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

Тим самим, в умовах присутності інтерференції для підтримки, наприклад, модуляції 64QAM3/4 абсолютно недостатньо мати рівень сигналу RSSL, що перевищує рівень чутливості приймача для 64QAM3/4 на величину fade margin. Тобто, тільки за значенням рівня сигналу RSSL за наявності інтерференції неможливо визначити який тип модуляції може підтримуватися системою. Наприклад, рівень вхідного сигналу RSSL може бути рівним - 65 dBm, що в умовах відсутності інтерференції більш ніж достатньо для підтримки модуляції 64QAM3/4 при будь-якій ширині каналу. Проте за наявності інтерференції реальне отримуваний CINR може бути менше величини 20 dB, що не дозволяє підтримувати модуляцію 64QAM3/4 з рівнем помилок BER=10E-6.

Якщо зміряне системою значення CINR перевищує значення 21 dB, то це означає, що сигнал RSSL перевищує рівень порогової чутливості для 64QAM3/4. Якщо зміряне системою значення CINR перевищує значення 27dB, то по колишньому сигнал RSSL перевищує рівень порогової чутливості для 64QAM3/4, але при цьому рівень інтерференції не перевищує допустимого рівня і не впливає на приймач системи.

Таким чином, для підтримки системою WIMAX найвищої символьної швидкості на модуляції 64QAM3/4 необхідно і достатньо, щоб відношення сигнал/шум + інтерференція CINR перевищувала значення 21-27 dB на величину fade margin.

Тим самим, об'єктивним показником можливості підтримки тієї або іншої модуляції є вимірюване системою WIMAX відношення CINR. Саме по значення CINR, що набуває, система WIMAX встановлює робочу модуляцію сигналу, що забезпечує стійку роботу каналу зв'язку з рівнем бітової помилки не вище BER=10E-6.

Зазвичай базову станцію WIMAX настроюють на роботу в умовах відсутності або низького рівня інтерференції, задаючи максимальний рівень потужності вхідного сигналу близькому до значення чутливості Rx плюс fade margin в 1-3 dB, що для систем з шириною каналу 10 Мгц складає порядку -

dBm. Cистема WIMAX за відсутності інтерференції здатна працювати на модуляції 64QAM3/4 при CINR >= 21 dB. Запас по завмираннях fade margin для CINR зазвичай вибирається 1 dB або для стабільнішої роботи 3 dB. Поріг перемикання на нижчу модуляцію, наприклад, 64QAM2/3 також може складати 1 dB. Верхній і нижній пороги перемикання модуляцій утворюють так званий гістерезис. Тим самим, система WIMAX може бути стандартно настроєна таким чином, що досягши CINR=24 dB включається модуляція 64QAM3/4, яка міняється на 64QAM2/3 при зниженні рівня CINR нижче 20 dB. Якщо в процесі роботи системи WiMAХ із стандартними настройками поточне вимірюване значення CINR рівне 27 dB і вище, то це свідчить про те, що навіть якщо інтерференція і присутній, то її рівень не впливає на роботу системи на модуляції 64QAM3/4. Якщо вимірюваний рівень CINR менше 20 dB при RSSL = -70 dBm, то це свідчить про наявність сильної інтерференції. В цьому випадку, якщо понизити рівень потужності інтерференції неможливо або скрутно, то на базовій станції може бути підвищений максимальний рівень вхідного сигналу до 65 і навіть 60 dBm. При цьому вимоги до CINR для 64QAM3/4 знижуються до 21 dB і для стійкої роботи системи гістерезис підтримки модуляції 64QAM3/4 також повинен бути відповідним чином змінений.

Важливою відмінністю систем WIMAX від preWiMAX є спосіб вимірювання SNR, системою, що реалізовується, в процесі її роботи. Система WIMAX вимірює SNR шляхом обчислення рівня CINR на основі підрахунку кількості прийнятих помилкових біт для кожного пакету даних і на основі аналізу отриманого рівня CINR вибирає тип підтримуваної модуляції. Системи preWiMAX взагалі можуть не проводити оцінку SNR, а вибір типу модуляції проводити на основі аналізу рівня вхідного сигналу RSSL (або деякої абстрактної величини RSSI - Receive Strength Signal Indicator). Також може проводитися оцінка рівня шуму (інтерференції) на основі вимірювання рівня потужності сигналів, не розпізнаних демодулятором приймача, і даватися вельми приблизна оцінка результуючого SNR. Тим самим для preWiMAX систем можлива ситуація, коли індикатори показує хороший рівень вхідного сигналу RSSI і SNR, але в радіоканалі унаслідок дії перешкод є високий рівень помилок. Така ситуація в системах WIMAX принципово неможлива. Система WIMAX завжди адекватно реагує на високий рівень інтерференції шляхом пониження рівня модуляції на основі аналізу значення CINR, що набуває, і не допускає збільшення помилок в радіоканалі зверху необхідної величини.

При оцінці дальності зв'язку в умовах інтерференції вираз (3) розрахунку потужності вхідного сигналу RSSL трансформується у вираз розрахунку необхідного рівня SNR = С/n + I або С/i відношення сигнал/шум + інтерференція. Слід зазначити, що вплив інтерференції будь-якого типу на OFDM сигнал з невеликою кількістю тих, що піднесуть, а також на сигнал з тією, що однією несе, в загальному випадку, носить більш деструктивний характер, ніж на сигнал з великою кількістю тих, що піднесуть. Це виражається в тому, що рівень SNR, потрібний для роботи, наприклад, 64QAM3/4 в умовах сильної інтерференції для сигналу з меншою кількістю тих, що піднесуть (preWIMAX) може бути значно більше необхідного рівня SNR з великою кількістю тих, що піднесуть (WIMAX). Це дає додатковий запас по енергетиці сигналу системам WIMAX при роботі в умовах інтерференції і збільшує максимальну дальність зв'язку.

4. Закони розподілу завмирань

Параметри завмирань (федингів), такі як ослаблення і затримки зазвичай моделюються як імовірнісні процеси, оскільки вони не можуть бути заздалегідь детерміновані. Затримки, як завжди припускають, однорідно розподілені по розумному числу періодів символу. Що огинає прийнятого сигналу, яка залежить від ослаблення, моделюється різними законами розподілу вірогідності залежно від присутності або відсутності «прямої видимості» (LOS) в каналі передачі між передавачем і приймачем і

серйозністю умов завмирання в каналі. Більшість цих моделей припускає велика кількість розсіювачів, достатня для того, щоб як модель каналу могла використовуватися центральна гранична теорема.

Релєєвські (Rayleigh) завмирання.

Модель Релєєвських завмирань використовується для каналів, які не мають сильного компоненту сигналу прямої видимості між передавачем і приймачем. Коефіцієнт завмирань може бути представлений як

де x (t) і у (t) є так званими незалежними реальними імовірнісними процесами Гаусів. Поняття «Гауси» є наслідком того факту, що передбачається велика кількість розсіювань, а застосування центральної граничної теореми до цих випадкових розсіювачів приводить до розподілу Гауса. Середні значення величин x (t) і у (t) прагнуть до нуля, оскільки відсутній сильний компонент сигналу основного променя. Математично, якщо ми маємо дві незалежних і тотожно розподілених випадкових змінних Гаусів X і Y з середнім значенням рівним 0 і змінну, тоді R = pX2 + Y2 має Релєєвський розподіл з функцією щільності вірогідності, що представляється як:

Завмирання Накагамі-м

Що огинає прийнятого сигналу може бути оформлена більш загальною, статистичною моделлю, названою Nakagami-m розподілом, функцію щільності вірогідності для якої представляють у вигляді

Де Nakagami-m

розподіл зводиться до розподілу Релея при m = 1. Параметр m повинен бути вибраний так, щоб відповідати ступеню серйозності завмирань в каналі.

Райсіановські (Rician) завмирання

Модель Райсіановських завмирань використовується для каналів, які мають сильну складову сигналу прямої видимості між передавачем і приймачем. Процес завмирань може бути представлений як

де a0 - постійна, яка представляє амплітуду компоненти променя прямої видимості. Величина компоненти променя прямої видимості визначається коефіцієнтом Райса.

Райсіановський розподіл показує гірші по відношенню до розподілу Релея умови розповсюдження тоді, коли домінуючий компонент променя прямої видимості зникає, тобто, коли a0 стає рівним 0.

У результаті втрати на трасі, затінювання і багатопроменеві фединги - це ті три головні проблеми, з якими зазвичай стикаються, коли безпровідний канал використовується як середовище передачі, і першорядне значення серед них мають завмирання при багатопроменевому режимі розповсюдження. Модель Релєєвських завмирань використовується для того,

щоб моделювати безпровідний канал у тому випадку, коли кожен переданий символ стикається з різними коефіцієнтами завмирань у міру його просування до приймача.

У каналі також відбувається додавання AWGN шуму до переданого символу. Для цього виду моделі, прийнятий символ r може бути виражений як

=hs+n

де h - це складний коефіцієнт Релєєвських завмирань, s - переданий символ і n = складний аддитивний білий шум Гауса

.1 Методи боротьби із завмираннями, які пропонуються для WIMAX

Для боротьби із завмираннями і міжсимвольною інтерференцією при використанні WIMAX в діапазоні 2-11 Ггц в умовах відсутності прямої видимості (NLOS) були запропоновані різні методи для фізичного рівня (PHY) систем WIMAX. Далі буде дан короткий огляд деяких з цих методів.

Розділення - це могутня комунікаційна технологія, яка бореться із завмираннями, експлуатуючи випадкову природу безпровідного каналу, і дозволяє реалізувати незалежний (дуже некерований) канал передачі сигналу між передавачем і приймачем. Навіть у тих випадках, якщо деякі з променів піддаються глибокому завмиранню, інші незалежні від них промені можуть передавати сильний сигнал, і за наявності більш ніж одного променя, при детермінованому виборі одного з них, може бути досягнуте значне поліпшення параметрів [1]. Три головні види розділення, які застосовуються в PHY WIMAX, - це тимчасове розділення, частотне розділення і просторове розділення. З цих трьох типів розділення найбільш важливими на даний момент можна рахувати просторове розділення і частотне розділення.

Просторове розділення, яке іноді також називають Антенним Розділенням (Antenna Diversity), досягається за наявності безлічі антен в передавачі або приймачі, або і в передавачі, і в приймачі (Множинний Вхід Вихід (MIMO)). Для того, щоб отримати незалежно завмираючі сигнали, необхідна величина розділення в просторі між двома антенами порядка декілька довжин хвилі.

У системі з m передавальних антен, і n приймальних антен, максимальний виграш від розділення рівний mn в припущенні, що коефіцієнти завмирань між індивідуальними парами антен відповідають незалежним і тотожно розподіленим (i.i.d) Релєєвським завмиранням.

Разом з просторово-часовими методами кодування, які покращують надійність прийому, існують також і інші методи MIMO, які збільшують швидкість передачі інформації при постійному рівні надійності (готовності) каналу, збільшуючи кількість мір свободи, застосовних в комунікаціях. Одна з такої техніки - це система Bell Labs Space Time Architecture BLAST, яка досягає посилення мультиплексування, передаючи незалежні потоки символів від безлічі передавальних антен. Якщо промені між індивідуальними парами прийомо-передаючих антен завмирають незалежно, утворюються багатократні просторові паралельні канали, які передають

незалежні інформаційні потоки через ці просторові канали, то, в результаті, швидкість даних може бути збільшена. Цей ефект також називають просторовим мультиплексуванням.

Мета системи BLAST полягає в тому, щоб досягти посилення мультиплексування, передаючи М корисних символів/канал, де М - це кількість передавальних антен, Просторово-часові методи кодування дозволяють досягти максимального посилення розділення і надійно передають 1 корисний символ/канал. Спектральна ефективність Просторово-часових схем кодування може бути покращувана при використанні таких методів, які забезпечують вищий рівень модуляції, але це приводить до погіршення коефіцієнта помилок (BER), оскільки в сузір'ях вищого порядку сигнали розташовані ближче один до одного.

Таким чином, існує зворотна залежність між посиленням розділення і посиленням мультиплексування в безпровідному з пункту до пункту каналі із завмираннями, яка встановлює обмеження для всієї системи MIMO.

Табл. 4.1. Схеми модуляції і кодування для 802.16d.

Для PHY WIMAX також можуть бути запропоновані Просторово-часові блокові коди як додатковий метод, який може бути реалізований при передачі інформації в низхідному каналі для того, щоб забезпечити підвищене розділення [4]. Схема 2 1 або 2 2 Alamouti STBC [8], яка забезпечує обидва види розділення: - розділення в часі і просторове розділення, також може бути здійснена. Для того, щоб в першу чергу скористатися перевагами розділення на прийомі, при якому немає необхідності в додатковій передаваній потужності, застосовують обидві схеми розділення.

4.2 Адаптивна модуляція і Кодова залежність

Стандарт 802.16a/d визначає сім комбінацій модуляції і кодової залежності, які можуть використовуватися для того, щоб досягти різних співвідношень швидкості даних і надійності каналу, залежно від серйозності умов завмирань в каналі. Ці можливі комбінації показані в Табл.1. За рахунок використання модуляцій більш високого рівня можна збільшити швидкість даних, але при цьому погіршити надійність системи і навпаки.

Використовується згортальний кодуючий пристрій з кодовим відношенням 1/2. При використанні в WIMAX PHY згортального кодуючого пристрою, а також при використанні пунктурирования, можуть бути досягнуті повні кодові відносини 2/3 і 3/4. Пунктуровання - це процес видалення деяких з паритетних бітів після кодування. У подальших дослідженнях використовуються тільки схеми модуляції BPSK і QPSK, і ніяке пунктурирование не виконується, тобто, кодове відношення внутрішнього згортального кодера постійне і встановлюється рівним 1/2.

Рис. 4.1. Модель основної системи

На мал. 4.1 показана модель основної системи для PHY рівня WIMAX, яка використовувалася при моделюванні. В результаті моделювання набуті значень коефіцієнта помилок (BER) для різних комбінацій методів кодування і розділення.

Подавлення завмирань OFDM сигналу.

Другою ключовою перевагою технології WIMAX, що забезпечується застосуванням OFDM сигналу, є можливість ефективної роботи каналу зв'язку в умовах відсутності прямої видимості Non Line Of Sight (NLOS) між базовою станцією Base Station (BS) і абонентським терміналом Subscriber Station (SS).

Можливість мереж WiMAХ працювати в умовах NLOS обумовлена стійкістю сигналу OFDM з безліччю радіохвиль, що піднесуть до багатопроменевого розповсюдження, що має місце унаслідок перевідображень сигналу від перешкод між BS і SS.

Багатопроменеве розповсюдження приводить до так званих завмирань (“федінгам” fade), коли радіосигнал багато разів перевідображаючись від перешкод приходить в точку прийому з різною амплітудою, тимчасовою і фазовою затримкою. Перевідображені сигнали, складаючись в протифазі, призводять до зниження рівня (завмиранню) амплітуди результуючого сигналу.

Для боротьби із завмираннями використовуються різні методи. Так в системах Wi-Fi стандарту IEEE 802.11b (сигнал з тією, що однією несе) використовується метод рознесеного прийому (antenna diversity), коли прямій і відбиті сигнали приймаються на дві антени, рознесені на половину довжини хвилі. У GSM і CDMA системах (з тією, що однією несе) застосовуються складні еквалайзери і фільтри. Найбільш ефективним способом боротьби із завмиранням є використання OFDM сигналу з безліччю тих, що піднесуть.