Phy Layer

PHY Layer

Tehnica OFDM sta la baza nivelului fizic al WiMAX-ului, datorita vitezelor foarte mari oferite privind comunicațiile de date, video sau multimedia. De asemenea este utilizata si datorită capabilității ei de a transmite date la viteze foarte mari, chiar dacă utilizatorul nu se află pe linia de vizibilitate directă, și datorită faptului că suportă o transmisie pe mai multe căi.
Nivelul fizic, sau așa numitul nivel PHY, se bazează pe standardele IEEE 802.16-2004 și IEEE 802.16e-2005, standarde ce au fost dezvoltate folosind foarte multe influențe de la arhitectura Wi-Fi, mai ales de la standardul IEEE 802.11a .
Astfel întregul set de standarde IEEE 802.16 definește 4 layere pentru PHY, oricare dintre ele putând să fie folosit alături de nivelul MAC pentru a determina un sistem wireless de bandă largă. Layerele PHY definite în IEEE 802.16 sunt:
– WirelessMAN SC, o singură purtătoare pentru layerul PHY menită să fie folosită pentru frecvențe mai mari de 11GHz și care avea nevoie de anumite condiții privind pierderile.
– WirelessMAN SCa, o singură purtătoare pentru layerul PHY ce putea lua valorile între 2GHz și 11GHz pentru operațiile de tip point-to-multipoint.
– WirelessMAN OFDM, folosește 256 de puncte pentru FFT, bazate pe OFDM, pentru operații de tip point-to-multipoint în condiții care nu prezintă pierderi, cu frecvențele cuprinse între 2GHz și 11GHz. Acest layer al nivelului PHY, finalizat în specificațiile standardului IEEE 802.16-2004, a fost acceptat și folosit de WiMAX în operațiile fixe, este cunoscut și sub denumirea de WiMAX fix.
– WirelessMAN OFDMA, folosește 2048 de puncte pentru FFT, bazate pe OFDMA, pentru operații de tip point-to-multipoint în condiții de tip NLOS, folosind frecvențe cuprinse între 2GHz și 11GHz. În specificațiile standardului IEEE 802.16e-2005, acest layer a fost modificat în SOFDMA ( OFDMA scalabil ), unde marimea lui FFT este variabilă și poate lua următoarele valori: 128, 512, 1024 și 2048. FFT-ul variabil ne permite folosirea sistemului pentru mai multe condiții ale canalului radio și de asemenea oferă o gamă largă privind benzile canalului radio. [carte Margh referinta]

Ultimele doua standarde IEEE 802.16e-2005 si IEEE 802.16-2004 sunt cele mai folosite in sistemele WiMAX, de aceea in continuare vom discuta avand la baza conceptele celor doua.

2.1 OFDM/OFDMA-cauta titlu mai bun

OFDM aparține unei familii de scheme de transmisiune ce prezintă modulații cu mai multe purtătoare, și se bazează pe ideea de a divide o secvență de date cu o rată de transmisiune mare în mai multe secvențe paralele cu rate de transmisiuni mai mici fiecare secvență cu purtătoarea sa, deseori numite și subpurtătoare sau tonuri. Schemele ce prezintă modulații cu mai multe purtătoare prezintă avantajul minimizării sau eliminării interferenței intersimbol ( IIS sau ISI (intersymbol interference) ) prin mărirea timpului de existență a simbolului astfel încât întârzierile datorate canalului să fie suficient de mici în comparație cu durata simbolului. Astfel, în sistemele cu o rată de date mare în care durata simbolului este mică, aceasta fiind invers proporțională cu rata de date, împărțirea secvenței de date în mai multe secvențe de date paralele va conduce la o creștere a duratei simbolului pentru fiecare secvență, astfel încât întârzierile răspândite vor fi doar o fracțiune foarte mică a duratei simbolului.
Avantajul folosirii schemei OFDM este faptul că toate subpurtătoarele sunt alese astfel încât sunt ortogonale între ele pe durata simbolului, evitându-se astfel interferența intersimbol. Pentru a asigura ortogonalitatea intre subpurtatoare, vom considera pentru prima subpurtătoare o frecvență astfel încât va avea un număr întreg de ciclii într-o perioada a unui simbol și de asemenea trebuie să existe o anumită distanțare între subpurtătoarele adiacente, spațiu denumit și banda de garda Bsc=B/L, unde B este banda nominală, iar L reprezintă numărul de subpurtătoare. [carte Marg referinta]
Se poate demonstra că semnalul OFDM este echivalentul unei transformate Fourier discrete inverse(IDFT) a unui bloc de secvențe de date. Acest lucru face ca implementarea schemei OFDM, pentru elementele de transmisie și recepție în timp discret, să fie una destul de ușoară folosind IFFT și respectiv FFT.
Pentru eliminarea completă a interferenței intersimbol a fost introdusă o bandă de gardă între două simboluri OFDM, care s-a considerat că ar trebui sa fie mai mare decât întârzierea răspândită pe căi multiple. Însă, adăugarea acestui interval de gardă a presupus un consum de putere mai mare și de asemenea și o utilizare a lărgimii de bandă mai puțin eficientă. Astfel cu cât perioada unui simbol era mai mare, cu atât implica folosirea unui consum mai redus și utilizarea benzii mult mai eficient.
Astfel schemele OFDM pot fi ușor de implementat folosind FFT/IFFT, de asemenea performanțele lor descresc pe măsură ce întârzierile împrăștiate depășesc valorile pentru care au fost realizate. OFDM poate fi folosit și pentru codarea și modularea adaptivă, ce permite ca sistemele să profite la maxim de condițiile oferite de canal. Un alt avantaj al folosirii OFDM este că poate fi folosită ca o schemă pentru acces multiplu, unde diferite tonuri sunt parționate și alocate la diferiți utilizatori. Aceste scheme sunt denumite si OFDMA si sunt deseori folosite în schemele mobile WiMAX. De asemenea, pentru canalele lent variabile în timp, pe baza raportului semnal-zgomot al fiecarei subpurtatoare poate fi posibila o îmbunătățire a capacității de adaptare a ratei de date la fiecare utilizator.
În ciuda acestor avantaje, tehnicile OFDM se confruntă cu câteva dificultăți. În primul rând, semnalele OFDM cu un raport peak-to-average mare prezintă distorsiuni neliniare și discontinue. Apoi, semanelele OFDM sunt predispuse la zgomote de fază și la o dispersie a frecvențelor, iar schemele trebuie să minimizeze aceste imperfecțiuni, fiind necesară și o sincronizare a frecvențelor cât mai bună.

Parametrii OFDM în WiMAX

După cum am menționat și mai devreme, versiunile pentru WiMAX fix și mobil diferă din punct de vedere al implementării nivelului fizic OFDM. WiMAX fix, care este bazat pe standardul IEEE 802.16-2004, folosește 256 de puncte FFT, în timp ce WiMAX mobil, care este bazat pe standardul IEEE 802.16e-2005, prezintă un nivel fizic cu un OFDM scalabil cu valori variabile între 128 de biți și 2048 de biți.

WiMAX fix, OFDM -PHY

Din punct de vedere al versiunii fixe WiMAX vom avea o schema FFT cu o valoarea fixa de puncte de 256, dintre care vom avea 192 de subpurtatoare folosite pentru date, 8 subpurtatoare utilizate drept subpurtatoare pilot, iar restul de 56 vor fi folosite pentru benzile de garda. Din moment ce FFT prezinta o dimensiune fixa, distanta intre subpurtatoare va varia in functie de latimea benzii canalului.O data cu marirea benzii, se va mari si banda de garda si de asemenea se va micsora durata simbolului. Prin micsorarea duratei va fi necesara o banda de garda mai mare pentru a evita existenta intarzierii datorate imprastii. Astfel in WiMAX se poate realiza un compromis privind folosirea cat mai eficienta a spectrului si o intarziere de imprastiere cat mai robusta prin folosirea gamei dinamice de valori a benzi de garda.

In figura 2.1.1 avem ilustrate tipurile de subpurtatoare existente intr-o structura OFDM

Fig. 2.1.1: Subpurtatoarele pentru structura OFDM

WiMAX mobil, OFDMA-PHY

In sistemele mobile WiMAX, sunt folosite scheme FFT scalabile cu valori cuprinse de la 128 de puncte pana la 2048 de puncte. Astfel la o marire a benzii se va mari si schema FFT pentru a obtine intotdeauna o spatiere intre subpurtatoare de 10,94 kHz, pastrandu-se astfel o durata de simbol fixa. De asemenea un FFT scalabil presupune si un cost mai scazut.

Spatierea dintre subpurtatoare de 10,94 kHz a fost aleasa pentru a putea fi posibila utilizarea atat a retelelor mobile cat si fixe, astfel fiind evitate cat mai mult cu putinta atat intarzierile imprastiate cat si intarzierile Doppler. De asemenea, o spatiere a subpurtatoarelor de 10,94 kHz a determinat folosirea a 128, 512, 1024 sau 2048 de puncte FFT pentru benzi de 1,25 MHz, 5MHz, 10 MHz sau 20 MHz.

Subcanalizarea: OFDMA

Retelele WiMAX fixe bazate pe un nivel fizic cu scheme OFDM permit o subcanalizare limitata a legaturii ascendente(uplink). Prin subcanalizare facem referire la un grup de subpurtatoare extras din subpurtatoarele disponibile.

Astfel standardul ofera un numar de 16 subcanale care pot fi alocate unei singure SS pe legatura ascendenta. Aceste subcanale pot fi distribuite toate sau sub forma de 1, 2, 4 sau 8 seturi. Folosind o subcanalizare a legaturii ascendente se va putea transmite de la SS folosind doar o fractiune a benzii alocate de catre statie de baza ( o fractiune de pana la 1/16 ), fiind astfel imbunatatite performantele.

Insa, in WiMAXul mobil care are la baza schema OFDMA, subcanalizarea este permisa atat pentru legatura ascendenta cat si pentru legatura descendenta. Diferite subcanale pot fi alocate diferitor utilizatori datorita mecanismului de acces multiplu OFDMA.

Prin modificarea figurii 2.1.1 vom obtine figura 2.1.2 in care avem ilustrata subcanalizarea pentru OFDMA

Fig. 2.1.2: Subcanalizarea in OFDMA

Schemele de subcanalizare pot fi formate fie din subpurtatoare invecinate, fie din subpurtatoare pseudoaleatoare distribuite in spectrul de frecvente. Subcanalele ce utilizeaza subpurtatoare distribuite sunt folosite in aplicatiile mobile datorita diversitati din punct de vedere al frecventei. In schimb pentru subcanalizarea ce foloseste subpurtatoare invecinate vom avea o diversitate din punct de vedere al utilizatorilor, utilizand o banda de tipul AMC, alocand subcanale acestora pe baza raspunsului lor in frecventa. Deseori, subpurtatoarele invecinate sunt folosite in retelele fixe sau in aplicatiile ce prezinta o mobilitate scazuta.

2.2 AMC

AMC este o tehnica de configurare a emitatorului din punct de vedere al modulatiei, ratei de codare si a tipului de FEC, beneficiind astfel de avantajele oferite de catre fluctuatiile survenite in canal. In figura 2.2.1 este ilustrat un model ce tine cont de tehnica AMC

Fig. 2.2.1: AMC

In cazul in care conditiile canalului sunt defavorabile, fapt ce se datoreaza deseori datorita indepartarii statiei mobile de statia de baza, AMC va reconfigura sistemul spre a folosi o constelatie de tip QPSK si o corectie a erorilor cu o rata mai mica , precum rate convolutionale de ½ sau coduri turbo, ce vor determina o rata de date mai mica. Iar in cazul in care conditiile canalului sunt bune, se va folosi o constelatie mai mare, spre exemplu 64QAM, si o rata de corectie a erorilor mai putina robusta, spre exemplu rate convolutionale ¾ , turbo sau coduri LDPC determinand astfel o rata de date mult mai mare. In tabelul 2.2.2 sunt prezentate cateva valori la diferite valori ale benzilor.

Tabel 2.2.2: Rata de date a nivelului fizic la diverse latimi de banda ale canalului

2.3 Structura frameului

Un slot este resursa minima de tip timp-frecventa, care poate fi alocat unui utilizator. Fiecare slot prezinta 48 de subpurtatoare, acestea fiind la randul lor grupate, dupa cum am mentionat si mai devreme, in subpurtatoare invecinate sau subpurtatoare pseudoaleator distribuite. In continuare vom prezenta structura unui frame utilizand subpurtatoare distribuite datorita avantajului acestora din punct de vedere al diversitatii frecventelor.

Maparea bidimensionala intre timp si frecventa prezinta un avantaj considerabil din moment ce in OFDMA diferite subpurtatoare sunt alocate la diferiti utilizatori. Adica, nu vom avea frecvente sau sloturi fixe ce vor fi utilizate intotdeauna de un anumit utilizator. In figura 2.3.1 avem ilustrata structura unui frame OFDMA din punct de vedere bidimensional.

Descriere schema: REFORMULEAZA !!!!!!

Preambulul: Este folosit pentru sincronizare.

DL/UL Mobile Application PART(MAP): Toate SS asculta de aceasta regiune din frameul OFDMA. In acest bloc este inscris CID, iar fiecare SS compara daca este CID sau. Daca acestea isi identifica propriul CID, vor primi sau transmite pe sloturi adresate alaturi de CID. SS isi va da seama daca trebuie sa trimita sau sa receptioneze daca CID-ul lor era in blocul DL sau UL.

Ranging Channel: prin intermediul statiei de baza se ofera informatii privind puterea transmisa si timpul de sosire a statiei mobile. Stim ca fiecare statie mobila se afla la o distanta proprie fata de statia de baza, iar aceasta distanta trebuie cunoscuta pentru a realiza sincronizarea simbolurilor .

Fast Feedback CQICH: acest bloc al subframeului de UL, este utilizat pentru adaptari privind linkul. Calitatea linkului este valoarea raportului semnal-zgomot masurat de SS si este transmis prin CQICH catre statia de baza.

CP= cyclic prefix

Fig. 2.3.1: Structura unui frame OFDMA [ vezi referinta 10 si 3 – dsgn.wimax]

Blocurile pentru downlik si uplink sunt resursele ce vor fi alocate utilizatorului. Spre exemplu, in schema noastra sunt prezenti 6 utilizatori ce folosesc downlink si 3 utilizatori ce folosesc uplink intr-o perioada a unui frame OFDMA. Fiecare profil de burst pentru downlink sau uplink poseda propriul format de modulatie, de codare a ratei si tipul de FEC. Toate acestea determina un profil de burst. In tabelul 2.3.2 avem o lista cu profilele de burst suportate in WiMAX alaturi de ratele de date pentru downlink si uplink pentru o banda a canalului de 10 MHz.

Fig. 2.3.2: Ratele de date pentru uplink si downlink pentru diferite modulatii si codari a ratei