Статья Kаким бывает множественный доступ Технология ofdm

План :­

1. Почему появилась эта статья

2. Kаким бывает множественный доступ

3. Технология OFDM

4. OFDM на основе вейвлетов

Обзор методов множественного доступа в беспроводной связи. Часть 1. Как разделить спектр: Частотно-временное разделение

В настоящее время происходит бурное развитие технологий беспроводной связи: новые поколения сотовой связи (5G, 6G), интернет вещей, спутниковая связь и т.д. Одна из ключевых задач, стоящих перед разработчиками новых систем связи – обслуживание одной радиосистемой как можно большего числа абонентов, т.е. задача эффективной организации множественного доступа. Традиционные технологии временного (TDMA), частотного (FDMA) или кодового (CDMA) разделения пользователей уже не способны удовлетворить возрастающие потребности современного мира, поэтому перед разработчиками стоит острая необходимость в разработке новых, более эффективных и ёмких методов множественного доступа к радиоэфиру. Этой статьёй запускается целая серия, поэтому следите за обновлениями нашего блога. В этой серии статей я попытаюсь дать подробный обзор методов множественного доступа, как широко используемых на данный момент, так и новых, находящихся на стадии теоретической или практической разработки.
В первой части мы рассмотрим технологии множественного доступа, использующие разделение абонентов по времени, по частоте или комбинированное частотно-временное разделение – начиная от традиционных TDMA и FDMA и заканчивая перспективными модификациями OFDM, а также технологиями SEFDM и OTFS.

Почему появилась эта статья

Эта статья открывает серию публикаций, представляющих собой подробный обзор основных направлений развития технологий множественного доступа в беспроводных системах связи, как используемых на данный момент, так и находящихся на стадии разработки или даже на уровне идеи. В рунете этой теме уделено совершенно недостаточное внимание. Например, на Хабре было опубликовано лишь несколько статей, касающихся отдельных методов множественного доступа: о технологиях OFDM (2011 г.), GFDM (2016 г.), Delta-OMA (первая часть опубликована в 2019 г., а вторая часть к июлю 2022 г. ещё не вышла), о пространственном мультиплексировании (2012 г.), а также небольшой обзор 2010 года с кратким описанием пяти методов: TDMA, FDMA, CDMA, DSSS и OFDMA. Огромный объём информации по этой теме остаётся разбросанным по специализированным научным журналам, большей частью на английском языке. Поэтому назрела необходимость объединить и систематизировать всю эту разнородную информацию, что я и попробую сделать в данном обзоре.

Каким бывает множественный доступ

Под множественным доступом мы будем понимать совместное использование радиоэфира несколькими пользователями. В качестве синонима в дальнейшем также будем использовать термин “методы мультиплексирования”.
Методы множественного доступа можно разделить на две категории: ортогональ­ный множественный доступ (orthogonal multiple access, OMA) и неортогональный множественный доступ (non-orthogonal multiple access, NOMA).
Под ортогональным множественным доступом подразумевается распределение ресурса связи между абонентами с использованием ансамблей ортогональных сигна­лов. Математически два сигнала называются ортогональными, если интеграл от их произведения равен нулю, что означает отсутствие взаимных помех между сигналами. Таким образом, главное преимущество всех методов OMA – это отсутствие межканальной интерференции, что позволяет достоверно демоду­лировать канальные символы.
В последнее время при проектировании стандартов связи предложены различные технологии неортогонального множественного доступа, использующие ансамбли неортогональных сигналов. Их использование должно обеспе­чить работу с огромным числом поль­зователей и увеличить общую спектральную эффективность проектируемой системы. Напомню, что спектральная эффективность системы связи – это число переданных бит в секунду на 1 Гц доступной полосы частот. В отличие от OMA, методы NOMA основаны на идее использования контролируемой межканальной интерференции, что приводит к выигрышу в спектральной эффективности. Разделение пользовательских каналов на приёмной стороне происходит с помощью специальных алгоритмов компенсации межканальной помехи.
Введём понятие ресурсного пространства – под этим термином будем понимать ту или иную физическую величину, которая характеризует электромагнитную волну и может использоваться для передачи информации.
В радиосвязи используются лишь семь независимых ресурсных пространств, в которых может производиться разделение пользователей: время, частота, код, мощность, пространственное положе­ние, поляризация и орбитальный угловой момент.
На основе ресурсных пространств, используемых для разделения пользователей, мы и будем классифицировать методы множественного доступа. К настоящему времени предложено более ста таких методов и их модификаций. Многие из них являются комбинированны­ми, т.е. используют два или более ресурсных про­странств.
В качестве примера на рис. 1 проиллюстрированы варианты разделения ресурсных пространств в наиболее часто используемых на практике методах множественного доступа. Различными цветами обозначены области ресурсных пространств, используемые различными абонентами.
Рис. 1. Различные варианты разделения ресурсных пространств в методах ортогонального и неортогонального множественного доступа: a) с разделением по времени (TDMA), b) с разделением по частоте (FDMA), c) с ортогональным разделением по частоте (OFDMA), d) с разделением по мощности/коду/пространству (PD-NOMA/CDMA/SDMA), e) один из возможных вариантов организации неортогонального множественного доступа с разделением абонентов в нескольких ресурсных пространствах (мощность/код, частота, время).

Множественный доступ с временным разделением (TDMA)

Давайте сначала рассмотрим технологию множественного доступа с временным разделением (time division multiple access, TDMA). Это исторически один из первых, наиболее простых и очевидных способов предоставить одну радиосистему нескольким абонентам. Здесь каждый частотный канал разделяется во времени между не­сколькими пользователями, т.е. по очереди предоставляется нескольким пользователям на определённые промежутки времени, называемые слотами. Метод TDMA использовался, например, в устаревших стандартах DAMPS и GSM (в сотовых сетях второго поколения). В чистом виде технология TDMA не реализует всех возможностей по эффективному использованию спектра.

Множественный доступ с частотным разделением (FDMA)

Теперь перейдём к технологии множественного доступа с частотным разделением (frequency division multiple access, FDMA). Здесь каждому пользователю на время сеанса связи выделяется своя полоса частот Δf (частотный канал). Большое преимущество технологии FDMA – простота её реализации и отсутствие необходимости синхронизации. Основной недостаток – малая эффективность использования полосы частот. Несмотря на этот недостаток, метод FDMA широко используется в системах радиовещания (Δf обычно составляет 9 кГц при амплитудной модуляции и 25–50 кГц при частотной модуляции) и телевещания (Δf = 8 МГц). На этой технологии также основаны аналоговые системы сотовой связи (первое поколение, стандарт 1G), полоса частот Δf составляет 10–30 кГц.
На практике метод TDMA обычно комбинируется с FDMA, когда каждый частотный канал разделяется между несколькими пользователями. Например, в спутниковой связи используется многочастотный множественный доступ с разделением по времени (multi-frequency time-division multiple access, MF-TDMA). Каждому пользователю предо­ставляется определённый набор частотных каналов в определённые промежутки времени. В общем случае различным пользователям могут быть предоставлены полосы частот различной ширины во временных слотах различной длительности.

Технология OFDM

Перейдём теперь к рассмотрению одной из наиболее распространённых технологий модуляции – это ортогональное мультиплексирование с частотным разделением (orthogonal frequency division multiplexing, OFDM). Технология OFDM используется в сетях стандарта 4G, LTE и WiMAX. Основная идея OFDM состоит в том, что для достижения высокой скорости передачи в частотной области применяется разделение полного диапазона частот сигнала на некоторое число неперекрывающихся частотных подканалов (поднесущих) с меньшими скоростями. При этом каждый подканал модулируется отдельным символом, затем эти каналы мультиплексируются по частоте и данные передаются параллельно на ортогональных поднесущих.
По сравнению с передачей, использующей одну несущую, этот подход обеспечивает повышенную устойчивостью к узкополосным помехам и искажениям в канале связи. Также достигается более высокий уровень гибкости системы, так как параметры модуляции, такие как размер сигнального созвездия, скорость кодирования, могут быть выбраны независимо для каждой поднесущей.
В структуру OFDM модема входит передатчик и приёмник (рис. 2). В передатчике исходный последовательный поток информационных битов кодируется помехоустойчивым кодом, перемежается (П) и демультиплексируется на N параллель­ных подпотоков.
Рис. 2. Структурная схема технологии OFDM
Далее каждый из потоков отображается в поток символов с помощью процедуры фазовой модуляции (BPSK, QPSK, 8-PSK) или амплитудно-фазовой квадратурной модуляции (QAM). Помимо поднесущих, на которых передаётся информация, существуют служебные поднесущие. К ним относятся защитные интервалы, пилот-сигналы и дополнительная служебная информация для синхронизации приёмника и передатчика и режимов их работы. Пилот-сигналы могут иметь как фиксированное положение на поднесущих, так и переменное, изменяющееся от символа к символу OFDM в кадрах. При этом благодаря вставке между смежными поднесущими достаточного по длительности защитного интервала, исключается спектральное перекрытие. В этом случае снижается межканальная интерференция, уменьшается вероятность битовой ошибки, а значит, повышается пропускная способность системы связи.
Для формирования OFDM сигнала используется процедура умножения на комплексную экспоненту, аналогичная операции обратного преобразования Фурье, а затем проводится суммирование всех поднесущих. Поэтому для формирова­ния OFDM символа применяют аппарат быстрого обратного преобразо­вания Фурье, что значительно упрощает реализацию модуляторов.
К сожалению, в системах радиосвязи многолучевое распространение практически неизбежно, что приводит к искажениям полученного сигнала. Для устранения таких помех необходимо выбрать защитный интервал, длительность которого больше, чем максимальная задержка распространения в канале передачи. Таким способом можно компенсировать как интерференцию между поднесущими, так и между смежными блоками передачи (межсимвольную интерференцию). Для уменьшения внеполосного излучения используется фильтрация сигнала окном типа “приподнятый косинус”.
Далее цифро-аналоговые преобразователи преобразуют в аналоговый вид отдельно действительную и мнимую компоненты. После прохождения через фильтр низких частот сигнал поступает на квадратурный смеситель, который переносит полезный спектр OFDM-сигнала на несущую частоту. Далее эти сигналы суммируются, усиливаются, и формируется сигнал OFDM.
Технология OFDM в настоящее время получила такое широкое распространение благодаря целому ряду её преимуществ:

• 
  устойчивость к последствиям многолучевого распространения электромаг­нитных волн;
  
• 
  высокая устойчивость к узкополосным помехам;
  
• 
  устойчивость к межсимвольной интерференции;
  
• 
  высокая спектральная эффективность по сравнению с традиционными системами с частотным разделением каналов за счет большого количества поднесущих;
  
• 
  возможность использования различных схем модуляции для разных поднесу­щих, что позволяет адаптироваться к конкретным условиям распространения радиосиг­нала и обеспечить требуемое качество принимаемых сигналов;
  
• 
  относительная простота реализации необходимых методов цифровой обработки.
  

Справедливости ради, надо отметить и ряд недостатков технологии OFDM:

• 
  высокая чувствительность к частотным сдвигам и сдвигам тактовых частот требует периодического добавления сигналов синхронизации;
  
• 
  отсутствие непрерывности между двумя символами во время генерации символов вызывает спектральные скачки в частотной области, что приводит к интенсивным внеполосным излучениям;
  
• 
  высокое отношение пикового уровня мощности сигнала к среднему пик-фактору;
  
• 
  снижение спектральной эффективности ввиду использования защитных интервалов;
  
• 
  чувствительность к эффекту Доплера;
  
• 
  чувствительность к нелинейностям усилителей и смещению постоянной составляющей при использовании быстрого преобразования Фурье;
  

Технология OFDMA

Как мы видим, OFDM – чрезвычайно эффективный метод модуляции, но какое он имеет отношение к множественному доступу? А отношение он имеет непосредственное. Итак, встречайте: ортогональный множественный доступ с частотным разделением (orthogonal frequency division multiple access, OFDMA). Это технология множественного доступа, основанная на модуляции OFDM, в которой пользователи получают доступ к OFDM ресурсам одним из двух способов. В первом способе только один пользователь может передавать свой сигнал, используя присвоенные ему временные слоты и все OFDM поднесущие, предназна­ченные для передачи данных. В этой схеме пользователи получают доступ к OFDM системе с помощью разделения по времени, как показано на рис. 3 сверху. Во втором способе, показанном на рис. 3 снизу, доступный частотно-временной ресурс разделяется на базовые частотно-временные ресурсные блоки.
Рис. 3. Распределение частотно-временного ресурса в OFDMA: сверху – разделение по времени в OFDMA, снизу – ресурсные блоки в OFDMA с локализованными поднесущими
Пользователи могут передавать одновременно в нескольких присвоенных им неперекрывающихся ресурсных блоках. В этом случае присвоение поднесущих множеству пользователей может быть как локализованным, так и распределённым, как показано на рис. 4. Ресурсные блоки, принадлежащие различным пользователям, обозначены различным цветом.
Рис. 4. Распределение поднесущих по пользователям в OFDMA в локализованном (сверху) и распределённом (снизу) режимах
Предположим, что все пользователи передают L символов на блок, тогда система может обслуживать одновременных передач от Q пользователей. В локализованном режиме каждому пользователю предназначены L смежных поднесущих, а остальные поднесущие могут быть заняты другими пользователями. В распределённом режиме L поднесущих, предназначенных каждому пользователю, разделены Q поднесущими между ними. Поднесущие, не занятые данным пользователем, могут быть заняты другими пользователями.

Различные модификации технологии OFDM

Как мы помним, схема OFDM обладает рядом недостатков, причём в некоторых сценариях они оказываются критическими. Для частичного преодоления этих недостатков разрабатываются многочисленные модификации схемы модуляции OFDM (и основанной на ней технологии множественного доступа OFDMA). Многие из этих схем предложены для использования в новых поколениях сетей сотовой связи, в частности 5G. Давайте рассмотрим наиболее примечательные из них.