Магистерская диссертация «Исследование аппаратных средств радиопередатчиков стандарта WiMAX» (стр. 4 )

Под названием WiMAX объединяются два стандарта — 802.16 (фиксированный WiMAX) и 802.16e (мобильный WiMAX). Каждая спецификация имеет свои рабочие диапазоны частот, ширину полосы пропускания, мощность излучения, методы передачи и доступа, способы кодирования и модуляции сигнала и другие характеристики. Поэтому WiMAX-системы, основанные на различных версиях стандарта IEEE 802.16, практически несовместимы.

В стандарте 802.16-2004 используются стационарные модемы и PCMCIA-карты для ноутбуков. Связь возможна только с неподвижными абонентами. При этом могут достигаться следующие характеристики:

- скорость до 75 Mbit/s;

- дальность связи — (25-80) km;

- используемый диапазон частот — (1,5-11) GHz (чаще применяются 3,5 и 5 GHz).

Стандарт 802.16e (802.16-2005) оптимизирован для работы с мобильными пользователями. Стандарт имеет следующие характеристики:

- скорость до 40 Mbit/s;

- дальность связи — (1-5) km;

- используемый диапазон частот — (2,3-13,6) GHz (чаще используют— 2,3-2,5; 2,5-2,7; 3,4-3,8 GHz). Также 802.16e применяется и для обслуживания фиксированных пользователей. Именно его чаще всего предлагают пользователям различные провайдеры.

В настоящее время идут работы по разработке единого стандарта 802.16m (WiMAX 2). Оборудование 802.16m (WiMAX 2) будет производительнее, быстрее (скорость до 100 Mbit/s у мобильного варианта и до 1 Gbit/s — у фиксированного). Также появится поддержка новейших коммуникационных технологий.

В новой редакции стандарта значительное внимание уделено возможности пропорционального уменьшения частотной полосы канала, а также технологиям многоканальных антенных систем (MIMO). Для мобильных устройств очень важно снизить энергопотребление, чему способствуют специальные режимы и процедуры нового стандарта.

Помимо собственно мобильности особое внимание IEEE 802.16е уделяет проблемам качества предоставляемых услуг (QoS). Стандарт
IEEE 802.16 рассматривается как стандарт для предоставления услуг операторского класса, в том числе и для мобильных абонентов. Поэтому вопрос QoS для этой технологии играет первостепенную роль.

В данной диссертационной работе проводятся исследования для технологии WiMAX базирующейся на стандарте IEEE 802.16e.

3. Частотные диапазоны стандарта IEEE 802.16

В стандарте 802.16 предусмотрена работа в диапазонах от 2 до 11 GHz и от 10 до 66 GHz. В диапазоне от 10 до 66 GHz радиосвязь возможна лишь в случае прямой видимости между фиксированными точками. Основные характеристики стандарта, в зависимости от версии принятия, приведены в таблице 1.3.

Таблица 1.3

Стандарт	Дата принятия	Полосы частот, GHz	Мобильность	Схема передачи	Скорости передачи, Mbit/s	Ширина канала, MHz
802.16	12.2001	11 - 66	нет	Одна несущая	32 – 134,4	20, 25, 28
802.16-2004	06.2004	2 - 11	нет	Одна несущая или 256, или 2048 OFDM	1 – 75	1,75; 3,5; 7; 14; 1,25; 5; 10; 15; 8,75
802.16-е	12.2005	2 – 11 ( фикс.) 2 –6 (моб)	есть	Одна несущая или 256, или 128, 512, 1024, 2048 OFDM	1 – 75	1,25; 5; 10; 20

Поскольку технология WiMAX относится к беспроводным технологиям, передачу информации осуществляют по радиоканалам, образованным между антеннами устройств, являющимися составными частями сети. При передаче излученного антенной радиосигнала за счет влияния среды меняются те или иные параметры сигнала. В результате принятый сигнал всегда отличается от переданного. Земная атмосфера для передачи электромагнитных волн является не самой лучшей средой. Радиоволны способны огибать препятствия (явление дифракции), размеры которых порядка длины волны и меньше. На рабочих частотах систем WiMAX длина волны менее 15 sm, поэтому явление дифракции пренебрежимо мало. Представляют интерес два вида распространения сигнала: в условиях прямой видимости (LOS – Line of Sight) и в условиях отсутствия прямой видимости (NLOS – Non Line of Sight). В условиях городской застройки характерно отсутствие прямой видимости.

4. Физический уровень

В основе стандарта мобильного WiMAX IEEE 802.16e лежит технология ортогонального частотного множественного доступа OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access), что предоставляет возможность выделять отдельным базовым и абонентским станциям не весь, а часть канального ресурса в соответствующей полосе рабочих частот. Полный канальный ресурс (множество поднесущих частот) может быть разделен между несколькими соседними базовыми станциями, что позволяет организовывать мягкий хэндовер при перемещении абонентов от одной базовой станции к другой. По этой причине стандарт 802.16е часто называют мобильным WiMAX.

На рис. 1.6 показаны различные процессы и функциональные этапы обработки информационных сигналов на физическом уровне.

Рис.1.6 - Функциональные этапы обработки сигналов на физическом уровне.

Тракт обработки данных и формирования выходного сигнала для передачи через радиоканал в стандарте IEEE 802.16е достаточно обычен для современных телекоммуникационных протоколов и практически одинаков для восходящих и нисходящих соединений.

Входной поток данных скремблируется, т. е. умножается на псевдослучайную последовательность. Далее скремблированные данные защищают посредством помехоустойчивых кодов (FEC-кодирование). При этом может использоваться одна из четырех схем кодирования:

- код Рида-Соломона с символами из поля Галуа GF(256);

- каскадный код с внешним кодом Рида-Соломона и внутренним сверточным кодом с кодовым ограничением 7 (скорость кодирования 2/3) с декодированием по алгоритму Витерби;

- каскадный код с внешним кодом Рида-Соломона и внутренним кодом с проверкой на четность (8, 6, 2);

- блоковый турбокод.

Размер кодируемого информационного блока и число избыточных байт не фиксированы - эти параметры можно задавать в зависимости от среды передачи и требований QoS.

Допускается три типа квадратурной амплитудной модуляции:

- 4- х позиционная QPSK (обязательная для всех устройств);

- 16QAM (обязательная для всех устройств);

- 64QAM (необязательная).

Кодированные блоки данных преобразуются в модуляционные символы (каждые 2/4/6 бит определяет QPSK/16QAM/64QAM). Далее сигнал обрабатывается синусквадратным фильтром и квадратурным модулятором, усиливается и передается в эфир. На приемной стороне все происходит в обратном порядке.

Данные на физическом уровне передаются в виде непрерывной последовательности кадров. Каждый кадр имеет фиксированную длину от 2 (2,5) до 20 ms, поэтому его информационная емкость зависит от символьной скорости и метода модуляции. Кадр состоит из преамбулы, управляющей секции и последовательности пакетов с данными. Сети IEEE 802.16е дуплексные. Возможно как частотное FDD, так и временное TDD разделение восходящего и нисходящего каналов. При временном дуплексе каналов кадр делят на нисходящий и восходящий субкадры (их соотношение может гибко меняться в процессе работы в зависимости от потребностей полосы пропускания для восходящих и нисходящих каналов), разделенные специальным защитным интервалом.

Структура OFDMA кадра стандарта IEEE 802.16е приведена на рис. 1.7.

Номера OFDMA символов

 

Рис. 1.7 - Структура OFDMA кадра

Кадр OFDMA делится на нисходящий DL-субкадр и восходящий
UL-субкадр.

Поля DL-субкадра:

- преамбула – предназначена для синхронизации и состоит из одного OFDMА символа;

- поле управляющего заголовка FSH и карты распределения полей нисходящего канала DL-MAP – передаются одновременно после преамбулы и состоят из двух OFDMА символов. Заголовок передается посредством модуляции QPSK со скоростью кодирования ½. FSH должен содержать префикс нисходящего канала DL_Frame_prefix, указывающий используемые сегменты и параметры карты DL-MAP нисходящего канала (длина, используемый метод кодирования и число повторений), транслируемой сразу за заголовком кадра. Карта DL-MAP содержит: тип сообщения управления равный двум (8 bit), код длительности кадра (8 bit), номер передаваемого кадра (24 bit), дескриптор нисходящего канала (8 bit), идентификатор базовой станции (48 bit), номера OFDMA символов (8 bit), элементы DL-MAP (количество бит переменное для каждого элемента) и заполняющие биты (4 bit);

- поле карты восходящего канала UL-MAP и пакеты данных для АС – передаются одновременно после управляющего заголовка FSH и карты распределения полей нисходящего канала DL-MAP. Пакеты данных предназначены для передачи информационных данных от базовой станции (БС) к различным абонентским станциям (АС). Размер одного сообщения в нисходящем субкадре (слоте) должен составлять 1 OFDMA символ в одном подканале в режиме FUSC и два - в режиме PUSC. Карта UL-MAP содержит: тип сообщения управления равный трем (8 bit), дескриптор восходящего канала (8 bit), дескриптор нисходящего канала (32 bit), номера OFDMA символов (8 bit), элементы UL-MAP (количество бит переменное для каждого элемента) и заполняющие биты (4 bit);

Поля UL-субкадра:

- интервал конкурентного доступа – предназначен для начальной инициализации АС и запроса доступа к сети;

- пакеты данных от АС – предназначены для передачи информационных данных от АС к БС и передаются одновременно с интервалом конкурентного доступа на различных подканалах. Минимальный размер одного сообщения в восходящем субкадре (слоте) должен составлять 3 OFDMA символа в одном подканале.

В стандарте 802.16е число поднесущих меняется с изменением рабочей полосы. Это позволяет сохранить, постоянным разнос частот между поднесущими и активную длину символа. Согласно спецификациям в 802.16е определены полосы шириной 1,25; 5; 10 и 20 MHz. (таблица 1.4). Поэтому технологию OFDMA, используемую в 802.16е, называют SOFDMA (Scalable OFDMA) – масштабируемое OFDMA.