Copia de Capitulo 3 Capa Fisica de WiMAX y OFDMA

5/14/2018 Copia de Capitulo 3 Capa Fisica de WiMAX y OFDMA - slidepdf.com

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Capa Física de WiMAX

Diogenes Marcano

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mailto:[email protected]

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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



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



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



◙ 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



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.



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



Procesamiento dela capa física delDL de IEEE 802.16



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



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



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



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



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



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



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



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



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



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



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:



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



• 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



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



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



• 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



OFDMA Downlink carrier allocations—PUSC FFT=2048



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.



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



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



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



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



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



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



CAPA FISICA 802.16m



Capa Física 802.16m



Parámetros para

OFDMA convarios anchos debanda y G=1/8 yG=1/16



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.



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.



Configuración de Trama para 5/10/20 MHz



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



Estructura de la Super Trama FDDpara BW 7 MHz



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



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.



C t G l d M lti C i



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)



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



Escenarios donde se justifica usar un ARS

Las ARS soportan equipos terminales IEEE 802.16e

(2009) e IEEE 802.16m

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