WiMAX无线接口物理层ISSUE.ppt

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1、WiMAX无线接口物理层无线接口物理层处于无线接口协议模型 的最底层，它提供物理介质中保证比特 流正确传输所需要的所有功能物理层通过传输信道实现向上层提供数据传输服务培训目标l学完本课程后，您应该能：p了解WiMAX无线接口协议栈p掌握OFDMA物理层结构p了解WiMAX物理层过程第第第第1 1章章章章 WiMAXWiMAX无线接口概述无线接口概述无线接口概述无线接口概述第第第第2 2章章章章 OFDMAOFDMA物理层物理层物理层物理层第第第第3 3章章章章 WiMAXWiMAX物理层过程物理层过程物理层过程物理层过程WiMAX体系架构InternetASNCSNPSTNApplicatio

2、nsServiceProviderBase StationBase StationASN-GWASN-GWMany-to-ManyNAP-NSP relationship accommodatedNetwork AccessProvider(NAP)Network ServiceProvider(NSP)R1R1接口协议栈802.16 PHY 802.16 MAC MS BSR1 IP 802.16PHY 802.16MAC IP GREIP数据包/DHCPConvergence Sub LayerMAC LayerPHY LayerSecurity/Privacy Key,AES,EAPHa

3、ndoffBandwidth ManagementConnection ManagementPower management IPPacket ClassifierEthernetATMHeader SuppressionPDUOperationNet EntryPHY Burst SchedulingOFDM 2-11GHz 256FFTOFDMA 2-11GHz 2048FFTOFDMA 2-11GHz 128,256,512,1024,2048802.16d802.16eWiMAXR1接口物理层l802.16协议中定义了4种物理层pSC(Single carrier)pSCa(Singl

4、e carrier,release a)pOFDM(OFDM-256)n802.16d基于固定的WiMAX产品pOFDMAn802.16e基于移动的WiMAX产品物理层FEC（RS,BTC,CTC）ModulationMappingRandomizationIFFTCyclicPrefixInterleavelDL PHY ProcesslUL PHY ProcessRemoveCyclicPrefixFFTFreq.Domain EqualizerDe-MapSymbolsViterbi&RS DecoderDe-RandomizationDe-InterleaveData toMAC la

5、yerData from MAC layerRFTXbasebandRF RX(Timing&FrequencyCorrection etc)basebandDL/UL 物理层处理OFDMA 技术l有用信息比特将对子载波进行调制，即这些有用信息比特可被看作是一些频域的采样点l通过 IFFT,频域的采样点转化为时域的采样点 l通过 FFT,时域的采样点转化为频域的采样点第第第第1 1章章章章 WiMAXWiMAX无线接口概述无线接口概述无线接口概述无线接口概述第第第第2 2章章章章 OFDMAOFDMA物理层物理层物理层物理层第第第第3 3章章章章 WiMAXWiMAX物理层过程物理层过程物理层

6、过程物理层过程第第第第2 2章章章章 OFDMAOFDMA物理层物理层物理层物理层第第第第1 1节节节节 基本概念基本概念基本概念基本概念第第第第2 2节节节节 子载波分配策略子载波分配策略子载波分配策略子载波分配策略第第第第3 3节节节节 物理帧结构物理帧结构物理帧结构物理帧结构二维信号时域符号lG=Tg/Tb,有1/32,1/16,1/8,and 1/4lTs=102.9 us（G=1/8）lTb:有效符号周期lTg:CP（Cyclic Prefix）长度频域符号l基本参数BW 带宽Nused 可用子载波（include DC）n sampling factor,28/25 if BW a

7、re multiple of any 1.25,1.5,2,2.75 MHz,8/7 elsel导出参数NFFT:128，512，1024,2048采样频率：Fs=floor(n*BW/8000)*8000子载波间隔：f=Fs/NFFT 有效符号周期：Tb=1/fPilot SubcarrierData SubcarrierGuard SubcarrierDC Subcarrierl子载波类型DC子载波Guard子载波Pilot子载波Data子载波参数指标Zonel定义：一组使用相同置换公式的连续OFDMA符号构成l分类：pPUSC，Optional PUSCpFUSC，Optional FU

8、SCpAMCpTUSC1，TUSC2（tile usage of subchannels）Slotp资源最小分配单位 pSlot=n子信道m OFDMA符号pn与m的大小与Zone和上下行有关n下行FUSC 或 OFUSC Zone n1，m1n下行PUSC Zone n1，m2n上行PUSC Zone，下行TUSC1 TUSC2 Zone n1，m3n上行或下行 AMC Zone n1，m2，3，6Segmentl一组可用子信道的集合,可以包括全部可用子信道l一个Segment对应一个SectorData Regionl一组连续子信道和连续OFDMA符号构成的二维allocationl下行一

9、个data region是规则的矩形，可以用于一个或一群MS的发射l上行一个data region可能不规则；除ranging区域外，其它区域仅用于一个MS的发射第第第第2 2章章章章 OFDMAOFDMA物理层物理层物理层物理层第第第第1 1节节节节 基本概念基本概念基本概念基本概念第第第第2 2节节节节 子载波分配策略子载波分配策略子载波分配策略子载波分配策略第第第第3 3节节节节 物理帧结构物理帧结构物理帧结构物理帧结构PreamblelNFFT 个子载波去除保护子载波后，剩余子载波将按以下公式构成三个Carrier-sets:pn is CarrierSet index 02pk is

10、 a running index 0.567(FFT-2048)l三个Carrier-set分别对应三个SegmentpSegment#0-Carrierset0pSegment#1-Carrierset1pSegment#2-Carrierset2lCarrier-set中的subcarriers 采用Pseudo-Noise(PN)码作为调制码，进行增强型 BPSK 调制DL PUSClPUSC即部分使用子载波，DL PUSC是帧中唯一必须出现的lDL PUSC子载波分配方式:p划分保护子载波、中心子载波和可用子载波p将可用子载波划分为若干个物理clusterp按照一定的映射关系把物理cl

11、uster转换成逻辑clusterp将所有逻辑cluster分成6个Major Groupp在每组cluster中分配导频子载波和数据子载波p将每个Major Group内的数据子载波分成Nsubcarrier个组，每个组有Nsubchannel个数据子载波p根据抽取规则在每个组内抽取一个数据子载波组成物理子信道DL FUSClFUSC即全部使用子信道，仅用于下行lFUSC子载波的分配方式:p划分保护子载波、中心子载波和可用子载波p在可用子载波中分配导频子载波和数据子载波p将数据子载波分成Nsubcarrier个组，每个组有Nsubchannel个数据子载波p根据抽取规则在每个组内抽取一个数据

12、子载波组成物理子信道UL PUSClUL PUSC子载波分配方式:p划分保护子载波、中心子载波和可用子载波p将可用子载波划分为若干个物理tilep按照一定的映射关系把物理tile转换成逻辑tilep将所有的tile分成6个组，每组Nsubchannel个tilep根据抽取规则从每个组中抽取一个tile组成子信道p在每个子信道内划分导频子载波和数据子载波tile结构图BAND AMClBAND AMC的子信道是连续的，每个子信道都有自己的独立导频lBAND AMC子载波分配方式:p划分保护子载波、中心子载波和可用子载波p将所有可用子载波以9个连续的为一组构成BIN（1个导频加8个数据）p将各个B

13、IN分配到子信道中，要求每个分配单位(slot)有48个数据子载波，即6个BINp可能的分配方式有1bin x 6 symbol、2bin x 3symbol、3bin x 2symbol、6bin x 1symbol，其中普通MAP只能使用2bin x 3symbol的分配模式BAND AMC BIN 结构 第第第第2 2章章章章 OFDMAOFDMA物理层物理层物理层物理层第第第第1 1节节节节 基本概念基本概念基本概念基本概念第第第第2 2节节节节 子载波分配策略子载波分配策略子载波分配策略子载波分配策略第第第第3 3节节节节 物理帧结构物理帧结构物理帧结构物理帧结构协议帧结构l物理帧分

14、为下行子帧、上行子帧、TTG和RTGpPreamble占用下行子帧的第一个符号，用于SS做时间频率同步和获得BS的DL_PermBase和Segment numberp紧接着PREAMBLE的是PUSC置换区，这个置换区是必须出现的，其中包含了FCH、DL-MAP等重要的广播信息 p接着第一个PUSC置换区之后，是协议规定的可选置换区p一个下行子帧中全部下行置换区数目之和不超过8个物理帧结构下行l下行子帧由Preamble、FCH（frame control header）、DL_MAP和下行数据burst组成pFCH在下行第一个PUSC zone中最前面4个连续的logic sub-chan

15、nels(slots)上发射，用于指示PUSC zone使用的子信道和DL-MAP的发射信息pDL_MAP的位置紧随FCH之后，用于向所有的SS广播下行子帧的资源分配情况，包括每个下行burst的位置、大小、burst profile等p下行数据burst用于承载下行数据，每个下行burst在帧结构中都是一个二维的矩形结构；下行一个burst中可能包含有多个SS的数据，SS解调后根据MAC PDU头里的CID信息判断是否是自己的数据物理帧结构上行l上行子帧由Ranging子信道和上行数据burst组成：pRanging子信道是一个竞争资源，用于SS发竞争的Ranging和带宽请求信息，所有的S

16、S都可以使用，BS将对此进行检测p上行数据burst承载上行数据，上行每个SS使用一个burstlTTG为下行和上行子帧间的时间间隔，必须大于小区最大覆盖范围的往返传播时延lRTG为上行和下行子帧间的时间间隔，必须大于小区最大覆盖范围的往返传播时延上下行数据处理Ranging和带宽请求竞争时隙处理 第第第第1 1章章章章 WiMAXWiMAX无线接口概述无线接口概述无线接口概述无线接口概述第第第第2 2章章章章 OFDMAOFDMA物理层物理层物理层物理层第第第第3 3章章章章 WiMAXWiMAX物理层过程物理层过程物理层过程物理层过程基站发送和接收处理过程l发送：经MAC层处理后的下行数据

17、以MAC PDU的形式送到物理层，MAC PDU已经按MAC层无线资源分配的结果安排好了数据块大小，数据包在物理层经过信道编码、调制、IFFT等基带处理后，加CP形成完整的时域OFDMA符号，然后通过射频处理后按下行子帧的结构发射出去 l接收：天线接收的信号经射频中频处理后基带IQ数据送到基带处理，基带接收端进行FFT、信道估计信道均衡、子载波解映射、解调制、信道译码后组成数据包通过接口送到MAC层，对上行子帧中的Ranging和带宽请求竞争时隙进行竞争码的检测 终端发送和接收过程l发送：过程基本与基站相同，增加频偏预纠正处理。对Ranging和BW Request，物理层产生并按MAC层的指

18、示选择一个码，调制后映射到MAC层选择的竞争时隙，后续与正常数据相同l接收：过程基本与基站相同，增加时间频率同步处理，不需要Ranging和带宽请求竞争时隙进行竞争码的检测 OFDMA物理层发送端的处理 l数据分块：pBS、SS通用，将MAC层送来的数据进行分块，按协议中CTC编码以及CC编码的规定的两种方式根据burst大小和编码调制类型，分成一定大小的编码块l随机化Randomization：pBS、SS通用，对MAC层来的数据以编码块为单位进行随机化，随机化器结构由协议规定lCC编码CC coder：pBS、SS通用，利用咬尾卷积编码对数据块进行信道编码，CC编码器结构由协议规定lCTC

19、编码CTC coder：pBS、SS通用，利用卷积Turbo编码对数据块进行信道编码，CTC编码器结构由协议规定OFDMA物理层发送端的处理l重复编码repetition：pBS、SS通用，对于比较差的信道，当QPSK1/2已经不能满足性能的情况下，使用重复编码。重复编码针对每个slot的数据进行重复，重复率R=2、4或6，方法由协议规定l调制Modulation：pBS、SS通用，将编码后的数据按协议的规定进行星座图调制，支持的调制方式有QPSK、16QAM和64QAM三种l随机序列发生器PRBS Generator：pBS、SS通用，随机序列发生器用于产生一个协议规定的伪随机数序列，生成多

20、项式为X11+X9+1，生成的序列用于产生导频图案和子载波加扰序列OFDMA物理层发送端的处理l导频调制Pilot Modulation：pBS、SS通用。用产生的PRBS序列组成的导频图案按协议规定的方法进行调制lPUSC子载波分配Subcarrier Allocation:pBS和SS不同。上下行都支持使用PUSC的子载波分配，将物理子载波分配到逻辑的子信道，并将所有的有用子载波区分为导频子载波和数据子载波分别用于承载导频图案和数据信息，在MAC层进行无线资源管理时按逻辑子信道来分配，下行按协议规定的方法，上行按协议规定的方法进行子载波分配lFUSC子载波分配Subcarrier Allo

21、cation：p下行支持FUSC的载波分配方法，将物理子载波分配到逻辑的子信道，遵从协议的规定。支持STC时，FUSC的分配方法有些变动OFDMA物理层发送端的处理l子载波映射Subcarrier Mapping：p将经过信道编码交织和星座图调制后的复数数据映射到DL_MAP、UL_MAP分配的物理资源上。p物理资源包括子信道和OFDMA符号，利用子载波分配确定的子载波和子信道的映射关系最终将数据映射到物理的数据子载波上lSTC编码encoder：p实现MIMO时需要l子载波加扰Subcarrier Randomization：pBS、SS通用，按协议规定的方法用产生的PRBS序列对数据子载波

22、进行加扰OFDMA物理层发送端的处理l前导码Preamble：p下行子帧的第一个符号为Preamble，其使用的子载波和Preamble图案由协议规定lIFFT：pBS、SS通用，按协议的规定，进行1024点的IFFT运算，将映射好的频域所有子载波上的数据转换到时域l加CP：pBS、SS通用，按协议的要求，将IFFT后的时域数据后面的1/8拷贝到符号前面作为OFDM符号的循环前缀 lRanging和带宽请求码发生器：pSS使用，码发生器的结构由协议规定OFDMA物理层接收端的处理l时间频率同步Timing&Frequency Synchronization：pSS在开机后先需要搜索BS的下行P

23、reamble，取得与BS的时间同步和频率同步，并进行时间同步调整和频偏纠正，在取得同步后的正常工作期间还需要周期性的对时间同步和频率同步进行跟踪，避免同步丢失lFFT：pBS、SS通用，IFFT的逆过程，将时域信号转换到频域l信道估计Channel Estimation：p利用已知的导频图案对导频子载波上的信号进行信道估计，估计出信道衰落特性，并利用导频子载波上的信道估计特性通过插值估计数据子载波上的衰落特性OFDMA物理层接收端的处理l信道均衡Channel Equalization：p利用信道估计的结构对数据子载波上的信号进行补偿，包括幅度和相位的补偿l分集合并：pBS和SS不同，STC

24、编码的逆过程，接收器等待2个符号，然后根据里公式（117）和（118）将它们在一个子载波基础上进行合并l子载波解扰Subcarrier Derandomization：pBS、SS通用，子载波加扰的逆过程，使用与发送端相同的PRBS发生器产生的序列对子载波上的数据进行解扰l子载波解映射Subcarrier Demapping：p BS、SS不同。根据发送端的子载波分配方法，将所有的有用子载波组成子信道，恢复出发送端相同的burst结构OFDMA物理层接收端的处理lslot最大比合并Maximam Ratio Combination：pBS、SS通用。将发送端使用重复编码的数据块按最大比合并的方

25、法进行合并l天线最大比合并：pBS、SS通用，将2个天线数据的数据根据信道估计参数进行最大比合并l解调制Demodulation：pBS、SS通用，星座图调制的逆过程 lCTC译码CTC Decode：pBS、SS通用，以数据block为单位进行CTC译码lCC译码CC decode：pBS、SS通用，以数据block为单位进行CC译码，采用Viterbi译码算法p解随机化Derandomization：pBS、SS通用，用协议规定的随机化相同的方法对译码后的数据进行解随机化中射频处理过程l中频模块：p下行完成数字I/Q调制、数字上变频、数模转换。p上行完成模数转换、数字下变频、数字I/Q解调

26、l射频模块：p下行将模拟中频混频到需要的工作频段，完成功率放大后传送给天线p上行将天线接收到的信号进行低噪声放大后进行下变频处理，转换成模拟中频后送给中频模块 l功放模块：p对来自射频模块的下行射频信号进行功率放大 调制方式l调制方式：pQPSK quadrature phase-shift keying 正交相移键控pQAM 16 quadrature amplitude modulation 正交幅度调制pQAM 64DL PUSC with All SCuPUSC是部分使用子载波的缩写，PUSC with all sc 是全部使用带宽资源的PUSC置换方式 u这个置换区中，逻辑clust

27、er的划分和各个group中子信道的划分都跟下行置换基DL-PermBase有关。u当所有小区使用相同的DL-PermBase，那么所有小区的对应子信道都将包含相同的子载波，同频干扰将非常严重。u如果各个小区使用不同的DL-PermBase，那么各个小区对应的子信道将只包含部分相同的子载波，从而有效降低同频干扰 32 1nPUSC with all SCnPUSC对信干比满足一定条件的用户使用PUSC with all sc可以充分利用所有的频谱资源 ProtocolFrequencyPHYMACDuplex modeIEEE 802.16-2004802.161066GHzSCFDD/TDD

28、802.16a211GHzScaAAS/ARQ/STCFDD/TDDOFDMAAS/ARQ/MESH/STCFDD/TDDOFDMAAAS/ARQ/STCFDD/TDD802.16b56GHzSca/OFDM/OFDMAAAS/ARQ/STC/MESH/DFSTDD802.16c1066GHzCorrigendum to 802.16 and system profiles for 1066GHz802.16d211GHzCorrigendum to 802.16a and consolidate 802.16/802.16a(802.16b)/802.16c/802.16d to form

29、IEEE 802.16-2004(266GHz)IEEE P802.16e802.16e26GHzSca/OFDM/OFDMA,support for mobility based on 802.16-2004IEEE P802.16f802.16fMIB(Management Information Base)on 802.16-2004IEEE P802.16g802.16gNMS(Network Management System)on 802.16-2004IEEE P802.16h802.16hCorrigendum to 802.16-2004IEEE 802.16.2802.16

30、.2Define co-exist for 802.16(1066GHz)IEEE 802.16.2a802.16.2aDefine co-exist for 802.16a(211GHz)WiMAX Protocol SuiteProtocol DifferenceParameters 802.16d802.16eAir interface techniqueOFDM/OFDMASOFDMAFFT Size256/2048128,512,1024System bandwidth1.25MHz-28MHz1.25MHz-20MHzPilotsFixed(8)Fixed&VariablePrea

31、mbleLong preamble on DLShort Preamble on ULDL preamble onlySub channelizationUL onlyFUSC&PUSCMobilityNoHigh(120Km/h)Mobile Handoff SupportNoYesPower ManagementNoSleep/IdleFrame Length2.5,4,5,8,10,12.5,20ms2,2.5,4,8,10,12.5,20msConvergence Sub LayerMAC LayerPHY LayerSecurity/Privacy Key,AES,EAPHandof

32、fBandwidth ManagementConnection ManagementPower management IPPacket ClassifierEthernetATMHeader SuppressionPDU OperationNet EntryPHY Burst SchedulingOFDM 2-11GHz 256FFTOFDMA 2-11GHz 2048FFTOFDMA 2-11GHz 128,256,512,1024,2048802.16d802.16eWiMAX 802.16e is the mobile extension from 802.16Modification in PHY from OFDM to Scalable OFDMA Modification in MAC for security,handoff,roaming,&resource managementProtocol Difference