WiMAX无线接口物理层ISSUE-演示课件

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,前 言,培训目标,学完本课程后，您应该能： 了解WiMAX无线接口协议栈 掌握OFDMA物理层结构 了解WiMAX物理层过程,第1章 WiMAX无线接口概述 第2章 OFDMA物理层 第3章 WiMAX物理层过程,内容介绍,WiMAX体系架构,R1接口协议栈,R1接口物理层,802.16协议中定义了4种物理层 SC (Single carrier) SCa (Single carrier, release a) OFDM(

2、OFDM-256) 802.16d基于固定的WiMAX产品 OFDMA 802.16e基于移动的WiMAX产品,物理层,FEC （RS,BTC, CTC,Modulation Mapping,Randomization,IFFT,Cyclic Prefix,Interleave,DL PHY Process,UL PHY Process,Remove Cyclic Prefix,FFT,Freq. Domain Equalizer,De-Map Symbols,Viterbi & RS Decoder,De-Randomization,De- Interleave,Data to MAC la

3、yer,Data from MAC layer,RF TX,baseband,RF RX (Timing & Frequency Correction etc,baseband,DL/UL 物理层处理,OFDMA 技术,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 通过 IFFT, 频域的采样点转化为时域的采样点 通过 FFT, 时域的采样点转化为频域的采样点,第1章 WiMAX无线接口概述 第2章 OFDMA物理层 第3章 WiMAX物理层过程,内容介绍,第2章 OFDMA物理层 第1节 基本概念 第2节 子载波分配策略 第3节 物理帧结构,内容介绍,二维信号

4、,时域符号,G = Tg/Tb, 有1/32, 1/16,1/8, and 1/4 Ts =102.9 us（G=1/8,Tb: 有效符号周期 Tg: CP （Cyclic Prefix）长度,频域符号,基本参数 BW 带宽 Nused 可用子载波（include DC） n sampling factor, 28/25 if BW are multiple of any 1.25,1.5,2,2.75 MHz, 8/7 else 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

5、效符号周期：Tb=1/ f,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,Zone,定义：一组使用相同置换公式的连续OFDMA符号构成 分类： PUSC，Optional PUSC FUSC，Optional FUSC AMC TUSC1，TUSC2（ tile usage of subchannels,Slot,资源最小分配单位 Slot=n子信道m OFDMA符号 n与m的大小与Zone和上下行有关 下行FUSC 或 OFUSC Zone n1，m1 下行PUSC Zone n1，m2 上行PUSC Zone ，下行TUSC1 TUSC2 Zone

6、n1，m3 上行或下行 AMC Zone n1，m2，3，6,Segment,一组可用子信道的集合,可以包括全部可用子信道 一个Segment对应一个Sector,Data Region,一组连续子信道和连续OFDMA符号构成的二维allocation 下行一个data region是规则的矩形，可以用于一个或一群MS的发射,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2章 OFDMA物理层 第1节 基本概念 第2节 子载波分配策略 第3节 物理帧结构,内容介绍,Preamble,NFFT 个子载波去除保护子载波后，剩余子载波将按以下公式构

7、成三个Carrier-sets: n is CarrierSet index 02 k is a running index 0.567(FFT-2048) 三个Carrier-set分别对应三个Segment Segment#0-Carrierset0 Segment#1-Carrierset1 Segment#2-Carrierset2 Carrier-set中的subcarriers 采用Pseudo-Noise (PN) 码作为调制码，进行增强型 BPSK 调制,DL PUSC,PUSC即部分使用子载波， DL PUSC是帧中唯一必须出现的 DL PUSC子载波分配方式: 划分保护子载

8、波、中心子载波和可用子载波 将可用子载波划分为若干个物理cluster 按照一定的映射关系把物理cluster转换成逻辑cluster 将所有逻辑cluster分成6个Major Group 在每组cluster中分配导频子载波和数据子载波 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 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 FUSC,FUSC即全部使用子信道，仅用于下行 FUSC子载波的分配方式: 划分保护子载波、中心子载波和可用子载波 在可用子载波中分配导频子载波和数据子载波 将数据子载波分成Ns

9、ubcarrier个组，每个组有Nsubchannel个数据子载波 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,UL PUSC,UL PUSC子载波分配方式: 划分保护子载波、中心子载波和可用子载波 将可用子载波划分为若干个物理tile 按照一定的映射关系把物理tile转换成逻辑tile 将所有的tile分成6个组，每组Nsubchannel个tile 根据抽取规则从每个组中抽取一个tile组成子信道 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 AMC,BAND AMC的子信道是连续的，每个子信道都有自己的独立导频 BAND AMC子载波分配方式: 划分保护

10、子载波、中心子载波和可用子载波 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） 将各个BIN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BIN 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2章 OFDMA物理层 第1节 基本概念 第2节 子载波分配策略 第3节 物理帧结构,内容介绍,协议帧结构,物理帧分为下行子帧、上行子帧、TTG和RTG Preamble占用下

11、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 number 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 接着第一个PUSC置换区之后，是协议规定的可选置换区 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,下行子帧由Preamble、FCH（frame control header ）、DL_MAP和下行数据burst组成 FCH在下行第一个PUSC zone中最前面4个连续的logic sub-channels (slots)上发射，用于指示PUSC zone

12、使用的子信道和DL-MAP的发射信息 DL_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 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,上行子帧由Ranging子信道和上行数据burst组成： Ranging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SS都可以使用，BS将对此进行检测 上行数据burst承

13、载上行数据，上行每个SS使用一个burst TTG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 RTG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1章 WiMAX无线接口概述 第2章 OFDMA物理层 第3章 WiMAX物理层过程,内容介绍,基站发送和接收处理过程,发送：经MAC层处理后的下行数据以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

14、通过射频处理后按下行子帧的结构发射出去 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,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 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

15、端的处理,数据分块： BS、SS通用，将MAC层送来的数据进行分块，按协议8.4.9.2.3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 随机化Randomization： BS、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8.4.9.1规定 CC编码CC coder： BS、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8.4.9.2.3规定 CTC编码CTC coder： BS、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8.4.9.2.3规定,OFDMA物理

16、层发送端的处理,重复编码repetition： BS、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8.4.9.5规定 调制Modulation： BS、SS通用，将编码后的数据按协议8.4.9.4.2的规定进行星座图调制，支持的调制方式有QPSK、16QAM和64QAM三种 随机序列发生器PRBS Generator： BS、SS通用，随机序列发生器用于产生一个协议8.4.9.4.1规定的伪随机数序列，生成多项式为X11+X9+1，生成的序列用于产生导频图案和子载波加扰序列,OFDM

17、A物理层发送端的处理,导频调制Pilot Modulation： BS、SS通用。用产生的PRBS序列组成的导频图案按协议8.4.9.4.3规定的方法进行调制 PUSC子载波分配Subcarrier Allocation: BS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8.4.6.1.2.1规定的方法，上行按协议8.4.6.2.1规定的方法进行子载波分配 FUSC子载波分配Subcarrier Allocation：

18、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8.4.6.1.2.2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,子载波映射Subcarrier Mapping： 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。 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 STC编码encoder： 实现MIMO时需要 子载波加扰Subcarrier Randomization： BS、SS通用，按协议8.4.9.4.2规定的方法用产生

19、的PRBS序列对数据子载波进行加扰,OFDMA物理层发送端的处理,前导码Preamble： 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8.4.6.1.1规定 IFFT： BS、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 加CP： BS、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 Ranging和带宽请求码发生器： SS使用，码发生器的结构由协议8.4.7.3规定,OFDMA物理层接收端的处理,时间频率同步Timing & Frequency Sy

20、nchronization： SS在开机后先需要搜索BS的下行Preamble，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 FFT： BS、SS通用，IFFT的逆过程，将时域信号转换到频域 信道估计Channel Estimation： 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,信道均衡Channel Equalization： 利用信道估计的结构对数据子载波上的信号

21、进行补偿，包括幅度和相位的补偿 分集合并： BS和SS不同，STC编码的逆过程，接收器等待2个符号，然后根据8.4.8.1.2.1里公式（117）和（118）将它们在一个子载波基础上进行合并 子载波解扰Subcarrier Derandomization： BS、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 子载波解映射Subcarrier Demapping： 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,slot最大比合并Maximam Ratio

22、 Combination： BS、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法进行合并 天线最大比合并： BS、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 解调制Demodulation： BS、SS通用，星座图调制的逆过程 CTC译码CTC Decode： BS、SS通用，以数据block为单位进行CTC译码 CC译码CC decode： BS、SS通用，以数据block为单位进行CC译码，采用Viterbi译码算法 解随机化Derandomization： BS、SS通用，用协议8.4.9.1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,中

23、频模块： 下行完成数字I/Q调制、数字上变频、数模转换。 上行完成模数转换、数字下变频、数字I/Q解调 射频模块： 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 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 功放模块： 对来自射频模块的下行射频信号进行功率放大,调制方式,调制方式： QPSK quadrature phase-shift keying 正交相移键控 QAM 16 quadrature amplitude modulation 正交幅度调制 QAM 64,DL PUSC with All SC,PUSC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 这个置换区中，逻辑clu