WiMAX. LUFTGRENSESNITTET Modulasjon og signalformat. Prof. Gunnar Stette. Slide 1

Transkript

1 WiMAX LUFTGRENSESNITTET Modulasjon og signalformat Prof. Gunnar Stette Slide 1

2 TRÅDLØS AKSESS BASIS: IEEE og ETSI-standarder for trådløse pakkebaserte nett For tre fire år siden ga jeg en oversikt over Trådløs aksess, hva skjer med standarder og teknologier? For vel to tre år siden ga jeg en oversikt over standarder og bruksområder for IEEE familien og WiMAX For et to år siden gikk jeg tilbake til familien og WiMAX og gi en oversikt over den grunnleggende teknologien Dagens tema er å gå friske opp de grunnleggende egenskapene for fysisk lag når det gjelder signalformer Slide 2

3 TRÅDLØSE NETT IEEE (forslag) IEEE Wireless MAN IEEE Wireless LAN WAN e WirelessMAN MAN LAN 3GPP EDGE ETSI HiperMAN HIPERACCESS ETSI HiperLAN IEEE Bluetooth PAN Personal Area Network ETSI HiperPAN Slide 3

4 Eksempel på anvendelse, IEEE og IEEE overføring ved fri sikt IEEE a distribusjon i nærområdet IEEE tilkobling av individuelle brukere Kilde: INTEL Slide 4

5 Radiomiljøet Strategier: Øk båndbredden slik at transmisjonsveiene kan skilles, eller Øk symbollengden slik at utjevnernetteverket kan kompensere. 20 db Slide 5

6 Modulasjon med informasjonssignal Data kilde m(t) Symbollengde T Bærebølge generator Båndbredde B R 1/T Binær modulasjon m(t) = ±1 R = 1 mbit/s T = 1 μs Slide 6 f 0

7 Spektrum spredning ved direkte modulasjon fasemodulasjon med hurtig kode Data kilde m(t) z(t) m(t) z(t) Symbollengde T Kodegenerator Bærebølge generator Binær modulasjon m(t) = ±1 z(t) = ±1 Kodeklokke Kodeklokkerate 1/ Δ Kode chip -lengde Δ Koderaten høyere enn dataraten Slide 7

8 Barkerkode Egenskaper N ν j= 1 aa j j+ ν 1 for alle 1 ν <N Slide 8

9 Spredning av spektret, Barker-koden Complementary Code Keying (CCK). Packet Binary Convolutional Code (PBCC) Barkerkode med 11 elementer Modulasjonshastighet 11Mchip/s Datahastighet 1 Mbit/s Slide 9

10 Spredning av spektret, Barker-koden Complementary Code Keying (CCK). Packet Binary Convolutional Code (PBCC) Slide 10

11 Eksempel på anvendelse, IEEE og IEEE overføring ved fri sikt IEEE a distribusjon i nærområdet IEEE tilkobling av individuelle brukere Kilde: INTEL Slide 11

12 Modulasjon for fri sikt: LOS (Line Of Sight) Q ρ=1 Enkel bærebølge med kombinert amplitude og fasemodulasjon (ingen spektral spredning) 1 0 I BPSK 64-QAM Q I k Q k = I k Q k = 00 Q I=MSB Q=LSB ρ= I I QPSK I k Q k = 11 I k Q k = Slide 12

13 Modulasjon ved IKKE fri sikt (NLOS) OFDM Ortogonal Frekvens DivisjonMultipleks Del datastrømmen på flere bærebølger. Det reduserer datahastigheten for hver bærebølge Velg modulasjonsmetode for bærebølgene. Høynivå modulasjon øker antall bit per symbol og reduserer symbolhastigheten. Synkroniser datastrømmen for hver bærebølge, Det letter signalbehandlingen. Legg bærebølgene så nær hverandre som mulig. Det gir spektral effektivitet. Symbolhastigheten knyttes til frekvensavstanden. Det stopper nabosignalinterferens, selv om spektra overlapper. Slide 13

14 Betydningen av ortogonalitet cos 2 π ( f + nδf) t cos 2π ft ()dt 0 A n Mottaking av ønsket kanal: T 1 T A0 = cos2π ft cos2π ft dt = dt = T T Mottaking av nærmeste nabokanal: T 1 A1 = cos 2π ft cos 2 π( f +Δf) t dt = cos 2πΔft dt = ksin 2πΔf T T T Slide 14

15 OFDM Ortogonal FrekvensDivisjon-Modulasjon Del datastrømmen på flere bærebølger, opp til Det reduserer datahastigheten for hver bærebølge, med en faktor opp til 1/2048 Symbollengden øker med samme faktor f ( x) Konvensjonell radiotransmisjon Modulator n= N/2 1 f( x) = an e L n= N/2 j(2 π nx / L) Demodulator L /2 1 j(2 π nx/ L) an = f( x) e dx L L /2 Realiseres ved hjelp av FFT (Fast Fourier Transform) Slide 15

16 OFDM Ortogonal Frekvensdivisjon-Modulasjon N 1 st () = a wt ( kt) e k= n= 0 BPSK, QPSK, 16QAM, 64 QAM nk, Symbollengde j2 π Δf ( t kt) Tid fra - til Frekvensavstand Frekvens, N bærebølger Overføringsressurs er TID x BÅNDBREDDE Forskjellige modulasjonsmetoder Slide 16 Guard time Effektiv kapasitet

17 OFDM Ortogonal Frekvensdivisjon-Modulasjon N 1 st () = a wt ( kt) e k= n= 0 BPSK, QPSK, 16QAM, 64 QAM nk, Symbollengde j2 π Δf ( t kt) Tid fra - til Frekvensavstand Frekvens, N bærebølger Forskjellige modulasjonsmetoder Slide 17 Guard time Effektiv kapasitet

18 Syklisk prefiks Siste del av et symbol kopieres og settes foran symbolet. Det sikrer at interferens mellom påfølgende symbol unngås. Dermed blir effektiviteten noe redusert T u /T s =(1-Tg/Ts) Slide 18

19 OFDM ved flerveistransmisjon Flerveistransmisjon τ + Mottatt effekt Overføringsfunksjon ved toveis- Overføring, forsinkelse τ og relativ signalstyrke 1. Bærebølgenummer I dette eksemplet vil hver 4. bærebølge være slukket og dermed ha bitfeilsannsynlighet 0,5. Det gir en total bitfeilsannsynlighet på 0,125 for hele overføringen, uansett sendeeffekt og signalstyrke. Dette kan forbedres ved bruk av feilkorigerende koding Det kan også hjelpe å fordele bærebølgene tilfeldig over båndbredden Slide 19

20 Underbærebølgene Underbærebølger grupperes i subkanaler, både for opplink og nedlink. Den minste tid-båndbreddeenhet, en luke, er 48 underbærebølger med data og 24 piloter i 3 OFDM-symboler. To typer gruppering: - spredte underbærebølger eller - underbærebølger i sammenhengende bånd Slide 20

21 Skalerbar OFDMA Kapasiteten kan tilpasses tilgjengelig båndbredde og krav til datahastighet Frekvensavstanden mellom underbærebølgene er fast, 10,94 khz, som tilsvarer en symbollengde på 91,4 μs. Lengden på prefikset er 11,4 μs slik at total lukelengde er 102,9 μs. Antall symboler i en 5 ms rammer er 48. De to første profilene er basert på 5 og 10 MHz båndbredde Slide 21

22 Toveistransmisjon (Dupleks) e definerer TDD (Time Division Duplex) samt full- og halvdupleks FDD (Frequency Division Duplex). WiMAX-profilen dekker bare TDD Fordeler med TDD Ved forandring av fordeling mellom opplink og nedlink kan systemet tilpasses forskjellige opplink- og nedlink-trafikk. Kanalen vi ha lignende transmisjonsegenskaper begge veier og det letter tilpasning. Kun ett frekvensbånd kreves, og det letter kanalplanlegging. Terminaler for TDD er enklere å konstruere. Slide 22

23 Rammestruktur for TDD Forskjellige rammelengder for UL (uplink) og DL (downlink) Preamble for synkronisering FCH (Frame Control Header) angir informasjon om rammestrukturen DL-MAP UL-MAP beskriver nøyaktig formatene for UL od DL rammene Ranging for avstandsmåling til MS CQICH Kanal for rapportering av kanaltilstand Slide 23 Basert på DOCSIS som er utviket for kabel MAP-melding i hver ramme tillater rask forandring av kapasiteter

24 Andre egenskaper ACM (Adaptive Coding and Modulation) HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request) viktig for mobil bruk Fast Chanel Feedback (CQHICH) Modulasjonsmetoder, UL: DL: Kodemetoder: QPSK, 16 QAM, 64 QAM (optional) QPSK, 16 QAM, 64 QAM Foldingskode, CC (Convolutional Coding) CTC (Convolutional Turbo Coding) (Opsjon: Block Turbo Code og LDPC (Low Density Parity Check)) Dette gir god oppløsning når det gjelder datarater > Slide 24

25 Coding gain Slide 25

26 LDPC Low Density Parity Check Slide 26

27 Comparison with other methods TMC: Trellis Coded Modulation convolutional Reed Solomon + convolutional LDPC Slide 27

28 Forskjelllige datahastigheter Base Station Scheduler bestmmmer datarate for hver skur Channel Quality Indicator angir signalkvalitet etc i MS Dette gir god oppløsning når det gjelder datarater Slide 28

29 MAC Scheduling Service Bestemmelse av format, plassert i hver basestasjon. CQICH gir rask informasjon om kanaltilstanden, som er basis for bestemmelse av modulasjon og koderate Dynamisk ressurstildeling, for hver ramme, og kringkastet i MAP melding i begynnelsen av hver ramme Det kan være individuell styring av forskjellige subkanaler. Subkanaler som benytter forskjellige frekvensbånd kan ha forskjellige egenskaper. Subkanaler med bærebølger spredt over hele båndet har lignende egenskaper Slide 29

30 Multikasting og kringkasting Multicast and Broadcasting Service (MBS) kombinberer det beste egenskapene for DVB-H, MediaFLO og 3GPP E-UTRA MediaFLO er Qualcomms nye teknologi for datakringkasting (inkludert audio og video streaming) til bærbare mottakere, som telefoner og PDA. (FLO = Forward Link Only) E-UTRA = Evolved UTRA (Universal Terrestrial Radio Access) Høy datahastighet og stor dekning ved bruk av Single Frequency network (SFN) Fleksibel tildeling av radioressurser Lavt effektforbruk for mobil stasjon Datakringkasting i tillegg til audio og video streams Kort tid for kanalveksling Slide 30