4Основные технологические решения обработки сигналов в сетях широкополосной беспроводной связи
Десятилетия развития беспроводной связи выработали достаточно эффективные методы, обеспечивающие уверенный прием широкополосного сигнала, подвергаемого изложенным ранее искажениям. В общем виде формирование сигнала в канале включает процедуры канального кодирования, скремблирования, формирования модуляционных символов, их распределения по антенным портам и ресурсным элементам и синтеза OFDM-символов (рис. 1.11). Канальное кодирование подразумевает вычисление контрольных сумм (CRC-24) для блоков данных, поступающих с МАС-уровня. Затем блоки с контрольными суммами обрабатываются посредством кодера со скоростью кодирования 1/3. В LTE предусмотрено применение либо сверточного кода, либо турбо-кода. Кодированная последовательность после перемежения (интерливинга) поступает в скремблер (для входной последовательности {x(i)} выполняется процедура вида dscr(i) = x(i) + c(i), где c(i) – определенная скремблирующая последовательность). Затем формируются комплексные модуляционные символы (квадратурную фазовую манипуляцию, 16- и 64-КАМ) и распределяются по ресурсным элементам. Далее происходит синтез OFDM-символов, их последовательность поступает в модулятор, формирующий выходной ВЧ-сигнал в заданном частотном диапазоне. На стороне приема все процедуры выполняются в обратном порядке.
Рисунок 1.11 – Формирование сигнала в канале
Применение OFDM в сочетании с циклическим префиксом делает связь устойчивой к временной дисперсии параметров радиоканала, в результате на приемной стороне становится не нужным сложный эквалайзер. Это очень полезно для организации нисходящего канала, поскольку упрощается обработка сигнала приемником, что снижает стоимость терминального устройства и потребляемую им мощность
Рассмотрим основные методы обработки широкополосного сигнала, обеспечивающие его уверенный прием.
4.1Ортогональное частотное разделение каналов с мультиплексированием ofdm
Ортогональное частотное разделение каналов с мультиплексированием (OFDM - англ. Orthogonal frequency-division multiplexing) является базовой и наиболее эффективной технологией цифровой модуляции в сетях WiMax и LTE. Помимо этого, оно же используется и в ADSL, DVB-T.
Принцип OFDM, хорошо исследованный в системах DVB, Wi-Fi и WiMAX, заключается в следующем: информационный поток разбивается на несколько потоков данных, которые одновременно передаются на различных частотах (рис. 1.12), вписываясь при этом все в тот же предписанный стандартом диапазон.
Рисунок 1.12 – Разбиение полосы радиоканала в OFDM на несколько несущих
Модель ортогонального частотного разделения позволяет избежать перекрестных помех для различных подканалов, что расширяет полосу пропускания во столько раз, сколько независимых каналов используется в системе. Иными словами - это схема модуляции, использующая множество несущих: канал делится на несколько субканалов (поднесущих), соответственно, высокоскоростной поток данных конвертируется в несколько параллельных битовых потоков меньшей скорости, каждый из которых модулируется своей несущей и передается одновременно (рис. 1.13).
Рисунок 1.13 – Конвертирование высокоскоростного потока в OFDM в набор низкоскоростных параллельных битовых потоков
Главное преимущество OFDM заключается в том, что продолжительность символа во вспомогательной несущей значительно больше в сравнении с задержкой распространения, чем в традиционных схемах модуляции. Это делает OFDM гораздо устойчивее к межсимвольной интерференции.
Ключевым принципом OFDM является использование защитного интервала – временного интервала между передаваемыми символами, рассчитанного на возможные задержки распространения сигнала, вызванные различными маршрутами прохождения (вследствие отражений сигнала). Это возможно благодаря тому, что продолжительность каждого передаваемого символа в OFDM достаточно велика. Так, при общей скорости (как пример) в 1 Мб/с и 1000 подканалов (и при защитном интервале, равном 1/8 продолжительности символа, т.е. 125 микросекунд) удаленность приемник-передатчик (т.е. размер соты) составит 37 км. При одном радиоканале (т.е. без технологии OFDM) удаленность
Другим преимуществом OFDM является устойчивость к частотно-зависимому затуханию. Такой тип затухания может оказывать очень негативное влияние при многолучевом распространении сигнала, особенно если источник и приемник не находятся в прямой видимости. При OFDM-модуляции данные распределяются между множеством вспомогательных несущих, поэтому информация, пострадавшая в нескольких субканалах, может быть восстановлена с помощью кода коррекции ошибок – для многих систем это код Рида-Соломона.
Кратко можно выделить основные положительные и отрицательные стороны OFDM:
плюсы:
высокая эффективность использования радиочастотного спектра, объясняемая почти прямоугольной формой огибающей спектра при большом количестве поднесущих;
простая аппаратная реализация: базовые операции реализуются методами цифровой обработки.
хорошее противостояние межсимвольным помехам (ISI) и интерференции между поднесущими (ICI); как следствие - лояльность к многолучевому распространению;
возможность применения различных схем модуляции для каждой поднесущей, что позволяет адаптивно варьировать помехоустойчивость и скорость передачи информации.
минусы:
необходима высокая синхронизация частоты и времени.
чувствительность к эффекту Доплера, ограничивающая применение OFDM в мобильных системах.
не идеальность современных приёмников и передатчиков вызывает фазовый шум, что ограничивает производительность системы.
защитный интервал, используемый в OFDM для борьбы с многолучевым распространением, снижает спектральную эффективность сигнала.
Несмотря на все недостатки, OFDM является отличным решением для архитектур современных сетей, работающих в условиях мегаполиса. Технический прогресс и динамика рынка постоянно толкают производителей совершенствовать существующие технологии. В результате появляются устройства, использующие в своей основе различные модификации OFDM. Однако ядро и заложенные в него принципы остаются те же.