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第二章 IEEE 802.16E 標準簡介

2.2 W IRELESS MAN-OFDMA 實體層簡介

2.2.2 子載波分配

OFDMA 實體層子載波最主要的分配方式有 Partial Usage of Subchannels (PUSC)及 Full Usage of Subchannels(FUSC)如圖 2.7。在此不討論其他的方式如 TUSC 或 AMC。PUSC 是指將部分的子通道給予傳輸者而 FUSC 則是將所有的通 道給予一個傳輸者。

一個 OFDMA 的訊框可以有很多的區塊(zones)組合,如 PUSC、FUSC、

AMC、和 Optional FUSC,我們可以由圖 2.7 看出緊接在前置碼之後的一定是 PUSC,因為在 MS 收到前置碼之後不會知道第一個區塊的載波分配方式是如 何,為了確定 MS 能準確的收到訊框控制表頭、DL_MAP 和 UL_MAP,故將第 一個區塊設定為 PUSC,有了 DL_MAP 及 UL_MAP 之後也才能了解之後的區塊 分配方式。

圖 2.7 有不同載波分配方式的 OFDMA 訊框

前置碼(Preamble)

在下載子訊框第一個 symbol 就是前置碼,前置碼有 3 種不同的形式分別配 置給 3 個 segments,其調變方式是 BPSK 且是 PN 碼,前置碼 3 種不同的集合由

方程式(2.1)來表示

PreambleCarrierSetn = + ⋅ (2.1) n 3 k PreambleCarrierSet 代表所有集合裡面的子載波將被分配給前置碼。 n

n是指出第幾個前置碼集合,n可以從 0 到 2 中任選。 上分配子載波以及 pilots,下面表格含有 2048-FFT symbol 結構的參數。

Parameter Value Comments

Number of DC subcarriers 1 Index 1024 (counting form 0) Number of Guard subcarriers,

Left

184 Number of Guard subcarriers,

Right

183 Number of used subcarriers

(Nused)

1681 Number of all subcarriers used within a symbol, including all possible allocated pilots and the DC carrier.

Number of subcarriers per cluster

14 Number of cluster 120

Renumbering sequence 1 Used to renumber clusters before allocation to subchannels:

6,108,37,81,31,100,42,116,32,107,30,93,5 4,78,10,75,50,111,58,106,23,105,16,117,3 9,95,7,115,25,119,53,71,22,98,28,79,17,6 3,27,72,29,86,5,101,49,104,9,68,1,73,36,7

4,43,62,20,84,52,64,34,60,66,48,97,21,91,

Number of data subcarriers in each symbol per subchannel

24 Number of subchannels 60

Basic permutation sequence 12

(for 12 subchannels)

6,9,4,8,10,11,5,2,7,3,1,0

Basic permutation sequence 8 (for 12 subchannels)

4 7,4,0,2,1,5,3,6 個 segment,每一個 segment 含有 20 個子通道,故一個 OFDMA symbol 共會有 60 個子通道且每個子通道含有 28 根子載波。每個子通道含有 2 個 cluster 且每個 cluster 會有 12 根載波分配給資料,2 根載波分配給 pilot。

2. 接下來將每個實體 cluster 做重排(renumbering)成邏輯 cluster,重排的動 作會依據方程式(2.2)來執行。

它則去讀取STC_DL_Zone_IE 裡面的DL PermBase 值且使用方程式 _ (2.2)中的第二項方程式,而 RenumberingSequence 可由表格 2.2 得知。

3. 在把實體 clusters 重排成邏輯 clusters 之後,系統會把邏輯 clusters 分組 (group),120 個 clusters 將會被分成 6 組,由表格 2.3 可看出每組所擁有 的 clusters。由第一步驟可知系統會將子載波分成 3 個 segments,所以會 將(0,1)組當成第 1 個 segment,(2,3)(4,5)當成第 2 和第 3 個 segment。

組別 Cluster index Cluster 數量

0 0-23 24

1 24-39 16

2 40-63 24

3 64-79 16

4 80-103 24 5 104-119 16

表格 2.3 下傳 PUSC 不同的組所含的 Clusters 數量

4. 在經過分組之後,系統會依照 OFDMA symbol 來加上 pilot 到每一個 cluster 上如圖 2.8。

圖 2.8 OFDMA cluster 架構

5. 接下來會以組為單位來進行打散(permutation)的動作,這動作打亂了子載 波 的 排 列 用 以 對 付 頻 率 選 擇 衰 減 通 道 (frequency selective fading channel )。由表格 2.3 可知一組(group)可能會有 8 個子通道或是 12 個子 通道,故將每一組子通道數表示為Nsubchannels且每個子通道含有的子載波

數表示為Nsubcarriers,接下來依據方程式(2.3)單獨打散每一組裡面的子載 波。

{

s k subchannels

}

subchannels

k s

subchannel n p n N DL PermBase N

N Number of subcarriers 1

Nused 1681

TilePermutation 6,48,58,57,50,1,13,26,46,44,30,3,27,53,22,18,61, 7,55,36,45,37,52,15,40,2,20,4,34,31,10,5,41,9,69, 63,21,11,12,19,68,56,43,23,25,39,66,42,16,47,51 8,62,14,33,24,32,17,54,29,67,49,65,35,38,59,64 , 28,60,0

subchannels

N 70

subcarriers

N 48

Number of tiles 420 Tiles per subchannel 6

表格 2.4 2048-FFT OFDMA 上傳 PUSC 載波分配方式

依據表格 2.4 中可得知,1680(去除 DC 載波)根子載波分成 420 個 tiles,並 且將 6 個 tile 分給一個子通道,分配的規則會下依列 2 個步驟來執行。

1. 將 420 個 tiles 分成 6 組(groups),故每組包含了 70 個連續的 tiles。

2. 從方程式 2.4 中取出選出 6 個 tiles 當成一個子通道。

Tile s n( , )=70⋅ +n (Pt s(( +n) mod 70)+UL PermBase_ ) mod 70 (2.4)

‧ Tile 是指實體 tile 的位置(從 0 開始)

‧ n 是指第幾組,其值是從 0 到 5 依序帶入方程式(2.4)算出是取出哪一個 tile

‧ s 是指第幾個子通道,其值範圍是從 0 到 69

我們舉個例子來算出第 0 個子通道所分配到的 tiles,參數 UL_PermBase 設為 2,

先將 TilePermutation 向左位移 0 次並取出前面 6 個數字{6,48,58,57,50,1},再將 6 個 數 字 加 上 2 可 以 得 到 {8,50,60,59,52,3} , 最 後 我 們 將 六 個 數 字 分 別 加 上 {0,70,140,210,280,350}故可得最後實體 tile 得位置{8,120,200,269,332,353}如圖 2.10

將實體 tile 配置成邏輯 tile 給予一個子通道,資料子載波的排列會依據下列 兩個步驟來執行。

1. 當系統將 6 個邏輯 tiles 給予一個子通道後,依據圖 2.9 中 pilot 的排列方式將 pilot 依序分配給每一個 tile,由以上可得知將會有 48 根子載波分配給資料。

資料子載波的順序會從第一個 symbol 中的最低的子載波開始往上加,直到到

達最高的子載波,接下來再從下一個 symbol 最低的子載波開始重複動作,故 我們可以知道資料子載波索引會從 0 到 47 如圖 2.10。

圖 2.10 參數 UL_PermBase=2 的第 0 個子通道圖

2. 在知道資料子載波的位置之後,再依序把資料載到資料子載波上,依據方程 式(2.5)可以把 48 個資料載到子載波上。

Subcarrier n s( , )=(n+ ⋅13 ) mods Nsubcarriers (2.5)

Subcarrier n s 是指算出來資料載波的參數,可由圖 2.10 得知載波位置。 ( , )

‧ n 是指從 0 跑到 47 去算出資料應該擺的位置。

‧ s 是指第幾個子通道。

我們舉個例子來將 48 個資料放進第一個子通道,由方程式(2.5)可以算出 48 個資 料應該擺的位子{13,14,……47,0,1……,12},故我們就將資料依位子放入圖 2.10 所指出的位置。

Ranging

initial/handover ranging

一個 ranging 通道是由一個或是多個組(groups)所形成,每組均由 6 或 8 個連 續的子通道所組成,子載波分配方式定義於 2.2.2。我們可以由 UL_MAP 中得知 是由哪些連續的子通道組成 ranging 通道。每個 MS 端可以同時在 ranging 通道中 傳輸 ranging 訊號。為了有效的傳輸 ranging 碼,MS 會從 BS 設定的多組 ranging

來調變。

Initial ranging 碼是用作於一個 MS 要初始化進入網路,而 handover ranging 碼則是在 MS 要進行 handover 時對目標 BS 進行 ranging 動作所需要的碼。一個 initial/handover ranging 訊號是由 2 個或 4 個連續的 OFDM symbol 組成,2 個連 續的 OFDMA symbol 都是用一樣的 ranging 碼。圖 2.11 是 initial ranging/handover ranging 在時域上傳輸訊號圖,可以看出第 2 個 symbol 所複製的點數與第一個 symbol 循環字首(cyclic prefix)擺法不同是因為要讓兩個 symbol 之間的角度為連 續。

圖 2.11 initial/handover ranging 時域傳輸訊號

BS 會分配給 MS 連續兩個 initial/handover ranging 的空間,故 MS 可以連續 傳輸兩組 initial/handover ranging 碼如圖 2.12

圖 2.12 使用兩組連續 initial/handover ranging 時域傳輸訊號

Ranging 碼

Ranging 碼是二位元碼並且是一種 PN(pseudonoise)碼,其是由 PRBS 產生如 圖 2.13,並且其產生多項式(generator polynomial)為1 X+ 1+X4+X7+X15。PRBS 產生器會藉由[b14…b10]=0,0,1,0,1,0,1,1,s0,s1,s2,s3,s4,s5,s6,s6 是 PRBS 的最低有 效位(LSB),而 s0:s6 是由 UL_PermBase 定義。

圖 2.13 PRBS 產生器

Initial ranging 碼是由 PRBS 產生出C 型成一連串的 PN 序列,其每組 rangingk 碼的長度均是 144 個位元。這些位元會被調變在由 6 個連續子通道型成的 ranging 通道,會從最低的子載波開始放上去。由 2.2.2 的 UL_PUSC 知道 6 個子通道所 含的子載波有 144 根,故最低的位元將會對應到最低的子載波而最高的位元會對 應的最高的子載波。

舉例而言,我們假設 UL_PermBase=0 而最先由C 所產生出來的 144 個位元k 就是我們的第一組 ranging 碼,第一組碼字為 00110000010001………,而下一組 ranging 碼則為由C 產生出第 145 到第 288 個碼字。由 PRBS 所產生出來的 rangingk 碼每組之間相關性非常低。我們在這邊舉[50,100,150,200]且 UL_PermBase=0 的 ranging 碼來驗證這 4 組碼字與 256 組碼字的相關性,由圖 2.14 可得知除了與自 己相關性最大,跟其他 255 組相關性都非常低。

0 100 200 300 參數(時間延遲、頻率偏移、功率),而 BS 亦可獲得通道振幅響應(channel impulse response),而從 BS 獲得調整參數之後,MS 可以有效的去調整其時間延遲、功 率、頻率偏移去提升系統效能。

Ranging 傳輸機會(ranging slot)大小

Ranging 傳輸機會大小是由N 個 OFDMA symbols 以及1 N 個 OFDMA 子通道2 symbol 開始如圖 2.15。ranging slot 並不一定要把所有 BS 給的頻寬配置佔滿,可

以留一段空間讓 ranging 訊號與資料訊號可以有一段區隔去降低干擾。

N1 N1個 OFDMA symbols

N2subchannels

Ranging 頻寬配置

圖 2.15 ranging 傳輸機會圖

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