676_Noskova_N.V._Izuchenie_funktsionirovanija_setej_

соседям. Координированные DSCH–сообщения передаются в субкадрах управления графиком доступа в оговоренных в сетевом дескрипторе интервалах. Некоординированные DSCH–сообщения передаются в субкадре данных.

DSCH –сообщения – это запросы на получение ресурса и ответные сообщения с предоставлением (подтверждением) свободного ресурса (временного интервала в субкадре данных). Ресурс предоставляется соседом под конкретное соединение.

Централизованное распределение ресурсов подразумевает древовидную топологию сети с БС в вершине. Оно реализовано посредством двух типов сообщений – централизованного конфигурирования (CSCF) и централизованного планирования (CSCH). Эти сообщения размещаются в начале субкадра управления графиком доступа. Используя сообщения CSCH, каждый узел определяет потребность в трафике своих дочерних узлов и сообщает свою потребность вышестоящему узлу (вплоть до БС). Проанализировав потребность, БС рассылает сообщение CSCH, информируя каждый узел о выделенной ему полосе пропускания (бит/с) в восходящем и нисходящем направлениях. Исходя из этих данных, узел уже сам запрашивает (или назначает) расположение пакетов в субкадре данных у (для) своих соседних узлов посредством сообщения децентрализованного планирования

(DSCH).

Сообщения централизованного конфигурирования CSCF формируются БС и транслируются по сети для информирования всех ее узлов о текущем состоянии. Оно включает такую информацию, как число доступных логических каналов и их перечень, перечень узлов в сети с указанием дочерних, а также профили восходящих/нисходящих пакетов для каждого дочернего узла.

1.2.4 Режим OFDMA

В данном режиме несущих значительно больше – 2048, соответственно, и число подканалов становится достаточным для организации работы сети: в разных режимах их от 32 до 70, по 24 или 48 информационных несущих в каждом.

Методы формирования, структура OFDMA–символов и механизм канального кодирования аналогичен OFDM.

Помехоустойчивое кодирование в OFDMA в качестве обязательного предусматривает только сверточный кодер.

Структура кадров схожа со всеми рассмотренными в том, что идет деление на восходящий и нисходящий субкадры.

Кадр – это последовательность OFDMA–символов, каждый символ включает набор субканалов. Пакеты данных могут передаваться одновременно на различных OFDMA–подканалах.

Для описания структуры кадра используется понятие слота – минимального ресурса для передачи данных. Слот занимает один подканал и от одного до трех последовательных OFDMA–символов. В нисходящем субкадре длительность слота – один символ в режиме FUSC, два – в режиме PUSC. В

21

восходящем субкадре длительность слота всегда равна трем OFDMA– символам. Подканал – это набор несущих частот. Распределение несущих по подканалам зависит от направления передачи и метода распределения несущих. В данном стандарте описаны несколько способов. Принципиально они подразделяются на FUSC – полное использование подканалов передатчиком БС

иPUSC – использование групп подканалов.

Вметодах FUSC и PUSC одному субканалу присваиваются несущие, равномерно распределенные по всему доступному физическому каналу. Границы соответствующих зон (зон перестановки) определены в картах субкадров [2, 3].

1.2.4.1 Нисходящий OFDMA–канал

В нисходящем канале первый символ – преамбула. Несущие преамбулы модулируются посредством BPSK специальным псевдослучайным кодом.

За преамбулой следуют два символа, передающие заголовок кадра FCH и карту распределения полей нисходящего канала DL–MAP. Заголовок транслируется посредством QPSK со скоростью кодирования 12. Он содержит

префикс нисходящего канала, в котором указываются используемые сегменты, и параметры карты нисходящего канала (длина, используемый метод кодирования, число повторений), транслируемый сразу за заголовком кадра. Также в заголовке используется флаг, установка которого означает изменение в расположении области конкурентного доступа в восходящем субкадре по отношению к предыдущему кадру. Далее транслируется карта восходящего канала и нисходящие пакеты данных для разных АС [3].

При формировании подканалов «вниз» применяются следующие методы:

1)каналообразование с полным использованием поднесущих частот (FUSC) – это означает, что используется весь диапазон физического канала. Это 1702 несущие частоты, еще 173 и 172 несущих вверху и внизу диапазона, соответственно, образуют защитные интервалы. Центральная частота с индексом 1024 не используется;

2)каналообразование с частичным использованием поднесущих частот (PUSC) - это означает, что из всего набора частот выбирается только часть, в этом случае вся излучаемая мощность концентрируется только в используемой полосе (при организации канала «вверх» в городских условиях это дает дополнительный запас на замирания);

3)смежные перестановки поднесущих адаптивной модуляции и кодирования (AMC).

1)В режиме FUSC прежде всего назначаются пилотные частоты. Они разделяются на фиксированные и переменные. Термин «переменные пилотные частоты» означает, что в каждом четном OFDMA–символе их индексы соответствуют приведенном в документе IEEE 802.16, в каждом нечетном –

22

увеличиваются на 6. Всего предусмотрено 166 пилотных частот, из них 24– фиксированы. И фиксированные, и переменные пилотные частоты разбиты на два блока, одинаковых по объему. Это разбиение используется только при работе с адаптивными антенными системами в режиме пространственно– временного кодирования.

После назначения пилотных частот оставшиеся 1536 несущих предназначены для передачи данных. Они подразделяются на 32 подканала по

48несущих частот в каждом.

2)В режиме PUSC весь доступный диапазон подканалов делится на ряд независимых сегментов. Для работы используется часть из них, но не менее 12 подканалов. Всего в данном режиме можно организовать 60 подканалов. Они разбиты на 6 неравных сегментов. Из них три базовых, каждый включает 12 каналов (0–11, 20–31, 40–51 подканалы соответственно).

3)Смежная перестановка группирует блоки смежных поднесущих частот, чтобы сформировать подканал. Блоки представляют собой наборы кодовых комбинаций системы адаптивной модуляции и кодирования, которые имеют одну и туже структуру и содержат контейнеры, включающие в себя передаваемые символы. Контейнер состоит из 9 смежных поднесущих частот, из них 8 предназначены для передачи данных и 1 – для передачи пилот-сигнала.

Слот представляет собой совокупность контейнеров (NxM=6), где N – число смежных контейнеров, M – число смежных символов. Этот метод чаще используется с приложениями с фиксированным местоположением или с низкой подвижностью.

Рисунок 1.10 – Структура кластера

1.2.4.2 Восходящий OFDMA-канал

Восходящий субкадр следует сразу за нисходящим через защитный интервал (TTG). Он содержит пакеты от АС и интервал для запроса доступа/инициализации. Минимальный размер одного сообщения в восходящем канале – 3 OFDMA –символа в одном подканале. Это привело к появлению понятия «фрагмент».

Фрагмент представляет собой совокупность трех символов и четырех несущих, в котором положения пилотных частот жестко закреплены (рисунок

1.11).

Каждый подканал содержит 6 фрагментов по 4 поднесущих в каждом, таким образом, для одного подканала используется 24 поднесущих. Для 3

23

символов используется 72 подканала, содержащие 48 поднесущих для передачи данных и 24 поднесущих пилот-сигнала.

Рисунок 1.11 – Структура «фрагмента» восходящего канала

1.2.4.3 Запрос полосы и регистрация в сети

Для этих запросов используется специально выделенный канал. Он назначается БС и состоит из шести последовательных подканалов, индексы которых указываются в UL–MAP. Запрос представляет собой 144–разрядный CDMA–код, передаваемый посредством BPSK, т.е. 1 бит на несущую. Номер кода определяется начальной точкой (т.е. числом тактов генератора ПСП после инициализации) – всего предусмотрено 256 кодов. Сначала передается N кодов начальной инициализации, затем M кодов периодического определения параметров АС, далее L кодов запроса полосы. Для каждой БС задается точка начала этой последовательности N M L. При начальной инициализации используются все три кода [2, 3].

Начальная инициализация происходит так: АС, приняв дескриптор восходящего канала и UL–MAP, определяет набор CDMA–кодов и посылает в отведенном интервале случайно выбранный код из группы возможных (он транслируется в двух последовательных OFDMA–символах).

Весь частотный диапазон канала разбивается на 420 последовательных фрагментов по 4 несущих в каждом. Предусмотрено 70 подканалов. Каждый из них включает 6 фрагментов, т.е. 24 несущие на символ в одном подканале. После распределения по подканалам происходит нумерация информационных несущих в каждом слоте – всего их в трех символах 48.

Информационные частоты нумеруются в подканале, начиная с наименьшей несущей фрагмента с наименьшим индексом первого символа – сначала в первом символе, затем во втором и третьем. После чего информационные символы подвергаются циклическому сдвигу в нумерации на 13 s в каждом подканале s.

Успешно приняв и распознав код, базовая станция в UL–MAP указывает его номер, субканал и символ, в котором код был отправлен. Так АС определяет, что именно ее запрос был принят и понимает, что следующее за этим широковещательное сообщение с указанием диапазона запроса (номера

24

символа, подканала и длительности) предназначено именно ей. Затем АС в указанный интервал приступает в регистрации в сети.

Первичный запрос полосы может происходить двумя способами: посредством заголовка запроса полосы и путем посылки CDMA–кода запроса полосы в интервале конкурентного доступа.

Посылка кода запроса полосы происходит в одном OFDMA–символе. Возможна посылка и трех последовательных кодов в трех символах (выбор указывается в UL–MAP). Приняв CDMA–код, БС в UL–MAP повторяет его номер и параметры, а также сообщает интервал для отправки заголовка запроса полосы уже обычным способом.

1.2.4.4 Передача вызова (хэндовер)

Существуют три способа передачи вызова, реализуемых стандартом IEEE802.16 – жесткий хэндовер, быстрое переключение базовой станции, хэндовер с макроразнесением. Первый является обязательным, последние – опциональные.

При реализации быстрого переключения базовой станции, абонентская и базовая станции обслуживают список станций, на которые может переключиться абонентская станция. Этот список называется активным набором. АС непрерывно контролирует БС из активного набора. Из этого списка выделяется базовая станция привязки, через которую АС может получить доступ к сети связи. Только через нее идет обмен сообщениями «вверх» и «вниз», включая сообщения технического обслуживания и сообщения трафика. Переход от БС привязки к другой БС идет без обмена сообщениями хэндовера [2, 3].

При этом процедура хэндовера осуществляется следующим образом: АС сканирует соседние БС и выбирает те, которые могут быть включены в активный набор. Анализ БС выполняется совместно БС и АС. Из этого списка выбирается БС привязки. АС сообщает о своем выборе БС привязки по каналу индикации качества или АС, передавшей запрос о хэндовере. Главное, чтобы данные передавались одновременно всем БС активного набора, которые могут обслужить данную АС.

Когда реализуется хэндовер с макроразнесением, АС получает доступ к сети только через БС привязки, записанной в активный набор.

Этот способ начинается, когда АС решает проводить обмен с несколькими станциями в одно и тоже время. Для направления «вниз» обеспечивается обмен сообщениями АС с двумя и более БС, а объединение этих сообщений на одной БС. Для направления «вверх» сообщения от АС получаются несколькими БС, где выбирается ее новая БС привязки.

Рассмотрим более подробно процедуры обработки информации в стандарте IEEE 802.16.

25

2 Канальное кодирование

Как отмечалось выше, канальное кодирование состоит из трех основных операций: скремблирование, помехоустойчивое кодирование и перемежение. Рассмотрим подробно принцип каждой операции

2.1 Скремблирование цифровых потоков

Поскольку в цифровых потоках используется двоичный код NRZ, в них возможно появление длинных последовательностей нулей и единиц. Известно, что при наличии в канале тональной частоты пауз, которые составляют от 70 до 75 % времени работы канала, на выходе аналогово-цифрового преобразователя появляются восьмиразрядные кодовые комбинации нулей. Наличие длинных серий нулей и единиц приводит к тому, что в таком цифровом сигнале отсутствует информация о тактовой частоте и, следовательно, ухудшается точность выделения тактовой частоты в регенераторе и возрастает коэффициент ошибок на его выходе [3, 8, 9, 10, 11].

Кроме того, наличие длинных серий нулей и единиц в цифровом сигнале, которым модулируется несущая частота передатчика, приводит к тому, что во время прохождения длинных серий нулей и единиц вся мощность передатчика сосредоточена на несущей частоте (нет модулирующего сигнала). Такая ситуация приводит к тому, что данный передатчик в эти моменты времени создает недопустимую помеху другим радиосредствам, работающим в совмещенных и соседних каналах с данным радиосредством. Недопустимой такая помеха будет потому, что частотно-пространственное размещение радиосредств обычно осуществляется с учетом модулированного сигнала. Таким образом, наличие длинных серий нулей и единиц в цифровом модулирующем сигнале приводит к существенному ухудшению электромагнитной совместимости радиосредств и как следствие, к снижению эффективности использования радиочастотного спектра.

Чтобы устранить негативное влияние наличия длинных серий нулей и единиц в цифровом сигнале на качество выделения тактовой частоты в регенераторе и на электромагнитную совместимость радиосредств необходимо разрушить эти длинные серии нулей и единиц. Одним из способов разрушения длинных серий нулей и единиц в цифровом двоичном сигнале является введение в него псевдослучайной последовательности (ПСП).

Отметим, что термин псевдослучайная последовательность появился из следующих соображений. Известна случайная последовательность, которая имеет период следования ТСП стремящийся к бесконечности и равную вероятность появления нулей и единиц

Существенным недостатком случайной последовательности является то, что она не предсказуема, т.е. её нельзя повторить. Это свойство случайной

26

последовательности не позволяет удалить её на приемной стороне при восстановлении исходного цифрового сигнала.

Псевдослучайная последовательность (ПСП) имеет конечный период повторения, определяемый разрядностью регистра сдвига генератора псевдослучайной последовательности, а вероятность появления нулей и единиц в такой последовательности примерно одинакова

Формирование ПСП регистром сдвига делает её предсказуемой, т.е. её можно повторить на приемной стороне [8].

Введение псевдослучайной последовательности производится в скремблере, где входной двоичный цифровой сигнал перемешивается с псевдослучайной последовательностью в сумматоре по модулю два (рисунок

2.1).

Рисунок 2.1- Функциональные схемы скремблера и дескремблера

На вход скремблера поступает двоичный цифровой поток X(t) в коде NRZ с длинными сериями нулей и единиц. В сумматоре по модулю два с этим потоком складывается псевдослучайный двоичный цифровой сигнал Z(t). На выходе сумматора по модулю два получается скремблированный цифровой двоичный поток

Из (2.3) следует, что временные характеристики выходного двоичного цифрового потока определяются как временными характеристиками входного цифрового потока, так и временными характеристиками псевдослучайного цифрового потока.

Скремблированный цифровой поток Y(t), после прохождения канала, где на него воздействуют шумы и помехи, поступает на вход дескремблера. В дескремблере осуществляется удаление из входного цифрового потока

27

псевдослучайной последовательности путем подачи на вход сумматора по модулю 2 такой же ПСП как и в скремблере

В общем случае генератор ПСП состоит из контура исключающего ИЛИ, перемножителей и линейного регистра сдвига с обратной связью, который фактически является цепью однобитовых элементов памяти рисунок 2.2.

Рисунок 2.2 - Генератор псевдослучайной последовательности

Генератор ПСП можно рассматривать как реализацию суммы (по схеме исключающего ИЛИ) членов

где коэффициенты Ai принимают значения 0 или 1; причем при Ai = 0 удаляется соответствующий контур исключающего ИЛИ, а при Ai = 1 – соответствующий контур остается включенным.

Другим методом представления генератора ПСП является его рассмотрение через порождающий многочлен. Порождающий многочлен (или генераторный полином) P(X), соответствующий генератору ПСП (рисунок 2.2) и уравнению (2.5), можно записать в следующем виде

Важным свойством генераторного полинома является то, что величина обратная ему, это последовательность, сгенерированная соответствующим генератором ПСП.

Рассмотрим пример генератора ПСП, представленного на рисунке 2.3. В данном случае рассматривается трехразрядный регистр сдвига с обратными связями и генераторным полиномом

Рисунок 2.3 - Структурная схема трёхразрядного генератора ПСП

Тактовая частота FT обеспечивает продвижение двоичных сигналов по регистру сдвига, а импульс установки обеспечивает установку в начале работы всех триггеров регистра сдвига в определенное состояние, в данном случае единичное 111. Процесс работы регистра сдвига приведен в таблице 2.1[8].

Из таблицы следует, что период псевдослучайной последовательности для данного генератора равен семи тактовым интервалам Т

При этом в каждой из четырех рассматриваемых точек регистра сдвига за период псевдослучайной последовательности в цифровом двоичном сигнале появляются три нуля и четыре единицы, т.е. примерно одинаковое количество тех и других.

29

В рассматриваемом случае эта последовательность имеет вид 1001011. По этой причине выходной цифровой двоичный сигнал скремблера Y(t) (2.3) не будет содержать длинных серий нулей и единиц.

Таблица 2.1 - Таблица состояний генератора ПСП

Таким образом, выходом генератора ПСП может быть любая из четырех точек, необходимо только иметь одинаковые выходы для скремблера и дескремблера.

В общем случае при n-разрядном регистре сдвига период псевдослучайной последовательности

Устранение длинных серий нулей и единиц в цифровом потоке позволяет улучшить электромагнитную обстановку, что можно объяснить следующим образом.

2.2Помехоустойчивое кодирование

Вкачестве помехоустойчивого кода применяется каскадный код, состоящий из двух отдельных кодов, которые объединяются для образования большего кода. Обычно один из кодов выбирается недвоичным, а второй двоичным. Они соединяются каскадно, как показано на рисунке 2.4 [8, 11].

Недвоичный (N, К) код образует внешний код, а двоичный - внутренний

код. Кодовые слова формируются путём подразделения блока на Kk информационных бита по К группам, называемым символами, причём каждый такой символ состоит из k бит. К символов (с k битами каждый) кодируются в N символов внешним кодом, как это обычно делается при недвоичном кодировании. Внутренний кодер берет каждый k –битовый символ и кодирует его в двоичный блоковый код длины п. Таким образом, мы получаем каскадный блоковый код, имеющий длину Nn бита и содержащий Kk информационных бита. Это значит, мы создали эквивалентный (Nn.Kk)

30