Стандарт 802.16е. Характеристики физического уровня
В основе стандарта мобильного WiMAX IEEE802.16e лежит технология SOFDMA - Scalable OFDM Access), что предоставляет возможность выделять отдельным базовым и абонентским станциям не весь, а часть канального ресурса в соответствующей полосе рабочих частот. Кроме того, полный канальный ресурс (множество поднесущих частот) может быть разделен между несколькими соседними базовыми станциями, что позволяет организовывать хэндовер при перемещении абонентов от одной базовой станции к другой. По этой причине стандарт 802.16е часто называют мобильным WiMAX.
Второе отличие стандарта 802.16е от 802.16-2004 состоит в том, что число поднесущих меняется с изменением рабочей полосы. Это позволяет сохранить постоянным разнос частот между поднесущими и активную длину символа Tb. Согласно спецификациям в 802.16е определены полосы в 1,25; 5; 10 и 20 МГц (табл. 11.5).
Таблица 11.5
| Параметр | Характеристики OFDM | |||
| Номинальная полоса частотного канала, МГц | 1,25 | |||
| Число поднесущих | ||||
| Отношение Tg/Tb | 1/32, 1/16, 1/8, 1/4 | |||
| Расширение полосы[9] | 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 |
Принципиальным отличием стандарта 802.16е является выделение канального ресурса в частотной области в виде подканалов. Стандартом предусмотрены различные варианты распределения канального ресурса. Наиболее часто используют режим PUSC (Partial Usage of Subcarriers). Этот режим является обязательным в начале каждого подкадра передачи вниз. Распределение поднесущих в режиме PUSC поясняет табл. 11.6. Защитные поднесущие по краям полосы и центральную поднесущую для передачи информации не используют. Оставшиеся поднесущие делят на минимальные канальные единицы, называемые кластерами.
Таблица 11.6
| Полоса частотного канала, МГц | 1,25 | |||
| Число поднесущих | ||||
| Число поднесущих в кластере | ||||
| Число кластеров | ||||
| Число подканалов | ||||
| Поднесущие, используемые для передачи данных | ||||
| Пилотные поднесущие | ||||
| Защитные поднесущие (слева/справа) | 22/21 | 46/45 | 92/91 | 184/183 |
Каждый кластер образуют 14 расположенных рядом поднесущих. Формально один кластер всегда составлен из 2 последовательных OFDM символов, т.е. из 28 поднесущих, где на 24-х передают данные, а на 4-х – пилотные сигналы (рис. 11.5). Один подканал состоит из двух кластеров. В табл. 1.6 указано число формируемых кластеров и подканалов в зависимости от рабочей полосы. Нумерация физических кластеров начинается от нижней границы рабочей полосы частот и возрастает по мере увеличения частоты.
Рис. 11.5. Структура кластера при PUSC
Подканалы в PUSC создают на основе логических кластеров, для чего сформированные физические кластеры перенумеровывают. Спецификациями 802.16е предусмотрены различные варианты перенумерации. В табл. 11.7 приведен простейший вариант перенумерации, используемый в обязательной зоне PUSC в начале каждого подкадра вниз.
Таблица 11.7
| Число подне- сущих в канале | Последовательность для перенумерации |
| |
| |
| |
|
Все логические каналы разбивают на 6 групп подканалов. Число и номера логических кластеров в группе зависит от рабочей полосы (табл. 11.8). Как следует из табл. 11.8, четные и нечетные группы при Ns=2048 и 1024 отличаются размерами. При Ns=2048 в четные группы включают 24 логических кластера, в нечетные – 16; при Ns=1024 12 и 8 логических кластеров соответственно.
Таблица 11.8
| Число поднесущих Ns/ полоса в МГц | Группа подканалов | Номера кластеров | Номера подканалов |
| 2048 / 20 | 0 - 23 | 0 - 11 | |
| 24 - 39 | 12 - 19 | ||
| 40 - 63 | 20 - 31 | ||
| 64 - 79 | 32 - 39 | ||
| 80 - 103 | 40 - 51 | ||
| 104 - 119 | 52 - 59 | ||
| 1024 / 10 | 0 - 11 | 0 - 5 | |
| 12 - 19 | 6 - 9 | ||
| 20 - 31 | 10 - 15 | ||
| 32 - 39 | 16 - 19 | ||
| 40 - 51 | 20 - 25 | ||
| 52 - 59 | 26 - 29 | ||
| 512 / 5 | 0 - 9 | 0 - 4 | |
| Не используют | Не используют | ||
| 10 - 19 | 5 - 9 | ||
| Не используют | Не используют | ||
| 20 - 29 | 10 - 14 | ||
| Не используют | Не используют | ||
| 128 / 1,25 | 0 - 1 | ||
| Не используют | Не используют | ||
| 2 - 3 | |||
| Не используют | Не используют | ||
| 4 - 5 | |||
| Не используют | Не используют |
Подканал образуют, объединяя 2 кластера из одной группы. 2 кластера ‒ это 28 поднесущих в двух последовательно передаваемых символах; всего 56 символов (рис. 11.6). 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.
Рис. 11.6. Схема организации подканалов в режиме PUSC
Стандарт 802.16е ориентирован на сплошное покрытие территории в виде сегментированной структуры (рис. 11.7). Алгоритм PUSC позволяет распределять общий канальный ресурс между различными БС так, чтобы обеспечить хэндовер при перемещениях абонентов, одновременно сохраняя максимальную пропускную способность сети. При построении сети WiMAX на основе секторизованных сот по умолчанию частоты главных групп с номерами 0,2 и 4 распределяют по разным секторам.
Рис. 11.7. Секторизованная структура
В направлении вверх при PUSC минимальной единицей канального ресурса является элемент - тайл (tile). Каждый тайл составлен из 4 поднесущих длительностью 3 OFDM-символа (рис. 11.8). На 8 поднесущих внутри элемента передают данные, 4 поднесущие используют для передачи пилотных сигналов.
Поднесущие
| OFDM-символ 0 | ||||
| OFDM-символ 1 | ||||
| OFDM-символ 2 |
| Пилотная поднесущая | |
| Поднесущая данных |
Рис. 11.8. Организация тайлов в направлении вверх
Далее производится разбивка на подканалы для передачи вверх. 6 тайлов образуют один подканал. При этом производят перенумерацию тайлов. В табл. 11.9 приведены данные о режиме PUSC вверх.
Таблица 11.9
| Полоса частотного канала, МГц | 1,25 | |||
| Число поднесущих | ||||
| Защитные поднесущие (слева/справа) | 16/15 | 52/51 | 92/91 | 184/183 |
| Число поднесущих для передачи данных и пилотных сигналов | ||||
| Число тайлов | ||||
| Число подканалов |
Обмен информацией по радиоканалу осуществляют в виде кадров. Длина кадра составляет от 2 до 20 мс. Передача может идти как с частотным, так и с временным дуплексом. При работе с частотным дуплексом для передач вниз и вверх используют разные частотные диапазоны. Ряд АС может работать в режиме частотного полудуплекса: прием и передача идут на разных частотах, но АС работает либо на прием, либо на передачу.
При временном дуплексе кадр делят на 2 подкадра: подкадр вниз (DL, от БС к АС) и подкадр вверх (UL, от АС к БС) (рис. 11.12). 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.
Рис. 11.12. Разделение канального ресурса при временном дуплексе.
Каждый подкадр вниз и вверх может быть поделен на различные зоны; в каждой зоне используют свой вариант разбиения канального ресурса. На рис. 11.12 представлен однозоновый вариант кадра: и вниз, и вверх подканалы организованы на основе технологии PUSC. Зона DL PUSC в начале подкадра вниз является обязательной; остальные – опциональны. Информацию об используемых в кадре зонах передают в DL MAP.
Первый OFDM-символ подкадра вниз – преамбула. Преамбулу передают для временной и частотной синхронизации, измерений отношения сигнал/помеха, оценки канала. Преамбула представляет собой псевдослучайную последовательность двоичных чисел, передаваемых посредством модуляции 2-ФМ. При PUSC все поднесущие разделены на 3 группы и каждая БС передает преамбулу в выделенной ей части частотного домена.
После преамбулы следует заголовок кадра FCH (Frame Control Header). Он содержит информацию об используемых поднесущих и защите информации в сообщении DL-MAP.
Далее передают карту нисходящего канала DL-MAP. Затем следуют отдельные пакеты (burst), первым из которых является UL-MAP (карта восходящего канала).
Cкорости передачи в зависимости от ширины канала и профиля передачи в табл. 11.13 (соотношение времени передачи вниз ко времени передачи вверх 3:1).
Таблица 11.13
| Ширина канала | 1,25 МГц | 5 МГц | 10 МГц | |||
| Число поднесущих | ||||||
| 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 |