1

Sistemul WiMax

1. Aspecte generale WiMAX(Worldwide Interoperability Microwave Access) este descris de standardul (standardele IEEE 802.16)

• Compatibil cu standardul BWA (Broadband Wireless Access) European; este vorba mai exact de standardul HiperMAN.

• Primele specificaţii complete au apărut în octombrie 2004 (802.16Revd).

• Reprezintă un standard pentru sisteme de acces wireless de bandă largă de tip punct la multipunct (Point-to-Multipoint - PMP);

• Câteva caracteristici de bază: o Raza de acoperire: 30 mile (50km); o Debit de transmisie până la 70Mbps; o Benzi de frecvenţă utilizată: benzi alocate şi nealocate în benzile de 2-11GHz şi 10-

66GHz; o Vizibilitatea directă nu este necesară între staţia de bază şi utilizator;

• Standardul defineşte nivelul MAC şi nivelul fizic; sunt specificate mai multe variante de nivel fizic. Se specifică suplimentar un nivel de convergenţă al transmisiei (Transmission Convergence Sublayer – asigură multiplexarea fluxurilor generate de diferite servicii şi procesarea acestor fluxuri pentru o mai bună adaptare la mediul de transmisie);

• Standul 802.16 este compus practic din mai multe standarde şi anume: o 802.16 (2001) - Utilizează benzi de frecvenţă în domeniul 10 – 66GHz (LOS); - Nivel fizic bazat pe tehnică „single carrier”; - Orientat conexiune, nivel MAC TDM/TDMA, asigură QoS şi securitate; o 802.16a – Utilizează benzi de frecvenţă alocate şi nealocate între 2 şi 11Ghz; – Suportă reţele de tip „mesh”; – Este destinat utilizării în reţele wireless fixe sau nomadice; o 802.16b – Măreşte lărgimea de banda utilizată în benzile de 5 şi 6GHz – Asigură QoS pentru servicii de timp real (voce şi video); o 802.16c – Permite utilizarea benzii de frecvenţă 10 - 66GHz; o 802.16d – Aduce o serie de îmbunătăţiri standardului 802.16a; o 802.16e – Aduce o serie de îmbunătăţiri standardelor anterioare şi permite aplicaţii mobile. – Permite „handoff” rapid necesar comunicaţiilor cu utilizatori care se deplasează cu

viteză vehiculară; o 802.16j - Permite utilizarea releelor fixe şi mobile.

• Sistemul constă din două elemente de bază şi anume: o Punctul de acces WiMAX (tower), este similar ca şi concept cu staţia de bază a

unei reţele celulare de telefonie. O singură staţie de bază poate asigura acoperire pentru o arie foarte largă – până la 3000 de mile pătrate.

o Receptorul WiMAX (receiver), poate fi o mică cutie externă calculatorului sau un card PCMCIA, sau poate fi direct inclus într-un calculator (laptop).

2

O scurtă trecere în revistă a standardelor 802.16 (a unora din aceste standarde) este prezentat în tabelul 1.

Tabel 1. Parametrii principali ai diferitelor standarde 802.16 Standardul 802.16 a fost dezvoltat ca şi o tehnologie de acces de bandă largă care să ofere alternativă pentru accesul pe cablu: TV cablu, DSL, E1/T1. Specifică un protocol pentru o reţea metropolitană. Este de asemenea o alternativă pentru reţelele LAN de tip WiFi, care nu sunt o soluţie corespunzătoare pentru reţele de bandă largă outdoor. Standardul adresează problemele legate de mediul de propagare radio (atât outdoor cât şi indoor) şi aspectele de QoS cerute de accesul de bandă largă. Aplicaţii principale WiMax: ● Acces de bandă largă fix, nomadic sau mobil („last-mile broadband access”); alternativă

pentru acces DSL, cablu, T1. ● Reţea de transport („backhaul”) pentru celule utilizate în comunicaţii mobile sau pentru

hotspot-uri WiFi. ● Conexiuni de viteză mare pentru reţele corporate. ● Aplicaţii de timp real (de ex. Voice Over Internet Protocol (VOIP)).

Câteva exemple ilustrative legate de aplicaţiile posibile sunt prezentate în figurile 1.a., 1.b. şi 1.c.

Fig. 1.a.

3

Fig. 1.b. Fig.1.c.

Figura 2 prezintă succint nivelele OSI caracteristice sistemului WiMax şi câteva din aplicaţiile caracteristice.

Fig. 2 Nivele OSI WiMax şi aplicaţii caracteristice. Câteva din caracteristicile principale ale nivelului fizic şi MAC WiMax:

• Nivelul fizic prevede patru alternative şi anume: o SC (Single Carrier), SCA (Single Carrier Access), OFDM (Orthogonal Frequency

Division Multiplex) şi OFDMA (OFDM Access). • Operaţii (access radio) de tip vizibilitate directă (LOS - Line Of Sight) şi fără vizibilitate

directă (NLOS - Non Line of Sight) • Opţiuni multiple pentru:

– Lărgime de bandă canal; – Lungime cadru; – Tehnică de duplexare (TDD – Time Division Duplexing, FDD – Frequency Division

Duplexing); – Suport pentru terminale Half-Duplex; – Codare canal; – Lungime prefix ciclic;

• Suport pentru tehnologii de antenă multiplă – Antene adaptive (AA); – Diversitate de transmisie (STC – Space Time Coding, MIMO – Multiple Input

Multiple Output); • Adaptarea legăturii

– Modulaţie şi codare adaptivă separat pe fiecare utilizator; – Gestionare echilibru dintre capacitate / robusteţe în timp real; – Profil informaţii de broadcast bine stabilit;

4

Varianta 802.16e este perceput în general ca şi o versiune mobilă a standardului, dar în realitate această variantă are un scop dublu: adaugă facilităţi pentru mobilitate şi noi extensii ale procesărilor din nivelul fizic. Se propune o variantă îmbunătăţită de modulaţie OFDM şi de acces OFDMA, variantă numită „Scalable OFDMA (SOFDMA)”. Varianta 802.16e reprezintă o alternativă mai bună şi pentru accesul fix şi nomadic comparativ cu variantele anterioare. Avantaje 802.16e:

– Lărgime de bandă scalabilă. – Performanţe bune în medii cu întârziere mare. – Rate de transfer ridicate. – Opţiunea TDD permite utilizarea unei benzi de frecvenţă mai reduse. – Suportă tehnologii multiantenă.

Dezavantaje 802.16e

– Raport PAPR mare („Peak-to-Average Power Ratio”). – Performanţe mai reduse în condiţii de interferenţă semnificativă. – Performanţe mai reduse în condiţii de împrăştiere Doppler mare. – Overhead de semnalizare mare. – Disponibilitatea spectrului.

Tabel 2. Comparaţie între parametrii unor sisteme de comunicaţii wireless

Beneficii WiMax. Comparaţia cu sistemul WiFi

Scalabilitate

La nivelul fizic standardul suportă canale RF de lărgime flexibilă şi permite reutilizarea acestor benzi, fiind posibilă creşterea capacităţii celulei pe măsură ce creşte reţeaua. Standardul specifică de asemenea facilităţi de control automat al puterii şi măsurarea calităţii transmisiei. Operatorii pot realoca spectru, prin sectorizarea şi subdivizarea celulei, dacă numărul de utilizatori creşte. De asemenea suportul pentru canale multiple permite rezolvarea problemelor legate de alocarea benzilor de frecvenţă. Standardul WiMax specifică lărgimi de canal de la 1.75MHz la 20MHz cu multe opţiuni intermediare. Echipamentele WiFi pe de altă parte cer lărgimi de bandă de cel puţin 20MHz la fiecare canal (22MHz în banda 2.4GHz pentru 802.11b) şi pot opera numai în benzile nealocate de 2.4GHz şi 5GHz. În stratul MAC se utilizează tehnica de acces multiplu CSMA/CA, ceea ce este practic un protocol Ethernet wireless, care se scalează prost la un număr mare de utilizatori. La fel ca şi în reţelele LAN, în reţelele Ethernet LAN creşterea numărului de utilizatori determină o reducere geometrică a

5

throughput-ului. In contrast stratul MAC al standardului 802.16 a fost proiectat să se scaleze la sute de utilizatori într-un singur canal RF Acoperire Standardul WiMax este proiectat să asigure performanţe optimale în toate (multe) condiţiile de propagare, incluzând LOS, „near” LOS şi NLOS şi să asigure performanţe sigure şi robuste chiar şi în situaţia unor legături slabe. Modulaţia OFDM este una robustă care permite eficienţe spectrale ridicate (biţi / secundă / Hertz) pe raze de acoperire între 2 şi 40km, cu până la 70 Mbps într-un singur canal RF. Topologii avansate (reţele de tip mesh) şi tehnici multiantenă (beam-forming, STC, diversitate antenă) pot fi folosite pentru a se mări si mai mult acoperirea, eficienţa spectrală, capacitatea, reutilizarea frecvenţelor, throughput-ul mediu şi de vârf. Modulaţia OFDM utilizată are abilitatea să suporte raze de acoperire mai mari şi canale cu propagare multiplă cu „delay spread” de până la 10µs . În contrast, sistemele WLANs şi 802.11 utilizează tehnici de acces multiplu de tip CDMA, sau de tip OFDM cu structură diferită. OFDM în WLAN a fost proiectat pentru a asigura acoperire pentru zeci sau sute de metrii faţă de sistemul 802.16 care este proiectat să utilizeze puteri de emisie mai mari şi variante de OFDM care permit raze de acoperire de zeci de km. Sistemele WLAN sunt capabile să gestioneze „delay spread” a canalelor cu propagare multiplă cu valori maxime de ordinul 0.8µs.

Tabel 3. Comparaţie între câţiva parametrii ai sistemelor WiFi şi WiMax

QoS Operaţiile la nivelul MAC 802.16a MAC se bazează pe un protocol Grant/Request pentru accesul la mediu şi suportă nivele de servicii diferenţiate (dedicate de tip T1/E1 pentru utilizatorii din categoria business şi best efort pentru utilizatorii rezidenţiali). Protocolul utilizează fluxuri de date TDM DL (downlink) şi TDMA în UL (uplink), cu posibilitatea utilizării unui scheduler centralizat pentru servicii sensibile la întârzieri cum sunt serviciile de voce şi video. Prin asigurarea unui acces fără coliziuni la canalele RF, nivelul MAC 802.16a îmbunătăţeşte throughput-ul şi eficienţa spectrală, în comparaţie cu tehnica de acces „contention-based” cum este protocolul CSMA-CA utilizat în WLAN. Stratul MAC asigură de asemenea întârziere limitată a datelor, în contrast cu tehnica CSMA-CA care nu oferă garanţii legate de întârziere. Tehnica de acces TDM/TDMA asigură suport pentru servicii multicast şi broadcast. Cu tehnici de acces tip CSMA/CA reţelele WLAN în implementarea lor curentă nu au capacitatea de a asigura performanţele QoS ale sistemului 802.16.

Securitate Sistemul WiFi foloseşte pentru criptare standardul WPA+WEP. Sistemul 802.16 foloseşte pentru criptare standardul PKM – EAP

Modelul de referinţă WiMax Este prezentat în fig. 3. Aceasta conţine în esenţă nivelul fizic şi nivelul MAC, acesta din urmă este compus din mai multe substraturi. Între stratul MAC şi stratul fizic se găseşte stratul (substratul TC) care se ocupă de adaptarea pachetelor MAC PDU la formatul cuvintelor de cod FEC şi permite identificarea captura următoarelor pachete MAC PDU în cazul eronării unor blocuri FEC.

6

Fig. 3 Modelul de referinţă WiMax

Substratul MAC CS (Service Specific Convergence Sublayer) asigură maparea sau transformarea datelor recepţionate din reţele externe, prin intermediul CS SAP (CS Service Access Point), în pachete MAC SDU (MAC Service Data Units) transmise câtre MAC CPS prin MAC SAP. Această operaţie include clasificarea SDU-urilor din reţele externe, asocierea cu identificatoare conexiune (Connection Identifier) şi fluxuri de serviciu MAC, suprimarea unor headere, etc. Acest strat (substrat) adaptează unităţile de date ale protocoalelor din straturile superioare (pachete IP, celule ATM, etc) la formatul unităţilor MAC SDU şi viceversa. Substratul în discuţie sortează unităţile MAC SDU în funcţie de conexiunile la care aparţin. A se vedea figura 4 relativ la cele explicate. Substratul MAC CPS (MAC Common Part Sublayer) asigură funcţiile MAC de bază cum ar fi: uplink scheduling, cerere şi alocare bandă, stabilire conexiune, întreţinere conexiune, ARQ şi ranging. Primeşte date prin MAC SAP asociate la conexiuni MAC particulare. QoS este aplicat pentru scheduling şi transmiterea datelor prin canalul fizic. Nivelul MAC conţine un substrat separat Privacy Sublayer, care asigură autentificare, criptare, schimbare securizată de chei de criptare. Între straturile fizic şi MAC CPS se transferă prin PHY SAP date, informaţii de control pentru nivelul fizic şi date statistice. Nivelul fizic poate include mai multe specificaţii, fiecare corespunzătoare unei anumite benzi de frecvenţă şi tip de aplicaţie.

7

Fig. 4 Modelul de referinţă WiMax. Detalii Conexiunile asigurate de sistemul WiMax sunt de tipul Punct la Multipunct („Point-to-Multipoint”), sistemul comportându-se mai mult ca şi Wireless MAN decât un LAN. Primele variante, în special, asigură legătură de acces la o reţea publică („first mile access to public networks”), deservind de regulă o clădire.

1. Nivelul fizic WiMax

Primele versiuni ale standardului 802.16a sunt destinate transmisiilor la frecvenţe mari, în banda 10 – 66GHz, transmisii care sunt de tipul Line-of-Sight (LOS). Versiuni ulterioare sunt destinate operării în banda de frecvenţe 2 GHz şi 11 GHz. Diferenţa semnificativă constă în faptul că în aceste benzi este sunt posibile legături radio de tip Non-Line-of-Sight (NLOS), ceea ce era imposibil în benzile de frecvenţe înalte. În consecinţă versiunile ulterioare ale standardului (şi amendamentele aduse variantei 802.16a) au oferit oportunitatea unor schimbări majore la nivelul fizic, schimbări necesare pentru a adresa problemele specifice transmisiei în benzile 2-11 GHz. S-au definit trei noi specificaţii pentru nivelul fizic şi anume: un nou nivel fizic monopurtător (Single Carrier), un nivel fizic OFDM bazat pe un FFT în 256 puncte (802.16d) şi un nivel fizic OFDMA bazat pe un FFT în 2048 puncte. S-au operat de asemenea schimbări semnificative la nivelul MAC pentru utilizarea eficientă a îmbunătăţirilor la nivel fizic.. Modulaţia (şi tehnica de acces multiplu bazat pe OFDM) a fost preferată altor modulaţii şi tehnici de acces multiplu, cum ar fi CDMA, datorită abilităţii de a asigura performanţe bune ale transmisiei NLOS în timp ce asigură o eficienţă spectrală ridicată, maximizând utilizarea spectrului disponibil. În cazul CDMA (utilizat în standardul 3G şi unele standarde 2G), banda RF este mult mai largă decât cel minim cerul de debitul transmis, necesar pentru a asigura suprimarea interferenţelor. O astfel de soluţie este nepractică pentru benzi de frecvenţă situate sub 11 GHz în cazul unor rate de transmisie mari. De exemplu, debite până la 70Mbps cer o bandă RF de până la 200MHz pentru a asigura în mediu NLOS performanţe comparabile cu cel asigura de OFDM. Alte facilităţi ale nivelului fizic 802.16a (facilităţi caracteristice şi altor standarde 802.16), facilităţi care asigură performanţe robuste într-o gamă largă de tipuri de canale sunt următoarele: • Canale radio cu lărgime de bandă flexibilă; • Profil adaptiv al burstului (pachet elementar de date la nivel fizic); • Coduri corectoare de erori puternice: convoluţional concatenat cu Reed-Solomon; • Utilizarea opţională a sistemelor avansate de antene (AAS - Advanced Antenna Systems)

pentru îmbunătăţirea razei de acoperire şi a capacităţii;

8

• Facilităţi de selecţie dinamică a frecvenţelor (DFS - Dynamic Frequency Selection), care ajută la minimizarea interferenţelor;

• Utilizarea tehnicilor de codare spaţiu-timp (STC - Space-Time Coding) pentru îmbunătăţirea performanţelor în condiţii de fading prin utilizarea diversităţii spaţiale şi de timp;

Tabelul 4 trece în revistă câteva din caracteristicile importante ale nivelului fizic specificate de standardul IEEE 802.16a.

Tabel 4. Câteva din caracteristicile de bază ale nivelului fizic 802.16a În timp ce majoritatea parametrilor sunt necesari pentru a asigura transmisii de bandă largă outdoor, lărgimi de canal flexibile sunt necesare pentru o implementare pe scară largă, deoarece benzile de frecvenţă care pot fi folosite de operatori sunt stabilite prin reglementări naţionale şi astfel lărgimile de canale pot varia de la ţară la ţară. Pentru o utilizare eficientă a spectrului de către operatori este necesară deci definirea unor lărgimi de bandă flexibile care să se poată adapta la diferite standarde naţionale. De ex. un operator care dispune de o bandă de 14MHz nu poate utiliza eficient această bandă dacă sistemul dispune de canale de 6MHz, o bandă de 2MHz fiind practic neutilizată. Dacă sunt alocate lărgimi de bandă de 7MHz, atunci canale de 3.5MHz sau chiar de 1.75MHz asigură o adaptabilitate maximă.

Nivelul fizic utilizat în banda 10 – 60GHz În elaborarea nivelului fizic pentru banda 10 – 60GHz, propagarea directă (adică “line-of-sight”) a fost considerat o necesitate. Este caracteristică acestui caz utilizarea antenelor direcţionale. Datorită arhitecturii punct la multipunct (“point-to-multipoint”), staţia de bază transmite la utilizatori un semnal TDM (Time Division Multiplexing), la fiecare utilizator (staţie mobilă) fiind alocat un „time slot” separat. Specificaţiile pentru nivelul fizic în banda 10–66 GHz prevăd modulaţie monopurtătoare în rafale (burst) cu un profil adaptive al rafalelor, profil care permite ajustarea parametrilor transmisiei la fiecare utilizator în parte, parametrii care includ schema de modulare şi codare pentru fiecare cadu în parte. Modulaţiile utilizate sunt QPSK, 16 QAM şi 64 QAM, modulaţii folosite adaptiv în funcţie de raportul semnal/zgomot de pa canal. Se poate lucra atât cu duplexare TDD (Time Division Duplexing) sau FDD (Frequency Division Duplexing).

Lărgimile de canal specificate sunt de 20 sau 25 MHz (tipic pentru alocarea U.S.) sau 28MHz (alocare tipică Europeană). Se specifică de asemenea o filtrarea radical Nyquist cu factor de exces de bandă 0.25 (“square-root raised-cosine pulse shaping with a roll off factor of 0.25”).

Legat de profilul rafalei (“burst profile”) se pot reţine următoarele: în DL (Down Link) mai multe staţii utilizator se asociază aceluiaşi burst. În UL (“Up Link”), staţiile transmit într-un anumit time slot cu un profil specific. Sistemul suportă atât staţii full duplex cât şi semiduplex.

9

După cum a fost menţionat anterior se utilizează o tehnică de tip multiplexare în timp pentru asigurarea accesului multiplu. Fluxul de biţi este structurat într-o secvenţă de cadre de lungime egală – a se vedea figura 5. Există un subcadru downlink şi un subcadru uplink. În modul de lucru (duplexare) FDD cele două subcadre sunt simultane, iar în modul de lucru (duplexare) TDD cele două subcadre sunt consecutive. Durata unui cadru poate fi de 0.5, 1 sau 2 milisecunde. Duratele acestor cadre sunt identice. În modul de lucru TDD porţiunea alocată pentru dowlink şi pentru uplink poate varia. Pe direcţia uplink se utilizează o tehnică de acces multiplu de tip TDMA. Durata subcadrului este împărţită în mai multe sloturi de timp, care sunt alocate separat pentru fiecare staţie în parte. În downlink acelaşi slot de timp poate fi utilizat şi de mai multe staţii (multicast/broadcast). Se poate observa de asemenea existenţa unor intervale de gardă (intervale de timp) între sloturile de timp TDMA din uplink.

Fig. 5 Duplexarea FDD şi TDD în situaţia multiplexării TDM a utilizatorilor

O prezentare mai detailată a structurii cadrelor (subcadrelor) este dată în figurile următoare.

Fig. 6 Structura cadrelor şi a subcadrelor în cazul duplexării TDD

10

Fig. 7 Structura cadrelor şi a subcadrelor în cazul duplexării FDD

Subcadrele utilizate în sensul downlink sunt compuse din următoarele componente: • Preambul – este o secvenţă de semnal utilizată pentru sincronizarea oscilatoarelor staţiilor

implicate în comunicaţie şi pentru sincronizarea în timp a acestor staţii. • FCH (Frame Control Header) – specifă profilul unuia sau a mai multor rafele downlink, care

urmează după FCS, la începutul acestor rafale fiind transmise secvenţele DLMAP, ULMAP, DCD şi UCD, secvenţe transmise în regim broadcast şi care specifică alocarea rafalelor la utilizatori (atât în DL cât şi în UL) şi specifică profilul rafalelor, adică parametrii canalului fizic.

o DLMAP (Downlink Map) – specifică alocarea rafalelor în downlink la diferite staţii, specifică momentul de început al acestor rafale şi specifică profilul acestor rafale prin intermediul unui cod DIUC (Downlink Interval Usage Code). Se poate specifica şi lungimea preambulului diferitelor rafale, dacă un astfel de preambul este utilizat.

o ULMAP (Uplink Map) – specifică alocarea rafalelor în uplink la diferite staţii, specifică momentul de început al acestor rafale şi specifică profilul acestor rafale prin intermediul unui cod UIUC (Uplink Interval Usage Code). Se specifica şi lungimea preambulului diferitelor rafale.

� DCD (Downlink Channel Descriptor) – descrie parametrii canalului fizic în downlink şi asociază codurile DIUC la aceşti parametrii.

� UCD (Uplink channel Descriptor) – descrie parametrii canalului fizic în uplink şi asociază codurile UIUC la aceşti parametrii. Pe lângă componentele amintite UCD mai conţine şi următoarele câmpuri:

♦ „Ranging backoff Start/End” – specifică valoare iniţială şi cea finală a ferestrei de „backoff” (fereastră de timp în care nu se transmite) utilizat în procesul de „ranging” iniţial („initial ranging contention”). Procesul de „ranging” este utilizat pentru determinarea desincronizării în timp (timing offset), a puterii de emisie, a deviaţiei de frecvenţă şi a altor parametrii ai nivelului fizic. Staţia de bază efectuează măsurătorile şi trimite comenzi către staţiile utilizator, iar staţiile

11

utilizator realizează ajustările necesare. Procesul de ranging se realizează în momentul conectării staţiei în reţea şi periodic pe durata transmisiei (maintenance ranging), realizându-se adaptarea dinamică a legăturii RF.

♦ „Request Backoff Start/End” - specifică valoare iniţială şi cea finală a ferestrei de „backoff” (fereastră de timp în care nu se transmite) utilizat în procesul de cerere de lărgime de bandă.

♦ Cele două procese amintite au loc sau pot avea loc începutul fiecărui subcadru uplink, în aşa numitele „contention slots”, sloturi de timp în care se lucrează cu o tehnică de acces multiplu de tip CSMA/CA – vezi fig. 8

Fig. 8 Poziţionarea “contention slots” şi operaţiile de ranging şi de cerere de bandă

• Rafalele DL şi UL o În figura 6 se poate observa că în modul de duplexare TDD, în downlink se

utilizează un singur preambul (mod TDM), iar în uplink fiecare rafală are un preambul separat (mod TDMA). ULMAP şi UCD descriu transmisia uplink din acelaşi cadru.

o În figura 7 se poate observa că în modul de duplexare FDD, în downlink se poate lucra combinat TDM şi TDMA, rafalele TDMA având preambuluri separate. ULMAP şi UCD descriu transmisia care are loc în următorul cadru în acest caz.

o În fig. 9 se prezintă alte detalii suplimentare legate de organizarea rafalelor în DL. Aşa cum a fost menţionat fiecare rafală se transmite conform unui profil care specifică modulaţia şi codul corector de erori. Rafalele sunt transmise în ordinea crescătoare a constelaţiilor de modulare şi implicit a dificultăţii de demodulare. O staţie va recepţiona numai rafalele pe care poate să le demoduleze şi ignoră celelalte rafale

Fig. 9 Subcadru downlink TDD. Detaliu

12

În situaţia utilizării modului de duplexare FDD, trebuie asigurată interoperabilitatea cu terminale semiduplex HD (Half Duplex), ceea ce transformă transmisia parţial în mod TDD. A se vedea fig. 10 legat de cele explicate

Fig. 10 Mod de lucru (duplexare) FDD în condiţiile utilizării unor terminale HD.

În tabelul 5 se prezintă câteva date legate de debitele care se pot obţine cu canale cu diferite lărgimi de bandă, prin utilizarea diferitelor tipuri de modulaţii QAM. Datele sunt orientative deoarece nu se consideră şi efectul adus de diferite coduri corectoare asupra debitului.

Channel Rate

(Mhz)

Symbol Rate

(Mbd)

BitRate

(Mb/s)

BitRate

(Mb/s)

BitRate

(Mb/s)

20 16 32 64 96

25 20 40 80 120

28 22.4 44.8 89.6 134.4

Tab. 5 Debite caracteristice sistemului WiMax pentru diferite lărgimi de bandă şi diferite modulaţii QAM

Nivelul fizic utilizat în banda 2 – 11GHz Modulaţia folosită în acest caz este OFDM, iar tehnica de acces multiplu este OFDMA (mai exact o combinaţie între OFDMA şi TDMA – un OFDMA mai flexibil)

Aspecte de bază legate de structura cadrului OFDM şi OFDMA Există trei tipuri de subpurtătoare OFDMA şi anume: 1. Subpurtătoare pentru transmisia datelor utile; 2. Subpurtătoare pilot utilizate pentru operaţii de sincronizare şi de estimare a canalului; 3. Subpurtătoare nule, adică neutilizate (“Null subcarriers”) care nu se utilizează deloc pentru transmisie; ele sunt utilizate ca şi intervale de gardă şi transmiterea unor componente continue (“DC carriers”). Vezi fig. 11 legat de cele prezentate

Fig. 11 Tipuri de subpurtătoare OFDM

13

Subpurătoarele de date lucrează cu modulaţii QAM adaptive, QPSK, 16-QAM, 16-QAM ( 256-QAM ar putea fi o opţiune, dar este mai puţin utilizat). Subpurtătoarele pilot transportă o secvenţă de simboluri cunoscută, utilizează un nivel de putere mai ridicat pentru a se permite estimarea canalului şi demodulare coerentă. Subpurtătoarele de gardă permit formarea spectrului şi separarea diferitelor benzi de frecvenţă. Subputătoarea pe componenta continuă este de regulă suprimat pentru a permite receptoare cu conversie directă de frecvenţă. Subpurtătoarele active sunt împărţite în seturi numite subcanale. Subpurtătoarele care compun un subcanal pot fi adiacente sau nu. Alocarea benzii de frecvenţă şi maparea pe utilizatori se realizează în subcanale. Unui utilizator i se pot aloca una sau mai multe subcanale în direcţia DL. În direcţia uplink (UL) sunt permise de asemenea mai multe subcanale (16 este prevăzut de anumite specificaţii – nivelul fizic OFDM, iar alte specificaţii permit un număr variabil de subcanale – nivelul fizic OFDMA). Utilizarea subcanalelor permite medierea interferenţei ceea ce face posibil un factor scăzut de reutilizare a frecvenţelor (adică o reutilizare „agresivă” a frecvenţelor). Modul de alcătuire a subcanalelor în cazul particular al standardului 802.16e este dată în figura 12.

Fig. 12 Alcătuirea subcanalelor în cazul standardului 802.16e; FFT în 512 puncte În fig. 12 este prezentată o alocare distribuită a subpurtătoarelor la diferite subcanale. Această alocare a subpurtătoarelor se bazează pe următoarele aspecte:

• Numărul de subpurtătoare disponibile este împărţit în N grupuri continue. • Fiecare subcanal include acelaşi număr de subpurtătoare (48 pentru FFT 512); fiecare

subcanal include o subpurtătoare din fiecare grup; • Distribuirea subpurtătoarelor la diferite subcanale se realizează pe baza unui mecanism de

permutare care utilizează identificatorul de celulă – în diferite celule avem diferite alocări ale subpurtătoarelor şi subcanale se permută utilizând identificatorul de celulă. Mecanismul de permutare asigură o probabilitate redusă de utilizare a aceleiaşi subpurtătoare în celule şi sectoare adiacente asigurându-se în acelaşi timp o diversitate ridicată în frecvenţă, care minimizează degradarea de performanţă datorată fadingului rapid caracteristic comunicaţiilor mobile.

• Opţional se poate realiza şi o alcătuire a subcanalelor din subpurtătoare adiacente. Se realizează şi în acest caz o permutare a subpurtătoarelor (a grupurilor de subpurtătoare).

14

În cazul alocării distribuite a subpurtătoarelor alegerea modulaţiei şi a codării se poate realiza numai pe baza atenuării medii a semnalului recepţionat de utilizator (pe baza distanţei până la staţia de bază) – vezi fig. 13. În cazul grupării adiacente a subcanalelor, numită şi metoda AMC („Advanced Modulation and Coding”), este posibilă modificarea rapidă a modulaţiei şi a codării pe subcanal, dacă sunt folosite canale de „feedback” rapide. Această grupare a subpurtătoarelor în subcanale permite adaptarea rapidă la caracteristicile canalului mobil, prin utilizarea algoritmilor de tip „water-pouring”. Este posibilă combinarea AMC cu tehnici avansate de antenă (AAS – „Advanced Antena Systems”).

Fig. 13 Utilizarea modulaţiilor adaptive în cazul alocării distribuite a subpurtătoarelor

Scheme de codare specificate sunt coduri Reed-Solomon cu rată variabilă concatenate cu coduri convoluţionale cu rata 1/2, 2/3, 3/4 şi 5/6. Scheme de codare cu rată variabilă bazate pe turbo coduri bloc (BTC – Bloc Turbo Codes) şi convoluţionale (CTC – Convolutional Turbo Codes) sunt de asemenea specificate. Constelaţiile de modulare sunt cele specificate de nivelul fizic OFDM (BPSK, 4QAM, 16QAM, 64QAM). Sunt incluse tehnici multiantenă de tip STC (Space Time Coding), AAS (Advanced Antenna Systems) cu SDMA (Spatial Division Multiple Access). Pentru nivelul fizic OFDMA sunt definite şi tehnici de tip MIMO (Multiple Input Multuple Output) atât la staţia de bază cât şi la staţia utilizator pentru a creşte capacitatea şi raza de acoperire. Structura de bază a cadrului OFDM şi OFDMA este identică cu structura cadrului corespuzător nivelului fizic cu modulaţie monopurtător - vezi fig. 6 şi 7. Sunt permise atât operaţii TDD cât şi operaţii FDD, dar de regulă se lucrează TDD, asigurându-se o utilizare mai eficientă a spectrului. Structura acestor cadre este reluată în figura 14, figură care dă şi unele detalii legate de inserarea cadrelor MAC în cadrele nivelului fizic. Structura cadrului nivelului fizic OFDMA este similară cu cea a nivelului fizic OFDM cu deosebirea că împărţirea în subcanale este permisă atât în downlink cât şi în uplink. Sunt definite cinci scheme diferite de împărţire pe subcanale (subchannelization). Mesajele de tip broadcast se pot transmite în acelaşi timp cu datele, dar pe alte subcanale.

15

Fig. 14 Cadru OFDM/OFDMA şi inserarea cadrelor MAC Maparea efectivă rafalelor DL şi UL pe subcanalele şi subpurtătoarele OFDM este explicată în fig. 15

Fig. 15 Maparea efectivă a rafalelor DL şi UL pe subcanalele şi subpurtătoarele OFDM.

16

Dacă se utilizează diversitatea de transmisie, o porţiune a cadrului DL (numită zonă) poate fi desemnată să fie o zonă de diversitate. Toate rafalele de date dintr-o zonă de diversitate sunt transmise folosind codarea STC. Dacă se utilizează o tehnică AAS, o porţiune a subcadrului DL poate fi desemnat ca şi o zonă AAS. Aceste zone sunt folosite pentru comunicaţia cu staţii utilizator care permit astfel de capabilităţi. Tehnicile AAS sunt permise şi în uplink. Există de asemenea şi o zonă MIMO. Nivelul MAC este responsabil pentru divizarea cadrelor în zone şi comunică această structură de cadru staţiilor mobile în structurile de control UL-MAP şi DL-MAP.

În cazul strandardului 802.16e la nivelul fizic se utilizează aşa numita tehnică SOFDMA (Scalable OFDMA). Standardul în discuţie specifică o interfaţă radio pentru acces fix, nomadic şi mobil într-o reţea broadband WirelessMAN.

Conceptul de scalabilitate se referă la următoarele aspecte: • Alocare scalabilă a subcanalelor cu diferite dimensiuni posibile pentru FFT, în funcţie

lărgimea de bandă a canalului; • Grupare distribuită sau AMC a subcanalelor; • Hibrid ARQ; • Structură eficientă de canale uplink; • Tehnici de diversitate de tip MIMO;

Proiectarea unui nivel fizic radio scalabil trebuie să ia în considerare caracteristicile efective ale canalului radio. Pe baza acestor caracteristici se poate determina numărul de subpurtătoare (numărul de puncte în care se calculează FFT), distanţa dintre două subpurtătoare adiacente, perioada de simbol OFDM. Un exemplu simplu este următorul:

• Banda de lucru (frecvenţa purtătoare): 3.5GHz (situat între frecvenţele 2GHz – 6GHz, bandă utilizată frecvent de sistemul WiMax);

• Viteză maximă mobil 125km/h; • Deplasare Doppler maximă la 3.5GHz de 408Hz; deplasare Doppler maximă la 6GHz

aproximativ 700Hz; • O separaţie între subpurtătoare de 10kHz asigură în condiţiile de deplasare Doppler amintite

o atenuare a puterii ICI (Inter Channel Interference) faţă de puterea de transmisie (este vorba de puterile pe o subpurtătoare) de 27dB;

• Timpul de coerenţă al canalului pentru deplasarea Doppler considerată este de 1.03ms; este necesară o frecvenţă de actualizare datelor legate de canal cu o frecvenţă de 1kHz, pentru realizarea estimării canalului şi pentru egalizare.

• Se consideră un model de canal cu propagare multicale cu un „delay spread” de maximum 20µs; rezultă o bandă de coerenţă minimă de 10kHz – valori ale „delay spread” de până la 20µs pot fi permise pentru o separare a subpurtătoarelor de 10kHz.

• Modulaţia OFDM este sensibilă la zgomotul de fază, zgomot care are o influenţă cu atât mai mare cu cât separaţia subpurtătoarelor este mai mică.

Concluzie: separarea subpurtătoarelor se menţine constantă la 10kHz (este o valoare acceptabilă pentru parametrii canalului radio mobil considerat) şi se modifică numărul de subpurtătoare odată cu creşterea lărgimii de bandă a canalului radio utilizat. Parametrii SOFDMA sunt prezentaţi în tabelul 6. Este vorba practic de parametrii modulaţiei OFDM utilizaţi pentru canale cu diferite lărgimi de bandă.

17

Tabel 6 Parametrii SOFDMA

Factorul de supraeşantionare dat în tabelul 6, şi anume 8/7 (Fs = floor(8/7 BW/0.008)x0.008 –

frecvenţă eşantionare semnal OFDM bandă de bază) este global specificat de standard pentru toate operaţiile OFDMA Intervalul de gardă poate lua 4 valori şi anume: 1/4, 1/8, 1/16 şi 1/32. O valoare de 1/8 din perioada de symbol OFDM, permite un delay spread maxim de 11.2 µs cu un overhead de aproximativ 10%. Sistemul WirelessMAN OFDMA suportă o gamă largă de durate de cadru, ceea ce asigură flexibilitate faţă de cerinţele diverselor aplicaţii.

Pentru o dimensiune a FFT-ului de 2048, numărul de simboluri OFDM într-un cadru scurt (de ex. 2ms), va fi foarte mic, mai ales dacă lărgimea de bandă este mică (mai puţin de două simboluri OFDM pentru o lărgime de bandă de 1.25MHz), ceea ce face inutilizabilă cadrele scurte datorită ovehead-ului. Un alt avantaj al scalabilităţii OFDMA este asigurarea unui număr minim de simboluri OFDM în fiecare cadru – o problemă în special pentru lărgimi de bandă mici şi pentru cadre scurte.

Tabel 7 Dimensiunile cadrelor SOFDMA

Ca şi o concluzie, următoarele aspecte sunt definitorii pentru scalabilitatea nivelului fizic SOFDMA. a. Spaţierea subpurtătoarelor este independentă de lărgimea de bandă. b. Numărul de subpurtătoare folosite (şi implicit dimensiunea FFT-ului) se scalează la lărgimea de bandă. c. Cea mai mică unitate de alocare a benzii, bazată pe conceptual de subcanal, este fixată şi independentă de lărgimea de bandă şi de alte moduri de operare. d. Numărul de subcanale se scalează cu dimensiunea FFT şi nu cu capacitatea subcanalului. e. Sunt prevăzute facilităţi care asigură găsirea unui echilibru între mobilitate şi capacitate.

18

De remarcat că impunerea capacităţii subcanalelor nu este cea mai bună soluţie, în special pentru sisteme cu lărgime de bandă redusă, unde aplicaţiile tipice sunt foarte diferite. Fără utilizarea facilităţilor de scalabilitate amintite se obţin performanţe reduse în special pentru canale de bandă îngustă sau medie.

Moduri de alocare a subpurtătoarelor

Există definite două categorii principale de permutare (alocare) a subpurtătoarelor: alocare distribuită şi alocare adiacentă. În general se utilizează alocarea distribuită (permutare – este denumirea folosită în diferite documente) care are performanţe foarte bune în aplicaţii mobile în timp ce alocarea adiacentă se poate utiliza pentru aplicaţii fixe, portabile şi cu mobilitate redusă. Aceste opţiuni permit găsirea unui echilibru (compromise) între mobilitate şi throughput. În continuare se prezintă modurile de alocare a subpurtătoarelor şi caracteristicile principale ale acestor tehnici. Alocare distribuită în DL a subpurtătoarelor cu subcanalizare completă (totală) (DL Distributed Subcarrier Permutations: Fully Used Subchannelization (FUSC)

Această metodă utilizează toate subcanalele şi utilizează o diversitate totală (completă) prin utilizarea unui mecanism de permutare pentru alocarea subpurtătoarelor la diferite subcanale. Acest mecanism este proiectat astfel încât să minimizeze probabilitatea utilizării aceleiaşi subpurtătoare în celule şi sectoare adiacente prin reutilizarea subpurtătoarelor, în timp ce diversitatea în frecvenţă minimizează degradarea performanţelor datorită fadingului rapid caracteristic aplicaţiilor mobile. Tabelul 8 prezintă parametrii metodei de alocare a subpurtătoarelor În cadrul metodei DL FUSC sunt prevăzute seturi fixe şi variabile de piloţi. Seturile fixe sunt utilizate în toate simbolurile OFDM, în timp ce seturile variabile sunt divizate în subseturi care sunt utilizate alternativ în simbolurile pare şi impare. Această metodă asigură un echilibru corespunzător între puterea alocată piloţilor şi diversitatea de frecvenţă obţinută. În fig. 16 se prezintă distribuţia seturilor fixe şi variabile de subpurtătoare pilot în cazul utilizării unui FFT în 2048 de puncte. Seturile de piloţi pentru dimensiuni de FFT mai mici sunt subseturi ale seturilor prevăzute pentru FFT în 2048 puncte. În acest caz prima dată se alocă tonurile pilot şi după aceea subpurtătoarele rămase se împart în subcanale.

Tab. 8 Parametrii metodei de permutare distribuită în DL de tip FUSC

19

Fig. 8.1 Modul de realizare a permutării DL FUSC

Fig. 16 Seturi fixe şi variabile de subpurtătoare pilot Alocare distribuită a subpurtătoarelor în DL şi UL cu subcanalizare parţială

(DL and UL Distributed Subcarrier Permutation: Partially Used Subchannelization (PUSC)) În conformitate cu specificaţiile OFDMA toate subcadrele OFDMA DL şi OFDMA UL încep în modul DL PUSC şi UL PUSC. În modul DL PUSC subcanalele sunt divizate în trei segmente care pot fi alocate la trei sectoare ale aceleiaşi celule. Metoda utilizează o diversitate totală a canalului prin modul de alocare a subpurtătoarelor la diverse subcanale. Este utilizată o metodă de permutare care minimizează probabilitatea utilizării aceleiaşi subpurtătoare în celule/sectoare adiacente, diversitatea în frecvenţă asigurând în acelaşi timp minimizarea degradării performanţelor în condiţii de canal cu fading rapid. În tabelul 9 se prezintă parametrii metodei DL PUSC de alocare a subpurtătoarelor în DL. Metoda DL PUSC utilizează o structură de tip cluster, ilustrată în fig. 17, structură care se întinde în timp peste două perioade de simbol şi cuprinde în frecvenţă 14 subpurtătoare, un număr de 4 subpurtătoare pilot fiind utilizate în fiecare cluster. În acest caz prima dată se formează subcanalele şi după aceea se alocă subpurătoarele pilot.

20

Tab. 9 Parametrii metodei de permutare distribuită în DL de tip PUSC

Fig. 17 Structură de cluster de tip DL PUSC

Fig. 17.1 Modul de realizare a permutării DL PUSC În tabelul 10 se prezintă parametrii metodei UL PUSC de alocare a subpurtătoarelor în UL. Această metodă utilizează o structură de tip “tile” care este prezentată în fig. 18. Această structură cuprinde în timp trei perioade de simbol OFDM şi patru subpurtătoare în domeniul frecvenţă. Structura include 4 subpurtătoare pilot. Datorită faptului clusterele DL şi grupurile “tile” UL sunt compuse din două respective trei simboluri OFDM, dimensiunea subcadrelor DL şi UL este multiplu de doi respective trei.

21

Tab. 10 Parametrii metodei de permutare distribuită în UL de tip PUSC

Fig. 18 Structură de „tile” de tip UL PUSC

Fig. 18.1 Modul de realizare a permutării UL PUSC Alocare distribuită opţională a subpurtătoarelor în DL cu subcanalizare completă

Optional DL Distributed Subcarrier Permutation: Fully Used Subchannelization (OFUSC)

Metoda urmăreşte acelaşi lucru ca şi metodele anterioare şi anume alocarea subpurtătoarelor astfel încât să se minimizeze probabilitatea de utilizare a aceleiaşi subpurtătoare în celule sau sectoare adiacente şi asigurarea unei diversităţi în frecvenţă cât mai mari care să facă faţă fadingului rapid carac teristic aplicaţiilor mobile. Tabelul 11 prezintă parametrii metodei OFUSC. Alocarea subpurtătoarelor pilot este diferită de alocarea utilizată de metoda FUSC.- vezi tabelul 9. Comparativ cu metoda FUSC, numărul

22

subpurtătoarelor utilizate este mai mare (1729 versus 1681). Respectarea cerinţelor măştilor spectrale fără modificarea frecvenţei de eşantionare este mai dificilă

Tab. 11 Parametrii metodei de permutare distribuită în DL de tip OFUSC Alocare distribuită opţională a subpurtătoarelor în UL cu subcanalizare parţială

Optional UL Distributed Subcarrier Permutation: Partially Used Subchannelization

(OPUSC)

În tabelul 12 se prezintă parametrii principali ai acestei metode (se urmăreşte tot acelaşi lucru) În figura 19 se prezintă structura “tile” de alocare în UL, structură care include trei perioade de simbol, trei subpurtătoare şi o singură subpurtătoare pilot.

Fig. 19 Structură de „tile” de tip UL OPUSC

Tab. 12 Parametrii metodei de permutare distribuită în UL de tip OPUSC

23

Alocare adiacentă opţională a subpurtătoarelor în DL şi UL utilizând tehnici de modulare şi

de codare AMC

(Optional DL and UL Adjacent Subcarrier Permutation: Advanced Modulation and Coding

(AMC)) Această metodă utilizează subpurtătoare adiacente pentru a forma subcanale. Dacă se utilizează canale de feedback rapide se poate modifica rapid modulaţia şi codarea utilizată pe fiecare subcanal. Tehnica AMC permite utilizarea algoritmilor de tip “water pouring” (sau “water filling”). Poate fi combinată cu tehnici AAS (Advanced Antenna Systems) Tabelul 13 specifică parametrii principali ai acestei metode şi alocarea subpurtătoarelor pilot.

Tab. 13 Parametrii metodei alocare AMC în DL şi UL

Fig. 19. 1 Modul de generare a benzilor de frecvenţă în alocarea AMC

24

Se defineşte noţiunea de slot: sunt definite 4 tipuri diferite de sloturi. • Primul tip (considerat default) este format din 6 binuri continue ale unui simbol OFDM; • Al doilea tip este compus din două binuri şi trei simboluri consecutive; • Al treilea tip este compus din trei binuri şi 2 simboluri; • Al patrulea tip este compus dintr-un bin şi 6 simboluri • Observaţie: produsul dintre numărul de binuri şi de simboluri dintr-un slot este tot timpul 6.

Comutarea zonelor Nivelul fizic OFDMA suportă alocări multiple ale subpurtătoarelor în interiorul unui cadru, permiţându-se astfel coexistenţa diferitelor tipuri de staţii utilizator. În fig. 20 se exemplifică comutarea zonelor în subcadrele DL şi UL. Comutarea în discuţie se realizează cu ajutorul unor informaţii incluse în DL-MAP şi UL-MAP.

Subcadrele UL şi DL încep în modul PUSC, unde grupuri de subcanale sunt asociate la segmente diferite, prin utilizarea unor mesaje FCH dedicate. Alocarea de tip PUSC poate fi schimbată cu un alt tip de alocare prin directive incluse în PUSCH DL-MAP În fig. 20 rafala cu alocarea PUSC FCH/DL-MAP pentru un segment cu IDCell X este urmat de date cu alocare PUSC pentru IDCell X, apoi urmează date cu alocare PUSC pentru un alt sector/celulă cu identificator IDCell Y, apoi date cu alocare FUSC pentru un sector/celulă cu identificator IDCell Z. Se va considera că Y este diferit de X, dar Z poate fi egal cu X (operaţii PUSC şi FUSC pentru acelaşi sector/celulă prevăzute pentru a fi posibilă folosirea unui factor de reutilizare a frecvenţelor 1). Pentru toate operaţiile de broadcast se poate utiliza un identificator special IDCell 0. Pot să fie utilizate zone opţionale PUSC, FUSC, şi AMC în subcadrele DL şi zone opţionale PUSC şi AMC în subcadrele UL. Alocarea zonelor AMC permite deservirea în acelaşi timp a unor utilizatori cu mobilitate diferită.

Fig. 20 Subcadre UL şi DL cu zone multiple.

Opţiuni de diversitate în mediul fizic OFDMA Nivelul fizic OFDMA suportă tehnici AAS şi tehnici de diversitate de ordinul 2, 3 şi 4. Tehnicile AAM utilizează transmisii multiantenă pentru creşterea capacităţii şi a acoperirii, iar tehnicile de diversitate, de “beam forming” and “null steering” pentru a se reduce probabilitatea de întrerupere a legăturii (outage probability). În DL sunt prevăzute tehnici de diversiatte de ordin 2 şi 4, iar în UL sunt prevăzute tehnici de diversitate de ordinul 2. Tehnici de tip SM (Spatial Multiplexing) sunt prevăzute de asemenea pentru creşterea eficienţei spectrale

Pentru utilizarea tehnicilor AAS în zone dedicată acestor tehnici se inserează structuri de control de tip AAS DL MAP, care practic conţin un pointer la date broadcast DL MAP, care include structuri DL MAP şi UL MAP pentru utilizatorii AAS.

25

Fig. 21 Detaliu de cadru OFDMA cu zone pentru utilizatori AAS Procesul de „Ranging” în OFDMA

Un singur proces este utilizat pentru “ranging” şi cerere de bandă în UL. Procesul de “ranging” iniţial are rolul de a sincroniza staţia utilizator cu staţia de bază la conectarea în reţea (corecţie offset de timp şi de frecvenţă). Procesul se repetă periodic pe durata unei sesiuni. Mecanismul de cerere de bandă permite staţiei mobile să ceară alocarea resurselor în UL pentru transmisia datelor către staţia de bază. Un număr de 256 de coduri pseudoaleatoare speciale, de lungime 144 de biţi, sunt împărţite în trei grupuri: „Ranging” iniţial, „Ranging” periodic şi cere de bandă. Unul sau mai multe grupuri de 6 subcanale adiacente sunt alocate pentru operaţia de ranging. Transmisia acestor coduri se realizează cu modulaţie BPSK. Staţia utilizator selectează aleator un cod din setul alocat şi o transmite staţiei de bază. Diferite staţii utilizator pot intra în coliziune, dar staţia de bază poate separa aceste coduri (le poate decoda) pe baza proprietăţilor de ortogonalitate. Pentru a procesa o cerere iniţială de „Ranging”, un cod de ranging este trimis de două ori în două simboluri OFDM consecutive fără discontinuitate de fază între cele două simboluri. În acest fel staţia de bază poate recepţiona în mod corect cererea ranging de la un terminal nesincronizat care încearcă să intre în reţea. Staţia utilizator poate utiliza în mod opţional 2 simboluri consecutive de ranging transmise pe durata a patru simboluri OFDM. Această opţiune descreşte probabilitatea de eroare de ranging şi măreşte capacitatea de ranging – un număr mai mare de cereri simultane şi măreşte capabilitatea sistemului de a suporta un număr mai mare de desincronizări Procesul de ranging periodic sau cererea de bandă se poate realiza prin transmiterea a una sau trei coduri de ranging. Utilizarea a trei coduri reduce probabilitatea de eroare şi măreşte capacitatea de ranging, fiind permis un număr mai mare de cereri consecutive. Procesul de ranging este utilizat de asemenea în operaţia de Handover.

Codarea canalului în mediul fizic OFDMA Se pot identifica următoarele procese de codare: aleatorizare (considerată tot un fel de codare), codare FEC, întreţesere de biţi (se utilizează împreună cu FEC).

26

Aleatorizarea datelor se realizează cu ajutorul unui generator de secvenţă pseudoaleatoare cu un polinom de ordinul 15, care este reiniţializat la începutul fiecărui bloc FEC cu o valoare iniţială, care depinde de offsetul simbolului OFDM de la începutul cadrului şi numărul primului subcanal asociat blocului FEC. Coduri de repetiţie sunt utilizate pentru codarea diverselor mesaje de control pentru a creşte suplimentar protecţia acestor mesaje. Se utilizează coduri de repetiţie de 2, 4 sau 6, implementate prin utilizarea subcanalelor multiple. Tehnicile de codare FEC specificate sunt obligatoriu coduri convoluţionale “tail-biting” (starea iniţială a codorului se forţează într-o stare dată de ultimii K-1 biţi de informaţie, K lungime de constrângere – starea iniţială a codorului trebuie estimată la decodare, ceea ce complică procesul de decodare, dar creşte eficienţa codării şi permite “cuvinte de cod” scurte, mai exact secvenţe scurte decodate individual), iar opţional se permite utilizarea codurilor convoluţionale “Zero Tailing” (starea iniţială a codorului se consideră zero – decodare mai uşoară, dar trebuie adăugaţi K-1 biţi de zero pentru readucerea codorului în starea iniţială, ceea ce reduce eficienţa), turbo coduri convoluţionale, turbocoduri bloc şi coduri LDPC. Tehnicile de codare FEC amintite se combină cu tehnici H-ARQ pentru reducerea efectelor canalului. Se utilizează un H-ARQ incremental, care combină subpachetele recepţionate cu subpachetele retransmise pentru decodarea corectă a mesajului. Întreţeserea biţilor se realizează la ieşirea decodorului FEC. Dimensiunea blocului de întreţesere depinde de numărul de biţi codaţi pe bloc de codare. Întreţeserea este realizată cu ajutorul unui proces de permutare în doi paşi. Primul pas realizează maparea biţilor codaţi adiacenţi pe subpurtătoare neadiacente, iar al doilea pas asigură maparea biţilor de cod în mod alternativ pe biţi mai semnificativi şi mai puţin semnificativi ai constelaţiilor – se elimină secvenţe lungi de biţi expuşi eronării. Beneficiile tehnicii SOFDMA:

o Costuri mai reduse ale echipamentelor

• Staţiile fixe pot utiliza acelaşi chipset ca şi cele utilizate de PC-uri şi PDA-uri; • Staţiile de bază pot utiliza acelaşi chipset ca şi punctele de acces WiMAX simple (ieftine); • Utilizarea aceleiaşi tehnologii atât pentru aplicaţii fixe şi mobile asigură un nivel de

integrare mai ridicat pentru chipset-urile RF şi duce la scăderea costurilor; • Tehnici de reducere a Peak-to-Average-Power-Reduction (PAPR) incorporate în standard

asigură utilizarea unor amplificatoare finale de cost redus fără a se reduce câştigul sistemului.

o Acoperire „Non-Line-of-Sight” (NLOS)

• Capabilităţile de bază SOFDMA asigură o acoperire similară sau mai bună (în anumite situaţii) decât cea oferită de OFDM256.

• Tehnici opţionale cum ar fi diversitatea, codarea space-time, tehnicile ARQ (incluse în SOFDMA) asigură extinderea acoperirii;

• O granularitate mai fină pentru definirea subcanalelor creşte câştigul sistemului şi permite o acoperire indoor mai bună;

• Tehnici de codare cu performanţe mai bune, de ex. Turbo coduri şi LDPC îmbunătăţesc în continuare câştigul sistemului şi acoperirea;

• Alegerea subcanalelor în downlink asigură flexibilitate adiţională în găsirea unui echilibru între acoperire şi capacitate;

• Utilizarea unor tehnici AAS (Adaptive Antena Systems) şi MIMO, cresc în continuare acoperirea pentru aplicaţii nomadice;

• Spaţierea subcanalelor este independentă de lărgimea canalului. Scalabilitatea sigură performanţe constante pe lărgimi de canale diferite (de la 1.25MHz la 14MHz);

27

• Dimensiunea FFT mai mare poate face faţă la un „delay spread” mai mare şi asigură performanţe mai bune în canale cu propagare multicale, canale caracteristice situaţiei NLOS;

o Capacitate

• SOFDMA asigură o flexibilitate mai mare în găsirea unui echilibru între mobilitate şi throughput;

• Câştigul mai mare al sistemului permite asigurarea unui debit de vârf (maxim) la mai mulţi utilizatori situaţi într-o celulă, crescându-se throughput-ul fiecărei staţii de bază;

o Reutilizare mai bună a frecvenţelor

• Prin utilizarea modului de lucru „Partially Used Sub-channeling (PUSC)” SOFDMA poate asigura o reutilizare mai bună a frecvenţelor decât cu OFDM256 (tehnică mai veche (anterioară)); ca şi rezultat mai puţin spectru este necesar pentru a asigura aceeaşi capacitate a sistemului;

o Securitate îmbunătăţită

• Standardul 802.16e include funcţionalităţi „Advanced Encryption System” (AES) o Reprezintă o opţiune pentru realizarea unei reţele wireless combinate Fixe, Nomadice şi

Mobile

Concluzii Standardul 802.16e nu este legat numai de mobilitate. Un element de bază este introducerea tehnologiei SOFDMA, care oferă un număr de avantaje pentru aplicaţiile wireless fixe cât şi pentru aplicaţii mobile. Reţele bazate pe SOFDMA sunt o soluţie atât pentru reţele fixe cât şi mobile.

28

Completare structură cadru OFDMA