Мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов

В области телекоммуникаций , с ортогональным частотным разделением каналов ( OFDM ) представляет собой тип цифровой передачи и способ кодирования цифровых данных на нескольких несущих частотах. OFDM превратился в популярную схему широкополосной цифровой связи , используемой в таких приложениях, как цифровое телевидение и аудиовещание, доступ в Интернет DSL , беспроводные сети , сети линий электропередач и мобильная связь 4G / 5G . ^[1]

OFDM - это схема мультиплексирования с частотным разделением (FDM), которая была введена Робертом У. Чангом из Bell Labs в 1966 году. ^{[2] [3] [4]} В OFDM несколько близко расположенных сигналов ортогональных поднесущих с перекрывающимися спектрами передаются для передачи данные параллельно. ^[5] Демодуляция основана на алгоритмах быстрого преобразования Фурье . OFDM был улучшен Вайнштейном и Эбертом в 1971 году с введением защитного интервала , обеспечивающего лучшую ортогональность в каналах передачи, подверженных многолучевому распространению. ^[6]Каждая поднесущая (сигнал) модулируется с помощью традиционной схемы модуляции (такой как квадратурная амплитудная модуляция или фазовая манипуляция ) с низкой скоростью передачи символов . Это поддерживает общие скорости передачи данных, аналогичные традиционным схемам модуляции с одной несущей в той же полосе пропускания. ^[7]

Основным преимуществом OFDM перед схемами с одной несущей является его способность справляться с жесткими условиями канала (например, затухание высоких частот в длинном медном проводе, узкополосные помехи и частотно-избирательные замирания из-за многолучевого распространения ) без сложных выравнивающих фильтров. Выравнивание каналов упрощается, поскольку OFDM можно рассматривать как использование многих медленно модулированных узкополосных сигналов, а не одного быстро модулированного широкополосного сигнала. Низкая скорость передачи символов делает использование защитного интервала между символами доступным, что позволяет устранить межсимвольные помехи.(ISI) и использовать эхо и расширение по времени (в аналоговом телевидении, видимое как ореолы и размытие, соответственно) для достижения выигрыша за счет разнесения , то есть улучшения отношения сигнал / шум . Этот механизм также облегчает проектирование одночастотных сетей (SFN), в которых несколько соседних передатчиков отправляют один и тот же сигнал одновременно на одной и той же частоте, поскольку сигналы от нескольких удаленных передатчиков могут быть конструктивно повторно объединены, избавляя от помех традиционной системы с одной несущей. .

При кодированном мультиплексировании с ортогональным частотным разделением каналов (COFDM) прямое исправление ошибок (сверточное кодирование) и временное / частотное перемежение применяются к передаваемому сигналу. Это делается для устранения ошибок в каналах мобильной связи, на которые влияет многолучевое распространение и эффекты Доплера . COFDM был введен Алардом в 1986 году ^{[8] [9] [10]} для цифрового аудиовещания для проекта Eureka 147. На практике OFDM стало использоваться в сочетании с таким кодированием и перемежением, так что термины COFDM и OFDM применяются одновременно. к общим приложениям. ^{[11] [12]}

Пример приложений [ править ]

Следующий список представляет собой сводку существующих стандартов и продуктов на основе OFDM. Дополнительные сведения см. В разделе « Использование » в конце статьи.

Проводная версия, в основном известная как дискретная многотональная передача (DMT) [ править ]

• ADSL и VDSL широкополосный доступ через медную проводку POTS
• DVB-C 2, расширенная версия стандарта цифрового кабельного телевидения DVB-C
• Связь по линии электропередачи (ПЛК)
• ITU-T G.hn , стандарт, обеспечивающий высокоскоростные локальные сети для существующей домашней проводки (линии электропередач, телефонные линии и коаксиальные кабели) ^[13]
• Модемы для телефонных линий TrailBlazer
• Мультимедиа по коаксиальному кабелю (MoCA) домашняя сеть
• DOCSIS 3.1 Широкополосная доставка

Беспроводная связь [ править ]

• В беспроводной локальной сети (WLAN) радиоинтерфейса стандарта IEEE 802.11a , г , п , ас , ах и HIPERLAN / 2
• В цифровом радио системы DAB / EUREKA 147 , DAB + , Digital Radio Mondiale , HD Radio , T-DMB и ISDB-TSB
• Наземная цифровое телевидение система DVB-T и ISDB-T
• Наземные мобильного телевидения системы DVB-H , T-DMB , ISDB-T и MediaFLO прямой линии связи
• Реализация сверхширокополосной (UWB) беспроводной персональной сети (PAN ) IEEE 802.15.3a, предложенная WiMedia Alliance

OFDM на основе множественного доступа с технологией OFDMA также используется в нескольких 4G и пре-4G сетей сотовой связи , мобильные широкополосные стандарты и следующее поколение WLAN:

• Режим мобильности стандарта беспроводного MAN / широкополосного беспроводного доступа (BWA) IEEE 802.16e (или Mobile- WiMAX )
• Стандарт мобильного широкополосного беспроводного доступа (MBWA) IEEE 802.20
• Нисходящая линия связи стандарта мобильной широкополосной связи четвертого поколения 3GPP Long Term Evolution (LTE). Радиоинтерфейс раньше назывался High Speed ​​OFDM Packet Access (HSOPA), теперь называется Evolved UMTS Terrestrial Radio Access (E-UTRA).
• WLAN IEEE 802.11ax

Ключевые особенности [ править ]

Перечисленные ниже преимущества и недостатки дополнительно обсуждаются в разделе « Характеристики и принципы работы » ниже.

Краткое изложение преимуществ [ править ]

• Высокая спектральная эффективность по сравнению с другими схемами модуляции с двойной боковой полосой , расширенным спектром и т. Д.
• Может легко адаптироваться к суровым условиям канала без сложной коррекции во временной области.
• Устойчивость к узкополосным внутриканальным помехам
• Устойчивость к межсимвольным помехам (ISI) и замираниям, вызванным многолучевым распространением
• Эффективная реализация с использованием быстрого преобразования Фурье
• Низкая чувствительность к ошибкам синхронизации времени
• Настроенные фильтры приемника подканала не требуются (в отличие от обычного FDM )
• Облегчает одночастотные сети (SFN) (т.е. макроразнесение передатчика )

Сводка недостатков [ править ]

• Чувствителен к доплеровскому сдвигу
• Чувствителен к проблемам синхронизации частоты
• Высокое отношение пиковой мощности к средней мощности (PAPR), требующее линейной схемы передатчика, которая страдает низкой энергоэффективностью
• Потеря эффективности из-за циклического префикса / защитного интервала

Характеристики и принципы работы [ править ]

Ортогональность [ править ]

Концептуально OFDM - это специальный метод мультиплексирования с частотным разделением каналов (FDM) с дополнительным ограничением, заключающимся в том, что все сигналы поднесущих в канале связи ортогональны друг другу.

В OFDM частоты поднесущих выбираются таким образом, чтобы поднесущие были ортогональны друг другу, что означает, что перекрестные помехи между подканалами устраняются и защитные полосы между несущими не требуются. Это значительно упрощает конструкцию как передатчика, так и приемника ; в отличие от обычного FDM, отдельный фильтр для каждого подканала не требуется.

Ортогональность требует, чтобы интервал между поднесущими был равен герцам , где T _U секунд - это полезная длительность символа (размер окна на стороне приемника), а k - положительное целое число, обычно равное 1. Это означает, что каждая несущая частота подвергается k более полному циклов на период символа, чем у предыдущего несущего. Следовательно, с N поднесущими общая ширина полосы пропускания будет B ≈ N · Δ f (Гц).${\ displaystyle \ scriptstyle \ Delta f \, = \, {\ frac {k} {T_ {U}}}}$

Ортогональность также обеспечивает высокую спектральную эффективность с общей скоростью передачи символов, близкой к скорости Найквиста для эквивалентного сигнала основной полосы частот (т. Е. Почти вдвое меньшей скорости Найквиста для сигнала физической полосы пропускания двусторонней полосы). Можно использовать почти всю доступную полосу частот. OFDM обычно имеет почти «белый» спектр, что придает ему мягкие свойства электромагнитных помех по сравнению с другими пользователями совмещенного канала.

Простой пример: полезная длительность символа T _U = 1 мс потребует разнесения поднесущих равного (или целого кратного этого) для ортогональности. N = 1000 поднесущих приведет к общей полосе пропускания N Δf = 1 МГц. Для этого времени символа требуемая полоса пропускания теоретически согласно Найквисту равна (половина достигнутой полосы пропускания, требуемой нашей схемой), где R - скорость передачи битов, а где N = 1000 выборок на символ с помощью БПФ. Если применяется защитный интервал (см. Ниже), требования к полосе пропускания Найквиста будут еще ниже. БПФ приведет к N${\displaystyle \scriptstyle \Delta f\,=\,{\frac {1}{1\,\mathrm {ms} }}\,=\,1\,\mathrm {kHz} }$${\displaystyle \scriptstyle \mathrm {BW} =R/2=(N/T_{U})/2=0.5\,\mathrm {MHz} }$= 1000 выборок на символ. Если бы защитный интервал не применялся, это привело бы к комплекснозначному сигналу основной полосы частот с частотой дискретизации 1 МГц, что, согласно Найквисту, потребовало бы ширины полосы основной полосы частот 0,5 МГц. Однако радиочастотный сигнал полосы пропускания создается путем умножения сигнала основной полосы пропускания на сигнал несущей (т. Е. Двухполосная квадратурная амплитудная модуляция), в результате чего ширина полосы пропускания составляет 1 МГц. Схема модуляции с односторонней полосой (SSB) или с рудиментарной боковой полосой (VSB) обеспечит почти половину этой полосы пропускания для той же скорости передачи символов (т. Е. Вдвое более высокая спектральная эффективность для той же длины алфавита символов). Однако он более чувствителен к многолучевым помехам.

OFDM требует очень точной частотной синхронизации между приемником и передатчиком; при девиации частоты поднесущие больше не будут ортогональными, вызывая помехи между несущими (ICI) (т. е. перекрестные помехи между поднесущими). Сдвиги частоты обычно вызываются рассогласованием генераторов передатчика и приемника или доплеровским сдвигом из-за движения. Хотя приемник может компенсировать только доплеровский сдвиг, ситуация ухудшается в сочетании с многолучевым распространением , поскольку отражения будут появляться при различных частотных сдвигах, которые гораздо труднее исправить. Этот эффект обычно ухудшается с увеличением скорости ^[14].и является важным фактором, ограничивающим использование OFDM в высокоскоростных транспортных средствах. Чтобы уменьшить влияние ICI в таких сценариях, можно сформировать каждую поднесущую, чтобы минимизировать помехи, приводящие к перекрытию неортогональных поднесущих. ^[15] Например, несложная схема, называемая WCP-OFDM ( взвешенное циклическое мультиплексирование с ортогональным частотным разделением префиксов ), состоит из использования коротких фильтров на выходе передатчика для выполнения потенциально непрямоугольного формирования импульса и близкого к идеальная реконструкция с использованием выравнивания по поднесущей одним отводом. ^[16] Другие методы подавления ICI обычно резко увеличивают сложность приемника. ^[17]

Реализация с использованием алгоритма БПФ [ править ]

Ортогональность позволяет эффективно реализовать модулятор и демодулятор с использованием алгоритма БПФ на стороне приемника и обратного БПФ на стороне отправителя. Хотя принципы и некоторые преимущества были известны с 1960-х годов, OFDM сегодня популярен для широкополосной связи благодаря недорогим компонентам цифровой обработки сигналов, которые могут эффективно вычислять БПФ.

Время для вычисления обратного БПФ или преобразования БПФ должно занимать меньше времени для каждого символа, ^{[18] : 84,} что, например, для DVB-T (БПФ 8k) означает, что вычисление должно выполняться за 896 мкс или меньше. .

Для 8 192 - точечного БПФ это может быть приближено к: ^{[18] [ разъяснение необходимости ]}

${\displaystyle {\begin{aligned}\mathrm {MIPS} &={\frac {\mathrm {computational\ complexity} }{T_{\mathrm {symbol} }}}\times 1.3\times 10^{-6}\\&={\frac {147\;456\times 2}{896\times 10^{-6}}}\times 1.3\times 10^{-6}\\&=428\end{aligned}}}$^[18]

• MIPS = Миллион инструкций в секунду

Вычислительные требования приблизительно линейно масштабируются с размером БПФ, поэтому для БПФ двойного размера требуется вдвое больше времени, и наоборот. ^{[18] : 83} В качестве сравнения Intel Pentium III с тактовой частотой 1,266 ГГц способен вычислять 8192 точек БПФ в 576 мкс с использованием FFTW . ^[19] Intel Pentium M на частоте 1,6 ГГц делает это за 387 мкс. ^[20] Intel Core Duo на частоте 3,0 ГГц делает это за 96,8 мкс . ^[21]

Защитный интервал для устранения межсимвольной интерференции [ править ]

Один из ключевых принципов OFDM заключается в том, что, поскольку схемы модуляции с низкой скоростью передачи символов (т. Е. Когда символы относительно длинные по сравнению с временными характеристиками канала) меньше страдают от межсимвольных помех, вызванных многолучевым распространением , выгодно передавать несколько сигналов с низкой скоростью передачи. потоки параллельно вместо одного высокоскоростного потока. Поскольку продолжительность каждого символа велика, можно вставить защитный интервал между символами OFDM, тем самым устраняя межсимвольные помехи.

Защитный интервал также устраняет необходимость в фильтре формирования импульсов и снижает чувствительность к проблемам временной синхронизации.

Простой пример: если один отправляет миллион символов в секунду, используя обычную модуляцию с одной несущей по беспроводному каналу, то длительность каждого символа будет составлять одну микросекунду или меньше. Это налагает серьезные ограничения на синхронизацию и требует устранения многолучевых помех. Если один и тот же миллион символов в секунду распространяется среди тысячи подканалов, продолжительность каждого символа может быть больше в тысячу раз (то есть на одну миллисекунду) для ортогональности с примерно такой же шириной полосы. Предположим, что между каждым символом вставлен защитный интервал 1/8 длины символа. Межсимвольных помех можно избежать, если временное расширение многолучевого распространения (время между приемом первого и последнего эхо-сигнала) короче защитного интервала (т. Е. 125 микросекунд).Это соответствует максимальной разнице в 37,5 км между длинами путей.

Циклический префикс , который передается в течение защитного интервала, состоит из конца символа OFDM копируется в защитном интервал и защитный интервал передается с последующим символом OFDM. Причина, по которой защитный интервал состоит из копии конца символа OFDM, заключается в том, что приемник будет интегрировать по целому числу синусоидальных циклов для каждого из многолучевых путей, когда он выполняет демодуляцию OFDM с помощью FFT.

В некоторых стандартах, таких как сверхширокополосный , в интересах передаваемой мощности циклический префикс пропускается, и в течение защитного интервала ничего не передается. Затем приемник должен будет имитировать функциональность циклического префикса, скопировав конечную часть символа OFDM и добавив ее к начальной части.

Упрощенная эквализация [ править ]

Влияние частотно-избирательных условий канала, например замирание, вызванное многолучевым распространением, можно рассматривать как постоянное (равномерное) по подканалу OFDM, если подканал достаточно узкополосный (т. Е. Если количество подканалов каналов достаточно большой). Это делает возможной коррекцию частотной области на приемнике., что намного проще, чем коррекция во временной области, используемая в традиционной модуляции с одной несущей. В OFDM эквалайзер должен только умножать каждую обнаруженную поднесущую (каждый коэффициент Фурье) в каждом символе OFDM на постоянное комплексное число или редко изменяемое значение. На фундаментальном уровне более простые цифровые эквалайзеры лучше, потому что они требуют меньшего количества операций, что приводит к меньшему количеству ошибок округления в эквалайзере. Эти ошибки округления можно рассматривать как числовой шум и они неизбежны.

Наш пример: для выравнивания OFDM в приведенном выше числовом примере потребуется одно комплексное умножение на поднесущую и символ (т. Е. Комплексное умножение на символ OFDM, то есть один миллион умножений в секунду на приемнике). Алгоритм БПФ требует [это неточно: более половины этих сложных умножений являются тривиальными, то есть = 1 и не реализованы в программном обеспечении или HW]. комплексные умножения на символ OFDM (т. е. 10 миллионов умножений в секунду) как на стороне приемника, так и на стороне передатчика. Это следует сравнить с соответствующим случаем модуляции с одной несущей со скоростью один миллион символов / секунду, упомянутым в примере, где выравнивание с расширением по времени 125 микросекунд с использованием FIR-фильтра.${\displaystyle \scriptstyle N\,=\,1000}$${\displaystyle \scriptstyle N\log _{2}N\,=\,10,000}$в наивной реализации потребовалось бы 125 умножений на символ (т. е. 125 миллионов умножений в секунду). Методы БПФ могут использоваться для уменьшения количества умножений для эквалайзера временной области на основе КИХ-фильтра до числа, сопоставимого с OFDM, за счет задержки между приемом и декодированием, которая также становится сопоставимой с OFDM.

Если к каждой поднесущей применяется дифференциальная модуляция, такая как DPSK или DQPSK , выравнивание можно полностью пропустить, поскольку эти некогерентные схемы нечувствительны к медленно меняющимся амплитудным и фазовым искажениям .

В некотором смысле улучшения в FIR-выравнивании с использованием FFT или частичного FFT математически приближают к OFDM, ^{[ необходима цитата ],} но метод OFDM легче понять и реализовать, и подканалы могут быть независимо адаптированы другими способами, кроме изменения коэффициентов выравнивания , например, переключение между различными шаблонами созвездия QAM и схемами исправления ошибок для согласования шума отдельного подканала и характеристик помех. ^{[ требуется разъяснение ]}

Некоторые из поднесущих в некоторых символах OFDM могут нести пилот-сигналы для измерения состояния канала ^{[22] [23]} (т. Е. Усиления эквалайзера и фазового сдвига для каждой поднесущей). Пилот-сигналы и обучающие символы ( преамбулы ) также могут использоваться для временной синхронизации (чтобы избежать межсимвольных помех, ISI) и частотной синхронизации (чтобы избежать помех между несущими, ICI, вызванных доплеровским сдвигом).

OFDM изначально использовался для проводной и стационарной беспроводной связи. Однако с увеличением числа приложений, работающих в условиях высокой подвижности, влияние дисперсионного замирания, вызванного сочетанием многолучевого распространения и доплеровского сдвига, становится более значительным. За последнее десятилетие было проведено исследование того, как уравнять передачу OFDM по дважды избирательным каналам. ^{[24] [25] [26]}

Кодирование и чередование каналов [ править ]

OFDM неизменно используется в сочетании с канальным кодированием ( прямое исправление ошибок ) и почти всегда использует частотное и / или временное перемежение .

Перемежение по частоте (поднесущей) увеличивает устойчивость к частотно-избирательным условиям канала, таким как замирания . Например, когда часть полосы пропускания канала замирает, частотное перемежение гарантирует, что битовые ошибки, которые могут возникнуть из-за этих поднесущих в замирающей части полосы пропускания, будут распространяться в потоке битов, а не концентрироваться. Точно так же временное чередование гарантирует, что биты, которые изначально находятся близко друг к другу в потоке битов, передаются далеко друг от друга во времени, таким образом уменьшая сильное замирание, которое может произойти при перемещении на высокой скорости.

Однако временное перемежение не дает особых преимуществ в каналах с медленным замиранием, например, для стационарного приема, а частотное перемежение дает мало или не дает никаких преимуществ для узкополосных каналов, которые страдают от плавного замирания (когда вся полоса пропускания канала замирает одновременно).

Причина, по которой перемежение используется в OFDM, состоит в том, чтобы попытаться распределить ошибки в битовом потоке, который представлен декодеру с исправлением ошибок, потому что, когда такие декодеры представлены с высокой концентрацией ошибок, декодер не может исправить все битовые ошибки и всплеск неисправленных ошибок. Подобная конструкция кодирования аудиоданных делает надежным воспроизведение компакт-дисков (CD).

Классическим типом кодирования с исправлением ошибок, используемым в системах на основе OFDM, является сверточное кодирование , часто связанное с кодированием Рида-Соломона . Обычно между двумя уровнями кодирования реализуется дополнительное перемежение (помимо упомянутого выше временного и частотного перемежения). Выбор кодирования Рида-Соломона в качестве внешнего кода исправления ошибок основан на наблюдении, что декодер Витерби, используемый для внутреннего сверточного декодирования, производит короткие пакеты ошибок при высокой концентрации ошибок, а коды Рида-Соломона по своей природе хорошо подходят для исправление пакетов ошибок.

Однако в более новых системах обычно используются почти оптимальные типы кодов с исправлением ошибок, которые используют принцип турбодекодирования, когда декодер выполняет итерацию в направлении желаемого решения. Примеры типов кодирования , таких коррекции ошибок включают в себя турбо - коды и LDPC - коды, которые выполняют близко к пределу Шеннона для аддитивного белого гауссовского шума ( АБГШ канала). Некоторые системы, в которых реализованы эти коды, объединили их либо с кодами Рида-Соломона (например, в системе MediaFLO ), либо с кодами BCH (в системе DVB-S2 ), чтобы улучшить минимальный уровень ошибок, присущий этим кодам при высоком соотношении сигнал / сигнал. коэффициенты шума. ^[27]

Адаптивная трансмиссия [ править ]

Устойчивость к суровым условиям канала может быть дополнительно повышена, если информация о канале отправляется по обратному каналу. На основе этой информации обратной связи адаптивная модуляция , канальное кодирование и распределение мощности могут применяться ко всем поднесущим или индивидуально к каждой поднесущей. В последнем случае, если конкретный диапазон частот страдает от помех или затухания, несущие в этом диапазоне можно отключить или заставить работать медленнее, применяя более надежную модуляцию или кодирование ошибок к этим поднесущим.

Термин дискретная многотональная модуляция ( DMT ) обозначает системы связи на основе OFDM, которые адаптируют передачу к условиям канала индивидуально для каждой поднесущей посредством так называемой битовой загрузки . Примеры - ADSL и VDSL .

Скорости восходящего и нисходящего потоков можно изменять, выделяя больше или меньше несущих для каждой цели. Некоторые формы DSL с адаптацией к скорости используют эту функцию в реальном времени, так что скорость передачи данных адаптируется к помехам в совмещенном канале, а полоса пропускания выделяется тому абоненту, в котором она больше всего нуждается.

OFDM расширен с множественным доступом [ править ]

OFDM в его первичной форме рассматривается как метод цифровой модуляции, а не как метод доступа к многопользовательскому каналу , поскольку он используется для передачи одного потока битов по одному каналу связи с использованием одной последовательности символов OFDM. Однако OFDM можно комбинировать с множественным доступом с использованием разделения пользователей по времени, частоте или кодированию.

В множественном доступе с ортогональным частотным разделением каналов (OFDMA) множественный доступ с частотным разделением каналов достигается путем назначения разных подканалов OFDM разным пользователям. OFDMA поддерживает дифференцированное качество обслуживания , назначая разное количество поднесущих разным пользователям таким же образом, как и в CDMA , и, таким образом, можно избежать сложного планирования пакетов или схем управления доступом к среде передачи . OFDMA используется в:

• режим мобильности стандарта IEEE 802.16 Wireless MAN, обычно называемый WiMAX,
• IEEE 802.20 стандарт мобильной беспроводной MAN, как правило , называют УПБО,
• 3GPP Long Term Evolution (LTE) , четвертое поколение мобильной широкополосной связи стандарт нисходящей линии связи. Радиоинтерфейс раньше назывался высокоскоростным пакетным доступом OFDM (HSOPA), а теперь называется Evolved UMTS Terrestrial Radio Access ( E-UTRA ).
• 3GPP 5G NR (Нью - радио) пятого поколения мобильных сетей стандарта нисходящей линии связи и восходящей линии связи. 5G NR является преемником LTE.
• ныне несуществующий проект Qualcomm / 3GPP2 Ultra Mobile Broadband (UMB), задуманный как преемник CDMA2000 , но замененный LTE.

OFDMA также является подходящим методом доступа для беспроводных региональных сетей (WRAN) IEEE 802.22 . Проект направлен на разработку первого стандарта на основе когнитивного радио, работающего в диапазоне ОВЧ-диапазона (ТВ-спектр).

• самая последняя поправка к стандарту 802.11 , а именно 802.11ax , включает OFDMA для высокой эффективности и одновременной связи.

В множественном доступе с кодовым разделением каналов с несколькими несущими (MC-CDMA), также известном как OFDM-CDMA, OFDM объединяется с связью с расширенным спектром CDMA для кодирования разделения пользователей. Помехи в совмещенном канале могут быть уменьшены, что означает, что планирование частоты с ручным выделением фиксированных каналов (FCA) упрощается или исключаются сложные схемы динамического распределения каналов (DCA).

Космическое разнообразие [ править ]

В глобальном широковещании на основе OFDM приемники могут получить выгоду от одновременного приема сигналов от нескольких пространственно рассредоточенных передатчиков, поскольку передатчики будут деструктивно создавать помехи друг другу только на ограниченном количестве поднесущих, тогда как в целом они фактически усиливают покрытие на широкой территории. . Это очень выгодно во многих странах, поскольку позволяет работать в национальных одночастотных сетях (SFN), где множество передатчиков одновременно отправляют один и тот же сигнал на одной и той же частоте канала. SFN используют доступный спектр более эффективно, чем обычные многочастотные широковещательные сети ( MFN ), где программный контент воспроизводится на разных несущих частотах. SFN также приводят к выигрышу от разнесения.в приемниках, расположенных посередине между передатчиками. Зона покрытия увеличивается, а вероятность сбоя снижается по сравнению с MFN из-за увеличения уровня принимаемого сигнала, усредненного по всем поднесущим.

Хотя защитный интервал содержит только избыточные данные, что означает, что он снижает пропускную способность, некоторые системы на основе OFDM, такие как некоторые из систем широковещания, намеренно используют длинный защитный интервал, чтобы позволить передатчикам быть разнесенными дальше друг от друга в SFN и более длинные защитные интервалы позволяют использовать ячейки SFN большего размера. Практическое правило для максимального расстояния между передатчиками в SFN равно расстоянию, которое проходит сигнал в течение защитного интервала - например, защитный интервал в 200 микросекунд позволит передатчикам быть разнесенными на 60 км.

Одночастотная сеть является формой передатчика макроразнесения . Эта концепция может быть дополнительно использована в динамических одночастотных сетях (DSFN), где группировка SFN изменяется с временного интервала на временной интервал.

OFDM можно комбинировать с другими формами пространственного разнесения , например антенными решетками и каналами MIMO . Это сделано в стандартах беспроводной локальной сети IEEE 802.11 .

Линейный усилитель мощности передатчика [ править ]

Сигнал OFDM демонстрирует высокое отношение пиковой мощности к средней мощности (PAPR), поскольку независимые фазы поднесущих означают, что они часто будут конструктивно объединяться. Обработка этого высокого PAPR требует:

• Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) высокого разрешения в передатчике
• Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) высокого разрешения в приемнике
• Линейная сигнальная цепь

Любая нелинейность в сигнальной цепи вызовет интермодуляционные искажения, которые

• Повышает уровень шума
• Может вызвать помехи между несущими
• Создает внеполосное паразитное излучение

Требование линейности является высоким, особенно для выходной схемы ВЧ передатчика, где усилители часто проектируются как нелинейные, чтобы минимизировать энергопотребление. В практических системах OFDM допускается небольшое ограничение пиков для ограничения PAPR в разумном компромиссе с указанными выше последствиями. Однако выходной фильтр передатчика, который требуется для уменьшения внеполосных паразитных сигналов до разрешенных уровней, имеет эффект восстановления пиковых уровней, которые были ограничены, поэтому ограничение не является эффективным способом уменьшения PAPR.

Хотя спектральная эффективность OFDM привлекательна как для наземной, так и для космической связи, высокие требования PAPR до сих пор ограничивали применение OFDM наземными системами.

Пик-фактор CF (в дБ) для системы OFDM с n некоррелированными поднесущими равен ^[28]

${\displaystyle CF=10\log _{10}(n)+CF_{c}}$

где CF _c - коэффициент амплитуды (в дБ) для каждой поднесущей. (CF _c составляет 3,01 дБ для синусоидальных волн, используемых для модуляции BPSK и QPSK).

Например, сигнал DVB-T в режиме 2K состоит из 1705 поднесущих, каждая из которых модулируется QPSK, что дает пик-фактор 35,32 дБ. ^[28]

Многие методы уменьшения PAPR (или коэффициента амплитуды ) были разработаны, например, на основе промежуточного клиппирования. ^[29]

Динамический диапазон необходим для приемника FM составляет 120 дБ , а DAB требуется только около 90 дБ. ^{[30] Для} сравнения: каждый дополнительный бит на выборку увеличивает динамический диапазон на 6 дБ.

Сравнение эффективности между одной несущей и несколькими несущими [ править ]

Производительность любой системы связи можно измерить с точки зрения ее энергоэффективности и эффективности использования полосы пропускания. Энергетическая эффективность описывает способность системы связи сохранять частоту ошибок по битам ( BER ) передаваемого сигнала на низких уровнях мощности. Эффективность полосы пропускания отражает, насколько эффективно используется выделенная полоса пропускания, и определяется как скорость передачи данных на герц в заданной полосе пропускания. Если используется большое количество поднесущих, эффективность использования полосы пропускания системы с несколькими несущими, такой как OFDM, с использованием волоконно-оптического канала определяется как ^[31]

${\displaystyle \eta =2\cdot {\frac {R_{s}}{B_{\text{OFDM}}}}}$

где - скорость передачи символов в гига-символах в секунду (Gsps), - ширина полосы сигнала OFDM, а коэффициент 2 обусловлен двумя состояниями поляризации в волокне.${\displaystyle R_{s}}$${\displaystyle B_{\text{OFDM}}}$

Существует экономия полосы пропускания за счет использования модуляции на нескольких несущих с мультиплексированием с ортогональным частотным разделением каналов. Таким образом, полоса пропускания для системы с несколькими несущими меньше по сравнению с системой с одной несущей, и, следовательно, эффективность полосы пропускания для системы с несколькими несущими больше, чем для системы с одной несущей.

Мощность приемника увеличивается всего на 1 дБм, но при использовании технологии передачи с несколькими несущими мы получаем повышение эффективности использования полосы на 76,7%.

Идеализированная модель системы [ править ]

В этом разделе описывается простая идеализированная модель системы OFDM, подходящая для неизменного во времени канала AWGN .

Передатчик [ править ]

Сигнал несущей OFDM представляет собой сумму ряда ортогональных поднесущих, при этом данные основной полосы частот на каждой поднесущей модулируются независимо, обычно с использованием некоторого типа квадратурной амплитудной модуляции (QAM) или фазовой манипуляции (PSK). Этот составной сигнал основной полосы частот обычно используется для модуляции основной РЧ несущей.

${\displaystyle \scriptstyle s[n]}$представляет собой последовательный поток двоичных цифр. Путем обратного мультиплексирования они сначала демультиплексируются в параллельные потоки, и каждый из них отображается в (возможно, сложный) поток символов с использованием некоторой совокупности модуляции ( QAM , PSK и т. Д.). Обратите внимание, что комбинации могут быть разными, поэтому некоторые потоки могут нести более высокую скорость передачи данных, чем другие.${\displaystyle \scriptstyle N}$

Обратное БПФ вычисляется для каждого набора символов, давая набор сложных отсчетов во временной области. Затем эти отсчеты стандартным способом квадратурно- смешиваются с полосой пропускания. Реальные и мнимые компоненты сначала преобразуются в аналоговую область с помощью цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП); аналоговые сигналы затем используются для модуляции косинусных и синусоидальных волн на несущей частоте соответственно. Затем эти сигналы суммируются, чтобы получить сигнал передачи .${\displaystyle \scriptstyle f_{c}}$${\displaystyle \scriptstyle s(t)}$

Получатель [ править ]

Приемник улавливает сигнал , который затем квадратурно смешивается до основной полосы частот с помощью косинусоидальных и синусоидальных волн на несущей частоте . Это также создает сигналы с центром , поэтому фильтры нижних частот используются для их подавления. Затем сигналы основной полосы частот дискретизируются и оцифровываются с использованием аналого-цифровых преобразователей (АЦП), а прямое БПФ используется для обратного преобразования в частотную область.${\displaystyle \scriptstyle r(t)}$${\displaystyle \scriptstyle 2f_{c}}$

Это возвращает параллельные потоки, каждый из которых преобразуется в двоичный поток с использованием соответствующего детектора символов . Эти потоки затем повторно объединяются в последовательный поток, который является оценкой исходного двоичного потока на передатчике.${\displaystyle \scriptstyle N}$${\displaystyle \scriptstyle {\hat {s}}[n]}$

Математическое описание [ править ]

Если используются поднесущие, и каждая поднесущая модулируется с использованием альтернативных символов, алфавит символов OFDM состоит из комбинированных символов.${\displaystyle \scriptstyle N}$${\displaystyle \scriptstyle M}$${\displaystyle \scriptstyle M^{N}}$

Нижних частот эквивалентны сигнала OFDM , выражается как:

${\displaystyle \ \nu (t)=\sum _{k=0}^{N-1}X_{k}e^{j2\pi kt/T},\quad 0\leq t<T,}$

где - символы данных, - количество поднесущих, - время символа OFDM. Разнос поднесущих делает их ортогональными в течение каждого периода символа; это свойство выражается как:${\displaystyle \scriptstyle \{X_{k}\}}$${\displaystyle \scriptstyle N}$${\displaystyle \scriptstyle T}$${\displaystyle \scriptstyle {\frac {1}{T}}}$

${\displaystyle {\begin{aligned}&{\frac {1}{T}}\int _{0}^{T}\left(e^{j2\pi k_{1}t/T}\right)^{*}\left(e^{j2\pi k_{2}t/T}\right)dt\\=&{\frac {1}{T}}\int _{0}^{T}e^{j2\pi (k_{2}-k_{1})t/T}dt=\delta _{k_{1}k_{2}}\end{aligned}}}$

где обозначает комплексно сопряженный оператор, а - символ Кронекера .${\displaystyle \scriptstyle (\cdot )^{*}}$${\displaystyle \scriptstyle \delta \,}$

Чтобы избежать межсимвольных помех в каналах с многолучевым замиранием, перед блоком OFDM вставляется защитный интервал длины . В течение этого интервала передается циклический префикс , так что сигнал в интервале равен сигналу в интервале . Таким образом, сигнал OFDM с циклическим префиксом:${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {g} }}$${\displaystyle \scriptstyle -T_{\mathrm {g} }\,\leq \,t\,<\,0}$${\displaystyle \scriptstyle (T-T_{\mathrm {g} })\,\leq \,t\,<\,T}$

${\displaystyle \ \nu (t)=\sum _{k=0}^{N-1}X_{k}e^{j2\pi kt/T},\quad -T_{\mathrm {g} }\leq t<T}$

Приведенный выше сигнал нижних частот может быть действительным или комплексным. Действительные эквивалентные сигналы нижних частот обычно передаются в основной полосе частот - проводные приложения, такие как DSL, используют этот подход. Для беспроводных приложений сигнал нижних частот обычно имеет комплексные значения; в этом случае передаваемый сигнал преобразуется с повышением частоты до несущей частоты . В общем виде передаваемый сигнал можно представить в виде:${\displaystyle \scriptstyle f_{c}}$

${\displaystyle {\begin{aligned}s(t)&=\Re \left\{\nu (t)e^{j2\pi f_{c}t}\right\}\\&=\sum _{k=0}^{N-1}|X_{k}|\cos \left(2\pi [f_{c}+k/T]t+\arg[X_{k}]\right)\end{aligned}}}$

Использование [ править ]

OFDM используется в:

• Мировое цифровое радио (DRM)
• Цифровое аудиовещание (DAB)
• Цифровое телевидение DVB-T / T2 (наземное), DVB-H (портативное), DMB-T / H , DVB-C2 (кабельное)
• Беспроводная локальная сеть IEEE 802.11a , IEEE 802.11g , IEEE 802.11n , IEEE 802.11ac и IEEE 802.11ad
• WiMAX
• Li-Fi
• ADSL ( G.dmt / ITU G.992.1 )
• Мобильные сети LTE и LTE Advanced 4G
• Беспроводные телефоны DECT
• Современные узкополосные и широкополосные линии связи ^[32]

Таблица сравнения систем OFDM [ править ]

Ключевые особенности некоторых распространенных систем на основе OFDM представлены в следующей таблице.

Стандартное название	DAB Eureka 147	DVB-T	DVB-H	DMB-T / H	DVB-T2	IEEE 802.11a
Год ратификации	1995 г.	1997 г.	2004 г.	2006 г.	2007 г.	1999 г.
Частотный диапазон современного оборудования	174–240 МГц 1,452–1,492 ГГц	470–862 МГц 174–230 МГц	470–862 МГц	470–862 МГц		4915–6100 МГц
Разнос каналов, B (МГц)	1,712	6, 7, 8	5, 6, 7, 8	8	1,7, 5, 6, 7, 8, 10	20
Размер БПФ, k = 1,024	Режим I: 2k Режим II: 512 Режим III: 256 Режим IV: 1k	2к, 8к	2К, 4К, 8К	1 (с одной несущей) 4k (с несколькими несущими)	1k, 2k, 4k, 8k, 16k, 32k	64
Количество немыхающих поднесущих, N	Режим I: 1536 Режим II: 384 Режим III: 192 Режим IV: 768	Режим 2K: 1705 Режим 8K: 6817	1 705, 3 409, 6 817	1 (с одной несущей) 3780 (с несколькими несущими)	853–27 841 (нормальный режим 1K до расширенного режима несущей 32K)	52
Схема модуляции поднесущей	π / 4 -DQPSK	QPSK, [33] 16QAM или 64QAM	QPSK, [33] 16QAM или 64QAM	4QAM, [33] 4QAM-NR, [34] 16QAM, 32QAM и 64QAM.	QPSK, 16QAM, 64QAM, 256QAM	BPSK, QPSK, [33] 16QAM или 64QAM
Полезная длина символа, T U (мкс)	Режим I: 1000 Режим II: 250 Режим III: 125 Режим IV: 500	Режим 2K: 224 Режим 8K: 896	224, 448, 896	500 (несколько несущих)	112–3,584 (режим от 1K до 32K на канале 8 МГц)	3,2
Дополнительный защитный интервал, T G (доля T U )	24,6% (все режимы)	1 / 4 , 1 / 8 , 1 / 16 , 1 / 32	1 / 4 , 1 / 8 , 1 / 16 , 1 / 32	1 / 4 , 1 / 6 , 1 / 9	1/128, 1/32, 1/16, 19/256, 1/8, 19/128, 1/4. (Для режима 32k максимум 1/8)	1 / 4
Разнос поднесущих (Гц) ${\displaystyle \scriptstyle \Delta f\,=\,{\frac {1}{T_{U}}}\,\approx \,{\frac {B}{N}}}$	Режим I: 1000 Режим II: 4000 Режим III: 8000 Режим IV: 2000	Режим 2K: 4464 Режим 8K: 1116	4 464, 2232, 1116	8 M (одна несущая) 2000 (много несущая)	279–8 929 (режим от 32K до 1K)	312,5 тыс.
Чистая скорость передачи данных, R (Мбит / с)	0,576–1,152	4,98–31,67 (обычно 24,13)	3,7–23,8	4,81–32,49	Обычно 35,4	6–54
Спектральная эффективность линии связи R / B (бит / с · Гц)	0,34–0,67	0,62–4,0 ( тип. 3,0)	0,62–4,0	0,60–4,1	0,87–6,65	0,30–2,7
Внутренний FEC	Конв. кодирование с равными скоростями кода защиты от ошибок: 1 / 4 , 3 / 8 , 4 / 9 , 1 / 2 , 4 / 7 , 2 / 3 , 3 / 4 , 4 / 5 Неравная защита от ошибок с av. кодовые скорости: ~ 0,34, 0,41, 0,50, 0,60 и 0,75	Конв. кодирование с кодовыми скоростями: 1 / 2 , 2 / 3 , 3 / 4 , 5 / 6 , или 7 / 8	Конв. кодирование с кодовыми скоростями: 1 / 2 , 2 / 3 , 3 / 4 , 5 / 6 , или 7 / 8	LDPC с кодовыми скоростями: 0,4, 0,6 или 0,8	LDPC - : 1 / 2 , 3 / 5 , 2 / 3 , 3 / 4 , 4 / 5 , 5 / 6	Конв. кодирование с кодовыми скоростями: 1 / 2 , 2 / 3 или 3 / 4
Внешний FEC (если есть)	Дополнительный RS (120, 110, t = 5)	RS (204, 188, t = 8)	RS (204, 188, t = 8) + MPE-FEC	Код BCH (762, 752)	Код BCH
Максимальная скорость передвижения (км / ч)	200–600	53–185, в зависимости от частоты передачи
Глубина временного чередования (мс)	384	0,6–3,5	0,6–3,5	200–500	До 250 (500 с удлинительной рамой)
Адаптивная трансмиссия , если есть	Никто	Никто	Никто		Никто
Метод множественного доступа (если есть)	Никто	Никто	Никто		Никто
Типичное исходное кодирование	192  кбит / с MPEG2 Audio Layer 2	2–18 Мбит / с Стандарт - HDTV H.264 или MPEG2	H.264	Не определено (видео: MPEG-2, H.264 и / или AVS Аудио: MP2 или AC-3 )	H.264 или MPEG2 (аудио: AAC HE, Dolby Digital AC-3 (A52), MPEG-2 AL 2.)

ADSL [ править ]

OFDM используется в соединениях ADSL , соответствующих стандартам ANSI T1.413 и G.dmt (ITU G.992.1), где это называется дискретной многотональной модуляцией (DMT). ^[35] DSL обеспечивает высокоскоростные передачи данных по существующим медным проводам. OFDM также используется в последующих стандартах ADSL2 , ADSL2 + , VDSL , VDSL2 и G.fast . ADSL2 использует модуляцию переменной поднесущей в диапазоне от BPSK до 32768QAM (в терминологии ADSL это называется битовой загрузкой или бит на тон, от 1 до 15 бит на поднесущую).

Длинные медные провода страдают от затухания на высоких частотах. Тот факт, что OFDM может справиться с этим частотно-избирательным ослаблением и с узкополосными помехами, является основными причинами, по которым он часто используется в таких приложениях, как модемы ADSL .

Powerline Technology [ править ]

OFDM используется многими устройствами Powerline для расширения цифровых соединений через силовую проводку. Адаптивная модуляция особенно важна для такого шумного канала, как электропроводка. Некоторые среднескоростные модемы интеллектуального учета , «Prime» и «G3» используют OFDM на скромных частотах (30–100 кГц) с небольшим количеством каналов (несколько сотен), чтобы преодолеть межсимвольные помехи в среде линий электропередач. ^[36] Стандарты IEEE 1901 включают два несовместимых физических уровня, оба из которых используют OFDM. ^[37] МСЭ-Т G.hnСтандарт, который обеспечивает высокоскоростную локальную сеть по существующей домашней проводке (линии электропередач, телефонные линии и коаксиальные кабели), основан на уровне PHY, который определяет OFDM с адаптивной модуляцией и кодом FEC с проверкой четности с низкой плотностью ( LDPC ). ^[32]

Беспроводные локальные сети (LAN) и городские сети (MAN) [ править ]

OFDM широко используется в приложениях беспроводной локальной сети и MAN, включая IEEE 802.11a / g / n и WiMAX .

IEEE 802.11a / g / n, работающий в диапазонах 2,4 и 5 ГГц, определяет скорость передачи данных в воздушной зоне в пределах от 6 до 54 Мбит / с. Если оба устройства могут использовать «режим HT» (добавленный с 802.11n ), максимальная скорость потока 20 МГц увеличивается до 72,2 Мбит / с с возможностью выбора скорости передачи данных от 13,5 до 150 Мбит / с с использованием канала 40 МГц. . Используются четыре различные схемы модуляции: BPSK , QPSK , 16- QAM и 64-QAM, а также набор скоростей исправления ошибок (1 / 2–5 / 6). Множество вариантов позволяет системе адаптировать оптимальную скорость передачи данных к текущим условиям сигнала.

Беспроводные персональные сети (PAN) [ править ]

OFDM теперь также используется в стандарте WiMedia / Ecma-368 для высокоскоростных беспроводных персональных сетей в сверхширокополосном спектре 3,1–10,6 ГГц (см. MultiBand-OFDM).

Наземное цифровое радио- и телевещание [ править ]

Большая часть Европы и Азии приняла OFDM для наземного вещания цифрового телевидения ( DVB-T , DVB-H и T-DMB ) и радио ( EUREKA 147 DAB , Digital Radio Mondiale , HD Radio и T-DMB ).

DVB-T [ править ]

Согласно Директиве Европейской комиссии, все телевизионные услуги, передаваемые зрителям в Европейском сообществе, должны использовать систему передачи, которая была стандартизирована признанным европейским органом по стандартизации ^[38], и такой стандарт был разработан и кодифицирован Проектом DVB, Цифровое видеовещание (DVB); Структура кадров, кодирование каналов и модуляция для цифрового наземного телевидения . ^[39] Стандарт, обычно называемый DVB-T, требует исключительного использования COFDM для модуляции. DVB-T в настоящее время широко используется в Европе и других странах для наземного цифрового телевидения.

SDARS [ править ]

Наземные сегменты систем Digital Audio Radio Service (SDARS), используемых XM Satellite Radio и Sirius Satellite Radio , передаются с использованием кодированного OFDM (COFDM). ^[40] Слово «закодированный» происходит от использования прямого исправления ошибок (FEC). ^[5]

COFDM против VSB [ править ]

Вопрос об относительных технических преимуществах COFDM по сравнению с 8VSB для наземного цифрового телевидения был предметом некоторых разногласий, особенно между европейскими и североамериканскими технологами и регулирующими органами. США отверг несколько предложений по принятию COFDM на основе DVB-T системы для своих цифровых телевизионных услуг, и вместо этого выбрал 8VSB ( подавленная боковую модуляция ) операцию.

Одно из основных преимуществ COFDM заключается в том, что радиопередачи относительно невосприимчивы к искажениям из- за многолучевого распространения и замиранию сигнала из-за атмосферных условий или пролетающих самолетов. Сторонники COFDM утверждают, что он намного лучше сопротивляется многолучевому распространению, чем 8VSB. Ранние приемники 8VSB DTV (цифрового телевидения) часто испытывали трудности с приемом сигнала. Кроме того, COFDM позволяет использовать одночастотные сети , что невозможно с 8VSB.

Однако более новые приемники 8VSB намного лучше справляются с многолучевым распространением, поэтому разница в производительности может уменьшиться с развитием конструкции эквалайзера. ^{[ необходима цитата ]}

Цифровое радио [ править ]

COFDM также используется для других радиостандартов, для цифрового аудиовещания (DAB), стандарта цифрового аудиовещания на частотах VHF , для Digital Radio Mondiale (DRM), стандарта для цифрового радиовещания на коротких и средних волнах (ниже 30 МГц). ), а для DRM + - недавно представленный стандарт цифрового аудиовещания на частотах ОВЧ . (От 30 до 174 МГц)

В США снова используется альтернативный стандарт - собственная система, разработанная iBiquity, получившая название HD Radio . Однако он использует COFDM в качестве базовой технологии вещания для добавления цифрового звука в AM (средние волны) и FM-вещания.

И Digital Radio Mondiale, и HD Radio классифицируются как внутриканальные системы, в отличие от Eureka 147 (DAB: Digital Audio Broadcasting ), в котором вместо этого используются отдельные диапазоны частот VHF или UHF .

BST-OFDM, используемый в ISDB [ править ]

Система мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов ( BST-OFDM ) при сегментированной передаче данных, предложенная для Японии (в системах вещания ISDB-T , ISDB-TSB и ISDB-C ), улучшает COFDM за счет использования того факта, что некоторые несущие OFDM могут модулироваться. отличается от других в том же мультиплексе. Некоторые формы COFDM уже предлагают этот вид иерархической модуляции , хотя BST-OFDM призван сделать его более гибким. Таким образом, телевизионный канал с полосой пропускания 6 МГц может быть «сегментирован», при этом разные сегменты модулируются по-разному и используются для разных услуг.

Например, можно отправить аудиоуслугу в сегменте, который включает в себя сегмент, состоящий из нескольких несущих, услугу передачи данных в другом сегменте и телевизионную услугу в еще одном сегменте - и все это в рамках одного и того же телевизионного канала с полосой пропускания 6 МГц. Кроме того, они могут быть модулированы различными параметрами, так что, например, услуги аудио и данных могут быть оптимизированы для мобильного приема, в то время как телевизионная услуга оптимизирована для стационарного приема в среде с высокой многолучевостью.

Сверхширокополосный [ править ]

Технология сверхширокополосной (UWB) беспроводной персональной сети также может использовать OFDM, например, в многополосном OFDM (MB-OFDM). Эта спецификация UWB поддерживается WiMedia Alliance (ранее - Multiband OFDM Alliance [MBOA] и WiMedia Alliance, но теперь они объединились) и является одним из конкурирующих радиоинтерфейсов UWB.

FLASH-OFDM [ править ]

Быстрый доступ с малой задержкой и мультиплексированием с ортогональным частотным разделением каналов (Flash-OFDM), также называемый F-OFDM, был основан на OFDM и также определял более высокие уровни протокола . Он был разработан Flarion и приобретен Qualcomm в январе 2006 года. ^{[41] [42]} Flash-OFDM продавался как канал передачи данных сотовой связи с коммутацией пакетов, чтобы конкурировать с сетями GSM и 3G . Например, полосы частот 450 МГц, ранее использовавшиеся NMT-450 и C-Net C450 (обе аналоговые сети 1G, в настоящее время в основном выведены из эксплуатации) в Европе, лицензируются операторам Flash-OFDM. ^{[ необходима цитата ]}

В Финляндии владелец лицензии Digita начал развертывание общенациональной беспроводной сети «@ 450» в некоторых частях страны с апреля 2007 года. Она была приобретена Datame в 2011 году. ^[43] В феврале 2012 года Datame объявила, что обновит сеть 450 МГц. конкурирующей технологии CDMA2000 . ^[44]

Компания Slovak Telekom в Словакии предлагает соединения Flash-OFDM ^[45] с максимальной скоростью входящего потока 5,3 Мбит / с и максимальной скоростью исходящего потока 1,8 Мбит / с с охватом более 70 процентов населения Словакии. ^{[ необходима цитата ]} Сеть Flash-OFDM была отключена в большей части Словакии 30 сентября 2015 года. ^[46]

T-Mobile Germany использовала Flash-OFDM для транзита точек доступа Wi-Fi на высокоскоростных поездах ICE Deutsche Bahn в период с 2005 по 2015 год до перехода на UMTS и LTE. ^[47]

В 2005 году американский оператор беспроводной связи Nextel Communications протестировал технологии беспроводной широкополосной сети, включая Flash-OFDM. ^[48] Sprint приобрела оператора связи в 2006 году и решила развернуть мобильную версию WiMAX , основанную на масштабируемом множественном доступе с ортогональным частотным разделением каналов (SOFDMA). технологии. ^[49]

Гражданский телефонный кооператив запустил услугу мобильного широкополосного доступа на основе технологии Flash-OFDM для абонентов в некоторых частях штата Вирджиния в марте 2006 года. Максимальная доступная скорость составляла 1,5 Мбит / с. ^[50] Услуга была прекращена 30 апреля 2009 г. ^[51]

Вектор OFDM (VOFDM) [ править ]

VOFDM был предложен Xiang-Gen Xia в 2000 году ( Proceedings of ICC 2000 , New Orleans и IEEE Trans. On Communications , август 2001) для систем с одной передающей антенной. VOFDM заменяет каждое скалярное значение в обычном OFDM векторным значением и является мостом между OFDM и эквалайзером в частотной области с одной несущей (SC-FDE). Когда размер вектора равен , это OFDM, а когда размер вектора равен, по крайней мере, длине канала, а размер БПФ равен , это SC-FDE. ${\displaystyle 1}$${\displaystyle 1}$

В VOFDM, предположим , что вектор размер, и каждая скалярная сигнала в OFDM заменяется на вектор-сигнала вектора размера , . Один берет точечного ОБПФА компонент мудро и получает другой вектор последовательность одного и тот же вектор размера , . Затем к этой векторной последовательности добавляется вектор CP длины как${\displaystyle M}$${\displaystyle X_{n}}$${\displaystyle {\bf {X}}_{n}}$${\displaystyle M}$${\displaystyle 0\leq n\leq N-1}$${\displaystyle N}$${\displaystyle {\bf {X}}_{n},0\leq n\leq N-1}$${\displaystyle M}$${\displaystyle {\bf {x}}_{k},0\leq k\leq N-1}$${\displaystyle \Gamma }$

${\displaystyle {\bf {x}}_{0},{\bf {x}}_{1},...,{\bf {x}}_{N-1},{\bf {x}}_{0},{\bf {x}}_{1},...,{\bf {x}}_{\Gamma -1}}$.

Эта векторная последовательность преобразуется в скалярную последовательность путем упорядочивания всех векторов размера , которые последовательно передаются на передающую антенну.${\displaystyle M}$

В приемнике полученная скалярная последовательность сначала преобразуется в векторную последовательность размера вектора . Когда длина CP удовлетворяет , тогда после того, как вектор CP удален из векторной последовательности и точечное БПФ реализовано покомпонентно для векторной последовательности длины , получается${\displaystyle M}$${\displaystyle \Gamma \geq \lceil {\frac {L}{M}}\rceil }$${\displaystyle N}$${\displaystyle N}$

${\displaystyle {\bf {Y}}_{n}={\bf {H}}_{n}{\bf {X}}_{n}+{\bf {W}}_{n},\,\,0\leq n\leq N-1,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,(1)}$

где есть аддитивный белый шум и и является следующей многофазной матрицей канала ISI :${\displaystyle {\bf {W}}_{n}}$${\displaystyle {\bf {H}}_{n}={\bf {H}}(\exp(2\pi jn/N))={\bf {H}}(z)|_{z=\exp(2\pi jn/N)}}$${\displaystyle {\bf {H}}(z)}$${\displaystyle M\times M}$${\displaystyle H(z)=\sum _{k=0}^{L}h_{k}z^{-k}}$

${\displaystyle \mathbf {H} (z)=\left[{\begin{array}{cccc}H_{0}(z)&z^{-1}H_{M-1}(z)&\cdots &z^{-1}H_{1}(z)\\H_{1}(z)&H_{0}(z)&\cdots &z^{-1}H_{2}(z)\\\vdots &\vdots &\vdots &\vdots \\H_{M-1}(z)&H_{M-2}(z)&\cdots &H_{0}(z)\end{array}}\right]}$,

где - th многофазная составляющая канала . Из (1) видно, что исходный канал ISI преобразуется во множество векторных подканалов векторного размера . Между этими векторными подканалами нет ISI, но есть ISI внутри каждого векторного подканала. В каждом векторном подканале не более многих символов мешают друг другу. Ясно, что когда размер вектора , вышеупомянутый VOFDM возвращается в OFDM, а когда и , он становится SC-FDE. Размер вектора - это параметр, который можно свободно и правильно выбирать на практике и который контролирует уровень ISI. Может существовать компромисс между размером вектора , сложностью демодуляции в приемнике и размером FFT для данной полосы пропускания канала. ${\displaystyle H_{m}(z)=\sum _{l}h_{Ml+m}z^{-l}}$${\displaystyle m}$${\displaystyle H(z),0\leq m\leq M-1}$${\displaystyle N}$${\displaystyle M}$${\displaystyle M}$${\displaystyle M=1}$${\displaystyle M>L}$${\displaystyle N=1}$${\displaystyle M}$${\displaystyle M}$

Обратите внимание, что существует много других различных обобщений / форм OFDM, чтобы увидеть их существенные различия, очень важно увидеть их соответствующие уравнения принятого сигнала для демодуляции. Вышеупомянутый VOFDM является самым ранним и единственным, который обеспечивает уравнение принятого сигнала (1) и / или его эквивалентную форму, хотя он может иметь разные реализации на передатчике по сравнению с разными алгоритмами IFFT. Было показано (Ябо Ли и др., IEEE Trans. On Signal Processing , октябрь 2012 г.), что, применяя линейный приемник MMSE к каждому векторному подканалу (1), достигается многолучевое разнесение.     

Wavelet-OFDM [ править ]

OFDM стал интересным методом для связи по линиям электропередач (PLC). В этой области исследований вводится вейвлет-преобразование, заменяющее ДПФ как метод создания ортогональных частот. Это связано с преимуществами вейвлетов, которые особенно полезны на зашумленных линиях электропередач. ^[52]

Вместо использования IDFT для создания сигнала отправителя вейвлет OFDM использует банк синтеза, состоящий из -полосного трансмультиплексора, за которым следует функция преобразования${\displaystyle \textstyle N}$

${\displaystyle F_{n}(z)=\sum _{k=0}^{L-1}f_{n}(k)z^{-k},\quad 0\leq n<N}$

На стороне приемника банк анализа используется для повторной демодуляции сигнала. Этот банк содержит обратное преобразование

${\displaystyle G_{n}(z)=\sum _{k=0}^{L-1}g_{n}(k)z^{-k},\quad 0\leq n<N}$

за которым следует еще один -диапазонный трансмультиплексор. Связь между обеими функциями преобразования${\displaystyle \textstyle N}$

${\displaystyle f_{n}(k)=g_{n}(L-1-k)}$

${\displaystyle F_{n}(z)=z^{-(L-1)}G_{n}*(z-1)}$

Пример W-OFDM использует банк косинусно-модулированных фильтров идеальной реконструкции (PR-CMFB), а расширенное преобразование с перекрытием (ELT) используется для вейвлета TF. Таким образом, и задаются как${\displaystyle \textstyle f_{n}(k)}$${\displaystyle \textstyle g_{n}(k)}$

${\displaystyle f_{n}(k)=2p_{0}(k)\cos \left[{\frac {\pi }{N}}\left(n+{\frac {1}{2}}\right)\left(k-{\frac {L-1}{2}}\right)-(-1)^{n}{\frac {\pi }{4}}\right]}$

${\displaystyle g_{n}(k)=2p_{0}(k)\cos \left[{\frac {\pi }{N}}\left(n+{\frac {1}{2}}\right)\left(k-{\frac {L-1}{2}}\right)+(-1)^{n}{\frac {\pi }{4}}\right]}$

${\displaystyle P_{0}(z)=\sum _{k=0}^{N-1}z^{-k}Y_{k}\left(z^{2N}\right)}$

Эти две функции являются их соответствующими обратными и могут использоваться для модуляции и демодуляции заданной входной последовательности. Так же , как и в случае ДПФ, вейвлет - преобразование создает ортогональные волны с , , ..., . Ортогональность гарантирует, что они не мешают друг другу и могут быть отправлены одновременно. В приемнике , ..., используются для восстановления последовательности данных еще раз.${\displaystyle \textstyle f_{0}}$${\displaystyle \textstyle f_{1}}$${\displaystyle \textstyle f_{N-1}}$${\displaystyle \textstyle g_{0}}$${\displaystyle \textstyle g_{1}}$${\displaystyle \textstyle g_{N-1}}$

Преимущества перед стандартным OFDM [ править ]

W-OFDM - это эволюция стандарта OFDM с определенными преимуществами.

В основном уровни боковых лепестков W-OFDM ниже. Это приводит к уменьшению ICI, а также большей устойчивости к узкополосным помехам. Эти два свойства особенно полезны в ПЛК, где большинство линий не экранировано от электромагнитного шума, который создает зашумленные каналы и всплески шума.

Сравнение двух методов модуляции также показывает, что сложность обоих алгоритмов остается примерно одинаковой. ^[52]

История [ править ]

• 1957: Kineplex, ВЧ-модем с несколькими несущими (RR Mosier & RG Clabaugh)
• 1966: Чанг, Bell Labs: документ OFDM ^[3] и патент ^[4]
• 1971: Вайнштейн и Эберт предложили использовать БПФ и защитный интервал ^[6]
• 1985: Чимини описал использование OFDM для мобильной связи.
• 1985: Telebit Trailblazer Modem представил протокол пакетного ансамбля 512 несущих ( 18 432 бит / с )
• 1987: Alard & Lasalle: COFDM для цифрового вещания ^[9]
• 1988: В сентябре TH-CSF LER, первая экспериментальная линия цифрового телевидения в OFDM, Париж.
• 1989: Международная патентная заявка OFDM PCT / FR 89/00546, поданная на имя THOMSON-CSF, Fouche, de Couasnon, Travert, Monnier и всех ^[53]
• Октябрь 1990: TH-CSF LER, первые полевые испытания оборудования OFDM, 34 Мбит / с в канале 8 МГц, эксперименты в районе Парижа.
• Декабрь 1990: TH-CSF LER, первое сравнение испытательного стенда OFDM с VSB в Принстоне, США.
• Сентябрь 1992: TH-CSF LER, полевые испытания оборудования второго поколения, 70 Мбит / с в канале 8 МГц, двойная поляризация. Вупперталь, Германия
• Октябрь 1992: TH-CSF LER, полевые испытания второго поколения и испытательный стенд с BBC, недалеко от Лондона, Великобритания.
• 1993: шоу TH-CSF в Монтрё, SW, 4 телеканала и один канал HDTV в одном канале 8 МГц
• 1993: Моррис: экспериментальная беспроводная сеть OFDM со скоростью 150 Мбит / с
• 1995: Стандарт цифрового аудиовещания ETSI EUreka: первый стандарт на основе OFDM
• 1997: ETSI DVB-T стандарт
• 1998: Проект Magic WAND демонстрирует модемы OFDM для беспроводной локальной сети.
• 1999: Стандарт беспроводной локальной сети IEEE 802.11a (Wi-Fi) ^[54]
• 2000: Собственный фиксированный беспроводной доступ (V-OFDM, FLASH-OFDM и т. Д.)
• Май 2001: FCC разрешает OFDM в освобожденном от лицензирования диапазоне 2,4 ГГц. ^[55]
• 2002: Стандарт IEEE 802.11g для беспроводной локальной сети ^[56]
• 2004: стандарт IEEE 802.16 для беспроводной сети MAN (WiMAX) ^[57]
• 2004: ETSI DVB-H стандарт
• 2004: кандидат в стандарт IEEE 802.15.3a для беспроводной сети PAN (MB-OFDM)
• 2004: Кандидат в стандарт IEEE 802.11n для беспроводной локальной сети следующего поколения
• 2005: OFDMA является кандидатом для нисходящего канала E-UTRA радиоинтерфейса 3GPP Long Term Evolution (LTE).
• 2007: Была продемонстрирована первая полная реализация радиоинтерфейса LTE, включая OFDM-MIMO, SC-FDMA и многопользовательский восходящий канал MIMO ^[58]

См. Также [ править ]

• Стандарты ATSC
• Интерферометрия носителей
• N-OFDM
• FDMA с одной несущей (SC-FDMA)
• Выравнивание с одной несущей в частотной области (SC-FDE)
• Ортогональное время, частота и пространство (OTFS)

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

• Банк, М. (2007). «Система, свободная от канальных проблем, присущих меняющимся системам мобильной связи». Письма об электронике . 43 (7): 401–402. DOI : 10.1049 / эл: 20070014 .
• М. Банк, Б. Хилл, Мириам Банк. Система беспроводной мобильной связи без пилотных сигналов Патент PCT / Il N 2006000926, Международная заявка на патент PCT N0 PCT / IL 2006000926. Патент № 7,986,740, дата выдачи: 26 июля 2011 г.

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы, связанные с мультиплексированием с ортогональным частотным разделением каналов .

• Многочисленные полезные ссылки и ресурсы для OFDM - Группа WCSP - Университет Южной Флориды (USF)
• WiMAX Forum, WiMAX, базовый стандарт для мобильного персонального широкополосного доступа 4G
• Стотт, 1997 г. [1] Техническая презентация Дж. Х. Стотта из отдела исследований и разработок BBC, сделанная на 20-м Международном телевизионном симпозиуме в 1997 г .; доступ к этому URL-адресу 24 января 2006 г.
• Страница мультиплексирования с ортогональным частотным разделением по адресу https://web.archive.org/web/20090325005048/http://www.iss.rwth-aachen.de/Projekte/Theo/OFDM/node6.html, доступ открыт 24 сентября 2007 г.
• Учебное пособие о значении циклического префикса (CP) в системах OFDM .
• Siemens демонстрирует беспроводную связь со скоростью 360 Мбит / с
• Введение в технологию мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов
• Краткое введение в OFDM - Учебное пособие, написанное профессором Деббахом, руководителем кафедры Alcatel-Lucent по гибкой радиосвязи.
• Краткое бесплатное руководство по COFDM от Марка Масселя, ранее работавшего в STMicroelectronics и в индустрии цифрового телевидения в течение многих лет.
• Популярная книга Марка Масселя о COFDM и US ATSC
• Пошаговая инструкция по передаче OFDM - онлайн-эксперимент
• Моделирование оптических систем OFDM