2.4 Ieee 802.16 стандарттың физикалық деңгейі

Физикалық деңгейде IEEE 802.16 стандарты мәліметтер таратудың үш әр түрлі әдістерін қарастырады – бір тасушы модуляцияның әдісі (SC, 11 ГГц диапазоннан төмен − SCa), OFDM ортогоналды тасушының көмегмен модуляция әдісі (orthogonal frequency division multiplexing) және OFDMA ортогоналды тасушының көмегімен мультиплексілеу әдісі (orthogonal frequency division multiple access) (2.1 кестесін караңдар). Белгілейміз, SCa әдісі өзінің жоғары жиілікті SC туысынан ерекшеленеді, ең алдымен кедергі тұрақты кодталу және модуляция (квадраттық 256-QAM рұқсат етіледі) әдістерімен.

IEEE 802.16 стандарты 10-66 ГГц диапазонда жұмыс істейтін «нүкте-көпнүкте» (центрден-көбіне) архитектуралы жүйесін сипаттайды. Ол – екі бағытталған жүйе, яғни бәсеңдейтін (downlink, базалық станциядан абоненттерге дейін) және жоғарылайтын (uplink, базалық станцияға дейін) ағындар. Осында кеңжолақты арналарды білдіреді, (шамамен 25 МГц), ал тарату жылдамдықтары – жоғары (мысалы, 120 Мбит/с).

IEEE 802.16 стандартында радиоарна арқылы тарату үшін мәліметтерді өңдеу тракты және шығыс сигналдың қалыптасуы қазіргі телекоммуникациялық хаттамалар үшін қарапайым (2.2 сурет қара) және жоғарылайтын және бәсеңдейтін байланыстар үшін тең болады.

Кіріс мәліметтер ағыны – рандомизацияға ұшырайды, яғни 15–разрядты жылжымалы регистрде алынатын (берілетін полином ЖКТ - с(х) = x+х+1, бастапқы мән - 4А8016) жалған кездейсоқ тізбекке көбейту (ЖКТ). Кейін скрембрленген мәліметтер кедергі тұрақты кодтардың көмегімен қорғайды (FEC-кодталу). Осыны ескере отырып төрт кодталу сұлбаларының бірін қолдануға болады: Галуа GF(256) өрісінің символдары бар Рид-Соломон коды, Рид-Соломонның сыртқы кодымен және кодтық шектеуі К = 7 (кодталу жылдамдығы 2/3) болатын Витерби алгоритмі бойынша декодталуымен ішкі оралатын коды бар каскадты код, Рид-Соломонның сыртқы кодымен және тақ сандарды тексеруі (8,6,2) және блоктық турбокоды бар каскадты код. Кодталатын ақпараттық и. Блоктың өлшемі және артық байттардың саны орнатылмаған – осы параметрлерді тарату ортаның жағдайларынан және QoS талаптарынан тәуелді беруге болады. Сөйтіп, Рид-Соломон коды үшін алғашқы мәліметтер блогының өлшемі 6 -дан 255-ке дейін болуы мүмкін, ал артық байттардың саны – 32-ге дейін (барлығы 255-ке дейін байт). Кодталудың алғашқы екі алгоритмі стандарттың барлық құрылғыларына міндетті, қалған екі алгоритмі – қосымша.

Сурет 2.3 – IEEE 802.16 стандартындағы (бәсеңдейтін канал) шығыс сигналдың қалыптасу тракты

Сурет 2.4 – Оралатын код арқылы кодталу сұлбасы

Мәліметтердің кодталатын блоктары стандартта келтірілген кестеге сәйкес модуляциялық символдарға түрленеді (әрбір 2/4/6 бит QPSK/16-QAM /64-QAM бір символын анықтайды) – 2/4/6 биттің әрбір тобына келісті синфазды (I) және квадраттық (Q) координаттар қойылады Ары қарай арналардағы дискретті мәндердің тізбегі және Q синусквад-ратты деп аталатын фильтр арқылы (square-root raised cosine filter) үзіліссіз (түзетілген) сигналдарға түрленеді. Фильтрленген I(t) және Q(t) ағындар квадраттық модуляторға келіп түседі, мұнда келесі функция сияқты шығыс сигналы қалыптасады

(2.1)

мұнда fc – тасушы жиілік.

Сосын сигнал күшейеді де эфирге таралады. Қабылданатын жақта барлығы кері тәртіпте жүреді. Нәтижесінде арнаның енінен және модуляция әдісінен тәуелді мәліметтер ағыны жылдамдығының кең тобы құрылады (кесте 2.3).

Кесте 2.1 – Модуляция түрінен және арна енінен тәуелді мәліметтердің физикалық ағынының жылдамдығы

Канал ені, МГц	Символдардың жылдамдығы, Мбод	Мәліметтердің физикалық ағынының жылдамдығы, Мбит/'с
		QPSK QPSK	16-QAM	64-QAM
20	16	32	64	96
25	20	40	80	120
28	22,4	44,8	89,6	134,4

Физикалық деңгейде мәліметтер кадрлардың үзіліссіз тізбегі түрінде таралады. Әрбір кадр орнатылған ұзақтыққа ие - 0,5; 1 және 2 мс, сондықтан оның ақпараттық сыйымдылығы символдық жылдамдықтан және модуляция әдісінен тәуелді. Кадр преамбуладан (ұзындығы 32 QPSK-символ болатын синхротізбек), басқаратын секциядан және мәліметтері бар пакеттердің тізбегінен. (2.4 суретті қара). IEEE 802.16 стандартпен анықталатын жүйе екібағытталған болғандықтан дуплексті механизм қажет. Ол жоғарылайтын және бәсеңдейтін арналардың жиіліктік (FDD5) және же уақыттық (TDD6) бөлінуін қарастырады.

Сурет 2.5 – Кадрлардың үзіліссіз тізбегі

Арналардың уақыттық дуплекстеуі кезінде кадр арнайы интервалмен бөлінген бәсеңдейтін және жоғарылайтын субкадрлерге (кадрда олардың арақатынасы бәсеңдейтін және жоғарылайтын арналар үшін керекті өткізгіш жолағынан тәуелді жұмыс процесі кезінде майыса ауыса алады) бөлінеді (сурет 2.5а). Жиіліктік дуплекстеу кезінде жоғарылайтын және бәсеңдейтін арналар әрбір өзінің тасушысында хабарланады (сурет 2.5б).

Сурет 2.6 –Арналардың уақыттық (а) және жиіліктік (б) дуплекстеуі бар жүйелер үшін IEEE 802.16 стандартындағы кадрдың құрылымы

Бәсеңдейтін арнада ақпарат базалық станциядан пакеттердің тізімі (уақыттық мультиплекстеу әдісі - TDM7) түрінде таралады (сурет 2.6). Әрбір пакет үшін модуляция әдісін және мәліметтерді кодтау сұлбасын тапсыруға болады, яғни таратудың жылдамдығы және сенімділігі арасында таңдау жасау. TDM-пакеттер барлық абоненттік станциялар үшін біруақытты таралады, олардың әрқайсысы барлық ақпараттық ағынды қабылдайды және «өзінің» пакеттерін таңдайды (пакеттердің бастамаларын декодтап және белгіленген мекен-жайды анықтап). Бәсеңдейтін субкадрда пакеттер кезекке кедергіқорғағыш бірінші таралатындай етіп тұрады (басқаратын секция әрқашан QPSK-модуляциясы арқасында таралады). Егер осыны істемесе, одан да қорғанышты пакеттер арналатын, абоненттік станциялар қабылдаудың нашар жағдайларымен өзінің ақпарат бөлігін күтуде синхронизацияны жоғалтуы мүмкін.

Бәсеңдейтін субкадрда пакеттер бір бірінің артынан интервалсыз және оларды предваряющих бастамаларсыз жүреді. Абоненттік станциялар бір пакетті басқасынан айыра алу үшін, басқаратын секцияда бәсеңдейтін (DL-MAP) және жоғарылайтын (UL-MAP) арналардың карталары таралады. Бәсеңдейтін арнаның картасында кадрдың ұзақтығы, кадрдың номері, бәсеңдейтін субкадрда пакеттердің саны, сондай-ақ басталу нүктесі және әрбір пакет профилінің типі көрсетілген. Басталу нүктесі физикалық слоттарда саналады, әрбір физикалық слот төрт модуляциялық символдарға тең.

Пакеттің профилі – модуляция әдісін, FEC-кодтау түрін (кодталу сұлбаларының параметрлерімен), сондай-ақ берілген профиль қолданыла алатын тұрақты станцияның қабылдағыш арнасында сигнал/шу қатынасының мәнді диапазонын қоса, оның параметрлерінің тізімі. Арнайы басқаратын хабарламалар түріндегі профильдер тізімі (бәсеңдейтін және жоғарылайтын каналдардың дескрипторлары, DCD/UCD) 10 с периодпен базалық станциямен хабар таратады, әрбір профильге бәсеңдейтін арнаның картасында қолданылатын номер беріледі.

Сурет 2.7 – Бәсеңдейтін арнаның құрылымы

Абоненттік станциялар тарату ортасына қолжетімділікті арналардың уақыттық бөліну механизмі (TDMA - Time division multiple access) арқасында алады (жоғарылайтын каналдың құрылымы 2.7 суретте көрсетілген). Сол үшін жоғарылайтын арнада субкадрда әрбір тарататын АС (абоненттік станция) үшін базалық станция арнайы уақыттық интервалдарды – слоттарды сақтайды. АС арасында слоттардың бөлінуі туралы ақпарат әрбір кадрда хабарланатын, UL-MAP жоғарылайтын арнаның картасында жазылады. UL-MAP DL-MAP-қа функционалды іспеттес – онда субкадрда қанша слот бар екені хабарланады, басталу нүктесі және олардың әрбіреуі үшін байланыс идентификаторы, сондай-ақ барлық пакеттердің профильдер типі хабарланады. Ағымдағы кадрдың UL-MAP хабарламасы берілген кадрға және кейінгі кадрларға жатуы мүмкін. Жоғарылайтын арнада модуляция жылдамдығы (символдардың жиілігі) бәсеңдейтін арнада сияқты болуы керек. Белгілейміз, бәсеңдейтін TDM-пакеттермен салыстырғанда, жоғарылайтын арнада әрбір пакет преамбуладан басталады – ұзындығы 16 немесе 32 QPSK-символ болатын синхротізбек.

Жоғарылайтын арнада тағы желіде алғашқы тіркелу үшін немесе арнаны өткізу жолағының арнасын/өзгертулерін сұранысы үшін бәсекелестік қолжетімділіктің интервалдары қарастырылған.

IEEE 802.16 стандарты дуплексті сондай-ақ жартылайдуалексті абоненттік станциялардың қолданылуын мүмкін етеді. Соңғылары ақпаратты біруақытты қабылдауға және таратуға қабілетсіз. FDD режимінде құрылымдық ерекшеліктеріне орай ең алдымен ақпаратты қабылдап тек содан кейін өз мәліметтерін тарататын жартылайдуплексті АС үшін бәсеңдейтін FDD-кадрда TDMA-облысы қарастырылған – осындай станциялар үшін ақпарат анықталған уақыттық интервалдарда таралады (сурет 2.7). TDMA режимінде таралатын, бәсеңдейтін пакеттерді жартылайдуплексті абоненттік станциялар керек кезде синхрондылықты қалпына келтіру үшін міндетті түрде преамбуламен – ұзындығы 16 QPSK-символ болатын синхротізбекпен қамтамасыз етіледі.

Сурет 2.8 – Жоғарылайтын арнаның құрылымы

Примечательно, FDD режимінде IEEE 802.16 стандарты дуплексті және жартылайдуплексті абоненттік станциялардың қолданылуын рұқсат етеді. Соңғылары ақпаратты біруақытты қабылдауға және таратуға қабілетсіз. Құрылымдық ерекшеліктеріне орай ең алдымен ақпаратты қабылдап тек содан кейін өз мәліметтерін тарататын жартылайдуплексті АС үшін бәсеңдейтін FDD-кадрда TDMA механизмі бар облыс қарастырылған - осындай станциялар үшін ақпарат анықталған уақыттық интервалдарда таралады (сурет 2.8). TDMA режимінде таралатын, бәсеңдейтін пакеттерді жартылайдуплексті абоненттік станциялар керек кезде синхрондықты қалпына келтіру үшін міндетті түрде преамбуламен – ұзындығы 16 QPSK-символ болатын синхротізбекпен қамтамасыз етіледі. Яғни факт бойынша FDD-режимінде де уақытты бөлу режимінде таралу ортасына жартылай қолжетімділік принципі қолданылады.

IEEE 802.16 стандарттың басты ерекшелігі – радиотракт бақылау жүйесі, оның арқасында базалық станция синхрондықты, тасушы жиілікті және әрбір АС-ң қуатын бақылауға қабілетті және қажет болса осы параметрлерді қызмет хабарламалар арқылы өзгертуге/түзетуге қабілетті. IEEE 802.16 стандарттың физикалық деңгейі ағындардың БС және абоненттік станциялар арасында тікелей жеткізуімен айналысады. Дегенмен, осы мәліметтердің құрылымын қалыптасумен, сондай-ақ IEEE 802.16 жүйесінің жұмысын басқарумен байланысты тапсырмалар арналық деңгейде шешіледі.

Сурет 2.9 – Жартылайдуплексті абоненттік станциялармен жұмыс кезінде FDD жағдайындағы бәсеңдейтін арна