Опубликован: 03.05.2012 | Доступ: свободный | Студентов: 2642 / 447 | Оценка: 4.39 / 4.14 | Длительность: 19:41:00
Лекция 8:

Основы ортогонального доступа с частотным разделением каналов (OFDMA).

Аннотация: Рассмотрена широко применяемая в последнее время технология доступа к широкополосным мобильным сетям OFDMA, применяемые методы модуляции и стратегии использования каналов.

Принципы системы OFDMA

Ортогональный многостанционный доступ с частотным разделением каналов (OFDMA) базируется на системе мультиплексирования OFDM.

Мультиплексирование с Ортогональным Частотным разделением каналов (OFDMOrthogonal Frequency Division Multiplexing) - методика мультиплексирования, которая подразделяет полосу канала на множество поднесущих частот [ 2 ] , как показано на рис.8.1.

В системе OFDM, входной поток данных разделен на несколько параллельных подпотоков с уменьшенной скоростью передачи данных (с увеличением продолжительности каждого передаваемого на этой частоте знака). Каждый подпоток модулируется и передается на отдельной ортогональной1 Название ортогональные связано с тем, что поднесущие обладают свойством ортогональности, т.е коэффициент взаимной корреляции между ними равен нулюподнесущей частоте. Протокольная единица, передаваемая с помощью одной несущей, называется символом. Увеличенная продолжительность символа улучшает устойчивость OFDM, уменьшая их максимальный разброс между символами, предаваемыми с помощью разных несущих.

Основные устройства, обеспечивающие модуляцию с несколькими несущими, по принципу OFDM показаны на рис.8.1 . Каждый подканал работает на своей несущей частоте. Если обозначить частоту первой несущей \omega, то, вторая несущая будет иметь частоту 2\omega и т.д. для n-ого канала эта частота будет равна n\omega.

Если для каждого из n подпотоков применить квадратурную модуляцию, то получим n квадратурных (ортогональных) функций типа a_k\cos k\omega t+b_k\sin k\omega t. Если функции всех подканалов просуммировать, то получим функцию аналогичную функции называемой рядом Фурье.

x(t)=a_0+\sum\limits_{k=1}^{N-1}\left[a_k\cos k\omega t+b_k\sin k\omega t \right] ( 8.1)

Функция, полученная в результате модуляции, отличается от ряда Фурье тем, что она конечна. Для увеличения точности обработки и исключения взаимного влияния каналов реальная функция дополняется "префиксом", содержащим несколько значений ряда Фурье (псевдоканалов). Он устанавливается перед последовательностью квадратурных сигналов. Это увеличивает точность получения функции x(t) и позволяет более четко отделять подканалы друг от друга.

Модуляция с несколькими несущими

Рис. 8.1. Модуляция с несколькими несущими

Сумма функций полученных в результате модуляции "свертывается" с помощью обратного преобразования Фурье в одну функцию x(t), которая преобразуется в цифровую форму и передается в линию.

На приемном конце происходит переход из цифровой в аналоговую форму, происходит прямое преобразование Фурье, квадратурные функции каждого канала демодулируются и собираются в одну последовательность, Как уже было сказано, для устранения межсимвольной интерференции, вводится циклический префикс (CP).

Циклический префикс добавляется в начало каждого OFDM-символа ( рис. 8.2) и представляет собой циклическое повторение окончания символа. Наличие циклического префикса создает временные паузы между отдельными символами, и если длительность защитного интервала превышает максимальное время задержки сигнала в результате многолучевого распространения, то межсимвольной интерференции не возникает.

Защита от межсимвольной интерференции с помощью циклического префикса

Рис. 8.2. Защита от межсимвольной интерференции с помощью циклического префикса

Циклический префикс является избыточной информацией и в этом смысле снижает полезную (информационную) скорость передачи, но именно он служит защитой от возникновения межсимвольной интерференции. Указанная избыточная информация добавляется к передаваемому символу в передатчике и отбрасывается при приеме символа в приемнике.

Структура и формирование OFDM подканалов.

Структура подканала OFDM [43,44]содержит три типа поднесущих частот как показано на рис.8.3:

  • поднесущие информационные частоты для передачи данных
  • поднесущие частоты для передачи пилот сигналов (для измерений и целей синхронизации)
  • нулевые поднесущие частоты, используемые для защитных интервалов частот
Распределение поднесущих частот

Рис. 8.3. Распределение поднесущих частот

Активные поднесущие частоты (информационные и пилот – сигнал) сгруппированы в поднаборы поднесущих частот, называемые подканалами. Поднесущие частоты, формирующие один подканал, могут быть, но не должны быть, смежными. Основная нагрузка и сигналы управления предаются в подканалах.

Пилот – сигналы распределяются в зависимости от способа распределения поднесущих и направления потока.

При формировании подканалов в направлении "вниз"2Направление "вниз" (DL – Down Link) – линия в направлении от центрального узла к периферийному, в данном случае – от базовой станции к мобильной. Направление "вверх" (UL – Up Link) - линия в напралении от периферийного узла к центральному в данном случае - от мобильной станции к базовой применяются следующие способы:

  • каналообразование с полным использованием поднесущих частот (FUSC - Fully Usage Subcanalization),
  • каналообразование с частичным использованием поднесущих частот (PUSC - Partial Usage Subcanalization),
  • смежные перестановки c адаптивной модуляцией и кодированием AMC (Adoption modulation and Coding).

Частичное использование поднесущих частот означает, что из всего набора поднесущих частот выбирается только часть. Устройства (например, подвижные станции) работают, занимая только часть полосы. Поскольку в этом случае вся излучаемая мощность концентрируется только в используемой полосе, это приводит к увеличению излучаемой мощности на каждую поднесущую. Для передачи информации в направлении "вверх" в городских условиях это дает дополнительный запас на замирания.

При направлении "вверх" применяется только два способа с полным использованием поднесущих частот (UL PUSC) и дополнительные перестановки. Подканалы в направлении "вниз" могут работать с различным приемниками, подканалы в направлении "вверх" могут работать с различными передатчиками. Существует два типа формирования подканалов из поднесущих частот:

  • смежные.
  • с разнесением.

В первом случае для подканала выбираются поднесущие, которые находятся рядом в диапазоне частот.

Формирование подканала с разнесением выбирает номиналы поднесущих частот для каждого канала в соответствии псевдослучайной последовательностью. Это обеспечивает разнесение по частоте и усредняет межсотовую интерференцию.

Всеволод Машинсон
Всеволод Машинсон
Россия
Владимир Савинов
Владимир Савинов
Украина, Киев, Киевский Политехнический Институт, 1996