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802.16m为WiMAX技术发展奠定重要基石

  4G技术标准其中一条支线--IEEE 802.16m的任务群组(Task Group)在去年底已投票完成IEEE 802.16m Draft 12版本修正,并送交联合国ITU-R IMT-Advanced标准委员会,成为正式的4G国际标准成员之一,为WiMAX技术发展奠定重要基石。

  全球微波存取互通接口论坛(WiMAX Forum)中的网络工作群组(Network Working Group, NWG),已于今年正式以此Draft 12版文件做为开发WiMAX-Advanced(WiMAX2)网络应用技术的基石。此举使IEEE 802.16m具备更加完整化的应用设定,也更能藉该标准来显现WiMAX的独特性,达到相辅相成的效果。鉴于此新进展可望为WiMAX再添动能,且逐渐吸引产业的目光,本文将针对IEEE 802.16m Draft 12的讯框架构(Frame Structure)进行初步介绍。  

  讯框架构更细腻 

  IEEE 802.16m的多任务计划(Duplex Scheme)技术是以讯框架构支持分时双工(TDD)、分频双工(FDD)及半分频双工(Half-Duplex Frequency Division Duplex, H-FDD)三种模式进行,任何一种多任务技术皆可获得标准支持。在此前提下,FDDTDD间最大的差异在于前者所需求的频宽大于后者,而频宽需求居中的H-FDD模式则比前者更低(因为使用半双工模式),但在造价上则与后者相当。  

  不论使用何种传输模式,IEEE 802.16m标准采用以讯框的方式,做为传输通讯的基本单位。为与旧有的IEEE 802.16d/e系统兼容,每一个讯框的传输时间为5毫秒(ms)长,包括一次下行(Downlink, DL)与上行(Uplink, UL)持续时间。唯一不同于IEEE 802.16e的传输方式为802.16m另将每四个讯框组织成一个更大的超级讯框(Superframe),总时间长为20毫秒。同时每一个讯框在时间轴上再分割为八个等长或不等长的子讯框(Sub Frame, SF),或称为AAI子讯框(Advanced Air Interface-SF)。图1所示为多个超级讯框连续排列,以及一个超级讯框由四个讯框,且一个讯框由八个子讯框组成的架构概略图示。  

 

1 超级讯框结构

  完成信息收集/同步化 SFH/前置讯号各司其职   

  在图1所示架构中,每一个超级讯框的周期皆有一个超级讯框标头(SFH)以供先进行动基地台(Advanced Mobile Station, AMS)进行相关信息收集。而超级讯框标头会占用第一个讯框之下的第一个AAI子讯框位置,以进行由通讯基地台(Base Station, BS)传输给先进行动基地台的数据使用。  

  此外,每一个讯框在第一个正交分频多重存取符元(OFDMA Symbol)的所在位置上皆会出现前置讯号(Preamble),用来提供重要的同步化(Synchronization)信息使用。以IEEE 802.16m标准规范而言,前置讯号被分为两类,分别是主先进式前置讯号(Primary Advanced Preamble, PA-Preamble)与次先进式前置讯号(Secondary Advanced Preamble, SA-Preamble)。此两类出现顺序,依序为图1F0(SA-Preamble)F1(PA-Preamble),以及F2(SA-Preamble),而最后一个讯框(F3)则没有前置讯号的需求。  

  紧接着以图2显示多个前置讯号及一个超级讯框标头在一个超级讯框中出现的位置。新设计的IEEE 802.16m标准协议在执行同步时,将原本在IEEE 802.16e所传输的前置讯号分割为两小块,各为一个主先进式前置讯号与次先进式前置讯号。  

 

2 次超级讯框标头与前置讯号位置图

  任何欲在IEEE 802.16m传输的先进行动平台皆须收到完整的前置讯号才能参与传输,而次先进式前置讯号传输两次的用意则在于与IEEE 802.16e进行兼容

  固定AAI子讯框时空参数 超级讯框标头井然有序 

  另一方面,一个完整的讯框架构包含一个下行及一个上行变量(Period)区间(3)。一个下行变数可由多个AAI下行子讯框所组成,同样的,一个上行变数也可由多个AAI上行子讯框所组成。图3的范例为五个AAI下行子讯框及三个AAI上行子讯框的组合,每一个讯框皆由八个AAI子讯框所组成。而每一个AAI子讯框皆由时间及空间组成,分别以OFDMA符元代表时间;逻辑资源单元(Logical Resource Unit, LRU)代表空间。  

 

3 IEEE 802.16m标准的讯框结构

  与此同时,一个AAI子讯框是由四十八个LRU所构成,每一个LRU可乘载的位数则由相应的调变(Modulation)与编码率(Coding Rate)所决定。而每一个AAI子讯框依不同的型别,分别占用不同时间大小,至于是何种数值必须由参数来设定。  

  由于超级讯框标头会固定出现在第一个AAI下行子讯框里,且仅占用五个OFDMA符元,假设第一个AAI下行子讯框使用六个OFDMA符元,第一个符元将会被空出来不使用。此外,一个超级讯框标头是由主超级讯框标头与次超级讯框标头组成,且其最多不得超过二十四个逻辑资源单元LRU,因其余空间须用来安排Advanced MAP(A-MAP),若尚有可用LRU,才能用于安排一般下载的数据空间。  

  值得注意的是,在标准规格中共有三种不同的次超级讯框标头,分别具有不同的功能和相应的信息,包括用于重新登入系统的SP1、用于新登入系统的SP2、用于系统设定参数的SP3。而主超级讯框标头则是用来指示次超级讯框标头所属类型,故在规格中,对于次超级讯框标头的出现顺序另有规定,如图4所示,SP1SP2SP3分别以40毫秒、80毫秒和160毫秒为周期固定出现(每一个超级讯框仅出现三者中的其中之一),若有空白时段则可安插任何次超级讯框标头出现。  

 

4 超级讯框标头的出现顺序

  A-MAP负责上下行数据传输通知 

  就IEEE 802.16m的排程通知而言,主要是由A-MAP来进行上行及下行数据传输安排的通知,其依用途区分可分为非特定使用者(Non-user Specific)控制、分派(Assignment)、整合式自动重传回复(HARQ Feedback)、功率控制(Power Control)等四种信息类别。最重要的是,非特定使用者控制A-MAP在于告知此AAI子讯框中分派A-MAP的数量,而分派A-MAP共有多种型别(1)。  

 

  由于A-MAP信息元素(Information Element, IE)仅会出现在AAI下行子讯框中,因此在DL的排程规画中,每一次的下行基本(Basic)分派A-MAP信息元素即是指该次的AAI下行子讯框排程。而上行基本分派A-MAP信息元素内容即在指AAI上行子讯框中上行丛集(Burst)的所在位置。  

  而图5所示为A-MAP信息元素区域(Region)的分配图。在A-MAP区域的第一个A-MAP信息元素为整合式自动重传回复A-MAP,其用于为针对上行区块丛集(Uplink Block Burst)进行整合式自动重传回复时使用。其次,功率控制A-MAP信息元素则针对先进行动基地台的传输功率进行控制。  

 

5 A-MAP区域示意图

  优化资源配置/移动性支持 802.16m开拓WiMAX视野  

  IEEE 802.16m为一个新式架构的4G通讯协议架构,且能与行动WiMAX(IEEE 802.16e)相容。在实体层方面采用OFDMA技术,提供较有弹性的资源配置,此外使用多重输入多重输出(MIMO)技术来提升传输速度,对于支持移动性功能也更加强信道估测及回报机制。  

  本文仅针对IEEE 802.16m的通讯架构方面做初步介绍,更为深入的信息可参考IEEE 802.16m的相关标准或研究资料。  

本文作者陈仁晖为台湾长庚大学资讯工程学系副教授、萧玉芳任职于资策会网多所、连挺钧就读于长庚大学资讯工程学系硕士班


(责任编辑:Ioter)

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