НОУ ИНТУИТ | Сотовые системы связи. Лекция 9: Формирование каналов и основные процедуры

Учитесь и получайте официальные документы БЕСПЛАТНО. Вы можете поддержать наш проект.

Регистрация Вход

Твой путь к знаниям!

Опубликован: 02.07.2009 | Уровень: специалист | Доступ: платный

|

Вам нравится? Нравится 50 студентам

| Поделиться |

Поддержать программу

8.2. Основы ортогонального многостанционного доступа с частотным разделением каналов — OFDMA

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

Ортогональное частотное разделение каналов (OFDM — Orthogonal Frequency Division Multiplexing) — методика мультиплексирования, которая подразделяет полосу канала на множество поднесущих частот [3, 5], как показано на рис. 8.2.

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 ортогональной^{4Название "ортогональные" связано с тем, что поднесущие обладают свойством ортогональности, т. е. коэффициент взаимной корреляции между ними равен нулю.} поднесущей 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. 8.2. 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 -го канала эта частота будет равна $n\omega$ .

Если для каждого из подпотоков применить квадратурную модуляцию, то получим 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, которая называется рядом Фурье:

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

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.

Рис. 8.2. 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, производится 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. 8.3) 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 межсимвольная интерференция не возникает.

Рис. 8.3. 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.

8.3. Структура и формирование OFDMA-подканалов

Структура подканала OFDMA [51, 52] содержит три типа поднесущих частот, как показано на рис. 8.4:

поднесущие информационные частоты для передачи данных;
поднесущие частоты для передачи пилот-сигналов (для целей измерений и синхронизации);
нулевые поднесущие частоты, используемые для защитных интервалов частот.

Рис. 8.4. 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"^{5Направление "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 направлении от периферийного узла к центральному, в данном случае — от мобильной станции к базовой.} применяются следующие способы:

каналообразование с полным использованием поднесущих частот (FUSC — Fully Used Sub canalization);
каналообразование с частичным использованием поднесущих частот (PUSC — Partly Used Sub canalization);
смежные перестановки AMC (Adoption Modulation and Coding).

Частичное использование поднесущих частот означает, что из всего набора несущих частот выбирается только часть. Устройства (например, подвижные станции) работают, занимая только часть полосы. Поскольку в этом случае вся излучаемая мощность концентрируется в используемой полосе, это приводит к увеличению 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 с псевдослучайной последовательностью. Этим обеспечивается разнесение по частоте и усреднение межсотовой интерференции.

8.3.1. Наращиваемый OFDMA

Режим передачи согласно стандарту IEEE 802.16e-2005 основан на концепции наращиваемого (масштабируемого) OFDMA (SOFDMA — Scalable OFDMA) [109]. Он поддерживает широкий диапазон пропускной способности и гибко приспосабливается к потребностям в различных диапазонах спектра. Наращивание пропускной способности поддерживается регулировкой числа шагов быстрого преобразования Фурье (БПФ — FFT — Fast Fourier Transform). Параметры SOFDMA приведены в табл. 8.1. Техническая рабочая группа WiMAX Forum вначале запланировала разработку документов (профилей) для значений ширины каналов 5 и 10 МГц (выделены в табл.).

Таблица 8.1. Параметры SOFDMA
Параметры	Значение
Ширина канала (МГц)	1,25	5	10	20
Частота опроса ( в МГц)	1,4	5,6	11,2	22,4
Размер преобразования Фурье ( $N_{FFT}$ )	128	512	1024	2048
Число подканалов	2	8	16	32
Интервал между несущими	10,94кГц
Длительность полезного символа ( )	91,4мкс
Защитный интервал ( )	11,4мкс
Длительность OFDMA-символа ( )	102,9мкс
Число символов (кадр 5мс)	48