Основы ортогонального доступа с частотным разделением каналов (OFDMA).

Многостанционный доступ с частотным разделением каналов (OFDMA)

Многостанционный доступ с частотным разделением каналов (OFDMA) может быть успешно реализован в системах OFDM, путем закрепления за различными пользователями их собственных наборов поднесущих частот ( рис. 8.8). Есть множество способов, которыми может быть выполнено это распределение. Самый простой метод - статическое распределение поднесущих частот каждому пользователю, как показано на рис. 8.9. Например, из 64 поднесущих частот системы, пользователь 1 может выбрать поднесущие частоты 1-16, пользователи 2, 3, и 4 могут использовать поднесущие частотами 17-32, 33-48, и 49-64, соответственно. Распределения сообщаются мультиплексору для различных пользователей на длительное время и используются перед работой быстрого преобразователя Фурье (FFT). Естественно, допускаются также неравные распределения, например, для пользователей, передающих данных с высокой скоростью распределяется больше поднесущих частот, чем для пользователей с более низкой скоростью.

Рис. 8.8. В OFDMA базовая станция назначает каждому пользователю часть поднесущих предпочтительно в диапазоне, который дает наилучшие параметры каналов

Усовершенствование статического распределения - динамическое распределение поднесущей частоты, основанное на периодическом анализе состояния канала.

Например, из-за частотной обстановки и при наличии замираний пользователя 1 может иметь относительно хорошие каналы на поднесущих частотах 33-48, в то время как пользователь 3 мог бы иметь хорошие каналы на поднесущих частотах 1-16. Очевидно, что такое изменение распределений на основе статистики было бы взаимно выгодно для этих пользователей. Есть хорошо разработанные теории для выполнения динамического распределения поднесущих частот.

Рис. 8.9. OFDMA

Многостанционный доступ. Комбинация частотного разделения каналов (OFDMA) с временным разделением (TDMA) - "Циклический доступ"

Одновременно совокупность пользователей OFDMA может быть также снабжена доступом TDMA. Это позволяет, больше передавать информации с помощью единственного символа OFDM. Кроме того, пользователи часто не имеют данных для передачи, так что динамическое распределение поднесущих частот является необходимым для увеличения эффективности, чтобы избежать лишней затраты ресурсов. Статический TDMA показан на рис. 8.9.Такая статическая методология распределения TDMA соответствует соответствующей постоянному потоку данных (обычно при коммутации каналов) в приложениях типа передачи речи или подвижного видео. Вообще, a система, основанная на передаче пакетов может использовать более сложные алгоритмы планирования, основанные на учете длины очередей, состоянии каналов, ограничения на задержку, чтобы достигнуть намного лучших рабочих характеристик, чем статический TDMA. Статический TDMA на основе передачи пакетов часто называется циклическим (Round Robin): каждый пользователь просто ждет своего момента в цикле, а затем передает свою информацию.

Многостанционный доступ. Комбинация частотного разделения каналов (OFDMA) с кодовым разделением каналов (CDMA)

CDMA - доминирующая технология для многостанционного доступа в существующих сотовых системах, но она не особенно соответствует скоростной передаче данных. Хотя бы потому что, в CDMA для того, чтобы подавить интерференцию используется большая намного ширина полосы, чем это требуется для желаемой скорости данных.

В беспроводных широкополосных сетях скорости данных, настолько большие, что получить необходимое для CDMA расширение, спектра не реально. Даже номинально CDMA широкополосные стандарты такие как HSDPA и 1xEV-DO имеют очень маленькие коэффициенты расширения. Кроме того, надо конкурировать с системами TDMA, а - динамические системы TDMA, используют тактику, основанную на планировании целей, таких как состояние канала и время задержки, что требует еще большой полосы частот.

OFDM и CDMA могут быть объединены ( рис. 8.10), чтобы создать систему многостанционного доступа с кодовым разделением и многими несущими ( MC -CDMA (Multicarrier -CODE DIVISION MULTIPLE ACCESS ) [ 15 ] . Для этого можно использовать передачу сигналов широкого спектра и разделить пользователей кодами в OFDM, расширяя их либо во временные либо в частотные области. Расширение временной области состоит в том, что каждую поднесущую частоту разделяют по времени. Далее передают один и тот же самый символ данных в виде нескольких последовательных символов OFDM, то есть символ данных умножается на символ кодовой последовательности , а затем посылается на заданной поднесущей частоте за следующим символом OFDM.

Рис. 8.10. Комбинация FDMA и TDMA

Расширение частотной области, которое вообще имеет немного лучшие рабочие характеристики, чем расширение временной области [ 47 ] , и состоит в том, что каждый символ данных, посылается одновременно на различных поднесущих частотах. MC-CDMA -, но этот доступ можно было бы считать в будущем соответствующим, для передачи "вверх", например в стандарте WiMAX.

Рис. 8.11. Комбинация FDMA и CDMA

Мультипользовательское Разнесение и Адаптивная Модуляция

Мультипользовательское разнесение состоит в предоставлении каждому новому соединению набора поднесущих частот. Преимущества, которые дает этот метод, по сравнению с долговременным закреплением частот за станцией (многостанционный доступ) - это выбор для каждого соединения, поднабора из доступных поднесущих, таких которые в данный момент могут обеспечить "хорошие" условия.

Адаптивная модуляция – это средство, для эксплуатации хороших каналов так, чтобы достичь наиболее высоких скоростей передачи данных. В OFDMA, чтобы максимизировать производительность, выбор поднесущих частот и распределение мощности должны быть основаны на состоянии каналов. Ниже, мы обсуждаем необходимое два ключевых принципа, которые обеспечивают высокую эффективность в OFDMA: - мультипользовательское разнесение и адаптивная модуляция.

Мультипользовательское Разнесение

Хотя OFDMA системы имеют множество поднесущих частот, не каждый набор обеспечивает оптимальные условия для заявки пользователя. Для иллюстрации проблемы рассмотрим систему из пользователей, где поднесущие частота выбираются последовательно для каждого пользователем. При этом лучевое замирание, то есть усиление канала каждого пользователя – не зависит от других пользователей. Первый пользователь имеет возможность выбрать набор поднесущих, которое обеспечить наибольшую пропускную способность канала. Для второго пользователя вероятность получения канала с максимальной производительностью в общем случае может быть меньше, это зависит от многих факторов – место нахождения абонента, уровня шумов и других причин.

В большинстве теоретических исследований принимается, что с появлением каждого абонента такая вероятность падает. Тем не менее, существует некоторая величина числа абонентов, когда общая производительность достигает максимума, а потом начинает падать. Подробнее исследование этого вопроса можно посмотреть в [ 47 ] .

В практических системах, выигрыш от мультипользовательского разнесения значительный. Хотя в этой главе мы сосредоточимся на выигрыше в производительности (пропускной способности), но можно отметить, что, в некоторых случаях наибольший положительный эффект от мультипользовательского разнесения достигается благодаря повышению надежности линии связи и зоны покрытия.