Использование OFDM-модуляции в мобильных средствах связи

УДК 654.05 А.В. Надымов

НАДЫМОВ Алексей Владимирович - ассистент кафедры электроники и средств связи Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: alexeyrus@mail15.com © Надымов А.В., 2012

Использование OFDM-модуляции в мобильных средствах связи

Рассматривается вопрос о возможности применения метода модуляции OFDM в системах мобильной радиосвязи, описываются преимущества данной технологии при использовании ее в реальных условиях. Анализируются методы модернизации алгоритмов формирования OFDM-потока в зависимости от направления передачи сигнала мобильной радиосистемы.

Ключевые слова: модуляция, частотная поднесущая, символ данных, период символа, пик-фактор.

Usageof OFD Minmobil communi cations. Alexey V. Nadymov - School of Engineering (Far Eastern Federal University, Vladivostok).

The article presents the opportunity of usage orthogonal frequency division multiplexing in the systems of mobile communications. It describes advantages of this technology for real transmitting or broadcasting. There are analysis of methods of modernization process of forming OFDM-stream, which depends upon the way of transmit of real system's signal.

Key words: modulation, frequency subcarrier, symbol, symbol's period, peak-average power.

Метод передачи цифровых данных при помощи OFDM был разработан в середине 1960-х годов. В наши дни OFDM-модуляция используется во многих беспроводных системах, таких как «Цифровое телевизионное вещание» (DVB), «Цифровое радиовещание» (DAB), стандарты семейства 802.11.

До недавнего времени невозможность использования технологии OFDM в мобильных средствах связи обусловливалась двумя причинами. Первая - недостаточная вычислительная мощность миниатюрной аппаратуры для выполнения операции быстрого преобразования Фурье, которое в системах OFDM является весьма трудоемким процессом для вычислительной техники. Вторая причина избегания технологии OFDM в мобильных системах - очень высокий пик-фактор (PAR), что неизбежно при параллельной передачи многих сотен близко расположенных информационных символов.

Для мобильных устройств высокий пик-фактор является камнем преткновения при проектировании усилителя мощности. Однако на сегодняшний день существуют решения, способные минимизировать все негативные моменты, порождаемые OFDM-модуляцией, при использовании в мобильных системах связи.

В данном сообщении мы попытаемся рассмотреть принципы классической передачи данных посредством OFDM-модуляции, а также представить рекомендации по усовершенствованию данного метода формирования цифрового потока с целью его адаптации к работе в системах мобильной радиосвязи.

Практическая идея метода OFDM заключается в передаче данных в расширенном спектре с использованием большого набора близко расположенных частотных полос. Затем, как правило, полезный сигнал перед его передачей кодируется, чтобы обеспечить возможность его восстановления при приеме. Если рассматривать принцип организации канала OFDM, то он состоит из следующих этапов.

Расщепление канала: характеристики канала передачи, к сожалению, не остаются постоянными во времени, но в течение короткого промежутка такие характеристики для наземного канала можно считать постоянными. При использовании этой особенности в системе COFDM имеется возможность применить расщепление наземного канала передачи во времени и по частоте (рис. 1). В результате радиочастотный канал организуется в виде набора узких частотных полос и в виде коротких во времени смежных «временных сегментов».

Ввод поднесущих: каждая частотно-временная ячейка имеет свою собственную поднесущую (рис. 2). Набор поднесущих в определенном временном сегменте называется символом OFDM. Расстояние (промежуток) между ними выбирается равным обратной величине длительности символа: в этом случае поднесущие являются ортогональными.

Рис. 1. Расщепление канала

Рис. 2. Ввод поднесущих частот

Ввод защитного интервала: поскольку эхо-сигналы представляют собой задержанные во времени копии основного сигнала, начало данного символа OFDM подвергается «загрязнению» задержанным окончанием предыдущего. Для устранения этого эффекта между двумя соседними символами OFDM вводится защитный интервал (рис. 3).

Синхронизация каналов: чтобы осуществить надлежащим образом демодуляцию сигнала, приемные устройства должны произвести его выборку во время полезного периода символа OFDM (но не во время защитного интервала). В некоторых системах используются «пилотные» поднесущие, распределенные в канале в виде маркеров синхронизации (рис. 4).

Рис. 3. Ввод защитного интервала

Рис. 4. Ввод маркеров синхронизации

Вышеупомянутые особенности (расщепление канала, кодирование данных, ввод защитного интервала и маркеров синхронизации) составляют основные параметры модуляции COFDM. К сожалению, все эти особенности предполагают потерю полезной информации канала или снижение его реальной пропускной способности. Наоборот, они позволяют снизить степень ухудшения параметров сигнала из-за условий прохождения радиоволн за счет компромисса устойчивости канала и его пропускной способности.

OFDM-модуляция в мобильных системах связи

Определенные идеи по адаптации системы OFDM к мобильным системам были высказаны еще в начале эры цифровой передачи, так как преимущества OFDM-модуляции являются очевидными и неоспоримыми по сравнению с другими технологиями. В основном попытки минимизировать недостатки ортогонального частотного мультиплексирования, которые являются неприемлемыми для мобильной техники, производились при использовании виртуальных моделей системы передачи, которые позволяет воссоздать среда математических приложений MATLAB Simulink. При изменении характеристик модели делались определенные выводы относительно минимизации факторов, являющихся негативными при мобильном приеме. Наиболее удачные версии модернизированных систем OFDM были апробированы на практике.

Во-первых, множественный доступ в нисходящем канале (от базовой станции до абонента) в разрабатываемых мобильных системах достигается за счет применения тщательно доработанной версии OFDM,

получившей название множественного доступа с ортогональным разделением частот (OFDMA). Данный метод позволяет закреплять отдельные поднесущие за разными пользователями. Это облегчает обслуживание многих абонентов, работающих с низкими скоростями, а также позволяет использовать частотные скачки для смягчения эффектов узкополосного многолучевого распространения.

Во-вторых, в восходящем канале (от абонента до базовой станции) предлагается использовать новую схему передачи, получившую название SC-FDMA (Single Carrier FDMA - FDMA с одной поднесущей). SC-FDMA представляет собой гибридную схему передачи, которая сочетает низкие значения пик-фактора, присущие системам с одной несущей, таким как GSM и CDMA, с большой длительностью символа и гибким распределением частот OFDM. Принципы генерации сигнала SC-FDMA показаны на рис. 5, который является фрагментом одного из рисунков отчета 3GPP TR 25.814 об исследовании физического уровня стандарта LTE (поколение 4G) [1, 2].

Рис. 5. Генерация сигнала SC-FDMA

В левой части рис. 5 символы данных представлены во временной области. Символы преобразуются в частотную область с помощью быстрого преобразования Фурье и затем распределяются в нужные места общего спектра несущей. Затем их требуется снова преобразовать во временную область, чтобы перед передачей добавить к ним циклический префикс. Альтернативное название технологии SC-FDMA - распределенная OFDM с дискретным преобразованием Фурье (DFT-SOFDM).

Альтернативное описание этой технологии приведено на рис. 6, где в частотной и временной областях показано, как OFDMA и SC-FDMA передают последовательность из восьми символов QPSK. В этом упрощенном примере число поднесущих (M) было сокращено до четырех. Для OFDMA четыре (M) символа обрабатываются параллельно, причем каждый из них модулируется собственной поднесущей с соответствующей фазой QPSK. Каждый символ данных занимает полосу 15 кГц на время передачи одного символа OFDMA, которое равно 66,7 мкс. В начале следующего символа OFDMA вставляется защитный интервал, содержащий циклический префикс (CP). CP представляет собой копию конца символа, добавленную к началу символа. Благодаря параллельной передаче, символы данных имеют ту же длину, что и символы OFDMA.

В случае SC-FDMA символы данных передаются последовательно. Поскольку в этом примере используются четыре поднесущих, за один период символа SC-FDMA передаются четыре символа данных. Период символа SC-FDMA имеет ту же длину, что и символ OFDMA, т.е. 66,7 мкс, но благодаря последовательной передаче символы данных получаются короче, т.е. равными 66,7/M мкс. В связи с повышением скорости следования символов для их передачи требуется более широкая полоса. В результате каждый символ занимает в спектре 60 кГц, а не 15 кГц, как было в случае более медленных символов, используемых в OFDMA. После передачи четырех символов данных вставляется CP.

В продолжение графического сравнения OFDMA и SC-FDMA на рис. 7 показан детальный процесс генерации сигнала SC-FDMA. Сначала создается представление последовательности символа данных во временной области. В данном примере с четырьмя поднесущими для генерации одного символа SC-FDMA требуются четыре символа данных. Используя первые четыре цветных символа QPSK, процесс создает один символ SC-FDMA во временной области, рассчитывая траекторию, переходящую от одного символа данных QPSK к другому. Это делается со скоростью в M раз выше скорости символов SC-FDMA, так что в результате один символ SC-FDMA содержит M последовательных символов данных QPSK. Чтобы не усложнять рассмотрение, мы не будем обсуждать фильтрацию переходов между символами, хотя в любой реальной схеме такая фильтрация обязательно присутствует.

I С.Г..

Рис. 6. Сравнение передачи серии символов данных QPSK в OFDM и SC-FDMA

Рис. 7. Создание символа БС-РБМА во временной области

После создания ^-представления одного символа БС-РОМА во временной области следующим шагом является представление его в частотной области с помощью дискретного преобразования Фурье. Частота дискретизации ОРТ выбирается таким образом, чтобы форма одного символа БС-РБМА во временной области полностью представлялась М бинами ОРТ, отстоящими друг от друга на 15 кГц, причем каждый бин представляет одну поднесущую с постоянной амплитудой и фазой в течение одного периода символа БС-РБМА равного 66,7 мкс. При этом всегда существует однозначное соответствие между числом символов данных, передаваемых за один период символа БС-РБМА, и числом создаваемых бинов ОРТ, которое, в свою очередь, равно числу занимаемых поднесущих. Это довольно логично: с ростом числа символов данных, передаваемых за один период БС-РБМА, сигнал во временной области изменяется быстрее, что приводит к расширению полосы и, следовательно, требует большего числа бинов ОРТ для полного представления сигнала в частотной области.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Долговременное развитие радиотехнологии 3GPP. URL: www.3gpp.org/Highlights/LTE/LTE.htm (дата обращения: 25.11.2011).

2. Спецификации LTE серии 36. URL:www.3gpp.org/ftp/Specs/html-info/36-series.htm (дата обращения: 27.11.2011).