ВСТУП

У специфікаціях новітніх телекомунікаційних дротових і бездротових стандартів усе частіше можна зустріти використання OFDM технології. Її високу популярність забезпечують продиктовані часом вимоги до архітектури радіосистем [3]. Розроблена ще в 60-х роках минулого століття технологія OFDM через недосконалість тодішніх технологій стала доступною для застосування лише відносно недавно.

Уперше такий підхід був використаний приблизно 40 років тому у декількох військових системах: KINEPLEX, ANDEFT і KATHRYN [4]. Так, система передачі даних KINEPLEX ТЕ-206 забезпечувала передачу зі швидкістю 2400 біт/с із використанням 8 каналів (піднесівних), а ТЕ-202 – 3000 біт/с із використанням 40 каналів. При цьому частотний розніс між піднесівними був не менше або дорівнював Ω=2π/T (T – довжина тактового інтервалу), тому що при взаємно некогерентних піднесівних забезпечити їх ортогональність при меншому розносі неможливо. Зазначене потребує окремого пояснення. Нехай Ω=2π/T,

(1)

Спочатку використовувалися системи з декількома несівними (Multicarrier System). При цьому спектри сусідніх несівних суттєво не перекривалися. Такий підхід неефективно використовував виділену смугу частот.Але в умовах взаємної когерентності (тотожності початкових фаз) несівних не висувалися, і фільтрацію початкових фаз кожної несівної пропонувалось виконувати незалежно. Потім з’явилася ідея використати системи, у яких спектри сусідніх несівних суттєво перекриваються. Очевидно, що для прийому таких несівних необхідно, щоб вони були ортогональними. Ортогональність означає, що згортка суми всіх несівних з опорним сигналом, налаштованим на одну несівну, дає ненульовий відгук тільки із заданою несівною й гарантує частотну незалежність каналів один від одного, а отже, і відсутність міжканальної інтерференції. Очевидно, забезпечення ортогональності при розносі Ω=π/T можливе лише за умови, що початкові фази всіх піднесівних є однаковими. Дійсно при Ω=π/T,

(2)

Тобто, рознос на Ω допустимий, якщо початкова фаза у всіх складових – однакова:

Властивістю ортогональності використовуваних для передачі потоків даних несівних визначило назву технології OFDM – передача даних на ортогональних по частоті несівних. Це забезпечує високі швидкості й появу можливості подальшого підвищення завадостійкості передачі інформації. Недоліком перших OFDM-систем була необхідність використовувати для кожної несівної свій гетеродин і свій фільтр. В 1971 р. Вайнштейн й Еберт показали, що застосування зворотнього дискретного перетворення Фур’є на передавальній, і прямого дискретного перетворення Фур’є на приймальній стороні дозволяє ефективно сформувати набір ортогональних за частотою несівних [7]. Такий підхід додатково підкріплюється існуванням достатньої кількості ефективних алгоритмів швидких дискретних перетворень(ШДП) [8]. Із цього моменту технологія OFDM знайшла широке застосування як у дротових, так й у радіосистемах передачі даних. Секрет такого широкого застосування криється в особливостях технології.

1. АНАЛІЗ ПОБУДОВИ РАДІОТРАКТІВ БАГАТОЧАСТОТНИХ ШИРОКОСМУГОВИХ СИГНАЛІВ

1.1. Багаточастотні широкосмугові сигнали(ofdm) – їх побудова, переваги, недоліки, області застосування

Радіотехнологія LTE (Long Term Evolution). Радіоінтерфейс LTE заснований на відомій радіотехнології OFDM для лінії «вниз» і на новому методі частотного розділення з однією несівною(Single Carrier Frequency-Division Multiple Access – SC-FDMA) длялінії - «вгору». У LTE передбачено застосування надточного коду або турбо коду зі швидкістю 1/3. Основні особливості радіо інтерфейсу LTE:

гнучкість використання радіоспектру завдяки підтримці як частотного(FDD), так і часового (TDD) видів дуплексу і масштабування рабочоїсмуги частот. Перша особливість дозволяє системі працювати як в парних, так і непарних смугах частот, підтримуючи частотний (FDD) і часовий (ТDD) види дуплексу. Цевідкриває шлях до освоєння ринку як старими операторами, що мають парнісмуги частот, так і новим гравцям.

Друга особливість дає і тим і іншим можливість використовувати частотнісмуги різної ширини: від 1.25 до 20 МГц;

ефективний механізм диспетчеризації (планувальник) і схема адаптації до характеристик каналу (АМС). У технології LTE передбачена динамічна диспетчеризація (розподіл ресурсів між користувачами) у висхідному і низхідному каналах (залежно від стану каналу) з метою оптимізації загальної продуктивності системи. Для послуг з регулярною пересилкою пакетів через рівні проміжки часу передбачена статична диспетчеризація (тому що в цьому випадку обєм трафіку сигналізації, необхідний для динамічної диспетчеризації, невиправдано великий у порівнянні з корисним трафіком);

застосування антени технологій (МІМО) і схем просторово-частотного кодування з одночасним використанням 4-х антен на базовій станції і від 2-х до 4-х - у обладнанні користувача. Цедозволяє, передаваючи чьотири практично незалежних потоки даних в одній і тій же частотній смузі шириною 20 МГц, що забезпечує швидкість передачі даних до 300 Мбіт/с.

Типові значення агрегатних швидкостей передачі даних, досягнуті в смузі 20 МГц, дещоменше: 100 Мбіт/с для лінії «вниз» і 50 Мбіт/с для лінії «вгору». Передбачається, що радіоінтерфейс LTEдозволить підтримувати непереривні з'єднання з користувачами, які рухаються зі швидкістю до 350 км/год.

Принцип сигнал утворення в LТЕ заснований на OFDM, спосіб застосування якого в низхідному і висхідному каналах істотно відрізняється. По лінії «вниз» OFDMзвичайним чином використовується для інформаційної модуляції і мультиплексування користувальницьких каналів (схема множинного доступу технології OFDMА).

Лінія «вгору» відрізняється набагато меншим енергетичним бюджетом - для меншпотужніших абонентських терміналів енергетична ефективність схеми модуляції є одним із пріоритетів. Відомим недоліком OFDM, де радіосигнал утворюється суперпозицією безлічі незалежно модулюючих несівних, є високе відношення пікової потужності сигналу до його середньої потужності, яке називається пік-фактором. У зв'язку з цим для лінії «вгору» LТЕ запропонована технологія SС-FDМА. На відміну від схеми OFDM, в якій на кожній піднесівній одночасно передається цілий модулюючий символ, всіпіднесівніSС-FDМА модулюються одним і тим же символом (рис.1). Інакше кажучи, в OFDMА символи даних передаються паралельно, а в SС-FDМА - послідовно. Це помітно знижує пік-фактор формованих на передачу сигналів, а також пом'якшує вимоги до динамічного діапазону і ступеня лінійності вихідної характеристики підсилювача потужності.

Рис.1. Особливості передачі послідовності QPSK-символів в системах з радіоінтерфейсом OFDMА і SС-FDМА

Символ SС-FDМА займає всю доступну смугу частот. При цьому він містить N модуляційних символів (стільки, скільки піднесівних), але в N раз коротших за часом, ніж символ OFDMА. За структурою спектра сигналу схема SС-FDМА по суті еквівалентна схеміСDМА з мультинесівною МultiСаггіег СDМА (МС-СDМА).

Крок між піднесівнимиLТЕ/ОFDМА дорівнює f= 15 кГц (відповідно, тривалість ОFDМ-символу - 66,7, мкс).

Піднесівна модулюється задопомогоюQPSК, 16-QАМ або 64 - QАМ, так що передаваємі на них символимістять по 2, 4 або 6 біт. При стандартному циклічному префіксі тривалістю 4.7 мкс (який дозволяє протистояти багатопроменевості при радіусі стільникадо 1.5 км) символьна швидкість дорівнює 14 ксімв/с, що в режимі РОБ відповідає швидкості передачі інформації від 28 до 84 кбіт/с на піднесівну.

Функціонування систем LТЕ прив'язане до елементарного кванту часу:

(мкс),

відповідного тактовій частоті 30.72 = 8x3.84МГц. Системна частота LТЕ, таким чином, кратна стандартній тактовій частоті WСDМА UМТS з шириною смуги 5 МГц.

Основні параметри радіо інтерфейсуLТЕ для лінії «вниз» приведені в табл. 1.1.

Ширина смуги	Тактова частота	Розмір вікна ШПФ	Кількість піднес-х
1,25МГц	1,92МГц = ½*3,84МГц	128	76
2,5МГц	3,84МГц	256	151
5МГц	7,68МГц = 2*3,84МГц	512	301
10МГц	15,36МГц = 4*3,84МГц	1024	601
15МГц	23,04МГц = 6*3,84МГц	1536	901
20МГц	30,72МГц = 8*3,84МГц	2048	1201

Таблиця 1.1. Параметри сигналу в радіоінтерфейсу LТЕ, лінія «вниз»

Сучасний висхідний канал LTE побудований на основі потужної технології SC-FDMA , що використовує багато переваг OFDM з низьким значенням відношення пікової потужності до середньої (peak to average power ratio, PAPR) для системи з однією несучою. Однак технологія SC-FDMA вимагає розподілу несучої по суміжних блокам спектра і це заважає досягти запланованої гнучкості, притаманної OFDM в чистому вигляді.

У LTE-Advanced поліпшена технологія множинного доступу у висхідному каналі за рахунок прийняття кластерного SC-FDMA, також відомого як поширення дискретного перетворення Фур'є на OFDM (DFT-S-OFDM ). Ця схема схожа на SC-FDMA, але має ту перевагу, що дозволяє виділити несуміжні (кластерні) групи піднесівних для здійснення передачі за допомогою одного АТ. У результаті стає можливим частотно-селективні планування у висхідному з'єднанні, і забезпечуються кращі параметри каналу. Вибір кластерного SC-FDMA замість чистої технології OFDM дозволив уникнути значного збільшення PARP. Це допоможе задовольнити вимоги до підвищеної спектральної ефективності у висхідному каналі при збереженні зворотної сумісності з LTE.

На рис.1.2 представлена ​​функціональна схема, що описує процес вдосконаленого множинного доступу у висхідному каналі (кластерного SC-FDMA ). Існує тільки один транспортний блок і один гібридний об'єкт ARQ для кожної запланованої компонентної несучої. Кожен транспортний блок відображається одним компонентної несучої, а АТ може плануватися одночасно на багатьох компонентних несучих з використанням агрегації несучих, як було показано в попередньому розділі.