Материал: Стандарт WiMAX. WiMAX – технологія безпровідного зв’язку

Базова станція надає SS тимчасове вікно на передачу відповідно до розкладу і потрібним для SS розміру інтервалом часу. Розмір необхідного вікна часу в системі визначається кількістю міні-слотів (міні-доменів). Один міні-слот (8 передаваних символів) містить 2 фізичних слота по 4 символи в кожному стозі. У стандарті розглянутий приклад можливості надання базовою станцією тимчасового вікна на можливу передачу для станції користувача. Наприклад, в системі WIRELESSMAN-SC (WIMAX з тією, що однією несе) преамбула повідомлення UCD займає 16 символів (2 міні-слоти), запит на надання смуги 3 міні-слоти і ще 3 міні-слоти потрібно для підготовки SS до передачі. Отже їй потрібне тимчасове вікно розміром 8 міні-слотів (64 символи). Якщо, наприклад, базова станція має в своїх списках запрошуваної кількості символів тільки 24 міні-слоти, то тимчасові вікна по 8 міні-слотів, сприятливих для передачі, вона може надавати тільки 3-м станціям користувачів.

.4 Фізичний рівень підтримки системи OFDM-MAN

Фізичний рівень, що забезпечує передачу інформації в мережі міського значення MAN-OFDM, заснований на технології OFDM, як найбільш пристосованою для застосування в умовах непрямої видимості. Для умовної прямої видимості стандартами 802.16 і 802.16-2004 передбачено використовувати пряме розширення спектру тільки з однією SC, що несе {Single Carrier), як технічно більш простій. Про ці способи розширення спектру сказано в розділі 4. У даному розділі розглядаються процедури, що відносяться лише до технології OFDM і OFDMA.

·        застосування кодів, що виявляють помилки;

·        застосування механізму прямого виправлення помилок FEC з використанням кодів, що дозволяють коректувати виявлені помилки:

·        застосування протоколів, що здійснюють процедуру автоматичного запиту повторної передачі неякісних кадрів, - ARQ.

Застосування цих способів можливе лише за рахунок введення при передачі крім даних трафіку ще і додаткових біт (або навіть декілька байт) виявляючих і коректуючих код. В результаті частка корисного трафіку загалом переданому потоці даних в каналах з надмірним кодуванням зменшується. Для збереження швидкості передачі корисного трафіку доводиться загальну швидкість передачі даних (трафік + надмірні коди).

Це плата за підвищення достовірності доставки даних трафіку. Операції кодування, а на приймальному кінці декодування виконуються на фізичному рівні. Саме на цьому рівні дані готуються (кодуються) для передачі по каналу зв'язку, що включає середовище передачі. Тому цей процес називають канальним кодуванням (на приймальному кінці - канальним декодуванням). Після канального кодування дані подаються безпосередньо на модулятор для перетворення в радіосигнал.

2. Виявлення помилок

Досить просто реалізується спосіб застосування код, що виявляють помилки. Процедура виявлення помилок грунтується на наступному принципі: до передаваного інформаційному кадру завдовжки До біт додаються N-K біт коди виявлення помилок, так що довжина переданого кадру стає рівною N битий. Значення коди виявлення помилок обчислюється, як функція переданих інформаційних біт. У приймачі інформаційні і контрольні біти відділяються один від одного. На основі отриманих інформаційних даних в приймачі знов обчислюють перевірочний код. Якщо прийнятий і обчислений коди співпадають, то ухвалюється рішення про відсутність помилки; якщо коди не співпадають, то помилка є. На практиці завжди є вірогідність того, що помилка не буде виявлена навіть із застосуванням перевірочних код. Цю вірогідність прийнято називати залишковим рівнем помилок.

Найбільш простій спосіб виявлення помилок - додавання біта парності в кінці кожного переданого блоку даних. Є два різновиди такого підходу.

При негативній парності необхідно, щоб загальне число логічних одиниць в блоці стало непарним, тобто в кінці блоку додають логічну одиницю або логічний нуль для отримання непарної кількості одиниць.

При позитивній парності додають логічну одиницю або логічний нуль для отримання парної кількості одиниць.

Якщо в процесі передачі і прийому один з бітів змінився, то наявність помилки буде виявлена. Неважко відмітити, що при зміні значень у парної кількості битий такий спосіб помилки не виявить. Тому проста перевірка парності не є надійним засобом виявлення помилок. Надійнішим і таким, що найбільш вживається є метод циклічної перевірки парності з надмірністю CRC (Cyclic Redudancy Check). У такому методі до переданого кадру з до біт додається п-к біт так званої контрольної послідовності кадру FCS (Frame Check Sequency). Отриманий блок з біт повинен ділитися без залишку на заздалегідь задану константу. Таке ділення виконується в приймачі. Якщо ділення пройшло без залишку - помилки в прийнятому блоці немає. Таким методом можна виявляти одну або декілька помилок. Зміну значення біта можна тлумачити як застосування до даного біта операції того, що виключає АБО (операнд XOR).

.1 Рандомізація джерела

Процес рандомізації потрібний для того, щоб уникнути передачі довгих послідовностей, що складаються з нулів або одиниць. У разі таких довгих послідовностей сигнали погано підтримуватимуть процес синхронізації. При рандомізації послідовність даних or джерела складається з «добре перемішаною» псевдовипадковою послідовністю і відновлюється на приймальному кінці, де закон рандомізації також відомий. Рандомізація даних виконується в кожній пачці лінії вгору і лінії вниз, тесть в подканапах частотної області і модуляції OFDM поде-несущих - в тимчасовій. Якщо кількість даних для передачі не точно відповідає кількості тих, що виділених піднесуть. То додаватиметься до кінця блоку передачі доповнення OXFF. Для ВТС і СТС, якщо вони застосовуються, добавка додаватиметься до кінця блоку передачі для заповнення до потрібної кількості битий.

Рандомізація виконується за допомогою регістра PRBS (Pseudo Random Binary Sequency). Генератор псевдовипадкової послідовності бітів PRBS працює відповідно до полінома 1 + .v + x як показано на рис. 2.1

Кожен байт переданих даних послідовно поступатиме в ран-домизатор, причому старший біт MSB - першим, молодший біт LSB - останнім. Преамбули не рандомізуються. Початкове значення використовується для обчислення бітів рандомізації, які об’єднуються в операнд XOR (що виключає АБО) яровини допомоги серіалізованого бітового потоку кожної пачки. Рандомізація застосовується тільки до біт інформації. Биті з виходу рандомізатора подаватимуться на кодер.

Рис. 2.1. Рандомізація за допомогою PRВS

У низхідному потоці рандомізатор буде на старті кожного фрейма послідовністю 100101010000000. Рандомізатор не буде переустановлений на початку пачки №1. На початку подальших пачок, починаючи з пачки № 2, рандомізатор ініціалізує вектором рис. 3. Номер фрейма, використаний для ініціалізації, відноситься до того фрейма, в якому передається пачка в низхідному потоці.

Рис. 2.2. OFDM-рандомізуючий вектор на лінії вниз

На висхідному потоці робота рандомізатора ініціалізувалася вектором Рис. 6.4. Номер фрейма, використовуваний для ініціалізації, - це номер того фрейма, в якому є UL MAP, що визначає передану пачку.

Рис. 2.3. OFDM-рандомізуючий вектор на лінії вниз

2.2 Пряме виправлення помилок (FEC)

У стандарті 802.16-2004 для виявлення і корекції пачок переданих даних використовуються коди Ріда-Соломона (Reed-Solomon). В цьому випадку FEC складається з зовнішнього ланцюгового коду Ріда-Соломона і суміщеного внутрішнього згортальної коди. Ланцюгової код Ріда-Соломона разом зі зверх-точним кодом позначають RS-CC. FEC застосовується і для лінії вгору, і для лінії вниз. Підтримка ВТС і СТС є опціонної. Швидкість зверхточного кодування в кодері Ріда-Соломона дорівнює 1/2 і завжди буде використовуватися в якості кодує режиму при запиті доступу до мережі. Кодування виконується пропусканням даних в блоковому форматі через RS-кодер, потім дані пропускають через кодер СС. При використанні коду Ріда-Соломона дані обробляються порціями, званими символами. У символі міститься М біт. Значення М є ступенем 2. У стандарті 802.16-2004 прийнято широко застосовуване значення М = 2. Переданий блок (дані + контрольний код) довжиною N біт містить N = символів = M біт. Блоки передають послідовністю пачок. Вважаючи довжину блоку даних К біт. отримуємо, що довжина контрольного коду буде (N - K) біт. Зазвичай це записують у вигляді параметрів коду (N, K, T). де Т-можливу кількість виправляються символів. Довжину контрольного коду можна виразити через кількість символів Т, які можна виправити цим кодом (N - К) - 2 Т. Для кодів Ріда-Соломона, застосовуваних в WiMAX, згідно стандарту 802.16-2004 параметри кола (N = 255, К = 239. Т = 8) символів. При (М = 8) довжина кожного блоку, що піддається кодуванню. N = 2048 біт, довжина блоку даних К = = 1912 біт, Т = 64 біта.Код Ріда-соломона, вживаний в WIMAX, відноситься до так званого підкласу недвійкових код БЧХ (код Боуза-чоудхурі-хоквінгема).

У кодері блоки довжиною N розбиваються на групи. Кожна група перетвориться в символи довжиною М = 8 так. що N = Перетворення продуктивності з використанням полів Галуфа GF( ) (Galois Field). Кодування проводиться систематичним кодом. Після пермеження кожен символ перетвориться назад в еквівалентну двійкову форму.

Поліноми, використовувані для систематичної коди:

поліном генератора коди: g(x) = (χ + λ0)(χ+ λ1 )(χ+ λ2).(χ+λ2Т - 1), λ = 02НЕХ;

поліном генератора поля: р{ х)=+1

Код коротшає проріджуванням, для того, щоб зробити можливим існування блоків колишньої довжини і варіювати можливість виправляти помилки різної довжини. Коли блок коротшає до До' байтів даних, то як префікс додаються 239 - К' нульових байтів. Після закінчення кодування ці нульові байти відкидаються. Коли кодове слово проріджується, щоб зробити можливим корекцію Т байтів, то використовуватимуться тільки перші 2T'из загальної кількості 16 паритетних бантів. Біто-байтове перетворення матиме місце на початку старшого біта MSB.

Кожен RS-блок кодується бінарним згортальним кодером, який повинен мати властиву нею швидкість 1/2, Обмежувальна довжина рівна 7.

.3 Перемеження (чергування) блоків

Перемеження є ефективним методом боротьби з групуючими помилками в каналах, схильних до глибоких завмирань. Суть методу в тому, що символи кодового слова повинні бути переставлені так. щоб поразка групи символів відбувалася кожного разу в різних кодових словах, тобто поразку необхідно “розсіяти” по багатьом кодовим словам. В цьому випадку вони стають незалежними і їх легко виявляти і виправляти. Відомо декілька способів чергування: діагональне. згортальне, міжблокове і блокове. Часто застосовують комбінацію цих способів.

Чергування блоків проводиться за допомогою запису даних в буфер t виді прямокутної матриці, N стовпців (де N рівне сумі, дані + перевірочні символи) і L рядків, рівних числу тих, що піднесуть, що має. Запис проводиться після рядків, тобто у міру надходження символів в блоках в порядку їх черговості, а прочитування в модулятор проводиться по стовпцях. Тим самим в кожен лічений стовпець по черзі поступатимуть дані з рядків. Запис і прочитування ведуться по прямокутній матриці зліва направо і зверху вниз.

Всі кодовані біти даних перемежатимуться в блоковому перемежувачі з розміром блоку, відповідним числу кодованих бітів на виділені підканали на кожен OFDM-символ Ncbps- Перемеження відбувається в два ступені. На першому перемеження прочитування по стовпцях гарантує те, що сусідні кодовані біти відображаються на невідповідні що піднесуть. На другому перемеження символи розміщують так, щоб гарантувати відображення кодованих біт, що є сусідами, по черзі на більш менш значущі біти сузір'я. У результаті вдається уникнути довгих ділянок бітів, схильних до помилок.

Хай s = ceil(Ncpc / 2)

(ceil - найбільше ціле число від виразу в дужках). В межах блоку з Ncpc бітів при передачі хай до буде індексом кодованого біта до першого перемикання, тк буде індексом цього кодованого біта після першого перемикання і перед другим перемиканням і хай jk буде індексом після другого перемикання безпосередньо перед модуляцією. Перше і друге перемежения можна описати виразами. Перше перемеження:

тк = (Ncpc / 2)* kmod12 + floor(до / 12), до = 0, 1... Ncpc - 1,

де floor - найменше ціле від виразу в дужці. Друге перемеження:

= s* floor(Mk / s)+ (тк + Ncpc - floor(12 • тк / Ncbps)) mod(s) к = 0, 1,..., Ncbps-1

Деперемежувач в приймачі виконує операцію, зворотню перемежувачу в передавачі, і також визначається двома перемеженнями. В межах отриманого блоку з Ncbps блоків хай j буде індексом прийнятого біта до першого перемеження, т. - після першого перемеження до другого і kj- індекс бита після другого перемеження безпосередньо перед доставкою блоку на декодер. Тоді індекси бітів після деперемеження в приймачі визначаються виразами.

Перше перемеження:

= S floor ( j / s ) + ( j+ floor(12*j/Ncbps))mod(s), j=0.1.Ncbs-1

Друге перемеження:

=12*mj -( Ncbps-1)* floor(12* mj / Ncbps), j=0.1. Ncbps-1.

Перший біт з виходу перемежувача відобразить старший біт (MSB) в сузір'ї.

3. Застосування OFDM сигналу на фізичному рівні мережі WIMAX

Технологія широкосмугових радіосигналів (ШПС) була розроблена в середині минулого століття і спочатку застосовувалася військовими з метою підвищення скритності і перешкодостійкості зв'язку. Найважливішою гідністю широкосмугових систем є висока швидкість передачі даних. При цьому поняття широкосмугової (broadband) трактується не тільки як використання радіосигналу з широким частотним спектром, але і як здатність системи забезпечити високу швидкість передачі даних, необхідну для мультисервісного обслуговування (доступ в Інтернет, передача даних, голосу, відео і ін.).

У системах WIMAX застосовується широкосмуговий Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) сигнал, утворений з безлічі рознесених по частотному спектру вузькосмугових сигналів. Застосування OFDM сигналу забезпечує системі WIMAX найвищу в класі BWA спектральну ефективність (швидкість передачі даних в одному Герці смуги частотного спектру), можливість роботи поза прямою видимістю, найвищі енергетичні параметри зв'язку забезпечують високу дальність зв'язку, можливість ефективного обслуговування мобільних абонентів.

.1 Спектральна ефективність OFDM сигналу системи WIMAX

Спектральна ефективність системи оцінюється максимальною можливою швидкістю передачі даних (кількість передаваних бит/c) системи в одиниці смуги займаних частот в один Герц. Висока спектральна ефективність системи WIMAX досягається за рахунок розподілу передачі інформації по паралельних підканалах тих, що піднесуть сигналу OFDM.є множиною вузькосмугових рознесених по частоті сигналів-піднесених (subcarrier)

Рис. 3.1 Спектр радіосигналу з однією несучою (а) і OFDM (б)

сигнал формується таким чином. Деяка високошвидкісна послідовність імпульсів спочатку ділиться на безліч паралельних цифрових потоків з імпульсами більшої тривалості.

Кожна знов освічена послідовність імпульсів модулюється по амплітуді і по фазі QAM корисним сигналом (constellation mapping), що несе інформацію про передавані дані. Отримана безліч модульованих послідовностей імпульсів за допомогою частотного мультиплексора об'єднується в сукупність розділених по частоті ортогональних каналів (що піднесуть), утворюючи єдиний широкосмуговий сигнал. Далі сигнал з безліччю тих, що піднесуть перетвориться за допомогою Digital Analog Converter (DAC) у високочастотний аналоговий радіо сигнал і передається по безпровідному каналу зв'язку.

Операція ортогонального частотного мультиплексування з математичної точки зору є операцією FFT - дискретного зворотного швидкого перетворення Фурье. З фізичної точки зору мультиплексування переводить тимчасові імпульси time domain в частотний розподіл frequency domain (рис 3). На приймальній стороні відбувається зворотна операція перетворення в проміжну частоту, демультиплексування і демодуляції широкосмугового сигналу.