Багаточастотні широкосмугові сигнали(OFDM) – їх побудова, переваги, недоліки, області застосування

Радіотехнологія LTE (Long Term Evolution). Радіоінтерфейс LTE заснований на відомій радіотехнології OFDM для лінії «вниз» і на новому методі частотного розділення з однією несівною(Single Carrier Frequency-Division Multiple Access – SC-FDMA) длялінії - «вгору». У LTE передбачено застосування надточного коду або турбо коду зі швидкістю 1/3. Основні особливості радіо інтерфейсу LTE:

гнучкість використання радіоспектру завдяки підтримці як частотного(FDD), так і часового (TDD) видів дуплексу і масштабування рабочоїсмуги частот. Перша особливість дозволяє системі працювати як в парних, так і непарних смугах частот, підтримуючи частотний (FDD) і часовий (ТDD) види дуплексу. Цевідкриває шлях до освоєння ринку як старими операторами, що мають парнісмуги частот, так і новим гравцям.

Друга особливість дає і тим і іншим можливість використовувати частотнісмуги різної ширини: від 1.25 до 20 МГц;

ефективний механізм диспетчеризації (планувальник) і схема адаптації до характеристик каналу (АМС). У технології LTE передбачена динамічна диспетчеризація (розподіл ресурсів між користувачами) у висхідному і низхідному каналах (залежно від стану каналу) з метою оптимізації загальної продуктивності системи. Для послуг з регулярною пересилкою пакетів через рівні проміжки часу передбачена статична диспетчеризація (тому що в цьому випадку обєм трафіку сигналізації, необхідний для динамічної диспетчеризації, невиправдано великий у порівнянні з корисним трафіком);

застосування антени технологій (МІМО) і схем просторово-частотного кодування з одночасним використанням 4-х антен на базовій станції і від 2-х до 4-х - у обладнанні користувача. Цедозволяє, передаваючи чьотири практично незалежних потоки даних в одній і тій же частотній смузі шириною 20 МГц, що забезпечує швидкість передачі даних до 300 Мбіт/с.

Типові значення агрегатних швидкостей передачі даних, досягнуті в смузі 20 МГц, дещоменше: 100 Мбіт/с для лінії «вниз» і 50 Мбіт/с для лінії «вгору». Передбачається, що радіоінтерфейс LTEдозволить підтримувати непереривні з'єднання з користувачами, які рухаються зі швидкістю до 350 км/год.

Принцип сигнал утворення в LТЕ заснований на OFDM, спосіб застосування якого в низхідному і висхідному каналах істотно відрізняється. По лінії «вниз» OFDMзвичайним чином використовується для інформаційної модуляції і мультиплексування користувальницьких каналів (схема множинного доступу технології OFDMА).

Лінія «вгору» відрізняється набагато меншим енергетичним бюджетом - для меншпотужніших абонентських терміналів енергетична ефективність схеми модуляції є одним із пріоритетів. Відомим недоліком OFDM, де радіосигнал утворюється суперпозицією безлічі незалежно модулюючих несівних, є високе відношення пікової потужності сигналу до його середньої потужності, яке називається пік-фактором. У зв'язку з цим для лінії «вгору» LТЕ запропонована технологія SС-FDМА. На відміну від схеми OFDM, в якій на кожній піднесівній одночасно передається цілий модулюючий символ, всіпіднесівніSС-FDМА модулюються одним і тим же символом (рис.1). Інакше кажучи, в OFDMА символи даних передаються паралельно, а в SС-FDМА - послідовно. Це помітно знижує пік-фактор формованих на передачу сигналів, а також пом'якшує вимоги до динамічного діапазону і ступеня лінійності вихідної характеристики підсилювача потужності.

Рис.1. Особливості передачі послідовності QPSK-символів в системах з радіоінтерфейсом OFDMА і SС-FDМА

Символ SС-FDМА займає всю доступну смугу частот. При цьому він містить N модуляційних символів (стільки, скільки піднесівних), але в N раз коротших за часом, ніж символ OFDMА. За структурою спектра
сигналу схема SС-FDМА по суті еквівалентна схеміСDМА з мультинесівною МultiСаггіег СDМА (МС-СDМА).

Крок між піднесівнимиLТЕ/ОFDМА дорівнює Df= 15 кГц (відповідно, тривалість ОFDМ-символу - 66, 7, мкс).

Піднесівна модулюється задопомогоюQPSК, 16-QАМ або 64 - QАМ, так що передаваємі на них символимістять по 2, 4 або 6 біт. При стандартному циклічному префіксі тривалістю 4.7 мкс (який дозволяє протистояти багатопроменевості при радіусі стільникадо 1.5 км) символьна швидкість дорівнює 14 ксімв/с, що в режимі РОБ відповідає швидкості передачі інформації від 28 до 84 кбіт/с на піднесівну.

Функціонування систем LТЕ прив'язане до елементарного кванту часу:

(мкс),

відповідного тактовій частоті 30.72 = 8x3.84МГц. Системна частота LТЕ, таким чином, кратна стандартній тактовій частоті WСDМА UМТS з шириною смуги 5 МГц.

Основні параметри радіо інтерфейсуLТЕ для лінії «вниз» приведені в табл. 1.1.

Таблиця 1.1. Параметри сигналу в радіоінтерфейсу LТЕ, лінія «вниз»

Сучасний висхідний канал LTE побудований на основі потужної технології SC-FDMA, що використовує багато переваг OFDM з низьким значенням відношення пікової потужності до середньої (peak to average power ratio, PAPR) для системи з однією несучою. Однак технологія SC-FDMA вимагає розподілу несучої по суміжних блокам спектра і це заважає досягти запланованої гнучкості, притаманної OFDM в чистому вигляді.

У LTE-Advanced поліпшена технологія множинного доступу у висхідному каналі за рахунок прийняття кластерного SC-FDMA, також відомого як поширення дискретного перетворення Фур'є на OFDM (DFT-S-OFDM). Ця схема схожа на SC-FDMA, але має ту перевагу, що дозволяє виділити несуміжні (кластерні) групи піднесівних для здійснення передачі за допомогою одного АТ. У результаті стає можливим частотно-селективні планування у висхідному з'єднанні, і забезпечуються кращі параметри каналу. Вибір кластерного SC-FDMA замість чистої технології OFDM дозволив уникнути значного збільшення PARP. Це допоможе задовольнити вимоги до підвищеної спектральної ефективності у висхідному каналі при збереженні зворотної сумісності з LTE.

На рис.1.2 представлена ​ ​ функціональна схема, що описує процес вдосконаленого множинного доступу у висхідному каналі (кластерного SC-FDMA). Існує тільки один транспортний блок і один гібридний об'єкт ARQ для кожної запланованої компонентної несучої. Кожен транспортний блок відображається одним компонентної несучої, а АТ може плануватися одночасно на багатьох компонентних несучих з використанням агрегації несучих, як було показано в попередньому розділі.

Рис.1.2. Функціональнасхемавдосконаленогомножинного доступуу висхідномуканалі

Інформаційний обмін в мережі LТЕ організовується за принципом циклічно повторюваних фреймів тривалістю 10 мс. Фрейм містить 20 часових слотів (0.5 мс), по 15360 квантів часу кожний. Користувачеві в межах слота призначений свій канальний ресурс- ресурсна сітка в частотно-часовій області. Чарунка сітки (ресурсний елемент) відповідає одній піднесівній за частотою і одному ОFDМ-символу в часі. Мінімальною ресурсноюодиницею є ресурсний блок. Це група ресурсних елементів, переданих на 12 піднесівних (смуга 180 кГц) в 6-7 ОFDМ-символах (залежить від тривалості префікса: довгий/стандартний). Таким чином, загальна тривалість слота складає 0.5 мс. Розподілення ресурсів у межах слота здійнюється БС, використовуючи для цьго спеціальний керуючий канал. Загальне число ресурсних блоків у ресурсній сітці залежить від ширини каналу і становить від 6 до 110 (у смузі 20 МГц).
Сучасна версія LТЕ фактично володіє функціональністю систем 4G і через це її іноді ще називають «технологією 3, 9G.

Переваги радіо технології LTE:

-висока ефективність використання радіочастотного спектра, яка пояснюється майже прямокутною формою обвідної спектра при великій кількості піднесівних;

-проста апаратна реалізація, базові операції реалізуються методами цифрової обробки;

-хороше протистояння міжсимвольним перешкодам (ISI - intersymbol interference) і інтерференції між піднесівними (ICI - intercarrier interference), лояльність до багатопроменевого розповсюдження;

-можливість застосування різних схем модуляції для кожної піднесівної, що дозволяє адаптивно варіювати завадостійкість і швидкість передачі інформації.

Недоліки радіо технології LTE:

- необхідна висока синхронізація частоти і часу;

- чутливість до ефекту Доплера, що обмежує застосування OFDM в мобільних системах;

-не ідеальність сучасних приймачів і передавачів викликає фазовий шум, що обмежує продуктивність системи.

- захисний інтервал, використовуваний в OFDM для боротьби з багатопроменевим поширенням, знижує спектральну ефективність сигналу.

1.2. Побудова радіо трактів із застосуванням OFDM-сигналів

У модуляцій, інформація відображається у зміні в частоти, фази або амплітуди (або їх комбінації) сигналу несівної. Мультиплексування займається розподілом/розміщенням користувачів в даній смузі пропускання (тобто мова йде про розподіл наявних ресурсів).

OFDM є поєднання модуляції і мультиплексування. У цій техніці, даний ресурс (ширина смуги частот) є загальним для окремих модульованих джерел даних. Нормальні методи модуляції (наприклад, AM, PM, FM, BPSK, QPSK, і т.д..,) методи, модуляції однієї несівної, в яких вхідна інформація модулюється протягом однієї несівної. OFDM є методом модуляції безлічі несівних, в якій працює декілька несівних, у виділеній смузі частот, щоб передати інформацію від джерела до одержувача. Кожна несуча може використовувати один з декількох доступних цифрових методів модуляції (BPSK, QPSK, QAM і т.д..,).

OFDM є дуже ефективним для зв'язку по каналах з частотно-селективними завмираннями (різні частотні компоненти сигналу різного роду завмирання). Ці завмирання дуже важко обробляти в приймальному пристрої, в цьому випадку, конструкція приймача є надзвичайно складною. Замість того, щоб пом'якшити частотно-селективне завмирання в цілому (що відбувається, коли величезна смуга пропускання виділяється для передачі даних через селективне завмирання каналу частоти), OFDM зменшує проблему шляхом перетворення всього частотно-селективного завмирання каналу в невеликий канал з плоскими завмираннями. З плоскими завмирання легше боротися (у порівнянні з частотно-селективними завмираннями), використовуючи прості схеми корекції помилок і вирівнювання.

Концептуально OFDM є спеціалізованим FDM, з додатковим обмеженням: всі несівні сигнали ортогональні один одному.

У OFDM, частоти піднесівних вибрані так, що піднесівні є ортогональними одна до одної, це означає, що перехресні перешкоди між підканалами усуваються і міжнесівні захисні інтервали не потрібні. Це значно спрощує конструкцію як передавача так і приймача, на відміну від звичайного FDM, де потрібен окремий фільтр для кожного підканалу.

Рис. 1.3. Приклад перекриття частотних каналів з ​ ​ ортогональними несівними частотами

Ортогональність вимагає, щоб відстань між піднесівними в Гц, де Т _U є тривалість корисного символу (розмір вікна приймача), і k ціле позитивне число, як правило, дорівнювали 1. Таким чином, з N піднесівними, сумарна пропускна здатність смуги пропускання буде B≈ N · Δ е (Гц) .

Ортогональність також забезпечує високу спектральну ефективність, із загальною швидкістю передачі символів біля швидкості Найквіста для еквівалентного сигналу основної смуги частот (тобто близько половини швидкості Найквіста для двосторонньої фізичної смуги пропускання сигналу). Майже вся група доступних частот може бути використана. OFDM зазвичай має майже " білий" спектр, надаючи йому доброякісні електромагнітні властивості перешкод по відношенню до інших користувачів у суміщеному каналі.

OFDM потрібні дуже точні частоти синхронізації між приймачем і передавачем, з девіацією частоти піднесівні більше не будудуть ортогональними, викликаючи перешкоди між несучими (тобто міжнесівну інтерференцію). Зміщення частоти, як правило, викликані неузгодженням передавача і приймача, або доплерівським зсувом. Якщо допплерівськийзсув можна компенсувати за допомогою приймача, то при поєднанні його з багатопроменевим розповсюдженням з'являться різні частотні зсуви, що набагато важче виправити. Цей ефект, як правило, погіршується при збільшенні швидкості, і є важливим чинником, що обмежує використання OFDM у високошвидкісних мережах. З метою зниження ICI в таких випадках, можна формувати кожну піднесівну, щоб мінімізувати перешкоди в результаті їх перекриття. Наприклад, схема з низьким рівнем складності WCP-OFDM (ортогональний частотний поділ каналів із зваженим циклічним префіксом) полягає у використанні коротких фільтрів на виході передавача для виконання потенційно непрямокутного формування імпульсу і майже ідеальної реконструкції на піднесівній вирівнювання. Інші методи придушення ICI зазвичай різко збільшують складність приймача.

Один з ключових принципів OFDM є те, що схеми модуляції мають низький символьний рівень (тобто там, де символи відносно довго порівнюються з часовими характеристиками каналу) і менше страждають від МСІ викликаної багатопроменевим поширенням радіохвиль, це вигідно для передачі ряду низько швидкісних потоків паралельно, замість одного потоку з високою частотою. Оскільки тривалість кожного символу довга, це дає змогу вставити захисний інтервал між OFDM-символами, тим самим усуваючи МСІ.

Рис. 1.4. Продовження модуляції в захисному інтервалі

Наявністьзахисногоінтервалустворює тимчасовіпаузи міжокремимисимволами, і якщотривалістьохоронногоінтервалуперевищуємаксимальний часзатримкисигналу врезультатібагатопроменевого поширення, томіжсимвольноїінтерференціїне виникає. Циклічний префікс тривалістю 60, 6 нс додається в початок кожного OFDM-символу і являє собою циклічне повторення закінчення символу(Рис. 1.4).

Рис. 1.5. Місцециклічногопрефіксуякийдозволяєуникнутиміжсимвольноїінтерференції

OFDM незмінно використовується в поєднанні з канальним кодуванням (пряме виправлення помилок), і майже завжди використовує частотне і/або часове перемежування.

Частотне перемежування збільшує стійкість до частотно-селективних канальних умов, таких як завмирання. Наприклад, коли частина ширини смуги частот каналу зникає, частота перемежування гарантує, що бітові помилки, які виникають на цих піднесівних у втраченій частині ширини смуги будуть розподілені у бітовому потоці, а не сконцентровані. Аналогічним чином, часове перемежування гарантує, що біти, які спочатку були близькі за часом один до одного в бітовому потоці передаються далеко один від одного у часі, мінімізуючи таким чином завмирання як відбуватимуться при русі з високою швидкістю. Тим не менше, часовий інтерлівінг мало корисний в каналах з повільними завмираннями, для стаціонарного прийому, і частотне перемежування практично немає вигоди для вузькосмугових каналів, які страждають від плоских завмирань.

Причина, чому перемежування використовується в OFDM є спроба розподілити помилки у бітовому потоці, який представлений в декодері з виправленням помилок, тому як, такі декодери представлені з високою концентрацією помилок не можуть виправити всі бітові помилки.

Класичний тип корекції помилок кодування, використовуваної в системах OFDM, на основі згортокового кодування, часто об'єднується з кодуванням Ріда-Соломона. Як правило, додаткове перемежування (у верхній частині часу і частоти чергування згаданого вище) здійснюється між двома шарами кодування. Вибір кодування Ріда-Соломона як зовнішнього коду корекції помилок ґрунтується на тому спостереженні, що декодер Вітербо що використовується для внутрішнього згортаючого декодування виробляє короткі сплески помилок, коли є висока концентрація помилок і коди Ріда-Соломона за своєю природою добре підходить для виправлення таких помилок.

Нові системи зараз переходять до більш оптимальних типів кодів корекції помилок, що використовують принцип турбо декодування, де декодер виконує ітерації по відношенню до шуканого рішення.

Прикладами таких кодів корекції включають турбокоди і LDPC коди, які виконують дії близько до межі Шеннона для каналу з адитивним білим гаусівським шумом (АБГШ).

Саме завдяки цьому технологія OFDM знайшла широке застосування як у провідних, так й у радіосистемах передачі даних.

Переваги:

Висока ефективність використання спектра, що пояснюється майже прямокутною формою обвідної при великій кількості піднесівних.

Проста і гнучка програмно-апаратна реалізація: базові операції реалізуються методами цифрової обробки.

Вагоме протистояння міжсимвольним перешкодам (ISI – intersymbol interference) і інтерференції між піднесівними (ICI – intercarrierinterference). Як наслідок – робастність(нечутливість) до багатопроменевого поширення.

Можливість застосування різних схем модуляції для кожної піднесівної, що дозволяє адаптивно варіювати завадостійкістю і швидкістю передачі, до задіяння сигнально-кодових конструкцій включно.

Недоліки:

Необхідна якісна синхронізація по частотах та фазах піднесівних.

Чутливість до ефекту Доплера, що обмежує застосування OFDM у мобільних системах.

Неідеальність сучасних приймачів, яка породжує фазовий шум та обмежує досяжні кратності модуляції на піднесівних.

Так званий захисний інтервал, що використовується в технології OFDM для боротьби з багатопроменевим поширенням, та знижує спектральну ефективність сигналу.

Відносно високе значення відношення пікової потужності радіосигналу до її середнього значення, що суттєво знижує енергетичну ефективність радіопередатчиків.

При високій швидкі передачі застосовується метод передачі даних, який полягає в тому, що потік переданих даних розподіляється по безлічі частотних підканалів і передача ведеться паралельно на всіх цих підканалах. При цьому висока швидкість передачі досягається саме за рахунок одночасної передачі даних по всіх каналах, а швидкість передачі в окремому підканалі цілком може бути невисокою.

Оскільки в кожному з частотних підканалів швидкість передачі не можна зробити занадто високою, це створює передумови для ефективного придушення МСІ.

При частотному поділі каналів необхідно, щоб ширина окремого каналу була, з одного боку, досить вузької для мінімізації спотворення сигналу в межах окремого каналу, а з іншого досить широкою для забезпечення необхідної швидкості передачі

Крім того, для економного використання всієї смуги каналу, вона розділяється на підканали, бажано якомога більш щільно розташувати частотні підканали, але при цьому уникнути міжканальноїінтерференції, щоб забезпечити повну незалежність каналів один від одного. Частотні канали, що задовольняють перерахованим вимогам, називаються ортогональними. Несівні сигнали всіх частотних підканалів (а точніше, функції, що описують ці сигнали) ортогональні один одному. Важливо, що хоча самі частотні підканали можуть частково перекривати один одного, ортогональність несучих сигналів гарантує незалежність 13 каналів один від одного, а отже, і відсутність міжканальної інтерференції.

Розглянутий спосіб розподілу широкосмугового каналу на ортогональні частотні підканали називається ортогональним частотним мультиплексуванням (OFDM). Сигнал в системі з ортогональним частотним мультиплексуванням має розбиття на безліч несівних, що забезпечує невелику кількість символів на одну несучу і знижує МСІ, додатково застосовується захисний інтервал - циклічний префікс, що додається в початок кожного символу. Для ефективної роботи системи, що використовує такий підхід, максимальна затримка в каналі не повинна перевищувати довжину циклічного префікса. Висока ефективність систем OFDM при роботі в каналах з багаторазовими відображеннями робить їх придатними для високошвидкісних систем передачі даних в наземних системах зв'язку. На рис.1.6 показана узагальнена структура системи зв'язку з ортогональним частотним мультиплексуванням. Дані користувача спочатку надходять у блок перешкодостійкого кодування, а потім на модулятор. Після модуляції дані у вигляді комплексних символів надходять у блок зворотнього швидкого перетворення Фур'є (ЗШПФ), де відбувається формування сигналу OFDM з використанням піднесівних. Символ OFDM складається з основний інформаційної частини і циклічного префікса, який формується шляхом копіювання останніх L відліків в початок кадру. Далі послідовність символів OFDM перетвориться в аналоговий сигнал і віддається по каналу зв'язку. Тривалість циклічного префікса вибирається таким чином, щоб бути більше, ніж тривалість імпульсного відгуку каналу зв'язку. Таким чином, символ OFDM має тривалість, деT₀ - період дискретизації в системі.

Рис.1.6.Структурна схема системи зв'язку з ортогональним частотним мультиплексуванням

На приймальній стороні, сигнал після дискретизації і видалення префікса надходить до блоку швидкого перетворення Фур'є (ШПФ), де здійснюється демодуляція сигналу OFDM. Після перетворення паралельного потоку символів в послідовний, символи надходять в демодулятор, а також в блок оцінювання параметрів каналу. Оцінки параметрів каналу необхідні для роботи демодулятора, тому вихідблокуоцінюванняпараметрів каналуз'єднаний здемодулятором.

Подальші перетвореннясигналузалежать від структуриконкретної системиі не відносяться доосновної концепціїOFDM. Уреальних умовахроботисистембездротовогорухомого зв'язкузOFDMдоводиться працювативумовах, колив каналі зв'язкусигналпіддається впливузавмирань. Тому для отриманняприйнятної завадостійкостіпотрібне використаннязавадостійкогокодування.

Опишемо просту ідеалізовануOFDM модель, яка підходить для стаціонарного AWGN(АБГШ) каналу.

Рис.1.7. ФункціональнасхемапередавачаOFDM-сигналу

Сигналнесучої OFDM єсумоючислаортогональнихпіднесівнихз незалежномодульованимиданими, зазвичайвикористовуютьпевнийтип квадратурноїамплітудноїмодуляції (QAM) або фазовоїманіпуляції (PSK). Цей композитний сигнал основної смуги, як правило, використовується для модуляції основної РЧ- несівної.s[n]є послідовний потік двійкових цифр. Зворотнім мультиплексуванням, вони спочатку демультиплексуються в Nпаралельних потоків, і кожен з них відображається напотоці символів з ​ ​ використанням деякого сузір'я модуляції (QAM, PSK і т.д.).

Слід зазначити, що сузір'я, може відрізнятися, так що деякі потоки можуть нести більш високу бітову швидкість, ніж інші.

Зворотнє ШПФ обчислюється на кожному наборі символів, даючи набір комплексних вибірок втимчасовій області.

Ці зразки потім квадратурно змішуються із смугою пропускання стандартним способом. Дійсні та уявні компоненти спочатку перетворюються в аналоговій області з використанням цифро-аналогових перетворювачів (ЦАП); аналогові сигнали потім використовується для модуляції косинус і синус хвилі на несівній частоті, f_cвідповідно.

Ці сигнали потім сумуються, щоб дати сигнал передачі, s[t].Приймач приймає сигнал r[t], який потім квадратурно-мікcуються в основну смугу частот за допомогою косинус і синус хвилі на частоті несучої.

Це також створює сигнали зосереджені на2f_c, так що фільтри нижніх частот використовуються, щоб відхилити це. Основні сигнали смуги оцифровуються за допомогою аналого-цифрових перетворювачів (АЦП), і використовується пряме ШПФ для перетворення назад в частотній області.

Це повертає Nпаралельних потоків, кожен з яких перетворюється в двійковий потік за допомогою відповідного символьного детектору. Ці потоки потім повторно об'єднуються в послідовний потік, s’[n], який є оцінкою вихідного двійкового потоку в передавачі.

Рис.1.8. Функціональна схема приймача OFDM-сигналу