит с первого пакета (вместо DIUC используется UIUC – uplink interval usage code).

Рисунок 9 – Формирование вектора инициализации генератора ПСП для рандомизации нисходящего  потока OFDM.

Кодирование данных предполагает каскадный код с  двумя стадиями – кодер Рида-Соломона из поля Галуа GF (256) и сверточный кодер. В базовом виде код Рида-Соломона оперирует блоками исходных данных по 239 байт, формируя из них кодированный блок размером 255 байт (добавляя 16 проверочных байт). Такой код способен восстановить до 8 поврежденных байт. Поскольку реально используются блоки данных меньшей длины K, перед ними добавляются (239 – K) нулевых байт. После кодирования эти байты удаляются. Если необходимо сократить число проверочных слов, так чтобы уменьшить число восстанавливаемых байт Т, используются только 2 первых проверочных байтов. Обязательные для поддержки в IEEE 802.16 варианты каскадного кода приведены в таблице 5.

Таблица 5. Основные режимы в стандарте IEEE 802.16.

Модуляция	Блок данных кодирования  байт	Кодер Рида-Соломона	Скорость кодирования  сверточного кодера	Суммарная скорость кодирования	Блокирование данных после  кодирования байт
BPSK	12	(12,12,0)	1/2	1/2	24
QPSK	24	(32,24,4)	2/3	1/2	48
QPSK	36	(40,36,2)	5/6	3/4	48
16-QAM	48	(64,48,8)	2/3	1/2	96
16-QAM	72	(80,72,4)	5/6	3/4	96
64-QAM	96	(108,96,6)	3/4	2/3	144
64-QAM	108	(120,108,6)	5/6	3/4	144

После кодера Рида-Соломона данные поступают в сверточный кодер (рис.3) с порождающими последовательностями (генераторами кода) G1 = 171  (для выхода Х) и G2 = 133  (для Y) – так называемый стандартный код NASA. Его базовая скорость кодирования – 1/2, т.е. из каждого входного бита он формирует пару кодированных бит X и Y. Упуская из последовательности пар элементы Xi или Yi, можно получать различные скорости кодирования.

После кодирования  следует процедура перемежения  – перемешивания битов в пределах блока кодированных данных, соответствующего OFDM-символу. Эта операция проводится в две стадии. Цель первой – сделать  так, чтобы смежные биты оказались  разнесенными по несмежным несущим. На второй стадии смежные биты оказываются разнесенными в разные половины последовательности. Все это делается для того, чтобы при групповых ошибках в символе повреждались несмежные биты, которые легко восстановить при декодировании. Перемежение реализуется в соответствии с формулами

mk = ( Ncbps / 12) – ( kmod 12) + floor ( k / 12);

jk = s – floor ( mk / s) + ( mk + Ncbps – floor (12 mk / Ncbps)) mod s, (6)

k = 0… Ncbps – 1,

где mk и jk – номер исходного бита после первой и второй стадии перемежения, соответственно;

Ncbps – число кодированных бит в OFDM-символе (при заданном числе субканалов),

s – 1/2 числа бит на несущую (1 / 2 / 4 / 6 бит для BPSK / QPSK / 166QAM / 646 QAM, соответственно, для BPSK s= 1).

Функция floor ( x) – это наибольшее целое число, не превосходящее x; функция ( x mod r) – остаток от x/ r.

Рисунок 10 - Генерация  модулирующей последовательности для  пилотных несущих.

Каждой группе ставится в соответствие значения Q и I из векторных  диаграмм Грея (рисунок 10), которые затем  используются при непосредственной модуляции несущей.

Пилотные несущие модулируются посредством BPSK.