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WiMAX - IEEE 802.16 2 Camada Física 2.1 Visão Geral São especificados quatro padrões de camada física para o WirelessMAN: SC (Single Carrier), SCa (Single Carrier a), OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing) e OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access). O WirelessHUMAN, especificação do IEEE 802.11 para redes metropolitanas não licenciadas, suporta os mesmos padrões, possuindo alguns componentes específicos de canalização e transmissão de máscara espectral que não estão no escopo deste trabalho. O padrão SC descreve uma
camada física de portadora única que opera a altas freqüências, sendo assim
necessária a garantia de linha de visada da fonte com o destino. Já no padrão
SCa é possível a transmissão fora de linha de visada. O primeiro padrão OFDM, chamado simplesmente de OFDM, foi criado para aplicações pouco exigentes, com baixo alcance, e possivelmente para ambientes internos. O modelo emprega FFT (Fast Fourier Transform) com 256 portadoras. O outro padrão, OFDMA, emprega FTT com 2048 e 4096 portadoras, transmitidas simultaneamente. As modulações utilizadas dependem da especificação de cada modelo de camada física. Modulações com muitos símbolos alcançam taxas de dados elevadas, mas possuem alcances reduzidos. Elas incluem: QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) e QPSK com mapeamento de Gray, com constelação de 4 símbolos; 16-QAM (16-State Quadrature Amplitude Modulation), com constelação de 16 símbolos; 64-QAM (64-State Quadrature Amplitude Modulation), com constelação de 64 símbolos; 256-QAM (256-State Quadrature Amplitude Modulation), com constelação de 256 símbolos; BPSK e Spread BPSK (Binary Phase-Shift Keying), com constelação de 2 símbolos. 2.2 WirelessMAN-SC A especificação WirelessMAN-SC da camada física do 802.16 foi desenvolvida para operação entre as freqüências de 10 Ghz a 66 Ghz. Ela possui alta flexibilidade, característica que auxilia os provedores de conteúdo a otimizarem suas estratégias de custo, planejamento de células, serviços, capacidade e funcionalidades do canal. Devido à alta freqüência, a manutenção da qualidade de serviço necessita que a comunicação seja feita em linha de visada entre a estação base e a estação cliente. É também recomendada a utilização de antenas direcionais nas estações cliente, para diminuir o número de reflexões do sinal e a interferência devido a causas diversas. São utilizados três tipos de modulação: QPSK, 16-QAM, opcional para o uplink , e 64-QAM, opcional para o downlink e para o uplink . A utilização de diversos esquemas de modulação fornece vários graus de robustez e eficiência às rajadas. Cada quadro é dividido em sub-quadro de downlink e sub-quadro de uplink . A duplexação entre eles pode ser feita de duas maneiras: FDD ( frequency division duplexing ) e TDD ( time division duplexing ). No FDD, os dois canais são alocados em freqüências diferentes. Como a transmissão no canal de downlink pode ser feita em rajadas, existe suporte a estações cliente tanto full-duplex quanto half-duplex . Já no FDD, os canais são divididos no tempo, e utilizam a mesma freqüência. Embora o quadro possua tamanho fixo na duplexação por tempo, a divisão entre os tempos fornecidos para downlink e para uplink pode ser desigual. Em transmissões half-duplex , existem intervalos de tempo onde o meio fica desocupado. Eles são divididos em dois tipos: TTG ( transmit/receive transition gap ) e RTG ( receive/transmit transition gap ). O TTG, localizado entre a rajada de downlink e a de uplink subseqüente, permite que a estação base entre em modo de recepção, e que a estação cliente entre em modo de transmissão. Ao final do intervalo, a estação base aguarda os primeiros símbolos da rajada de uplink. No RTG, localizado entre a rajada de uplink e a de downlink subseqüente, o oposto acontece.
A figura 4.2.3 ilustra o sub-quadro de downlink para o modo TDD. Um preâmbulo é utilizado pela camada física para sincronização e uniformização. Posteriormente, localiza-se uma seção de controle de quadro, que possui os DL-MAP e UL-MAP, utilizados para indicar os slots físicos nos quais as rajadas devem começar. Um slot físico equivale a quatro símbolos QAM ( Quadrature Amplitude Modulation ). As seções TDM (T ime Division Multiplexing ) seguintes carregam os dados. Elas se dividem entre diferentes modulações e configurações de FEC ( Forward Error Correction ), que são organizados em ordem decrescente de robustez. Por exemplo, ao se utilizar um único tipo de FEC, com parâmetros fixos, a primeira região utilizaria modulação QPSK, a segunda 16-QAM, e a última 64-QAM. Após as seções TDM, um intervalo TTG é posicionado. Cada estação base decodifica a informação de controle, e busca cabeçalhos MAC que indiquem a existência de dados para ela no restante do sub-quadro. Pela figura 4.2.4 podemos ver que o sub-quadro de downlink FDD possui estrutura semelhante àquela ilustrada para o TDD. O downlink FDD suporta estações cliente full-duplex e half-duplex , e é possível que estas últimas estejam programadas para transmitir posteriormente no mesmo quadro. Outra diferença é a existência de uma seção TDMA (T ime-Division Multiple Access ), também controlada pelo DL-MAP. Esta seção permite a decodificação de somente algumas regiões específicas do sub-quadro, o que é utilizado por estações cliente half-duplex que necessitem transmitir antes de receber o downlink completo.
O sub-quadro de downlink ainda inclui uma subcamada de Convergência de Transmissão (TC), que transforma os PDUs de tamanho variável da camada MAC em blocos FEC de tamanho fixo. Somente no final da rajada pode haver um bloco menor que o padrão. A TC insere ainda um ponteiro com o tamanho de um byte que auxilia na identificação do início de cada PDU dentro do bloco FEC.
A figura 4.2.6 mostra o sub-quadro de uplink utilizado na transmissão da estação cliente para a estação base. Cada estação cliente só transmite nas posições do uplink determinadas pelo UL-MAP. Podem ainda existir espaços alocados baseados em contenção, para um primeiro acesso ao sistema ou para requisições de banda para comunicação em broadcast ou multicast . A transmissão é TDMA, sendo que as rajadas podem conter um número variável de PDUs. As transmissões de diferentes estações cliente são separadas por SSTGs (S ubscriber Station Transition Gap ), que permitem a finalização completa do sinal anterior e a sincronização da estação base com a nova estação cliente. A subcamada TS de uplink é idêntica à de downlink .
2.3 SCa A camada física SCa foi desenvolvida com tecnologia de portadora única, e utiliza freqüências abaixo de 11 GHz para possibilitar transmissões fora de linha de visada. Deve existir suporte a pelo menos um tipo de duplexação, FDD ou TDD. O uplink utiliza TDMA, e o downlink utiliza TDM ou TDMA. São especificadas estruturas de quadro que permitem melhor equalização e estimação de performance, em regiões sem linha de visada ou com um grande atraso de espalhamento. As modulações utilizadas são: Spread BPSK, BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM e 256-QAM, sendo a última opcional.. 2.4 OFDM O padrão WirelessMAN-OFDM foi desenvolvido para comunicação fora de linha de visada, utilizando freqüências abaixo de 11 Ghz e FTT ( Fast Fourier Transform ) com 256 portadoras. As ondas são criadas através da transformada inversa de Fourier. A figura 4.4.1 ilustra o símbolo OFDM no domínio do tempo. Seu tempo útil é chamado de T b . Uma cópia do final do símbolo (T g ) é posicionada no início, para coletagem caso o sinal tenha passado por múltiplos caminhos, mantendo assim sua ortogonalidade. No domínio de freqüência, existem três tipos de sub-portadoras: para transmissão de dados; pilotos, utilizadas em estimativas; e nulas, que não estão transmitindo no momento, e são utilizadas como bandas guarda, sub-portadoras inativas, ou sub-portadoras DC. As bandas guarda têm o objetivo de permitir que o sinal decaia naturalmente e criar a forma de “muralha” do FTT. A sub-portadora DC equivale à freqüência RF central da estação. As modulações utilizadas por este padrão são BPSK, QPSK com mapeamento de Gray, 16-QAM e 64-QAM (opcional em bandas que não precisem de licenciamento).
Para bandas licenciadas, a duplexação pode ser tanto FDD quanto TDD. Em bandas não licenciadas, a duplexação deve ser TDD. A transmissão é baseada em quadros. O sub-quadro de downlink possui somente uma PDU, enquanto o sub-quadro de uplink é dividido em intervalos de contenção programados para requisitos iniciais e de banda, além de um ou vários PDUs, transmitidos por diferentes estações cliente. 2.5 OFDMA A camada física OFDMA é baseada em modulação OFDM, e foi desenvolvida para operação sem linha de visada, com freqüências inferiores a 11 Ghz. O modelo emprega FTT com 2048 e 4096 portadoras. O símbolo no domínio do tempo é semelhante àquele do padrão OFDM, como mostra a figura 4.5.1. No domínio de freqüência, a diferença é que as sub-portadoras são divididas em sub-canais. No downlink , cada sub-canal pode ser utilizado para a transmissão para grupo diferente de usuários. No uplink , cada cliente pode utilizar um ou mais canais. Diversos clientes podem transmitir simultaneamente. A divisão em sub-canais lógicos tem por objetivo a escalabilidade, acesso múltiplo e ao processamento de grupos de antenas. Não é necessário que as sub-portadoras que compõem um mesmo canal sejam adjacentes, como indicado na figura. AS modulações utilizadas são QPSK com mapeamento de Gray, 16-QAM e 64-QAM (opcional).
Para bandas licenciadas, a duplexação pode ser tanto FDD quanto TDD. Estações cliente podem ser H-FDD, que tenta combinar os benefícios do TDD com a duplexação de freqüências do FDD. Em bandas não licenciadas, a duplexação deve ser TDD. Seção Anterior | Topo da Página | Próxima Seção
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