Уплотнение с пространственным разделением

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM)

2. Суть метода OFDM

3. Передатчик

4. Приёмник

5. Проблемы при использовании метода OFDM

6. Ортогональность несущих частот

7. Преимущества

Вывод

Литература

Введение

В мультиплексировании с ортогональным частотным разделением каналов используется три принципа передачи: множественная скорость, множественные символы и множественные несущие. Мультплексирование с ортогональным разделением частоты распределяет данные по большому количеству несущих частот, которые пространственно расположены на частотах с допустимой погрешностью. Разделение в этой технике обеспечивает ортогональность, которая не даёт демодулятору воспринимать какие-либо кроме собственных.

Особенность радиосвязи состоит в том, что качество радиоканала не постоянно во времени, пространстве и зависит от частоты. Здесь стоит упомянуть и об относительно быстрых изменениях параметров связи в результате многолучевого распространения радиоволн. Таким образом, качество радиоканала и особенно широкополосного, зависит от характеристик отраженных радиоволн.

1. Мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM)

OFDM (англ. Orthogonal frequency-division multiplexing -- мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов) является цифровой схемой модуляции, которая использует большое количество близко расположенных ортогональных поднесущих. Каждая поднесущая модулируется по обычной схеме модуляции (например, квадратурная амплитудная модуляция) на низкой символьной скорости, сохраняя общую скорость передачи данных, как и у обычных схем модуляции одной несущей в той же полосе пропускания. На практике сигналы OFDM получаются путем использования БПФ (Быстрое преобразование Фурье).

По сравнению с ранее разработанными системами 3G радиоинтерфейс LTE обеспечивает улучшенные технические характеристики, включая максимальную скорость передачи данных более 300 Мбит/с, время задержки пересылки пакетов менее 10 мс, а также значительно более высокую спектральную эффективность.

Особенность радиосвязи состоит в том, что качество радиоканала не постоянно во времени, пространстве и зависит от частоты. Здесь стоит упомянуть и об относительно быстрых изменениях параметров связи в результате многолучевого распространения радиоволн. Таким образом, качество радиоканала и особенно широкополосного, зависит от характеристик отраженных радиоволн (рис.1).

Рис.1 Представление характеристик отраженных радиоволн

С целью поддержания постоянной скорости обмена данными по радиоканалу традиционно используется ряд способов сведения к минимуму таких изменений (разные методы разнесенной передачи). В то же время при передаче пакетных данных конечные пользователи не всегда замечают кратковременные колебания битовой скорости. В связи с этим одним из основополагающих принципов радиодоступа в системе LTE является не уменьшение, а использование быстрых изменений качества радиоканала, с тем чтобы обеспечить более эффективное применение доступных радиоресурсов. Это осуществляется во временной и частотной областях с помощью технологии радиодоступа OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing).

2.Суть метода OFDM

В мультиплексировании с ортогональным частотным разделением каналов используется три принципа передачи: множественная скорость, множественные символы и множественные несущие. Мультплексирование с ортогональным разделением частоты распределяет данные по по большому количеству несущих частот, которые пространственно расположены на частотах с допустимой погрешностью. разделение в этой технике обеспечивает ортогональность, которая не даёт демодулятору воспринимать какие-либо кроме собственных.

В мультиплексировании с ортогональным частотным разделением каналов с многоканальным входом и многоканальным выходом (MIMO-OFDM) для приёма и передачи радиосигналов используются многоэлементные антенны. Мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов с многоканальным входом и многоканальным выходом даёт провайдерам услуг возможность применения системы широкополосного беспроводного доступа, обладающей функцией передачи вне зоны прямой видимости. MIMO-OFDM использует преимущества многолучевого распространнеия в окружающей среде при использовании антенн без оны прямой видимости. В системе MIMO-OFDM используются многоэлементные антенны, которые одновременно передают данные маленькими порциями приёмнику, который обрабатывает поток данных и соединяет их в единое целое. Этот процесс, называемый пространственным уплотнением (мультиплексированием), увеличивает скорость передачи данных пропорционально фактору, равному числу передающих антенн. В дополнение к этому, так как данные передаются в одном и том же частотном спектре и с одинаковыми пространственными характеристиками, спектр испоьзуется эффективно. Векторное мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (VOFDM) базируется на концепции технологии MIMO.

Поток данных расщепляется на N малых потоков с помощью преобразователя последовательного кода в параллельный, каждый поток имеет скорость передачи данных R/N и передаётся на отдельной несущей, соседние несущие при этом разделяются расстоянием А (смотрите рисунок 2). Длительность бита при этом составляет N/R. Преимущество мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов состоит в том, что многолучевое распространение по множественному каналу уменьшается по отношению к межсимвольному интервалу на соотношение 1/N, что предполагает меньшее искажение каждого модулируемого символа.

Рисунок 2. Мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM).

Самая важная характеристика мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов - ортогональное расположение сигналов на несущих подчастотах. Мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM) - использует скачкообразную смену частот для создания системы расширенного спектра. В скачкообразной смене частот есть некоторые преимущества по сравнению с расширением спектра методом прямой последовательности, например, нет проблемы близости-дальности, более лёгкий процесс синхронизации, менее сложное устройство передатчика и т.д.

В мультиплексировании с ортогональным частотным разделением каналов последовательность входной информации сначала преобразуется в параллельную последовательность данных, а выходные сигналы каждого последовательно-параллельного преобразователя уплотняются посредством кода расширения. Данные от всех несущих вспомогательных частот модулируются в полосе передачи частот посредством обратного быстрого преобразования Фурье (IFFT) и преобразуются обратно в серийные данные. Во избежание возникновения межсимвольных помех вследствие многолучевого замирания между каждым символом вставляется защитный интервал и, наконец, сигнал передаётся после преобразования с повышением частоты. В приёмнике, после преобразования с понижением частоты, компонент несущей подчастоты, соответствующий принимаемым данным, сначала обнаруживается посредством быстрого преобразования Фурье, а затем уплотняется с целью собрать энергию сигнала, рассеянную по частотной области (смотрите рисунок 3).

Рисунок 3. Передача и приём OFDM стандарта IEEE 802.11 .

Развитие беспроводных локальных сетей (WLAN) продолжается в беспроводных двухточечной и многоточечной конфигурациях с использованием технологии OFDM.

В дополнение к стандарту IEEE 802.11, группа его разработчиков издала стандарт IEEE 802.11a, который кратко описывает использование OFDM в спектре 5,8 ГГц. Основным принципом применения является разделение высокоскоростного двоичного сигнала для передачи по нескольким более несущим вспомогательным данные младшего порядка. Существует 48 несущих подчастот для передачи данных и 4 контрольных вспомогательных несущих частоты, всего 52 несущих вспомогательных частоты. Каждый битовый поток с низкой скоростью передачи используется для модулирования отдельной вспомогательной несущей одного из каналов в спектре 5 ГГц. Перед передачей данные кодируются посредством специального кода скорости, R=1/2, и перемежения битов для получения необходимой скорости передачи данных. Каждый бит затем вносится в сложную последовательность в соотвествии с типом модуляции и подразделением на 48 вспомогательных несущих для передачи данных и 4 контрольных вспомогательных несущих. Вспомогательные несущие соединяются посредством обратного быстрого преобразования Фурье и передаются. На приёмнике, несущая снова преобразуется в множество несущих посредством быстрого преобразования Фурье. Низкоскоростные вспомогательные несущие данных соединяются в форме единицы высокоскоростных данных.

3. Передатчик

Рис 4.

Несущий сигнал OFDM - сумма нескольких ортогональных поднесущих, на каждой из которых передаваемые на основной частоте данные независимо модулируются с помощью одного из типов QAM или QPSK. Далее этим суммарным сигналом модулируется радиочастота.

s[n] - это последовательный поток двоичных цифр. Во время обратного преобразования этот поток преобразуется сначала в N параллельных потоков, после чего каждый из них отображается в поток символов (иногда комплексный) с помощью процедуры, обратной квадратурной амплитудной модуляции QAM или QPSK, соответственно. Каналы независимы, преобразования могут быть разными, количество бит на символ в них тоже разное. Поэтому разные потоки могут иметь разную битовую скорость. Например, пропускная способность линии 2400 бод (символов в секунду), и первый поток работает с QPSK (2 бита на символ) и передает 4800 бит/с, а другой работает с QAM-16 (4 бита на символ) и передает 9600 бит/с.

Обратное FFT считается на каждом блоке символов, создавая такое же множество комплексных (отсчетов во временной области?) time-domain samples. Далее ЦАПы преобразуют в аналоговый вид отдельно мнимую и действительную компоненты, после чего комбинируют их стандартным способом, после чего с их помощью модулируются, соответственно, косинусоида и синусоида с радиочастотой. Эти сигналы далее суммируются и дают передаваемый сигнал s(t).

4. Приёмник

Рис 5

Приемник принимает сигнал r(t) , выделяет из него sin и cos на радиочастоте. Создаются сигналы в полосе вокруг 2f_c, использую фильтры низких частот. Получившиеся сигналы далее оцифровываются с помощью АЦП, подвергаются прямому FFT. Получается сигнал в частотной области.

Теперь есть N параллельных потоков, каждый из которых преобразуется в двоичный код с помощью заданного алгоритма квадратурной амплитудной модуляции. Получается поток, близкий к потоку, который требовалось передать передатчику.

5. Проблемы при использовании метода OFDM

В результате многократных отражений один и тот же сигнал может попадать в приёмник различными путями. Но различные пути распространения имеют и разные длины, а потому для различных путей распространения ослабление сигнала будет неодинаковым. Следовательно, в точке приёма результирующий сигнал представляет собой суперпозицию (интерференцию) многих сигналов с различными амплитудами и смещёнными относительно друг друга по времени, что эквивалентно сложению сигналов с разными фазами. Если предположить, что передатчик распространяет гармонический сигнал y_in=Asin2рнt с частотой несущей н амплитудой A, то в приёмнике будет получен сигнал

,

где t_i - задержка распространения сигнала по i-му пути (Рис.6).

Рис.10. Модель многолучевого распространения сигнала

Следствием многолучевой интерференции является искажение принимаемого сигнала. Многолучевая интерференция присуща любому типу сигналов, но особенно негативно она сказывается на широкополосных сигналах. Дело в том, что при использовании широкополосного сигнала в результате интерференции определённые частоты складываются синфазно, что приводит к увеличению сигнала, а некоторые, наоборот, - противофазно, вызывая ослабление сигнала на данной частоте (рис.3).

Рис.7.Искажение сигнала за счёт присутствия многолучевой интерференции.

Говоря о многолучевой интерференции, возникающей при передаче сигналов, различают два крайних случая. В первом случае максимальная задержка между различными сигналами не превосходит времени длительности одного символа, и интерференция возникает в пределах одного передаваемого символа. Во втором случае максимальная задержка между различными сигналами больше длительности одного символа, а в результате интерференции складываются сигналы, представляющие разные символы, и возникает так называемая межсимвольная интерференция (Inter Symbol Interference, ISI - рис.4).

Рис.8.Возникновение межсимвольной и внутрисимвольной интерференции

Наиболее отрицательно на искажении сигнала сказывается межсимвольная интерференция. Поскольку символ - это дискретное состояние сигнала, характеризующееся значениями частоты несущей, амплитуды и фазы, то для различных символов меняются амплитуда и фаза сигнала, поэтому восстановить исходный сигнал крайне сложно. Чтобы избежать, а точнее, частично компенсировать эффект многолучевого распространения, используются частотные эквалайзеры, однако, по мере роста скорости передачи данных либо за счёт увеличения символьной скорости, либо за счёт усложнения схемы кодирования, эффективность использования эквалайзеров падает.

В стандарте LTE с максимальной скоростью передачи данных более 300 Мбит/с, компенсация межсимвольной интерференции путем использования CCK-кодов и QDPSK-кодирования уже не справляется с возложенной на них задачей. Поэтому используется принципиально иной метод кодирования данных, который состоит в том, что поток передаваемых данных распределяется по множеству частотных подканалов и передача ведётся параллельно на всех этих подканалах. При этом высокая скорость передачи достигается именно за счёт одновременной передачи данных по всем каналам, а скорость передачи в отдельном подканале может быть и не высокой. Если скорость передачи обозначить S_i в i-ом частотном канале, то общая скорость передачи посредством N каналов будет равной

Поскольку в каждом из частотных подканалов скорость передачи данных можно сделать не слишком высокой, это создает предпосылки для эффективного подавления межсимвольной интерференции.

При частотном разделении каналов необходимо, чтобы ширина отдельного канала была, с одной стороны, достаточно узкой для минимизации искажения сигнала в пределах отдельного канала, а с другой - достаточно широкой для обеспечения требуемой скорости передачи. Кроме того, для экономного использования всей полосы канала, разделяемого на подканалы, желательно как можно более плотно расположить частотные подканалы, но при этом избежать межканальной интерференции, чтобы обеспечить полную независимость каналов друг от друга. Частотные каналы, удовлетворяющие перечисленным требованиям, называются ортогональными. Несущие сигналы всех частотных подканалов (а точнее, функции, описывающие эти сигналы) ортогональны друг другу. С точки зрения математики ортогональность функций означает, что их произведение, усреднённое на некотором интервале, должно быть равно нулю. В данном случае это выражается простым соотношением:

,

где T - период символа, f_k,f_l - несущие частоты каналов k и l.

6. Ортогональность несущих частот

Ортогональность несущих сигналов можно обеспечить в том случае, если за время длительности одного символа несущий сигнал будет совершать целое число колебаний. Примеры нескольких несущих ортогональных колебаний представлены на рис.5.

Рис.9.Ортогональные частоты

Учитывая, что каждый передаваемый символ длительности T передаётся ограниченной по времени синусоидальной функцией, нетрудно найти и спектр такой функции (рис.6.32), который будет описываться функцией

,

где f_i - центральная (несущая) частота i-го канала.

Рис.10. Символ длительностью T и его спектр

Такой же функцией описывается и форма частотного подканала. При этом важно, что хотя сами частотные подканалы могут и перекрывать друг друга, однако ортогональность несущих сигналов гарантирует частотную независимость каналов друг от друга, а следовательно, отсутствие межканальной интерференции (рис.11).

Рис.11 Частотное разделение каналов с ортогональными несущими сигналами

Рассмотренный способ деления широкополосного канала на ортогональные частотные подканалы называется ортогональным частотным разделением с мультиплексированием (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM). Для его реализации в передающих устройствах используется обратное быстрое преобразование Фурье (IFFT), переводящее предварительно мультиплексированный на N-каналов сигнал из временного представления в частотное (рис.12).

Рис.12 Осуществление обратного быстрого преобразования Фурье для получения N ортогональных частотных подканалов

мультиплексирование ортогональный частота радиосвязь

Как уже отмечалось, одним из ключевых преимуществ метода OFDM является сочетание высокой скорости передачи с эффективным противостоянием многолучевому распространению. Если говорить точнее, то сама по себе технология OFDM не устраняет многолучевого распространения, но создаёт предпосылки для устранения эффекта межсимвольной интерференции. Дело в том, что неотъемлемой частью технологии OFDM является понятие охранного интервала (Guard Interval, GI) - это циклическое повторение окончания символа, пристраиваемое вначале символа (рис.6.35). Охранный интервал является избыточной информацией и в этом смысле снижает полезную (информационную) скорость передачи. Эта избыточная информация добавляется к передаваемому символу в передатчике и отбрасывается при приёме символа в приёмнике, но именно она служит защитой от возникновения межсимвольной интерференции.

7. Преимущества

Основным преимуществом OFDM по сравнению со схемой с одной несущей является её способность противостоять сложным условиям в канале. Например, бороться с затуханием в области ВЧ в длинных медных проводниках, узкополосными помехами и частотно-избирательным затуханием, вызванным многолучевым характером распространения, без использования сложных фильтров-эквалайзеров. Канальная эквализация упрощается вследствие того, что OFDM сигнал может рассматриваться как множество медленно модулируемых узкополосных сигналов, а не как один быстро модулируемый широкополосный сигнал. Низкая символьная скорость делает возможным использование защитного интервала между символами, что позволяет справляться с временным рассеянием и устранять межсимвольную интерференцию (МСИ).

Вывод

До недавнего времени распространение технологии OFDM сдерживала сложность его аппаратной реализации. Однако сегодня, с развитием полупроводниковой технологии, это уже не является преградой. В результате метод OFDM приобретает все большее распространение, в частности, используется в системах связи таких популярных стандартов, как IEEE 802.11 a/g и DVB, а также является одним из основных механизмов стандарта широкополосных региональных БСПИ IEEE 802.16-2004.

По сравнению с ранее разработанными системами OFDM в радиоинтерфейсе LTE обеспечивает улучшенные технические характеристики, включая максимальную скорость передачи данных более 300 Мбит/с, время задержки пересылки пакетов менее 10 мс, а также значительно более высокую спектральную эффективность.

Литература

1. Невдяев Л. Стандарты 3G. Сети, 2000, № 6

2. Standart Requirements Document for the Evolution of CDMA2000 1X http://www.cdg.org/3gpavilion/Detailed_Info/standard_requirements.asp

3. A Comparison Between GPRS and cdmaOne Packet Data http://www.cdg.org/3gpavilion/Detailed_Info/gprs.asp

4. The Economics of Wireless Mobile Data http://www.qualcomm.com/main/whitepapers/WirelessMobileData.pdf

5. CDMA2000 1xEV Overview http://www.qualcomm.com/hdr/about.html

6. Upgrading from TDMA/cdmaOne to cdma2000 http://www.cellular.co.za/technologies/cdma/cdma2000_upgrade.htm

7. The Advent of Wireless Internet Age and the strategy of cdma2000 http://www.nti.co.jp/~kobakan/contents/cdma2000.html

8. «Цифровое радиовещание» С.Г. Рихтер, 2004.

9. RECOMMENDATION ITU-R BS.1114. Systems for terrestrial digital sound broadcasting to vehicular, portable and fixed receivers in the frequency range 000 MHz.

10. ETSI ТS 101 980 V1.1.1 (2001-09) Technical Specification. Digital Radio Mondial (DRM) System Specification.

Размещено на Allbest.ru