Die zwei bis 11-GHz-PHY des IEEE 802.16a-Standards in Wireless MESH-Networks

WirelessMAN OFDM-PHY

Die WirelessMAN OFDM-PHY ist für NLOS-Operation in regulierten und lizenzfreien Bändern zwischen 2 und 11 GHz gedacht. Im letzteren Fall kann die durch die Regulierung festgelegte Bandbreite in eine Kanalzahl nach Zweierpotenzen aufgeteilt werden, allerdings sollte ein Kanal wenigstens 1,25 MHz breit sein. Für alle weiteren Ausführungen setze ich hier voraus, dass die OFDM-Synthese von IEEE 802.11 a, g oder h bekannt ist.

Die OFDM Wellenform wird durch eine inverse Fourier-Transformation erzeugt. Ihre Dauer wird auch als Symbol-Nutzzeit „Tb“ definiert. Eine Kopie der letzten Symbol-Nutzzeit (Tg) in µs wird als zyklisches Prefix CP oder Schutzzeit bezeichnet und dazu gebraucht, Multipath-Informationen zu sammeln um die Orthogonalität zu wahren. Die Symbolzeit Ts ist Tg + Tb.

Die Sendeenergie steigt mit der Länge der Schutzzeit, während die Empfängerenergie gleich bleibt, weil die zyklische Erweiterung am Empfänger ausgekoppelt wird. Der CP Overhaed und der dadurch entstehende Verlust im Signal-Rauschverhältnis können durch Vergrößerung der Fourier Transformationsgröße verringert werden, die allerdings die Anfälligkeit des Systems gegenüber Phasenrauschen erhöht.

Verwendet man eine CE, können die Samples, die man für die FFT im Empfangsprozess braucht, überall auf der ganzen Länge des erweiterten Symbols genommen werden. Dies führt zu einer größeren Unempfindlichkeit gegenüber Multipath-Effekten und zu einer Toleranz gegenüber Synchronisationsfehlern in der Symbolzeit. Die eigentliche Grundstruktur eines OFDM-Signals wird durch die Frequenzdimension beschrieben. Ein OFDM-Symbol besteht aus einer Menge von Unterträgern, die die FFT-Größe bestimmen, die benutzt werden muss. Es gibt folgende Unterträger:

• Datenunterträger für die Datenübertragung
• Pilotunterträger für verschiedene Bestimmungen im Sende/Empfangsprozess
• Nullunterträger für Schutzbereiche. Sie sind in den Übertragungsprozess nicht involviert

Der Standard sieht die Verwendung einer 256-FFT vor. Dabei werden 200 Unterkanäle für die Datenübertragung benutzt sowie 28 als Nullunterträger für die unteren Frequenzen des benutzten Spektrums und 27 für die oberen. Die Kanäle, die man anschließend nutzen kann, bestehen jeweils aus einer Menge von Unterkanälen. Zur Erzielung der maximalen Orthogonalität sind diese aber geschachtelt, d.h. die einzelnen Unterkanäle eines Kanals haben untereinander den maximal möglichen Frequenz-Offset.

Die Kanalcodierung besteht aus den drei Schritten Verwürflung, FEC und Überlappung, die bei der Sendung in dieser und beim Empfang in der ungekehrten Reihenfolge durchgeführt werden müssen. Bei der FEC sind wiederum Konvolutions-Codes, Block Turbo Codes und konvolutions Turbo Codes möglich. Nach der Überlappung werden die Datenbits seriell auf die QPSK, 16-QAM oder 64-QAM-Konstellationspunkte abgebildet. Für Up- und Downlinks sieht der Standard an dieser Stelle unterschiedliche Möglichkeiten für die Zusammenfassung von Signalgruppen vor.

Für die Punkt-zu-Vielpunktverbindungen sieht der Standard in regulierten Bändern FDD, H-FDD oder TDD vor. Bei lizenzfreien Bändern sollte TDD verwendet werden. Die OFDM-PHY unterstützt eine Frame-basierte Übertragung. Ein Frame besteht aus einem DL-Subframe und einem UL-Subframe. Ein DL-Subframe besteht nur aus einer einzigen DL PHY PDU. Ein UL-Subframe besteht aus Contention Intervallen für das initiale Ranging und die Möglichkeit, Bandbreite anzufordern und einer oder mehreren UL PHY PDUs, jede gesendet von einer anderen SS.

Eine UL PHY PDU besteht aus nur einem einzigen Burst, der aus einer kurzen Preambel und einer ganzzahligen Anzahl von OFDM-Symbolen besteht. Man muss also immer genau schauen, ob man es mit einem Burst oder einer PHY PDU zu tun hat. Eine DL PHY PDU beginnt mit einer langen Präambel, der ein FCH Burst (Frame Control Header) folgt. Der FCH Burst ist ein OFDM-Symbol lang und wird mit 1/2 QPSK gesendet. Er enthält ein Frame Prefix zur Spezifikation des Burst Profils und ggf. zusätzliche Kontrollinformationen, auch aus der MAC.

Nach ihm kommen ein oder mehrere DL-Bursts, jedes mit einem ggf. anderen Burst Profil. Jeder DL-Burst enthält eine ganzzahlige Anzahl von OFDM-Symbolen und eine Spezifikation für das aktuelle Burst Profil. Bei der Abbildung von MAC PDUs auf PHY PDUs kann es vorkommen, dass sich keine ganzzahlige Anzahl von DFDM-Symbolen ergibt. In diesem Fall wird immer aufgefüllt. In jedem TDD-Frame muss es je eine Lücke für den Richtungswechsel für Sendung/Empfang (je nach Perspektive DL oder UL) geben, die TTG für Transmit/Receive Gap oder die Receive/Transmit Gap RTG.

In FDD Systemen braucht man TTG und RTG nicht, weil Up- und Downlink auf unterschiedlichen Frequenzen stattfinden.

weiter mit: Die Frame-Struktur in einem Maschensystem

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