Az IEEE 802.16 szabvány fizikai rétege by sa20392

VIEWS: 26 PAGES: 11

									                           Az IEEE 802.16 szabvány
                                 fizikai rétege
                                                  NÉMETH ZOLTÁN
             Budapesti Mûszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Híradástechnikai Tanszék
                                          pepa@mcl.hu



Kulcsszavak: IEEE 802.16, HiperMAN, OFDM, WiMAX


A cikk az IEEE 802.16-2004 szabványverzió fizikai rétegének specifikációit ismerteti. Kapcsolódik a szélessávú vezeték-
nélküli elérés szabványosítási környezetét ismertetô elôzô cikkhez, míg a következô ennek szerves folytatása a MAC-réteg
ismertetésével.


1. Bevezetés                                                   Az elôírt moduláció nem felel meg az IEEE 802.16-
                                                               2004 által alkalmazott OFDM-nek (és az egyvivôs elôí-
Ebben a cikkben az IEEE 802.16-2004 verzió alapján             rásnak sem), ezért ez a sáv WiMAX átvitelre az európai
ismertetjük a fizikai réteg specifikációit. Ez a verzió a 2-   szabályozás szerint nem használható. A magyar sza-
66 GHz mûködési frekvenciatartományba esô széles-              bályozás az ETSI rendelkezéseivel összhangban van.
sávú rádiós átviteli rendszereket írja le [1]. Ebbôl a frek-        Az elôírásoknak megfelelôen [3,4] az 5,15-5,35 GHz
venciatartományból a jelenleg gyártott eszközök szem-          sáv ugyancsak szélessávú adatátvitelre használható.
pontjából Európában és hazánkban a legfontosabb a              Ebben az esetben az átlagos teljesítményre vonatko-
3,5 GHz-es engedélyköteles, valamint az 5,4 GHz-es             zó korlát 200 mW, a teljesítményszabályozás (TPC) kö-
és 5,8 GHz-es frekvenciaengedélyhez nem kötött sáv.            telezô, és csak a beltéri használat megengedett. En-
A cikkben ezért elsôsorban az ezekre a tartományokra,          nek következtében a WiMAX rendszerek szempontjá-
és az ezekben mûködô eszközök fizikai rétegének leí-           ból ennek a sávnak nincs jelentôsége. Az NHH szabá-
rására koncentrálunk.                                          lyozása az eddigieket kiegészítendô a sávban változó
                                                               0,25 mW/25 kHz, illetve 10 mW/1 MHz maximális teljesít-
                                                               ménysûrûséget (EIRP) engedélyez. A dinamikus frek-
2. Frekvenciasávok                                             vencia kiválasztás (DFS) kötelezô, ezen kívül vagy adó-
   és szabályozási kérdések                                    teljesítmény szabályozás (TPC) szükséges, vagy a ma-
                                                               ximális teljesítmény-jellemzôk csökkennek 3 dB-lel.
A WiMAX rendszer európai és hazai [10,11] szabályo-                 Az elôbbi sávtól eltérô szabályozás [3] alá esik az
zásának vizsgálata elôtt elôször áttekintjük az IEEE           5,47-5,725 GHz tartomány, mivel ebben az esetben
802.16-2004 szabvány által felkínált frekvenciahasz-           megengedett a kültéri használat is. Az átlagos teljesít-
nálati lehetôségeket. Jelen összefoglalóban csak a 11          ményre vonatkozó korlát 1 W, a teljesítményszabályozás
GHz alatti frekvenciákat tüntetjük fel. A szabvány által       (a 3 dB-es mérséklési tényezôvel – mitigation factor) és
megjelölt frekvenciasávok, illetve az azokra vonatkozó         a dinamikus frekvenciaválasztás (DFS) kötelezô. Ebben
elôírások az 1. táblázatban találhatók.                        a sávban az ETSI az OFDM modulációjú HIPERLAN
   A rendelkezésre álló frekvenciasávoknak csak egy            rendszerek használatát ajánlja [5]. A magyar szabályo-
része felel meg az európai szabályozásnak, az ETSI, a          zás szerint az engedélymentes 5,4 GHz-es (5,47-5,725
CEPT (Conference of European Postal and Telecommu-             GHz) sávban elsôdleges jelleggel mozgószolgálat kere-
nications), az ERC (European Radiocommunications               tében többek között vezeték nélküli hozzáférési rend-
Committe), illetve az NHH (Nemzeti Hírközlési Hatóság)         szerek (rádiós helyi hálózatok: RLAN, HIPERLAN) mû-
elôírásainak.                                                  ködhetnek. Harmadlagos jelleggel állandó helyû szol-
                                                               gálat keretében vezeték nélküli hozzáférési rendszerek
2.1. Engedélyhez nem kötött frekvenciasávok                    (RLAN, HIPERLAN, WiMAX) üzemelhetnek. A megen-
                                                               gedett maximális teljesítménysûrûség (EIRP) a sávban
    A szélessávú adatátvitelre felhasználható szabad           változó 50 mW/1 MHz.
felhasználású frekvenciasávok közül elôször a 2,4-                  Végül a WiMAX szempontjából még jelentôsséggel
2,4835 GHz-es sávot kell megemlíteni. Ebben a tarto-           bíró szabad sáv az 5,725-5,85 GHz tartományba esik
mányban direkt szekvenciális és frekvenciaugratásos            (ISM sáv). Ebben a sávban az európai szabályozás
szórt spektrumú modulációt kell alkalmazni -20 dBW/1           szerint [3] jelenleg a közúti szállításhoz és forgalmi te-
MHz, illetve -10 dBW/100 kHz teljesítménysûrûség-kor-          lematikához használt rendszerek mûködhetnek. Az elô-
láttal. A megengedett maximális kisugárzott teljesítmény       írt teljesítménykorlát 2 W (EIRP) [6], illetve bizonyos meg-
100 mW (EIRP) az ETSI/CEPT/ERC elôírások szerint [3].          kötések esetén 8 W (EIRP) [6]. A csatornaosztás 5, 10

12                                                                                                   LX. ÉVFOLYAM 2005/8
                                                                         Az IEEE 802.16 szabvány fizikai rétege


és 20 MHz-es lehet. Az 5,805-5,815 GHz sáv haszná-          egyik ilyen kérdés például a mobilitás kezelése, amely
latához a nemzeti hatóságok által kiadott külön enge-       azonban nem tartozik az IEEE 802.16-2004 szabvány-
dély szükséges. A sáv harmonizálása jelenleg folyamat-      hoz, ezért vizsgálatát mellôzzük.
ban van, és kívánatos is, mivel számos WiMAX eszköz             A WiMAX szabvány lehetôvé teszi a 2,1, a 2,3, a 2,5
készül erre a frekvenciatartományra.                        és a 2,6 GHz-es frekvenciasávban történô kommuniká-
    Az 5,8 GHz-es (5,725-5,85 GHz) engedélymentes           ciót is, azonban ezek a frekvenciasávok a szélessávú
sáv magyar viszonylatban is megemlítendô, de meg kell       adatátvitelre csak Európán kívül (például az Amerikai
jegyezni, hogy ebben a sávban mûködnek nem polgá-           Egyesült Államokban és Kanadában) használhatók. A
ri alkalmazások is. Az 5,795-5,815 GHz sávban közúti        WiMAX szabvány által ajánlott 2,1 GHz-es sáv a magyar
közlekedési telematikai (RTTT) rendszerek közút-jármû       szabályozás szerint nem használható. A 2,11-2,17 GHz-
összeköttetései mûködhetnek. Az RTTT összekötteté-          es sáv állandóhelyû és a mozgószolgálat keretében
sek és digitális szórt spektrumú pont-pont rendszerek       szolgáltatás célú IMT-2000/UMTS földfelszíni rendsze-
harmadlagos jelleggel üzemelhetnek. Az utóbbi rend-         rek részére jelölhetô ki FDD (frekvenciaosztásos dup-
szerek esetében a minimális elôírt jelfeldolgozási nye-     lex) downlink átvitelhez. A 2,3 GHz-es (2,3-2,4 GHz)
reség (processing gain) 10 dB. Amennyiben az átviteli       sáv mozgó és állandóhelyû szolgálatok részére van ki-
rendszerrel áthidalt távolság nagyobb, mint 30 km, úgy      jelölve. Másodlagos jelleggel az amatôrszolgálat állo-
a maximálisan sugározható teljesítmény 21 dBW (EIRP).       másai használhatják. Ugyancsak másodlagos jelleggel
30 km-nél kisebb távolság esetén a maximális kisugár-       nem polgári célú rádiólokátorok üzemelnek várhatóan
zott teljesítmény (6+0,5L) dBW, ahol L az áthidalt távol-   2008-ig. Új frekvenciakijelölésre, illetve berendezés-be-
ságot jelenti km-ben. A katonai alkalmazás és a pont-       szerzésre nem kerülhet sor. A 2,5 GHz-es és 2,6 GHz-
pont átvitel megkötése miatt a sáv jelenleg még nem         es sáv (2,5-2,69 GHz) sáv elsôdleges jelleggel mozgó-
használható.                                                szolgálatokhoz van kijelölve, a frekvenciasáv az IMT-
                                                            2000/UMTS rendszerek számára tervezett. Az eddigiek
2.2. Engedélyköteles frekvenciasávok                        alapján tehát a WiMAX rendszerekhez ezek a frekven-
                                                            ciasávok nem használhatók a magyar szabályozás sze-
    Az WiMAX rendszerek által használt engedélyköte-        rint sem.
les frekvenciasávok európai szabályozása kiforrottabb,          A WiMAX rendszerek számára Európában használ-
mint a szabad sávoké, bár itt is találhatók még nyitott     ható frekvenciák a 3,41-4,2 GHz sávon belül helyez-
kérdések, amelyek a jövôben megoldásra várnak. Az           kednek el. Ez a tartomány több részre osztható, a 3,41-

                                  1. táblázat Lehetséges WiMAX frekvenciasávok




LX. ÉVFOLYAM 2005/8                                                                                               13
HÍRADÁSTECHNIKA


3,6 GHz, a 3,6-3,8 GHz és a 3,8-4,2 GHz sáv külön           szerek mûködését a 3,41-3,494 GHz-es és a 3,51-3,594
szabályozás alá esik. Az engedélyköteles frekvencia-        GHz-es frekvenciasávokban. Ebben a sávban cellás ki-
sávot használó WiMAX eszközök számára Európában             alakítású rendszerek telepítése kívánatos. A hatóság
alapvetôen a 3,41-3,6 GHz-es tartomány van kijelölve.       döntése szerint frekvenciaelosztás módja: árverés (amely
A CEPT ajánlása szerint a sáv elsôdlegesen fix helyû        2001-ben megtörtént). Frekvenciakijelölés ebben a sáv-
és fix-mûholdas rádiószolgálatokra használható. A pont-     ban csak frekvenciahasználati jogosultsággal rendel-
pont és a pont-többpont összeköttetések különbözô           kezô részére adható. A végfelhasználói állomást az
kombinációinak engedélyezése a nemzeti hatóságok            egyedi engedélyezési kötelezettség alól mentesítették.
jogkörébe tartozik. Cellás pont-többpont rendszerek üze-        A 3,494-3,51 GHz-es és a 3,6-3,8 GHz-es sávok az
meltetése esetén kívánatos a folytonos spektrumkihasz-      elôbbinek megfelelô jellegû felhasználási szabályozá-
nálás. A sávban 250 kHz-es sávosztást kell alkalmazni.      sát a hírközlési hatóság egyelôre tervezi. A 3,8-4,2 GHz-
A 3,41-3,5 GHz és 3,5-3,6 GHz tartományban 50 MHz-          es sávban pont-pont közötti digitális és analóg rádió-
es duplex frekvenciatávolsággal üzemeltethetôk pont-        összeköttetések részére jelölhetô ki frekvencia. Analóg
többpont rendszerek, valamint pont-pont összekötteté-       rádió-összeköttetésekben újabb berendezésekkel léte-
sek 1,75 MHz, 3,5 MHz, 7 MHz és 14 MHz csatornaosz-         sített állomás részére nem jelölhetô ki frekvencia. Az
tással.                                                     NHH-nak (Nemzeti Hírközlési Hatóság) a 3,5 GHz-es sá-
    Ugyanezek a szabályok vonatkoznak a 100 MHz frek-       vot használó FWA rendszerekre vonatkozó további elô-
venciatávolsággal mûködô duplex rendszerekre is [7].        írásai az ETSI és CEPT rendelkezésekkel megegyez-
Az ETSI ebben a tartományban frekvenciaduplex (FDD)         nek.
és idôduplex (TDD) rendszerek mûködését is engedé-              Az IEEE 802.16-2004 szabvány lehetôvé teszi a
lyezi. Alapvetô hozzáférési módként a szabvány idô-         10-10,68 GHz-es engedélyköteles frekvenciasávok hasz-
osztásos többszörös hozzáférést (TDMA) ír elô, ame-         nálatát is. Az európai szabályozásban errôl az ETSI és
lyet ki lehet egészíteni más technikákkal is, például or-   a CEPT is rendelkezik [8,10]. A CEPT a 10,15-10,3 GHz,
togonális frekvenciaosztásos frekvenciaosztásos több-       10,5-10,65 GHz frekvenciasáv párt kijelölte fix telepíté-
szörös hozzáféréssel. Az elôírás szerint ebben a frek-      sû pont-többpont rendszerek számára, illetôleg meg-
venciatartományban fix telepítésû földfelszíni pont-több-   szûntette a korábbi 10,5-10,68 GHz-es mobilszolgála-
pont rádiórendszerek üzemeltethetôk. A CEPT ajánlás-        tot. Az ETSI rendelkezései errôl a (10,5 GHz-es) frek-
sal megegyezôen a duplex frekvenciatávolság 50 és           venciasávról néhány kivétellel megegyeznek a 3,5 GHz-
100 MHz lehet.                                              es elôírásokkal [8]. A sávban Magyarországon jelenleg
    Az elôírt pont-többpont rendszereknél a csatorna-       elsôdleges jelleggel rádiólokátorok, ezen kívül rádió- és
osztásra vonatkozó szabályok szigorúbbak, a követke-        televízió-híranyag és mûsor-átviteli célú rádió-összeköt-
zô csatornaszélességek lehetségesek: 1,75 MHz, 2            tetések, ûrkutatási, mûholdas Földkutatási, valamint ál-
MHz, 3,5 MHz, 7 MHz, 14 MHz, 28 MHz és 30 MHz. A            landóhelyû és a mozgószolgálatok részére jelölhetô ki
kisugárzott teljesítmény nem lépheti túl a 35 dBm érté-     frekvencia.
ket (kb. 3 W), a teljesítményszint szabályozás nem kö-
telezô elôírás. A szabvány – alkalmazási lehetôségként
– hang, fax, adat, ISDN, digitális audio és video átvi-     3. Rendszerprofilok
teleket említ [8].
    Az ETSI a 3,5 GHz-es sáv mellett definiál egy 3,7       A WiMAX rendszer alkalmazási területét alapvetôen két
GHz-es frekvenciasávot is a 3,6-3,8 GHz tartományra.        részre oszthatjuk. Ezek közül az egyik a külvárosi és vi-
Ennek a sávnak az elôírásai teljesen megegyeznek a          déki területek szélessávú vezeték nélküli szolgáltatás-
3,5 GHz-es sáv elôírásaival [8]. Az ETSI mellett a CEPT     sal való ellátása. Az ilyen területek viszonyaira jellemzô,
is rendelkezik errôl a frekvencia tartományról, igaz szé-   hogy viszonylag kevés a terepakadály. Figyelembe vé-
lesebb sávban: 3,6 GHz-tôl 4,2 GHz-ig. Az elôírásnak        ve a rendszer üzemi frekvenciáját, a távolságokat és
megfelelôen a sáv elsôdlegesen fix helyû és fix-mûhol-      ehhez kapcsolódóan a létrejövô csillapítást, a terjedé-
das rádiószolgálatokra használható. Mind a pont-pont,       si viszonyok tekintetében az egyutas esetleg a kétutas
mind a pont-többpont rendszerek engedélyezettek. Cel-       modell használható. Ilyen esetben, bár a különbség
lás pont-többpont rendszerek üzemeltetésénél kívána-        nem jelentôs, az átviteli kapacitás tekintetében elôny-
tos a folytonos spektrumkihasználás. A 3,6-4,2 GHz          ben vannak az egyvivôs szórt spektrumú rendszerek a
tartományban az egyik lehetôségként 30 (és 15) vagy         többvivôs megoldásokhoz képest.
40 (és 20) MHz-es csatornákat kell használni 320 MHz-           A WiMAX másik alkalmazási területe a belvárosi és
es duplex távolsággal. A másik megoldás szerint a 3,6-      nagyvárosi területek szélessávú lefedettségének bizto-
3,8 GHz tartományban a 3,4-3,6 GHz-re vonatkozó             sítása. A sûrûn lakott városi környezetben a rádiójel
CEPT elôírás érvényes, a 3,8-4,2 GHz-es tartományban        számos akadályba ütközik, reflektálódik, ezért ebben
pedig 29 MHz-es csatornákat kell használni 213 MHz-es       az esetben a jelterjedés leírásához a többutas terjedé-
duplex távolsággal [9].                                     si modell használható. Az ilyenkor létrejövô fadingek
    A WiMAX hálózatok szempontjából a legfontosabb,         hatását ellensúlyozandó a többvivôs technikát alkalma-
hogy a magyar szabályozás engedélyezi az állandó he-        zása célszerû, mivel ezek a rendszerek ekkor jobban
lyû digitális pont-többpont szélessávú hozzáférési rend-    teljesítenek. A WiMAX szabvány által elôírt többvivôs

14                                                                                               LX. ÉVFOLYAM 2005/8
                                                                             Az IEEE 802.16 szabvány fizikai rétege


technológia az OFDM, azaz az ortogonális frekvencia-                Az egyvivôs SCa és a többvivôs OFDMA rendsze-
osztásos multiplexálás.                                         reknél a szabvány teljesítményosztály profilokat is defi-
     Az említett feltételeknek megfelelôen az IEEE 802.16-      niál. Az elôírásnak megfelelôen mindkét esetben négy
2004 szabvány nem egy adott mûködési módot defi-                teljesítményosztály kezelése szükséges. A teljesítmény-
niál, hanem különbözô rendszerprofilokat határoz meg.           osztályok 17 dBm-tôl kezdôdôen vannak kialakítva, és
A WiMAX eszközök gyártói ezeket a rendszerprofilokat,           határaik 20 dBm, 23 dBm és 30 dBm-nél vannak meg-
illetve ezek különbözô kombinációit valósíthatják meg           állapítva.
az általuk gyártott berendezésekben. Fontos megemlí-                Ahogyan korábban is említettük, léteznek RF profi-
teni, hogy a szabvány a WiMAX rendszerek fizikai és             lok. Ezeket a szabvány az egyvivôs SC kivételével min-
MAC rétegét írja le, és ennek megfelelôen a profilfel-          den rendszerprofilnál definiálja. Az RF profilok minden
osztás mindkét rétegre jellemzô. A két profilhalmaz kö-         esetben azt határozzák meg, hogy hogyan kell az adott
zül elôször a teljesség igénye nélkül a MAC profilokat          tartományban a vivôfrekvenciákat elhelyezni.
mutatjuk be, mellyel az a célunk, hogy röviden felvázol-            A MAC, RF és teljesítményosztály profilok rövid átte-
juk, hogy ezek a profilok mivel egészítik ki a fizikai ré-      kintése után áttérünk a fizikai rétegbeli profilok tárgya-
tegbeli profilok szolgáltatásait. Egyes fizikai és MAC          lására. Elsôként az egyvivôs esetekkel foglalkozunk,
profilokhoz tartozik RF, sôt némelyiknél teljesítmény-          amelyeket csak kevésbé részletesen vizsgálunk, mivel
osztály profil is, amelyekrôl ugyancsak röviden szólunk         ezek a jelenlegi gyakorlati alkalmazás szempontjából
[2].                                                            kisebb jelentôséggel bírnak.

3.1. MAC, RF és teljesítményosztály profilok                    3.2. Fizikai rétegbeli profilok

     A MAC réteg profilokat alapvetôen két csoportra                3.2.1. WirelessMAN-SC
bonthatjuk attól függôen, hogy egyvivôs vagy többvi-                A WirelessMAN-SC fizikai réteg profil a 10-66 GHz
vôs rendszerhez használják azokat. Az egyvivôs rend-            közötti frekvencián mûködô rendszereket írja le. A ru-
szerekben (WirelessMAN-SC, WirelessMAN-SCa és Wi-               galmas spektrumkihasználás érdekében a szabvány
relessHUMAN(-SCa)) két MAC profil létezik, az alap cso-         támogatja a TDD és FDD duplexálási módokat. Mindkét
mag és az alap ATM profil.                                      esetben olyan adaptív burstformálási eljárást használ-
     SC esetben az alap csomag az elôírt feladatok, il-         nak, melynél keretrôl keretre lehet változtatni az átvite-
letve képességek közé tartoznak például a csomagtör-            li paramétereket (modulációs és kódolási sémák). FDD
delés, az IPv4 támogatás vagy a QoS osztályok (non-             esetben támogatják az elôfizetôi állomások esetleges
real time polling, best effort) támogatása. Az ATM pro-         félduplex képességét. Az uplink fizikai csatorna TDMA
filnál ezek a funkciók kiegészülnek például a virtuális         hozzáférésen alapul. A különbözô célokra (például re-
áramkörök kezelésével, az ATM fejléctömörítéssel és             gisztráció, felhasználói adatforgalom stb.) felhasznált
az ATM cellák és a protokoll adategységek megfelelô             idôrések kiosztását a bázisállomás szabályozza. A down-
összerendelésével és tördelésével. Az SCa rendszerek-           link csatornában idôosztásos multiplexálást (TDM) hasz-
nél – amelyek ugyancsak egyvivôsek, mûködésüket                 nálnak. A csatorna magában foglal egy átviteli konver-
azonban az NLOS környezethez is igazították – az ed-            gencia alréteget, amelyben randomizációt, hibajavító
dig említettekhez képest további funkciókat építettek           kódolást (Reed-Solomon kódolás/blokk turbo kódolás,
be mind az alap csomag, mind az alap ATM profilok-              blokk konvolúciós kódolás/paritásellenôrzés) hajtanak
hoz. Ezek közül a megnövelt hibakezelési képességet             végre és szimbólumokat alakítanak ki a QPSK, 16-QAM
és az automatikus újraadás kérést (ARQ) kell megemlí-           vagy a 64-QAM modulációkhoz. Az uplink csatornában,
teni.                                                           amely TDMA burst átvitelt valósít meg, a downlinkhez
     Többvivôs esetekben (WirelessMAN-OFDM, Wireless-           hasonló mûveleteket végeznek. Downlink esetben a
HUMAN(-OFDM), WirelessMAN-OFDMA és WirelessHU-                  64-QAM, uplink esetben pedig a 16-QAM és a 64-QAM
MAN(-OFDMA)) más felosztás van érvényben. Itt pont-             opcionálisak.
többpont (PMP) és Mesh profilok léteznek. A PMP pro-                A csatornaszélesség (20, 25, 28 MHz) függvényé-
filt pont-többpont összeköttetésû rendszerekben hasz-           ben a szimbólumsebesség 16-224 MBaud között, a bit-
nálják, a Mesh profilt pedig olyan rendszerekben, ahol          sebesség pedig a modulációtól is függôen 32-134 kö-
az elôfizetôi eszközök nem csak a bázisállomáson ke-            zött változhat. A megengedett bithiba arányt (10-3-os
resztül kapcsolódhatnak a hálózathoz, hanem közvet-             és 10-6-os) a moduláció és a szimbólumsebesség alap-
lenül egymással is kommunikálhatnak. OFDM rendsze-              ján definiálják. A különbözô modulációkhoz definiálják
reknél a PMP profil szerint elôírt az IPv4 és a QoS osz-        a megengedett konstellációs hibavektor (EVM) nagy-
tályok (non-real time polling, best effort), valamint a frek-   ságot is.
vencia engedélyhez nem kötött sávokban a DFS támo-                  A kimenô teljesítménysûrûség a bázisállomás ese-
gatása. A Mesh profilban a PMP-hez képest lényeges              tében nem haladhatja meg a +28,5 dBmi/MHz (EIRP),
különbség, hogy az ARQ támogatása itt elôírás, a QoS            az elôfizetôi terminálnál pedig a +39,5 dBmi/MHz (EIRP)-
osztályok közül azonban csak a best effortot írja elô a         t. A teljesítményszabályozásnak legalább 40 dB-es kor-
szabvány. OFDMA rendszereknél a két említett profil kö-         rekciót kell tudnia végrehajtani legfeljebb 20 dB/s se-
zül csak a PMP használható.                                     bességgel.

LX. ÉVFOLYAM 2005/8                                                                                                    15
HÍRADÁSTECHNIKA

    3.2.2. WirelessMAN-SCa                                    mûködésre tervezett rendszer jól teljesít NLOS terjedé-
    A WirelessMAN-SCa fizikai réteget 11 GHz alatti frek-     si viszonyok esetén. A WirelessMAN-OFDM rendszer-
venciasávokra tervezték NLOS átvitelekhez. Ennek meg-         profil a már említett MAC, RF és teljesítményosztály
felelôen számos ponton különbözik az SC megoldás-             profilból, a duplexálási technikából, és a most bemuta-
tól. Olyan keretstruktúrákat használ, amelyek lehetôvé        tásra kerülô fizikai réteg profilból áll.
teszik a jobb csatornabecslést és -kiegyenlítést megnö-           Az OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiple-
vekedett késleltetésû, illetve NLOS esetekben. A hiba-        xing) moduláció alkalmazásakor OFDM szimbólumokat
javításhoz az SC megoldáshoz hasonlóan Reed-Solo-             visznek át a rádiócsatornán, melyeket IFFT transzfor-
mon kódokat, de alkalmazzák a TCM-et (trellis kódolt          mációval hoznak létre. A szimbólum kialakításakor (Ts a
moduláció), és a kódolási láncba opcionálisan egy in-         teljes szimbólum ideje) az IFFT végrehajtása elôtt még
terleaving blokk is beépíthetô.                               az idôtartományban létrehoznak egy redundáns részt.
    A turbo kódolásnál a szabvány két lehetôséget is          A hasznos jel (Tb idô) végének egy meghatározott nagy-
felajánl, választható a BTC (blokk turbo kódolás) és a        ságú részét (Tg ) a szimbólum elejére másolják. Ez a
konvolúciós turbo kódolás (CTC). A Reed-Solomon kó-           rész a ciklikus prefix (CP). A CP nagysága a szabvány
dolásnál és a turbo kódolásoknál többféle kódarány is         szerint a hasznos szimbólumidô 1/4, 1/8, 1/16 vagy 1/32-
választható és kombinálható. A szabvány lehetôséget           ed része lehet. A megoldás célja, hogy a szimbólumkö-
biztosít arra is, hogy a hibajavító kódolások helyett az      zi áthallás (ISI) hatását csökkentse. Nagyobb méretû
automatikus újraküldés kérést (ARQ) válasszuk. A mo-          CP alkalmazása jobb ISI-védelmet jelent, a nettó adat-
dulációk közül a BPSK, a spread BPSK (BPSK spekt-             sebesség azonban kisebb lesz. Ezen kívül az Eb/N0
rumszórással), a QPSK, a 16-QAM kötelezô, a 64-QAM            arány 10lg(1–Tg/(Tb+Tg)) dB csökkenésével kell szá-
pedig opcionális.                                             molni.
    A duplexálás tekintetében az SC mûködéshez ha-                Az idôtartománybeli szimbólumkialakítás után 256
sonlóan a TDD és FDD módok is támogatottak, FDD-              pontos IFFT transzformációt hajtanak végre, így 256
nél itt is figyelembe veszik az elôfizetôi terminál esetle-   alvivô jön létre a frekvenciatartományban. Az alvivôk
ges félduplex képességét. Az SC-hez képest továbblé-          közül 200-at használnak, az alsó 28 (-128, ..., -101) és
pést jelent, hogy az SCa megoldásnál az adaptív an-           a felsô 27 (101, ..., 127) vivô az alsó és felsô védôsáv-
tenna rendszerek (AAS) is támogatottak.                       hoz tartozik, és a DC alvivôt sem használják. Nyolc al-
    A szimbólumsebességet a csatorna sávszélesség             vivôt (88, -63, -38, -13, 13, 38, 63, 88) a pilotjelek átvi-
függvényében határozzák meg. A három profilhoz há-            telére használnak, ami különbözô csatornabecslési cé-
rom tartományt definiálnak, melyek között az 1,5 és a         lokhoz szükséges. A 192 vivô közül nem mindegyiket
20 MBaud értékek jelentik a határokat. A megengedett          kötelezô felhasználni adatátvitelre. Az alvivôk közötti
bithiba arányt (10-3-os és 10-6-os) a moduláció és a szim-    távolságot és a hasznos szimbólumidôt a névleges sáv-
bólumsebesség alapján határozzák meg. Az SC eseté-            szélességgel és a felhasznált alvivôk számával együtt
hez hasonlóan a különbözô modulációkhoz definiálják           mintavételi faktor (n) határozza meg. Amennyiben a
a megengedett konstellációs hibavektor (EVM) nagy-            sávszélesség 1,75 MHz, 1,5 MHz, 1,25 MHz, 2,75 MHz,
ságot, sôt az adó minimális jel-zaj viszony értékét is meg-   2 MHz többszöröse, úgy az n értéke rendre 8/7, 86/75,
szabják, melynek legalább 40 dB-nek kell lennie. Az           144/125, 316/275, 57/50. Egyéb esetekben a minta-
adóteljesítmény szabályozásának az elôfizetôi eszköz          vételi faktor értéke 8/7.
esetében legalább 30 dB-es, a bázisállomás esetében               A WirelessMAN-OFDM fizikai réteg csatornakódolá-
legalább 20 dB-es korrekciót kell tudnia végrehajtani 1       sa három blokkból áll: randomizációból, hibajavító kó-
dB-es lépésközökkel.                                          dolásból és interleavingbôl (a vételi oldalon fordított
    Az SCa (az SC megoldással ellentétben) kiegészít-         sorrendben). A randomizációnál a hasznos adatjel és
hetô a WirelessHUMAN profillal. Ez a kiegészítés az 5         egy álvéletlen bitsorozat (PRBS) XOR kapcsolatát kép-
GHz-es frekvencia engedélyhez nem kötött sávokban             zik. A használt PRBS generátor az 1. ábrán látható.
történô mûködéshez tartalmaz elôírásokat. Az elôírá-
sok a vivôfrekvenciák elhelyezésére és a spektrumalak-                                          1. ábra PRBS generátor
ra vonatkoznak. Mivel a WirelessHU-
MAN(-SCa) engedélymentes sávban
történô mûködést ír elô, ezért ott a
TDD duplexálási mód és a dinamikus
frekvenciaválasztás alkalmazása kö-
telezô.

   3.2.3. WirelessMAN-OFDM
   A jelenlegi gyakorlati alkalmazás
szempontjából a legfontosabbak a
WirelessMAN-OFDM fizikai réteg. Az
OFDM modulációnak köszönhetôen a
11 GHz alatti frekvenciatartománybeli

16                                                                                                  LX. ÉVFOLYAM 2005/8
                                                                         Az IEEE 802.16 szabvány fizikai rétege


    A generátor inicializálása a keretek kezdetekor fon-    QAM modulációt hajtanak végre. Az frekvenciaenge-
tos mûvelet, ezt a szabvány pontosan definiálja külön-      délyhez nem kötött sávokban a 64-QAM moduláció op-
külön az uplink és downlink esetekre.                       cionális. A szabvány szerint downlink irányban a per-al-
    A hibajavító kódolást (FEC) végrehajtó blokkban egy     location adaptív moduláció támogatása szükséges, míg
külsô Reed-Solomon kódoló és egy változtatható se-          uplink irányban elôfizetôi terminálonként külön-külön tá-
bességû belsô konvolúciós kódoló található. Opcioná-        mogatni kell a különbözô modulációs sémákat a bázis-
lisan a szabvány engedélyezi a blokk turbo kódolást         állomástól érkezô MAC burst konfigurációs üzenetek-
(BTC) és a konvolúciós turbo kódolást (CTC) is. A Re-       nek megfelelôen. A pilot alvivô modulációja egy PRBS
ed-Solomon kódoló szisztematikus RS (N=255, K=239,          generátor bitsorozatának megfelelôen történik. A ge-
T=8) kódot használ GF(28) Galois-mezô felett, ahol N        nerátor polinom ebben az esetben: x11+x9+1.
és K a be- és kimenô adatbyte-ok számát, T pedig a ja-          Az elôzô fizikai réteg típusokhoz hasonlóan a lehet-
vítható adatbyte-ok számát jelöli. A kódgenerátor és        séges duplexálási megoldások itt is definiálva vannak.
mezôgenerátor polinomok a következôk:                       Az engedélyhez kötött sávokban a szabvány vagy FDD,
                                                            vagy TDD duplexálási megoldást ír elô. Az SS-ek ese-
                                                            tében az FDD-nél lehetséges félduplex mûködés is. A
                                                            szabad sávokban a duplexálási technikaként csak a
   Az RS blokkokat ezután egy bináris konvolúciós kó-       TDD módot lehet használni. Minden egyes TDD keret-
dolóra vezetik, amelynek a kódaránya 1/2, kódhossza         ben a TTG és az RTG védôidôket illesztenek be a down-
(constraint length) 7, generátor polinomjai pedig az a-     link és az uplink alkeretek közé, illetve minden egyes
lábbiak:                                                    frame végére.
                       G = 171
                        1      OCT
                                                                A szabvány lehetôséget nyújt adódiversity kialakítá-
                      G2 = 133OCT
                                                            sához, és (opcióként) tér-idô kódolásos (STC) diversity
    A konvolúciós kódoló bitelhagyási (puncturing) sé-      megoldást tartalmaz. Ebben a sémában egy olyan több
máit és a két kimenet sorba rendezését a szabvány           bemenetû egy kimenetû (MISO) rendszert ír le, amely-
úgy definiálja, hogy a kívánt teljes kódarányok megfe-      ben a bázisállomás két adóantennával, az elôfizetôi
lelôen elôálljanak. Ezek a teljes kódarányok moduláció      terminál pedig egy vevôantennával rendelkezik. Adóol-
típusától függôen (BPSK – 64-QAM) 1/2, 2/3, 3/4 érté-       dalon az STC kódolót az IFFT blokk elé helyezik, a ve-
keket vehetnek fel.                                         vôoldalon az STC dekóder az FFT blokk után kap he-
    Az opcionális BTC kód két egyszerû komponens            lyet.
kód kétdimenziós, mátrixos formában történô felhasz-            A megfelelô átvitel biztosításához az eddig említett
nálásából áll, melyek vagy bináris kiterjesztett Hamming    technikákon kívül szükséges a rádiócsatorna mérése is.
kódok, vagy paritás ellenôrzô kódok. A kódarányok a         Az RSSI (vételi jelerôsség) és a CINR (vivô-interferen-
moduláció függvényében (QPSK – 64-QAM) 1/2, 3/4,            cia-zaj viszony) mérések és a hozzájuk kapcsolódó sta-
3/5, 4/5, 2/3 és 5/6 értékeket vehetnek fel, és így a       tisztikák segítik az olyan folyamatokat, mint az adaptív
spektrális hatékonyság 1 és 5 bit/s/Hz között változhat.    burstprofil választás (az adaptív modulációhoz). A szab-
    Az opcionális CTC kódoló egy dupla bináris cirkulá-     vány ezért kötelezôen elôírja az RSSI és CINR mérésé-
ris szisztematikus kódolót és egy belsô interleavert tar-   nek és a statisztikák vezetésének (átlagérték, szórás)
talmaz. A kódarányok a moduláció függvényében (QPSK         implementációját. Az RSSI mérése az OFDM dowlink
– 64-QAM) 1/2, 2/3, 3/4 értékeket vehetnek fel. A szab-     burst-ök bevezetôjeleinek (preamble) alapján történik,
vány definiálja továbbá a CTC interleavert és cirkuláci-    és nem igényli a demoduláció felfüggesztését. Az RSSI
ós állapotokat, valamint a bitelhagyási sémákat.            mérése a -40 dBm – -123 dBm tartományban mûködik
    A hibajavító kódolásnál az utolsó kötelezô elem az      1 dB-es lépésekben. A mérés relatív pontossága 2 dB,
interleaver, melynek blokkmérete a kódolt bitek és az       az abszolút pontossága pedig 4 dB. A CINR mérése
OFDM szimbólumonként kiosztott csatornák számának           implementáció specifikus, de a mérés során minden
(Nbcps) függvénye. Az interleaving ebben az esetben         esetben fel kell függeszteni a demodulációt. Az CINR
tulajdonképpen két lépésben végrehajtott permutáció.        mérése a -10 dB – 53 dBm tartományban lehetséges
Az elsô lépés biztosítja, hogy a szomszédos bitek nem       1 dB-es lépésközökkel. A mérés relatív pontossága 1
kerülnek szomszédos alcsatornákra. A második lépés          dB, az abszolút pontossága pedig 2 dB.
azért felelôs, hogy a szomszédos kódolt bitek váltakoz-         A rendszerkövetelményekkel kapcsolatban a szab-
va kerüljenek a konstelláció szignifikánsabb vagy ke-       vány külön tárgyalja az adó- és a vevôoldal elôírásait.
vésbé szignifikánsabb bithelyeire, és így hosszú kevés-     Az adóoldali követelmények közül elôször a teljesít-
sé megbízható bitsorozatok ne jöhessenek létre. Az el-      ményszabályozást kell megemlíteni. Egy alcsatorna fe-
sô permutációnál egy 12 x (Nbcps/12) méretû blokk jön       losztást nem támogató elôfizetôi esetében az adónak
létre, amelyen a második permutáció még egy sorrend-        minimum 30 dB egyenletes teljesítményszint szabályo-
cserét hajt végre. Egy blokk mérete így az alcsatornák      zást kell biztosítania. Egy alcsatorna felosztást is támo-
számától és a modulációtól függôen 12-tôl 1152-ig vál-      gató elôfizetôi terminálnál ez az érték 50 dB. A lépés-
tozhat.                                                     köz minimális értéke az elôírás szerint 1 dB, míg a pon-
    A csatornakódolás után a bitsorozat a modulátorra       tosság a 30 dB értéket meg nem haladó lépésközök
kerül, ahol BPSK, Gray-kódolt QPSK, 16.QAM vagy 64-         esetében ±1,5 dB, a 30 dB-nél nagyobb lépésközöknél

LX. ÉVFOLYAM 2005/8                                                                                                17
HÍRADÁSTECHNIKA


±3 dB. A bázisállomás esetében az adónak minimum                  ahol az SNRRx értékek a modulációnak és a kódo-
10 dB egyenletes teljesítményszint szabályozást kell biz-    lásnak megfelelôen rendre a következôk: BPSK(1/2):
tosítania. A szabvány az OFDM jel spektrumának sima-         6,4 dB; QPSK(1/2): 9,4 dB; QPSK(3/4): 11,2 dB; 16-
ságára is tesz elôírást: a -50 – -1 és 1–50 alvivô tarto-    QAM(1/2): 16,4 dB;
mányokban a 200 alvivôre vetített átlag alapján az el-            16-QAM(3/4): 18,2 dB; 64-QAM(2/3): 22,7 dB; 64-
térés ±2 dB lehet, míg a -100 – -50 és 50–100 alvivô         QAM(3/4): 24,4 dB. Az Fs a mintavételi frekvencia MHz-
tartományokban ez az eltérés +2 – -4 értéket vehet fel.      ben, Nused a használt alvivôk száma, NFFT a az FFT
Az adó konstellációs hibájára ugyancsak megkötések           (illetôleg IFFT) transzformáció pontszáma, Nsubchannels
vannak a moduláció és a kódolási arány függvényében.         pedig az alcsatornák száma. Emellett a szomszédcsa-
Ez az érték -13 dB-tôl -31 dB-ig változhat a BPSK(1/2)       tornás interferencia C/I értéke 16-QAM(3/4) moduláció
– 64QAM(3/4) feltételeknek megfelelôen. Végül a vivô-        esetén -11 dB, 64-QAM(3/4) moduláció esetén -4 dB.
frekvenciákkal kapcsolatban meg kell még említeni, hogy      A nem szomszédos csatornás elnyomás értéke ilyen fel-
a lehetséges sávszélesség értékeknek a szabályozás           tételek mellett -30 dB, illetve -23 dB. A legnagyobb még
szerint elôírt sávszélességgel (ez az európai és a ma-       dekódolható jel teljesítménye -30 dB, és a vevôbe ér-
gyar szabályozás szerint 14 MHz) vagy annak 2 hatvá-         kezô fizikai károsodást még nem okozó jel szintje 0 dB.
nyai szerinti tört részével (1/2, 1/4 stb.) kell megegyez-        Az elôírt feltételek mellett számos fizikai Wire-
ni, és minimális értékük 1,25 MHz lehet. A MHz-ben vett      lessMAN-OFDM és WirelessHUMAN(-OFDM) profil ala-
tört frekvenciaérték esetén a 250 kHz legközelebbi           kítható ki. A lehetséges profilokat a 2. táblázat foglalja
többszörösére kell lefelé kerekíteni. Attól függôen, hogy    össze. A táblázat tartalmazza a MAC rétegbeli profilo-
ez páratlan vagy páros többszörös-e, a vivôfrekvenci-        kat is, amelyekkel az OFDM technológiát használó fizi-
ákra további megkötések vannak.                              kai rétegbeli profilok együttmûködnek. A felsoroltakon
    A vevôoldali követelmények közül az egyik legfonto-      kívül az egyes profilok még abban különböznek egy-
sabb a paraméter a vevôérzékenység. Ennek tekinte-           mástól, hogy a különbözô modulációknál a 10-6 BER
tében a 10-6-nál kisebb BER biztosításához legalább          értékhez milyen jelszint tartozik.
az alábbi érték teljesítése szükséges:
                                                                 3.2.4. WirelessMAN-OFDMA
                                                                 A WirelessMAN-OFDM mellett nagy jelentôséggel
                                                             bír még WirelessMAN-OFDMA fizikai réteg. A jelenlegi

                         2. táblázat WirelessMAN-OFDM és WirelessHUMAN (-OFDM) profilok




18                                                                                               LX. ÉVFOLYAM 2005/8
                                                                          Az IEEE 802.16 szabvány fizikai rétege


WiMAX eszközöknél ez technológia még nincs imple-            nákra – melyeket logikai alcsatornáknak neveznek –, a
mentálva, a gyártók legkorábban 2005 harmadik ne-            rendszer így biztosítani tudja a skálázhatóság, a több-
gyedévére ígérik. Ezt a fizikai réteget a 11 GHz alatti      szörös hozzáférés és az összetett antennák kezelésé-
frekvenciatartománybeli mûködésre tervezték úgy, hogy        nek képességét. Az alvivôk közötti távolságot és a
jól teljesítsen NLOS terjedési viszonyok esetén is (OFDM).   hasznos szimbólumidôt a névleges sávszélességgel és
A WirelessMAN-OFDMA rendszerprofil a már említett            a felhasznált alvivôk számával (Nused) együtt mintavéte-
MAC, RF és teljesítményosztály profilból és a fizikai ré-    li faktor (n) határozza meg. Az n értékét minden eset-
teg profilból áll.                                           ben 8/7-re határozták meg.
     Az OFDMA esetében a szimbólumkialakítás módja                Az OFDMA PHY esetében úgynevezett réseket (slot)
megegyezik az WirelessMAN-OFDM-nél tárgyalttal. A            definiálnak, melyeket idô és alcsatorna dimenzió is jel-
hasznos és redundáns részekre, valamint a CP-re vo-          lemez. Az OFDMA slot definíciója a szimbólumstruktúrá-
natkozó idôtartománybeli leírás szintén azonos. Az idô-      tól függ, amely eltérô uplinkre és downlinkre, részleges
tartománybeli szimbólumkialakítás után IFFT transzfor-       (PUSC, csak néhány alcsatorna hozzárendelése egy
mációt hajtanak végre, melynek pontszáma (NFFT) attól        adóhoz) és teljes (FUSC, minden alcsatorna hozzáren-
függ, hogy hány alvivôt (Nused) használnak. NFFT a szab-     delése az adóhoz) alcsatorna használat esetén, vala-
vány definíciója szerint 2-nek az a legkisebb hatványa,      mint elosztott és szomszédos alcsatorna permutációk
amely Nused értékétôl nagyobb.                               esetén. Downlink FUSC elosztott alcsatorna használat
     Nem mindegyik alvivôt használják adatátvitelre, van-    esetén egy slot egy alcsatornát jelent OFDMA szimbó-
nak közöttük a csatornabecsléshez használt pilot vi-         lumonként. Downlink PUSC elosztott alcsatorna hasz-
vôk, adatot nem forgalmazó (inaktív), a védôsávhoz tar-      nálat esetén egy slot egy alcsatornát két OFDMA szim-
tozó vivôk és a DC vivô. Az aktív alvivôket részhalma-       bólumonként jelent. Uplink PUSC elosztott alcsatorna
zokra bontják, amelyeket részcsatornának neveznek.           használat esetén egy slot egy alcsatornát három OFDMA
Downlink irányban a részcsatornákat különbözô vevôk-         szimbólumonként jelent. Szomszédos alcsatorna hasz-
höz (vagy vevô csoportokhoz) rendelik, uplink irányban       nálat esetén egy slot egy alcsatornát jelent OFDMA
pedig egy adóhoz csak egy vagy néhány alcsatornát            szimbólumonként uplinknél és downlinknél is. Az alcsa-
rendelnek, így több adó is tud mûködni egyidejûleg.          torna kiosztása teljes és részleges alcsatorna haszná-
Egy alcsatornát alkotó alvivôk nem feltétlenül szomszé-      lat esetén különbözôképpen történik. FUSC downlink
dosak. Az OFDM szimbólumokat is felosztják alcsator-         esetben elôször a pilot vivôket jelölik ki, majd a megma-

                        3. táblázat WirelessMAN-OFDMA és WirelessHUMAN (-OFDMA) profilok




LX. ÉVFOLYAM 2005/8                                                                                                19
HÍRADÁSTECHNIKA


radó vivôket csoportosítják alcsatornákba. PUSC down-         egy álvéletlen bitsorozat (PRBS) XOR kapcsolatát ké-
link és uplink esetben az alvivôket alcsatornákba cso-        pezik. A használt PRBS generátort jellemzô polinom:
portosítják, és minden egyes alcsatornába beilleszte-         x11+x9+1.
nek pilot vivôket is. Ennek következtében teljes alcsa-           A hibajavító kódolást (FEC) végrehajtó blokkban a
torna használatnál közös pilot halmazt használnak,            szabvány konvolúciós kódoló használatát írja elô. Op-
részleges alcsatorna használatnál pedig minden alcsa-         cionálisan a szabvány engedélyezi a blokk turbo kódo-
tornának saját pilot vivôi vannak. Az alcsatorna kiosz-       lást (BTC), a konvolúciós turbo kódolást (CTC) és a
tás leírásához a szabvány három fogalmat definiál. Az         nullvégû (zero tailed) konvolúciós kódolást is. A kódolá-
adatrégió egy kétdimenziós megjelölés, amely olyan foly-      si blokkméret a használt alcsatornák számától és a mo-
tonos alcsatornák egy csoportja, amelyeket egy folyto-        dulációtól függ. A kötelezôen elôírt konvolúciós kódoló-
nos OFDMA szimbólumcsoport tartalmaz. A szabvány              ra kódaránya 1/2, kódhossza (constraint length) 7, ge-
definiálja a szegmens fogalmát is, amely a hozzáférhe-        nerátor polinomjai pedig az alábbiak:
tô OFDMA alcsatonák halmazának egy részletét (lehet                                  G1 = 171OCT
az összes is) jelenti. A szegmens MAC mûveletek támo-                                G1 = 171OCT
gatásához is használható.                                         A konvolúciós kódoló bitelhagyási (puncturing) sé-
    A permutációs zóna olyan folytonos OFDMA szim-            máit és a két kimenet sorba rendezését a szabvány
bólumok halmazát jelenti (uplink és downlink esetben          úgy definiálja, hogy a kívánt teljes kódarányok megfe-
is), amelyek ugyanazt a permutációs formulát használ-         lelôen elôálljanak. Ezek a teljes kódarányok moduláció-
ják. Az uplink és downlink alkeretek tartalmazhatnak          típustól függôen (BPSK – 64-QAM) 1/2, 2/3, 3/4 érté-
több ilyen permutációs zónát is. Az alvivô kiosztásnál        keket vehetnek fel.
az itt definiált fogalmak közül elôször a downlink átvitel-       Az opcionális BTC kód két egyszerû komponens
nél találkozunk. Ebben az esetben ugyanis elôször egy         kód kétdimenziós, mátrixos formában történô felhasz-
bevezetôjel (preamble) átvitele történik, melynél az alvi-    nálásából áll, melyek vagy bináris kiterjesztett Hamming
vôket három szegmensre osztják. A preamble idôtarta-          kódok, vagy paritás ellenôrzô kódok. A kódarányok a
ma alatt álvéletlen adatsorozatokat visznek át, melyek        moduláció függvényében (QPSK – 64-QAM) 1/2, 3/4,
szegmensenként különböznek.                                   3/5, 4/5, 2/3 és 5/6 értékeket vehetnek fel.
    A bevezetôjel utáni adatszimbólumok továbbítása-              Az opcionális CTC kódoló egy dupla bináris cirkulá-
kor csatornakiosztás eltérô PUSC és FUSC esetekben.           ris szisztematikus kódolót és egy belsô interleavert
PUSC átvitelnél 2048 alvivôbôl 183-at, illetve 184-et         tartalmaz. A kódarányok a moduláció függvényében
használnak fel az alsó és felsô védôsávok kialakításá-        (QPSK – 64-QAM) 1/2, 2/3, 3/4 értékeket vehetnek fel.
hoz, 1 pedig a DC alvivô. A megmaradó 1680 vivôt 120          A szabvány definiálja továbbá a CTC interleavert és cir-
clusterre osztják fel, amelyek egyenként 14 vivôt tartal-     kulációs állapotokat, valamint a bitelhagyási sémákat.
maznak. Ezek használhatók a pilot- és adatjel átvite-         A CTC kódolót úgy tervezték, hogy támogassa a hibrid
lére.                                                         automatikus újraadás kérési mechanizmust (HARQ),
    A szabvány pontosan elôírja a lehetséges szeg-            melynek implementációja ugyancsak opcionális. HARQ
mens és permutációs zóna felosztásokat is. FUSC eset-         alkalmazása esetén a szabvány eltérô randomizációt
ben a 2048 vivôbôl 173-at, illetve 172-t használnak fel       definiál, az interleaving blokkot pedig kiveszi a rend-
az alsó és felsô védôsávok kialakításához, 1 pedig a          szerbôl. Ebben az esetben egy új elem a CRC kódoló,
DC alvivô. Az 1702 hasznos vivôbôl 2x71 darabot hasz-         amely 16 bites CRC16-CCITT kódolást valósít meg a
nálnak fel a változó 2x12 darabot pedig a fix helyû pi-       HARQ kéréshez szükséges hibadetektáláshoz.
lotjelek átviteléhez. Így 1536 adatvivô marad, melyeket           Opcióként az alap konvolúciós kódoló alkalmazhat-
32 alcsatornába sorolnak csatornánként 48 alvivôvel.          ja a nullvégû technikát is. Ebben az esetben a randomi-
Az uplink átvitel alcsatorna felosztása védôsáv (és DC)       záció után minden burst végéhez egy 0x00 záróbyte-
szempontból megegyezik a downlink PUSC esettel. Az            ot illesztenek. A konvolúciós kódolást és a bitelhagyást
1680 alvivôt itt 70 alcsatornába sorolják alcsatornán-        a teljes burst-ön végzik anélkül, hogy blokkokra bonta-
ként 48, illetve szimbólumonként 24 vivôvel. A szab-          nák.
vány opcionálisan lehetôséget nyújt az adaptív anten-             A hibajavító kódolásnál az utolsó kötelezô elem az
na rendszerek (AAS) támogatásához is. AAS esetén              interleaver, melynek blokkmérete a kovolúciós kódoló-
az eddig bemutatott alcsatorna felosztáshoz képest            ból érkezô blokkonkénti bitek számának (Nbcps) függvé-
fontos különbség, hogy nem elosztott, hanem szom-             nye. Az interleaving egy két lépésben végrehajtott per-
szédos kiosztás van érvényben. A 2048 vivô között 1           mutáció. Az elsô lépés biztosítja, hogy a szomszédos
DC, 160, illetve 159 védôsávi alvivô található. Az 1728       bitek nem kerülnek szomszédos alvivôkre. A második
vivôbôl 192 szolgál a pilotjelek átvitelére. A maradék        lépés azért felelôs, hogy a szomszédos kódolt bitek vál-
1536 alvivôt 32 alcsatornára bonják alcsatornánként           takozva kerüljenek a konstelláció szignifikánsabb vagy
48 vivôvel.                                                   kevésbé szignifikánsabb bithelyeire, és így hosszú ke-
    A WirelessMAN-OFDMA fizikai réteg csatornakódo-           véssé megbízható bitsorozatok ne jöhessenek létre.
lása az WirelessMAN-OFDMA-hoz hasonlóan három                 Az elsô permutációnál egy 16x(Nbcps/16) méretû blokk
blokkból áll: randomizációból, hibajavító kódolásból és       jön létre, amelyen a második permutáció még egy sor-
interleavingbôl. A randomizációnál a hasznos adatjel és       rendcserét hajt végre.

20                                                                                                LX. ÉVFOLYAM 2005/8
                                                                           Az IEEE 802.16 szabvány fizikai rétege


     A csatornakódolás után a bitsorozat a modulátorra       ges sávszélesség értékeknek a szabályozás szerint elô-
kerül, ahol Gray-kódolt QPSK, 16-QAM vagy 64-QAM             írt sávszélességgel (ez az európai és a magyar szabá-
modulációt hajtanak végre. A 64-QAM moduláció meg-           lyozás szerint 14 MHz) vagy annak 2 hatványai szerin-
léte opcionális. A szabvány szerint downlink irányban a      ti tört részével (1/2, 1/4 stb.) kell megegyezni, és mini-
per-allocation adaptív moduláció támogatása szüksé-          mális értékük 1 MHz lehet.
ges, míg uplink irányban elôfizetôi terminálonként kü-            A vevôoldali követelmények közül az egyik legfonto-
lön-külön támogatni kell a különbözô modulációs sémá-        sabb a paraméter a vevôérzékenység. Ennek tekinte-
kat a bázisállomástól érkezô MAC burst konfigurációs         tében a 10-6-nál kisebb BER biztosításához ez az ér-
üzeneteknek megfelelôen. A pilot alvivô modulációja          ték, amelyet a szabvány egy táblázatban definiál, -65
egy PRBS generátor bitsorozatának megfelelôen törté-         dBm és -91 dBm között változhat a moduláció, a kódo-
nik. A generátor polinom ebben az esetben: x11+x9+1.         lási arány, és a sávszélesség függvényében. Emellett
     A WirelessMAN-OFDM-hez hasonlóan a lehetséges           a szomszédcsatornás interferencia C/I értéke 16-QAM
duplexálási megoldások itt is definiálva vannak. Az en-      (3/4) moduláció esetén 11 dB, 64-QAM(3/4) moduláció
gedélyhez kötött sávokban a szabvány vagy FDD, vagy          esetén 4 dB. A nem szomszédos csatornás elnyomás
TDD duplexálási megoldást ír elô. Az SS-ek esetében          értéke ilyen feltételek mellett 30 dB, illetve 23 dB. A leg-
az FDD-nél lehetséges félduplex mûködés is. A frek-          nagyobb még dekódolható jel teljesítménye -30 dB, és
venciaengedélyt nem igénylô sávokban a duplexálási           a vevôbe érkezô fizikai károsodást még nem okozó jel
technikaként csak a TDD módot lehet használni. Min-          szintje 0 dB.
den egyes TDD keretben a TTG és az RTG védôidôket                 A WirelessMAN-OFDMA és WirelessHUMAN(-OFDMA)
illesztenek be a downlink és az uplink alkeretek közé,       fizikai réteg specifikációjához tartozó profilok és azok
illetve minden egyes keret végére azért, hogy az adás-       fontosabb jellemzôi a 3. táblázatban láthatók.
vételi átkapcsolásokhoz legyen elegendô idô.                      A táblázat tartalmazza a MAC rétegbeli profilt is,
     A WirelessMAN-OFDMA PHY lehetôséget nyújt adó-          amellyel az OFDMA technológiát használó fizikai réteg-
diversity kialakításához. Lehetséges a tér-idô kódolá-       beli profilok együttmûködnek. A felsoroltakon kívül az
sos (STC) vagy a frekvenciaugratásos diversity kódolá-       egyes profilok még abban különböznek egymástól, hogy
sos (FHDC) megoldás alkalmazása. Ebben a sémában             a különbözô modulációknál a 10-6 BER értékhez milyen
egy olyan több bemenetû egy kimenetû (MISO) rend-            jelszint tartozik.
szert ír le, amelyben a bázisállomás kettô vagy négy
adóantennával, az elôfizetôi terminál pedig egy vevô-
antennával rendelkezik. Adóoldalon az STC kódolót az         4. Összefoglalás
IFFT blokk elé helyezik, a vevôoldalon az STC dekóder
az FFT blokk után kap helyet. Az alcsatornák, a szeg-        A WiMAX hálózatok és maga a szabvány is jelenleg is
mensek és permutációs zónák kiosztása az eddigiektôl         fejlesztés és kidolgozás alatt áll. A szabvány legfris-
eltérô, és attól is függ, hogy 2 vagy 4 adóantennát          sebb már elkészült verziója az IEEE 802.16-2004. A
használnak-e, illetve hogy downlink PUSC, FUSC, vagy         piacon hozzáférhetô WiMAX berendezésekben azon-
uplink átvitel zajlik-e.                                     ban jelenleg ezt a szabványt csak részben valósítják
     A megfelelô átvitelhez az OFDMA PHY esetében is         meg, és a készülékek egy korábbi verzióval (IEEE 802.
szükséges a rádiócsatorna mérése. Az RSSI-re és a            16a) kompatibilisek részben vagy egészben.
CINR-re vonatkozó elôírások megegyeznek a Wireless-              Mivel a WiMAX Forum célja egy világon mindenütt
MAN-OFDM fizikai rétegnél tárgyaltakkal.                     elfogadott rendszer bevezetése, ezért a szabványosí-
     Az elôzôekhez hasonlóan a szabvány külön tárgyal-       táson kívül egyéb kiegészítô folyamatokat is támogat-
ja az adó- és a vevôoldali elôírásokat. Az adóoldali kö-     nia kell. Ennek az a közvetett oka, hogy a szabvány
vetelmények közül elôször a teljesítményszabályozást         számos mûködési módot és lehetôséget definiál, ame-
kell megemlíteni. Az adónak frekvenciaengedélyhez            lyek között vannak kötelezô érvényûek és opcionálisak
kötött sávokban minimum 45 dB, szabad sávokban mi-           is. Nyilvánvaló, hogy ha csak a kötelezô érvényû elôí-
nimum 30 dB egyenletes teljesítményszint szabályo-           rásokat tartjuk be, akkor számos plusz lehetôségtôl el-
zást kell biztosítania. A lépésköz minimális értéke az       esünk. Amennyiben azt szeretnénk, hogy a különbö-
elôírás szerint 1 dB, míg a relatív pontossága ±0,5 dB.      zô opciók ellenére a különbözô gyártók által készített
     A szabvány az OFDMA jel spektrumának simaságá-          b erendezések együtt tudjanak mûködni, szükség van
ra is tesz elôírást: a -Nused/4 – -1 és 1 – Nused/4 alvivô   együttmûködési tesztek elvégzésére is. Az együttmû-
tartományokban az Nused/4 számú aktív alvivôre vetí-         ködési teszteken sikeresen szerepelt eszközök megkap-
tett átlag alapján az eltérés dB lehet, míg a -Nused/2 –     ják WiMAX Certified tanúsítvány, amely biztosítja, hogy
-Nused/4 és Nused/4 – Nused/2 alvivô tartományokban ez       az adott berendezés bármely más ilyen tanúsítvánnyal
az eltérés +2 – -4 értéket vehet fel. Az adó konstelláci-    rendelkezô készülékkel együtt tud mûködni. Az együtt-
ós hibájára ugyancsak megkötések vannak a modulá-            mûködési tesztek kezdetének tervezett idôpontja 2005
ció és a kódolási arány függvényében. Ez az érték 16,4       júliusa.
dB-tôl 31,4 dB-ig változhat a QPSK(1/2) – 64QAM(3/4)             Az WiMAX eszközök együttmûködésén kívül a má-
feltételeknek megfelelôen. Végül a vivôfrekvenciákkal        sik jövôbe mutató kérdés a mobilitás kérdése. Az ide
kapcsolatban meg kell még említeni, hogy a lehetsé-          kapcsolódó szabványrész az IEEE 802.16e megjelö-

LX. ÉVFOLYAM 2005/8                                                                                                   21
HÍRADÁSTECHNIKA


lést viseli. Amint már említettük ez jelenleg is fejlesztés       [8] CEPT/ERC 12-08 ajánlás:
alatt áll és csak draft verziója létezik. Az elôrejelzések            Harmonizált rádiófrekvenciás csatornaelrendezések
szerint a szabvány elkészültével a mobil WiMAX rend-                  és blokk kiosztások kis, közepes és nagy kapacitású
szerek megjelenése 2008-ra várható.                                   rendszerekhez a 3600–4200 MHz frekvenciasávban
    Végezetül meg kell említenünk a további hatósági              [9] CEPT/ERC 12-05ajánlás:
szabályozási kérdéseket is. Ezek közül néhányat ki-                   Harmonizált rádiófrekvenciás csatornaelrendezések
emelnénk ki. Az egyik hogy a 3,5 GHz-es sáv Magyar-                   a 10,0–10,68 GHz frekvenciasávban mûködô
országon jelenleg nem használható backhaul (pont-                     földfelszíni rögzített helyû digitális rendszerekhez
pont) alkalmazásokhoz, és csak az FDD duplexálási               [10] 346/2004. (XII. 22.) Kormányrendelet
mód alkalmazása engedélyezett. Az ide vonatkozó sza-                  a frekvenciasávok nemzeti felosztásának
bályok enyhítése kiterjesztené a WiMAX lehetséges al-                 megállapításáról
kalmazási területeit és módjait.                                [11] Az inform. és hírközlési miniszter 35/2004. (XII. 28.)
    Az 5,8 GHz-es frekvenciaengedélyhez nem kötött sáv                IHM rendelete a frekvenciasávok felhasználási
WiMAX felhasználásra jelenleg nem alkalmas, mert egy-                 szabályainak megállapításáról
részt itt katonai alkalmazások is mûködnek, másrészt
csak pont-pont kommunikáció lehetséges. A szabályo-
zás megváltoztatása hatóság részérôl ugyancsak meg-
fontolandó. Végül meg kell még említenünk, hogy a
mobilitás kérdése szabályozási szempontból nem meg-
oldott, a 3,5 GHz-es sávban csak rögzített helyû és hor-
dozható alkalmazások használhatók. A felvetett prob-
lémák reményeink szerint a közeljövôben megoldód-
nak, és így a WiMAX rendszerek széleskörû alkalmazá-
sára nyílik majd lehetôség.

Irodalom

[1] IEEE 802.16-2004:
    IEEE Szabvány helyi és nagyvárosi hálózatokhoz
    16. rész: Rádiós interfész rögzített helyû szélessávú
    vezeték nélküli hozzáférési rendszerekhez
[2] CEPT/ERC 70-03 ajánlás:
    Rövid hatótávolságú eszközök (SRD) használata
[3] ETSI ETS 300 836-1:
    Szélessávú rádiós hozzáférési hálózatok (BRAN);
    Nagy teljesítményû rádiós helyi hálózat (HIPERLAN)
    1. típusa; Konformaciatesztek specifikációja;
    1. rész: rádiós típushitelesítés és rádiófrekvenciás (RF)
    konformaciateszt specifikáció
[4] ETSI TS 101 475 v1.1.1 (2000-4):
    Szélessávú rádiós hozzáférési hálózatok;
    2. típusú HIPERLAN; Fizikai réteg
[5] ETSI EN 300 674-1 v1.2.1 (2004-08):
    Elektromágneses kompatibilitás és a rádióspektrum
    kérdései; A közúti szállítás és forgalmi telematika;
    Az 5,8 GHz-es ISM sávban mûködô
    dedikált kis hatótávolságú kommunikáció eszközei
    (500 kbit/s / 250 kbit/s);
    1. rész: Általános jellemzôk és tesztmódszerek
    a közúti (RSU) és fedélzeti (OBU) eszközökhöz
[6] CEPT/ERC 14-03 ajánlás:
    Harmonizált rádiófrekvenciás csatornaelrendezések
    és blokk kiosztások kis és közepes kapacitású
    rendszerekhez a 3400–3600 MHz frekvenciasávban
[7] ETSI EN 301 021 v1.4.1 (2001/03):
    Fix telepítésû rádiórendszerek; Pont-többpont eszközök;
    Idôosztásos többszörös hozzáférés (TDMA);
    A 3-11 GHz frekvenciatartományban mûködô
    pont-többpont digitális rádiórendszerek

22                                                                                                   LX. ÉVFOLYAM 2005/8

								
To top