WiMAX通信原理.ppt

2019/12/6,WiMAX通信原理,Page2,主要内容,第一章WiMAX发展概述第二章WiMAX原理第三章MIMO的原理,Page3,第二章WiMAX原理,第一节物理层描述第二节MAC层描述,Page4,物理层描述,OFDMA基本原理OFDMA符号结构和子信道化OFDMA的特点OFDMA置换方式OFDMA的多用户分集TDD帧结构物理层的其他先进特性,Page5,OFDMA基本原理,OFDMA是一种将带宽分成多个频率子载波的复用技术单个用户的信息流被串/并变换为多个低速率数据流，每路低速率数据流被调制在彼此正交的子载波上，然后所有子载波叠加在一起构成发送信号。,Page6,OFDMA基本原因,OFDM系统不是使用传统的带通滤波器来分隔子载波频谱的，而是以跳频方式选用频谱并结合高效的IFFT/FFT算法来实现正交载波调制。,Page7,OFDMA符号结构和子信道化,OFDMA符号包括3种类型的子载波：Datasub-carriers用于数据传输Pilotsub-carriers用于估算和同步Nullsub-carriers不传输；用于保护带和DC载波,Page8,OFDMA符号结构和子信道化,当移动终端所处位置离BTS较近时：每个信道的C/I（carriertointerferenceratio）高，用全部子信道（N）fatpipe覆盖较小吞吐量高当移动终端所处位置离BTS较远时：如果使用全部的子信道，则信道的C/I低集中功率到一个小的子信道上thinpipe每个信道有高的能量能大范围移动吞吐量低,Page9,OFDMA的特点,较强的抗时延色散和频率选择性衰落能力，OFDM将高速串行数据流通过串/并变换，使每个子载波上的数据符号持续时间大大增加，再通过在OFDM符号前加上循环前缀CP(thecyclicprefix)，可有效地消除多经延迟扩展带来的ISI(Inter-SymbolInterference),Page10,OFDMA的特点,在ScalableOFDMA中，子载波间的间隔与带宽无关FFT的点数对应相应的带宽子信道的大小是固定的，并且与带宽和其他操作模式无关子信道数是对应于FFT的点数，与子信道容量无关,Page11,OFDMA置换方式,置换即子载波组成信道的不同方式同一帧内同时支持两种类型的子载波分配方式，分别针对不同信道条件的用户而优化。通过合理的调度可提升系统性能分布式子载波分配：适用于快速移动用户每个用户的子载波随机分布在整个信道带宽内每个用户可获得频率分集干扰随机化连续式子载波分配：适用于低速或静止用户每个用户的子载波采用连续分块方式分配根据终端反馈信道质量实现Band-SelectionAMC，获得多用户分集增益,Page12,OFDMA置换方式,三种主要的置换方式：PUSC-PartialUsageofSubchannels(应用于上下行)将子载波组成tile/cluster实现部分频率复用每个子信道的波段间分配子载波FUSC-FullUsageofSubchannels(只用于下行)通过在整个波段内传播子载波，实现最优的频率分集AMC(或者bandAMC)-AdaptiveModulationandCoding(应用于上下行)a.k.a相邻子载波置换每个子信道使用邻近的子载波，用于波束分集,Page13,DL_PUSC,每个物理Cluster包括14个相邻子载波并跨越2个OFDMA符号每个Cluster有4个导频（Pilot）每个子信道2个Cluster,Page14,DL_FUSC,每个信道48个子载波导频（Pilot）子载波总是在同样的位置带宽以单元分配，最小为48个子载波和一个OFDMA符号周期,Page15,UL_PUSC,每个Tile有4个相邻子载波并跨越3个OFDMA符号每个Tile有4个导频每个子信道6个Tile,Page16,BANDAMC,每个AMC“Bin”有9个相邻tone8个数据（data）和1个导频（Pilot）定义了4种不同子信道时隙每个子信道数据子载波为Bin8个子载波每个信道6个Bin,Page17,1x3频率复用方式,在WIMAX16e中1x3频率复用包含两种情况：一个频点：指以一个基站三个扇区为复用簇，三个扇区分别使用同一频点下的1/3子信道，不同基站的同向扇区使用相同的子信道三个频点：指以一个基站三个扇区为复用簇，三个扇区分别使用一个频点，不同基站的同向扇区使用相同频点。,Page18,单频点部分使用子载波,所有基站使用一个频点：以一个基站三个扇区为复用簇，三个扇区分别使用同一频点下的1/3子信道，不同基站的同向扇区使用相同的子信道。,Page19,三频点全部使用子载波,共三个频点，以一个基站三个扇区为复用簇，同一基站的三个扇区各使用一个频点,Page20,准1x1频率复用方式,所有基站使用一个频点，一方面为保证覆盖，在小区边缘区域使用部分子载波；另一方面为提高频谱利用率，在基站附近区域使用全部子载波。两者的调度分配通过用户对自身CINR的测量和判决来实现。这种组网方式下系统的频率复用度接近1。,上行：1：logicalsub-channel1112：logicalsub-channel12233：logicalsub-channel2435下行：1：group0，group12：group2，group33：group4，group5,Page21,OFDMA多用户分集,把整个带宽分成若干Band，由于用户之间的信道独立，一个Band在某个用户处的信道条件不好，但在另一个用户处信道条件很好（右图，三种颜色代表三个用户）调度器根据用户反馈的各个Band的信道质量，总是为该用户分配信道质量好的Band，从而提高系统容量BandSelection同时BS根据每个用户的信道质量自动选择合适的调制编码速率AMC这是通过调度实现的一种多用户分集方式，1050%增益,Page22,OFDMA置换域的交换,Page23,TDD帧结构,OFDMA帧是一个时频二维结构，纵轴单位为子信道，横轴单位为符号,Page24,Preamble介绍,Preamble的作用：preamble主要用于小区同步、多小区实施方案中的各种估计、以及获得邻近基站接收信号的功率和质量等信息,Page25,TDD特点,优点：频谱效率高，CAPEX/OPEX低不需要双工器，节省成本上下行比例可调，更适合非对称业务上下行信道特性对称，可以使用无开销的开环功控，也便于支持多天线技术，进一步提高频谱效率缺点:更容易产生干扰需要全网同步,一般需外接同步源系统自身收发干扰对网规的影响（尤其多个网络并存）,Page26,物理层的其他先进特性,支持AMC/HARQ/CQICH来增强系统覆盖和容量；下行强制支持QPSK,16QAM和64QAM；上行64QAM可选；支持可变编码速率的CC和CTC；支持BTC和LDPC为可选项；,Page27,自适应编码调制AMC,自适应编码调制的基本方法是对接收信道进行测量，根据信道测量的结果自适应的调整编码和调制方案，而不是调整功率；这样当MS位于信道条件较好的位置时可以得到较高的信号速率；目前信道编码采用的是TURBO码和卷级码；调制方式包括QPSK、QAM等7种方案；AMC受到信道质量测量误差和时延的影响比较大。自适应调制还可以克服衰落和其他干扰。,Page28,HARQ概念,混合自动重传（HARQ）技术主要是系统端对编码数据比特的选择重传以及终端对物理层重传数据合并，用来提高无线信道上大数据量传输的一种手段；HARQ属于MAC层的可选功能，并且可以基于单个终端来实现；与HARQ机制相关的参数都会在初始化过程中进行规定和协商；HARQ机制支持单条连接上有多个HARQ信道，每个信道上都可能有一个未完成的编码数据包交互。HARQ信道的数量由BS决定；这些信道由HARQ信道标识（ACID）来区分；支持的HARQ技术主要有两种：增加冗余（IncrementalRedundancy,IR）和跟踪合并（ChaseCombining）。,Page29,HARQ特点,结合ARQ和FEC的优点来提高传输可靠性和系统容量相对于传统ARQ，优点是接收方可以合并历史数据报文和当前接收到的数据报文，从而获得分集增益（ChaseCombining=CC-HARQ）发送方可以增加每次重传的数据报文的FEC冗余度，增强纠错能力（IncrementRedundancy=IR-HARQ)结合AMC使用，可以弥补错误AMC操作（因反馈延迟/反馈译码错误而引起）所导致的性能损失，提高性能,Page30,第二章WiMAX原理,第一节物理层描述第二节MAC层描述,Page31,MAC层概述,MAC层所传送的业务包括语音、数据、IP连接、VoIP等MAC层需要既支持连续型业务，又支持突发性业务；802.16的MAC层是基于“连接”的，即所有终端的数据业务以及与此相关的QoS机制都是基于“连接”进行的；MAC层针对每个连接的特点可以分别设置不同的QoS参数，包括速率、延时的等指标。为了更好地控制上行数据的带宽分配，MAC层还定义了不同的上行带宽调度模式，针对实时业务和非实时时，固定比特速率和可变比特速率业务的特点采用不同的调度机制，实现带宽的灵活分配。,Page32,MAC层组成结构,IEEE802.16MAC层分为三个子层：特定服务汇聚子层(CS)、公共部分子层(CPS)和安全子层(SS)；CS子层负责和高层接口，汇聚上层不同业务；CPS子层实现主要MAC功能，CPS子层可分为数据平面和控制平面；安全子层负责MAC层认证和加密功能。,Page33,MAC层CS子层,CS子层负责接收高层协议数据单元（PDU），并将接收到的PDU映射到MAC层连接上，或者进行相反的操作。主要功能有：从高层接收高层协议数据单元（PDU）；对高层PDU进行分类；基于分类对高层PDU进行处理；将CSPDU传递给正确的MAC服务接入点（SAP）；从对等层接收CSPDU。其中分类功能是该层最核心的功能。,Page34,MAC层CPS子层,MAC公共部分子层完成几乎所有的MAC层核心功能，即：MACPDU的构建和传送；网络的进入和初始化；调度、切换；竞争解决算法的实现；服务流的管理；各种链路自适应技术的实现等。,Page35,MAC层SS子层,SS子层通过对BS和SS之间的连接进行加密，为经过WMAN网络的用户数据提供保密；SS子层还为运营商们提供强有力的防止服务被窃取的保护机制。通过对网络中的服务流进行加密，BS可以防止那些对数据传输服务进行的未授权的访问；通过采用一种授权的客户端/服务器密钥管理协议，作为服务器的BS控制密钥信息在SS客户端中的发布；基本密钥管理机制中还加入了基于电子证书的SS授权机制，进一步加强了基本保密机制。保密机制有两个基本的协议：用于加密数据包的分装协议和密钥管理协议。,Page36,MAC层QOS的支持,Page37,MAC层MAC调度服务,WiMAXMAC层的调度服务用于实现在时变的无线宽带信道上高效传输如语音、数据和视频等的宽带数据业务；MAC调度程序将资源分配给一个终端，能从一个单时隙调整到整个帧，实现在任何时刻，对一个特别用户终端提供极大的动态吞吐量范围；基于帧对帧基础，调度程序能高效地改变资源分配来适应突发脉冲业务的天然属性。MAC层主要有五种调度功能，即：快速数据调度、上下行调度、动态资源配置、QoS导向、频率选择调度,Page38,MAC层切换,当发生以下情况时，系统会执行切换：当MS在移动时，由于信号衰落、干扰电平等因素的影响，MS需要改变目前所连接的BS，以获得更高的信号电平值；MS处于静止状态，但是他能够从邻近的负载较轻的基站处获得更高的带宽或者更好的QoS；802.16e标准支持三种切换方式：HardHandoff(HHO),FastBaseStationSwitching(FBSS)和MacroDiversityHandover(MDHO)；HHO是强制支持，FBSS和MDHO是两种可选方式；HHO切换模式包括如下步骤：小区重选择、切换判决和开始、目标BS扫描、网络重新进入以及终止服务。,Page39,MAC层切换步骤描述,小区重新选择：这个过程是指为了确定某个或某几个BS的合适性，而对这个或这几个BS进行的扫描或者调整过程；切换判决和开始：当判定一个MS要将它的空中接口、服务流和网络附属从服务BS切换到目标BS时，切换过程就开始了。这个判决可能由MS产生，也可能由服务BS产生；目标BS扫描：MS将扫描目标BS的下行信道和上行信道，并进行同步；网络重新进入：MS和目标BS之间需要重新执行MS接入网络的过程；终止服务：在切换过程中的最后阶段，MS会终止与服务BS之间的业务。,Page40,FBSS(快速基站切换）,支持FBSS对MS和BS来说都是可选的，MS和BS应该维护一个分集集合，并定义一个AnchorBS。在进行快速基站切换(FBSS)时，MS只与AnchorBS进行通信；AnchorBS可以在分集集合内更换，