Содержание:

1.    Анализ концепции OFDM технологии

1.1.        Математическая модель OFDM сигнала и его свойства. Преобразование потока битов в символы

Сигнал OFDM представляет собой сумму поднесущих, промодулированных, как правило, с использованием фазовой или квадратурной амплитудной модуляции. Математическая модель сигнала OFDM в дискретной форме может быть представлена в виде выражения (1):

          В выражении (1) использованы условные обозначения: N – число поднесущих, N_g – длительность циклического префикса.

          Каждая поднесущая имеет целое число периодов на интервале длительности символа Т и число периодов между соседними поднесущими отличается точно на единицу. Такое свойство обеспечивает ортогональность поднесущих OFDM-символа.

          Принцип преобразования битов в OFDM-символы продемонстрирован на рисунке 1.

 

Рисунок 1 — Преобразование битов в OFDM-символы

          Поток битов после модуляции поступает на последовательно-параллельный преобразователь, разделяющий поток на два. Эти потоки, соответствующие синфазной и квадратурной компонентам OFDM-сигнала, должны быть затем умножены на косинус и синус требуемой несущей частоты для получения полного сигнала OFDM.

          Таким образом, основной принцип OFDM заключается в разделении высокоскоростного потока данных на несколько низкоскоростных потоков и передавать эти потоки одновременно, задействуя несколько поднесущих.

1.2.        Структура OFDM символа во временной и частотной областях. Назначение циклического префикса, защитных интервалов и пилотных поднесущих

Структура OFDM-сигнала во временной и частотной областях представлена на рисунках 2 и 3 соответственно.

 

Рисунок 2 — Структура OFDM-символа во временной области

 

Рисунок 3 — Структура OFDM-символа в частотной области

          OFDM демонстрирует очень высокую эффективность в условиях многолучевого распространения сигнала. Деление потока данных между поднесущими ведет к увеличению длительности символа, что уменьшает относительное рассеяние задержки. С целью исключения межсимвольной интерференции в каждый символ OFDM вводится защитный интервал, длительность которого выбирается таким образом, чтобы многолучевые компоненты одного символа не могли оказывать влияние на следующий символ. В то же время, если на защитном интервале будет отсутствовать сигнал, возникает проблема интерференции между поднесущими. Для исключения межсимвольной интерференции OFDM-символ циклически расширяется в защитный интервал за счет переноса в защитный интервал право части OFDM-символа. Механизм формирования циклического префикса в защитном интервале представлен на рисунках 4 и 5.

 

Рисунок 4 — Добавление циклического префикса в защитный интервал

 

Рисунок 5 — OFDM-символ с циклическим префиксом

 

          В результате описанной на рисунках 4 и 5 операции многолучевые сигналы с задержкой меньше, чем защитный интервал, не вызывают интерференции между поднесущими. В таком случае ортогональность будет теряться только при возникновении многолучевого рассеяния задержки большего, чем длина защитного интервала. В этом случае потеря ортогональности поднесущих приводит к появлению некоторого уровня интерференции.

          Для того, чтобы избежать такой ситуации, требуется определить временную расстройку принимаемого символа, что, в свою очередь, позволит определить момент старта БПФ. Для оценки временной расстройки могут быть использованы пилотные поднесущие, представляющие собой псевдослучайные последовательности или нулевые символы.

          Пилотные символы могут быть сформированы на основе OFDM или не на основе OFDM. При определении типа используемых пилотных символов необходимо учитывать характер передаваемых данных. Если данные являются непрерывными, для обозначения старта символа можно использовать нулевой сигнал. Для пакетных данных использование нулевого сигнала невозможно.

 

 

1.3.        Компенсация искажений, вносимых каналом связи, в OFDM технологии, эквалайзинг в OFDM

Замирания в канале представляют существенную проблему для всех видов беспроводных систем связи, в том числе для систем связи, использующих технологию OFDM. Существенную проблему для нормального функционирования системы связи представляют частотно-селективные замирания. Именно на ослабление влияния частотно-селективных замираний направлена технология выравнивания канала, или эквалайзинга, в OFDM.

Основная проблема, вызываемая частотно-селективными замираниями – появление межсимвольной интерференции. Для ее компенсации требуется с помощью специального фильтра осуществить выравнивание передаточной функции канала, или эквалайзинг.

Преимущество технологии OFDM перед другими в этом смысле состоит в том, что выравнивание канала может быть выполнено независимо на каждой поднесущей. Тогда для одной поднесущей, как показано на рисунке 6, выход ДПФ взвешивается на комплексную величину коэффициента фильтра-эквалайзера для компенсации внесенных каналом затухания и поворота фазы. Затем отсчет поступает на решающее устройство, или устройство детектирования, на котором принимается окончательное решение по передаваемым данным.

 

Рисунок 6 — Эквалайзинг для n-й поднесущей OFDM-символа

 

          При наличии нескольких приемных антенн схема устройства выравнивания канала будет иметь вид, представленный на рисунке 7.

 

Рисунок 7 — Выравнивание и детектирование данных на n-й поднесущей при наличии нескольких приемных антенн

 

Для вычисления коэффициентов фильтра-эквалайзера было предложено несколько подходов. Например, выбеливающего эквалайзера (zero-forcing), для которого частотная характеристика формируется как функция, обратная частотной характеристике канала связи. Такой подход позволяет устранить межсимвольную интерференцию ценой ухудшения отношения сигнал-шум.

Алгоритм, оптимальный по критерию минимума среднеквадратической ошибки, нацеленный на минимизацию среднеквадратической ошибки между принятыми отсчетами и переданными символами данных, позволяет достичь существенно лучших результатов. Реализованный по такому принципу фильтр-эквалайзер способен существенно снизить уровень межсимвольной интерференции при значительно меньших потерях в отношении сигнал-шум.

1.4.        Анализ основных дестабилизирующих факторов в системах с OFDM

Системы связи на основе технологии OFDM, несмотря на массу достоинств, так же, как и друге системы связи, подвержены действию окружающих условий. Влияние внешних мешающих факторов ведет к возникновению рассогласований и искажений, ухудшающих качество функционирования системы. Можно выделить следующие основные виды искажений и рассогласований в системах на основе технологии OFDM:

1.    Расстройка частоты;

2.    Расстройка временной синхронизации;

3.    Фазовый шум несущей;

4.    Разбалансировка квадратурных составляющих;

5.    Многолучевая задержка распространения;

6.    Пик-фактор.

Расстройка частоты может быть двух видов: рассогласование между тактовыми генераторами передатчика и приемника и расстройка несущей частоты. Ошибки тактовых генераторов могут проявляться в виде медленного ухода момента отсчета, вызывающего поворот фазы поднесущих, или в виде потери ортогональности между поднесущими из-за взаимного рассеяния энергии между соседними поднесущими. На рисунке 8 представлена зависимость влияния расстройки частоты дискретизации на систему в зависимости от количества поднесущих. Как видно из рисунка 8, для систем OFDM с небольшим числом поднесущих и небольшой ошибкой по частоте дискретизации можно пренебречь потерями, вызванными ошибкой частоты дискретизации. В то же время, с возрастанием числа несущих возрастают и потери. Следовательно, система OFDM с большим числом  поднесущих очень чувствительна к расстройке частоты дискретизации.

 

Рисунок 8 — Потери в ОСШ при расстройке тактового генератора

 

          Расстройка несущей частоты возникает в приемнике из-за нестабильности генератора и изменения условий работы передатчика и приемника, а также доплеровских сдвигов частоты и фазового шума, вводимого другими канальными искажениями. Возникающие потери обусловлены снижением амплитуды обрабатываемой поднесущей и интерференцией от соседних поднесущих.

          Расстройка временной синхронизации может быть вызвана возникновением в канале искажений. Временная расстройка вызывает поворот фазы поднесущих, что ведет к ухудшению ОСШ для принимаемого символа. Влияние временной расстройки подавляется использованием циклического префикса. В случае использования циклического префикса, при наличии временной расстройки, не превышающей его длительность, удается сохранить ортогональность поднесущих. Кроме того, в OFDM для оценки остаточных фазовых ошибок вместе с поднесущими данных также передаются пилотные поднесущие.

          Фазовый шум несущей возникает из-за нестабильности генераторов передатчика и приемника. Поворот фазы может быть вызван либо уходом фазы несущего колебания для канала с частотно-селективными замираниями, либо ошибками синхронизации приемника и передатчика. Возникновение фазового шума несущей ведет к потерям в отношении сигнал-шум на выходе приемника, причем потери возрастают с увеличением количества поднесущих.

          Разбалансировка квадратурных составляющих синусоидального сигнала в приемнике с прямым преобразованием по усилению и фазе, или разбалансировка по двум ветвям смесителя, усилителям и низкочастотным фильтрам ведет к искажению квадратурных базовых сигналов. Приемники OFDM очень чувствительны к этой разбалансировке, так как она ведет к возникновению интерференции между поднесущей и зеркальной поднесущей. Для решения этой проблемы требуется либо добиваться строгого согласования ветвей смесителя, либо компенсировать возникающую разбалансировку в низкочастотной части приемника.

          Многолучевая задержка распространения возникает по причине прихода на приемник нескольких переданных сигналов с разными задержками, что связано с распространением передаваемого сигнала различными путями. Разные лучи, приходящие на приемник, могут интерферировать между собой и вызывать искажения информационного сигнала. Эффекты, связанные с многолучевым распространением сигнала, заключаются в рассеянии задержки, потери мощности сигнала и расширении частотного спектра. Многолучевой канал может быть описан статистически и охарактеризован корреляционной функцией. Диапазон когерентности канала (время, в течение которого характеристики канала остаются неизменными), является ключевой величиной при борьбе с эффектами многолучевости. Если желаемый диапазон сигнала системы мал по сравнению с диапазоном когерентности, система испытывает плоские замирания. Такие замирания могут быть преодолены добавлением избыточного запаса мощности в энергетический бюджет системы. Если же желаемая ширина спектра сигнала велика по сравнению с полосой когерентности канала, система испытывает частотно-селективные замирания, что ухудшает качество работы приемника.

          Пик-фактор, или отношение максимальной мощности сигнала к средней мощности, достигает больших значений в системах с большим динамическим диапазоном сигнала, к которым относятся системы с технологией OFDM. Большие колебания уровня сигнала создают проблему при разработке передатчика и приемника: необходимо приспосабливаться к большим диапазонам изменения мощности сигнала с минимальными искажениями.

          Для уменьшения влияния пик-фактора на характеристики OFDM-системы предложено три основных метода:

1.    Методы, связанные с искажением сигнала. Искажения уменьшаются посредством уменьшения средней мощности сигнала, однако требуется найти правильное соотношение между уровнем искажений и уровнем выходной мощности сигнала для обеспечения заданной зоны покрытия;

2.    Специальное кодирование. Пиковые сигналы либо ограничиваются ограничителем, либо замещаются сглаженными импульсами с меньшей амплитудой. Во многих случаях это позволяет улучшить общую выходную энергетическую эффективность, несмотря на некоторое искусственное увеличение искажений.

3.    Скремблирование. Используется для сетей с повторной передачей ошибочно принятых пакетов. Заключается в предварительном скремблировании перед модуляцией поднесущих для повторной передачи, что снижает пик-фактор передаваемого сигнала.

 

2.    Анализ концепции прямого и обратного каналов

2.         

2.1.        Проработка понятия канальных (физических) ресурсов. Обоснование ресурсного элемента (ресурсной единицы) - как транспортного объекта физического (L1) уровня для служб канального уровня (L2)

Транспортным объектом физического уровня, необходимым для передачи пакетов служб канального уровня, является ресурсная единица физического уровня системы передачи. В рамках одной ресурсной единицы может передаваться пакет L2 уровня целиком, либо пакеты могут фрагментироваться перед передачей. Тогда на приемной стороне будет осуществляться накопление и сборка нужного количества пакетов L1 уровня для последующего декодирования содержимого одного пакета канального уровня.

В системах, использующих технологию OFDM, ресурсная единица может представлять собой, например, набор из N поднесущих и одного или нескольких OFDM-символов. На рисунке 9 представлен пример образования ресурсной единицы на частотно-временной плоскости планировщика ресурсов OFDM.

 

Рисунок 9 — Варианты ресурсных единиц системы с технологией OFDM

На рисунке 9 приведены различные варианты формирования блока ресурсной единицы. В рамках данной работы предлагается использовать первый вариант ввиду его удобства и простоты реализации. Количество поднесущих и OFDM-символов, входящих в состав ресурсного блока, определяется на этапе расчета параметров сети OFDM и будет представлено в пункте 3.2 курсового проекта.

2.2.        Разработка способа организации прямого и обратного каналов связи в многопользовательской системе радиодоступа. Решение задачи надежного доступа терминалов к ресурсам прямого и обратного каналов связи. Проработка стратегии планирования распределения канальных ресурсов службой L2 уровня

Организация прямого и обратного каналов связи в многопользовательской системе возможна путем организации парных частотных полос в направлениях «вверх» (UL) и «вниз» (DL), либо посредством временного разделения кадров UL и DL. В рамках проекта предлагается использовать систему с временным разделением кадров в направлениях UL и DL. Такой подход позволит экономичнее и эффективнее использовать выделенную системе частотную полосу.

Для решения задачи надежного доступа терминалов к ресурсам многопользовательской сети необходимо предусмотреть в направлении UL реализацию канала случайного доступа RACH. Для канала случайного доступа предлагается выделить некоторое количество ресурсных блоков в начале кадра UL.

В направлении DL необходимо реализовать каналы широковещательной несущей BCCH и каналы вызова терминалов PCH для обеспечения взаимодействия терминалов с сетью и надежного доступа пользовательских терминалов к ресурсам как обратного, так и прямого каналов передачи данных.

Вариант реализации описанных выше каналов случайного доступа, вызова и широковещательной несущей представлен на рисунке 10.

 

Рисунок 10 — Возможный вариант реализации структуры планировщика ресурсов сети

 

Следует отметить, что представленное на рисунке 10 распределение ресурсов сети между логическими каналами служб L2 уровня может быть изменено планировщиком в зависимости от уровня нагрузки на сеть. Перепланирование распределения ресурсов сети предполагается производить каждые 10 кадров, однако эта цифра может быть изменена в процессе расчета параметров сети в соответствии с пунктом 3.2.

2.3.        Этапы формирования и приема OFDM сигналов. Обобщенные функциональные блок-схемы приемопередающего трактов прямого и обратного направлений

Этапы формирования, передачи, приема и обработки принятого OFDM сигнала, а также схема приемопередающего устройства представлены на рисунке 11.

 

Рисунок 11 — Блок-схема OFDM-приемопередатчика

 

          Отмеченные красным цветом блоки на рисунке 11 соответствуют передающей части системы, синим цветом – приемной части. На передающей стороне двочиные входные данные вначале кодируются двоичным корректирующим кодом. Кодированные данные затем подвергаются перемежению и отображаются в символы модулированного сигнала. Затем выполняется операция ОБПФ, преобразующая блок входных символов в набор отсчетов поднесущих OFDM, к символам OFDM добавляется циклический префикс, формируются передаваемые по каналу связи радиоимпульсы.

          На приемной стороне, после того, как переданный сигнал пройдет через радиотракт и аналого-цифровой преобразователь, цифровая обработка начинается с временной и частотной синхронизации (обучающая фаза). Затем, после удаления циклического префикса, применяется БПФ для демодуляции всех поднесущих OFDM-символа. Выход блока БПФ содержит промодулированный сигнал (например, QAM-модуляцией), значения которого затем отображаются в поток битов. Для успешного и безошибочного отображения требуется учитывать параметры канала связи для получения опорных фаз и амплитуд всех поднесущих. Затем, после деперемежения и декодирования полученной двоичной последовательности, сигнал выводится получателю.