Основные режимы в стандарте IEEE 802.16-2004

Остальные режимы разработаны для диапазонов менее 11 ГГц. Один из них - WirelessMAN-SCa - это «низкочастотная» вариация WirelessMAN-SC (с рядом дополнительных механизмов, в частности допускается 256-позиционная квадратурная модуляция 256-QAM). Другой, WirelessHUMAN, предназначен для работы в безлицензионных диапазонах (США и Европа). Зато два оставшиеся режима - WirelessMAN-OFDM и WirelessMAN-OFDMA - это принципиально новые по отношению к IEEE 802.16-2001 методы, и на них-то мы обратим особое внимение.

Отметим, что все режимы диапазона ниже 11 ГГц отличают три характерных детали - это механизмы автоматического запроса повторной передачи (ARQ Automatic Repeat Request), поддержка работы с адаптивными антенными системами (AAS Adaptive Antenna System) и пространственно-временное кодирование (STC Space Time Coding) при работе с AAS. Кроме того, помимо централизованной архитектуры «точка-многоточка», в диапазоне ниже 11 ГГц предусмотрена поддержка архитектуры Mesh-сети «сетки» - децентрализованной сети взаимодействующих друг с другом систем.. Фактически Mesh-сеть является аналогом ad-hoc-сетей стандарта IEEE 802.11. Примечательно, что если в документе IEEE 802.16a шла речь о диапазоне 2-11 ГГц, то в новом стандарте нижняя граница так четко не оговаривается упоминается «как правило не ниже 1 ГГц»..

Еще одна особенность стандарта - режим WirelessHUMAN High-speed Unlicensed Metropolitan Area Network. Основные отличия этого режима - это использование только временного дуплексирования, режим динамического распределения частот (DFS Dynamic Frequency Selection) и механизм сквозной нумерации частотных каналов. Однако поскольку в России (да и в Беларуси) безлицензионных диапазонов в гигагерцовой области нет, и ничего подобного нам не грозит, подробно останавливаться на данном режиме не будем.

Принципиально, что существенное внимание в стандарте IEEE 802.16-2004 уделено качеству обслуживания (QoS), а также механизмам защиты данных и соединений. Учитывая, что IEEE 802.16 принципиально ориентирован на работу в лицензируемых диапазонах, а также его фактическое общемировое признание (в Европе он принят ETSI под именем HiperMAN) и поддердку ведущих производителей оборудования (объединившихся в WiMAX Forum), можно с большой уверенностью предположить, что в ближайшие годы нас ожидает новая волна «беспроводной революции» Европейский стандарт HiperMAN, равно как и WiMAX Forum, рассматривает лишь один из режимов стандарта IEEE 802.16-2004, а именно OFDM в диапазоне менее 11 ГГц..

Канальный уровень IEEE 802.16-2004

Стандарт IEEE 802.16 регламентирует работу на физическом и канальном уровнях. Для поддержки протоколов верхнего уровня (ATM, IP и т.д.) предусмотрен подуровень «преобразования сервиса», основная задача процедур которого - распознать и классифицировать тип данных для эффективной их передачи через сети IEEE 802.16. Для оптимизации транслируемых потоков предусмотрен специальный механизм удаления повторяющихся фрагментов заголовков PHS пакетов или ATM-ячеек верхних уровней. Механизм PHS позволяет избавиться от передачи избыточной информации: на передающем конце пакеты приложений в соответствии с определенными правилами преобразуются в структуры данных канального уровня IEEE 802.16, на приемном - восстанавливаются.

Весь поток данных в сетях IEEE 802.16 - это поток пакетов. На основном подуровне канального уровня формируются пакеты данных (MAC PDU), которые затем передаются на физический уровень, инкапсулируются в физические пакеты и транслируются через канал связи. Пакет PDU включает заголовок и поле данных (его может и не быть), за которым может следовать контрольная сумма CRC. Заголовок PDU занимает 6 байт и может быть двух типов - общий и заголовок запроса полосы пропускания. Общий заголовок используется в пакетах, у которых присутствует поле данных. В этом заголовке указывается идентификатор соединения (CID), тип и контрольная сумма заголовка, а также приводится информация о наличии в поле данных подзаголовков и сообщений ARQ.

Заголовок запроса полосы (также 6 байт) применяется, когда АС просит у БС выделить или увеличить ей полосу пропускания в нисходящем канале. При этом в заголовке указывается CID и размер требуемой полосы (в байтах, без учета заголовков физических пакетов). Поля данных после заголовков запроса полосы нет.

Поле данных может содержать: подзаголовки MAC, управляющие сообщения и собственно данные приложений верхних уровней, преобразованные на CS-подуровне. МАС-подзаголовки могут быть пяти типов - упаковки, фрагментации, управления предоставлением канала, а также подзаголовки Mesh-сети и подзаголовок канала быстрой обратной связи Fast Feedback.

Управляющие сообщения - это основной механизм управления системой IEEE 802.16. Всего зарезервировано 256 типов управляющих сообщений, из них используются только 48. Формат управляющих сообщений прост - поле типа сообщения (1 байт) и поле данных (параметров) произвольной длины.

Доступ к каналу предоставляется исключительно базовой станцией по предварительному запросу. Начальная инициализация АС и запрос канала происходят на основе механизма конкурентного доступа в специально отведенных для этого временных интервалах. БС назначает АС время и длительность доступа к каналам в зависимости от типов данных и приоритетов. Канальный ресурс конкретной АС может изменяться посредством опроса (поллинга) со стороны БС или специальных управляющих сообщений со стороны АС при очередной передаче данных. Как видим различия в стандартах IEEE 802.16-2002 и IEEE 802.16 на канальных уровнях весьма несущественны.

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

Режим OFDM - это метод модуляции потока данных в одном частотном канале (шириной 1-2 МГц и более) с центральной частотой . Деление же на каналы, как и в случае SC - частотное. Напомним, что при модуляции данных посредством ортогональных несущих в частотном канале выделяются поднесущих так, что , где - целое число из диапазона (в данном случае ). Расстояние между ортогональными несущими , где - длительность передачи данных в символе.

Помимо данных OFDM-символ включает защитный интервал длительностью , так что общая длительность OFDM-символа (см. рис. 3.9). Защитный

OFDM-символ

Рис. 3.9

интервал представляет собой копию оконечного фрагмента символа. Его длительность может составлять и от .

Каждая поднесущая модулируется независимо посредством квадратурной амплитудной модуляции. Общий сигнал вычисляется методом быстрого преобразования Фурье (ОБПФ) как

, где - комплексное представление символа квадратурной модуляции (QAM-символа). Комплексное представление удобно, поскольку генерация радиосигнала происходит с помощью квадратурного модулятора в соответствии с выражением , где и - синфазное и квадратурное (целое и мнимое) значения комплексного символа, соответственно.

Для работы алгоритмов БПФ/ОБПФ желательно, чтобы количество точек соответствовало . Поэтому число несущих выбирают равным минимальному числу , превосходящему . В режиме OFDM стандарта IEEE 802.16 , соответственно . Из них 55 образуют защитный интервал на границах частотного диапазона канала. Центральная частота канала () и частоты защитных интервалов не используются (т.е. амплитуды соответствующих им сигналов равны нулю).

Из остальных 200 несущих восемь частот - пилотные (с индексами ), остальные разбиты на 16 подканалов по 12 несущих в каждом, причем в одном подканале частоты расположены не подряд. Например, подканал 1 составляет несущие с индексами -100, -99, -98, -37, -36, 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 OFDM-символа зависит от ширины полосы канала BW и системной тактовой частоты (частоты дискретизации) ; . Соотношение нормируется и в зависимости от ширины полосы канала принимает значение 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 1800) просто исчезнуть. Для предотвращения потери информации при пропадании отдельных символов или их фрагментов стандарт IEEE 802.16-2004 предусматривает эффективные средства канального кодирования.

Кодирование данных на физическом уровне включает три стадии - рандомизацию, помехозащитное кодирование и перемеживание. Рандомизация происходит почти так же, как в предыдущем стандарте, то есть на блоки данных накладывается псевдослучайная последовательность, вырабатываемая регистром сдвига с характеристическим многочленом .

В нисходящем потоке генератор ПСП инициализируется начальным заполнением . Начиная со второго пакета кадра генератор ПСП инициализируется на основе идентификационного номера базовой станции BSID, идентификатора профиля пакета DIUC Downlink interval usage code и номера кадра (см. рис. 3.10). В восходящем потоке все происходит аналогично, с той лишь разницей, что инициализация генератора ПСП по схеме, приведенной на

Формирование вектора инициализации ПСП для рандомизации нисходящего потока OFDM

Рис. 3.10

рис. 12, происходит с первого пакета (вместо DIUC используется UIUC uplink interval usage code). Кодирование данных сначала происходит с помощью кода Рида-Соломона над , а потом данные кодируются сверточным кодом. 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 , перед ними добавляются () нулевых байт. После кодирования эти байты удаляются. Если необходимо сократить число проверочных символов, так чтобы уменьшить число восстанавливаемых байт , используются только первые проверочных байтов. Обязательные для поддержки в IEEE 802.16-2004 варианты кодирования приведены в таблице 3.

Таблица 3

Основные режимы в стандарте IEEE 802.16-2004

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7