Ортогональное частотное мультиплексирование

В телекоммуникациях , мультиплексирование ортогонального частоты ( OFDM )-это тип цифровой передачи используемой в цифровой модуляции для кодирования цифровых (двоичных) данных на нескольких частотах переноса . OFDM превратился в популярную схему для широкополосной цифровой связи , используемой в таких приложениях, как цифровое телевидение и аудиовещательное вещание, DSL доступ к интернету , беспроводные сети , сети электропередач и 4G / 5G . мобильные связи

OFDM-это схема мультиплексирования частоты (FDM), которая была введена Робертом В. Чангом из Bell Labs в 1966 году. В OFDM входящий бит -поток , представляющий отправленные данные, делится на несколько потоков. Многочисленные близко расположенные ортогональные сигналы поднесущего с перекрывающимися спектрами передаются, причем каждый носитель модулирован с помощью битов из входящего потока, поэтому параллельно передается несколько битов. Демодуляция основана на быстрого преобразования Фурье алгоритмах . OFDM был улучшен Weinstein и Ebert в 1971 году с введением интервала защиты , обеспечивая лучшую ортогональность в каналах передачи, затронутые многолучевым распространением. Каждый субсир (сигнал) модулируется с помощью обычной схемы модуляции (такой как квадратурная амплитудная модуляция или клавиша фазового сдвига ) при низкой скорости символа . Это поддерживает общую скорость передачи данных, аналогичные обычным схемам модуляции с одним носителем в той же пропускной способности.

Последовательные импульсы повышенного косина, демонстрирующие собственность нулевого языка ; Они очень похожи на спектр мощности OFDM (частотный домен).

Основным преимуществом OFDM по сравнению с схемами с одним носителем является его способность справляться с тяжелыми условиями канала (например, ослабление высоких частот в длинном медном проводе, узкополосных помех и частотно-селективной замирания из-за многолучевого ) без необходимости комплексного выравнивания фильтры. канала Выравнивание упрощается из -за того, что OFDM может рассматриваться как использование многих медленно модулированных узкополосных сигналов, а не одного быстро модулированного широкополосного сигнала. Низкая скорость символа обеспечивает использование интервала защиты между символами доступным, что позволяет устранить интерференцию межсимбола (ISI) и использовать эхо и раскрывающие по времени (в аналоговом телевидении, видимом как призраки и размытие соответственно) для достижения разнообразного прироста , т.е. отношения сигнал / шум улучшение . Этот механизм также облегчает конструкцию отдельных частотных сетей (SFN), где несколько соседних передатчиков посылают один и тот же сигнал одновременно с той же частотой, как и сигналы из нескольких отдаленных передатчиков могут быть переоборудованы конструктивно, щадя, интерференция традиционной системы с одним носами. Полем

В кодированном ортогональном частоте мультиплексирование ( COFDM ), коррекция прямой ошибки (сверточное кодирование) и интерриование времени/частоты применяются к передаваемому сигналу. Это сделано для преодоления ошибок в каналах мобильной связи, затронутых многолучевым распространением и эффектами доплеровского доплеров . COFDM был представлен Алардом в 1986 году Для цифрового аудиовещательного вещания для Eureka Project 147. На практике OFDM использовался в сочетании с таким кодированием и чередованием, так что термины COFDM и OFDM совпадают с общими приложениями.

Пример приложений

Следующий список представляет собой краткое изложение существующих стандартов и продуктов на основе OFDM. Для получения дополнительной информации см. Раздел использования в конце статьи.

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

• ADSL и VDSL широкополосный доступ через POTS медную проводку
• DVB-C 2, улучшенная версия DVB-C Digital Cable TV Standard
• Связь линии электропередачи (ПЛК)
• ITU-T G.HN , стандарт, который обеспечивает высокоскоростную локальную сеть существующей домашней проводки (линии электропередач, телефонные линии и коаксиальные кабели)
• Trailblazer Thone Line Modems
• Multimedia Over Coax Alliance (MOCA) домашние сети
• DOCSIS 3.1 доставка широкополосной связи

Беспроводной

• Радио интерфейсы беспроводной локальной сети (WLAN) IEEE 802.11a , G , N , AC , AH и Hiperlan/2
• Цифровые радиосистемы и DAB/EUREKA 147 , DAB+ , Digital Radio Mondiale , HD Radio , T-DMB ISDB -TSB
• The Gurrestial Digital TV Systems DVB-T и ISDB-T
• наземные мобильные телевизоры DVB -H , T-DMB , ISDB-T и Mediaflo Ссылка на
• Внедрение , 802.15.3A ​ IEEE предложенная Wimedia Alliance
• Wi-Sun (умная вездесущая сеть)

на основе OFDM множественного доступа Технология также используется в нескольких 4G и Pre-4G сотовых сетях , мобильных широкополосных стандартах, WLAN следующего поколения и проводной части гибридных волоконно-коаксиальных сетей:

• Режим мобильности стандартного (или мобильного мобильного WIMAX ) стандартного IEEE 802.16E IEEE 802.16E (или WIMAX )
• мобильный широкополосный беспроводной доступ (MBWA) IEEE 802.20 Стандартный IEEE 802.20
• Ниспутствующая линейка 3GPP долгосрочной эволюции (LTE) мобильного широкополосного стандарта четвертого поколения. Радио-интерфейс ранее был назван высокоскоростной пакетной доступом OFDM (HSOPA), который теперь назван Evolved The UMTS наземный радиоприемник (E-UTRA)
• WLAN IEEE 802.11AX
• DOCSIS 3.1 вверх по течению

Ключевые функции

Преимущества и недостатки, перечисленные ниже, далее обсуждаются в «Характеристики и принципы операции» разделе ниже.

Резюме преимуществ

• Высокая спектральная эффективность по сравнению с другими с двойной полосой схемами модуляции , спектром разброса и т. Д.
• Может легко адаптироваться к тяжелым условиям канала без сложного выравнивания временной области.
• Устойчиво против узкополосного вмешательства
• Устойчиво против интерференции межсимбола (ISI) и выцветания, вызванного распространением многолучевоготра
• Эффективная реализация с использованием быстрого преобразования Фурье
• Низкая чувствительность к ошибкам синхронизации времени
• Настроенные суб-канатные приемники не требуются (в отличие от обычного FDM )
• Облегчает одночастотные сети т.е. ( (SFNS )

Резюме недостатков

• Чувствительный к доплеровскому сдвигу
• Чувствительность к задачам синхронизации частоты
• Высокое отношение пиковой мощности (PAPR), требующая линейных схем передатчика, которая страдает от плохой эффективности электроэнергии
• Потеря эффективности, вызванная циклическим префиксом / интервалом охраны

Характеристики и принципы работы

Ортогональность

Концептуально, OFDM-это специализированный метод мультиплексирования частоты (FDM), с дополнительным ограничением, что все сигналы поднесущего в канале связи являются ортогональными друг другу.

В OFDM частоты поднесущих выбираются таким образом, чтобы поднесущие были ортогональны друг другу, что означает, что перекрестные помехи между суб-каналами устранены, а полосы с межчаточными охранниками не требуются. Это значительно упрощает дизайн как передатчика , так и приемника ; В отличие от обычного FDM, отдельный фильтр для каждого подканала не требуется.

Ортогональность требует, чтобы между субсирье расстояние $\scriptstyle \Delta f\,=\,{\frac {k}{T_{U}}}$ Герц , где секунды _{-это полезная продолжительность символа (размер окна на стороне} -это положительное целое число, как правило , приемника), а k равное 1. Это предусматривает, что каждая частота несущей претерпевает более полные циклы на период символа, чем предыдущий носитель Полем Следовательно, с n поднесущих, общая полоса полоса полосы пропускания будет b ≈ n · Δ f (Гц).

Ортогональность также обеспечивает высокую спектральную эффективность , с общей скоростью символов вблизи скорости Nyquist для эквивалентного сигнала основной полосы основной полосы (т.е. около половины скорости Nyquist для сигнала физической полосы полосы двойной полосы). Почти вся доступная частотная полоса может быть использована. OFDM, как правило, имеет почти «белый» спектр, что дает ему доброкачественные электромагнитные свойства интерференции по отношению к другим пользователям совместного канала.

Простой пример: полезная продолжительность символа t _u = 1 мс потребует расстояния поднесущего $\scriptstyle \Delta f\,=\,{\frac {1}{1\,\mathrm {ms} }}\,=\,1\,\mathrm {kHz}$ (или целое число из этого) для ортогональности. N = 1000 подростков приведут к общей полосе полосы полосы пропускания n ΔF = 1 МГц. Для этого символа, необходимая пропускная способность в теории в соответствии с Найкистом $\scriptstyle \mathrm {BW} =R/2=(N/T_{U})/2=0.5\,\mathrm {MHz}$ (половина достигнутой полосы пропускания, требуемой нашей схемой), где r - это скорость битов и где n = 1000 образцов на символ по FFT. Если применяется интервал охраны (см. Ниже), требование о пропускной способности Nyquist будет еще ниже. FFT приведет к n = 1000 образцов на символ. Если не применялся интервал охраны, это приведет к тому, что оцениваемый сигнал комплекса базовой полосы со скоростью дискретизации 1 МГц, который потребовал бы полосы полосы базовой полосы 0,5 МГц в соответствии с Nyquist. Тем не менее, радиочастотный сигнал полосы пропускания производится путем умножения сигнала основной полосы базовой полосы на форму волны (т.е., двойная квадратурная амплитудная модуляция), что приводит к пропускной способности полосы полосы пропускания 1 МГц. Схема модуляции односторонней полосы (SSB) или рудиментальной боковой полосы (VSB) достигнет почти половины этой полосы пропускания для той же скорости символов (т.е. в два раза высокой спектральной эффективности для одной и той же длины алфавита символа). Однако он более чувствителен к многолучевым помехам.

OFDM требует очень точной синхронизации частоты между приемником и передатчиком; При отклонении частоты субсиры больше не будут ортогональными, вызывая межсадочные интерференции (ICI) (то есть перекрестные разговоры между подчинками). Частотные смещения, как правило, вызваны несовместимыми передатчиками и генераторами приемника или при сдвиге доплеровца из -за движения. В то время как сдвиг допплера может быть компенсирована приемником, ситуация ухудшается в сочетании с многолучевым , так как отражения появляются при различных частотных смещениях, что гораздо сложнее исправить. Этот эффект обычно ухудшается по мере увеличения скорости, и является важным фактором, ограничивающим использование OFDM в высокоскоростных транспортных средствах. Чтобы смягчить ICI в таких сценариях, можно формировать каждый поднесер, чтобы свести к минимуму помехи, что приводит к перекрытию неорхональных поднесоров. Например, схема с низкой компетенцией, называемая WCP-OFDM ( взвешенный циклический префикс-ортогональный мультиплексирование частоты ), состоит из использования коротких фильтров на выходе передатчика для выполнения потенциально нерептаж Одиночный тап на выравнивание поднесора. Другие методы подавления ICI обычно резко увеличивают сложность приемника.

Реализация с использованием алгоритма БПК

Ортогональность позволяет реализовать эффективный модулятор и демодулятор с использованием алгоритма FFT на стороне приемника, а также обратной FFT со стороны отправителя. Хотя принципы и некоторые преимущества были известны с 1960-х годов, OFDM популярен для широкополосных коммуникаций сегодня посредством недорогих компонентов цифрового сигнала , которые могут эффективно рассчитать БПФ.

Время для вычисления обратного-FFT или FFT должно занять меньше времени для каждого символа, что, например, для DVB-T (FFT 8K) означает вычисление должно быть сделано в 896 мкс или меньше.

Для 8192 -точки FFT это может быть аппроксимировано:

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

• MIPS: миллион инструкции в секунду

Вычислительный спрос примерно масштабируется линейно с размером БПФ, поэтому БПФ двойного размера требует удвоения времени и наоборот. Для сравнения процессор Intel Pentium III при 1,266 ГГц способен рассчитать БПФ 8192 точки в 576 мкс с использованием FFTW . Intel Pentium M при 1,6 ГГц делает это в 387 мкс. Intel Core Duo при 3,0 ГГц делает это в 96,8 мкс .

Интервал защиты для устранения межсимбольных помех

Одним из ключевых принципов OFDM является то, что, поскольку схемы модуляции низкой скорости символов (то есть, где символы относительно длинные по сравнению с характеристиками времени канала) меньше страдают от межсимбольных помех, вызванных многолучевым распространением , выгодно передавать ряд низких уровней. потоки параллельно вместо одного высококачественного потока. Поскольку продолжительность каждого символа длина, возможно вставить интервал охраны между символами OFDM, что устраняет интерференцию межсимбола.

Интервал охраны также устраняет необходимость в фильтре для формирования импульсов , и он снижает чувствительность к задачам синхронизации времени.

Простой пример: если кто-то отправляет миллион символов в секунду, используя обычную модуляцию с одним носителем по беспроводному каналу, то продолжительность каждого символа будет одной микросекундой или меньше. Это налагает серьезные ограничения на синхронизацию и требует удаления многолучевых помех. Если один и тот же миллион символов в секунду распространяется среди тысячи подканалов, продолжительность каждого символа может быть длиннее в тысячу (то есть одна миллисекунд) для ортогональности с приблизительно одинаковой полосой. Предположим, что между каждым символом вставлен промежуточный интервал 1/8 от длины символа. Межсимболы можно избежать, если многолучевое распространение времени (время между приемом первого и последнего эха) короче интервала защиты (то есть 125 микросекунд). Это соответствует максимальной разнице в 37,5 километров между длиной путей.

Циклический префикс , который передается во время интервала защиты, состоит из конца символа OFDM, скопированного в интервал охраны, и проводятся интервал защиты с последующим символом OFDM. Причина, по которой интервал охраны состоит из копии конца символа OFDM, заключается в том, что приемник будет интегрироваться по целому числу синусоидных циклов для каждого из множественных, когда он выполняет демодуляцию OFDM с БПФ.

В некоторых стандартах, таких как ультравидный диапазон , в интересах передаваемой мощности циклический префикс пропускается, и во время интервала защиты ничего не отправляется. Приемник должен будет имитировать функциональность циклического префикса, копируя конечную часть символа OFDM и добавив ее в начальную часть.

Упрощенное выравнивание

Влияние частотно-селективных условий канала, например, выцветание, вызванное распространением многолучевого распространения, может рассматриваться как постоянное (плоское) по подтокону OFDM, если подканал достаточно узкий (т.е., если количество подканала каналы достаточно большие). Это делает возможной выравнивание частотной области в приемнике , что намного проще, чем выравнивание временной области, используемое в обычной модуляции с одним носителем. В OFDM эквалайзер должен только умножить каждый обнаруженный поднесущий (каждый коэффициент Фурье) в каждом символе ofdm на постоянное комплексное число или редко изменяющееся значение. На фундаментальном уровне более простые цифровые эквалайзаторы лучше, потому что им требуется меньше операций, что приводит к меньшему количеству ошибок округа в эквалайзере. Эти ошибки округления можно рассматривать как числовой шум и неизбежны.

Наш пример: выравнивание OFDM в вышеуказанном численном примере потребует одного комплексного оцениваемого умножения на субсирер и символ (т.е. $\scriptstyle N\,=\,1000$ сложные умножения на символ OFDM; т.е. один миллион умножений в секунду у приемника). Алгоритм БПФ требует $\scriptstyle N\log _{2}N\,=\,10,000$ [Это неточно: более половины этих сложных умножений тривиальны, т.е. = до 1 и не реализованы в программном обеспечении или HW]. Сложные умножения на символ OFDM (то есть 10 миллионов умножений в секунду), как на стороне приемника, так и на стороне передатчика. Это следует сравнивать с соответствующим миллионом символов/второго случая модуляции с одним носителем, упомянутым в примере, где выравнивание 125 микросекунд, распределяющих время с использованием FIR-фильтра , потребуется в наивном реализации, 125 умножений на символ (т.е. 125 миллионов умножений в секунду). Методы FFT могут использоваться для уменьшения количества умножений для эквалайзера временного домана на основе FIR -фильтра до числа, сопоставимого с OFDM, за счет задержки между приемом и декодированием, которое также сопоставимо с OFDM.

Если к каждому подчинчиру применяется дифференциальная модуляция, такая как DPSK или DQPSK , выравнивание может быть полностью опущено, поскольку эти нетородные схемы нечувствительны к медленно изменяющейся амплитуде и искажениям фазы .

В некотором смысле улучшения в выравнивании РПИ с использованием FFT или частичных FFTS математически приводит к OFDM, Но методика OFDM легче понять и реализовать, и подканалы могут быть независимо адаптированы другими способами, чем различные коэффициенты выравнивания, такие как переключение между различными схемами созвездия QAM и схемами коррекции ошибок, чтобы соответствовать индивидуальному подканалу и помех. характеристики.

Некоторые из субсиржеров в некоторых символах OFDM могут нести пилотные сигналы для измерения условий канала (т.е. усиление эквалайзера и сдвиг фазы для каждого поднесущего). Пилотные сигналы и обучающие символы ( преамблы ) также могут использоваться для синхронизации времени (чтобы избежать интерференции межсимбола, ISI) и синхронизации частоты (чтобы избежать интерференции между носителем, ICI, вызванной доплером сдвига).

OFDM первоначально использовался для проводной и стационарной беспроводной связи. Однако с увеличением числа приложений, работающих в очень мобильных средах, эффект дисперсивного замирания, вызванного комбинацией распространения с несколькими путями и сдвигом доплера, является более значительным. За последнее десятилетие было проведено исследования о том, как выровнять передачу OFDM по двойным селективным каналам.

Кодирование канала и интеррелирование

OFDM неизменно используется в сочетании с кодированием канала ( коррекция ошибок вперед ) и почти всегда использует частоту и/или интеркинвацию времени .

Частота (поднесратель) Интеррионирование повышает сопротивление условиям селективного канала, такими как затухание . Например, когда часть пропускной способности канала исчезает, переворачивание частоты гарантирует, что ошибки битов, которые будут результатом этих подчиты в блеклой части полосы пропускания, распространяются в битовом потоке, а не концентрированы. Аналогичным образом, временное переоценка гарантирует, что биты, которые изначально находятся близко друг к другу в битовом потоке, передаются далеко друг от друга, смягчающимися от сильного замирания, как это произойдет при перемещении на высокой скорости.

Тем не менее, время, проведенное временем, имеет небольшую пользу в медленно затухающих каналах, например, для стационарного приема, а частотное переворот практически не приносит пользы узкополосным каналам, которые страдают от плоского смыкания (где целая полоса канала исчезает в то же время).

Причина, по которой интерлиализация используется на OFDM, заключается в том, чтобы попытаться распространить ошибки в битовом потоке, который представлен декодеру коррекции ошибок, потому что, когда такие декодеры представлены с высокой концентрацией ошибок, декодер не может исправить все Потеряются битовые ошибки, и возникает всплеск некорректированных ошибок. Аналогичная конструкция кодирования аудиодатчиков делает воспроизведение компактного диска (CD) надежным.

Классическим типом кодирования по коррекции ошибок, используемой с помощью систем на основе OFDM, является сверточное кодирование , часто объединяемое с кодированием Рида-Соломона . Обычно реализуется дополнительное взаимосвязь (в дополнение к времени и частоте, упомянутое выше) между двумя уровнями кодирования. Выбор для кодирования Reed-Solomon в качестве кода по исправлению внешней ошибки основан на наблюдении, что декодер Viterbi, используемый для внутреннего сверточного декодирования, создает короткие всплески ошибок, когда существует высокая концентрация ошибок, а коды тростника-соломона. исправление всплесков ошибок.

Однако новые системы обычно используют почти оптимальные типы кодов коррекции ошибок, которые используют принцип турбо декодирования, где декодер итерации в направлении желаемого решения. Примеры таких типов кодирования по исправлению ошибок включают турбо -коды и коды LDPC , которые работают близко к пределу Шеннона для канала аддитивного белого гауссовского шума ( AWGN ). Некоторые системы, которые реализовали эти коды, объединили их либо с помощью Reed-Solomon (например, в системе Mediaflo ), либо кодами BCH (в системе DVB-S2 ), чтобы улучшить пол ошибки , присущий этим кодам при высоком сигнале от сигнала к Коэффициенты шума .

Адаптивная передача

Устойчивость к тяжелым условиям канала может быть дополнительно повышена, если информация о канале отправляется через обратный канал. На основании этой информации обратной связи, адаптивная модуляция , кодирование канала и распределение мощности могут применяться во всех подчинках или индивидуально для каждого поднесущего. В последнем случае, если конкретный диапазон частот страдает от помех или ослабления, носители в этом диапазоне могут быть отключены или созданы для запуска медленнее, применяя более надежную модуляцию или кодирование ошибок к этим подчинкам.

Термин Дискретная мультитоновая модуляция ( DMT ) обозначает системы связи на основе OFDM, которые адаптируют передачу к условиям канала индивидуально для каждого поднесущего посредством так называемой загрузки битов . Примерами являются ADSL и VDSL .

Скорость вверх и вниз по течению может варьироваться, выделяя больше или меньше носителей для каждой цели. Некоторые формы адаптивного DSL используют эту функцию в режиме реального времени, так что битрейт адаптирован к интерференции совместного канала, а пропускная способность выделяется для того, какой подписчик нуждается в нем больше всего.

OFDM расширен с несколькими доступа

Основная статья: ортогональный частотный див.

OFDM в его первичной форме рассматривается как метод цифровой модуляции, а не метод доступа к многопользовательскому каналу , поскольку он используется для передачи одного битного потока по одному каналу связи с использованием одной последовательности символов OFDM. Тем не менее, OFDM может быть объединен с множественным доступом, используя время, частоту или разделение кодирования пользователей.

В ортогональном частоте многочисленного доступа (OFDMA) множественное доступ к частотному распределению достигается путем назначения различных подканалов OFDM разным пользователям. OFDMA поддерживает дифференцированное качество обслуживания , присваивая различное количество поднесущих для разных пользователей аналогичным образом, что и в CDMA , и, следовательно, комплексное планирование пакетов или схемы контроля доступа среднего доступа можно избежать. OFDMA используется в:

• Режим подвижности стандарта беспроводного человека IEEE 802.16 , обычно называемый WIMAX,
• IEEE 802.20 Mobile Wireless Man Standard, обычно называемый MBWA,
• ( Долгосрочная эволюция 3GPP LTE) мобильной широкополосной линии четвертого поколения. Радио интерфейс ранее был назван высокоскоростной доступом пакета OFDM (HSOPA), который теперь называется Evolved The UMTS наземный радиоактив ( E-UTRA ).
• 3GPP 5G NR (New Radio) Пятое поколение Стандартная сеть Стандарта нисходящей линии связи и восходящей линии связи. 5G NR является преемником LTE.
• Теперь несуществующий проект Qualcomm / 3GPP2 Ultra Mobile Broadband (UMB), предназначенный в качестве преемника CDMA2000 , но заменен LTE.

OFDMA также является методом доступа кандидата для IEEE 802.22 Беспроводных региональных сетей (WRAN). Проект направлен на разработку первого стандарта на основе когнитивного радио , работающего в спектре UHF LOW VHF (TV Spectrum).

• Самая последняя поправка стандарта 802.11 , а именно 802.11 , включает в себя OFDMA для высокой эффективности и одновременной связи.

В нескольких доступах к многовозможным кодам (MC-CDMA), также известным как OFDM-CDMA, OFDM объединяется с коммуникацией спектра CDMA для разделения кодирования пользователей. Вмешательство совместного канала может быть смягчено, что означает, что ручное планирование распределения каналов (FCA) упрощено, или схемы распределения динамического распределения (DCA) динамического распределения (DCA) избегают.

Космическое разнообразие

В широкоамериканском вещании на основе OFDM приемники могут получить выгоду от получения сигналов от нескольких пространственно диспергированных передатчиков одновременно, поскольку передатчики будут только деструктивно вмешиваться друг на друга на ограниченном количестве подчиты, тогда как в целом они фактически будут укреплять покрытие по обширной области. Полем Это очень полезно во многих странах, так как разрешает работу национальных одночастотных сетей (SFN), где многие передатчики отправляют один и тот же сигнал одновременно с той же частотой канала. SFN используют доступный спектр более эффективно, чем обычные многочастотные вещательные сети ( MFN ), где содержимое программы реплицируется на различных частотах носителей. SFN также приводят к увеличению разнообразия у приемников, расположенных на полпути между передатчиками. Площадь покрытия увеличивается, и вероятность отключения снизилась по сравнению с MFN из -за увеличения уровня полученного сигнала, усредненной по всем подчинкам.

Хотя интервал охраны содержит только избыточные данные, что означает, что он снижает способность, некоторые системы на основе OFDM, такие как некоторые из систем вещания, преднамеренно используют интервал длинной защиты, чтобы позволить передатчикам распределяться дальше в SFN и более длинные интервалы охраны позволяют увеличить размеры клеток SFN. Правило большого пальца для максимального расстояния между передатчиками в SFN равна расстоянию, которое сигнал проходит во время интервала охраны - например, интервал охраны 200 микросекунд позволит передатчикам на расстоянии 60 км.

Единственная частотная сеть - это форма макродиверсии передатчика . Концепция может быть дополнительно использована в динамических одночастотных сетях (DSFN), где группировка SFN изменяется от временного интервала на временной интервал.

OFDM может сочетаться с другими формами космического разнообразия , например, антенных массивов и MIMO каналов . Это делается в IEEE 802.11 стандартах беспроводной локальной сети .

Усилитель мощности линейного передатчика

Сигнал OFDM демонстрирует высокое соотношение мощности пикового до среднего (PAPR), потому что независимые фазы поднесущих означают, что они часто будут конструктивно объединяться. Обработка этого высокого PAPR требует:

• с высоким разрешением Конвертер цифрового в аналоге (DAC) в передатчике
• с высоким разрешением Аналого-цифровой конвертер (АЦП) в приемнике
• Линейная сигнальная цепь

Любая нелинейность в цепочке сигнала вызовет интермодуляционное искажение , которое

• Поднимает пол шума
• Может вызвать межсексельные вмешательство
• Генерирует внеполосную ложную радиацию

Требование к линейности требуется, особенно для выходных схем РЧ-передатчика, где усилители часто предназначены для нелинейных, чтобы минимизировать энергопотребление. В практических системах OFDM небольшое количество пикового отсечения разрешено ограничивать PAPR в разумном компромисс против вышеуказанных последствий. Тем не менее, выходной фильтр передатчика, который необходим для снижения отпоров от полосы до легального уровня, влияет на восстановление пиковых уровней, которые были обрезаны, поэтому обрезка 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 для наземных систем.

Фактор гребня CF (в DB) для системы OFDM с N некоррелированными субсирьерами является

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

где CF _C является коэффициентом гребня (в дБ) для каждого субсирьера. (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 подростей, которые каждая из QPSK-модулированных, что дает коэффициент гребня 35,32 дБ.

множество методов сокращения папр (или коэффициента гребня ), основанных на итеративном обрезке. Например, было разработано За прошедшие годы были предложены многочисленные модельные подходы для снижения PAPR в системах связи. В последние годы растут интерес к изучению моделей, управляемых данными для сокращения PAPR в рамках текущих исследований в сквозных сети связи. Эти модели, управляемые данными, предлагают инновационные решения и новые возможности разведки для эффективного решения проблем, связанных с высоким PAPR. Используя методы, управляемые данными, исследователи стремятся повысить производительность и эффективность сетей связи путем оптимизации использования энергии.

Динамический диапазон , необходимый для приемника FM, составляет 120 дБ, в то время как DAB требует всего около 90 дБ. Для сравнения, каждый дополнительный бит на выборку увеличивает динамический диапазон на 6 дБ.

Сравнение эффективности между отдельным носителем и мультиреаром

Производительность любой системы связи может быть измерена с точки зрения ее эффективности питания и эффективности полосы пропускания. Эффективность питания описывает способность системы связи сохранять частоту ошибок битов ( 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 субсиржеров, эффективность полосы пропускания системы с несколькими атмосферами, такой как OFDM с использованием оптического волоконного канала, определяется как

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

где $R_{s}$ является ли скорость символов в гига-символах в секунду (GSPS), $B_{\text{OFDM}}$ является полосой пропускной способности сигнала OFDM, а фактор 2 связан с двумя поляризационными состояниями в волокне.

Существует сохранение полосы пропускания с использованием мультиплексирования ортогональных частотных дивизиона. Таким образом, полоса пропускания для много срывочной системы меньше по сравнению с системой отдельных носителей, и, следовательно, эффективность полосы пропускания системы много срыва, больше, чем система с одним носителем.

S. №	Тип передачи	М в М-Кам	Количество субсиржеров	Скорость бита	Длина волокна	Полученная власть, в BER 10 −9	Эффективность полосы пропускания
1	Одиночный перевозчик	64	1	10 Гбит/с	20 км	−37,3   дБм	6.0000
2	Многоприемник	64	128	10 Гбит/с	20 км	−36,3   дБм	10.6022

В мощности приемника увеличивается только на 1   дБ, но мы получаем 76,7% повышения эффективности полосы пропускания с использованием техники передачи с несколькими приемами.

Идеализированная система модели

В этом разделе описывается простая идеализированная модель системы OFDM, подходящую для канала AWGN .

Передатчик

Сигнал носителя OFDM-это сумма ряда ортогональных поднесущих, причем данные базовой полосы на каждом подчинке независимо модулируются, обычно с использованием некоторого типа модуляции квадратурной амплитуды (QAM) или клавиши фазового сдвига (PSK). Этот композитный сигнал базовой полосы обычно используется для модуляции основного РЧ -носителя.

$s[n]$ является последовательным потоком двоичных цифр. Путем обратного мультиплексирования , они сначала демультиплексируются в $N$ Параллельные потоки, и каждый из них сопоставлен с (возможно, сложным) потоком символов с использованием некоторого созвездия модуляции ( QAM , PSK и т. Д.). Обратите внимание, что созвездия могут быть разными, поэтому некоторые потоки могут нести более высокую скорость бита, чем другие.

Обратный FFT вычисляется на каждом наборе символов, давая набор сложных образцов во временной области. Эти образцы затем квадратурные -смешиваются на полосу пропускания стандартным способом. Реальные и воображаемые компоненты сначала преобразуются в аналоговый домен с использованием цифровых в аналоговых преобразователей (DAC); Аналоговые сигналы затем используются для модуляции косинус и синусоидальных волн на частоте носителей , $f_{\text{c}}$, соответственно. Эти сигналы затем суммируются, чтобы дать сигнал передачи, $s(t)$.

Приемник

Приемник поднимает сигнал $r(t)$, который затем смешан квадратурой с базовой полосой, используя косинус и синусоидальные волны на частоте носителей . Это также создает сигналы, сосредоточенные на $2f_{\text{c}}$, поэтому для их отклонения фильтров низкого уровня используются. Затем сигналы базовой полосы отображаются и оцифровывают с использованием аналого-цифровых преобразователей прямого FFT (ADC), и для преобразования обратно в частотный домен используется .

Это возвращается $N$ Параллельные потоки, каждый из которых преобразуется в двоичный поток с использованием соответствующего детектора символов . Эти потоки затем переосмысливаются в серийный поток, ${\hat {s}}[n]$, которая является оценкой оригинального бинарного потока в передатчике.

Математическое описание

Subcarriers System Signals после FFT

Если $N$ Используются поднесущие, и каждый поднесущий модулируется с использованием $M$ Альтернативные символы, символ AOPDM Алфавит состоит из $M^{N}$ комбинированные символы.

Фильтр OFDM с низким уровнем прохождения выражается как:

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

где $\{X_{k}\}$ символы данных, $N$ количество субсиржеров, и $T$ это время символа OFDM. Расстояние между субсир ${\textstyle {\frac {1}{T}}}$ делает их ортогональными в течение каждого периода символов; Это свойство выражается как:

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

где $(\cdot )^{*}$ обозначает комплексный конъюгатный оператор и $\delta \,$ это дельта Кронекера .

Чтобы избежать межсимболевных вмешательств в многолучех выцветающих каналах, промежуточный интервал длины $T_{\text{g}}$ вставлен до блока OFDM. Во время этого интервала передается циклический префикс таким образом, чтобы сигнал в интервале $-T_{\text{g}}\leq t<0$ равняется сигналу в интервале $(T-T_{\text{g}})\leq t<T$Полем Сигнал OFDM с циклическим префиксом, таким образом:

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

Фильтр низкочастотного сигнала выше может быть реальным или сложным. Реальные цены на низкочастотные эквивалентные сигналы обычно передаются в приложениях Baseband-завещания, таких как DSL, используют этот подход. Для беспроводных приложений сигнал низкого частота обычно является сложным; В этом случае переданный сигнал поднимается на частоту носителей $f_{\text{c}}$Полем В общем, переданный сигнал может быть представлен как:

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

Использование

OFDM используется в:

• Digital Radio Mondiale (DRM)
• Цифровое аудиовещание (DAB)
• Цифровое телевидение DVB-T / T2 (наземная), ATSC 3.0 (наземный), DVB-H (портатив), DMB-T / H , DVB-C2 (кабель)
• Беспроводная локальная сеть IEEE 802.11a , IEEE 802.11g , IEEE 802.11n , IEEE 802.11AC и IEEE 802.11AD
• Вимакс
• Li-Fi
• ADSL ( G.dmt / ITU G.992.1 )
• LTE и LTE Advanced 4G Mobile Networks
• DECT -беспроводные телефоны
• Современная узкая и широкополосная линия электропередачи

Таблица сравнения системы OFDM

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

Стандартное название	Dab Eureka 147	DVB-T	DVB-H	DTMB	DVB-T2	IEEE 802.11a
Год ратифицирован	1995	1997	2004	2006	2007	1999
Частотный диапазон Сегодняшнее оборудование (МГц)	174–240 , 1,452–1,492	470–862 , 174–230	470–862	48–870		4,915–6,100
Интервал между каналами, B (МГц)	1.712	6, 7, 8	5, 6, 7, 8	6, 7, 8	1.7, 5, 6, 7, 8, 10	20
Размер FFT, K = 1 024	Режим I: 2K Режим II: 512 Режим III: 256 Режим IV: 1K	2K, 8K	2K, 4K, 8K	1 (односадочный) 4k (multi-carrier)	1k, 2k, 4k, 8k, 16k, 32k	64
Количество не сжисских субсиржеров, n	Режим I: 1536 Режим II: 384 Режим III: 192 Мода IV: 768	2K Режим: 1705 8K Режим: 6817	1,705, 3,409, 6,817	1 (односадочный) 3780 (многовозможным)	853–27,841 (1K нормальный до 32K с расширенным режимом переноса)	52
Схема модуляции поднесущего	π ⁄ 4 -dqpsk	Qpsk, 16 квартал, 64QAM	Qpsk, 16 квартал, 64QAM	4 квартал, 4 квартал-нет, 16 квартал, 32QAM, 64QAM	Qpsk, 16qam, 64qam, 256qam	Bpsk, qpsk, 16 квартал, 64QAM
Полезный символ длина, t u (μs)	Режим I: 1000 Режим II: 250 Режим III: 125 Мода IV: 500	2K Режим: 224 8K Режим: 896	224, 448, 896	500 (мульти-карриер)	112–3,584 (режим от 1к до 32K на канале 8 МГц)	3.2
Дополнительный охранник интервал, t g / 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 максимума 1/8) режима 32 тыс.	1 ⁄ 4
Расстояние между субсиржером, ${\textstyle \Delta f={\frac {1}{T_{U}}}\approx {\frac {B}{N}}}$ (Гц)	Режим I: 1000 Режим II: 4000 Режим III: 8000 Мода IV: 2000	2K Режим: 4464 8K Режим: 1116	4,464, 2,232, 1,116	8 м (односадочный) 2000 (многосадочный)	279–8,929 (от 32 тыс. До 1K режим)	312,5 К.
Чистая битовая ставка, R (mbit/s)	0.576–1.152	4.98–31.67 ( Тип. 24.13)	3.7–23.8	4.81–32.49	Обычно 35,4	6–54
Спектральная эффективность ссылки , 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 ошибок: 1 ⁄ 4 , 3 ⁄ 8 , 4 ⁄ 9 , 1 ⁄ 2 , 4 ⁄ 7 , 2 ⁄ 3 , 3 ⁄ 4 , 4 ⁄ 5 Неравная защита от ошибок с AVG. Ставки кода: ~ 0,34, 0,41, 0,50, 0,60 и 0,75	Конв. кодирование с показателями кода: 1 ⁄ 2 , 2 ⁄ 3 , 3 ⁄ 4 , 5 ~ 6 , или 7 ⁄ 8	Конв. кодирование с показателями кода: 1 ⁄ 2 , 2 ⁄ 3 , 3 ⁄ 4 , 5 ~ 6 , или 7 ⁄ 8	LDPC с тарифами кода: 0,4, 0,6 или 0,8	LDPC : 1 ⁄ 2 , 3 ⁄ 5 , 2 ⁄ 3 , 3 ⁄ 4 , 4 ⁄ 5 , 5 ⁄ 6	Конв. кодирование с показателями кода: 1 ⁄ 2 , 2 ⁄ 3 , или 3 ⁄ 4
Внешний FEC	Необязательно RS (120, 110, T = 5 )	RS (204, 188, T = 8 )	RS (204, 188, t = 8 ) + mpe-fec	Код BCH (762, 752)	Код BCH	Никто
Максимальное путешествие скорость (км/ч)	200–600	53–185, варьируется в зависимости от частоты передачи
Время, чередующаяся глубина (MS)	384	0.6–3.5	0.6–3.5	200–500	До 250 (500 с рамкой удлинения)
Адаптивная передача	Никто	Никто	Никто		Никто
Метод множественного доступа	Никто	Никто	Никто		Никто
Типичное исходное кодирование	192 кбит/с MPEG2 Audio Layer 2	2–18 MBIT/S Стандарт - HDTV H.264 или MPEG2	H.264	Не определено (видео: MPEG-2, H.264, H.265 и/или AVS+ ; Audio: MP2 или DRA или AC-3 )	H.264 или MPEG2 (Audio: AAC HE, Dolby Digital AC-3 (A52), MPEG-2 AL 2)

Adsl

OFDM используется в ADSL -соединениях, которые следуют стандартам ANSI T1.413 и G.DMT (ITU G.992.1), где она называется дискретной мультитоновой модуляцией (DMT). DSL достигает высокоскоростных соединений данных на существующих медных проводах. OFDM также используется в стандартах преемников ADSL2 , ADSL2+ , VDSL , VDSL2 и G.Fast . ADSL2 использует переменную модуляцию поднесущего, в диапазоне от BPSK до 32768QAM (в терминологии ADSL это называется битовой загрузкой или битом на тон, от 1 до 15 бит на субсирер).

Длинные медные провода страдают от затухания на высоких частотах. Тот факт, что OFDM может справиться с этим селективным затуханием частоты и с узкополосными помехами, является основными причинами, по которой он часто используется в таких приложениях, как Modems ADSL .

Технология Powerline

OFDM используется многими устройствами Powerline для расширения цифровых соединений за счет питания. Адаптивная модуляция особенно важна с таким шумным каналом, как электрическая проводка. интеллектуального измерения средней скорости Некоторые модемы , «Prime» и «G3», использование OFDM на скромных частотах (30–100 кГц) со скромными количествами каналов (несколько сотен), чтобы преодолеть интерференцию межсимбола в среде линии электропередачи. Стандарты IEEE 1901 включают два несовместимых физических слоя, которые используют OFDM. Стандарт ITU-T G.HN , который обеспечивает высокоскоростную локальную сеть в области существующей домашней проводки (линии электропередач, телефонные линии и коаксиальные кабели), основан на слое PHY, который определяет OFDM с адаптивной модуляцией и паритетом низкой плотности-паритетом Проверьте ( LDPC ) FEC -код.

Сети беспроводных местных мест (LAN) и сети столичных мест (человек)

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 полосах 2,4 и 5 ГГц, указывает на воздушные скорости воздушных данных в диапазоне от 6 до 54 Мбит/с. Если оба устройства могут использовать «HT-режим» (добавлено с 802.11N ), скорость верхней 20 МГц на поток увеличивается до 72,2 Мбит/с, с опцией скорости передачи данных от 13,5 до 150 Мбит/с с помощью канала 40 МГц Полем Используются четыре различных 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 для текущих условий сигнала.

Беспроводные личные сети (PAN)

OFDM также теперь используется в стандарте Wimedia/ECMA-368 для высокоскоростных беспроводных сетей личных областей в спектре UltraWideband 3,1–10,6 ГГц (см. MultiBand-OFDM).

Земного цифрового радио и телевизионного вещания

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

DVB-T

С помощью Директивы Европейской комиссии все телевизионные услуги, передаваемые зрителям в европейском сообществе, должны использовать систему передачи, которая была стандартизирована признанным европейским органом стандартизации, и такой стандарт был разработан и кодифицирован проектом DVB, Digital Video Broadcasting (DVB); Структура кадрирования, кодирование канала и модуляция для цифрового наземного телевидения . Обычно называемый DVB-T, стандартные вызовы для эксклюзивного использования COFDM для модуляции. DVB-T в настоящее время широко используется в Европе и в других местах для наземного цифрового телевидения.

SDARS

Наземные сегменты систем Digital Audio Radio Service (SDARS), используемые спутниковым радио XM и спутникового радио Sirius, передаются с использованием кодированного OFDM (COFDM). Слово «кодированный» происходит от использования форвардной коррекции ошибок (FEC).

COFDM VS VSB

Вопрос о относительных технических достоинствах COFDM против 8VSB для наземного цифрового телевидения стал предметом некоторых противоречий, особенно между европейскими и североамериканскими технологами и регуляторами. Соединенные Штаты отклонили несколько предложений по принятию системы DVB-T на основе COFDM для своих цифровых телевизионных услуг, и в течение многих лет решили использовать 8VSB ( рудиментальную боковую модуляцию ) исключительно для наземного цифрового телевидения. Однако в ноябре 2017 года FCC одобрил добровольный переход к ATSC 3.0 , новый стандарт вещания, основанный на COFDM. В отличие от первого цифрового телевизионного перехода в Америке, телевизионным станциям не будет назначено отдельные частоты для передачи ATSC 3.0 и не обязаны переходить на ATSC 3.0 в любой крайний срок. Телевизии, продаваемые в США, также не обязаны включать возможности настройки ATSC 3.0. Наполненные телевизионные станции разрешается переключаться на ATSC 3.0, если они продолжают делать свой основной канал доступным через совместное соглашение с другой станцией на рынке (с аналогичной зоной покрытия) по крайней мере до ноября 2022 года.

Одним из основных преимуществ, предоставленных COFDM, является то, что радиопередачи относительно невосприимчивы к многолучевым искажениям и искуплению сигнала из -за атмосферных условий или проходящих самолетов. Сторонники COFDM утверждают, что он сопротивляется многолучевому, намного лучше, чем 8VSB. Ранние 8VSB DTV (цифровое телевидение) часто испытывали трудности с получением сигнала. Кроме того, COFDM допускает одночастотные сети , что невозможно при 8VSB.

Тем не менее, новые приемники 8VSB намного лучше справляются с многолучевым, следовательно, разница в производительности может уменьшаться с достижениями в дизайне эквалайзера.

Цифровое радио

COFDM также используется для других радио стандартов, для цифрового аудиовещания (DAB), стандарта для цифрового аудиовещания на частотах VHF для цифрового радио Mondiale (DRM), стандарта для цифрового вещания на коротковолновых и средних частотах (ниже 30 МГц. ) и для DRM+ более недавно введенный стандарт для цифрового аудиовещания на частотах VHF . (От 30 до 174 МГц)

Соединенные Штаты снова используют альтернативный стандарт, проприетарную систему, разработанную Ibiquity , получившим название HD Radio . Тем не менее, он использует COFDM в качестве основной технологии вещания для добавления цифрового аудио в AM (Medium Wave) и FM -трансляции.

Как цифровое радио Mondiale, так и HD-радио классифицируются как встроенные системы, в отличие от Eureka 147 (DAB: Digital Audio Broadcasting VHF или UHF ), в которой вместо этого используются отдельные частотные полосы .

BST-OFDM, используемый в ISDB

Система мультиплексирования мультиплексирования ( BST-OFDM ), сегментированная полосой, предложенная для Японии (в ISDB-T , ISDB-TSB и ISDB-C Systems) модулируется не так, как у других в одном и том же мультиплексе. Некоторые формы COFDM уже предлагают такую ​​иерархическую модуляцию , хотя BST-OFDM предназначен для того, чтобы сделать ее более гибкой. Таким образом, телевизионный канал 6 МГц может быть «сегментирован», причем различные сегменты модулируются по -разному и используются для разных служб.

Например, возможно отправить аудио -сервис в сегмент, который включает сегмент, состоящий из ряда носителей, услугу данных на другом сегменте и телевизионную службу на еще одном сегменте - все в том же канале 6 МГц. Кроме того, они могут быть модулированы с различными параметрами, так что, например, аудио и сервисы данных могут быть оптимизированы для мобильного приема, в то время как телевизионная служба оптимизирована для стационарного приема в среде с высоким содержанием мультипатов.

Ультра широкая

Ultra-AltraBide Технология беспроводной личной зоны (UWB) также может использовать OFDM, например, в многопользованной OFDM (MB-OFDM). Эта спецификация UWB поддерживается Альянсом Wimedia (ранее как Мультибанд Alliance Alliance [MBOA], так и Альянсом Wimedia, но они теперь объединились) и являются одним из конкурирующих радиоприемников UWB.

Flash-ofdm

Быстрый доступ с низкой задержкой с бесшовным ортогональным распределением, а также мультиплексированием дивизии (Flash-OFDM), также называемой F-OFDM, было основано на OFDM, а также указанных более высоких слоев протокола . Он был разработан Flarion и приобретен Qualcomm в январе 2006 года. Flash-Ofdm продавался в виде сотового носителя, переключенного в пакетах, чтобы конкурировать с сети GSM и 3G . В качестве примера, полосы частот 450 МГц, ранее используемые NMT-450 и C-NET C450 (обе аналоговые сети 1G, в настоящее время в основном выведенные из эксплуатации) в Европе лицензируются операторам Flash-OFDM.

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. В феврале 2012 года Datame объявила об обновлении сети 450 МГц до конкурирующей CDMA2000 . технологии

Словацкий Telekom в Словакии предлагает соединения Flash-Ofdm с максимальной нисходящей скоростью 5,3 Мбит/с и максимальной скоростью вверх по течению 1,8 Мбит/с, с охватом более 70 процентов славацкой популяции. Сеть Flash-Ofdm была отключена в большинстве Словакии 30 сентября 2015 года.

T-Mobile Germany использовал вспышки дот-точек Flash-OFRDM для горячих точек Wi-Fi в Deutsche Bahn's High Speed ​​Trains между 2005 и 2015 годами, пока не переключится на UMTS и LTE.

American Wireless Carrier Nextel Communications Field проверена технологии беспроводной широкополосной сети, включая Flash-OFDM в 2005 году. Sprint приобрел перевозчика в 2006 году и решил развернуть мобильную версию WiMax , которая основана на масштабируемой технологии ортогональной частоты частоты (SOFDMA).

Citizens Thone Coperative запустила мобильную широкополосную службу на основе технологии Flash-OFDM для подписчиков в некоторых частях Вирджинии в марте 2006 года. Максимальная доступная скорость составила 1,5 Мбит/с. Служба была прекращена 30 апреля 2009 года.

Вектор OFDM (VOFDM)

VOFDM был предложен Сян-Ген Ся в 2000 году ( «Труды ICC 2000» , «Новый Орлеан» и IEEE Trans. On Communications , август 2001 г.) для систем одно передаваемости антенн. VOFDM заменяет каждое скалярное значение в обычном OFDM на векторное значение и представляет собой мост между OFDM и эквалайзером с частотным доменом единого носителя (SC-FDE). Когда размер вектора $1$, это OFDM, и когда размер вектора, по крайней мере, длина канала, а размер FFT $1$, это sc-fde.

В vofdm предположим $M$ это размер вектора, и каждый скалярный сигнал $X_{n}$ в OFDM заменяется векторным сигналом ${\bf {X}}_{n}$векторного размера $M$, $0\leq n\leq N-1$Полем Человек берет $N$-Поверьте IFFT ${\bf {X}}_{n},0\leq n\leq N-1$, компонент, и получает еще одну векторную последовательность того же размера вектора $M$, ${\bf {x}}_{k},0\leq k\leq N-1$Полем Затем один добавляет вектор CP длины $\Gamma$ к этой векторной последовательности как

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

Эта векторная последовательность преобразуется в скалярную последовательность путем последовательности всех векторов размера $M$, который передается в направлении антенны последовательно.

При приемнике полученная скалярная последовательность сначала преобразуется в векторную последовательность размера вектора $M$Полем Когда длина КП удовлетворяет ${\textstyle \Gamma \geq \left\lceil {\frac {L}{M}}\right\rceil }$, затем после того, как вектор CP удаляется из векторной последовательности и $N$-Точка FFT реализована компонентом в целом для векторной последовательности длины $N$, можно получить

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

где ${\bf {W}}_{n}$ аддитивный белый шум и ${\textstyle {\bf {H}}_{n}={\bf {H}}{\mathord {\left(\exp {\mathord {\left({\frac {2\pi jn}{N}}\right)}}\right)}}={\bf {H}}(z)|_{z=\exp(2\pi jn/N)}}$ и ${\bf {H}}(z)$ это следующее $M\times M$ полифазная матрица канала ISI ${\textstyle H(z)=\sum _{k=0}^{L}h_{k}z^{-k}}$:

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

где ${\textstyle H_{m}(z)=\sum _{l}h_{Ml+m}z^{-l}}$ является $m$Полифазный компонент канала $H(z),0\leq m\leq M-1$Полем Из (1) можно увидеть, что оригинальный канал ISI преобразуется в $N$ Много векторных подкатлов размера вектора $M$Полем В этих векторных подкатлах нет ISI, но внутри каждого векторного подканала есть ISI. В каждом векторном подканале больше всего $M$ Многие символы мешают друг другу. Очевидно, когда размер вектора $M=1$, вышеуказанный VOFDM возвращается в OFDM и когда $M>L$ и $N=1$, это становится SC-FDE. Векторный размер $M$ это параметр, который можно свободно и правильно выбрать на практике и управлять уровнем ISI. Может быть компромисс между векторным размером $M$Сложность демодуляции в приемнике и размер БПФ, для данной полосы пропускания канала.

Обратите внимание, что длина части CP в последовательной форме не должна быть целочисленным кратным размером вектора, $\Gamma M$Полем Можно усечь вышеуказанный векторный CP до последовательного CP длины не меньше, чем длина канала ISI, что не повлияет на вышеуказанную демодуляцию.

Также обратите внимание, что существует много других различных обобщений/форм OFDM, чтобы увидеть их основные различия, очень важно, чтобы их соответствующие уравнения полученных сигналов демодулировали. Вышеуказанный VOFDM является самой ранней и единственной, которая достигает уравнения полученного сигнала (1) и/или его эквивалентной формы, хотя он может иметь различные реализации в передатчике по сравнению с разными алгоритмами IFFT.

Было показано (Yabo Li et al., IEEE Trans. При обработке сигнала , октябрь 2012 г.), что применяя линейный приемник MMSE к каждому векторному подканалу (1), он достигает многолучевого разнообразия и/или разнообразия пространства сигналов. Это связано с тем, что векторизованные матрицы канала в (1) являются псевдоциркулянтом и могут быть диагонализированы $M$-Потренируйте матрицу DFT/IDFT с некоторыми диагональными матрицами сдвига фазы. Затем правая матрица DFT/IDFT и $k$Диагональная фазовая матрица сдвига в диагонализации можно продумать о предварительном кодировании вектору символа входной информации ${\bf {X}}_{k}$ в $k$Sub -Vector -канал, и все векторизованные подканалы становятся диагональными каналами $M$ дискретные частотные компоненты из $MN$-Поверьте DFT оригинального канала ISI. Он может собирать многолучевое разнообразие и/или разнообразие пространства сигналов, аналогичное предварительному предварительному, для сбора разнообразия пространства сигналов для систем отдельных антенн для борьбы с беспроводным затуханием или диагональным кодированием блока пространства-времени для сбора пространственного разнообразия для множественных антенных систем. Детали относятся к IEEE TCOM и IEEE TSP -документам, упомянутым выше.

Вейвлет-оф

OFDM стал интересной техникой для линии электропередачи (ПЛК). В этой области исследований введено вейвлет -преобразование, чтобы заменить DFT как метод создания ортогональных частот. Это связано с преимуществами предложения вейвлетов, которые особенно полезны для шумных линий электропередачи.

Вместо использования IDFT для создания сигнала отправителя вейвлет OFDM использует банк синтеза, состоящий из $N$-Дапад трансмультиплекзер с последующей функцией преобразования

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

На стороне приемника аналитический банк снова используется для демодуляции сигнала. Этот банк содержит обратное преобразование

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

с последующим другим $N$-В -трансмультиплекзер. Взаимосвязь между обеими функциями преобразования

${\begin{aligned}f_{n}(k)&=g_{n}(L-1-k)\\F_{n}(z)&=z^{-(L-1)}G_{n}*(z-1)\end{aligned}}$

В примере WOFDM используется идеальная модулированная реконструкция косинусного банка фильтров (PR-CMFB) и расширенное преобразование (ELT) используется для вейвлета TF. Таким образом, $\textstyle f_{n}(k)$ и $\textstyle g_{n}(k)$ даны как

${\begin{aligned}f_{n}(k)&=2p_{0}(k)\cos \left[{\frac {\pi }{N}}\left(n+{\frac {1}{2}}\right)\left(k-{\frac {L-1}{2}}\right)-(-1)^{n}{\frac {\pi }{4}}\right]\\g_{n}(k)&=2p_{0}(k)\cos \left[{\frac {\pi }{N}}\left(n+{\frac {1}{2}}\right)\left(k-{\frac {L-1}{2}}\right)+(-1)^{n}{\frac {\pi }{4}}\right]\\P_{0}(z)&=\sum _{k=0}^{N-1}z^{-k}Y_{k}\left(z^{2N}\right)\end{aligned}}$

Эти две функции являются их соответствующими обращениями и могут использоваться для модуляции и демодуляции данной входной последовательности. Как и в случае с DFT, вейвлет -преобразование создает ортогональные волны с $\textstyle f_{0}$, $\textstyle f_{1}$, ..., $\textstyle f_{N-1}$Полем Орхональность гарантирует, что они не мешают друг другу и могут быть отправлены одновременно. У приемника, $\textstyle g_{0}$, $\textstyle g_{1}$, ..., $\textstyle g_{N-1}$ используются для восстановления последовательности данных еще раз.

Преимущества по сравнению с стандартным OFDM

WOFDM-это эволюция стандарта OFDM с определенными преимуществами.

Главным образом уровни WOFDM на боковой стороне ниже. Это приводит к меньшему количеству ICI, а также к большей устойчивости к узкополосной интерференции. Эти два свойства особенно полезны в PLC, где большинство линий не защищены от Em-Noise, что создает шумные каналы и шумовые шипы.

Сравнение между двумя методами модуляции также показывает, что сложность обоих алгоритмов остается примерно одинаковой.

Другие ортогональные преобразования

Подавляющее большинство реализаций OFDM использует быстрое преобразование Фурье (БПФ). Однако существуют другие ортогональные преобразования, которые могут быть использованы. Например, системы OFDM на основе Discrete Hartley Transform (DHT) и вейвлет -преобразование были исследованы.

История

• 1957: Kineplex, Multi-Carrier HF Modem (RR Mosier & RG Clabaugh)
• 1966: Чанг, Белл Лаборатории: OFDM Paper и патент
• 1971: Weinstein & Ebert предложили использовать FFT и обстоятельство
• 1985: Cimini описал использование OFDM для мобильной связи
• 1985: Telebit Trailblazer Modem представил ансамбль пакета 512 ( 18 432 бит/с )
• 1987: Alard & LaSalle: COFDM для цифрового вещания
• 1988: в сентябре TH-CSF LER, первая экспериментальная цифровая телевизионная ссылка в OFDM, Parise Area
• 1989: Международная заявка на патент OFDM
• Октябрь 1990: TH-CSF LER, First OFDM Equipment Field Test, 34 MBIT/S в канале 8 МГц, эксперименты в районе Парижа
• Декабрь 1990: TH-CSF LER, первое сравнение испытательного расстава OFDM с VSB в Принстоне, США.
• Сентябрь 1992: TH-CSF LER, полевой тест оборудования второго поколения, 70 Мбит/с в канале 8 МГц, двойные поляризации. Вуппертал, Германия
• Октябрь 1992: TH-CSF LER, Полевое испытание и испытательный стенд второго поколения с BBC, недалеко от Лондона, Великобритания
• 1993: Show TH-CSF в Montreux SW, 4-канальный канал и один канал HDTV в одном канале 8 МГц
• 1993: Моррис: Экспериментальная 150 Мбит/с беспроводная локальная сеть OFDM
• 1995: ETSI Digital Audio Trowercing Standard Eureka: First OFDM Standard
• 1997: ETSI DVB-T стандарт
• 1998: проект Magic Wand демонстрирует модемы OFDM для беспроводной локальной сети
• 1999: IEEE 802.11a Беспроводная локальная локальная сеть (Wi-Fi)
• 2000: Собственное фиксированный беспроводной доступ (V-OFDM, Flash-Ofdm и т. Д.)
• Май 2001: FCC позволяет OFDM в лицензии 2,4 ГГц.
• 2002: IEEE 802.11G Стандарт для беспроводной локальной сети
• 2004: IEEE 802.16 Стандарт для беспроводного человека (WiMAX)
• 2004: ETSI DVB-H стандарт
• 2004: кандидат на стандарт IEEE 802.15.3a для беспроводной кастрюли (MB-OFDM)
• 2004: кандидат на стандарт IEEE 802.11n для беспроводной локальной сети следующего поколения
• 2005: OFDMA является кандидатом на 3GPP Evolution (LTE). долюную линейку
• 2007: была продемонстрирована первая полная реализация интерфейса LTE Air, в том числе OFDM-MIMO, SC-FDMA и многопользовательский MIMO UPLINK

Смотрите также

• Стандарты ATSC
• Несущая интерферометрия
• N-ofdm
• Ортогональная частота времени и пространство (OTF)
• Поляризация мультиплексирования
• Одиночный FDMA (SC-FDMA)
• Обозначение частотного домена с одним носителем (SC-FDE)

Дальнейшее чтение

• Банк, М. (2007). «Система, свободная от задач канала, присущих изменению систем мобильной связи». Электроника буквы . 43 (7): 401–402. Bibcode : 2007ell .... 43..401b . doi : 10.1049/el: 20070014 .
• США 7986740 , Банк, Майкл; Hill, Boris & Bank, Miriam et al., «Система беспроводной мобильной связи без пилотных сигналов», опубликовано 2011-07-26  

Внешние ссылки

• Многочисленные полезные ссылки и ресурсы для OFDM - WCSP Group - Университет Южной Флориды (USF)
• Форум WiMax, WiMAX, стандарт фреймворта для мобильной личной широкополосной связи 4G
• Stott, 1997 [1] Техническая презентация JH Stott из BBC's R & D Division, предоставлена ​​на 20 Международном телевизионном симпозиуме в 1997 году; Этот URL доступен 24 января 2006 года.
• Страница на ортогональном частоте мультиплексирования по адресу https://web.archive.org/web/20090325005048/http://www.iss.rwth-aachen.de/projekte/theo/ofdm/node6.html доступа к 24 сентября 2007 г. Полем
• Учебное пособие по значению циклического префикса (CP) в системах OFDM Архивировал 2023-10-05 на машине Wayback .
• Siemens Demos 360 Mbit/S Wireless
• Введение в ортогональную частоту мультиплексную технологию
• Краткое введение в OFDM -Учебное пособие, написанное профессором Деббой, глава стула Alcatel-Lucent по гибкому радио.
• Короткий бесплатный учебник по архивированию COFDM 2011-07-10 в The Wayback Machine от Mark Massel, ранее в Stmicroelectronics и в индустрии цифровых телевидений в течение многих лет.
• Популярная книга на COFDM и US ATSC Archived 2011-02-02 в The Wayback Machine от Mark Massel
• OFDM передача шаг за шагом-онлайн-эксперимент
• Моделирование оптических систем OFDM