Современные технологии и характеристики мобильного WiMAX

Усовершенствованная система антенн

Физический уровень OFDMA обеспечивает два варианта алгоритмов управления адаптивной антенной системой: сканирование массива разнесения (diversity map scan) и метод прямой сигнализации (direct signaling method).

Сканирование массива распределения разнесения поддерживает все методы распределения поднесущих (с полным использованием поднесущих — FUSC и с частичным использованием несущих — PUSC, смежное распределение — AMC). Метод прямой сигнализации обеспечивает регулировку разделения несущих с помощью сигналов управления.

Рассмотрим метод сканирования массива распределения с применением разделения поднесущих путем смежных перестановок (AMC).

На рис. 9.2 показана зона массива распределения адаптивной антенной системы (AAS) для подкадра, передаваемого в направлении "вниз". В этом подкадре образуются секции для обмена без использования антенной системы (non-AAS) и для обмена с использованием AAS. В первых трех подканалах содержится служебная информация, характеризующая данную зону антенной системы. В подканалах с номерами 4 и N-4 ( где N – последний логический номерпредыдушего пакета) размещается массив распределения информации адаптивной анетенной системы. Для передачи этой информации выделяются старшие каналы.

увеличить изображение
Рис. 9.2. Зоны антенной системы и карта ее распределения

Зона non-AAS включает:

• преамбулу, которая содержит описания всего подкадра;
• заголовок, идентифицирующий подкадр;
• DL-карты, которые указывают типы пакетов, их объем и содержание.

На рисунке показаны: обычный пакет, широковещательный (предназначенный пользователям всей зоны) и групповой (предназначенный отдельной группе пользователей).

Зона, состоящая из оставшихся каналов, включает в себя элементы информации массива распределения для адаптивной антенной системы AAS.

В пределах этой секции на рисунке в подканалах с номерами k+10 и k+17 размещается массив распределения адаптивной антенной системы. Для передачи этой информации выделяются специальные подканалы. Для метода разделения поднесущих PUSC/FUSC выделяются старшие каналы. Для метода смежной перестановки разделения AMC предназначены четвертый канал от начала и четвертый от конца.

На рис. 9.2 показана конфигурация с четырьмя антеннами при использовании разделения поднесущих методом смежных перестановок. Подканалы (показанные горизонтально) формируются из смежных символов OFDMA (показанных вертикально). Каждый из форматов на рис. 9.2 передается в сообщениях. Сообщения содержат преамбулу зоны антенной системы и карту распределения зоны ( карта DL AAS зоны рспределения), которая повторена четыре раза, чтобы обеспечить четыре группы (четыре антенны).

В части формата, передающего информацию зоны адаптивной антенной системы, содержится месторасположение базовой станции, которое используется при выделении полосы для абонентской станции. В режиме дуплексной передачи с временным разделением (TDD) базовая станция может извлечь информацию, которая обеспечивает формирование диаграммы направленности луча антенны, также запрос абонентской станции, для инициализации вызова и запрос выделения полосы. В режиме дуплексной связи с частотным разделением (FDD) это делается с помощью сообщений обратного запроса абонентской станции и ответа на запрос. Ответное сообщение содержит индикатор напряженности поля полученного сигнала, данные об интерференции вместе со значением коэффициента сигнал/шум. Эта информация передается от абонентской станции к базовой.

При использовании метода прямой сигнализации информация передается по подканалам доступа, специально выделенным в процессе распределения ресурса BWAA (bandwidth allocation/access). Расположение информации в формате передается в UL-картах и DL-картах.

В методе прямой сигнализации предусмотрены четыре специальных кодовых сообщения: обучения обратного соединения RLT (reverse link training), доступа в обратном соединении RLA (reverse link access), обучения прямого соединения FLT (forward link training) и инициирования прямого соединения FLI (forward link initiation). С их помощью устанавливается формат обмена.

Это происходит следующим образом. Первые два сообщения (RLA и RLT) использует MS, вторые два — базовая станция (BSS). Для начальной инициализации или запроса полосы MS посылает сообщение RLA в канале BWAA. Оно предшествует сообщениям запроса полосы или начального доступа и используется BSS для точной настройки своей антенной системы на данную MS. В ответ MS передает сообщение FLI — уникальный код для каждой MS (BSS может сама инициировать соединение, послав FLI). FLI транслируется в подканале, выделенном для данной MS. Каждая мобильная станция сканирует все подканалы и, обнаружив по кодовой последовательности адресованное ей сообщение начальной инициализации, отправляет в ответ в том же канале (в отведенном для нее временном интервале) последовательность RLT, предназначенную для точной настройки антенн BSS на MS в данном подканале. В результате, выполнив все необходимые подстройки, BSS и MS устанавливают соединение, в течение которого происходит обмен данными. Причем пакетам данных предшествуют тренировочные последовательности FLT (со стороны BSS) и RLT (со стороны MS).

Передача информации с разнесением

OFDMA обеспечивает разнесение второго (по двум антеннам) и четвертого порядка по направлению "вниз" и второго порядка — по направлению "вверх". В основе разнесения положен принцип пространственновременного кодирования (STC — Space Time Coding) и код со скачкообразной перестройкой частоты (FHDC — Frequency Hopping Diversity Code).

Стандарт не определяет число используемых антенн, поэтому не устанавливает методы указанного выше кодирования. Однако пространственное кодирование в настоящее время основано на алгоритме Аламоути (S.M. Alamouti) [55].

Этот алгоритм предназначен для передачи потоков сигналов по двум антеннам. Он основан на том, что потоки передаются попеременно по каждой из антенн. Порядок передачи определяется двумерной матрицей , где — номер антенны, а — номер потока сигналов. Для того чтобы не было интерференции между этим потоками, каждый поток преобразовывается. На приемном конце одноименные потоки, полученные по разным антеннам, складываются с применением весовых коэффициентов, отображающих текущее качество каждой составляющей. Для преобразований более четвертого порядка аналогично применяются матрицы и преобразования четвертого порядка.

Механизм кода со скачкообразной перестройкой частоты заключается в том, что при переходе к другой антенне поток может быть передан по другому каналу со сменой набора поднесущих. При этом используется информация, заложенная в матрицу.

9.1.2. Частичное повторное использование частоты

Чтобы максимально использовать спектр, мобильный WiMAX позволяет частичное повторное использование частоты, то есть работу нескольких сот на одной и той же частоте. Однако следует отметить, что такой режим может привести к большой межканальной интерференции, особенно на краях сот.

Пользователи мобильного WiMAX могут работать по подканалам, которые занимают только небольшую долю всей полосы пропускания канала. Базовая станция соты, у которой возникают проблемы пограничной межканальной интерференции, может реконфигурировать подканал. Поэтому при проектировании сот можно не применять традиционное планирование частоты.

В мобильном WiMAX гибкое повторное использование подканала облегчается принципом образования подканала — сегментацией и перестановкой поднесущих, рассмотренными раннее.

Кадры "вниз" или "вверх" внутри соты могут содержать больше чем один тип зоны переключения, как показано на рис. 9.3, и работа происходит со всеми доступными по заданной структуре подканалами, в то время как пользователи на краю соты работают только с частью доступных подканалов.

На рис. 9.3 F1, F2 и F3 представляют собой различные наборы подканалов в одном и том же диапазоне частоты. При такой конфигурации обеспечивается полное использование спектра для пользователей, находящихся в центре соты, и частичное использование спектра для пользователей, находящихся на краю соты. Повторное использование подканалов может планироваться и динамически оптимизироваться по всей соте или по секторам в соответствии с нагрузкой или интерференцией.

Рис. 9.3. Частичное повторное использование частот

9.1.3. Групповая рассылка и широковещательное обслуживание

Групповая рассылка и широковещательное обслуживание (MBS — Multicast and Broadcast Service), предоставляемые мобильным WiMAX, удовлетворяют следующим требованиям:

• высокая скорость передачи данных,
• широкая зона покрытия, осуществляемая на одной частоте (SFN — Single Frequency Network);
• гибкое распределение радиоресурсов;
• низкое потребление мощности;
• рассылка данных в дополнение к видео- и аудиоинформации;
• малое время переключения каналов.

Профиль WiMAX определяет способы начальной установки служб MBS. Они могут быть организованы в рамках служб, предназначенных для однонаправленных соединений, и включаться в кадры по направлению "вниз", или могут быть созданы специализированные кадры для этих служб.

Рис. 9.4 показывает зону MBS, которая поддерживает однонаправленную, широковещательную и групповые службы по обоим направлениям (DL/UL).

Рис. 9.4. Отображение MBS, встроенных в WiMAX

Эта структура обеспечивает гибкий размер зон MBS-кадра, позволяя таким образом наращивать радиоресурсы для MBS в соответствии с трафиком. Отметим, что возможно создание нескольких зон MBS.

Имеется один дескриптор (описатель) размещения информационных элементов (IE) в зоне MBS. Мобильная станция получает доступ к протоколу доступа, чтобы идентифицировать зоны MBS и местоположения связанных списков объектов в каждой зоне согласно протоколу доступа. Эта станция затем может последовательно читать списки и устанавливать соединения. Информационный элемент зоны определяет физическую конфигурацию и местоположение каждой зоны с помощью параметров OFDMA.

Область гибридного автоматического запроса на повторную передачу (HARQ — Hybrid Automatic ReQuest) обеспечивает функционирование, когда блоки данных передаются по нескольким каналам. В этом случае при искажении информации, передаваемой по данному каналу, она передается по другому каналу. Смена каналов осуществляется планировщиком.