Основы ортогонального доступа с частотным разделением каналов (OFDMA).

Наращиваемый OFDM

Режим передачи согласно стандарту IEEE 802.16e-2005 основан на концепции наращиваемого (масштабируемого) OFDM (S-OFDM -Scalable -OFDM) , . Он поддерживает широкий диапазон пропускной способности и гибко приспосабливается к потребностям в различных диапазонах спектра и к потребностям в различных диапазонах спектра.

Наращивание пропускной способности поддерживается, регулировкой числа шагов быстрого преобразования Фурье (БПФ – FFT- Fast Fourier Transform). Параметры S-OFDM приведены в табл. 8.1 Техническая рабочая группа WiMAX Forum в начале запланировала разработку документов (профилей) для значений ширины каналов 5 и 10 МГц (выделены в табл. 8.1 жирным шрифтом).

Параметры SOFDM

Параметры	Значение
Ширина канала (МГц)	1,25	5	10	20
Частота опроса ($$F_p$$ в МГц)	1,4	5,6	11,2	22,4
Размер преобразования Фурье ($$N_{FFT}$$)	128	512	1024	2048
Число подканалов	2	8	16	32
Интервал между несущими	10,94 кГц
Длительность полезного символа ($$T_b=1/f$$)	91,4 мкс
Защитный интервал ($$T_g=T_b/8$$)	11,4 мкс
Длительность OFDMA символа ($$T_s=T_b+T_g$$)	102,9 мкс
Число символов (кадр 5 мс)	48

Формирование подканала с полным использованием поднесущих частот в направлении "вниз".

Минимальной частотно-временной единицей формирования канала является один слот, который содержит 48 поднесущих. Эта единица поддерживается физическим уровнем в обоих направлениях.

В распределения поднесущих частот при полном использовании поднесущих частот для формирования подканала в направлении "вниз".

Распределение поднесущих с полным использованием в направлении "вниз" (DL FUCS)

Параметры	Значение
Ширина полосы частот МГц	1,25	5	10	20
Размер преобразования Фурье	128	512	1024	2048
Число защитных поднесущих частот	22	86	173	345
Число используемых поднесущих частот	106	426	851	1703
Число поднесущих частот данных	96	384	768	1536
Число поднесущих частот пилот сигнала	9	42	83	166
Число подканалов	2	8	16	32

Для каждой полосы частот каналов выбирается количество частот используемых в преобразовании Фурье.

Число защитных поднесущих определяется величиной максимальной задержки сигнала (см. рис.8.2, рис.8.3). Распределение поднесущих частот с помощью циклического префикса. Для таблицы это время принято около 17% от числа указанного в строке " размер преобразования Фурье". Эти поднесущие распределяются на два примерно равных поднабора – один в начале другой в конце. Например, для размера преобразования Фурье 2048 в табл. 8.2 выбрано число защитных поднесущих 345.

Число используемых поднесущих частот получается вычетом числа защитных поднесущих из их общего числа. В данном примере остается $$1703$$ поднесущих.

Для подканалов поднесущих с полным использованием поднесущих частот и направлением "вниз", сначала распределяются пилот – сигналы, а затем оставшиеся сигналы распределяются на подканалы данных. Число пилот сигналов указывается в стандарте. В данном случае это число равно 166. Число поднесущих частот данных определяется кратным 48. Число подканалов определяется числом поднесущих частот данных и длиной слота 48 поднесущих. В данном примере оно равно 32 (1536/48=32).

Формирование поднесущих с частичным использованием и направлении "вниз" (DL).

При использовании DL PUSC, для каждой пары OFDM символов, доступных или используемых поднесущие частоты сгруппированы в кластеры, содержащие 14 непрерывных поднесущих частот на один период символа, пилот – сигналы и данные распределены в каждом кластере с учетом четных и нечетных символов как показано на рис.8.4.

(рис 8.4) Структура кластеров для четных и нечетных символов OFDM

Результат распределения поднесущих частот показан в табл. 8.3.

Распределение поднесущих с частичным использованием и направлении "вниз" (DL)

Параметры	Значение
Ширина полосы частот МГц	1,25	5	10	20
Размер преобразования Фурье	128	512	1024	2048
Число защитных поднесущих частот	43	91	183	367
Число используемых поднесущих частот	85	421	841	1681
Число кластеров /подканалов	6/3	30/15	60/30	120/60
Число информационных поднесущих частот	72	360	720	1440
Число поднесущих частот пилот сигнала	12	60	120	240

В таблице выделены поднесущие защитного интервала. Зная число несущих в каждом кластере, можно определить максимальное число кластеров (минимальное число показано через черту). По величине поднесущих кластера определяется число поднесущих для передачи данных и пилот – сигналов.

Формирование поднесущих с частичным использованием в направлении "вверх" (UL).

В данном случае для организации подканалов используется элемент, называемый "фрагмент" (tile Буквальный перевод tile – одна черепица, элемент мозаичного панно ). Фрагмент компонуется из 4-х поднесущих. Для передачи 3-х символов OFDM.используются приведенные ниже компоновки (рис 8.5). Каждый символ отображается фрагментом, состоящим из четырех несущих.

(рис 8.5) Компоновка символов с помощью несущих: а) 3-х символов с помощью 4 –х поднесущих б) 3-х символов с помощью 3 –х поднесущих

Каждый подканал содержит 6 фрагментов по 4 поднесущих в каждом и используемых в соответствии с , таким образом, для одного подканала используется 24 поднесущих. Для 3 –х символов используется $$24\times 3 =72$$. Из этих поднесущих образуется слот, содержащий 48 поднесущих для передачи данных и 24 поднесущих пилот сигнала. Результат разнесения поднесущих частот приведен в таблица 8.5">рис 8.4">таблица 8.5, таким образом, для одного подканала используется 24 поднесущих. Для 3 –х символов используется $$24\times 3 =72$$. Из этих поднесущих образуется слот, содержащий 48 поднесущих для передачи данных и 24 поднесущих пилот сигнала. Результат разнесения поднесущих частот приведен в Распределение поднесущих в направлении "вверх" (UL) ПараметрыЗначение Ширина полосы частот МГц1,2551020 Размер преобразования Фурье12851210242048 Число защитных поднесущих частот31103183367 Число используемых поднесущих частот974098411681 Число фрагментов24102210420 Число подканалов4173570

При распределении поднесущих "вверх" возможно использования фрагментов, показанных на рис.8.5б, которые содержат 3 поднесущих на фрагмент, что немного увеличивает число подканалов.

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 ($$N\times М. = 6$$), где $$N$$ - число смежных контейнеров и $$М$$ – 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 , , . 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 экземпляраЭкземпляр 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 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.

Многостанционный доступ с частотным разделением каналов (OFDMA)

Многостанционный доступ с частотным разделением каналов (OFDMA) может быть успешно реализован в системах OFDM, путем закрепления за различными пользователями их собственных наборов поднесущих частот (рис 8.8). Есть множество способов, которыми может быть выполнено это распределение. Самый простой метод - статическое распределение поднесущих частот каждому пользователю, как показано на рис. 8.9. Например, из 64 поднесущих частот системы, пользователь 1 может выбрать поднесущие частоты 1-16, пользователи 2, 3, и 4 могут использовать поднесущие частотами 17-32, 33-48, и 49-64, соответственно. Распределения сообщаются мультиплексору для различных пользователей на длительное время и используются перед работой быстрого преобразователя Фурье (FFT). Естественно, допускаются также неравные распределения, например, для пользователей, передающих данных с высокой скоростью распределяется больше поднесущих частот, чем для пользователей с более низкой скоростью.

(рис 8.8) В OFDMA базовая станция назначает каждому пользователю часть поднесущих предпочтительно в диапазоне, который дает наилучшие параметры каналов

Усовершенствование статического распределения - динамическое распределение поднесущей частоты, основанное на периодическом анализе состояния канала.

Например, из-за частотной обстановки и при наличии замираний пользователя 1 может иметь относительно хорошие каналы на поднесущих частотах 33-48, в то время как пользователь 3 мог бы иметь хорошие каналы на поднесущих частотах 1-16. Очевидно, что такое изменение распределений на основе статистики было бы взаимно выгодно для этих пользователей. Есть хорошо разработанные теории для выполнения динамического распределения поднесущих частот.

(рис 8.9) OFDMA

Многостанционный доступ. Комбинация частотного разделения каналов (OFDMA) с временным разделением (TDMA) - "Циклический доступ"

Одновременно совокупность пользователей OFDMA может быть также снабжена доступом TDMA. Это позволяет, больше передавать информации с помощью единственного символа OFDM. Кроме того, пользователи часто не имеют данных для передачи, так что динамическое распределение поднесущих частот является необходимым для увеличения эффективности, чтобы избежать лишней затраты ресурсов. Статический TDMA показан на рис 8.9.Такая статическая методология распределения TDMA соответствует соответствующей постоянному потоку данных (обычно при коммутации каналов) в приложениях типа передачи речи или подвижного видео. Вообще, a система, основанная на передаче пакетов может использовать более сложные алгоритмы планирования, основанные на учете длины очередей, состоянии каналов, ограничения на задержку, чтобы достигнуть намного лучших рабочих характеристик, чем статический TDMA. Статический TDMA на основе передачи пакетов часто называется циклическим (Round Robin): каждый пользователь просто ждет своего момента в цикле, а затем передает свою информацию.

Многостанционный доступ. Комбинация частотного разделения каналов (OFDMA) с кодовым разделением каналов (CDMA)

CDMA - доминирующая технология для многостанционного доступа в существующих сотовых системах, но она не особенно соответствует скоростной передаче данных. Хотя бы потому что, в CDMA для того, чтобы подавить интерференцию используется большая намного ширина полосы, чем это требуется для желаемой скорости данных.

В беспроводных широкополосных сетях скорости данных, настолько большие, что получить необходимое для CDMA расширение, спектра не реально. Даже номинально CDMA широкополосные стандарты такие как HSDPA и 1xEV-DO имеют очень маленькие коэффициенты расширения. Кроме того, надо конкурировать с системами TDMA, а - динамические системы TDMA, используют тактику, основанную на планировании целей, таких как состояние канала и время задержки, что требует еще большой полосы частот.

OFDM и CDMA могут быть объединены (. Для этого можно использовать передачу сигналов широкого спектра и разделить пользователей кодами в OFDM, расширяя их либо во временные либо в частотные области. Расширение временной области состоит в том, что каждую поднесущую частоту разделяют по времени. Далее передают один и тот же самый символ данных в виде нескольких последовательных символов OFDM, то есть символ данных умножается на символ кодовой последовательности $$N$$, а затем посылается на заданной поднесущей частоте за следующим $$N$$ символом OFDM.

(рис 8.10) Комбинация FDMA и TDMA

Расширение частотной области, которое вообще имеет немного лучшие рабочие характеристики, чем расширение временной области , и состоит в том, что каждый символ данных, посылается одновременно на $$N$$ различных поднесущих частотах. MC-CDMA -, но этот доступ можно было бы считать в будущем соответствующим, для передачи "вверх", например в стандарте WiMAX.

(рис 8.11) Комбинация FDMA и CDMA

Мультипользовательское Разнесение и Адаптивная Модуляция

Мультипользовательское разнесение состоит в предоставлении каждому новому соединению набора поднесущих частот. Преимущества, которые дает этот метод, по сравнению с долговременным закреплением частот за станцией (многостанционный доступ) - это выбор для каждого соединения, поднабора из доступных поднесущих, таких которые в данный момент могут обеспечить "хорошие" условия.

Адаптивная модуляция – это средство, для эксплуатации хороших каналов так, чтобы достичь наиболее высоких скоростей передачи данных. В OFDMA, чтобы максимизировать производительность, выбор поднесущих частот и распределение мощности должны быть основаны на состоянии каналов. Ниже, мы обсуждаем необходимое два ключевых принципа, которые обеспечивают высокую эффективность в OFDMA: - мультипользовательское разнесение и адаптивная модуляция.

Мультипользовательское Разнесение

Хотя OFDMA системы имеют множество поднесущих частот, не каждый набор обеспечивает оптимальные условия для заявки пользователя. Для иллюстрации проблемы рассмотрим систему из $$K$$ пользователей, где поднесущие частота выбираются последовательно для каждого пользователем. При этом лучевое замирание, то есть усиление канала каждого пользователя – не зависит от других пользователей. Первый пользователь имеет возможность выбрать набор поднесущих, которое обеспечить наибольшую пропускную способность канала. Для второго пользователя вероятность получения канала с максимальной производительностью в общем случае может быть меньше, это зависит от многих факторов – место нахождения абонента, уровня шумов и других причин.

В большинстве теоретических исследований принимается, что с появлением каждого абонента такая вероятность падает. Тем не менее, существует некоторая величина числа абонентов, когда общая производительность достигает максимума, а потом начинает падать. Подробнее исследование этого вопроса можно посмотреть в .

В практических системах, выигрыш от мультипользовательского разнесения значительный. Хотя в этой главе мы сосредоточимся на выигрыше в производительности (пропускной способности), но можно отметить, что, в некоторых случаях наибольший положительный эффект от мультипользовательского разнесения достигается благодаря повышению надежности линии связи и зоны покрытия.

Адаптивная Модуляция и Кодирование (ADAPTIVE MODULATION AND CODING)

Беспроводные системы связи используют такие современные решения адаптивную модуляцию и кодирование. Гибридный Автоматический Повторный Запрос (HARQ -Hybrid Automatic Repeat Request) и Индикатор Качества Канала (CQI -Channel Quality Indicator) чтобы учитывать изменения в канале и приспосабливать его к текущему состоянию.

Адаптивная Модуляция в OFDMA. В системе OFDMA, каждому пользователю распределен блок поднесущих частот, каждая из которых имеет различный набор SNR (Signal to Noise Ratio - отношение сигнал-шум). Поэтому, надо обратить внимание, чтобы набор совокупности модуляции/ и скорости кодирования были выбраны с учетом изменяющихся SNR поднесущих частот.

Основная идея весьма проста: применять методы модуляции и кодирования, рассчитанные на передачу данных как можно на более высокой скорости, когда канал в хорошем состоянии, и передавать на более низкой скорости, когда канал плохой, чтобы избежать чрезмерного числа забракованных пакетов. Более низкие скорости передачи данных получаются, в случае применения совокупности средств – "созвездий" (constellation)с малой исправляющей способностью.

Мобильный широкополосные системы связи поддерживают различные виды модуляции. Для направления "вниз" (DL) обязательной является поддержка QPSK(Quadrature Shift Keying – Квадратурно-фазовая манипуляция), 16QAM и 64QAM (Quadrature Amplitude Modulation Квадратурно амплитудная модуляция).

В направлении "вверх"(UL) может применяться 64QAM. Для кодирования могут применяться:

сверточное кодирование (CC- Convolution Coding);

сверточное турбо - кодирование (CTC Convolution Turbo Coding) с переменной скоростью кода и повторным кодированием;

блочное турбо - кодирование (BTC- Block Turbo Code)

кодирование низкой плотности с проверкой на четность (LDPC –Low Density Parity Check Coding);

В целом, в настоящее время можно применить свыше пятидесяти различных конфигураций типа модуляции и кодирующих и скоростей, из множества реализаций будут применяться в широкополосных системах только часть из них. Эти конфигурации называются профили пакета, и перечислены в табл. 8.5 (принципы модуляции см. главу 4).

таблица 8.5.

Применяемые коды и модуляции

Модуляция		Вниз	Вверх
		QPSK, 16QAM, 64QAM	QPSK, 16QAM, 64QAM
Кодирование	Сверточное	1/2, 2/3, 3/4, 5/6	1/2, 2/3, 5/6
	Турбокод	1/2, 2/3, 3/4, 5/6	1/2, 2/3, 5/6
	Повторение	x2, x4, x6	x2, x4, x6

Блок-схема системы AMC приведены на рис. 8.12.

(рис 8.12) Блок – схема адаптивной модуляции и кодирования

Для простоты, мы сначала рассмотрим только единственную пользовательскую систему, пытающуюся передать информацию насколько возможно быстро через канал с переменным отношением SNR - Signal to Noise Ratio, например из-за замираний. Цель передатчика состоит в том, чтобы передать данные так, чтобы они были надежно демодулированы и декодированы в приемнике.

(рис 8.13) В результате сравнения производительности и текущего SNR предполагается лучшая система средств и конфигурация кодирования выбранная для каждого значения SNR. На этом рисунке показаны только 6 конфигураций и турбо декодеров с максимальным 8 –ми кратным повторением передачи информации

рис 8.13 показывает, что, используя шесть из типов модуляции и кодирования из возможных профилей можно достигнуть большого диапазона спектра. Это позволяет увеличить производительность при увеличении SNR согласно формуле Шеннона:

$$C = Blog_2 (1 + S / N ) = Blog_2 (1 +SNR)$$

$$C $$— eмкость канала; бит/с

$$B $$— полоса пропускания канала, Гц

$$S $$— полная мощность сигнала над полосой пропускания, Вт

$$N $$— полная шумовая мощность над полосой пропускания, Вт

$$S / N $$—отношение сигнала к шуму (SNR), выраженное как отношение мощностей

В этом случае, самая низкая предлагаемая скорость данных использует модуляцию - QPSK и скорость кодирования 1/2 Турбо кодом, в то время как самая высокая скорость данных использует - 64QAM и скорость кодирования 3/4 Турбо кодом. Достигнутая производительность, нормализованная к ширине полосы частот определятся [Jeffrey Andrew]

$$T = (1-BLER)\times r\times\log_2 (M) \text{\qquad бит в сек/Гц }$$

где

$$BLER$$ - коэффициент ошибок блока,

$$r \leqslant 1$$- скорость кодирования,

$$М$$ - число точек в системе модуляции совокупности.

Например, $$64QAM (M =2^6$$) со скоростью кодирования $$r =3/4$$, достигает максимальной производительности 4,5 битов в сек/Гц (при BLER= 0), в то время как $$QPSK(M =2^2)$$ со скоростью кодирования 1/2, достигает максимальной производительности 1 бит в сек/Гц.

Настройка Адаптивной Модуляции и управления кодированием.

Ключевая проблема, что AMC должна эффективно управлять тремя различными величинами сразу: мощность передачи, скорость передачи (совокупность), и скорость кодирования. Это соответствует развитию соответствующей стратегии для контроллера AMC, показанного на рис. 8.12.

На рисунке управление модуляцией происходит путем выбора:

кодов:

выбора формы преобразования символов

выбора мощности передачи.

Эти процессы происходят в зависимости от данных поступающих по каналу индикатора качества. Хотя разумные рекомендации могут быть разработаны, исходя из теоретического изучения адаптивной модуляции. На практике системный инженер должен разработать алгоритм точной настройки, основанный на большом числе опытов моделирования, потому что рабочие характеристики зависят от многих факторов. Ниже мы перечислим и рассмотрим несколько из них, которые ни в коем случае не исчерпывают все случаи.

Индикатора Качества Канала (CQI)

Информация обратной связи является очень важной для модуляции и кодирования: передатчик должен знать "отношение входного сигнала к шуму" -SNR для данного канала, $$\gamma$$ - который определяется как полученный $$SNR \gamma_r$$ разделенный на мощность передачи $$P_t$$ (которая является обычно функцией$$\gamma$$). Полученный $$SNR$$ - таким образом, равен

$$\gamma_r=P_t\times\gamma$$

Индикатора Качества Канала (CQI) используется для того, чтобы обеспечить передачу информации о состоянии канала от пользовательских терминалов к программе - планировщику базовой станции. Информация о состоянии, передаваемая по каналу CQICH может включать в себя: оценку интерференции и коэффициента сигнал/шум, выбор частоты и способа работы антенн (MIMO) для отдельного канала. При дуплексном режиме с временным разделением для адаптации каналов может использоваться процедура более точного измерения состояния каналов (периодическое зондирование состояния каналов.).

BLER(Block Error Rate – коэффициент ошибок по блокам) и полученный SNR. В адаптивной теории модуляции, передатчик должен только знать статистику и мгновенный шум канала SNR. Зная отношение сигнал - шум канала - SNR, передатчик может определить оптимальную стратегию кодирования/модуляции и мощность передачи. Однако на практике, BLER должен тщательно проверяться на устойчивость, прежде чем решить, должна ли быть увеличена или уменьшена скорость передачи данных (если BLER низкий).

Автоматический Повторный Запрос (ARQ - Automatic Request Repeat). Для улучшения пропускной способности системы применяется Гибридный Автоматический Повторный Запрос (HARQ> -Hybrid Automatic Repeat Request). Он позволяет использовать $$N$$ каналов в старт-стопном режиме с поблочным повторением. ARQ позволяет быстрые повторение передачи в случае, и ARQ вообще улучшает идеальный BLER (отношение блоков принятых с ошибками к общему числу переданных блоков) в к, использующий точку примерно в 10 раз.

При использовании этого старт стопного метода, после отправки кадра передатчик делает паузу, в течение которой ожидается прием подтверждения. В зависимости от типа подтверждения (положительное - ACK или отрицательное - NAK) источник передает следующий кадр или повторяет предыдущий. Многоканальный стартстопный режим с небольшим числом каналов - эффективный, простой протокол, который минимизирует память.

Иногда применяется сигнализация, позволяющую работу в асинхронном режиме, что обеспечивает устойчивость работы в условиях переменной задержки. При ретрансляции сигналов это дает больше гибкости программе - планировщику, но требует размещения лишней информации в заголовке при каждой ретрансляции.

Гибридный Автоматический Повторный Запрос (HARQ) вместе с Каналом Индикатора Качества Канала (CQICH) и адаптивной модуляцией и кодированием обеспечивает (AMC – Adaptive Modulation and Coding) обеспечивает помехоустойчивую линию связи. Эта линия с большим энергетическим запасом, обеспечивающая мобильную связь в различной окружающей среде при скорости передвижения свыше 120 км/час.

Регулирование мощности

В теории, лучшая стратегия регулирования мощности с точки зрения пропускной способности - так называемая стратегия "заполнения водой" (Waterfilling)., в которой больше мощности распределяется сильным каналам, и меньше количеству мощности, распределяется слабым каналам . Хотя на практике в некоторых случаях истина может быть противоположна. Например, рассматривая к .

таблица 8.6показывает скорости передачи данных при различных видах модуляции и кодирования для каналов на 5 и 10 МГЦ с PUSC подканалами. Продолжительность кадра - 5 миллисекунд. Каждый кадр имеет 48 OFDM символов. Из них 44 OFDM символа, предназначены для передачи данных. Выделенные значения - это скорости данных для необязательного способа модуляции 64QAM в направлении вверх (UL).

таблица 8.6.

Параметры подканала с частичным использованием поднесущих (физический уровень) и скорости передачи данных по этим подканалам

Параметр		Направление
		Вниз	Вверх	Вниз	Вверх
Полоса системы		5МГц		10МГЦ
Защитные поднесущие		512	1024	512	1024
Поднесущие пилот сигналов		92	104	184	184
Поднесущие данных		60	136	120	280
Поднесущие данных		360	272	720	560
Подканалы		15	17	30	35
Период символа,$$T_s$$		102,9 микросекунд
Длительность кадра		5 миллисекунд
ЧислоOFDM символов в кадре		48
Число символов данных		44
Модуляции	Кодовая скорость, число повторений	Канал 5 МГЦ		Канал 10 МГЦ
		Скорость "вниз", Мбит/c	Скорость "Вверх", Мбит/c	Скорость "вниз", Мбит/c	Скорость "Вверх", Мбит/c
QPSK	1/2 CTC, 6x	0,53	0,38	1,06	0,78
	1/2 CTC 4x	0,79	0,57	1,58	1,18
	1/2 CTC2x	1,58	1,14	3,17	2,35
	1/2 CTC1x	3,17	2,28	6,34	4,70
	3/4 CTC	4,75	3,43	9,50	7,06
16 QAM	1/2 CTC	6,34	4,57	12,67	9,41
	3/4 CTC	9,50	6,85	19,01	14,11
64 QAM	1/2 CTC	9,50	6,85	19,01	14,11
	2/3 CTC	12,67	9,14	25,34	18,82
	3/46 CTC	14,26	10,28	28,51	21.17
	5/6 CTC	15,84	11,42	31,68	23,52

CTC –Convolution Turbo Code - Сверточный Турбокод

Методы распределения ресурсов для OFDMA

Есть множество различных способов использовать в своих интересах мультипользовательское разнесение и адаптивную модуляцию в системах OFDMA. Алгоритмы, которые обеспечивают такие преимущества, не определены стандартами, и каждый разработчик имеет право применить собственные инновационные процедуры.

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. Ниже, мы дадим краткий обзор некоторых возможных подходов к распределению ресурса.

Распределение ресурса обычно решается, как одна из двух возможных проблем:

Проблема оптимизации с ограничением, или более конкретно -процедура минимизации полной мощности передачи с ограничением на пользовательскую скорость передачи данных , или

Проблема максимизации скорости передачи данных с ограничением на полную мощность передачи , , , .

Первая цель соответствует приложениям с фиксированной скоростью (например, речь), в то время как вторая больше соответствует приложениям, имеющим пики, таким как данные или другим IP приложениям.

Система обозначений

$$K$$	число пользователей
$$L$$	число поднесущих частот
$$h_{k, l}$$	коэффициент передачи канала для k ого пользователя на поднесущей частоте l
$$P_{k, l}$$	мощность передачи, распределенная для пользователя k в поднесущей частоте l
$$\sigma^2$$	Спектральная плотность мощности белого шума (AWGN -ADDITIVE WHITE GAUSSIAN NOISE)
$$P_{tot}$$	полная мощность передачи, доступная в базовой станции
$$B$$	полная ширина полосы частот передачи
$$\Delta$$	Мощность белого шума в полосе частот передачи

Алгоритм максимальной суммы скоростей.

Цель алгоритма максимальной суммы скоростей (MSR - maximum sum rate), как указывает название, максимизировать сумму скоростей всех пользователей, с учетом ограничения полной мощности передачи .

Этот алгоритм оптимален, его цель состоит в том, чтобы передать через систему получить насколько возможно большее количество данных в заданный промежуток времени. Недостаток MSR - это то, что при таком алгоритме весьма вероятно, что нескольким пользователям, которые находятся близко к базовой станции (и, следовательно, имеют превосходные каналы), будут распределены все системные ресурсы.

Теперь кратко охарактеризуем $$SNR$$, скорость данных, мощность, и распределение поднесущих частот, который можно получить, используя $$MSR$$ алгоритм. Пусть $$P_{k, l}$$ обозначает мощность передачи пользователя $$k$$ на поднесущей частоте $$l$$. Отношение "входного сигнала к шуму" для пользователя $$k$$ на поднесущей частоте $$l$$, обозначим $$SNR_{k, l}$$. Эта величина может быть выражена как:

$$SNR_{k,l}=\frac{P_{k,l}h^2_{k,l}}{\left(\sum\limits^K_{j=1,j\ne k}P_{j,l}h^2_{k,l}\right)+\sigma^2\frac B L}$$

Используя формулу пропускной способности Шеннона В этой секции, мы будем использовать формулу пропускной способности Шеннона как меру производительности. Практически, есть промежуток между достигнутой скоростью данных и максимумом (согласно Шеннона) скорости, которая может быть просто охарактеризована с промежутком SNR нескольких децибелов. Поэтому этот подход к распределению ресурса правилен, но точные числа, здесь являются оптимистическими для измерения производительности, MSR алгоритм максимизирует следующую величину:

$$\max_{P_{K,L}}\sum\limits^K_{k=1}\sum\limits^L_{l=1}\frac B L \log\left(1+SNR_{k,l}\right)$$

с ограничением полной мощности

$$\max_{P_{K,L}}\sum\limits^K_{k=1}\sum\limits^L_{l=1}P_{k,l}\leqslant P_{tot}$$

Пропускная способность суммы максимальна, если полная производительность в каждой поднесущей частоте максимальна. Следовательно, проблема оптимизации пропускной способности максимальной суммы может быть разделена на $$L$$ более простых проблем. Максимальности каждой поднесущей для каждой частоты. Далее, пропускная способность суммы в поднесущей частоте $$l$$, обозначенная как $$С_l$$, может быть записан как

$$C_l=\sum\limits^K_{k=1}\log\left(1+\frac{P_{k,l}}{\left(P_{tot,l}-P_{k,l}+\Delta(\sigma^2,B,L)}\right)\right)$$

где

$$P_{tot, l} - P_{k, l}$$ обозначает интерференцию других пользователей к пользователю $$k$$ с поднесущей частотой $$l$$,

$$\Delta(\sigma^2,B,L)$$ - мощность внешних щумов.

$$C_l$$, максимимальна, когда вся доступная мощность $$P_{tot, l}$$ отдается только единственному пользователю с наибольшим усилением канала на поднесущей частоте $$l$$ Этот результат согласуется с интуицией: если каждый канал отдать пользователю с лучшим усилением в этом канале, то общая сумма мощностей будет максимизирована. Этот метод называют иногда - "жадная" оптимизация. Сумма полной пропускной способности может быть определена, сложением скоростей на каждой поднесущей частоте.

Алгоритм Максимальной Справедливости

Хотя при использовании алгоритма MSR полная производительность получается максимальной, однако в сотовой системе, где потери на затухание изменяются в соответствии с последовательностью обслуживания пользователей, при применении алгоритма MSR некоторые пользователи будут чрезвычайно плохо обслужены. Альтернативная замена алгоритму MSR, алгоритм максимальной справедливости (FA - fairness algorithm) , , распределяет поднесущие частоты и мощность так, чтобы скорость данных передаваемая минимальным пользователем была максимальна. Это, по существу, соответствует выравниванию скоростей данных всех пользователей.

Алгоритм максимальной справедливости может иногда называться как проблема МиниМакса (Max-Min), так как цель состоит в том, чтобы максимизировать минимальную скорость данных.

Оптимизация условий для поднесущей частоты при методе мини - макса и распределение мощности значительно более трудно определить чем в случае MSR, потому что невозможно построить объективная функцию "минимальности пользователя". Найти одновременно оптимальную поднесущую частоту и распределение мощности - это проблема особой трудности – неразрешимая проблема (NP - проблема) Поэтому, ставится задача более низкой сложности, найти почти оптимальные алгоритмы, в которые оптимизируют поднесущие частоты и распределение мощности отдельно.

Общий подход состоит в том, чтобы принять первоначально равную мощность для каждой распределенной поднесущей частоты, и затем многократно назначать каждую доступную поднесущую частоту для пользователя низкой скорости и с лучшим каналом для этой скорости. Таким образом каждый новый пользователь выбирает поднесущие, наилучшие для него на данный момент. Такой алгоритм иногда называют "жадным алгоритмом"

Пропорциональный Алгоритм Ограничений Скорости

Слабость алгоритма максимальной справедливости это то, что распределение скорости среди пользователей не гибкое. Полная производительность в значительной степени ограничена пользователем с худшим SNR так, как большинство ресурсов будет распределено в среднем, т.е. для пользователей с лучшими условиями качество будет искусственно занижено, а с худшими условиями это качество все равно может быть недостаточно.

В беспроводной широкополосной сети, весьма вероятно, что различные пользователи, требуют, чтобы можно было существенно менять скорости передачи в зависимости от прикладных задач.

Обобщение Максимального алгоритма Справедливости - алгоритм Пропорционального Ограничения Скорости (PRC Proportional Rate Constraints) . Цель алгоритма состоит в том, чтобы максимизировать производительность суммы, с дополнительным ограничением, что, скорость данных каждого пользователя пропорциональна набору заранее заданных системных параметров (весовых коэффициентов) $$\sum\limits^K_{k=1}\beta_k=1$$. Математически, пропорциональное ограничение скорости передачи данных может быть выражено как:

$$\frac{R_1}{\beta_1}=\frac{R_2}{\beta_2}=\ldots=\frac{R_K}{\beta_K}$$

где $$R_k$$ достигнутая скорость передачи данных каждого пользователя $$k$$

$$R_k=\sum\limits^L_{k=1}\frac{\rho_{k,l}B}{L}\log_2\left(1+\frac{P_{k,l}h^2_{k,l}}{\sigma^2\frac B L}\right)$$

и $$\rho_{k,l}$$ может принимать значение либо $$1$$ либо $$0$$, указывая, используется ли поднесущая частота $$l$$ пользователем $$k$$ или нет.

При алгоритме Максимальной Справедливости все $$\beta_k$$ равны. Преимущества рассматриваемого метода это то, что любые произвольные скорости передачи данных можно получить, изменяя значения $$\beta_k$$.

Задачу оптимизации с применением алгоритма Пропорционального Ограничения Скорости (PRC) очень трудно решить непосредственно, так как это включает одновременное рассмотрение непрерывных переменные $$P_{k,l}$$ и двоичных переменных $$\rho_{k,l}$$. Такая функция не обладает свойством выпуклости и плохо оптимизируется формальными методами. Что касается случая Максимального Справедливости, благоразумный подход состоит в том, чтобы отделить поднесущую частоту и распределение мощности, и соглашаться на почти оптимальную поднесущую частоту, и распределение мощности который может быть достигнуто с управляемой сложностью. Почти оптимальный подход был получен в , .

Пропорциональное Справедливое Планирование

До сих пор мы обсудили три алгоритма, при которых делается попытка попытку мгновенно достигнуть целей - таких как полная сумма, производительность (MSR алгоритм), максимальная справедливость (равные скорости данных для всех пользователей), или задать пропорциональные скорости для каждого пользователя.

Альтернативой этому может быть попытка достигнуть таких целей через какое-то время, что обеспечивает существенную дополнительную гибкость к алгоритмам планирования. В этом случае, в дополнение к показателям - производительность и справедливость, вводится третий параметр - время задержки. Эта величина показывает, какое время можно ждать до предоставления оптимального канала пользователю. Если время задержки приемлемо то, планировщик может просто подождать, когда параметры его канала были оптимальны. Фактически, MSR алгоритм достигает и справедливости и максимальной производительности, если можно предположить, что нет ограничений на время задержки. Тогда пользователи в долгосрочной перспективе (порядка минут, часов, или больше) будут иметь в среднем нужные по качеству каналы. В этом случае можно найти алгоритмы, которые соблюдают равновесие между временем задержки и производительностью. Заметим, что это и может быть справедливо для времен порядка секунд. Наиболее популяр ный алгоритм - Пропорционального Справедливого Планирования (PF - Proportional Fairness). Этот PF планировщик разработан так, чтобы использовать в своих интересах мультипользовательское разнесение, с поддержанием долгосрочной производительности для всех пользователей.

Пусть $$R_k (t)$$, обозначает мгновенную скорость данных, которую пользователь $$k$$ может достигнуть за время $$t$$, а $$T_k (t)$$ -средняя производительность для пользователя $$k$$ и $$t$$- слот времени. Пропорциональный планировщик справедливости выбирает для передачи пользователя, обозначенного как $$k^*$$, с самым высоким $$R_k (t)/T_k (t)$$. Это эквивалентно тому, что пользователь выбирает, через некоторое время (задержка) несущие с самой высокой мгновенной скоростью относительно средней скорости. Средняя производительность $$T_k (t)$$ для всех пользователей тогда получается согласно:

$$T_k(t+1)=\begin{cases}\left(1-\frac 1 {t_c}\right)T_k(t)+\frac 1 {t_c}R_k(t)k=k^*\\\left(1-\frac 1 {t_c}\right)T_k(t)k\ne k^*\end{cases}$$

Так как пропорциональный планировщик справедливости выбирает пользователя с наибольшей мгновенной скоростью передачи данных относительно средней производительности, то вряд ли может быть выбран "плохой" канал для каждого пользователя.

С другой стороны, пользователи который были обслужены с недостаточным качеством последовательно, получают приоритет при планировании, который и способствует справедливости. Параметр $$t_c$$ управляет временем задержки системы. Если $$t_c$$ большое, то время задержки увеличивается для нахождения более высокой суммы производительности. Если $$t_c$$ маленькое, время задержки уменьшается, так как математическое ожидание производительности изменяется более быстро, за счет самой производительности.

Пропорциональный планировщик справедливости был широко принят в пакетных системах передачи данных, таких как HSDPA и 1xEV-DO, где $$t_c$$ обычно устанавливается между 10 и 20.

Одно интересное свойство PF планирования эта то, что при $$t_c\to 1$$, сумма логарифмов пользовательских скоростей данных стремится к максимуму. То есть PF планирование приводит к максимуму

$$\sum\limits^K_{k=1}\log_2T_k$$

Хотя пропорциональный планировщик справедливости был первоначально разработан только для систем с временными слотами, он может быть приспособлен к OFDMA системе.

В системе OFDMA, из-за множества параллельных поднесущих частот в частотной области, пользователи могут работать на различных поднесущих частотах одновременно. Первоначальный PF алгоритм может быть расширен на OFDMA, если обрабатывать каждую поднесущую частоту независимо.

Пусть $$R_k (t, n)$$, приемлемая скорость данных для пользователя $$k$$ на поднесущей частоте n во временном слоте $$t$$. Тогда для каждой поднесущей частоты, будет выбран для передачи пользователь с наибольшим $$R_k (t, n)/T_k (t)$$. Пусть $$\Omega_k (t)$$, обозначает набор поднесущих частот, которые намечен для пользователя $$k$$ при работе в слоте времени $$t$$, тогда средняя пользовательская производительность получается как:

$$T_k(t+1)=\left(1-\frac 1 {t_c}\right)T_k(t)+\frac 1 {t_c}\sum\limits_{n\in \Omega_k(t)}R_k(t,n)\qquad k=1,2,\ldots,K$$

Конечно возможны и другая взвешивающие функции планирования PF OFDMA.

Сравнение Рабочих характеристик

В этой секции, мы кратко сравним рабочие характеристики различных алгоритмов планирования для OFDMA, которые, мы обсуждали, чтобы определить их преимущества и достоинства.

показывает пропускную способность (нормализованную к полной ширине полосы частот) для статического (циклического) TDMA, для алгоритмов пропорциональной справедливости, и максимальной суммы скоростей (MSR). Как и ожидалось, алгоритм MSR достигает лучшей полной производительности, и увеличения усиления по мере увеличения числа пользователей (пропорционально $$\log \log K$$). Статический TDMA не дает никакого мультипользовательского усиления, так как пользователи передают информацию независимо от реализации канала. Может быть замечено, что пропорциональный алгоритм справедливости приближается к производительности алгоритма MSR, с потерями на ожидание для не полностью обслуженных пользователей.

(рис 8.14) Суммарная произоводительность в зависимости от числа абонентов, для системы из одной несущей частоты (планирование только в одной временной области)

Алгоритм справедливости. Алгоритм Максимальный Справедливости добивается лучших рабочих характеристик для пользователей находящихся в плохих условиях, с небольшим выигрышем в среднем по мощности. Для малого числа абонентов (предельный случай 1) распределение мощности оптимально. Дальнейшее увеличение абонентов приводит к уменьшению средней производительности, поскольку идет достижение относительно равного распределения мощности.

Алгоритм MSR с ожиданием в худшем случае сказывается на нескольких пользователях, которые не получают никаких ресурсов в течение существенного периода времени (потери по времени).

Рассмотрим однородную сеть с 8 пользователями. Первый пользователь имеет средний SNR - 20 децибелов, второй пользователь имеет средний SNR -10 децибелов, и пользователи 3-8 имеют средние SNR 0 децибелов. Это – типовой сценарий, в котором пользователь 1 находится близко к базовой станции, пользователи 3-8 – возле границы соты, и пользователь 2 – между ними. Ясно, большая часть ресурсов будет распределена MSR алгоритмом пользователям 1 и 2.

Плохая сторона этого подхода, конечно, та, что пользователи 3-8 получают производительность приблизительно около нуля. Более сбалансированный подход состоял бы в том, чтобы использовать пропорциональный алгоритм ограничений скорости (PRC - Proportional Rate Constraint) и принять пропорциональные ограничения скоростей, в соответствии с SNR, то есть $$\beta_1 = 100, \beta_2 = 10, \beta_3 = 1... \beta_8 = 1$$. Это позволяет не полностью обслуживаемым пользователям получать по крайней мере некоторую производительность, при сохранении большой части мультипользовательских выигрышей от разнесения. Естественно, более равное назначение $$\beta_i$$-ым пользователям увеличит справедливость, в крайним случаем при равенстве всех коэффициентов $$\beta_i$$ можно уравнять скорости данных для всех пользователей.

сравнивает четыре алгоритма распределения ресурса, которые рассматривались в этой главе для OFDMA систем. В итоге, Максимальное распределение Скорости Суммы - лучшее в части полной производительности, имеет низкую вычислительную сложность, но дает очень несправедливое распределение скоростей.

Cравнение алгоритмов распределения ресурсов

Алгоритм	Суммарная производительность	Справделивость	Сложность
Максимальная сума скоростей	лучшая	Достаточная и неизменяемая	Низкая
Максимальная справедливость	Достаточная	Лучшая , но неизменяемая	Средняя
Пропорциональное ограничение скорости	Хорошая	Во многом гибкая	Высокая
Пропорциональная справедливость	Хорошая	Гибкая	Низкая

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 $$k$$ распределен в блоке $$L_k$$. 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.

) 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 , 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

увеличения срока службы аккумулятора,

уменьшения влияния на другую соту,

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 , . Этот подход, который популяризирует фирма FlarionКомпания 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 .

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:

необходимости передавать большие количества информации в реальном масштабе времени к и от этого централизованного планировщика,

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:

$$N$$ – код процесса инициализации;

$$M$$ – процесса периодической подстройки;

$$L$$ – 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.