1.5.1. Проработка структуры радиоинтерфейса L1-уровня, обеспечивающего двусторонний обмен пакетами физического уровня. Проработка вида и  структуры пакета физического уровня, оценка размерности структуры пакета. Обоснование полей и реализация структуры OFDM символа (при необходимости), анализ необходимости использования вспомогательных каналов физического уровня.

В основе стандарта мобильного WiMAX IEEE 802.16e лежит технология OFDMAOFDM Access, что предоставляет возможность выделять отдельным базовым и абонентским станциям не весь, а часть канального ресурса в соответствующей полосе рабочих частот. Полный канальный ресурс (множество поднесущих частот) может быть разделен между несколькими соседними базовыми станциями, что позволяет организовывать мягкий хэндовер при перемещении абонентов от одной базовой станции к другой. По этой причине стандарт 802.16е часто называют мобильным WiMAX.

На рисунке 11 показаны различные процессы и функциональные этапы обработки информационных сигналов на физическом уровне.

 

Рисунок 11. Функциональные этапы обработки сигналов на физическом уровне.

 

Данные информацию на физическом уровне передают в виде непрерывной последовательности кадров. Каждый кадр имеет фиксированную длину (2 (2,5) … 20 мс), поэтому его информационная емкость зависит от символьной скорости и метода модуляции. Кадр состоит из преамбулы, управляющей секции и последовательности пакетов с данными. Сети IEEE 802.16 дуплексные. Возможно как частотное FDD, так и временное TDD разделение восходящего и нисходящего каналов. При временном дуплексе каналов кадр делят на нисходящий и восходящий субкадры (их соотношение может гибко менять в процессе работы в зависимости от потребностей полосы пропускания для восходящих и нисходящих каналов), разделенные специальным защитным интервалом .

Структура кадра мобильного WiMAX приведена на рисунке 12




Рисунок 12 Разделение канального ресурса при временном дуплексе.

 

В стандарте 802.16е число поднесущих меняется с изменением рабочей полосы. Это позволяет сохранить, постоянным разнос частот между поднесущими и активную длину символа. Согласно спецификациям в 802.16е определены полосы в 1,25; 5; 10 и 20 МГц. Поэтому технологию ОFDM, используемую в 802.16е, называют SOFDMA (Scalable OFDMA)


   В режиме OFDMA активные поднесущие подразделяются на подмножества поднесущих. Каждое подмножество называется подканалом. В линии вниз подканал может предназначаться для различных групп приемников. В линии вверх передатчику может приписываться один или более подканалов, несколько передатчиков могут передавать одновременно. Поднесущие, формирующие один подканал, могут (не обязательно должны) быть соседствующими по частоте. 
        Символ разделяется по логическим подканалам, чтобы поддерживать масштабируемость множественного доступа и расширенную обработку антенного сигнала. 
        Слот на физическом уровне OFDMA определен указанием времени и размера подканала. Подканалы являются минимально возможными единицами размещения данных. Размер слота зависит от структуры символа OFDMA, которая различна в линии вверх или вниз в FUSC и PUSC и для распределенной перестановки поднесущих, и для перестановки соседних поднесущих: 
        - для линии вниз в FUSC, использующей распределенную перестановку поднесущих, один слот — это один подканал для одного OFDMA-символа; 
        - для линии вниз в PUSC, использующей распределенную перестановку поднесущих, один слот — это подканал на 2 OFDMА-символа.; 
        - для линии вверх PUSC, использующей одну из комбинаций поднесущих, один слот — это один подканал на три символа OFDMA; 
        - для линий вниз и вверх, использующих перестановку соседних поднесущих, один слот — это один подканал на один символ OFDMA. 
        Область данных в OFDMA — это двумерное размещение группы следующих друг за другом подканалов в группе идущих друг за другом символов OFDMA. Область данных может передаваться от BS как передача на 1 или группу SS. 
        Сегмент — это подразделение множества наличествующих подканалов OFDMA, которое может включать вообще все подканалы. Один сегмент используется для организации передачи одного экземпляра MAC. 
        Зоны перестановки — это количество следующих друг за другом символов OFDMA в линиях вверх и вниз, которые подвергаются перестановкам (перемещениям) при формировании тех или иных подканалов. 
        В лицензированных полосах частот используется FDD или TDD. SS может быть с HFDD (полудуплекс) в нелицензированном TDD. 
        В стандарте 802.16 приведена структура кадра OFDMA в режиме с временным дуплексированием:


        При установке TDD фреймовая структура составляется из передач BS и SS. Каждый фрейм передачи в D-link начинается с преамбулы, за которой следует период передачи DL и период передачи UL. В каждом фрейме TTG и RTG должны быть вставлены между DL и UL и в конце каждого фрейма, чтобы позволить BS вернуться в исходную готовность к передаче. 
         
        В OFDMA (TDD) поддерживается также кадровая структура передачи как в BS, так и в SS. Каждый кадр передачи в обоих направлениях начинается с преамбулы, определяющей период передачи на линиях DL и UL. В каждом фрейме как в BS, так и в SS, введен защитный интервал RTG (Receive/Transmit Gap), TTG (Transmit/Receive Transition Gap) для перехода от передачи к приему и наоборот, чтобы передатчики на каждой стороне могли отключиться и подготовиться к передаче/приему следующей пачки. В TDD- и HFDD-системах SS имеет возможность передавать в промежутке времени между интервалами SSRTG и SSTTG, а базовая станция в это время не передает. 
         
        Выделение подканалов на восходящем направлении может выполняться по двум вариантам. В режиме частичного использования имеющихся подканалов PUSC (Partial Usage of Subchannels), когда на передачу могут быть выделены любые подканалы, и в режиме полного использования всех подканалов FUSC (Ful Usage of Subchannels). Первые два передаваемых подканала называются контрольным заголовком фрейма FCH (Frame Control Header). FCH будут переданы на первых двух подканалах в первом символе данных с повторением в 4-х фреймах. 
         
        Используется QPSK модуляция со скоростью кодирования 1/2 в PUSC-зоне. FCH содержит DL-фреймовый префикс и сообщение о длине DL-MAP сообщения, которое сразу же следует за DL-фреймовым префиксом. OFDMA-кадр может включать множество зон, таких как PUSC и FUSC. 

1.5.2. Анализ и обоснованный выбор мер по защите физического уровня от многолучевости.


Очень эффективную меру защиты от многолучевости несет в себе сама технология OFDMА. Дело в том, что неотъемлемой частью этой технологии является циклический префикс – циклическое повторение окончания символа, переставляемое в начало символа. Циклический префикс является избыточной информацией и снижает полезную скорость передачи, но именно он служит защитой от возникновения межсимвольной интерференции. Эта избыточная информация добавляется к передаваемому символу в передатчике и отбрасывается при приеме символа в приемнике. Наличие циклического префикса создает временные паузы между отдельными символами, и если длительность циклического префикса превышает максимальное время задержки сигнала в результате многолучевого распространения, то межсимвольной интерференции не возникает.
Так что, разработка дополнительных мер защиты от многолучевости не требуется.
       

      1.5.3 Помехоустойчивое кодирование

Многолучевое распространение радиосигнала может приводить к ослаблению и даже полному подавлению некоторых поднесущих вследствие интерференции прямого и задержанного сигналов. Для решения этой проблемы используется помехоустойчивое кодирование. В стандарте IEEE 802.16-2004 предусмотрены как традиционные технологии помехоустойчивого кодирования, так и относительно новые методы. К традиционным относится сверточное кодирование с декодированием по алгоритму Витерби и коды Рида-Соломона. К относительно новым — блочные и сверточные турбокоды. Для увеличения эффективности кодирования без снижения скорости кода применяется перемежение данных. Перемежение увеличивает эффективность кодирования, поскольку пакеты ошибок дробятся на мелкие фрагменты, с которыми справляется система кодирования.



1.5.4. Энергетический расчет системы: обоснованный выбор частотного диапазона (на основании документов ГКРЧ); оценка уровня потерь при распространении радиоволн выбранного диапазона;  обоснование выбора вида модуляции; расчет отношения сигнал/шум, требуемого для обеспечения заданной вероятности битовой ошибки для выбранного вида и типа модуляции/демодуляции

Разрабатываемая сеть основана на стандарте IEEE 802.16. В соответствии с сертификацией предусмотрено использование частотного диапазона 2,3-2.4 ГГц.  Выберем частоту 2,3 ГГц.
Тогда расчет потерь произведем по формуле:


N- дистанционный коэффициент потерь мощности;

f - несущая частота (МГц);

d - расстояние между узлами сети (м);

Lf(n)  - коэффициент потерь за счет прохождения сигнала через пол (дБ);

n - количество этажей между базовой станцией и переносным терминалом (n>=1).

 Несущая частота 2300 МГц. N = 25. Расстояние между узлами сети выберем среднее от максимально возможного (400 м). Тогда

Ltotal=20Lg(f)+Nlg(d)+Lf(n)+33=20lg(2300)+25lg(400)+33=165.28dB

1.5.5 Оценка уровня мощности передачи с учетом необходимого запаса мощности сигнала для его уверенного приема с вероятностью 80% на границе радиопокрытия, оценка размера зоны радиопокрытия.

Оценим уровень мощности излучения передающего устройства Pизл т при использование QPSK модуляции:

Минимальная полоса пропускания :


Так как технология OFDM подразумевает большое количество близко расположенных ортогональных поднесущих. Каждая поднесущая модулируется по обычной схеме модуляции,всего используется 256 поднесущих, то минимальная полоса пропускания:

=10/256 МГц=0.0390625 Мгц


Rn=14.4 Мбит/c-  скорость передачи данных.


Шумовая полоса приемника Пш:

Пш=*1.1=0.0390625*1.1=0.04296875 Мгц


T=296 К-шумовая температура.

k=1,38*10-23 Дж/К-постоянная Больцмана.

Тогда мощность шума Pш:

Pш= k*T*Пш=1,38*10-23*296*0.04296875*106=17.55*10-17 Вт=-157.55 dB
Мощность излучения передатчика :


 - чувствительность приемника.

L = 165.28 дБ - затухание в канале.

Pз = 10 дБ - резерв по мощности

Чувствительность приемника:


Pш = - дБ - мощность шума на выходе приемника

С/N - аналоговое ОСШ


Eb/N0=7.8 дБ - цифровое ОСШ

Rn=14.4 Мбит/с - скорость передачи данных

Пш=0.078125 МГц - шумовая полоса приемника

C/N= 7.8+10*lg(14.4/0.04296875)=33.05 дБ


Тогда, подставим полученные значения в формулы, получим:

Чувствительность приемника:


Pприемника=Рш+Nk+C/N=-157.55+33.05= -124.5


Мощность излучения передатчика:

Pизлучения=Pпрм+Pз+L=-124.5+10+165.28=50.78 

Дальность связи:
D=10(l/25-33/25-lg(F))=10(90/25-33/25-lg(2300))= 800м


F=2300 МГц



Rn=14.4 Мбит/c-  скорость передачи данных.

Pmin= -80 дБм

Мощность передатчика беспроводного маршрутизатора TL-WR841N  20 дБм. . Чувствительность приемника -80dBm .

Для Pп=20 дБм

L=Pп-Pmin-Pз=20-(-80)-10=90дБм









1.5.6. Разработка и пояснение функциональной схемы L1/L2-уровней сетевого узла.

Входные данные вначале кодируются сверточным кодером со степенью кодирования ½, и далее поступают на перемежитель, которыйосуществляет перестановку бит  по заданному алгоритму. Полученная последовательность бит поступает на формирователь пакетов, где формируется сам пакет данных. Затем данные поступают на квадратурный модулятор (QPSK), где они преобразуются в модуляционные символы, которыми модулируются информационные поднесущие OFDM сигнала. После формирования OFDMсимвола и сдвига спектра сигнала н данные передаются в канал. На приемной стороне осуществляются обратные операции. Эквалайзер применяется для устранения интерференции, а петля ФАПЧ для битовой синхронизации. Структурная схема физического уровня:

 







Cписок используемой литературы:

  1. Бакке А.В.«Лекции по курсу ССПО»
  2. Бакке А.В. Методические указания к лабораторной работе "Основы построения беспроводных сетей стандарта 802,11".
  3. http://omoled.ru/publications/view/335
  4. http://omoled.ru/publications/view/318
  5. А.В. РАШИЧ СЕТИ БЕСПРОВОДНОГО ДОСТУПА WiMAX
  6. Скляр Б. «Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение».- М.: Вильямс 2003 г.
  7. Феер К. «Беспроводная цифровая связь», пер. с англ./под ред. В.И. Журавлева, М.: Радио и связь, 2000 г.