FDMA з однією несучою

Передача голосу через мережу Wi-Fi за допомогою технології Single Stream 802.11n

Останнім часом відбувається бурхливий розвиток бездротових мереж, що працюють на основі сімейства стандартів IEEE 802.11 Wireless LAN. Глобальному поширенню бездротових мереж сприяли можливість їх тестування на функціональну сумісність та сертифікацію з боку альянсу Wi-Fi Alliance, завдяки чому термін Wi-Fi став багато в чому взаємозамінним та рівнозначним терміну WLAN. Стандарт 802.11n забезпечує підвищену пропускну спроможність мережі та розширення робочого діапазону пристроїв передачі голосу мережами Wi-Fi. У статті докладно розглядаються переваги цього стандарту та питання реалізації мобільних пристроїв на його основі. Стаття є скороченим перекладом [1].

Застосування розширювачів дальності CC2590-91 від компанії Texas Instruments

Системи моніторингу на транспорті

У статті розглянуто принципи побудови систем моніторингу мобільних об'єктів для автотранспорту. Описано характеристики реальних систем навігації, що впроваджуються в даний час, і перспективи їх розвитку. Аналізуються практичні аспекти застосування навігаційних систем в Україні.

FDMA з однією несучою - новий висхідний канал LTE

У статті розглядаються характеристики фізичного рівня (рівня 1) висхідного каналу LTE, описуються нова схема передачі SC-FDMA (множинного доступу з частотним поділом каналів та однієї несучої) та деякі пов'язані з нею вимірювання. Розуміння цієї нової схеми передачі та вимірювань є важливим кроком на шляху до розробки абонентських пристроїв LTE та просування їх на ринок.

В даний час у всьому світі активно розвивається третє покоління бездротовихкомунікаційних систем на основі W-CDMA (широкополосного множинного доступу з кодовим поділом каналів). Для забезпечення конкурентоспроможності цих систем наприкінці 2004 року 3GPP (Партнерський проект 3-го покоління) ініціював створення проекту довгострокового розвитку (LTE) стільникової технології 3GPP.

Технічні характеристики LTE визначені у "Випуску 8" стандарту 3GPP. Враховуючи, що розгортання перших систем передбачається розпочати до 2010 р., LTE створює надійну основу для розвитку мереж 3-го покоління та націлений на вирішення наступних завдань: - підвищена пікова швидкість передачі даних у бік базової станції до 86,4 Мбіт/ з у смузі 20 МГц із застосуванням модуляції 64QAM (квадратурна амплітудна модуляція); (однокористувальна система з кількома входами/виходами); – максимальна пікова швидкість передачі даних у бік абонента до 326,4 Мбіт/с із застосуванням системи 4×4 SU-MIMO; і низхідного каналів в діапазоні 1,4 ... 20 МГц; затримки менше 5 мс для невеликих IP-пакетів; - оптимізований прийом для мобільних пристроїв, що рухаються з невеликими швидкостями 0 ... 15 км / год; більш високі швидкості до 120 км/год будуть підтримуватися високопродуктивними системами, здатними працювати на граничних швидкостях до 350 км/год; - співіснування зі старими системами з одночасним розвитком у бік мереж, що повністю працюють на основі IP-протоколу.

Радіоінтерфейс LTE

У системах LTEвикористовуються два основних методи дуплексного зв'язку: дуплекс із частотним поділом (FDD) та дуплекс із тимчасовим поділом (TDD). Застосовуються інші варіанти, зокрема. FDD із половинною швидкістю. При цьому інтеграція режимів FDD і TDD до LTE значно ближче, ніж це було в UMTS. Схема передачі у бік абонента використовує множинний доступ з ортогональним розподілом частот (OFDM), а передачі у бік базової станції застосовується нова схема передачі, названа SC-FDMA. Ця нова схема поєднала риси як традиційної схеми з однією несучою, так і схеми OFDM.

OFDM та OFDMA

Технологія OFDM відома з середини 1960-х. і в даний час застосовується в багатьох бездротових системах, що не належать до стільникового зв'язку, таких як цифрове телемовлення (DVB), цифрове радіомовлення (DAB), асиметрична цифрова абонентська лінія (ADSL) та деякі різновиди стандартів Wi-Fi 802.11. Застосування OFDM у бездротовому мобільному зв'язку стримувалося з двох основних причин. Перша полягає в тому, що для виконання необхідних швидких перетворень Фур'є (FFT) потрібна велика обчислювальна потужність. Однак безперервний розвиток технологій обробки сигналу призвело до того, що цю причину вже не можна вважати перешкодою на шляху впровадження OFDM, і тепер ця технологія утворює основу LTE. Іншим фактором, що стримує застосування OFDM в мобільних системах, були властиві цій технології сигнали з високим ставленням пікового значення до середнього (PAR), які породжуються паралельною передачею кількох сотень близьких піднесуть. Для мобільних пристроїв сигнали з великим PAR створюють низку проблем, пов'язаних із конструкцією підсилювача потужності та споживанням енергії від батарей. Саме тому 3GPPзупинився на новій схемі передачі SC-FDMA

Множинний доступ у низхідному каналі LTE досягається за рахунок застосування ретельно доопрацьованої версії OFDM, що отримала назву множинного доступу з ортогональним поділом частот (OFDMA). Даний метод дозволяє закріплювати окремі піднесучі за різними користувачами. Це полегшує обслуговування багатьох абонентів, що працюють із низькими швидкостями, а також дозволяє використовувати частотні стрибки для пом'якшення ефектів вузькосмугового багатопроменевого розповсюдження.

SC-FDMA є гібридною схемою передачі, яка поєднує низькі значення PAR, властиві системам з однією несучою, таким як GSM і CDMA, з великою тривалістю символу і гнучким розподілом частот OFDM. Принципи генерації сигналу SC-FDMA показані малюнку 1, який є фрагментом одного з малюнків звіту 3GPP TR 25.814 про дослідження фізичного рівня LTE.

Мал. 1. Генерація сигналу SC-FDMA

У лівій частині малюнка 1 символи даних представлені у часовій області. Символи перетворюються на частотну область за допомогою швидкого перетворення Фур'є і потім, у частотній області, вони розподіляються в потрібні місця загального спектру несучої. Потім їх потрібно знову перетворити на тимчасову область, щоб перед передачею додати до них циклічний префікс. Альтернативна назва технології SC-FDMA – розподілена OFDM із дискретним перетворенням Фур'є (DFT-SOFDM).

Мал. 2. Порівняння передачі серії символів даних QPSK в OFDMA та SC-FDMA

Альтернативний опис цієї технології наведено на малюнку 2, де в частотній та часовій областях показано, як OFDMA та SC-FDMA передають послідовність із восьми символів QPSK. У цьому спрощеному прикладі число піднесених (M) булоскорочено до чотирьох. Для OFDMA чотири (M) символи обробляються паралельно, причому кожен з них модулюється власною піднесучою з відповідною фазою QPSK. Кожен символ даних займає смугу 15 кГц на час передачі одного символу OFDMA, що дорівнює 66,7 мкс. На початку наступного символу OFDMA вставляється захисний інтервал, що містить циклічний префікс (CP). CP є копією кінця символу, доданою до початку символу. Завдяки паралельній передачі символи даних мають ту ж довжину, що і символи OFDMA.

У разі SC-FDMA символи даних передаються послідовно. Оскільки в даному прикладі використовуються чотири піднесучі, за один період символу SC-FDMA передаються чотири символи даних. Період символу SC-FDMA має таку ж довжину, як і символ OFDMA, тобто. 66,7 мкс, але завдяки послідовній передачі символи даних виходять коротшими, тобто. рівними 66,7/M мкс. У зв'язку з підвищенням швидкості проходження символів для їх передачі потрібна ширша смуга. В результаті кожен символ займає в спектрі 60 кГц, а не 15 кГц, як було у випадку повільніших символів, що використовуються в OFDMA. Після передачі чотирьох символів даних вставляється CP.

Мал. 3. Створення символу SC-FDMA у часовій області

Мал. 4. Подання символу SC-FDMA у смузі модулюючого сигналу та зі зсувом по частоті

Продовження графічного порівняння OFDMA і SC-FDMA на малюнках 3 і 4 показаний детальний процес генерації сигналу SC-FDMA. Спочатку створюється уявлення послідовності символу даних у часовій області, як показано на малюнку 3. У цьому прикладі з чотирма піднесучими для генерації одного символу SC-FDMA потрібні чотири символи даних. Використовуючи перші чотири кольорові символи QPSK (див. рис. 2), процес створюєодин символ SC-FDMA у часовій області, розраховуючи траєкторію, що переходить від одного символу даних QPSK до іншого. Це робиться зі швидкістю M разів вище швидкості символів SC-FDMA, так що в результаті один символ SC-FDMA містить M послідовних символів даних QPSK. Щоб не ускладнювати розгляд, ми не обговорюватимемо фільтрацію переходів між символами, хоча в будь-якій реальній схемі така фільтрація обов'язково присутня.

Після створення IQ-подання одного символу SC-FDMA у часовій області наступним кроком є представлення його в частотній області за допомогою дискретного перетворення Фур'є (DFT; див. рис. 4). Частота дискретизації DFT вибирається таким чином, щоб форма одного символу SC-FDMA у часовій області повністю представлялася M бінами DFT, віддаленими один від одного на 15 кГц, причому кожен бін представляє одну піднесучу з постійною амплітудою та фазою протягом одного періоду символу SC-FDMA рівного 66,7 мкс. При цьому завжди існує однозначна відповідність між числом символів даних, що передаються за один період символу SC-FDMA, і числом бінів DFT, що створюються, яке, у свою чергу, дорівнює кількості займаних піднесучих. Це досить логічно: зі зростанням числа символів даних, що передаються за один період SC-FDMA, сигнал у часовій області змінюється швидше, що призводить до розширення смуги і, отже, вимагає більшої кількості бінів DFT для повного представлення сигналу в частотній області.

Стійкість до багатопроменевого поширення

Тепер саме час поставити запитання: «Як може SC-FDMA зберегти стійкість до багатопроменевого поширення при таких коротких символах даних?». OFDMA модулюючі символи даних залишаються постійними протягом періоду символу OFDMA рівного 66,7 мкс, тоді як символ SC-FDMA змінюється з часом, оскільки містить M короткі символи даних. Стійкість до багатопроменевого поширення процесу демодуляції OFDMA обумовлена великою довжиною символів даних, які накладаються безпосередньо на окремі піднесучі. На щастя, стійкість до розкиду затримки обумовлена саме постійною природою кожної несучої, а не сталістю символів даних. Як показано вище, DFT символу SC-FDMA, що змінюється в часі, створює набір бінів DFT, постійних протягом символу SC-FDMA, незважаючи на те, що модулюючі символи даних при цьому змінюються. В цьому і полягає основна властивість процесу DFT, що символ SC-FDMA, що змінюється в часі, що складається з M послідовних символів даних, представляється в частотній області M не змінюються в часі піднесучими. Таким чином, навіть SC-FDMA з властивими йому короткими символами даних має достатню стійкість до багатопроменевого поширення. На малюнку 2 всі піднесучі SC-FDMA показані з тією ж амплітудою, але в реальних умовах кожна піднесуча має свою амплітуду і фазу протягом кожного символу SC-FDMA.

Тепер для завершення генерації сигналу SC-FDMA виконуються самі операції, що і для OFDMA. Зворотне БПФ перетворює зміщений частотою сигнал у тимчасову область, а потім додавання CP забезпечує властиву OFDMA фундаментальну стійкість до багатопроменевого поширення.

Мал. 5. Спрощена модель генерації та прийому SC-FDMA

Малюнок 5 ілюструє близький взаємозв'язок між SC-FDMA та OFDMA. Помаранчеві блоки показують обробку OFDMA, а сині блоки являють собою додаткову обробку в часовій області, необхідну для SC-FDMA. Головне, що слід зазначити, це те, що сигнал, перетворений з частотної області назадтимчасову область, є ні що інше, як зміщену за частотою версію послідовності символів QPSK. Даний приклад демонструє основну причину створення SC-FDMA, а саме PAR кінцевого сигналу не перевищує PAR вихідних символів даних, які в даному випадку є символами QPSK. Це суттєво відрізняється від OFDMA, де паралельна передача тих самих символів QPSK створює статистичні піки, дуже схожі на Гаусівський шум, які значно перевищують PAR вихідних символів даних. Обмеження PAR за допомогою SC-FDMA суттєво знижує потребу в тому, щоб мобільний пристрій працював з високими піками потужності. Це знижує витрати, і енергоспоживання.

Структура фізичного рівня

Фізичний рівень LTE і двох типів сигналів, відомих як фізичні сигнали і фізичні канали. Фізичні сигнали генеруються на рівні 1 і використовуються для синхронізації системи, ідентифікації осередку та оцінки радіоканалу. Фізичні канали служать передачі даних, що з більш високих рівнів, включаючи управління, розклад і корисні дані. У таблиці 1 показані фізичні сигнали та канали висхідного з'єднання.