Стандарт 802.16е. Характеристики физического уровня

Функционирование стандарта мобильного WiMAX IEEE802.16e основано на технологии SOFDMA - Scalable OFDM Access, что позволяет выделять определенным базовым и абонентским станциям не полный ресурс, а его часть в соответствующей полосе рабочих частот. Помимо этого, весь канальный ресурс (множество поднесущих частот) может быть распределен между несколькими соседними базовыми станциями, что дает возможность реализовать хэндовер при передвижении абонентов от одной базовой станции к другой. В связи с этим стандарту 802.16е дали название мобильный WiMAX.

Следующее отличие стандарта 802.16е от 802.16-2004 заключается в том, что число поднесущих меняется с изменением рабочей полосы. Это даёт возможность сохранить постоянным разнос частот между поднесущими и активную длину символа Tb. В соответствии со спецификациями в 802.16е представлены следующие полосы: 1,25; 5; 10 и 20 МГц (табл. 1).

                               Таблица 1.

Параметр

Характеристики OFDM

Номинальная полоса частотного канала, МГц

1,25

5

10

20

Число поднесущих

128

512

1024

2048

Отношение Tg/Tb

1/32, 1/16, 1/8, 1/4

Расширение полосы[1]

                                    28/25

Разнос поднесущих, кГц

10,94

10,94

10,94

10,94

Активная длина символа, мкс

91,4

91,4

91,4

91,4

Защитный промежуток, мкс, при Tg/Tb = 1/8

11,4

11,4

11,4

11,4

Длина OFDM символа Ts= Tb+ Tg, мкс

102,9

102,9

102,9

102,9



[1] Параметр, учитывающий увеличение расчетной полосы по отношению к номинальной. Из-за наличия защитных поднесущих по краям полосы помех между сигналами соседних полос не возникает.

Основное отличие стандарта 802.16е заключается в выделении канального ресурса в частотной области в виде подканалов. Стандарт предоставляет разные варианты распределения канального ресурса. Режим PUSC(Partial Usage of Subcarriers) применяют чаще. Данный режим является обязательным в начале каждого подкадра передачи вниз.  Распределение поднесущих в режиме PUSC приведено в табл. 2. Защитные поднесущие по краям полосы и центральную поднесущую для передачи информации не используют. Оставшиеся поднесущие дробят на минимальные канальные единицы, которые называются кластерами.

                                                                                                                             Таблица 2.

Полоса частотного канала, МГц

1,25

5

10

20

Число поднесущих

128

512

1024

2048

Число поднесущих в кластере

14

14

14

14

Число кластеров

6

30

60

120

Число подканалов

3

15

30

60

Поднесущие, используемые для передачи данных

72

360

720

1440

Пилотные поднесущие

12

60

120

240

Защитные поднесущие (слева/справа)

22/21

46/45

92/91

184/183

Каждый кластер представляет собой 14 расположенных рядом поднесущих. Формально один кластер всегда состоит из 2 последовательных OFDM символов, т.е. из 28 поднесущих, где на 24-х передают данные, а на 4-х –  пилотные сигналы (рис. 1). Один подканал образован  из двух кластеров. В табл. 2 представлено число формируемых кластеров и подканалов в зависимости от рабочей полосы. Нумерация физических кластеров начинается от нижней границы рабочей полосы частот и увеличивается по мере повышения частоты 

 Структура кластера при PUSC

 Рис. 1. Структура кластера при PUSC

 Подканалы в PUSC реализованы на основе логических кластеров, для чего сформированные физические кластеры перенумеровывают. В спецификациях 802.16е даны разные варианты перенумерации. В табл. 3 рассмотрен самый простой пример перенумерации, реализованный  в обязательной зоне PUSC  в начале каждого подкадра вниз.

                                                                                                      Таблица 3.

Число поднесущих в канале

Последовательность для перенумерации

2048

 6, 108, 37, 81, 31, 100, 42, 116, 32, 107, 30, 93, 54, 78, 10, 75, 50, 111, 58, 106, 23, 105, 16, 117, 39, 95, 7, 115, 25, 119, 53, 71, 22, 98, 28, 79, 17, 63, 27, 72, 29, 86, 5, 101, 49, 104, 9, 68, 1, 73, 36, 74, 43, 62, 20, 84, 52, 64, 34, 60, 66, 48, 97, 21, 91, 40, 102, 56, 92, 47, 90, 33, 114, 18, 70, 15, 110, 51, 118, 46, 83, 45, 76, 57, 99, 35, 67, 55, 85, 59, 113, 11, 82, 38, 88, 19, 77, 3, 87, 12, 89, 26, 65, 41, 109, 44, 69, 8, 61, 13, 96, 14, 103, 2, 80, 24, 112, 4, 94, 0

1024

 6, 48, 37, 21, 31, 40, 42, 56, 32, 47, 30, 33, 54, 18, 10, 15, 50, 51, 58, 46, 23, 45, 16, 57, 39, 35, 7, 55, 25, 59, 53, 11, 22, 38, 28, 19, 17, 3, 27, 12, 29, 26, 5, 41, 49, 44, 9, 8, 1, 13, 36, 14, 43, 2, 20, 24, 52, 4, 34, 0

512

 12, 13, 26, 9, 5, 15, 21, 6, 28, 4, 2, 7, 10, 18, 29, 17, 16, 3, 20, 24, 14, 8, 23, 1, 25, 27, 22, 19, 11, 0

128

 2, 3, 1, 5, 0, 4

Все логические каналы подразделены на 6 групп подканалов. Число и номера логических кластеров в группе зависят от рабочей полосы (табл. 4). Как следует из табл. 4, четные и нечетные  группы при Ns=2048 и 1024 различаются размерами. При Ns= 2048 в четные группы включают 24 логических кластера, в нечетные – 16; при Ns= 1024 – 12 и 8 логических кластеров соответственно.

       Таблица 4.

Число поднесущих Ns/ полоса в МГц

Группа подканалов

Номера кластеров

Номера подканалов

2048 / 20

0

0 - 23

0 - 11

1

24 - 39

12 - 19

2

40 - 63

20 - 31

3

64 - 79

32 - 39

4

80 - 103

40 - 51

5

104 - 119

52 - 59

1024 / 10

0

0 - 11

0 - 5

1

12 - 19

6 - 9

2

20 - 31

10 - 15

3

32 - 39

16 - 19

4

40 - 51

20 - 25

5

52 - 59

26 - 29

512 / 5

0

0 - 9

0 - 4

1

Не используют

Не используют

2

10 - 19

5 - 9

3

Не используют

Не используют

4

20 - 29

10 - 14

5

Не используют

Не используют

128 / 1,25

0

0 - 1

0

1

Не используют

Не используют

2

2 - 3

1

3

Не используют

Не используют

4

4 - 5

2

5

Не используют

Не используют

 При объединении 2 кластеров из одной группы образуют подканал. 2 кластера ‒ это 28 поднесущих в двух последовательно передаваемых символах;  всего 56 символов (рис. 2). В режиме PUSC одной базовой станции могут быть выделены все каналы или их часть (одна или несколько групп). Это позволяет использовать частотное разнесение каналов внутри выделенной полосы и построить сеть WiMAX, аналогичную сетям сотовой связи. 

Схема организации подканалов в режиме PUSC

Рис. 2. Схема организации подканалов в режиме PUSC

Стандарт 802.16е предназначен для реализации сплошного покрытия местности в виде сегментированной структуры (рис. 3). Алгоритм PUSC даёт возможность распределять общий канальный ресурс между различными БС так, чтобы была возможна процедура хэндовера при передвижениях абонентов, одновременно сохраняя максимальную пропускную способность сети.

Сплошное покрытие местности в виде сегментированной структуры

Рис. 3

При передаче вверх во время применения PUSC минимальной единицей канального ресурса является элемент - тайл (tile). Каждый тайл представляет собой 4 поднесущих длительностью 3 OFDM-символа (рис. 4).  На 8 поднесущих внутри элемента передают данные, 4 поднесущие используют для передачи пилотных сигналов.

Организация тайлов в направлении вверх

Рис. 4. Организация тайлов в направлении вверх

Затем осуществляется разбиение на подканалы для передачи по линии вверх. 6 тайлов формируют один подканал. Совместно с этим выполняют перенумерацию тайлов. Табл. 5 содержит данные о режиме PUSC вверх.

                                                                                                                             Таблица 5.

Полоса частотного канала, МГц

1,25

5

10

20

Число поднесущих

128

512

1024

2048

Защитные поднесущие (слева/справа)

16/15

52/51

92/91

184/183

Число поднесущих для передачи данных и пилотных сигналов

96

408

840

1680

Число тайлов

24

102

210

420

Число подканалов

4

17

35

70

 

Обмен данными по радиоканалу производят в виде кадров. Длина кадра равна от 2 до 20 мс. Возможен как частотный, так и временной дуплекс. При реализации частотного дуплекса для передач вниз и вверх применяют разные частотные диапазоны. Ряд абонентских станций может работать в режиме частотного полудуплекса: прием и передача производятся на разных частотах, но абонентская станция работает либо на прием, либо на передачу.

            В случае временного дуплекса кадр делят на 2 подкадра: подкадр вниз (DL, от БС к АС) и подкадр вверх (UL,от АС к БС) (рис. 5). Между подкадрами вниз и вверх введен защитный интервал TTG (transmit/receive transition gap). Между концом предыдущего кадра и началом следующего также есть защитный интервал RTG (receive/ transmit transition gap). Длительность TTG и RTG должна быть не менее 5 мкс.

Разделение канального ресурса при временном дуплексе

            Рис. 5. Разделение канального ресурса при временном дуплексе.

 Любой подкадр вниз и вверх может быть разделен на различные зоны; в каждой зоне используют свой вариант разбиения канального ресурса. На рис. 5 рассмотрен однозоновый вариант кадра: и вниз, и вверх подканалы построены на основе технологии PUSC. Зона DL PUSC в начале подкадра вниз является обязательной; остальные – опциональны. Данные об используемых в кадре зонах транслируют в DL MAP.

Первый OFDM-символ подкадра вниз – преамбула, передача которой необходима для временной и частотной синхронизации, измерений отношения сигнал/помеха, оценки канала. Преамбула – это псевдослучайная последовательность двоичных чисел, передаваемых с помощью модуляции 2-ФМ. При PUSC все поднесущие подразделяются на 3 группы, и каждая БС осуществляет передачу  преамбулы в выделенной ей части частотного домена.

После преамбулы расположен заголовок кадра FCH (Frame Control Header). Он включает данные об используемых поднесущих и защите информации в сообщении DL-MAP.

Затем расположена карта нисходящего канала DL-MAP. Потом идут отдельные пакеты (burst), первым из которых является UL-MAP (карта восходящего канала).

Cкорости передачи в зависимости от ширины канала и профиля передачи приведены в табл. 6 (соотношение времени передачи вниз ко времени передачи вверх 3:1).

                             Таблица 6.

Ширина канала

1,25 МГц

5 МГц

10 МГц

Число поднесущих

128

512

1024

Модуляция и кодирование

Скорость передачи в Мбит/с

вниз

вверх

вниз

вверх

вниз

вверх

4-ФМ,  1/2

0,504

0,154

2,520

0,653

5,040

1,344

4-ФМ,  3/4

0,756

0,230

3,780

0,979

7,560

2,016

16-КАМ,  1/2

1,008

0,307

5,040

1,306

10,080

2,688

16-КАМ,  3/4

1,512

0,461

7,560

1,985

15,120

4,032

64-КАМ,  1/2

1,512

0,461

7,560

1,985

15.120

4,032

64-КАМ,  2/3

2,016

0,614

10,080

2,611

20,160

5,376

64-КАМ,  3/4

2,268

0,691

11,340

2,938

22,680

6,048

64-КАМ,  5/6

2,520

0,768

12,600

3,264

25,200

6,720

Яндекс.Метрика