Основы ортогонального доступа с частотным разделением каналов (OFDMA).

Распределение поднесущих с помощью смежных перестановок

Смежная перестановка группирует блок смежных поднесущих частот, чтобы сформировать подканал. Они представляют наборы кодовых комбинаций AMC (Adaptive Modulation and Coding) для обоих направлений "вниз" (DL) и "вверх"(UL), которые имеют одну и ту же структуру. Они содержат контейнеры, включающие в себя предаваемые символы. Контейнер состоит из 9 смежных поднесущих частот в символе. Из этих символов - 8 предназначеныmдля передачи данных и один для передачи пилота – сигнала.

Слот в AMC определен как совокупность контейнеров типа (), где - число смежных контейнеров и – число смежных символов. Таким образом, возможны следующие комбинации: 6 контейнеров, 1 символ; 3 контейнера, 2 символа; 2 контейнера, 3 символа; 1 контейнер, 6 символов.

Вообще, частичное или полное распределение поднесущей частоты дают хорошие результаты в мобильных приложениях. В то время как смежные перестановки поднесущей частоты хорошо удовлетворяют приложения с фиксированным местоположением или с низкой подвижностью.

Подводя итоги рассмотрению вопроса о разделении поднесущих, заметим, что после их распределения проводится их нумерация [ 43 ] , [ 44 ] , [ 80 ] . Нумерация позволяет разместить логические поднесущие по физическим, при этом проводится перемежение. Поскольку современные мобильные станции, например, Мобильный WiMAX предусматривают работу с несколькими антеннами, (этот метод будет рассмотрен ниже), нумерация позволяет распределение поднесущих антеннам с применением пространственного кодирования.

Зоны переключения.

Гибкость использования мобильных станций обеспечивается сегментированием и созданием зон переключения.

Сегмент – это объединение части доступных OFDM подканалов (в крайнем случае, один сегмент может содержать все подканалы). Один сегмент используется для установления единственного экземпляра^{4Экземпляр процесса представляет собой одну конкретную реализацию процесса, который использует соббственные данные экземпляра процесса. Например, телефонная станция устанавливает несколько исходящих соединение. Порождается несколько экземпляров процесса установления соединений, отличающихся данными (исходными и полученными в процессе обработки).} процесса управления доступом к среде (MAC).

Зона переключения - множество смежных OFDM символов в "вниз" (DL) или "вверх" (UL) в каждой из которых использованы одни и те же методы разделения каналов. Физический уровень OFDM обеспечивает в пределах одного и того же кадра работу с зонами, которые используют различные разделения поднесущих, предоставляя возможность работы с терминалами различных станций.

рис. 8.6 иллюстрирует структуру зоны памяти, которая обеспечивает набор поднесущих, используемых в сотах. Соты идентифицируются с помощью идентификатора соты (ID Cell X, ID Cell Y, ID Cell Z). Идентификаторы этих сот размещаются в преамбуле. Идентификатор, ID Cell 0 закреплен за широковещательными соединениями. В данном случае вначале области каждой соты размещены адреса поднесущих, соответствующих принципу частичного использования (PUSC), а потом адреса поднесущих, соответствующих принципу полного использования. Эти области памяти могут быть использованы в зависимости от разработанной программы.

Рис. 8.6. Структура мультизонового кадра OFDMA:PUSC (Part Sub Carrier) – подсистема с частичным использованием поднесущих; FUSC (Full Sub Carrier) – подсистема с полным использованием поднесущих

Структура Кадра TDD.

Документы рассматриваемого стандарта для физического уровня 802.16e PHY предусматривают дуплексную работу по принципу дуплексная передача с временным разделением (TDD – Time Division Duplex)и полудуплексная передача по принципу "полудуплекс с частотным разделением" (HDFDD - Half – Duplex– Frequency Division Duplex).

Однако в первую очередь разработан профиль, относящийся к TDD. Профили для принципа FDD будут предназначены только для тех стран, где считается, что частотные методы работы предпочтительны для данной местности.

Для того чтобы обеспечить устойчивую работу, TDD требует широко развитой системы синхронизации. Однако TDD предпочтителен по следующим соображениям:

• предоставляет возможность регулировки отношения скоростей "вверх" и "вниз" и тем самым эффективного обслуживания асимметричного трафика; принцип FDD обеспечивает передачу в каждом направлении с фиксированной скоростью и в общем случае скорость по направлению "вниз" равна скорости по направлению "вверх".
• обеспечивает взаимодействие с системой антенн MIMO (MultiInput MultiOutput) и другими прогрессивными технологиями антенн в отличие от FDD, который требует парных каналов, принцип TDD требует только одного канала по направления "вверх" и "вниз". Это обеспечивает лучшую адаптацию в выделяемом спектре.
• реализация приемопередатчиков для TDD менее сложна, поэтому устройства, реализующие этот принцип дешевле.

рис. 8.7 отображает структуру кадра для дуплекса c временным разделением (TDD). Каждый кадр разделен на два подкадра – "вниз" и "вверх" разделенных промежутком передача/прием и прием / передача (TRG – Transmit/Receive Guard period и RTG - Receive/ Transmit Guard period) для предупреждения конфликтов. Для нормальной работы в кадре содержится следующая информация.

Рис. 8.7. Структура кадра OFDM Wi MAX по принципу TDD

Преамбула: используется для синхронизации, является первым OFDM символом кадра. Преамбула содержит адреса отправителя и получателя и данные необходимые для синхронизации.

Заголовок Управления Кадром (FCH - Frame Control Header): FCH следует за преамбулой. Он обеспечивает информацию подсистемы мобильной связи о конфигурации кадра такую, как длину сообщения и схему кодирования, и используемые подканалы.

Карты распределения информации для направлений DL-MAP and UL-MAP информацией о закреплении каналов и другой управляющей информацией для направления "вниз" (DL) и "вверх" (UL).

Порядок расположения информации UL (Ranging): данные, о подканале передаваемые по направлению "вверх" - время распространения по замкнутой петле, информация для настройки частоты, управлении мощностью и запросы на дополнительное расширение полосы пропускания.

UL Индикатор качества канала (CQICH – Channel Quality Indicator) – предназначен для передачи информации обратной связи о состоянии канала.

Подтверждение UL ACK информация подтверждения сообщений, которые поступили по направлению "вниз".

Доступ FDMA

Методика модуляции OFDM, которая создает много независимых потоков данных. Эти потоки могут использоваться различными пользователями. Предыдущие системы OFDM, таких как цифровая абонентская линия, 802.11a/g, и более ранние версии 802.16/WiMAX использует единственный пользовательский OFDM, - все поднесущие частоты одновременно используются единственным пользователем. Например, в 802.11a/g, пользователи совместно используют ширину полосы частот 20 МГЦ, получая для использования канала разное время.

WiMAX (802.16e-2005) применяет другой подход, известный как Ортогональный Многостанционный доступ с частотным разделением каналов (OFDMA - Orthogonal Frequency Division Multiple Access). В OFDMA, пользователи совместно используют поднесущие частоты и слоты времени. Такой подход увеличивает мультипользовательское разнесение^{5 Разнесение (diversity)- метод улучшения качества приема и передачи информации, основанный на организации нескольких каналов для приема и передачи одной и той же информации по нескольким каналам} , увеличивает свободу в планировании закрепления каналов за пользователями, и нескольких других тонких, но важных преимуществ реализации. Реализация OFDMA требует некоторых дополнительных затрат, таких как передача заголовка в обоих направлениях, поскольку и приемник должен знать, какие поднесущие частоты это были закреплены за пользователем.

Преимущества OFDMA

OFDMA - по существу представляет гибрид FDMA и TDMA. Пользователям - динамически назначаются поднесущие частоты (FDMA) в различных слотах времени (TDMA). Преимущества OFDMA начинаются с преимуществ даже единственного пользовательского OFDM, благодаря устойчивому подавлению многолучевости и разнесения по частоте.

Кроме того, OFDMA - гибкая методика многостанционного доступа, которая, может согласовать работу многих пользователей с большим набором меняющихся приложений, скоростями передачи данных, и требованиями Качества обслуживания.

Поскольку многостанционный доступ выполнен в цифровом виде (до быстрого преобразования Фурье - IFFT) возможно динамическое и эффективное распределение ширины полосы частот. Это позволяет объединить алгоритмы выбора слотов времени и частоты, чтобы лучше обслужить пользователей. Некоторые из этих алгоритмов будут обсуждены в этой секции.

Одно существенное преимущество OFDMA относительно OFDM - его потенциальные возможности уменьшения мощности передачи, а также возможность снизить требования к отношению пика мощности – к – математическому - ожиданию (PAPR – Peak-to-Average Power Ratio). Проблема PAPR особенно остро стоит при передаче в направлении "вверх", где эффективность мощности и стоимость ампер часов мощности представляют большой интерес. При разбиении полной ширины полосы частот среди многих мобильных станций (MS) в одной ячейке, каждая MS использует только небольшой поднабор поднесущих частот. Поэтому, каждая MS передает с более низким отношением PAPR, и также с намного более низкой полной мощностью, чем, если бы это передавалось по полной ширине полосы частот. Более низкие скорости передачи данных и взрывные данные намного более эффективно обрабатываются в OFDMA чем OFDM, или с TDMA или CDMA. При пике высокой мощности по всей ширине полосы OFDMA позволяет передавать на той же скорости длительное время, используя одну и ту же мощность.