Курсовая работа: Технология WiMax

Тракт обработки данных и формирования выходного сигнала для передачи через радиоканал в стандарте IEEE 802.16 достаточно обычен для современных телекоммуникационных протоколов (см. рис. 3) и практически одинаков для восходящих и нисходящих соединений. Входной поток данных скремблируется – подвергается рандомизации[2] , то есть на него накладывается (XOR) псевдослучайная последовательность (ПСП), вырабатываемая с помощью линейного регистра сдвига длины 15 с характеристическим многочленом и начальным заполнением (см. рис. 3.1) Далее скремблированные данные кодируют с помощью помехоустойчивых кодов (FEC-кодирование[3] ). При этом используется одна из четырех схем: код Рида-Соломона (над ), код Рида-Соломона с дополнительным свёрточным кодом (скорость ) (схема свёрточного кодирования показана на рис. 3.2), код Рида-Соломона с дополнительным контролем четности () и блочный турбокод. Размер кодируемого информационного блока и число избыточных бит не фиксированы – эти параметры можно задавать в зависимости от условий среды и требований к качеству предоставления услуг (QoS). Первые две схемы кодирования обязательны для всех устройств стандарта, остальные два алгоритма – дополнительные.

Тракт формирования выходного сигнала в стандарте IEEE 802.16 (нисходящий канал)

Рис. 3.1

Генерация ПСП Схема кодирования сверточным кодом

Рис. 3.2 Рис. 3.3

В диапазоне 10-66 ГГц стандарт IEEE 802.16 предусматривает схему с модуляцией одной несущей (в каждом частотном канале). Стандарт допускает три типа квадратурной амплитудной модуляции: четырехпозиционную QPSK и 16-позиционную 16-QAM (обязательны для всех устройств), а также 64-QAM (опционально). Кодированные блоки преобразуются в модуляционные символы (каждые 2/4/6 бит определяют один символ QPSK/16-QAM/64-QAM) в соответствии с приведенными в стандарте таблицами – каждой группе из 2/4/6 бит ставится в соответствие синфазная () и квадратурная () координаты. Далее последовательность дискретных значений в каналах и преобразуется посредством так называемого синусквадратного фильтра (square-rootraisedcosinefilter)[4] в непрерывные (сглаженные) сигналы. Фильтрованные потоки и поступают непосредственно в квадратурный модулятор, где формируется выходной сигнал как функция , - несущая частота. Далее сигнал 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 длительность – 0,5; 1 и 2 мс, поэтому его информационная емкость зависит от символьной скорости и метода модуляции. Кадр состоит из преамбулы (синхропоследовательности длиной 32 QPSK-символа), управляющей секции и последовательности пакетов с данными (см рис. 3.3.). Поскольку определяемая стандартом IEEE 802.16 система двунаправленная, необходим дуплексный механизм. Он предусматривает как частотное (FDD[5] ), так и временное (TDD[6] ) разделение восходящего и нисходящего каналов.

При временном дуплексировании каналов кадр делится на нисходящий и восходящий субкадры (их соотношение в кадре может гибко меняться в процессе работы, в зависимости от потребной полосы пропускания для нисходящих и восходящих каналов), разделенные специальным интервалом (рис. 3.4а). При частотном дуплексировании восходящий и нисходящий каналы транслируются каждый на своей несущей (рис. 3.4б).

Структура кадра в стандарте IEEE 802.16 для систем с временным (а) и частотным (б) дуплексированием каналов

Рис. 3.4

В нисходящем канале информация от базовой станции передается в виде последовательности пакетов (метод временного мультиплексирования - TDM[7] ) (рис. 3.5). Для каждого пакета можно задавать метод модуляции и схему кодирования данных – то есть выбирать между скоростью и надежностью передачи. TDM-пакеты передаются одновременно для всех абонентских станций, каждая из них принимает весь информационный поток и выбирает «свои» пакеты (декодируя заголовки пакетов и определяя адрес назначения). В нисходящем субкадре пакеты выстраиваются в очередь так, что самые помехозащищенные передаются первыми (управляющая секция всегда передается посредством QPSK-модуляции). Если этого не сделать, абонентские станции с плохими условиями приема, которым предназначаются наиболее защищенные пакеты, могут потерять синхронизацию в ожидании своей порции информации.

Пакеты в нисходящем субкадре следуют друг за другом без интервалов и предваряющих их заголовков. Чтобы абонентские станции могли отличить один пакет от другого, в управляющей секции передаются карты нисходящего (DL-MAP) и восходящего (UL-MAP) каналов. В карте нисходящего канала указана длительность кадра, номер кадра, число пакетов в нисходящем субкадре, а также точка начала и тип профиля каждого пакета. Точка начала отсчитывается в так называемых физических слотах, каждый физический слот равен четырем модуляционным символам.

Профиль пакета – это список его параметров, включая метод модуляции, тип FEC-кодирования (с параметрами схем кодирования), а также диапазон значения отношения сигнал/шум в приемном канале конкретной станции, при котором данный профиль может применяться. Список профилей в виде специальных управляющих сообщений (дескрипторов нисходящего и восходящего каналов, DCD/UCD) транслируется базовой станцией с периодом в 10 с, присеем каждому профилю присваивается номер, который и используется в карте нисходящего канала.

Структура нисходящего канала

Рис. 3.5

Абонентские станции получают доступ к среде передачи посредством механизма временного разделения каналов (TDMA - Timedivisionmultipleaccess) (структура восходящего канала представлена на рис. 3.6). Для этого в восходящем канале субкадре для каждой передающей АС (абонентской станции) базовая станция резервирует специальные временные интервалы – слоты. Информация о распределении слотов между АС записывается в карте восходящего канала UL-MAP, транслируемой в каждом кадре. UL-MAP функционально аналогична DL-MAP – в ней сообщается сколько слотов в субкадре, точка начала и идентификатор соединения для каждого из них, а также типы профилей всех пакетов. Сообщение UL-MAP текущего кадра может относиться как к данному кадру, так и к последующему. Скорость модуляции (частота символов) в восходящем канале должна быть такой же, как и в нисходящем. Отметим, что, в отличие от нисходящих TDM-пакетов, каждый пакет в восходящем канале начинается с преамбулы – синхропоследовательности длиной 16 или 32 QPSK-символа.

В восходящем канале, кроме назначенных базовой станцией (БС) слотов для определенных АС, предусмотрены интервалы, в течение которых АС может передать сообщение для первичной регистрации в сети или для запроса канала/изменения полосы пропускания канала. Поскольку эти сообщения спонтанны, в данных интервалах возможны коллизии, вызванные одновременной работой передатчиков двух и более АС. Принцип борьбы с коллизиями аналогичен используемому в стандарте 802.11 – после того, как АС решила, что ей нужно зарегистрироваться/запросить канал, она не начинает трансляцию в первом же предназначенном для этого интервале. В АС есть генератор случайных чисел (ГСЧ), выбирающий значения из некоего диапазона от до . Так, если , ГСЧ выбирает числа в диапазоне 0..15, например 11. Далее АС отсчитывает 11 интервалов, предназначенных для регистрации/запроса канала и только в 12-м выходит в эфир. Если передача прошла успешно и БС приняла запрос, она в определенный период ответит специальным сообщением. В противном случае АС считает попытку неудачной и повторяет процедуру, только интервал для ГСЧ удваивается.

Структура восходящего канала

Рис. 3.6

Такая последовательность действий продолжается до тех пор, пока не будет получен ответ от БС. Максимальный размер диапазона возможных значений ГСЧ ограничен – при его достижении он вновь принимает минимальное значение.

Примечательно, что в режиме FDD стандарт IEEE 802.16 допускает применение как дуплексных, так и полудуплексных абонентских станций. Последние не способны одновременно принимать и передавать информацию. Для полудуплексных АС, которые в силу конструктивных особенностей сначала принимают информацию и лишь затем передают свои данные, в нисходящем FDD кадре предусмотрена область с механизмом TDMA – для таких станций информация передается в определенных временных интервалах (рис. 3.7). Причем нисходящие пакеты, передаваемые в режиме TDMA, обязательно снабжают преамбулой – синхрпоследовательностью длиной 16 QPSK-символов, чтобы полудуплексные абонентские станции могли при необходимости восстановить синхронность. То есть фактически и в FDD-режиме частично используется принцип доступа к среде передачи в режиме разделения времени.

Важная особенность стандарта IEEE 802.16 – система контроля радиотракта, благодаря которой базовая станция способна контролировать синхронность, несущую частоту и мощность каждой АС и при необходимости изменять/корректировать эти параметры посредством служебных сообщений. Физический уровень стандарта IEEE 802.16 занимается непосредственной доставкой потоков данных между БС и абонентскими станциями. Все же задачи, связанные с формированием структур этих данных, а также управлением работой системы IEEE 802.16, решаются на канальном уровне.

Нисходящий канал в случае FDD при работе с полудуплексными абонентскими станциями