Организация связи в сетях LTE

=7,5 кГц, 24576 для ?

f

=1,25 кГц.

Символы OFDM в слоте должны передаваться в порядке возрастания l, начиная с l=0, где символ OFDM l>0 начинается со времени

в слоте.

Восходящий канал

Основной недостаток технологии OFDMА – высокое соотношение пиковой и средней мощности сигнала (PAR). Это связано с тем, что во временной области спектр OFDM-сигнала становится аналогичным гауссову шуму, характеризующемуся высоким PAR. Кроме того, сама по себе технология OFDMА, с учетом необходимости минимизировать шаг между поднесущими и сокращать относительную длительность СР, предъявляет очень высокие требования к формированию композитного сигнала. Мало того, что частотные рассогласования между передатчиком и приемником и фазовый шум в принимаемом сигнале могут привести к межсимвольной интерференции на отдельных поднесущих (т.е. к интерференции между сигналами различных абонентских каналов). При малом шаге между поднесущими к аналогичным последствиям может привести и эффект Доплера, что очень актуально для систем сотовой связи, предполагающих высокую мобильность абонентов. В связи с этим для восходящего канала LTE была предложена новая технология – SC-FDMA (Single-Carrier Frequency-Division Multiple Access).

Принципиальное ее отличие: если в OFDMA на каждой поднесущей одновременно передается свой модуляционный символ, то в SC-FDMA поднесущие модулируются одновременно и одинаково, но модуляционные символы короче. То есть в OFDMA символы передаются параллельно, а в SC-FDMA – последовательно. Такое решение обеспечивает меньшее отношение максимального и среднего уровней мощности по сравнению с использованием обычной модуляции OFDM, в результате чего повышается энергоэффективность абонентских устройств и упрощается их конструкция (существенно снижаются требования к точности частотных параметров передатчиков).

Структура SC-FDMA-сигнала во многом аналогична технологии OFDM. Так же используется композитный сигнал – модуляция множества поднесущих, расположенных с шагом ?f. Принципиальное отличие в том, что все поднесущие модулируются одинаково, т.е. единовременно передается только один модуляционный символ (рис.17).

Рис. 17. Различие между OFDMA и SC-FDMA при передаче последовательности QPSK-символов

При этом ресурсная сетка полностью аналогична нисходящему каналу. Так же каждый физический ресурсный блок, соответствующий слоту, занимает 12 поднесущих с шагом ?f=15 кГц в частотной области (всего 180 кГц) и 0,5 мс – во временной. Ресурсному блоку соответствуют 7 SC-FDMA-символов при стандартном циклическом префиксе и 6 – при расширенном. Длительность SC-FDMA-символа (без префикса) равна длительности ОFDMA-символа и составляет 66,7 мкс (длительности соответствующих циклических префиксов также равны). В сетке может быть от 6 до 110 ресурсных блоков, но их число должно быть кратно 2, 3 или 5, что связано с процедурой дискретного Фурье-преобразования. Еще одна особенность – поддержка модуляции 64-QAM в АУ опциональна.

Для формирования группового сигнала восходящих каналов в сетях LTE используется схема мультиплексирования с частотным разнесением с передачей на одной несущей SC-FDMA. Эта схема может работать в системах, функционирующих как в режиме TDD с временным дуплексированием, так и в режиме FDD с частотным дуплексированием. Такие сигналы можно рассматривать как одночастотные с модуляцией КФМ или ФМ-2 и временным мультиплексированием, подобные тем сигналам, которые формируются в системе GSM. Формирование сигнала SC-FDMA показано на рис. 18. Как уже было отмечено, сигналы всех АУ, работающих с данной БС, излучаются на одной несущей, поэтому оставшуюся часть частотного диапазона, показанного на рис. 18, занимают спектры других АУ, как показано на рис. 19. При формировании сигнала в частотной области по классической схеме формирования одночастотного сигнала с модуляцией КФМ (ФМ-2), между этими спектрами нужно предусматривать защитные интервалы. Однако в системе SC-FDMA сигналы как соседних поднесущих, так и соседних АУ являются ортогональными, это позволяет использовать преимущество схемы с ортогональным частотным разнесением, которое заключается в эффективном использовании частотного ресурса. При этом защитный интервал в частотной области между сигналами разных абонентов может быть опущен. Как и в системах с OFDM, во временной области периодически добавляется ЦП, но такая процедура проводится над блоком элементарных символов. Введение такого ЦП позволяет избежать МСИ между SC-FDMA символами или между блоками элементарных символов.

Рис. 18. Передача данных с использованием технологии SC-FDMA

Распределение частотного ресурса между абонентами осуществляется ресурсными блоками, каждому из которых соответствует полоса частот 180 кГц в частотной области, что при разносе между соседними поднесущими частотами в 15 кГц соответствует 12 поднесущим, и временной интервал 0,5 мс во временной области (1 слот). В режиме работы с нормальным циклическим префиксом ресурсный блок содержит 7 SC-FDMA-символов, а в режиме работы с расширенным циклическим префиксом –6 SC-FDMA-символов.

Максимальное количество доступных ресурсных блоков зависит от выделенного системе диапазона частот, значение которого может доходить до 20 МГц, однако на краях выделенного диапазона предусмотрены защитные интервалы, которые не используются для передачи информации. Так, при выделении системе LTE полосы в 10 МГц реально будет использоваться только 9 МГц, что соответствует 50 ресурсным блокам.

Несмотря на то, что используется схема мультиплексирования с передачей на одной несущей, при формировании такого сигнала для удобства, всё же, будем пользоваться понятием поднесущих. При формировании сигнала восходящих каналов комплексные модуляционные символы размещаются по доступным частотно-временным ресурсам (ЧВР), не занятым пилотными символами (рис. 20), где пилотные символы выделены тёмным цветом). Пилотные символы располагаются в середине слота, они используются на приемной стороне для оценки передаточной характеристики канала. После размещения данных по ЧВР генерируется SC-FDMA-сигнал с периодическим добавлением ЦП во временной области.

Выделяемый абоненту ресурс всегда кратен в частотной области полосе шириной 180 кГц, а во временной – интервалу длительностью 1 мс, что соответствует двум слотам радиосигнала или одному подкадру. Контроль за сигналами абонентов осуществляется БС таким образом, чтобы их сигналы не перекрывались по частоте или во времени. Изменяя номера используемых входов блока ОБПФ передатчика, АУ может передавать свой сигнал в нужной полосе (рис. 19).

Рис. 19. Частотное разделение сигналов различных абонентов

Рис. 20. Структура слота сигнала SC-FDMA

Сгенерированный SC-FDMA-сигнал обладает хорошими свойствами огибающей во временной области. Ввиду того, что в определенный момент времени идет передача только одного модуляционного символа, величина пик-фактора таких сигналов оказывается значительно меньше, чем в сигналах, сгенерированных по схеме OFDM, что позволяет упростить передающую аппаратуру АУ и снизить расход энергии аккумулятора.

В восходящем канале допустимая мощность излучения значительно ниже, чем в нисходящем. Поэтому первичным становится энергетическая эффективность метода передачи информации с целью увеличения зоны покрытия, снижения стоимости терминального устройства и потребляемой им мощности.

Каждому абоненту сети для передачи данных от базовой станции с помощью функции планирования на определенное время выделяется определенное число ресурсных блоков.

Расписание передается абонентам по служебным каналам в нисходящем радиоканале. Однако если при OFDMA один модуляционный символ (QPSK, 16- или 64-QAM) соответствует OFDM-символу на одной поднесущей (15 кГц, 66,7 мкс), то при SC-OFDMA ситуация иная. В частотном плане ширина модуляционного символа оказывается равной всей доступной полосе частот (он передается на всех поднесущих одновременно). При этом один SC-FDMA-символ содержит несколько модуляционных символов (в идеале столько же, сколько поднесущих), но в соответствующее число раз более коротких по сравнению с OFDMA, что полностью отвечает условиям теоремы Котельникова-Шеннона.

Сама процедура формирования SC-FDMA-сигнала отличается от схемы OFDMA. После канального кодирования, скремблирования и формирования модуляционных символов они группируются в блоки по М символов – субсимволов SC-FDMA (рис.21), где М – суммарное число поднесущих во всех РБ, выделенных в данный момент для работы вверх данному абоненту [4]. Очевидно, что непосредственно отнести их на поднесущие с шагом 15 кГц невозможно – требуется в N раз более высокая частота, где N – это число доступных для передачи поднесущих базовой станции. Поэтому, сформировав группы по М модуляционных символов (М < N), их подвергают М-точечному дискретному Фурье-преобразованию (ДПФ), и полученные отсчеты распределяют по выделенным для абонента М поднесущим (на остальные входы N-точечного Фурье-преобразователя подают нули). А уже затем с помощью стандартной процедуры обратного N-точечного Фурье-преобразования синтезируют сигнал, соответствующий независимой модуляции каждой поднесущей [2]. Для минимизации влияния на качество приема межсимвольной интерференции при передаче между символами после выполнения ОБПФ вставляют СР и генерируют выходной ВЧ-сигнал. В результате пик-фактор SC-FDMA-сигнала соответствует пик-фактору исходной последовательности. При приеме сигнала SC-FDMA над ним производят операции, обратные тем, что были при передаче, а в приемниках SC-FDMA после блока ОБПФ используют эквалайзеры.

В результате такого подхода передатчик и приемник OFDMA- и SC-FDMA-сигналов имеют схожую функциональную структуру (см. рис.15 и 21).

Рис. 21 Особенность формирования выходного сигнала в случае SC-FDMA

Отметим, что АУ может использовать как фиксированный частотный диапазон (используются смежные ресурсные блоки, т.е. смежные поднесущие), так и распределенный – так называемый режим скачкообразной перестройки частоты (FH). В последнем случае для каждого слота восходящего канала используется новый ресурсный блок из доступной ресурсной сетки. Параметры перестройки частоты задаются сетевым оборудованием и сообщаются как при инициализации абонентского устройства в сети, так и по ходу работы в канале управления. В случае распределенного способа информация от каждого абонента расположена во всем спектре сигнала (рис.22), поэтому данный способ устойчив к частотно-избирательному замиранию. С другой стороны, при локализованном способе распределения возможно определить полосу, в которой для данного абонента достигается максимальная устойчивость канала к замираниям. Поскольку области замирания сигнала для всех абонентов различны, то можно достичь общую максимальную эффективность использования радиоканала. Однако это требует непрерывного сканирования частотной характеристики канала для каждого устройства и организации функции диспетчеризации.

Рис. 22. Способы распределения поднесущих в SC-FDMA

Помимо собственно информации, генерируемой функциями верхних уровней, в восходящем канале передаются опорные сигналы. Их назначение – помочь приемнику БС настроиться на определенный передатчик АУ. Кроме того, эти сигналы позволяют оценить качество канала, что используется в БС при диспетчеризации ресурсов. Опорные сигналы в восходящем канале бывают двух видов – так называемые "демодулированные" и зондовые (sounding). Демодулированные опорные сигналы аналогичны опорным сигналам нисходящего канала. Они передаются на постоянной основе. Так, в общем информационном канале последовательность демодулированного опорного сигнала передается в четвертом SC-FDMA-символе каждого слота при стандартном СР. Зондовые сигналы апериодичны. Их основное назначение – дать БС возможность оценить качество канала, если передача еще не ведется.

В изложении принципа формирования сигнала SC-FDMA очень много путаницы. В одних источниках, в частности в [2] утверждается, что до ДПФ сигнал находится в частотной области, а после ДПФ формируется аналоговый сигнал, т.е. сигнал во временной области, и что длительность модуляционных импульсов в SC-FDMA символе должна быть в N раз короче, чем в OFDM символе, где N – количество доступных поднесущих БС.

В других источниках, в частности в [4] утверждается, что до ДПФ мы имеем сигнал во временной области, а после ДПФ происходит преобразование в частотную область. В этой же статье утверждается также, что скорость модуляционных символов в М раз больше скорости SC-FDMA символов, где М – количество поднесущих в выделенных АУ ресурсных блоках. Кому верить?

С одной стороны, на вход схемы формирования SC-FDMA приходит тот же поток комплексных чисел, что и при формировании OFDM сигнала, т. е. амплитуда и фаза модуляционного символа, а это представление сигнала в частотной области. То есть, после ДПФ мы должны получить представление сигнала во временной области. Тогда после ОДПФ мы получим представление сигнала в частотной области, а нам нужно во временной, так как добавление СР производится с отсчетами во временной области, и на вход ЦАП нужно подавать отсчеты во временной области. Если взять за основу, что на выходе ОДПФ мы имеем представление сигнала во временной области, то тогда на входе ДПФ модуляционные символы представлены также во временной области, что также не соответствует действительности. Единственное, что при этом соответствует действительности, это то, что после всех преобразований в передатчике и приемнике, на выходе приемника получаем модуляционные символы, представленные в той же форме, в которой они подавались на вход ДПФ в передатчике. Как видим, понятия представления сигналов во временной и частотной области при цифровой обработке сигналов достаточно условны. Но, поскольку в эфир излучается аналоговый сигнал во временной области, то будем считать, что на выходе ОДПФ мы имеем представление сигнала во временной области, и, соответственно, на входе ДПФ мы также имеем представление сигнала во временной области. Остается разобраться со скоростью передачи модуляционных символов.

С помощью программы MATLAB проведен небольшой эксперимент по формированию сигналов OFDM и SCFDMA. В соответствии с рис. 17 взята последовательность из первых 4-х символов x=[1+1i, -1-1i, -1+1i, 1-1i], т.е. предполагается, что имеется М=4 поднесущие.

При формировании OFDM сигнала делается ОДПФ, после которого получаем: ofdm=[0.0000+0.0000i, 0.5000-0.5000i, 0.0000+1.0000i, 0.5000+0.5000i], это числовые отсчеты излучаемого сигнала. Эти отсчеты подаются в ЦАП, где преобразуются в аналоговый сигнал длительности 66,7 мкс, после чего сформированный сигнал передается в эфир. На приемной стороне производится оцифровка принятого сигнала, в результате которой должны получить отсчеты ofdm=[0.0000+0.0000i, 0.5000-0.5000i, 0.0000+1.0000i, 0.5000+0.5000i], после применения к ним ДПФ, получаем: X=[1.0000+1.0000i, -1.0000-1.0000i, -1.0000+1.0000i, 1.0000-1.0000i], т.е. получили исходную последовательность.

При формировании SCFDMA сначала выполняется ДПФ, в результате которого получаем: y=[0.0000+0.0000i, 2.0000+2.0000i, 0.0000+ 4.0000i, 2.0000 -2.0000i], будем считать, что это отсчеты спектра на выделенных поднесущих. Будем считать, что базовая станция имеет N=16 поднесущих, первые четыре из которых принадлежат нашему АУ. Тогда полученную последовательность «y» необходимо дополнить до 16-ти нулями и выполнить ОДПФ, в результате которого получаем: sc=[0.2500+0.2500i, 0.0542+0.4077i, -0.2500+0.3536i, -0.4077+0.0542i, -0.2500-0.2500i, 0.0811-0.2724i, 0.2500+0.0000i, 0.0811+0.2724i, -0.2500+0.2500i, -0.4077-0.0542i, -0.2500-0.3536i, 0.0542-0.4077i, 0.2500-0.2500i, 0.2724-0.0811i, 0.2500+0.0000i, 0.2724+0.0811i], это отсчеты передаваемого сигнала во временной области. Эти отсчеты также подаются в ЦАП, где преобразуются в аналоговый сигнал длительности 66,7 мкс, после чего сформированный сигнал передается в эфир. Поскольку при формировании OFDM также используются все N поднесущих, то скорость обработки информации в ЦАП не изменяется, соответственно и длительность передаваемых символов также не должна изменяться. Откуда в источниках [2 и 4] получили сокращение длительности модуляционных символов при SC-FDMA пока не ясно. Не ясно также, откуда видно, что на всех поднесущих излучается один и тот же сигнал. Из процесса формирования сигнала это не следует, поскольку отсчеты спектра на поднесущих разные.

При приеме сигнала, в результате оцифровки принятого сигнала должны получить те же отсчеты сигнала «sc», которые использовались при передаче. После применения к ним ДПФ получаем: Y=[0.0000+0.0000i, 2.0000+2.0000i, 0.0000+4.0000i, 2.0000-2.0000i, 0.0000+0.0000i, -0.0000-0.0000i, 0.0000+0.0000i, -0.0000+0.0000i, 0.0000-0.0000i, 0.0000+0.0000i, 0.0000-0.0000i, 0.0000-0.0000i, 0.0000-0.0000i, 0.0000+0.0000i, 0.0000+0.0000i, 0.0000+0.0000i]. Это отсчеты спектра сигнала на поднесущих базовой станции, из которых первые четыре поднесущие представляют наш сигнал, а на остальных нули. При дальнейшей обработке выделяется последовательность, принадлежащая поднесущим нашего АУ, Y1=[0.0000+0.0000i, 2.0000+2.0000i, 0.0000+4.0000i, 2.0000-2.0000i]. Применяя к выделенной последовательности ОДПФ получаем последовательность X=[1.0000+1.0000i, -1.0000-1.0000i, -1.0000+1.0000i, 1.0000-1.0000i], которая полностью совпадает с переданной последовательностью «x».

Если мы при формировании OFDM на передающей стороне применим ДПФ, а на приемной ОДПФ, результат не изменится, мы примем тот же сигнал, только пик-фактор немного уменьшиться, так как в первом случае максимальное значение амплитуды равно 5, а во втором – 4.

Аналогично при формировании SC-FDMA сигнала, на передающей стороне можем сначала применить ОДПФ, а потом ДПФ, при этом на приемной стороне сначала ОДПФ, а потом ДПФ, при этом на приемной стороне будет принят тот же сигнал.

Таким образом, до подачи отсчетов на ЦАП и после снятия отсчетов с АЦП работает чистая математика с отсчетами сигналов, поэтому абсолютно не важно, какие отсчеты считать относящимися к временной области, а какие к частотной, это дело вкуса каждого. Важно только то, что после ЦАП формируется аналоговый сигнал действительно во временной области, который после переноса на заданную частоту и усиления излучается в эфир на этой частоте как при OFDM так и при SC-FDMA.

В соответствии со спецификацией LTE [7, п. 5.3.3] до генерации сигнала SC?FDMA производится операция преобразования предкодирования, которая является операцией ДПФ и выполняется в соответствии с

в результате чего образуется блок комплекснозначных символов

. Переменная

, где

представляет полосу пропускания PUSCH в терминах ресурсных блоков и выполняет

, где ?

, ?

, ?

– множество неотрицательных целых чисел.

После этого в соответствии со спецификацией LTE [7, п. 5.6] производится генерация сигнала SC?FDMA

для порта p антенны осуществляется в соответствии с формулой: