- •Часть 1
- •Основные сведения о радиосистемах передачи информации
- •Роль и значение радиосистем передачи информации. Краткий исторический очерк развития систем передачи информации
- •Информация, сообщение, сигнал
- •Классификация систем передачи информации
- •Основные характеристики
- •Каналы связи
- •Общие сведения
- •Искажения сигналов в непрерывных каналах
- •Помехи в каналах связи
- •Математические модели каналов
- •Аналоговые системы передачи
- •Двусторонняя передача сигналов
- •Каналы связи для аналоговых систем передачи
- •Формирование стандартных групповых сигналов
- •Основные узлы систем передачи
- •Методы организации двусторонних тактов
- •Краткая характеристика аналоговых систем передачи
- •Цифровые системы передачи
- •Особенности построения цифровых систем передачи
- •Иерархии цифровых систем передачи
- •Европейская плезиохронная цифровая иерархия
- •Принципы синхронизации цсп
- •Генераторное оборудование цсп
- •Структуры кадров
- •Синхронная цифровая иерархия
- •Коды линии
- •Основные типы кодов
- •Технологии xDsl
- •Скремблирование
- •Интерфейс g.703
- •Волоконно-оптические системы передачи и перспективы их развития
- •Системы радиосвязи
- •Основные определения
- •Радиопередающие устройства
- •Радиоприемные устройства
- •Антенны и фидеры
- •Радиорелейные системы передачи
- •Тропосферные радиорелейные системы передачи
- •Системы передачи на декаметровых волнах
- •Системы передачи, использующие ионосферное рассеяние радиоволн и отражение от следов метеоров
- •Спутниковые системы связи
- •Стандарт широкополосного доступа ieee 802.16-2004
- •Структура мас-уровня
- •Соединения и сервисные потоки
- •Пакеты мас-уровня
- •Общая структура кадров ieee 802.16
- •Принцип предоставления канальных ресурсов
- •Механизмы подтверждения приема и быстрой обратной связи
- •Физический уровень стандарта ieee 802.16
- •Режим WirelessMan-sc
- •Режим WirelessMan-ofdm
- •Mesh-сеть
- •Режим ofdma
- •Поддержка адаптивных антенных систем
- •Работа с направленными aas
- •Пространственно-временное кодирование
- •Аппаратная поддержка стандарта ieee 802.16
- •Интегральная элементная база
- •Особенности реализации аппаратуры стандарта ieee 802.16
- •Будущее широкополосного беспроводного доступа по стандартам ieee 802.16
- •Оглавление
- •Часть 1
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
Физический уровень стандарта ieee 802.16
На физическом уровне стандарт IEEE 802.16 предусматривает три принципиально различных метода передачи данных — метод модуляции одной несущей в диапазоне ниже 11 ГГц — SCa), метод модуляции посредством ортогональных несущих OFDM (orthogonal frequency division multiplexing) и метод мультиплексирования (множественного доступа) посредством ортогональных несущих OFDMA (orthogonal frequency division multiple access). Отметим, что метод Sca отличается от своего более высокочастотного собрата SC прежде всего по методам помехоустойчивого кодирования и модуляции (допускается квадратурная 256-QAM).
Режим WirelessMan-sc
Метод WirelessMAN-SC стандарта IEEE 802.16 описывает работу в диапазоне 10 66 ГГц сетей с архитектурой «точка-многоточка» (из центра многим). Это двунаправленная система, т. е. предусмотрены нисходящий и восходящий потоки. При этом каналы подразумеваются широкополосные (до 25 28 МГц), а скорости передачи высокие (например, 120 Мбит/с).
Канальное кодирование. Тракт обработки данных и формирования выходного сигнала для передачи через радиоканал в стандарте IEEE 802.16 достаточно обычен для современных телекоммуникационных протоколов (рис. 58) и практически одинаков для восходящих и нисходящих соединений.
Рис. 58. Тракт формирования выходного сигнала в стандарте IEEE 802.16 (нисходящий канал)
Входной поток данных скремблируется — подвергается рандомизации, т. е. умножению на псевдослучайную последовательность (ПСП), получаемую в 15- разрядном сдвиговом регистре (рис. 59) (задающий полином ПСП — с(х) = = х15 + хы + 1, начальное значение — 4A80i6). Далее скремблированные данные защищают посредством помехоустойчивых кодов (FEC-кодирование). При этом можно использовать одну 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 К = 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) и блоковый турбокод. Размер кодируемого информационного блока и число избыточных байт не фиксированы — эти параметры можно задавать в зависимости от условий среды передачи и требований QoS.
Рис. 59. Генерация ПСП для рандомизации данных
Так, для кода Рида- Соломона размер исходного блока данных может быть от 6 до 255 байт, а число избыточных байт — до 32 (всего до 255 байт). Первые два алгоритма кодирования обязательны для всех устройств стандарта, остальные два алгоритма — опциональны.
Метод WirelessMAN-SC, как и следует из его названия (SC —Single Carrier), предусматривает схему с модуляцией одной несущей в каждом частотном канале. Допускается три типа квадратурной амплитудной модуляции: 4-позиционная QPSK и 16-позиционная 16-QAM (обязательны для всех устройств), а также 16-QAM (опционально). Кодированные блоки данных 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 (I) и квадратурная (Q) координаты. Далее последовательность дискретных значений в каналах I и Q преобразуется посредством так называемого синусквадратного фильтра (square-root raised cosine filter) в непрерывные (сглаженные) сигналы. Передаточная функция синусквадратного фильтра записывается как
(29)
где — коэффициент избирательности (по стандарту IEEE 802.16 = 0,25), fN — частота Найквиста, равная половине частоты дискретизации.
Фильтрованные потоки I(t) и Q(t) поступают непосредственно в квадратурный модулятор, где формируется выходной сигнал
S(t) = I(t)cos(2nfct) - Q(t) sin(2πfct), (30)
fc — несущая частота. Далее сигнал усиливается и передается в эфир. На приемной стороне все происходит в обратном порядке. В результате в зависимости от ширины канала и метода модуляции формируется достаточно широкий набор скоростей потока данных (табл. 15).
Структура кадров. Передача данных на физическом уровне происходит посредством 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 (рис. 60). Управляющая секция может содержать карты DL/UL-MAP и дескрипторы нисходящего/восходящего каналов. Сообщения этой секции всегда передаются посредством QPSK.
Таблица 15
Скорость физического потока данных в зависимости от вида модуляции и ширины канала
Ширина канала, МГц |
Скорость символов, Мбод |
Скорость физического потока данных, Мбит/с |
||
QPSK |
16-QAM |
64-QAM |
||
20 |
16 |
32 |
64 |
96 |
25 |
20 |
40 |
80 |
120 |
28 |
22,4 |
44,8 |
89,6 |
134,4 |
Рис. 60. Структура кадра в стандарте IEEE 802.16 для системы с временным (а) и частотным (б) дуплексированием каналов
Поскольку определяемая стандартом IEEE 802.16 система двунаправленная, необходим дуплексный механизм. Он предусматривает как частотное (FDD — frequency division duplex), так и временное (TDD — time division duplex) разделение восходящего и нисходящего каналов.
При временном дуплексировании каналов кадр делится на нисходящий и восходящий субкадры (их соотношение в кадре может гибко изменяться в процессе работы в зависимости от необходимой полосы пропускания для нисходящих и восходящих каналов), разделенные специальным интервалом (рис. 60, а). При частотном дуплексировании восходящий и нисходящий каналы транслируются каждый на своей несущей (рис. 60, б).
В нисходящем канале информация от базовой станции передается в виде последовательности пакетов (метод временного мультиплексирования TDM — time division multiplex) (рис. 61). Для каждого пакета можно задавать метод модуляции и схему кодирования данных, т. е. выбирать между скоростью и надежностью передачи. Данные о параметрах пакета, его длине, моменте начала передачи, а также о его принадлежности к определенному соединению (соответственно, об адресации определенной АС) содержатся в карте нисходящего канала DL-MAP.
Точка начала отсчитывается в так называемых физических слотах (один физический слот равен четырем модуляционным символам).
Рис. 61. Структура нисходящего канала
В нисходящем субкадре пакеты выстраиваются в очередь с неравной защитой пакетов 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 и идентифицируются абонентскими станциями на основе информации в DL-MAP.
Абонентские станции получают доступ к среде передачи посредством механизма временного разделения каналов (TDMA — time division multiple access) (рис. 62). Для этого в восходящем субкадре для каждой передающей АС базовая станция резервирует специальные временные интервалы — тайм-слоты. Информация о распределении тайм-слотов между АС записывается в карте восходящего канала UL-MAP, транслируемого 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. 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.
Рис. 62. Структура восходящего канала
В восходящем канале также предусмотрены интервалы конкурентного доступа для первичной регистрации в сети или для запроса канала/изменения полосы пропускания канала.
Стандарт IEEE 802.16 допускает применение как дуплексных, так и полудуплексных абонентских станций. Последние не способны одновременно принимать и передавать информацию. В режиме FDD для полудуплексных АС, которые в силу конструктивных особенностей сначала принимают информацию и лишь затем передают свои данные, в нисходящем FDD-кадре предусмотрена TDMA-область —- для таких станций информация передается в определенных временных интервалах (рис. 63). Причем нисходящие пакеты, передаваемые в режиме TDMA, обязательно снабжают преамбулой — синхропоследовательностью длиной 16 QPSK-символов, чтобы полудуплексные абонентские станции могли при необходимости восстановить синхронность.
Рис. 63. Нисходящий канал в случае FDD при работе с полудуплексными абонентскими станциями
Отметим, что используемое в документе IEEE 802.16 терминологическое деление на TDM- и TDMA-области в нисходящем субкадре не совсем корректно, поскольку по смыслу в данном случае они практически идентичны. Видимо, проблема проистекает из первоначальной редакции стандарта IEEE 802.16-2001, в которой подразумевалось, что в режиме TDM каждая АС принимает все пакеты, декодирует их заголовки и по МАС-адресам распознает «свои». В новой редакции указано, что распределение пакетов в DL-субкадре приведено в DL-MAP (хотя не исключатся и «старая» схема). Единственное различие между TDM и TDMA — если при TDM пакеты следуют один за другим, без интервалов, то в зоне TDMA между отдельными пакетами с преамбулами возможны незаполненные интервалы, в течение которых передатчик БС «молчит».