Особенностью линии «вниз» сети E-UTRAN является использование технологии множественного доступа SC-FDMA (Single Carrier – Frequency Division Multiple Access) c одной несущей частотой и средней мощностью передачи PAPR (Peak-to-Average Power Ratio). Исключение взаимного влияния пользователей достигается введением циклических префиксов и использованием эффективных эквалайзеров в приемных устройствах. Интервал времени передачи TTI в линии «вверх» сети E-UTRAN соответствует TTI в линии «вниз» и равен 0.5 мс. Возможно использование увеличенного TTI для специальных типов соединений (услуг). Основная конфигурация антенн линии «вверх» при использовании MIMO предполагает использование двух передающих антенн на мобильном терминале и двух приемных антенн на базовой станции.
SC-FDMA представляет собой гибридную схему передачи, которая сочетает низкие значения PAR, присущие системам с одной несущей, таким как GSM и CDMA, с большой длительностью символа и гибким распределением частот OFDM. Принципы генерации сигнала SC-FDMA показаны на рисунке 1, который является фрагментом одного из рисунков отчета 3GPP TR 25.814 об исследовании физического уровня LTE.
Рис. 1. Генерация сигнала SC-FDMA
Прохождение сигнала в восходящем канале связи (Uplink).
Рис. 2. Сравнение передачи серии символов данных QPSK в OFDMA и SC-FDMA
В левой части рисунка 1 символы данных представлены во временной области. Символы преобразуются в частотную область с помощью быстрого преобразования Фурье и затем, в частотной области, они распределяются в нужные места общего спектра несущей. Затем их требуется снова преобразовать во временную область, чтобы перед передачей добавить к ним циклический префикс.
Рис. 3. Создание символа SC-FDMA во временной области
Рис. 4. Представление символа SC-FDMA в полосе модулирующего сигнала и со сдвигом по частоте.
В продолжение графического сравнения OFDMA и SC-FDMA на рисунках 3 и 4 показан детальный процесс генерации сигнала SC-FDMA. Сначала создается представление последовательности символа данных во временной области, как показано на рисунке 3. В данном примере с четырьмя поднесущими для генерации одного символа SC-FDMA требуются четыре символа данных. Используя первые четыре цветных символа QPSK (см. рис. 2), процесс создает один символ SC-FDMA во временной области, рассчитывая траекторию, переходящую от одного символа данных QPSK к другому. Это делается со скоростью в M раз выше скорости символов SC-FDMA, так что в результате один символ SC-FDMA содержит M последовательных символов данных QPSK. Чтобы не усложнять рассмотрение, мы не будем обсуждать фильтрацию переходов между символами, хотя в любой реальной схеме такая фильтрация обязательно присутствует.
В частотной и временной областях показано, как OFDMA и SC-FDMA передают последовательность из восьми символов QPSK. В этом упрощенном примере число поднесущих (M) было сокращено до четырех. Для OFDMA четыре (M) символа обрабатываются параллельно, причем каждый из них модулируется собственной поднесущей с соответствующей фазой QPSK. Каждый символ данных занимает полосу 15 кГц на время передачи одного символа OFDMA, которое равно 66,7 мкс. В начале следующего символа OFDMA вставляется защитный интервал, содержащий циклический префикс (CP). CP представляет собой копию конца символа, добавленную к началу символа. Благодаря параллельной передаче, символы данных имеют ту же длину, что и символы OFDMA.
В случае SC-FDMA символы данных передаются последовательно. Поскольку в данном примере используются четыре поднесущих, за один период символа SC-FDMA передаются четыре символа данных. Период символа SC-FDMA имеет ту же длину, что и символ OFDMA, т.е. 66,7 мкс, но благодаря последовательной передаче символы данных получаются короче, т.е. равными 66,7/M мкс. В связи с повышением скорости следования символов для их передачи требуется более широкая полоса. В результате каждый символ занимает в спектре 60 кГц, а не 15 кГц, как было в случае более медленных символов, используемых в OFDMA. После передачи четырех символов данных вставляется CP.
Рис.5 Преобразование данных в модуляции SC-FDMA.
Сама процедура формирования SC-FDMA-сигнала отличается от схемы OFDMA. После канального кодирования, скремблирования и формирования модуляционных символов они группируются в блоки по М символов – субсимволов SC-FDMA. Очевидно, что непосредственно отнести их на поднесущие с шагом 15 кГц невозможно – требуется в
N раз более высокая частота, где N – это число доступных для передачи поднесущих. Поэтому, сформировав группы по М модуляционных символов (М < N), их подвергают М-точечному дискретному Фурье-преобразованию (ДПФ), т.е. формируют аналоговый сигнал. А уже затем с помощью стандартной процедуры обратного N-точечного Фурье-преобразования синтезируют сигнал, соответствующий независимой модуляции каждой поднесущей, добавляют циклический префикс и генерируют выходной ВЧ-сигнал.
После создания IQ-представления одного символа SC-FDMA во временной области следующим шагом является представление его в частотной области с помощью дискретного преобразования Фурье (DFT; см. рис. 4). Частота дискретизации DFT выбирается таким образом, чтобы форма одного символа SC-FDMA во временной области полностью представлялась M бинами DFT, отстоящими друг от друга на 15 кГц, причем каждый бин представляет одну поднесущую с постоянной амплитудой и фазой в течение одного периода символа SC-FDMA равного 66,7 мкс. При этом всегда существует однозначное соответствие между числом символов данных, передаваемых за один период символа SC-FDMA, и числом создаваемых бинов DFT, которое, в свою очередь, равно числу занимаемых поднесущих. Это достаточно логично: с ростом числа символов данных, передаваемых за один период SC-FDMA, сигнал во временной области изменяется быстрее, что приводит к расширению полосы и, следовательно, требует большего числа бинов DFT для полного представления сигнала в частотной области.
Дискретное преобразование Фурье по M- точкам.
Способы распределения поднесущих в SC-FDMA
При формировании группового сигнала в линии «вверх» для каждого терминала решается, какая часть поднесущих используется (заполняется данными), а какая нет (заполняется «нулями») (см. рис. 12).
Распределение ресурсов, в зависимости от затухания в каналах.
Присваивает поднесущих для пользователей идет в соответствии с частотной характеристикой каналов каждого пользователя.
Стойкость к многолучевому распространению
Теперь самое время задать вопрос: «Как же может SC-FDMA сохранить стойкость к многолучевому распространению при столь коротких символах данных?». В OFDMA модулирующие символы данных остаются постоянными в течение периода символа OFDMA равного 66,7 мкс, тогда как символ SC-FDMA меняется со временем, поскольку содержит M коротких символов данных. Стойкость к многолучевому распространению процесса демодуляции OFDMA обусловлена большой длиной символов данных, которые накладываются непосредственно на отдельные поднесущие. К счастью, стойкость к разбросу задержки обусловлена именно постоянной природой каждой поднесущей, а не постоянством символов данных. Как показано выше, DFT изменяющегося во времени символа SC-FDMA создает набор бинов DFT, постоянных в течение символа SC-FDMA, несмотря на то, что модулирующие символы данных при этом изменяются. В этом и заключается основное свойство процесса DFT, что изменяющийся во времени символ SC-FDMA, состоящий из M последовательных символов данных, представляется в частотной области M не меняющимися во времени поднесущими. Таким образом, даже SC-FDMA с присущими ему короткими символами данных обладает достаточной стойкостью к многолучевому распространению. Теперь для завершения генерации сигнала SC-FDMA выполняются те же операции, что и для OFDMA. Обратное БПФ преобразует смещенный по частоте сигнал во временную область, а затем добавление CP обеспечивает свойственную OFDMA фундаментальную стойкость к многолучевому распространению.
Взаимосвязь модуляции OFDMA и SC-FDMA.
Рисунок 5 иллюстрирует близкую взаимосвязь между SC-FDMA и OFDMA. Оранжевые блоки показывают обработку OFDMA, а синие блоки представляют дополнительную обработку во временной области, необходимую для SC-FDMA. Главное, что следует отметить, это то, что сигнал, преобразованный из частотной области обратно во временную область, представляет собой ни что иное, как смещенную по частоте версию последовательности символов QPSK. Данный пример демонстрирует основную причину создания SC-FDMA, а именно, PAR конечного сигнала не превышает PAR исходных символов данных, которые в данном случае являются символами QPSK. Это существенно отличается от OFDMA, где параллельная передача тех же символов QPSK создает статистические пики, очень похожие на Гауссовский шум, которые значительно превышают PAR исходных символов данных. Ограничение PAR с помощью SC-FDMA существенно снижает потребность в том, чтобы мобильное устройство работало с высокими пиками мощности. Это снижает и затраты, и энергопотребление.
SC-FDMA представляет собой гибридную схему передачи, которая сочетает низкие значения PAR, присущие системам с одной несущей, таким как GSM и CDMA, с большой длительностью символа и гибким распределением частот OFDM. Принципы генерации сигнала SC-FDMA показаны на рисунке 1, который является фрагментом одного из рисунков отчета 3GPP TR 25.814 об исследовании физического уровня LTE.
Рис. 1. Генерация сигнала SC-FDMA
Прохождение сигнала в восходящем канале связи (Uplink).
Рис. 2. Сравнение передачи серии символов данных QPSK в OFDMA и SC-FDMA
В левой части рисунка 1 символы данных представлены во временной области. Символы преобразуются в частотную область с помощью быстрого преобразования Фурье и затем, в частотной области, они распределяются в нужные места общего спектра несущей. Затем их требуется снова преобразовать во временную область, чтобы перед передачей добавить к ним циклический префикс.
Рис. 3. Создание символа SC-FDMA во временной области
Рис. 4. Представление символа SC-FDMA в полосе модулирующего сигнала и со сдвигом по частоте.
В продолжение графического сравнения OFDMA и SC-FDMA на рисунках 3 и 4 показан детальный процесс генерации сигнала SC-FDMA. Сначала создается представление последовательности символа данных во временной области, как показано на рисунке 3. В данном примере с четырьмя поднесущими для генерации одного символа SC-FDMA требуются четыре символа данных. Используя первые четыре цветных символа QPSK (см. рис. 2), процесс создает один символ SC-FDMA во временной области, рассчитывая траекторию, переходящую от одного символа данных QPSK к другому. Это делается со скоростью в M раз выше скорости символов SC-FDMA, так что в результате один символ SC-FDMA содержит M последовательных символов данных QPSK. Чтобы не усложнять рассмотрение, мы не будем обсуждать фильтрацию переходов между символами, хотя в любой реальной схеме такая фильтрация обязательно присутствует.
В частотной и временной областях показано, как OFDMA и SC-FDMA передают последовательность из восьми символов QPSK. В этом упрощенном примере число поднесущих (M) было сокращено до четырех. Для OFDMA четыре (M) символа обрабатываются параллельно, причем каждый из них модулируется собственной поднесущей с соответствующей фазой QPSK. Каждый символ данных занимает полосу 15 кГц на время передачи одного символа OFDMA, которое равно 66,7 мкс. В начале следующего символа OFDMA вставляется защитный интервал, содержащий циклический префикс (CP). CP представляет собой копию конца символа, добавленную к началу символа. Благодаря параллельной передаче, символы данных имеют ту же длину, что и символы OFDMA.
В случае SC-FDMA символы данных передаются последовательно. Поскольку в данном примере используются четыре поднесущих, за один период символа SC-FDMA передаются четыре символа данных. Период символа SC-FDMA имеет ту же длину, что и символ OFDMA, т.е. 66,7 мкс, но благодаря последовательной передаче символы данных получаются короче, т.е. равными 66,7/M мкс. В связи с повышением скорости следования символов для их передачи требуется более широкая полоса. В результате каждый символ занимает в спектре 60 кГц, а не 15 кГц, как было в случае более медленных символов, используемых в OFDMA. После передачи четырех символов данных вставляется CP.
Рис.5 Преобразование данных в модуляции SC-FDMA.
Сама процедура формирования SC-FDMA-сигнала отличается от схемы OFDMA. После канального кодирования, скремблирования и формирования модуляционных символов они группируются в блоки по М символов – субсимволов SC-FDMA. Очевидно, что непосредственно отнести их на поднесущие с шагом 15 кГц невозможно – требуется в
N раз более высокая частота, где N – это число доступных для передачи поднесущих. Поэтому, сформировав группы по М модуляционных символов (М < N), их подвергают М-точечному дискретному Фурье-преобразованию (ДПФ), т.е. формируют аналоговый сигнал. А уже затем с помощью стандартной процедуры обратного N-точечного Фурье-преобразования синтезируют сигнал, соответствующий независимой модуляции каждой поднесущей, добавляют циклический префикс и генерируют выходной ВЧ-сигнал.
После создания IQ-представления одного символа SC-FDMA во временной области следующим шагом является представление его в частотной области с помощью дискретного преобразования Фурье (DFT; см. рис. 4). Частота дискретизации DFT выбирается таким образом, чтобы форма одного символа SC-FDMA во временной области полностью представлялась M бинами DFT, отстоящими друг от друга на 15 кГц, причем каждый бин представляет одну поднесущую с постоянной амплитудой и фазой в течение одного периода символа SC-FDMA равного 66,7 мкс. При этом всегда существует однозначное соответствие между числом символов данных, передаваемых за один период символа SC-FDMA, и числом создаваемых бинов DFT, которое, в свою очередь, равно числу занимаемых поднесущих. Это достаточно логично: с ростом числа символов данных, передаваемых за один период SC-FDMA, сигнал во временной области изменяется быстрее, что приводит к расширению полосы и, следовательно, требует большего числа бинов DFT для полного представления сигнала в частотной области.
Дискретное преобразование Фурье по M- точкам.
Способы распределения поднесущих в SC-FDMA
При формировании группового сигнала в линии «вверх» для каждого терминала решается, какая часть поднесущих используется (заполняется данными), а какая нет (заполняется «нулями») (см. рис. 12).
Распределение ресурсов, в зависимости от затухания в каналах.
Присваивает поднесущих для пользователей идет в соответствии с частотной характеристикой каналов каждого пользователя.
Стойкость к многолучевому распространению
Теперь самое время задать вопрос: «Как же может SC-FDMA сохранить стойкость к многолучевому распространению при столь коротких символах данных?». В OFDMA модулирующие символы данных остаются постоянными в течение периода символа OFDMA равного 66,7 мкс, тогда как символ SC-FDMA меняется со временем, поскольку содержит M коротких символов данных. Стойкость к многолучевому распространению процесса демодуляции OFDMA обусловлена большой длиной символов данных, которые накладываются непосредственно на отдельные поднесущие. К счастью, стойкость к разбросу задержки обусловлена именно постоянной природой каждой поднесущей, а не постоянством символов данных. Как показано выше, DFT изменяющегося во времени символа SC-FDMA создает набор бинов DFT, постоянных в течение символа SC-FDMA, несмотря на то, что модулирующие символы данных при этом изменяются. В этом и заключается основное свойство процесса DFT, что изменяющийся во времени символ SC-FDMA, состоящий из M последовательных символов данных, представляется в частотной области M не меняющимися во времени поднесущими. Таким образом, даже SC-FDMA с присущими ему короткими символами данных обладает достаточной стойкостью к многолучевому распространению. Теперь для завершения генерации сигнала SC-FDMA выполняются те же операции, что и для OFDMA. Обратное БПФ преобразует смещенный по частоте сигнал во временную область, а затем добавление CP обеспечивает свойственную OFDMA фундаментальную стойкость к многолучевому распространению.
Взаимосвязь модуляции OFDMA и SC-FDMA.
Рисунок 5 иллюстрирует близкую взаимосвязь между SC-FDMA и OFDMA. Оранжевые блоки показывают обработку OFDMA, а синие блоки представляют дополнительную обработку во временной области, необходимую для SC-FDMA. Главное, что следует отметить, это то, что сигнал, преобразованный из частотной области обратно во временную область, представляет собой ни что иное, как смещенную по частоте версию последовательности символов QPSK. Данный пример демонстрирует основную причину создания SC-FDMA, а именно, PAR конечного сигнала не превышает PAR исходных символов данных, которые в данном случае являются символами QPSK. Это существенно отличается от OFDMA, где параллельная передача тех же символов QPSK создает статистические пики, очень похожие на Гауссовский шум, которые значительно превышают PAR исходных символов данных. Ограничение PAR с помощью SC-FDMA существенно снижает потребность в том, чтобы мобильное устройство работало с высокими пиками мощности. Это снижает и затраты, и энергопотребление.
