Основы ортогонального доступа с частотным разделением каналов (OFDMA).

OFDMA в WiMAX: Протоколы и Проблемы

В предыдущей секции, обсуждались несколько алгоритмов распределения системных ресурсов различным пользователям. В системе OFDMA, такие ресурсы – такие как поднесущие частоты OFDM и мощность, выделяемая каждому пользователю. Ниже, дан краткий обзор важных деталей практической реализации OFDMA. Мы рассмотрим одну из систем, где применяется OFDMA, это система мобильной связи –WiMAX. Она использует доступ OFDMA, в сотовых сетхя, и закончим предостерегающим обсуждением эксплуатации разнесения в OFDMA вместе с другими типами разнесения.

OFDMA Протоколы.

Хотя алгоритмы планирования не определены стандартами - есть несколько ключевых признаков OFDMA, которые, действительно должны быть стандартизированы. Они включают следующие три темы - формирование подканалов, сообщения отображения, и ранжирование.

Формирование подканалов. Например, в мобильной системе WiMAX, пользователи распределены по "блокам" поднесущих частот, а не по индивидуальным поднесущим частотам.

Это диктуется попыткой снизить сложность алгоритма распределения поднесущих частот и упрощение сообщений отображения такого распределения.

Предположим, что пользователь распределен в блоке . Поднесущие частоты, эти Lk поднесущих частот могут находиться по всей ширине полосы частот. Такое распределение известно, как распределенная перестановклй поднесущей частоты. Они могут все быть в том же самом частотном диапазоне, такое распределение известно как смежная перестановка поднесущих частот. Первое преимущество распределенной перестановки - это улучшенное разнесение по частоте и устойчивость, в то время как преимущество смежной перестановки увеличение мультипользовательского разнесения.

Сообщения отображения. Для того, чтобы каждая подвижная станция (MS) могла обладать информацией о том, какие поднесущие частоты за ней закреплены, базовая станция (BS - Base Station) должна передать эту информацию широковещательно в сообщениях DL-MAP. ( рис. 8.7) BS сообщает в сообщении DL-MAP каждой MS, какие поднесущие частоты предназначены для передачи. В дополнение к сообщению DL и UL распределений для MS поднесущей частоты, MS должна также быть информирована относительно профиля пакета, используемого в DL и UL. Профиль пакета, который был представлен в таблица 8.5, основан на измеренном SNR и BLER в обеих линиях связи, и это идентифицирует соответствующий уровень модуляции и кодирования. Эти профили пакета, для реализованной в WiMAX системе адапти вной модуляции и кодирования.

Порядок расположения поднесущих. Так как каждая MS имеет уникальное расстояние от базовой станции, это является основным для сообщений в "вверх", чтобы синхронизировать символы и выровнять уровни мощности среди различных активных MS, этот процесс известен, как ранжирование. Ранжирование требует, чтобы BS оценила интенсивность канала и время прибытия сообщений для данной MS. Синхронизация по направлению "вниз" не нужна, так как эта линия связи уже синхронна, но в направлении "вверх", различные активные пользователи должны быть синхронизированы, к по крайней мере, в пределах циклического защитного промежутка времени отделяющего их друг от друга. Если этого не будет, то это приведет к существенным взаимным влияниям между поднесущими частотами и межсимвольной интерференции между сотами, но это только допустимо и строго не требуется.

Регулирование мощности в направлении в "вверх" необходимо по нескольким причинам, в том числе

1. увеличения срока службы аккумулятора,
2. уменьшения влияния на другую соту,
3. исключение эффекта "подавления" далеких пользователей в той же самой соте, которые совместно используют символы OFDM.

Эффект подавления происходит из-за ухудшенной ортогональности поднесущих частот между соседними пользователями передающими информацию "вверх" ячейки. Ухудшение вызывается проблемами, возникающими в реальных сетях. Например, различный динамический диапазон при аналого-цифровом преобразовании (A/D), смещение несущей частоты (от доплеровского эффекта - Doppler и несоответствия генераторов, которое не скорректировано при ранжировании), и несовершенства синхронизации. Проблема регулирования мощности вверх в WiMAX подобна проблеме "ближний – дальний" при CDMA, хотя значительно менее строгая (при регулировании "вверх" при CDMA, регулирование мощности должно быть чрезвычайно точным).

В WiMAX существуют:, четыре типа процедур, располагающих поднесущие:

• начальная процедура расположения,
• периодическая процедура расположения,
• запрос ширины полосы частот,
• порядок расположения для соединений

Процедура выполняется передачей двух или четырех последовательных символов, что базовой станции (BS), определить качество связи с MS. Если процедура расположения поднесущих прошла успешна, то BS передает команду (RNG-RES), т.е. сообщение которое позволяет MS на соответствующие поднесущие частоты, синхронизировать передачу и прием, и установить мощность. Если расположения поднесущих было неудачным, MS увеличивает, свою мощность, и передает новое сообщение запрос на запуск процедуры расположения поднесущих. Процедура продолжается до достижения успеха.

Сотовый OFDMA

Рассмотренные выше алгоритмы планирования, все очень зависят от отношения сигнал/шум (SNR) для каждого пользователя. Выбор набора поднесущих затрагивают пользователей каждой базовой станции в смежных ячейках.

Например, MS возможно с низким SNR на границе соты в системе GSM, выберет для передачи "вверх" высокую мощности, это понизит эффективные SNR всех пользователей в соседней соте, возможно изменяя идеальное распределение поднесущих частот и пакет профилей. Поэтому, применение OFDMA в сотовой системе имеет преимущества перед другими технологиями при подавлении или устранении возможностей интерференции от смежных ячеек.

Простой подход состоит в том, чтобы использовать уникальный план скачков частоты для каждой базовой станции, чтобы рандомизировать (сделать случайными) к интерференции другой – соты [ 88 ] , [ 74 ] . Этот подход, который популяризирует фирма Flarion^{7Компания Qualcomm объявила о покупке фирмы Flarion Technologies, которая является держателем лицензии на технологию FLASH-OFDM (flash Orthogonal Frequency-Division Multiplexing)} (теперь Qualcomm) в технологии, называемой FLASH-OFDM. Хотя эта схема уменьшает вероятность интерференции для худшего случая, в случае высокой нагрузки. Но уровень интерференции, может нарастать быстрее, чем интервал между скачками частоты, и вероятность конфликта может стать большой [ 85 ] .

Естественно, лучшие рабочие характеристики могут быть получены, если есть взаимодействие между базовыми станциями. Например, можно установить главный планировщик для всех базовых станций, который, знал бы состояние каналов каждой базовой станции и создавал списки распределения ресурса для многих сот соответственно.

Это предельно сложно из-за:

1. необходимости передавать большие количества информации в реальном масштабе времени к и от этого централизованного планировщика,
2. вычислительные трудности, это большой объем обработки этого количества информации, чтобы определить оптимальное или почти оптимальное глобальное распределение ресурса.

Более простые подходы возможны: если осуществлять согласование только между соседними базовыми станциями. Это нужно, чтобы удостовериться, что они не назначают те же самые поднесущие частоты для пользователей находящихся рядом в различных сотах.

В заключении отметим, что использование пространственного разнесения каналов по многим антеннам, усложняет планирование размещения поднесуших, поскольку сама такая технология подразумевает распределение поднесущих по антеннам.

Инициализация вызова и запрос полосы.

Физический уровень позволяет разместить поступающие вызовы в частотной радио полосе, предоставленной данной базовой станции. Процесс инициализации вызова используется не только на первоначальном этапе, но и периодически при работе подвижной станции, для регулировки параметров, например, при временных сдвигах или изменениях уровня мощности.

В случае инициативы абонентской станции к базовой передается специальный запрос на инициализацию. (При входящей связи сигнал запроса на инициализацию не требуется). Приняв сигнал запроса, базовая станция начинает процесс инициализации. В начале формируется псевдослучайная последовательность. Эта последовательность формируется генератором псевдослучайного кода с помощью циклического полинома. Всего для запроса предусмотрен набор из 256 кодов. Код – это последовательность бинарных символов с длиной - 144 бита. Символы модулированы методом двоичной фазовой манипуляции (BPSK – Binary Phase Shift Keying). Для передачи это последовательности используется 6 смежных подканалов с 24–мя поднесущими каждый. В качестве исходных данных для формирования псевдослучайного кода используется идентификатор соты U-ID –Cell. Значение самого кода зависит от момента обращения к генератору псевдослучайных чисел и числу тактов формирования последовательности.

Базовая станция формирует три последовательности кодов:

1. – код процесса инициализации;
2. – процесса периодической подстройки;
3. – код запроса полосы.

При начальной инициализации необходимы все три процесса.

Получив наборы кодов в соответствии с номером (идентификатором) базовой станции и картой распределения информации (UL MAP), абонентская станция определяет местоположение наборов в сообщении. Абонентская станция случайным образом выбирает один код из предложенного множества кодов и передает его назад к базовой станции.

Различные абонентские станции могут конкурировать за пропускную полосу и их запросы могут прийти на базовую станцию одновременно. Базовая станция выбирает одну из них и посылает ей обратную информацию. В ответном сообщении размещается информация: полученный псевдокод, подканал и номер OFDDM символа, в котором был передан этот код. Абонентская станция, приняв это подтверждение, подготавливается к принятию информации о выделяемом ресурсе. В следующем широковещательном сообщении передается информация: идентификатор соединения (CID- Connection ID), идентификатор сервиса (SID – Service ID), необходимые для контроля параметры. Далее абонентская станция начинает процедуру аутентификации и регистрации.

С учетом возможности поступления одновременных вызовов, код, выбранный абонентской станцией, транслируется, в двух последовательных символах. Это обеспечивает интервал времени достаточный для разрешения конфликта. В случае большой вероятности многих вызовов указанный интервал увеличивают с помощью посылки четырех последовательных сообщений. Если передается сообщение периодической подстройки параметров, то оно передается в одном символе. Сообщение запроса полосы указывает либо номер полосы, либо специальный код.

Краткие итоги к лекции 8

• (Ортогональный многостанционный доступ с частотным разделением каналов (FDMA) базируется на системе мультиплексирования OFDM.
• ( Ортогональное Частотное разделение каналов (OFDM – Orthogonal Frequency Division Multiplexing) - методика мультиплексирования, которая подразделяет полосу канала на множество поднесущих частот.
• (Ортогональное Частотное разделение каналов (OFDM) - методика мультиплексирования, которая подразделяет полосу канала на множество поднесущих частот. Входной поток данных разделен на несколько параллельных подпотоков с уменьшенной скоростью передачи данных (с увеличением продолжительности каждого передаваемого на этой частоте знака). Каждый подпоток модулируется и передается на отдельной ортогональной поднесущей частоте.
• (Для устранения межсимвольной интерференции, вводится циклический префикс (CP). Наличие циклического префикса создает временные паузы между отдельными символами, и если длительность охранного интервала превышает максимальное время задержки сигнала в результате многолучевого распространения.
• (Структура подканала OFDM содержит три типа поднесущих частот:
• поднесущие информационные частоты для передачи данных, поднесущие частоты для передачи пилот сигналов (для измерений и целей синхронизации), нулевые поднесущие частоты, используемые для защитных интервалов частот.
• (При формировании подканалов в направлении "вниз" применяются способы: каналообразование с полным использованием поднесущих частот (FUSC), каналообразование с частичным использованием поднесущих частот (PUSC), смежные перестановки c адаптивной модуляцией и кодированием AMC (Adoption modulation and Coding).
• (Есть два типа формирования подканалов из поднесущих частот: смежные и с разнесением. В первом случае для подканала выбираются поднесущие, которые находятся рядом в диапазоне частот.
• (Режим OFDMA, применяемый в Мобильных сетях основан на концепции наращиваемого OFDMA (S-OFDMA). Наращивание поддерживается, регулировкой числа шагов быстрого преобразования Фурье (БПФ – FFT).
• (Распределение поднесущих частот для формирования подканала зависит от способа использования поднесущих частот и направления передачи информации.
• (Гибкость использования OFDM обеспечивается сегментированием и созданием зон переключения. Сегмент – это объединение части доступных OFDM подканалов (в крайнем случае, один сегмент может содержать все подканалы), используемых для обслуживания единственного экземпляра процесса управления доступом к среде (MAC). Зона переключения - множество смежных OFDMA символов в вниз (DL) или "вверх" (UL) в каждой из которых использованы одни и те же методы разделения каналов.
• (Стандарты предусматривают для физического уровня дуплексную работу по принципу дуплексная передача с временным разделением (TDD) и полудуплексная передача по принципу "полудуплекс в частотным разделением" (HD FDD).
• (Принцип TDD имеет следующие преимущества: возможность регулировки отношения скоростей "вверх" и "вниз", обеспечивает взаимодействие с адаптивной антенной системой, не требует парных каналов.
• (Кадр для принципа дуплекса c временным разделением (TDD) содержит поля: преамбула, заголовок управления кадром, карты распределения информации для направлений, порядок расположения информации, индикатор качества канала, подтверждение.
• (При Ортогональном Многостанционном доступе с частотным разделением каналов (OFDMA - Orthogonal Frequency Division Multiple Access), пользователи совместно используют поднесущие частоты.
• (OFDMA - гибкая методика многостанционного доступа, которая, может согласовать работу многих пользователей с большим набором меняющихся приложений, скоростями передачи данных, и требованиями Качества обслуживания.
• (Два ключевых принципа обеспечивают высокую эффективность в OFDMA: - мультипользовательское разнесение и адаптивная модуляция.
• (Управление адаптивной модуляцией поддерживает различные виды модуляции. Для направления "вниз" (DL) обязательной является поддержка QPSK(Квадратурно-фазовая манипуляция), 16QAM и 64QAM (Квадратурно фазовая модуляция).
• (Cовокупность пользователей OFDMA может быть также снабжена доступом TDMA и CDMA
• (Программа – быстрый планировщик базовой станции определяет соответствующую скорость данных (или параметры пакета). Ключевая проблема, что AMC должна эффективно управлять тремя различными величинами сразу: мощность передачи, скорость передачи (совокупность), и скорость кодирования.
• (Канал Индикатора Качества Канала (CQI) используется для того, чтобы обеспечить передачу информации о состоянии канала от пользовательских терминалов к программе - планировщику базовой станции.
• (Беспроводные системы связи используют такие современные решения адаптивную модуляцию и кодирование.
• (Гибридный Автоматический Повторный Запрос (HARQ -Hybrid Automatic Repeat Request) позволяет использовать N каналов в старт-стопном режиме с поблочным повторением. При использовании этого метода, после отправки кадра передатчик делает паузу, в течение которой ожидается прием подтверждения. В зависимости от типа подтверждения (положительное - ACK)
• (OFDMA использует множество алгоритмов распределения ресурсов Идея разработки таких алгоритмов состоит в том, чтобы определить на время соединения (сеанса) порядок, назначения пользователям поднесущих частот, и для каждого пользователя на каждой поднесущей частоте определить соответствующую мощность.
• (Цель алгоритма максимальной суммы скорости (MSR - maximum sum rate), как указывает название, максимизировать сумму скоростей всех пользователей, с учетом ограничения полной мощности передачи.
• (Алгоритм максимальной справедливости (fairness algorithm) распределяет поднесущие частоты и мощность так, чтобы скорость данных передаваемая минимальным пользователем была максимальна.
• (Цель алгоритма Пропорционального Ограничения Скорости состоит в том, чтобы максимизировать производительность суммы, с дополнительным ограничением, что, скорость с дополнительным ограничением, что, скорость данных каждого пользователя пропорциональна набору заранее заданных системных параметров (весовых коэффициентов).
• (Процесс инициализации вызова используется не только на первоначальном этапе, но и периодически при работе подвижной станции, для регулировки параметров, например, при временных сдвигах или изменениях уровня мощности.