Интерферометрия несущей (CI) - это схема с расширенным спектром , разработанная для использования в системе связи с мультиплексированием с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM) для мультиплексирования и множественного доступа , что позволяет системе поддерживать нескольких пользователей одновременно в одной и той же полосе частот.
Как и MC-CDMA , CI-OFDM расширяет каждый символ данных в частотной области. То есть каждый символ данных переносится по множеству поднесущих OFDM. Но в отличие от MC-CDMA, в котором используются двоично-фазовые коды Адамара (значения кода 0 или 180 градусов) или двоичный псевдошум , коды CI представляют собой комплексные ортогональные коды. В простейшем случае значения кода CI являются коэффициентами дискретного преобразования Фурье.(ДПФ) матрица. Каждая строка или столбец матрицы DFT обеспечивает ортогональный код расширения CI, который расширяет символ данных. Расширение достигается путем умножения вектора символов данных на матрицу DFT для создания вектора кодированных символов данных, затем каждый кодированный символ данных отображается на поднесущую OFDM через входной элемент обратного быстрого преобразования Фурье (IFFT). Может быть выбран блок смежных поднесущих, или для достижения лучшего частотного разнесения можно использовать несмежные поднесущие, распределенные по широкой полосе частот. Защитный интервал, такой как циклический префикс (CP), добавляется к сигналу CI-OFDM основной полосы частот до того, как сигнал будет обработан интерфейсом радиосвязи для преобразования его в радиочастотный сигнал, который затем передается антенной.
Существенным преимуществом CI-OFDM над другими методами OFDM является то, что расширение CI формирует характеристики передаваемого сигнала во временной области. Таким образом, сигналы CI-OFDM имеют гораздо более низкое отношение пиковой мощности к средней мощности (PAPR) или пик-фактор по сравнению с другими типами OFDM. [1] Это значительно повышает энергоэффективность и снижает стоимость усилителей мощности, используемых в радиопередатчике.
Приемник CI-OFDM удаляет циклический префикс из принятой передачи CI-OFDM и выполняет демодуляцию OFDM с помощью DFT (например, FFT), обычно используемого в приемниках OFDM. Значения символов CI-spread собираются из соответствующих поднесущих в процессе обратного преобразования и могут быть выровнены для компенсации замирания вследствие многолучевого распространения или обработаны для пространственного демультиплексирования . CI-модуль сжатия выполняет обратное ДПФ для расширенных символов, чтобы восстановить исходные символы данных.
Поскольку CI-кодирование может формировать характеристики передаваемого сигнала во временной области, его можно использовать для синтеза различных сигналов, например сигналов с расширенным спектром прямой последовательности [2] и сигналов сдвига частоты [3] [4]. Преимущество состоит в том, что приемник может выбрать коррекцию во временной или частотной области в зависимости от того, сколько рассеяния происходит в канале передачи. Для условий с богатым рассеянием коррекция в частотной области с использованием БПФ требует меньше вычислений, чем обычная коррекция во временной области, и работает значительно лучше.
История КИ
CI был представлен Стивом Шаттилом, ученым из Idris Communications, в патенте США No. № 5,955,992, [4] подана 12 февраля 1998 г. и в первой из многих статей [5] в апреле 1999 г. Эта концепция была вдохновлена оптической синхронизацией мод, в которой синтез в частотной области с использованием резонансного резонатора дает желаемое время -доменные особенности передаваемого оптического сигнала. В радиосистемах пользователи совместно используют одни и те же поднесущие, но используют разные ортогональные коды CI для достижения множественного доступа к помехам несущей (CIMA) через механизмы спектральной интерферометрии .
Многие приложения принципов CI были опубликованы в десятках последующих патентных заявок, статей на конференциях и журнальных статей. CI в OFDM со скачкообразной перестройкой частоты описан в международной заявке на патент WO 9941871. [6] CI в оптоволоконной связи и MIMO описан в US 7076168. [7] US 6331837 [8] описывает пространственное демультиплексирование с использованием сигналов с несколькими несущими, что устраняет необходимость для нескольких приемных антенн. CI-кодирование опорных сигналов раскрыто в US 7430257. [9] Использование CI для линейного сетевого кодирования и луковичного кодирования раскрыто в US 20080095121 [10], в котором случайные линейные коды на основе естественного многолучевого канала используются для кодирования передаваемых сигналов. маршрутизируется узлами в одноранговой сети с несколькими узлами.
Сходство между обработкой антенной решетки и обработкой CI было признано с самого начала работы в CI. Когда CI комбинируется с фазированными решетками , непрерывное изменение фазы между поднесущими заставляет диаграмму направленности матрицы сканировать в пространстве, что обеспечивает разнесение передачи и представляет собой раннюю форму разнесения с циклической задержкой . [11] [12] [13] Были изучены комбинации кодирования CI с предварительным кодированием MIMO, [14] и идея использования CI в предварительно кодированных распределенных антенных системах MIMO с центральной координацией была впервые раскрыта в предварительной заявке на патент в 2001 г. . [15] ДИ на основе программно-определяемого устройства радиосвязи (SDR) , которые реализованы четыре различных стеки протоколов был разработан в Идриса в 2000 году и описан в патенте США 7418043. [16]
Математическое описание
В OFDM с расширением спектра расширение выполняется по ортогональным поднесущим для создания сигнала передачи, выраженного как x = F -1 Sb, где F -1 - обратный ДПФ, S - кодовая матрица OFDM с расширением, а b - вектор символов данных. Обратный ДПФ обычно использует коэффициент передискретизации , поэтому его размер равен KxN (где K > N - количество отсчетов во временной области на блок символа OFDM), тогда как размерность кодовой матрицы OFDM с расширением составляет NxN .
В приемнике принятый сигнал OFDM с расширением спектра выражается как r = HF -1 Sb , где H представляет матрицу канала. Поскольку использование циклического префикса в OFDM изменяет матрицу канала типа Теплица на циркулянтную матрицу, принятый сигнал представлен следующим образом:
r = F −1 Λ H FF −1 Sb
= F −1 Λ H Sb
где отношение H = F -1 Λ H F взято из определения циркулянтной матрицы, а Λ H - диагональная матрица, диагональные элементы которой соответствуют первому столбцу матрицы H циркулянтного канала . Приемник использует DFT (что типично для OFDM) для получения
у = Λ H Sb .
В тривиальном случае S = I , где I - единичная матрица, дает регулярное OFDM без расширения.
Полученный сигнал также можно выразить как:
r = F −1 Λ H FF −1 ( Λ C F ) b ,
где S = Λ C F , а C - циркулянтная матрица, определяемая формулой C = F −1 Λ C F , где Λ C - диагональная матрица циркулянта. Таким образом, полученный сигнал r можно записать как
r = F −1 Λ H Λ C Fb = F −1 Λ C Λ H Fb ,
а сигнал y после ДПФ приемника равен y = Λ C Λ H Fb
Матрица S расширения может включать в себя диагональную матрицу предварительного выравнивания (например, Λ C = Λ H -1 в случае принудительного нуля), или выравнивание может выполняться в приемнике между DFT (демодулятором OFDM) и обратным преобразователем частоты. DFT (разрыхлитель CI).
В простейшем случае CI-OFDM матрица расширения имеет вид S = F (т. Е. Λ C = I , поэтому матрица расширения CI - это просто матрица DFT размером NxN ). Поскольку ДПФ OFDM с избыточной дискретизацией равно KxN , при K > N , базовая матрица расширения CI работает как фильтр формирования импульсов sinc, который отображает каждый символ данных на циклически сдвинутый и ортогонально расположенный импульс, сформированный из суперпозиции поднесущих OFDM. Другие версии CI могут производить альтернативные формы импульсов путем выбора различных диагональных матриц Λ C .
Полезные свойства
- Низкий PAPR ( пик-фактор )
- Низкая чувствительность к нелинейным искажениям
- Низкая чувствительность к смещению несущей частоты
- Устойчивость к глубоким затуханиям (спектральные нули)
Смотрите также
Рекомендации
- ^ Технологии с несколькими несущими для беспроводной связи (издание 2002 г.). Стэнфорд, Калифорния: Спрингер. 2001-11-30. ISBN 9780804725071.
- ^ Чжицян Ву; Nassar, C .; Шаттил, С. (2001). «Сверхширокополосный DS-CDMA через инновации в формировании микросхем». 54-я конференция IEEE по автомобильным технологиям. VTC Fall 2001. Ход работы (Кат. № 01CH37211) . 4 . С. 2470–2474. DOI : 10,1109 / VTC.2001.957194 . ISBN 978-0-7803-7005-0.
- ^ Натараджан, Б .; Нассар, CR; Шаттил, С. (2001). «Улучшенный Bluetooth и IEEE 802.11 (FH) через реализацию физического уровня с несколькими несущими». 2001 IEEE Emerging Technologies симпозиум по широкому спектру Ленточные связи для интернет - эры. Сборник симпозиума (Кат. № 01EX508) . С. 129–133. DOI : 10,1109 / ETS.2001.979440 . ISBN 978-0-7803-7161-3.
- ^ US 5955992 , « Резонатор обратной связи со сдвигом по частоте, используемый в качестве контроллера фазированной антенной решетки и передатчика с широким спектром с множественным доступом к помехам несущей»
- ^ Нассар, CR; Натараджан, Б .; Шаттил, С. (1999). «Введение помех несущей для множественного доступа с расширенным спектром». 1999 Симпозиум IEEE по новым технологиям. Беспроводная связь и системы (каталожный номер IEEE 99EX297) . С. 4.1–4.5. DOI : 10.1109 / ETWCS.1999.897312 . hdl : 2097/4274 . ISBN 978-0-7803-5554-5.
- ^ WO9941871 , "Система и метод множественного доступа"
- ^ US 7076168 , «Способ и устройство для использования интерферометрии с несколькими несущими для улучшения оптоволоконной связи»
- ^ US 6331837 , «Мультиплексирование пространственной интерферометрии в беспроводной связи»
- ^ US 7430257 , " Подуровень с несколькими несущими для канала прямой последовательности и кодирования с множественным доступом"
- ^ US 20080095121 , "Сети интерферометрии несущей"
- ^ Зекават, Сейед Алиреза; Nassar, Carl R .; Шаттил, Стив (2000). «Интеллектуальная антенна с пространственным свипированием для комбинированной направленности и разнесения передачи». Журнал коммуникаций и сетей . 2 (4): 325–330. DOI : 10.1109 / JCN.2000.6596766 .
- ^ Zekavat, SA; Нассар, CR; Шаттил, С. (2002). «Объединение DS-CDMA (с формами микросхем CI) и интеллектуальных антенных решеток с осциллирующим лучом: использование разнесения передачи, частотного разнесения и направленности». 2002 Международная конференция IEEE по коммуникациям. Материалы конференций. ICC 2002 (Каталожный номер 02CH37333) . 2 . С. 742–747. DOI : 10.1109 / ICC.2002.996954 . ISBN 978-0-7803-7400-3.
- ^ Shattil, S .; Нассар, CR (1999). «Системы управления решетками для протоколов с несколькими несущими с использованием резонатора обратной связи со сдвигом по частоте». RAWCON 99. Конференция по радио и беспроводной связи IEEE 1999 г. (№ по каталогу 99EX292) . С. 215–218. DOI : 10.1109 / RAWCON.1999.810968 . ISBN 978-0-7803-5454-8.
- ^ Барбоза, PR; Чжицян Ву; Нассар, CR (2003). «Высокопроизводительный MIMO-OFDM с помощью интерферометрии несущей». ГЛОБЭКОМ '03. IEEE Global Telecommunications Conference (IEEE Cat. No. 03CH37489) . 2 . С. 853–857. DOI : 10,1109 / GLOCOM.2003.1258360 . ISBN 978-0-7803-7974-9.
- ↑ Патент США. Прил. 60286850, «Способ и устройство для использования интерферометрии несущих для обработки сигналов с несколькими несущими»
- ^ US 7418043 , «Программно-адаптируемый высокопроизводительный протокол передачи с несколькими несущими»