Copia de Capitulo 3 Capa Fisica de WiMAX y OFDMA
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Capa Física de WiMAX
Diogenes Marcano
[email protected] http://www.atelasesores.com.ve
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DOMINIO DEL TIEMPOLa forma de onda temporal es creada por medio de la IFFT.
El tiempo de duración de la onda se conoce como tiempo útilde símbolo Tb.
La última parte Tg del símbolo, denominada CP (CyclicPrefix) se copia al inicio del mismo y se usa para recoger los
multitrayectos mientras se mantiene la ortogonalidad.
Tiempo
Ultima partedel símbolo
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DOMINIO DE LA FRECUENCIA
Representación de un Símbolo OFDM
• Un símbolo OFDM está compuesto de variassubportadoras, cuyo número determina el tamaño de laFFT utilizada
• Existen tres tipos de subportadoras – Subportadoras de datos: para transmisión de datos – Subportadoras pilotos: para propósitos de estimación
– Subportadoras nulas: no existe transmisión, bandas de guarda,subportadoras no activas y subportadora DC
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Fundamentos OFDMA• En OFDMA un símbolo es compartido entre varias conexiones, de manera
general podríamos decir entre varios usuarios.• Es decir que la cantidad de subportadoras reservadas para datos no se
asigna a una sola conexión, si no que es asignada a varias.• Debe soportar al menos una de las siguientes FFT, 2048 puntos
(Compatible con 802.16d), 1024, 512 0 128.
Al igual que OFDM, existen varios tipos de subportadoras
• Sub-potadoras de Datos – Transmiten datos de los usuarios
• Sub-potadoras Pilotos – La amplitud y la fase de estas subportadoras son conocidas por el receptor; se
usan para estimación del canal – Los pilotos sólo son generador por la BS
• Sub-potadoras Nulas – En estas subportadoras no se transmite energía de esta manera se garantiza un
decaimiento natural y se evita perdida de energía en canales adyacentes
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◙ BW: ancho de banda nominal del canal◙ Nused: Número de subportadoras usadas. Incluye
la DC
◙ n: factor de muestro. Este parámetro, junto aBW y Nused determina tanto el espaciamientoentre subportadoras como el tiempo útil delsímbolo.
– n=28/25 para anchos de bandas múltiplos de: 1.25,1.5, 2 o 2.75 MHz
– n=8/7 para múltiplos de 1.75 y otros casos
◙ G: Relación entre el CP y el tiempo útil. Valorespermitidos: 1/16, 1/8 y1/4
Parámetros Primitivos del símboloOFDMA IEEE 802.16e
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Parámetros Derivados
• NFFT: Menor potencia de 2, mayor que N used • Sampling Frequency:
– F s = floor( n.BW / 8000 ⁄ ). 8000
• Subcarrier spacing: ∆f =F s /N FFT
• Useful symbol time: T b = 1/ ∆f=N FFT /F s
• CP Time: T g =G.T b
• OFDMA Symbol Time: T s =T b +T g =T b (1+G)
• Sampling time: T b / N FFT
La función floor (x) denota al entero más grande que noexceda a x . El ancho de banda en la función floor(x) se
expresa en Hz.
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OFDM de 1024 subportadorasCapa Física OFDM IEEE 802.16e
-841 subportadoras usadas: 1 DC, 120 Pilotos y 720 paradatos.-183 nulas: banda de guarda en los extremos
Índice Subportadoras -420 a -1 Índice Subportadoras 1 a 420
Índice Subportadoras de
guarda -512 a -421Total 92
Índice Subportadoras de
guarda 421 a 511Total 91
La subportadoraDC tiene índice 0
420 subportadoras 420 subportadoras
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Procesamiento dela capa física delDL de IEEE 802.16
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Símbolo OFDMA• El acceso múltiple se refiere a que durante en tiempo de duración
de un símbolo las subportadoras se asignan a conexionesdiferentes.
• Por lo tanto se necesita una representación tiempo-frecuencia paraubicar los recursos que se asignan a cada conexión.
• Las subportadoras se agrupan para formar lo que se denomina unsubcanal
• La cantidad de subportadoras que forman un subcanal depende delnúmero de puntos de la FFT, entre otros.
S u b c a
n a l e s
S u b p o r t a d o r a s
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Símbolo OFDMA• En OFDMA, el ancho de banda se divide en subcanales
lógicos con el fin de soportar escalabilidad, acceso
múltiple y antenas inteligentes• Un subcanal es un conjunto de subportadoras físicas
activas que pueden o no ser adyacentes. Es la menorestructura lógica que puede asignarse en el dominio dela frecuencia. Un grupo de subcanales se denomina un
segmento• Los subcanales se pueden asignar a usuarios distintos(Multiple Access)
En este ejemplo tenemos tres subcanales
SímboloOFDMA
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Permutación Distribuida yAdyacente
• La asignación de subportadoras en cada modo se hacesiguiendo ciertas reglas, con el fin de añadir diversidadde frecuencia y reducir las interferencias
• Permutación distribuida – Para aplicaciones móviles
– Minimiza la probabilidad de asignar la mismasubportadora en celdas o sectores adyacentes
– Se reduce la probabilidad de fast fading en móviles
– Menor ancho de banda pero más robustas• Permutación adyacente
– Aplicaciones fijas, nómadas y baja movilidad
– Mayor ancho de banda
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Modos de Asignación de Subportadoras
• Partially Used Subchanalization (PUSC): Obligatoria
– Permutación distribuida – Usado por el Downlink y el Uplink – Las subportadoras activas, datos y pilotos, se dividen en subcanales – Luego se asigna un piloto dentro de cada subcanal – Cada subcanal tiene sus propios pilotos
• Fully Used Subchanalization (FUSC): Opcional – Permutación distribuidad – Sólo es usado en el Downlink – Primero se asignan las subportadoras pilotos – Las subportadoras restantes se agrupan en subcanales de datos
– Los pilotos son comunes – Existe un conjunto de subportadoras pilotos
• Advanced Modulation and Coding (AMC): Opcional – Subportadoras adyacentes – Usado con los sistemas de antenas adaptativas
– Aplica para el Dl y el UL, y el esquema de permutación es el mismo
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SLOT OFDMA• Para su completa definición requiere su ubicación en el
tiempo (Símbolo OFDMA) y en la frecuencia (dimensiónsubcanal)
• Es la unidad de datos más pequeña que se puede asignar
• Depende de la estructura del símbolo ODFMA, el cual varía
en función del UL y del DL, para FUSC y PUSC
Cada color es unslot OFDMA, y
puede ser asignadoa usuariosdiferentes
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Descripción Tiempo-Frecuencia
Frecuencia
TiempoTs
Subcanal
1símbolo x 1 subcanal
1 Slot DL FUSC
1 Slot DL PUSC
2símbolo x 1 subcanal 3 símbolo x 1 subcanal
1 Slot UL PUSC
Data Region: grupo de subcanalescontiguos en un grupo de símbolos
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Dimensión Tiempo
D i m e n s i ó n F r e c u
e n c i a
Señalización
Estructura de una Trama OFDMA para TDD
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Estructura de los SubcanalesDL PUSC
1 subcanal- 2 cluster
- 24 subportadoras de datos- 4 subportadoras pilotos- #_Subcanales=#Subportadoras/28
Símbolo OFDM par
Símbolo OFDM impar
Subportadora de datos Subportadora piloto
CLUSTER
1 cluster
- 14 subportadoras
- 12 subportadoras datos
- 2 subportadoras pilotos
- #_Cluster=#_Subportadoras/14
Un Símbolo OFDM
14subportadoras=1 cluster
Subpor. -200
Subpor. -1
…
.
…
.
Subpor. -m
Subpor. +p
….
Subpor. -j
Subpor. +i
1 Subcanal=2Cluster
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Estructura del UL PUSCFrecuencia
Slot:24x3=72subportadoras,
es lo mínimoque se asignaen el UL
1 tile= 4 subportadoras
Organizadossiempre deesta manera1 Tile
Tiempo
3 símbolos OFDMA
S í m
b ol o 0
S í m
b ol o1
S í m
b ol o2
1 T i l e
1 T i l e
…
1 T i
l e
1 T i l e
…
1 T i l e
1 T i l e
…
1 T i l e
1 T i l e
…
6 T i l e s =2 4
s u b p or t a d or a s
6
T i l e s =1 S u b c an al
3 / __#24
__# ULSímbolos x N
TramaSlot Used
1 Subcanal
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N u s e d
S u b p o r t a d o r a s : D a
t o s + P i l o t o s + D C
Ts Ts Ts
…
Sub0
Sub23
SubNused
1 Slot
R e g l a d e p
e r m u t a c i ó n p o r
m e d i o d e u n a e c u a c i ó n
1 Subcanal
PERMUTACION UL PUSC
Esto es lo
mínimoque seasigna acadausuariopara que
transmitaen el UL
72 subportadoras: 48 datos+ 24 pilotos
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Slot OFDMA en el Uplink PUSC: es lomínimo que se asigna a un usuario en elUL. Un Slot contiene 72 subportadoras
Datos: 48 Subportadoras
Pilotos: 24 Subportadoras
Tile-6
Tile-5
Tile-4
Tile-3
Tile-2
Tile-1
U n S u b c a n a l
U n S l o t
En el UL no se puede hablar de lacantidad de subportadoras de datos opilotos en un símbolo OFDMA, ya queesa cantidad varía en función de si elsímbolo es par o impar. Entonces sedebe hablar de SLOT, sabiendo que unslot tiene 72 subportadoras y que enuna trama se cumple la siguienterelación:
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Estructuras del UL PUSC
4
_# used N
Tiles
1 Tile
-4 subportadora. Si es par hay2 datos y 2 pilotos. Si es impar4 datos
24_#used
N
Subcanales
1 Subcanales: Es lo mínimo que se
asigna en frecuencia.
- 6 Tiles
- 24 subportadoras
1 Slot: se define en tiempo-frecuencia
- 18 Tiles, repartidos en 3 tiempos de símbolo
- 72 subportadoras: 48 de datos y 24 pilotos
3
__#
24__#
ULSimbolos x
N TramaSlot
used
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• Banda de frecuencia 2-11 GHz• Diseñada para operación NLOS• FFT de 1024
• Scrambling• Códigos Convolucionales• Block turbo coding (opcional)
• Convolutional turbo coding(opcional)• Block Interleaving• QPSK, 16QAM, 64QAM• Preámbulos diferentes para DL y UL
PARAMETROS FÍSICOS DE OFDMA802.16e FFT=1024
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OFDMA Downlink carrier allocations—PUSC FFT=1024
1024
841
92
91
122
60
2
30
Desde Hasta-512 -1
1 511
-420 -1
1 420
-512 -421
421 511
DATOS DE ENTRADA
RESULTADOS
Puntos de la FFT N_FFT
Cantidad de Subportadoras Usadas U_Used
Cantidad de Subportadoras de Guarda a la DER
Cantidad de Subportadoras de Guarda a la IZQ
Indice de las Subportadoras a la IZQ
Indice de las Subportadoras la a DER
Cantidad de Subportadoras de Datos por clusterCantidad de Subportadoras Pilotos por cluster
Cantidad de Cluster
Cantidad de Subcanales
Cantidad de cluster por Subcanales
Indice de las Subportadoras de Guarda a la IZQ
Indice de las Subportadoras de Guarda la DER
Indice de las Subportadoras Usadas a la IZQ
Indice de las Subportadoras Usadas a la DER
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1024
841
91
90
4
210
6
35
Desde Hasta
-512 -1
1 511
-420 -1
1 420
-512 -421
421 511
Cantidad de Subportadoras por Tile
Indice de las Subportadoras de Guarda a la IZQ
Cantidad de total de Tile
Cantidad de Tile por Subcanal
Cantidad de total Subcanales
Puntos de la FFT N_FFT
Cantidad de Subportadoras Usadas U_Used(Incluye DC)
Cantidad de Subportadoras de Guarda a la DER
Cantidad de Subportadoras de Guarda a la IZQ
DATOS DE ENTRADA
RESULTADOS
Indice de las Subportadoras de Guarda la DER
Indice de las Subportadoras Usadas a la IZQ
Indice de las Subportadoras Usadas a la DER
Indice de las Subportadoras a la IZQ
Indice de las Subportadoras la a DER
OFDMA Uplink carrier allocations—PUSC FFT=1024
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• Banda de frecuencia 2-11 GHz• Diseñada para operación NLOS• FFT de 2048
• Scrambling• Códigos Convolucionales• Block turbo coding (opcional)
• Convolutional turbo coding(opcional)• Block Interleaving• QPSK, 16QAM, 64QAM• Preámbulos diferentes para DL y UL
PARAMETROS FÍSICOS DE OFDMA802.16e FFT=2048
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OFDMA Downlink carrier allocations—PUSC FFT=2048
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SOFDMA
IEEE 802.16e está basado en el concepto de OFDMA. Parapermitir que los equipos WiMAX manejen varios anchos debandas y se adapten a las regulaciones existentes en lasdiferentes regiones del mundo, el WiMAX Forum introdujo elconcepto de SOFDMA (Scalable OFDMA) que permitemanejar varios anchos de bandas y diferentes tamaños deFFT.
La escalabilidad se soporta al ajustar el tamaño de la FFT demanera que el Frequency Spacing, entre subportadoras, semantenga fijo a 10.94 KHz y la duración del símbolo OFDMAa 102.9 s. Debido a esto el impacto en las capas superioreses casi nulo, ya que por encima de la capa MAC da laimpresión de que nada a cambiado.
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Scalable OFDMA
• OFDMA – Espaciamiento entre subportadoras depende del
ancho de banda y de la FFT
• Scalable OFDMA: SOFDMA – Scalable: se refiere a que puede soportar diferentes
anchos de bandas y FFT
– Espaciamiento entre subportadoras es independientedel ancho de banda y la FFT
– El tamaño de los subcanales, también esindependiente
– La cantidad de subcanales varía con la FFT
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WiMAX Mobile• Basado en SOFDMA:
– Suministra servicios de banda ancha a 120Km/h con QoS comparado con sistemascableados.
• Ancho de banda escalable – 1.25 a 20 MHz
• TDD
• Hybrid-Automatic Repeat Request (H-ARQ)
• Power Conservation Management
• Network-Optimized Hard Handoff (HHO) :Obligatorio. Otros tipos opcionales
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Parámetros de SOFDMA paraWiMAX Móvil
• Similar a OFDMA
• Soporta varias combinaciones de FFT y ancho debanda
• Factor de muestreo
– n=28/25 para anchos de bandas múltiplos de: 1.25, 1.5, 2 o2.75 MHz
– n=8/7 para múltiplos de 1.75 y otros casos
• G=Tg /Tb: 1/32, 1/16, 1/8 y 1/4
FFT 128 512 1024 2048BW MHz 1.25 5 10 20
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Ejemplos: Para un BW de 10 MHz,
NFFT=1024
• Fs
=8000*floor[n*BW/8000]=
– Fs=8000*floor[(28/25)*10E6/8000]= 11,2 MHz
• f=FS /NFFT=22.4 MHz/2048=10.9375 KHz
•
Tb=1/ f=91.428 s• TG=Tb*G=11.4285 s
• Ts=Tb+Tg=102.8565 s
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Estructura de una Trama
SkS jSiS1S0
S46 SkS jSiS1S0S46
Trama 5 ms Trama 5 ms
Símbolo OFDMA102.9 s
Cada símbolo tiene una cierta cantidad de subportadoras dependiendo de la capafísica. La forma como se agrupan las subportadoras es diferente para el DL ypara el UL.
Si se usa una modulación de M símbolos, entonces cada subportadora lleva Nbits; M y N están relacionadas por M=2N. La capacidad en bps de unasubportadora es:
Csub=N/(102.9 s)=9718.17*N bps
De acuerdo a la asimetría del tráfico los 47 símbolos se reparten entre el DL y el
UL.
Preámbulo
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Especificaciones del SímboloSOFDMA
Parámetros variables
Parámetros Fijos
PARAMETRO
Ancho de Banda del Canal MHz 1,25 5 10 20
Frecuencia de Muestreo Fs MHz 1,4 5,6 11,2 22,4
NFFT 128 512 1024 2048
Espaciamiento entre Subportadoras f KHz
Tiempo Util del Símbolo Tb=1/ f s
Tiempo de Guarda Tg=Tb/8 s
Duración del Símbolo OFDM s
Duración de la Trama msCantidad de Símbolos OFDMA
102,9
547
VALORES
10,94
91,4
11,4
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CAPA FISICA 802.16m
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Capa Física 802.16m
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Parámetros para
OFDMA convarios anchos debanda y G=1/8 yG=1/16
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Estructura de la Super Tramapara BW 5, 10 y 20 MHz
AAI: Avanced Air Interface
62.86 s
Es igual a una tramade 5 ms de 802.16e o
2009
El modo Duplex TDD o FDD se define en
función de la asignación de las subtramas
El tiempo total de símbolo,incluyendo al prefijo cíclico,es Ts=102.875 s y CP=1/8.
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Tipos de Sub-Tramas
• Subtrama Tipo 1 – Contiene 6 símbolos OFDM
• Subtrama Tipo 2
– Integrada por 7 símbolos OFDM
• Subtrama Tipo 3 – Contiene 5 símbolos OFDMA
• Subtrama Tipo 4 – Contiene 9 símbolos OFDM se aplica sólo en
el UL par anchos de banda de 8.75 MHz.
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Configuración de Trama para 5/10/20 MHz
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Estructura de la Super Trama FDDpara BW 5, 10 y 20 MHz
Es igual a una tramade 5 ms de 802.16e o
2009
El modo Duplex TDD o FDD se define en
función de la asignación de las subtramas
El tiempo total de símbolo,incluyendo al prefijo cíclico,es Ts=102.875 s y CP=1/8.
Al final de
cada trama
E t t d l S T FDD
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Estructura de la Super Trama FDDpara BW 7 MHz
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Estructura TDD y FDD
Estructura de la trama con CP=1/8 para FDD y TDD (DL/UL=5/3).
Aplica para anchos de banda de 5, 10 o 20 MHz.
Si i ió l LDL P á b l
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Sincronización en el LDL: Preámbulos
PA-Preamble: es una señal de sincronizaciónde banda angosta y es común a un grupo deceldas y se emplea para adquisición inicial,sincronización del supertrama y difusión de lainformación esencial del sistema
PS-Preamble es una señal banda anchaespecifica para sincronización de unacelda o sector, transporta el cell ID.
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C t G l d M lti C i
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Concepto General de Multi Carrier
Una de las características quedistingue a IEEE 802.16m es la
capacidad para trabajar conaltas tasas de datos, para locual se necesitan grandesanchos de banda. Dichoespectro puede corresponder abanda contiguas o no. Cada
ancho de banda asignado sedenomina Component Carrier(CC) y corresponde a uno delos anchos de banda de IEEE802.16 e(2009). La agregaciónde varios CCs es lo que se
denomina Multicarrier o CarrierAggregation. El MS recibeseñalización y control de un CCprimario, mientras que los datospueden ser de CC primario o deotros CC denominados
secundarios.
S d A d R l S i (ARS)
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Soporte de Avanced Relay Station (ARS)En IEEE 802.16m el soporte de Relay es opcional, las MS puede asociarse biensea con un ARS (Avanced Relay Station) o con una ABS (Avanced Relay
Station). Las estaciones ARS aplican para TDD y para FDD.Cuando existen, las ARS se encarga de generar y transmitir el SFH (SuperFrame Header) y el Avanced-MAP (A-MAP) para sus estaciones subornidanas.
Las ARS son un método costo efecto para entregar altas tasas de bitscubriendo zonas con mala cobertura desde la BS, lo que equivale a aumentaral SNIR. Usar un ARS es mucho más económico que desplegar una BS, yademás el backhaul se hace en el mismo espectro de acceso inalámbrico, porsupuesto conservando ciertos arreglos a fin de reducir la interferencia.
E i d d j ifi ARS
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Escenarios donde se justifica usar un ARS
Las ARS soportan equipos terminales IEEE 802.16e
(2009) e IEEE 802.16m