آگوست 6

OFDM، مدولاسیون، زیرفریم، 802.16، MAC

است. لایه فیزیکی نوع سیگنال مورد استفاده، انواع مدولاسیون و دمدولاسیون، توان ارسال و همچنین سایر مشخصههای فیزیکی را تعریف مینماید.
استاندارد 802.16 باند فرکانسی 2 تا 66 گیگا هرتز را مورد توجه قرار میدهد. این باند به دو بخش تقسیم میشود:
رنج نخست مابین 2 و[a138] 11 گیگاهرتز بوده و برای ارسال در مد 94NLOS بکار می‌رود. WiMAX تنها از این رنج پشتیبانی میکند.
رنج دوم مابین 11 و 66 گیگاهرتز بوده و برای ارسال در مد 95LOS بکار میرود. WiMAX این رنج را پشتیبانی نمیکند.
پنج اینترفیس فیزیکی در استاندارد 802.16 تعریف شده است. شکل (3-1) این اینترفیسها به همراه نسخهای که در آن معرفی شدهاند را نشان میدهد. همانطور که مشاهده میشود لایه MAC از لایههای مختلفی پشتیبانی میکند.
شکل ‏31- اینترفیس های فیزیکی مختلف در استاندارد 802.16[36]
در جدول (3-1) مشخصات اینترفیسهای فیزیکی مختلف استاندارد 802.16 بیان شده است. اینترفیس SC برای باند فرکانسی 11[a139] تا 66 گیگاهرتز (LOS) در استاندارد 802.16 تعریف شده است. برای باند فرکانسی زیر 11 گیگاهرتز (NLOS) سه لایه فیزیکی SCa، OFDM و OFDMA تعریف شدهاند. که اولی مبتنی بر تکنولوژی single carrier بوده و دو لایه دیگر بر مبنای تکنولوژی OFDM هستند. برای باندهای فرکانسی زیر 11 گیگاهرتز و معاف از مجوز، اینترفیس WirelessHUMAN96 معرفی شده است. برای جلوگیری از تداخل در این باندهای فرکانسی، استاندارد بایستی از مکانیزمهایی چون DFS97 پشتیبانی کند.
جدول3-1- مشخصات فنی اینترفیس های فیزیکی مختلف تعریف شده استاندارد 802.16[36]
Optional Mechanisms
Duplexing
Frequency band
Specification
Main PHY
Specification of
IEEE 802.16
TDD/FDD
10-66 GHz (LOS)
WirelessMAN-SC
(known as SC)
Single Carrier Specification for NLOS transmission
AAS، ARQ
Below 11GHz (NLOS)، licensed
WirelessMAN-SCa
(known as SCa)
OFDM support for NLOS
Transmission، also used in Mesh topology
Mesh
WirelessMANOFDM
(known as OFDMA)
OFDM support for NLOS transmissions
WirelessMANOFDMA
(known as OFDM)
Main PHY specification for mesh topology
Mesh، DFS
TDD
Below 11GHz (NLOS)، licensed exempt
Wireless HUMAN
WiMAX تنها لایههای فیزیکی OFDM و OFDMA را مدنظر قرارداده است. با بکارگیری OFDM، حامل98ها به هم نزدیک شده و به علت متعامد بودن آنها تداخلی پیش نمیآید. لذا بهرهوری پهنای باند را افزایش میدهد. در ادامه به لایههای فیزیکی OFDM و OFDMA پرداخته میشود.
در سیستم FDM99، سیگنالهای چندین فرستنده به صورت همزمان (در یک پنجره زمانی) در فرکانسهای مختلف ارسال میشوند. هربازه فرکانسی، که زیرحامل100 نامیده میشود، به طور جداگانه و به وسیله یکی از روشهای موجود مدوله میشود. همچنین به منظور جلوگیری از همپوشانی سیگنالها مابین دو زیر حامل مجاور، باند محافظی قرار دارد شکل(3-2).
شکل ‏32- باندهای فرکانسی در FDM[a140]
مانند FDM، OFDM از چندین زیرحامل بهره میبرد. با این تفاوت که در OFDM باندهای محافظ مابین زیر حاملها حذف شده و زیر حاملها به هم نزدیکتر هستند (شکل 3-3). در این حالت از آنجا که فرکانس زیر حاملها نسبت به یکدیگر متعامد است، تداخل فرکانسی ایجاد نمیشود. این بدان معنا است که پیک یک زیر حامل زمانی اتفاق میافتد که زیر حامل مجاورش در حال صفر[a141] است.
شکل ‏33 – باندهای فرکانسی در OFDM
در اینجا نیز هریک از زیر حاملها که حاوی دیتایی برای ارسال هستند، به وسیله یکی از روشهای مدولاسیون دیجیتال مدوله میشوند. OFDM نسبت به FDM، برای ارسال میزان داده مشخص[a142]، به پهنای باند کمتری نیاز دارد. لذا از طیف فرکانسی به صورت کاراتر[a143] استفاده مینماید. علاوه براین سیستمی که از OFDM بهره میبرد، در محیط NLOS، از قابلیت اطمینان بیشتری برخوردار است. از آنجا که در چنین سیستمی، برقراری یکدست[a144] سازی101 بر روی
زیرمجموعهای از زیر حاملها (به جای یک حامل پهن102) صورت میگیرد، به طور موثری بر تداخل و محوشدگی103 ناشی از چند مسیرگی غلبه میشود.
تئوری OFDM سالهاست که مطرح شده است. ولی کاربرد آن تنها چند سالی است که به واسطه ظهور تراشههای مدرنی که قابلیت پردازش سیگنالهای دیجیتالی پیچیده را دارند، مقدور شده است. تکنولوژیهای مختلف شبکهای و ارتباطی (از جمله WiMAX) از OFDM برای دستیابی به نرخ داده بالاتر (که باند پهن گفته میشود) استفاده می‌کنند.
OFDMA نیز از چندین زیرحامل که فضای محافظی مابینشان نیست، بهره میبرد. ولی در OFDMA، زیر حاملها به گروههای مختلفی دسته بندی میشوند. هر گروه یک زیر کانال گفته میشود. لازم نیست زیر حاملهایی که یک زیر کانال را تشکیل میدهند، مجاور هم باشند (شکل 3-4). در فراسو[a145] یک زیر کانال ممکن است به وسیله چندین گیرنده مورد استفاده قرار گیرد. در فراسو[a146] نیز ممکن است به یک فرستنده یک یا چند زیر کانال اختصاص داده شود. در شکل(3-4) حامل‌ها با رنگ مشابه، یک زیر کانال را نشان میدهند.
شکل ‏34- باندهای فرکانسی در OFDMA
در OFDM در هر پنجره زمانی مربوط به یک فرکانس تنها یک SS میتواند ارسال کند. این در حالی است که در OFDMA چندین SS میتوانند در زیر کانالهای مختلف ارسال کنند. شکل (3-5)
به وسیله گروهبندی، زیر کانالها بر اساس شرایط کانال و نرخ داده مورد نیاز به SSها اختصاص داده میشوند. به این ترتیب[a147] در یک پنجره زمانی BS میتواند توان ارسال بیشتری به SSهایی با SNR پایینتر و توان کمتر به SSها با SNR104 بالاتر، اختصاص دهد. همچنین گروهبندی به BS این امکان را میدهد که توان بیشتری را به زیر کانالهایی که به SSهای درون ساختمان منتسب هستند، اختصاص دهد که باعث پوشش بهتر در درون ساختمان میگردد. گروهبندی در فراسو میتواند توان ارسالی تجهیزات کاربر را با متمرکز کردن توان بر روی زیر کانالهای معینی، حفظ کند. این ویژگی برای حفظ باتری در کابردهای سیار بسیار کاربرد دارد.
شکل ‏35- گروه بندی در uplink[36]
در فرستنده WiMAX از IFFT 105برای ایجاد یک موج OFDM از دیتای مدوله شده و در مقابل در گیرنده از FFT106 برای دمودله کردن دیتای دریافتی استفاده میگردد. شکل(3-6)
اندازه FFT معادل تعداد زیرحاملها است. برای مثال در یک سیستم OFDM/OFDMA با 256 زیرحامل اندازه FFT برابر 256 است.
شکل ‏36- زنجیره فرستنده و گیرنده در WiMAX[36]
مدولاسیون دیجیتال
همانند دیگر[a148] سیستمهای ارتباطی، استاندارد 802.16 از مدولاسیون دیجیتال استفاده میکند. مدولاسیون دیجیتال، مدوله کردن یک سیگنال آنالوگ با یک سری کد دیجیتال (اطلاعاتی که باید ارسال شوند) برای انتقال این کدها از روی رسانهای چون فیبر، لینک رادیویی و … است. این مفهوم در شکل(3-7) نشان داده شده است. مدولاسیون دیجیتال نسبت به مدولاسیون آنالوگ کلاسیک از مزایایی چون مقاومت بهتر در برابر نویز، بهرهبردن از ارتباطات کارای دیجیتالی و الگوریتمهای کدینگ، برخوردار است.
شکل ‏37- مدولاسیون دیجیتال
انواع مختلفی از مدولاسیون های دیجیتال در سیستمهای ارتباطی قابل استفاده است. مدولاسیونها براساس مشخصه فیزیکی حامل سینوسی (فرکانس، فاز، دامنه و یا ترکیبی از آنها) تعریف میشوند. استاندارد 802.16 از چهار مدولاسیون پشتیبانی مینماید: BPSK، QPSK،16-QAM و64-QAM. در ادامه به اختصار به انواع مدولاسیونهای مورد استفاده در لایه فیزیکی OFDM و OFDMA استاندارد 802.16 پرداخته میشود.
BPSK یک مدولاسیون دیجیتال باینری است. یک سمبل مدولاسیون حامل[a149] یک بیت است. این مدولاسیون در برابر نویز و تداخل قابلیت اطمینان بالایی دارد. BPSK از تغییر در فاز برای[a150] کدینگ بیتها استفاده میکنند: هر سمبل مدولاسیون متناظر با یک فاز است. شکل(3-8) مدولاسیون BPSKرا نشان میدهد.
شکل ‏38- مدولاسیون BPSK
هنگامیکه نیاز به مدولاسیونی است که از نظر بکارگیری طیف فرکانسی کاراتر باشد، باید از مدولاسیونی استفاده شود که از سمبلهای[a151] بزرگ بیشتر [a152]بهره میبرد. برای مثال در QPSK هر سمبل حاوی 2 بیت است. شکل(3-9) این نوع مدولاسیون را نشان میدهد.در توان ارسالی[a153] برابر، این مدولاسیون نسبت به BPSK در مقابل نویز و تداخل از قابلیت اطمینان کمتری برخوردار است.
شکل ‏39- مدولاسیون QPSK
QAM دامنه دو حامـل سینـوسی را باتوجـه به کدهـای دیجیتـالی که بایـد ارسال شوند تغییر میدهد. مدولاسیونهای 16-QAM (4 بیت در هر سمبل) و 64-QAM (6 بیت در هر سمبل) در استاندارد 802.16 دیده شدهاند. 64-QAM کاراترین مدولاسیون است.
شکل ‏310- مدولاسیون 16-QAM
لایه MAC استاندارد IEEE 802.16
لایه MAC وظیفه دسترسی چندگانه به رسانه مشترک را بر عهده دارد. ویژگی‌های اصلی لایه MAC استاندارد 802.16 بطور خلاصه در زیر لیست شده اند:
برای کاربردهای باند پهن طراحی شده است.
اتصال گرا است. یعنی تمامی ارسال‌ها در یک شبکه مبتنی بر استاندارد 802.16 از طریق اتصال‌های مختلف انجام می‌شود. اتصال‌ها یک طرفه بوده و می‌توانند تک پخشی107، چند پخشی108 یا پخش فراگیر109 باشند.
ارائه کیفیت سرویس برای هر اتصال امکان پذیر است. کلاس‌های مختلف دسترسی که در این زمینه تعریف می شود CBR110 ،Non-real Time، VBR111 ،Real Time و 112BE [a154]هستند
از مکانیزم ARQ پشتیبانی می‌کند.
در مد PMP زمانبندی برای فریم‌های فراسو و فروسو به منظور رعایت عدالت 113و استفاده کارا از پهنای باند صورت می‌گیرد.
درخواست پهنای باند صورت می‌گیرد.
از ترافیک پیوسته و هجومی [a155]پشتیبانی می‌کند.
از کنترل توان حلقه باز و حلقه بسته برای کاهش توان مصرفی و تداخل، پشتیبانی می‌کند.
از مدولاسیون سازگار114 به منظور افزایش ظرفیت در محیط‌هایی که چندین کانال وجود دارد، پشتیبانی می‌کند.
از سرویس‌های مختلفی چون دیتا و صوت و VoIP[a156] پشتیبانی می‌کند.
از دو همبندی PMP و مش پشتیبانی می‌کند.
در ادامه به زیرلایه‌های مختلف MAC مرتبط با زمان‌بندی پرداخته می‌شود.
تطبیق لینک
با داشتن چندین نوع مدولاسیون، می‌توان از مزیت تطبیق لینک بهره گرفت. تطبیق لینک مفهوم ساده‌ای دارد: هنگامیگه لینک رادیویی خوب است، از یک مدولاسیون فشرده‌تر استفاده شود. بر عکس[a157] زمانیکه لینک رادیویی بد است از یک مدولاسیون ساده‌تر(که قابل اطمینان‌تر است) استفاده می‌شود[a158]. شکل(3-11) این مفهوم را نشان می‌دهد. واضح است که هر چه یک SS به BS نزدیکتر باشد، لینک مابین آنها بهتر است. در این شکل، در کنار مدولاسیون عدد دیگری نشان داده شده است که نرخ کدینگ است. همانطور که ملاحضه می‌شود، نرخ کدینگ نیز تحت تاثیر قرار می‌گیرد. به روش مدولاسیون و نرخ کدینگ، مشخصات[a159] هجمه‌ای[a160]115 گفته می‌شود. هر چه لینک رادیویی کیفیت بهتری داشته باشد، از الگوی مدولاسیون و کدینگ (116MCS) کاراتری استفاده می‌شود.
شکل ‏311-تطبیق لینک [37]
در استاندارد مدیریت خطا به دو روش زیر صورت می‌گیرد:
ARQ: در این مکانیزم که تنها در MAC انجام می‌گیرد، بسته‌های خراب در گیرنده دور ریخته می‌شوند. ACK/NACK به تخصیص منابع MAC نیاز دارند.
HARQ: عملکرد این مکانیزم در هر دو لایه MAC و PHY است. بسته‌های خراب به جای اینکه دور ریخته شوند، ذخیره می‌شوند ACK/NACK بر روی کانال‌های اختصاصی ارسال می‌شوند. گیرنده بسته‌هایی که دوباره ارسال شده‌اند را با بسته‌هایی[a161] که از قبل با خطا دریافت شده‌اند ترکیب می‌نماید تا به SNR و بهره کدینگ بهتری دست پیدا کند.
عملکرد مد مش در MAC استاندارد IEEE 802.16
مد مش استاندارد 802.16 تنها از MAC مبتنی بر تکنولوژی TDMA پشتیبانی میکند و برروی یک لایه فیزیکی TDM بنا شده است. در لایههای فیزیکی TDM، زمان به پنجرههای زمانی با طول ثابت تقسیم میشود. در خلال هر پنجره، بلوکی از بیتها ارسال میشود. استاندارد از OFDM برای پیادهسازی لایه فیزیکی TDM خود استفاده میکند.[a162]
OFDM، بلوکهایی از بیتها را به شکل سمبلهایی با طول زمانی ثابت در میآورد. این سمبلها به وسیله حاملهای متعامد حمل میشوند. پهنای باند سیگنال نهایی، رنج فرکانسی اشغال شده توسط حامل است. سمبلهای OFDM، فریمهای با طول ثابت را تشکیل میدهند.
تعداد بیتهای حمل شده به وسیله هر سمبل OFDM به مدولاسیون، کدینگ و پهنای باندی که OFDM در هنگام ارسال استفاده میکند، بستگی دارد. مدولاسیون و کدینگ تعیین میکنند که چه تعداد بیت به وسیله هر حامل حمل میشود. پهنای باند بهکار گرفته شده، طول زمانی سمبلها را مشخص میکند. در 802.16 دو نوع پهنای باند OFDM وجود دارد: 1) 20 مگاهرتز با سمبلهایی به طول 5/12 میکروثانیه 2) 10 مگاهرتز با سمبلهایی به طول 25 میکروثانیه. از آنجا که طول زمانی سمبل OFDM برای پهنای باند 10 مگاهرتز دو برابر سمبولها در پهنای باند ۲۰ مگا هرتز است، نرخ ارسال در پهنای باند ۱۰ مگا هرتز نصف نرخ ارسال در پهنای باند 20 مگاهرتز است. جدول (3-2) نرخ ارسال دیتا در استاندارد 802.16 را با توجه به مدولاسیون، کدینگ و پهنای باند نشان می‌دهد.
جدول 3-2-نرخ ارسال دیتا در استاندارد802.16 ([38])
همانطور که ملاحظه میشود، BPSK-1/2 که سادهترین مدولاسیون است با 96 بیت در هر سمبل OFDM، نرخ خام ارسال دیتایی در حدود 7.7Mbps را فراهم میآورد. در مقابل پیچیدهترین مدولاسیون، 64QAM-3/4، با 846 بیت در هر سمبل OFDM، نرخ خام ارسال دیتایی در حدود 70Mbps را فراهم می‌آورد.
ساختار فریم در مد مش استاندارد IEEE 802.16
در مد مش استاندارد 802.16 ، [a163]سمبلهای OFDM به صورت گروه درآمده و در فریمهایی با طول یکسان قرار داده میشوند. از کرانههای فریم برای سنکرونسازی گره‌‌‌های مش استفاده میشود. همچنین مدیریت سمبلهای OFDM، با دستهبندی آنها در فرصتهای ارسال117 (پنجرههای زمانی) ساده میشود. فریمها در طول زمان تکرار می‌شوند. همچنین در یک شبکه مش، برخلاف مد PMP، از آنجا که تمام گره‌‌‌ها در یک سطح هستند، تمایزی مابین زیرفریمهای فراسو و فروسو وجود ندارد و زیر فریمهای جداگانهای برای آنها در نظر گرفته نمیشود. شکل(3-12) ساختار عمومی فریم مش تعریف شده در استاندارد 802.16 را نشان میدهد. طول فریم توسط پارامتر شبکه[a164] FRAME_LENGHT مشخص میشود.
شکل ‏312- ساختار عمومی فریم در مد مش IEEE 802.16
یک فریم مش از دو زیر فریم کنترلی و زیر فریم دیتا تشکیل شده است. زیرفریم کنترلی برای ارسال بستههای کنترلی (پیغام سیگنالیگ) و زیرفریم دیتا برای ارسال بستههای دیتا، بکار برده میشود. طول زیرفریمها ثابت است. تمام ارسالها در زیر فریم کنترلی با QPSK ½ صورت میگیرد.
یک شبکه مش مبتنی بر استاندارد 802.16 میتواند حداکثر از 16 کانال (که با یکدیگر تداخل ندارند) برای ارسال دیتا استفاده کند تا به این وسیله ظرفیت ارسال برای گره‌‌‌های همسایه که نمیتوانند از استفاده مجدد از فضای فرکانسی بهره ببرند، افزایش یابد. این در حالی است که ارسال پیغامهای کنترلی توسط تمام گره‌‌‌های شبکه تنها در یک کانال انجام میشود.
زیرفریم کنترلی خود به دو دسته تقسیمبندی میشود: زیرفریم کنترل شبکه و زیر فریم کنترل زمانبندی، این مطلب نیز در شکل(3-12) نشان داده شده است. به وسیله زیرفریم کنترل شبکه، گره‌‌‌ها بستههای پیکربندی شبکه (اطلاعات همبندی، پیغامهای مدیریتی، قیدهایی که باید در شبکه اعمال شود) را در سطح شبکه پخش میکنند. زیرفریم کنترل زمانبندی نیز برای ارسال پیغامهای زمانبندی بکار برده میشود. در ادامه به بررسی هریک از این زیر فریمها پرداخته می‌شود.
زیرفریم کنترلی
برای زیرفریم کنترلی دو عملکرد اصلی تعریف شده است: پیکربندی (کنترل) شبکه و کنترل زمانبندی. زیرفریم کنترلی یک فریم از نوع زیرفریم کنترل شبکه یا زیرفریم کنترل زمانبندی است. پیکربندی شبکه توسط زیرفریم کنترل شبکه انجام میشود. این زیرفریم وظیفه پخش اطلاعات پیکربندی در سطح شبکه، به منظور ایجاد و نگهداری یکپارچگی مابین سیستمهای مختلف و مدیریت ورود گره‌‌‌[a165] جدید به شبکه را برعهده دارد. کنترل زمانبندی نیز توسط زیرفریم کنترل شبکه صورت میگیرد. این زیرفریم وظیفه کنترل زمانبندی هماهنگ118 برای ارسال دیتا مابین گره‌‌‌ها را برعهده دارد.
باتوجه به وظایف زیرفریم کنترل شبکه، این زیرفریم از دو بخش ورود به شبکه119 و پیکربندی شبکه120 تشکیل شده است. این دو بخش به ترتیب شامل پیغامهای [a166]121 MSH-NENT و 122 MSH-NCFG هستند. MSH-NENT یک پیغام پایه مدیریتی MAC است که وسیلهای را برای سنکرونسازی و انجام تنظیمات اولیه گره‌‌‌ تازه وارد به یک شبکه مش را فراهم میآورد. MSH-NCFG نیز یک پیغام مدیریتی پخش فراگیر MAC است که وسیلهای را برای ایجاد ارتباط اولیه میان گره‌‌‌ها در شبکههای متفاوت مجاور هم فراهم میآورد. فیلد Network Descriptor که در این پیغام وجود
دارد، دربردارنده شناسه BS پارامترهای مختلف درکانال مورد استفاده (مدولاسیون، روشهای کدینگ، مقادیر آستانه و …) است. پیغامهای MSH-NCFG به طور متناوب در شبکه ارسال میشوند.
زیرفریم کنترل زمانبندی برای ارسال پیغامهای کنترلی[a167] که وظیفه زمانبندی پنجرههای زمانی زیرفریم دیتا را برعهده دارند، بکار برده میشود. براین اساس زیرفریم کنترل زمانبندی از دو بخش زمانبندی متمرکز123 و زمانبندی توزیع شده124 تشکیل شده است. بخش اول دربردارنده پیغامهای MSH-CSCF125 و MSH-CSCH126 و



همه حقوق محفوظ است

Posted آگوست 6, 2018 by 92 in category "مقالات

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *