В телекоммуникациях мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов ( OFDM ) — это тип цифровой передачи , используемый в цифровой модуляции для кодирования цифровых (двоичных) данных на нескольких несущих частотах. OFDM превратился в популярную схему широкополосной цифровой связи , используемую в таких приложениях, как цифровое телевидение и аудиовещание, доступ в Интернет DSL , беспроводные сети , сети линий электропередачи и мобильная связь 4G / 5G . [1]
OFDM — это схема мультиплексирования с частотным разделением каналов (FDM), которая была предложена Робертом Чангом из Bell Labs в 1966 году. [2] [3] [4] В OFDM входящий поток битов , представляющий отправляемые данные, делится на несколько потоки. Передаются несколько близко расположенных ортогональных сигналов поднесущих с перекрывающимися спектрами, при этом каждая несущая модулируется битами из входящего потока , поэтому несколько бит передаются 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, на которые влияет многолучевое распространение. [6] Каждая поднесущая (сигнал) модулируется с помощью обычной схемы модуляции (например, квадратурной амплитудной модуляции или фазовой манипуляции ) с низкой скоростью передачи символов . Это поддерживает общую скорость передачи данных, аналогичную обычным схемам модуляции с одной несущей в той же полосе пропускания. [7]
Основным преимуществом OFDM перед схемами с одной несущей является его способность справляться с тяжелыми условиями канала (например, затухание высоких частот в длинном медном проводе, узкополосные помехи и частотно-селективное замирание из-за многолучевого распространения ) без необходимости сложной коррекции. фильтры. Выравнивание каналов упрощается, поскольку OFDM можно рассматривать как использование множества медленно модулированных узкополосных сигналов, а не одного быстро модулированного широкополосного сигнала. Низкая скорость передачи символов делает доступным использование защитного интервала между символами, позволяя устранить межсимвольную интерференцию (ISI) и использовать эхо и временное расширение (в аналоговом телевидении видимое как ореолы и размытия соответственно) для достижения выигрыша от разнесения . т.е. улучшение отношения сигнал/шум . Этот механизм также облегчает проектирование одночастотных сетей (SFN), в которых несколько соседних передатчиков одновременно передают один и тот же сигнал 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 ( COFDM ) к передаваемому сигналу применяются прямое исправление ошибок (сверточное кодирование) и временное/частотное перемежение. Это сделано для устранения ошибок в каналах мобильной связи, вызванных многолучевым распространением и эффектами Доплера . COFDM был представлен компанией Alard в 1986 году [8] [9] [10] для цифрового аудиовещания для проекта Eureka Project 147. На практике OFDM стал использоваться в сочетании с таким кодированием и перемежением, так что термины COFDM и OFDM применяются совместно. для общих приложений. [11] [12]
Следующий список представляет собой краткое изложение существующих стандартов и продуктов на основе OFDM. Более подробную информацию можно найти в разделе «Использование» в конце статьи.
Технология множественного доступа на основе OFDM OFDMA также используется в нескольких сотовых сетях 4G и до 4G , стандартах мобильной широкополосной связи , WLAN следующего поколения и проводной части гибридных волоконно-коаксиальных сетей :
Перечисленные ниже преимущества и недостатки более подробно обсуждаются в разделе «Характеристики и принципы работы» ниже.
Концептуально OFDM представляет собой специализированный 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 так, чтобы поднесущие были ортогональны друг другу, а это 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 расстояние между поднесущими составляло Герц , 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 полной проверке. циклов за период символа, чем у предыдущей несущей. Следовательно, при N поднесущих общая полоса пропускания будет B ≈ N ·Δ f (Гц).
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 двухполосного физического сигнала в полосе пропускания). Можно использовать почти всю доступную полосу частот. OFDM обычно имеет почти «белый» спектр, что придает ему благоприятные свойства электромагнитных помех по отношению к другим пользователям совмещенного канала.
OFDM требует очень точной синхронизации частот между приемником и передатчиком; при отклонении частоты поднесущие перестанут быть ортогональными, вызывая помехи между несущими (ICI) (т. е. перекрестные помехи между поднесущими). Сдвиги частоты обычно вызваны несовпадением 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 появляются при различных смещениях частоты, которые гораздо сложнее исправить. Этот эффект обычно ухудшается с увеличением скорости [15] и является важным фактором, ограничивающим использование OFDM в высокоскоростных транспортных средствах. Чтобы смягчить ICI в таких сценариях, можно сформировать каждую поднесущую, чтобы минимизировать помехи, приводящие к перекрытию неортогональных поднесущих. [16] Например, схема низкой сложности, называемая WCP-OFDM ( мультиплексирование с ортогональным частотным разделением с взвешенным циклическим префиксом ), состоит из использования коротких фильтров на выходе передатчика для выполнения потенциально непрямоугольного формирования импульса и близкого идеальная реконструкция с использованием выравнивания одной поднесущей. [17] Другие методы подавления ICI обычно значительно увеличивают сложность приемника. [18]
Ортогональность позволяет эффективно реализовать модулятор и демодулятор с использованием алгоритма БПФ на стороне получателя и обратного БПФ на стороне отправителя. Хотя принципы и некоторые преимущества известны с 1960-х годов, сегодня OFDM популярно для широкополосной связи благодаря недорогим компонентам цифровой обработки сигналов , которые могут эффективно вычислять БПФ.
Время вычисления обратного БПФ или БПФ должно занимать меньше времени, чем время для каждого символа, [19] : 84 , что, например, для DVB-T (БПФ 8k) означает, что вычисление должно выполняться за 896 мкс или меньше.
Для 8192 -точечного БПФ это можно аппроксимировать следующим образом: [19] [ необходимы пояснения ]
Вычислительные потребности примерно линейно масштабируются в зависимости от размера БПФ, поэтому для БПФ двойного размера требуется вдвое больше времени, и наоборот. [19] : 83 Для сравнения : процессор Intel Pentium III с частотой 1,266 ГГц способен вычислить 8192-точечное БПФ за 576 мкс с использованием FFTW . [20] Intel Pentium M с частотой 1,6 ГГц делает это за 387 мкс. [21] Intel Core Duo с частотой 3,0 ГГц делает это за 96,8 мкс . [22]
Одним из ключевых принципов OFDM является то, что, поскольку схемы модуляции с низкой скоростью передачи символов (т. е. где символы относительно длинные по сравнению с временными характеристиками канала) меньше страдают от межсимвольных помех, вызванных многолучевым распространением , выгодно передавать несколько низкоскоростных сигналов. потоки параллельны, а не один высокоскоростной поток. 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 синхронизации времени.
Циклический префикс , который передается во время защитного интервала, состоит из конца символа OFDM, скопированного в защитный интервал, при этом защитный интервал передается после символа OFDM. Причина, по которой защитный интервал состоит из копии конца символа OFDM, заключается в том, что приемник будет интегрировать целое число циклов синусоиды для каждого из многолучевых каналов, когда он выполняет демодуляцию OFDM с помощью БПФ.
В некоторых стандартах, таких как Ultrawideband , в интересах передаваемой мощности циклический префикс пропускается, и в течение защитного интервала ничего не отправляется. Затем приемнику придется имитировать функциональность циклического префикса, копируя конечную часть символа OFDM и добавляя ее к начальной части.
Эффекты частотно-избирательного канала, например замирание, вызванное многолучевым распространением, можно считать постоянными (равномерными) в подканале OFDM, если подканал достаточно узкополосный (т. е. если количество подканалов каналы достаточно велики). Это делает возможным выравнивание в частотной области в приемнике , что намного проще, чем выравнивание во временной области, используемое 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 меняющееся 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.
Если к каждой поднесущей применяется дифференциальная модуляция, такая как DPSK или DQPSK , коррекцию можно полностью исключить, поскольку эти некогерентные схемы нечувствительны к медленно меняющимся амплитудным и фазовым искажениям .
В каком-то смысле усовершенствования в КИХ-выравнивании с использованием БПФ или частичного БПФ математически приближают к OFDM, но метод OFDM легче понять и реализовать, а подканалы могут быть независимо адаптированы другими способами, кроме изменения коэффициентов выравнивания. , такие как переключение между различными шаблонами созвездия QAM и схемами исправления ошибок для согласования индивидуальных характеристик шума и помех подканала. [ нужны разъяснения ]
Некоторые из поднесущих в некоторых символах OFDM могут нести пилот-сигналы для измерения условий канала [23] [24] (т. е. усиления эквалайзера и фазового сдвига для каждой поднесущей). Пилот-сигналы и обучающие символы ( преамбулы ) также могут использоваться для синхронизации по времени (чтобы избежать межсимвольных помех, ISI) и синхронизации частоты (чтобы избежать помех между несущими, ICI, вызванных доплеровским сдвигом).
Первоначально OFDM использовался для проводной и стационарной беспроводной связи. Однако с ростом числа приложений, работающих в высокомобильных средах, эффект дисперсионного замирания, вызванного сочетанием многолучевого распространения и доплеровского сдвига, становится более значительным. За последнее десятилетие проводились исследования о том, как выровнять передачу OFDM по каналам с двойной селективностью. [25] [26] [27]
OFDM неизменно используется в сочетании с канальным кодированием ( прямое исправление ошибок ) и почти всегда использует частотное и/или временное перемежение .
Чередование частот (поднесущих) повышает устойчивость к условиям частотно-избирательного канала, таким как замирание . Например, когда часть полосы пропускания канала исчезает, частотное перемежение гарантирует, что битовые ошибки, возникающие в результате этих поднесущих в затухающей части полосы пропускания, распределяются по битовому потоку, а не концентрируются. Аналогичным образом, временное перемежение гарантирует, что биты, которые изначально расположены близко друг к другу в потоке битов, передаются далеко друг от друга во времени, что снижает вероятность сильного замирания, которое может произойти при движении на высокой скорости.
Однако временное перемежение малоэффективно в каналах с медленным замиранием, например, при стационарном приеме, а частотное перемежение практически не дает преимуществ для узкополосных каналов, которые страдают от плоского замирания (когда вся полоса пропускания канала затухает одновременно).
Причина, по которой чередование используется в OFDM, заключается в попытке распределить ошибки в битовом потоке, который представляется декодеру с коррекцией ошибок, поскольку, когда такие декодеры представлены с высокой концентрацией ошибок, декодер не может исправить все ошибки. битовых ошибок, и возникает пакет неисправленных ошибок. Подобная схема кодирования аудиоданных делает воспроизведение компакт-дисков (CD) надежным.
Классическим типом кодирования с коррекцией ошибок, используемым в системах на основе OFDM, является сверточное кодирование , часто объединенное 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 кода внешнего исправления ошибок основан на наблюдении, что декодер Витерби, используемый для внутреннего сверточного декодирования, создает короткие пакеты ошибок при высокой концентрации ошибок, а коды Рида-Соломона по своей сути хорошо подходят для исправление пакетов ошибок.
Однако в более новых системах теперь обычно используются почти оптимальные типы кодов исправления ошибок, в которых используется принцип турбодекодирования, при котором декодер выполняет итерации в направлении желаемого решения. Примеры таких типов кодирования с коррекцией ошибок включают турбокоды и коды LDPC , которые работают близко к пределу Шеннона для канала аддитивного белого гауссовского шума ( AWGN ). 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 снизить минимальный уровень ошибок , присущий этим кодам при высоком соотношении сигнал-ко-сигнал. коэффициенты шума . [28]
Устойчивость к суровым условиям канала может быть дополнительно повышена, если информация о канале передается 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 определенный диапазон частот страдает от помех или затухания, несущие в этом диапазоне можно отключить или заставить работать медленнее, применяя к этим поднесущим более надежную модуляцию или кодирование ошибок .
ТерминДискретная многотональная модуляция (DMT) обозначает системы связи на основе OFDM, которые адаптируют передачу к условиям канала индивидуально для каждой поднесущей посредством так называемойбитовой загрузки. Примерами являютсяADSLиVDSL.
Скорости восходящего и нисходящего потоков можно варьировать, выделяя для каждой цели больше или меньше несущих. Некоторые формы DSL с адаптацией к скорости используют эту функцию в режиме реального времени, так что скорость передачи данных адаптируется к внутриканальным помехам, а полоса пропускания выделяется тому абоненту, который в ней больше всего нуждается.
OFDM в своей первичной форме рассматривается как метод цифровой модуляции, а не метод многопользовательского доступа к каналу , поскольку он используется для передачи одного битового потока по одному каналу связи с использованием одной последовательности символов OFDM. Однако OFDM можно комбинировать с множественным доступом, используя разделение 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 путем назначения разного количества поднесущих разным пользователям аналогично CDMA , и, таким образом , можно избежать сложного планирования пакетов или схем управления доступом к среде передачи . OFDMA используется в:
OFDMA также является возможным методом доступа для беспроводных региональных сетей IEEE 802.22 (WRAN). Целью проекта является разработка первого стандарта на основе когнитивного радио , работающего в диапазоне ОВЧ-низких УВЧ (ТВ-спектре).
В множественном доступе с кодовым разделением каналов с несколькими несущими (MC-CDMA), также известном как OFDM-CDMA, OFDM сочетается со связью с расширенным спектром CDMA для разделения кодирования пользователей. Помехи в совмещенном канале можно уменьшить, что означает, что планирование частот ручного фиксированного распределения каналов (FCA) упрощается или можно избежать сложных схем динамического распределения каналов (DCA).
В широкомасштабном радиовещании на основе OFDM приемники могут получить выгоду от приема сигналов от нескольких пространственно разнесенных передатчиков одновременно, поскольку передатчики будут создавать разрушительные помехи друг другу только на ограниченном количестве поднесущих, тогда как в целом они фактически улучшат покрытие на широкой территории. . Это очень выгодно во многих странах, поскольку позволяет работать национальным одночастотным сетям (SFN), в которых множество передатчиков передают один и тот же сигнал одновременно на одной и той же частоте канала. SFN используют доступный спектр более эффективно, чем традиционные 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 увеличена, а вероятность сбоя уменьшена по сравнению с MFN за счет увеличения мощности принимаемого сигнала, усредненной 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 системы вещания, намеренно используют длинный защитный интервал, чтобы позволить передатчикам быть разнесены дальше друг от друга в SFN и более длинные защитные интервалы позволяют использовать ячейки SFN большего размера. Эмпирическое правило для максимального расстояния между передатчиками в SFN равно расстоянию, которое проходит сигнал в течение защитного интервала — например, защитный интервал в 200 микросекунд позволит разместить передатчики на расстоянии 60 км друг от друга.
Одночастотная сеть является формой макроразнообразия передатчиков . Эту концепцию можно в дальнейшем использовать в динамических одночастотных сетях (DSFN), где группировка SFN меняется от временного интервала к временному интервалу.
OFDM можно комбинировать с другими формами пространственного разнесения , например, с антенными решетками и каналами MIMO . Это реализовано в стандартах беспроводной локальной сети IEEE 802.11 .
Сигнал OFDM демонстрирует высокое отношение пиковой мощности к средней (PAPR), поскольку независимые фазы поднесущих означают, что они часто конструктивно объединяются. Чтобы справиться с таким высоким PAPR, необходимо:
Любая нелинейность в сигнальной цепи вызовет интермодуляционные искажения , которые
Требование линейности является строгим, особенно для выходных схем передатчика, где усилители часто проектируются нелинейными, чтобы минимизировать энергопотребление. В практических системах OFDM допускается небольшое ограничение пика для ограничения PAPR в разумном компромиссе с вышеупомянутыми последствиями. Однако выходной фильтр передатчика, который необходим для уменьшения внеполосных помех до допустимого уровня, восстанавливает пиковые уровни, которые были ограничены, поэтому ограничение не является эффективным способом снижения PAPR.
Хотя спектральная эффективность OFDM привлекательна как для наземной, так и для космической связи, высокие требования PAPR до сих пор ограничивают применение OFDM наземными системами.
Пик-фактор CF (в дБ) для системы OFDM с n некоррелированными поднесущими равен [29]
где CF c — пик-фактор (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. [29]
Многие методы уменьшения PAPR (или коэффициента амплитуды ) были разработаны, например, на основе итеративного отсечения. [30] На протяжении многих лет было предложено множество подходов, основанных на моделях, для уменьшения PAPR в системах связи. В последние годы растет интерес к изучению моделей снижения PAPR, основанных на данных, в рамках текущих исследований в области сквозных сетей связи. Эти модели, основанные на данных, предлагают инновационные решения и новые направления исследований для эффективного решения проблем, связанных с высоким PAPR. Используя методы, основанные на данных, исследователи стремятся повысить производительность и эффективность сетей связи за счет оптимизации использования энергии. [31]
Динамический диапазон , необходимый для FM-приемника, составляет 120 дБ , тогда как для DAB требуется всего около 90 дБ. [32] Для сравнения: каждый дополнительный бит на выборку увеличивает динамический диапазон на 6 дБ.
Производительность любой системы связи можно измерить с точки зрения ее энергоэффективности и эффективности использования полосы пропускания. Энергоэффективность 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 данной полосе пропускания. Если используется большое количество поднесущих, эффективность использования полосы пропускания системы с несколькими несущими, такой как OFDM, с использованием оптоволоконного канала определяется как [33]
где — скорость передачи символов в гигасимволах в секунду (Гс/с), — полоса пропускания сигнала OFDM, а коэффициент 2 обусловлен двумя состояниями поляризации в волокне.
Экономия полосы пропускания достигается за счет использования многочастотной модуляции 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 использования полосы пропускания в системе с несколькими несущими выше, чем в системе с одной несущей.
Увеличение мощности приемника составляет всего 1 дБ, но мы получаем улучшение эффективности полосы пропускания на 76,7% при использовании метода передачи с несколькими несущими.
В этом разделе описывается простая идеализированная модель системы OFDM, подходящая для неизменного во времени канала AWGN .
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 групповой сигнал обычно используется для модуляции основной радиочастотной несущей.
представляет собой последовательный поток двоичных цифр. При обратном мультиплексировании они сначала демультиплексируются в параллельные потоки, и каждый из них отображается в (возможно, сложный) поток символов с использованием некоторой комбинации модуляции ( QAM , PSK и т. д.). Обратите внимание, что созвездия могут быть разными, поэтому некоторые потоки могут иметь более высокую скорость передачи данных, чем другие.
Обратное БПФ вычисляется для каждого набора символов, давая набор сложных выборок во временной области. Эти выборки затем квадратурно смешиваются с полосой пропускания стандартным способом. Действительные и мнимые компоненты сначала преобразуются в аналоговый формат с помощью цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП); аналоговые сигналы затем используются для модуляции косинусоидальных и синусоидальных волн на несущей частоте соответственно. Эти сигналы затем суммируются для получения сигнала передачи .
Приемник принимает сигнал , который затем квадратурно микшируется до модулирующего сигнала с использованием косинусоидальных и синусоидальных волн на несущей частоте . Это также создает сигналы, сосредоточенные на , поэтому для их отклонения используются фильтры нижних частот. Затем модулирующие сигналы дискретизируются и оцифровываются с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП), а для обратного преобразования в частотную область используется прямое БПФ .
Это возвращает параллельные потоки, каждый из которых преобразуется в двоичный поток с помощью соответствующего детектора символов . Эти потоки затем повторно объединяются в последовательный поток, который является оценкой исходного двоичного потока на передатчике.
Если используются поднесущие и каждая поднесущая модулируется с использованием альтернативных символов, алфавит символов OFDM состоит из комбинированных символов.
Эквивалентный фильтр OFDM нижних частот выражается как:
где символы данных, количество поднесущих и время символа OFDM. Расстояние между поднесущими делает их ортогональными в течение каждого периода символа; это свойство выражается как:
где обозначает комплексно-сопряженный оператор, а – дельта Кронекера .
Чтобы избежать межсимвольных помех в каналах с многолучевым замиранием, перед блоком OFDM вставляется защитный интервал длиной . В течение этого интервала передается циклический префикс , так что сигнал в интервале равен сигналу в интервале . Таким образом, сигнал OFDM с циклическим префиксом:
Фильтр нижних частот, описанный выше, может быть действительным или комплексным. Эквивалентные низкочастотные сигналы с вещественными значениями обычно передаются в основной полосе частот — этот подход используется в проводных приложениях, таких как DSL. В беспроводных приложениях низкочастотный сигнал обычно имеет комплексное значение; в этом случае передаваемый сигнал преобразуется с повышением частоты до несущей частоты . В общем виде передаваемый сигнал можно представить как:
OFDM используется в:
Ключевые особенности некоторых распространенных систем на основе OFDM представлены в следующей таблице.
OFDM используется в соединениях ADSL , соответствующих стандартам ANSI T1.413 и G.dmt (ITU G.992.1), где это называется дискретной многотональной модуляцией (DMT). [37] DSL обеспечивает высокоскоростное соединение для передачи данных по существующим медным проводам. OFDM также используется в последующих стандартах ADSL2 , ADSL2+ , VDSL , VDSL2 и G.fast . ADSL2 использует переменную модуляцию 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 частотно-избирательным ослаблением и узкополосными помехами, является основной причиной его частого использования в таких приложениях, как модемы ADSL .
OFDM используется многими устройствами Powerline для расширения цифровых соединений через силовую проводку. Адаптивная модуляция особенно важна при таком зашумленном канале, как электропроводка. Некоторые среднескоростные модемы с интеллектуальным измерением , «Prime» и «G3», используют OFDM на умеренных частотах (30–100 кГц) с небольшим количеством каналов (несколько сотен), чтобы преодолеть межсимвольные помехи в среде линии электропередачи. [38] Стандарты IEEE 1901 включают два несовместимых физических уровня, оба из которых используют OFDM. [39] Стандарт ITU -T G.hn , который обеспечивает высокоскоростную локальную сеть по существующей домашней проводке (линии электропередачи, телефонные линии и коаксиальные кабели), основан на уровне PHY, который определяет OFDM с адаптивной модуляцией и низкочастотным сигналом. Код FEC проверки четности плотности ( LDPC ). [34]
OFDM широко используется в приложениях беспроводных локальных сетей 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 для каждого потока в диапазоне от 6 до 54 Мбит/с. Если оба устройства могут использовать «режим HT» (добавленный в 802.11n ), максимальная скорость передачи каждого потока в 20 МГц увеличивается до 72,2 Мбит/с с возможностью выбора скорости передачи данных от 13,5 до 150 Мбит/с при использовании 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 выбора позволяет системе адаптировать оптимальную скорость передачи данных к текущим условиям сигнала.
OFDM в настоящее время также используется в стандарте WiMedia/Ecma-368 для высокоскоростных беспроводных персональных сетей в сверхширокополосном спектре 3,1–10,6 ГГц (см. MultiBand-OFDM).
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 ).
Согласно Директиве Европейской Комиссии, все телевизионные услуги, транслируемые зрителям в Европейском Сообществе, должны использовать систему передачи, стандартизированную признанным европейским органом по стандартизации [40] , и такой стандарт был разработан и кодифицирован Проектом DVB. цифровое видеовещание (DVB); Структура кадра, кодирование каналов и модуляция для цифрового наземного телевидения . [41] 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.
Наземные сегменты систем цифровой аудиорадиослужбы (SDARS), используемых спутниковым радио XM и спутниковым радио Sirius, передаются с использованием кодированного OFDM (COFDM). [42] Слово «кодированный» происходит от использования прямой коррекции ошибок (FEC). [5]
Вопрос об относительных технических преимуществах COFDM по сравнению с 8VSB для наземного цифрового телевидения был предметом некоторых споров, особенно между европейскими и североамериканскими технологами и регулирующими органами. Соединенные Штаты отклонили несколько предложений по внедрению системы DVB-T на основе COFDM для своих услуг цифрового телевидения и в течение многих лет предпочитали использовать 8VSB ( остаточную модуляцию боковой полосы ) исключительно для наземного цифрового телевидения. [43] Однако в ноябре 2017 года FCC одобрила добровольный переход на ATSC 3.0 , новый стандарт вещания, основанный на COFDM. В отличие от первого перехода на цифровое телевидение в Америке, телевизионным станциям не будут выделены отдельные частоты для передачи ATSC 3.0, и им не потребуется переходить на ATSC 3.0 к какому-либо крайнему сроку. Телевизоры, продаваемые в США, также не обязаны иметь возможности настройки ATSC 3.0. Полнофункциональным телевизионным станциям разрешено перейти на ATSC 3.0 при условии, что они продолжат предоставлять свой основной канал по соглашению об одновременной трансляции с другой рыночной станцией (с аналогичной зоной покрытия) как минимум до ноября 2022 года . 44]
Одним из основных преимуществ COFDM является то, что радиопередачи становятся относительно невосприимчивыми к многолучевым искажениям и затуханию сигнала из-за атмосферных условий или пролетающего мимо самолета. Сторонники COFDM утверждают, что он гораздо лучше противостоит многолучевому распространению, чем 8VSB. Ранние приемники DTV (цифрового телевидения) 8VSB часто испытывали трудности с приемом сигнала. Кроме того, COFDM позволяет использовать одночастотные сети , что невозможно при 8VSB.
Однако новые приемники 8VSB гораздо лучше справляются с многолучевым распространением, поэтому разница в характеристиках может уменьшиться с развитием конструкции эквалайзера. [45]
COFDM также используется для других стандартов радиовещания, для цифрового аудиовещания (DAB), стандарта цифрового аудиовещания на частотах УКВ , для цифрового радиовещания (DRM), стандарта цифрового радиовещания на коротковолновых и средневолновых частотах (ниже 30 МГц). ) и для DRM+ — недавно представленного стандарта цифрового аудиовещания на частотах ОВЧ . (от 30 до 174 МГц)
Соединенные Штаты снова используют альтернативный стандарт — запатентованную систему, разработанную iBiquity и получившую название HD Radio . Однако он использует COFDM в качестве базовой технологии вещания для добавления цифрового звука к радиовещанию AM (средние волны) и FM.
И Digital Radio Mondiale, и HD Radio классифицируются как внутриполосные одноканальные системы, в отличие от Eureka 147 (DAB: Digital Audio Broadcasting ), которая вместо этого использует отдельные полосы частот VHF или UHF .
Система мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов и сегментированной передачей ( BST-OFDM ), предложенная для Японии (в системах вещания ISDB-T , ISDB-TSB и ISDB-C ), улучшает COFDM, используя тот факт, что некоторые несущие OFDM могут быть модулируется иначе, чем другие сигналы в том же мультиплексе. Некоторые формы COFDM уже предлагают такой вид иерархической модуляции , хотя BST-OFDM призван сделать ее более гибкой. Таким образом, телевизионный канал шириной 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 пределах одного и того же телевизионного канала шириной 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 телевизионные услуги оптимизированы для стационарного приема в среде с высокой многолучевостью.
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.
Быстрый доступ с малой задержкой и бесшовным мультиплексированием с ортогональным частотным разделением каналов (Flash-OFDM), также называемым F-OFDM, был основан на OFDM и также определял более высокие уровни протокола . Он был разработан компанией Flarion и приобретен компанией Qualcomm в январе 2006 года . [46] [47] Flash-OFDM продавался как сотовый носитель с коммутацией пакетов, чтобы конкурировать с сетями GSM и 3G . Например, полосы частот 450 МГц, ранее используемые NMT-450 и C-Net C450 (обе аналоговые сети 1G, в настоящее время в основном выведены из эксплуатации) в Европе, лицензируются операторам Flash-OFDM. [ нужна цитата ]
В Финляндии обладатель лицензии Digita начала развертывание общенациональной беспроводной сети «@450» в некоторых частях страны с апреля 2007 года. Она была куплена Datame в 2011 году. [48] В феврале 2012 года Datame объявила, что модернизирует сеть 450 МГц. конкурирующей технологии CDMA2000 . [49]
Slovak Telekom в Словакии предлагает соединения Flash-OFDM [50] с максимальной скоростью входящего потока 5,3 Мбит/с и максимальной скоростью восходящего потока 1,8 Мбит/с, с покрытием более 70 процентов населения Словакии. [ нужна ссылка ] Сеть Flash-OFDM была отключена на большей части территории Словакии 30 сентября 2015 года. [51]
T-Mobile Germany использовала Flash-OFDM для транзитной передачи точек доступа Wi-Fi на высокоскоростных поездах ICE Deutsche Bahn в период с 2005 по 2015 год, пока не перешла на UMTS и LTE. [52]
Американский оператор беспроводной связи Nextel Communications протестировал технологии беспроводной широкополосной сети, включая Flash-OFDM, в 2005 году. [53] 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. [54]
В марте 2006 года Citizens Telephone Cooperative запустила услугу мобильного широкополосного доступа на основе технологии Flash-OFDM для абонентов в некоторых частях Вирджинии . Максимальная доступная скорость составляла 1,5 Мбит / с. [55] Услуга была прекращена 30 апреля 2009 г. [56]
VOFDM был предложен Сян-Ген Ся в 2000 году ( Proceedings of ICC 2000 , New Orleans и IEEE Trans. on Communications , август 2001 г.) для систем с одной передающей антенной. VOFDM заменяет каждое скалярное значение в обычном OFDM векторным значением и является мостом между OFDM и эквалайзером частотной области с одной несущей (SC-FDE). Когда размер вектора равен , это OFDM, а когда размер вектора равен, по меньшей мере, длине канала и размер FFT равен , это SC-FDE.
В VOFDM предположим, что это размер вектора, и каждый скалярный сигнал в OFDM заменяется векторным сигналом с векторным размером , . Берется -точечное ОБПФ от , покомпонентно и получается другая векторная последовательность того же векторного размера , . Затем к этой векторной последовательности добавляется вектор CP длины как
Эта векторная последовательность преобразуется в скалярную последовательность путем секвенализации всех векторов размера , которые последовательно передаются на передающую антенну.
В приемнике полученная скалярная последовательность сначала преобразуется в векторную последовательность размером вектора . Когда длина CP удовлетворяет , то после того, как вектор CP удален из векторной последовательности и -точечное БПФ реализовано покомпонентно к векторной последовательности длины , можно получить
где – аддитивный белый шум, а – следующая многофазная матрица канала ISI :
где –-я многофазная составляющая канала . Из (1) видно, что исходный канал ISI преобразуется во множество векторных подканалов векторного размера . В этих векторных подканалах нет ISI, но внутри каждого векторного подканала есть ISI. В каждом векторном подканале не более многих символов создают помехи друг другу. Очевидно, что когда размер вектора равен , указанный выше VOFDM возвращается к OFDM, а когда и , он становится SC-FDE. Размер вектора — это параметр, который на практике можно выбирать свободно и правильно, и он контролирует уровень ISI. Для заданной полосы пропускания канала может существовать компромисс между размером вектора , сложностью демодуляции в приемнике и размером БПФ.
Обратите внимание, что длина CP-части в последовательной форме не обязательно должна быть целым кратным размеру вектора . Можно усечь вышеуказанный векторизованный CP до последовательного CP длиной не менее длины канала ISI, что не повлияет на вышеуказанную демодуляцию.
Также обратите внимание, что существует множество других различных обобщений/форм OFDM, чтобы увидеть их существенные различия, очень важно увидеть соответствующие им 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 в 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 и/или разнесение пространства сигналов. Это связано с тем, что векторизованные матрицы каналов в (1) являются псевдоциркулянтами и могут быть диагонализированы с помощью -точечной матрицы ДПФ/ИДПФ с некоторыми диагональными матрицами фазового сдвига. Тогда правая матрица DFT/IDFT и th диагональная матрица фазового сдвига при диагонализации могут рассматриваться как предварительное кодирование вектора символов входной информации в th субвекторном канале, и все векторизованные подканалы становятся диагональными каналами дискретной частоты. компоненты из -точечного ДПФ исходного канала ISI. Он может собирать многолучевое разнесение и/или пространственное разнесение сигналов аналогично предварительному кодированию для сбора пространственного разнесения сигналов для систем с одной антенной для борьбы с беспроводным замиранием или диагональному пространственно-временному блочному кодированию для сбора пространственного разнесения для нескольких антенных систем. Подробности приведены в документах IEEE TCOM и IEEE TSP, упомянутых выше.
OFDM стало интересной технологией для связи по линиям электропередачи (PLC). В этой области исследований в качестве метода создания ортогональных частот вводится вейвлет-преобразование, заменяющее ДПФ. Это связано с преимуществами вейвлетов, которые особенно полезны на шумных линиях электропередачи. [57]
Вместо использования IDFT для создания сигнала отправителя, вейвлет OFDM использует банк синтеза, состоящий из -диапазонного трансмультиплексора, за которым следует функция преобразования.
На стороне приемника для повторной демодуляции сигнала используется банк анализа. Этот банк содержит обратное преобразование
за ним следует еще один -диапазонный трансмультиплексор. Связь между обеими функциями преобразования такова:
В примере W-OFDM используется набор косинусно-модулированных фильтров идеальной реконструкции (PR-CMFB) [58] и расширенное преобразование с перекрытием (ELT) [59] [60] для вейвлетного TF. Таким образом, и задаются как
Эти две функции являются обратными для них и могут использоваться для модуляции и демодуляции заданной входной последовательности. Как и в случае с ДПФ, вейвлет-преобразование создает ортогональные волны с , , ..., . Ортогональность гарантирует, что они не мешают друг другу и могут быть отправлены одновременно. В получателе , , ... используются для повторного восстановления последовательности данных.
W-OFDM представляет собой развитие стандарта OFDM с определенными преимуществами.
В основном уровни боковых лепестков W-OFDM ниже. Это приводит к меньшему ICI, а также к большей устойчивости к узкополосным помехам. Эти два свойства особенно полезны в ПЛК, где большинство линий не защищены от электромагнитного шума, который создает шумовые каналы и всплески шума.
Сравнение двух методов модуляции также показывает, что сложность обоих алгоритмов остается примерно одинаковой. [57]
Подавляющее большинство реализаций OFDM используют быстрое преобразование Фурье (БПФ). Однако в принципе вместо БПФ можно использовать любой алгоритм ортогонального преобразования. Вместо этого были исследованы системы OFDM, основанные на дискретном преобразовании Хартли (DHT) [61] и вейвлет-преобразовании .
{{cite book}}
: CS1 maint: location (link)