Сравнение характеристик систем связи с OFDM и Fast-OFDM при многолучевом распространении
РЕЗЮМЕ
Fast-OFDM – это модифицированная схема, которая предлагает удвоить эффективность полосы пропускания по сравнению с OFDM. Производительность систем Fast-OFDM, однако, сильно снижаются, когда полученные поднесущие смещены. Эта статья исследует характеристики Fast-OFDM в типичной многолучевой среде распространения. Итоговые результаты сравнены с теми, которые были получены в схожих системах, использующих OFDM модуляцию.
ВВЕДЕНИЕ
Повышение требований к системам и сервисам беспроводной передачи данных вводит новые технологии, позволяющие достичь более высоких скоростей обработки информации. Деление спектра на множество ортогональных поднесущих с добавлением циклического префикса (защитного интервала) делает сигнал устойчивым при многолучевом распространении с задержкой, позволяет использовать более сложные преобразующие технологии, что приводит к увеличению скоростей передачи данных.
В последние годы был предложен новый тип модуляции, который является разновидностью OFDM. Fast-OFDM основан на принципе OFDM с преимуществом в удвоенной эффективности полосы пропускания. Это достигается путём применения принципа минимальной частотной манипуляции MSK (Minimum Shift Keying) к OFDM. Другими словами пространство между поднесущими в Fast-OFDM в 2 раза меньше по сравнению с OFDM. Недостатком такого метода является то, что он может быть использован только в сочетании с одномерными модуляционными схемами. В этой работе представлен более детальный анализ эффекта замирания при многолучевом распространении, возникающий при применении в системах Fast-OFDM. Более конкретно система протестирована в разных средах распространения сигнала стандарта GSM: сельская местность, городская местность и холмистая местность. Результаты сравнены со схожими системами, использующими OFDM модуляцию. Обе системы смоделированы для работы в пределах ширины спектра GSM.
ОСНОВНАЯ ТЕОРИЯ
OFDM – это ортогональное частотное мультиплексирование. Его основная концепция состоит в разделении доступной ширины полосы на определённое количество перекрывающихся поднесущих, ортогональных друг к другу. Таким образом, N низкоскоростных потоков модулирует N ортогональных подчастот. Чтобы поднесущие оставались ортогональны, их частотное разнесение должно равняться 
Гц, где T – это длительность сигнального интервала в каждой поднесущей. Ортогональность подчастот гарантирует, что сигнал может быть восстановлен приёмником без интерференционных помех при использовании методов корреляции. Комплексное представление огибающей имеет вид:
,(1) (2)
где an,k – комплексный символ, переданный на n-ой поднесущей на k-ом сигнальном интервале, N – число поднесущих, gn(t – kT) представляет сложный сигнал (сложную подчастоту), используемый в тот же временной слот и подканал, T – длительность сигнального интервала и TCP – длительность циклического префикса.
Fast-OFDM по свойствам схож с OFDM с той лишь разницей, что в Fast-OFDM разнос частот поднесущих поделён надвое, и составляет 
Гц.
Комплексное представление огибающей FOFDM сигнала выражается так:
. (3) (4)
Рисунок 1 показывает сигнальные созвездия для 8 подчастот OFDM/BPSK и FOFDM/BPSK сигнала.
Рис.1 Сигнальные созвездия в системах с OFDM (слева) и FOFDM (справа)
Согласно рис.1 видно, что информация получена корректно, однако, из-за межканальных интерференционных помех, присутствуют дополнительные мнимые составляющие. Таким образом, передаваемая информация может быть восстановлена через вещественную часть полученного сигнала. С другой стороны, когда применяется иная модуляция, например, QPSK, присутствует межканальная интерференция и в вещественной, и в мнимой части информации, которая приводит к затруднённому восстановлению сигнала на приёмной стороне.
МОДЕЛИРОВАНИЕ FOFDM И OFDM СИСТЕМ
В этой модели модулируемая двойной фазовой манипуляцией BPSK информация конвертируется из частотной во временную область представления с использованием БПФ (64 выборки). Fast-OFDM сигнал создаётся путём отбрасывания последних (
) отсчётов. Это удовлетворяет уравнениям (3) и (4). Дополнительный N/2 защитный интервал затем вставляется в Fast-OFDM кадр с использованием свойства циклического префикса. Таким образом, Fast-OFDM система может выдерживать задержку распространения в 160 мкс. Созданная система имеет эффективную скорость передачи 200 Кбит/с. При настройке времени выборки в 10 мкс ширина полосы Fast-OFDM системы равна 100 кГц.
В результате, каждая из 64 поднесущих разделена на 1,5625 кГц. В итоге, сигнал конвертируется до РЧ в QAM-модуляторе. РЧ сигнал переходит в модель канала, которая вносит различные эффекты, такие как многолучевое замирание и Доплеровское растяжение. Потом Fast-OFDM радиосигнал принимается через QAM-модулятор. После удаления защитного интервала Fast-OFDM сигнал поступает на 64-разрядный FFT, где потерянные (N/2 – 1) отсчёта заменяются нулями. На выходе FFT, в отсутствие искажений, получаем восстановленную BPSK информацию, имеющую констелляционную диаграмму, как на Рисунке 1 справа.
OFDM система состоит из таких же расчётных операций, что и Fast-OFDM модель. Используется 64-разрядное БПФ с дополнительными N/2 отсчётами (для защитного интервала). В соответствии с такой же скоростью передачи данных, как и в FOFDM, время выборки установлено равным 5 мкс. Поднесущие здесь разнесены на 3,125 кГц, что даёт 200 кГц ширины полосы, что в свою очередь превышает полосу частот в Fast-OFDM, но при этом сигнал остаётся в полосе спектра GSM.
РЕЗУЛЬТАТЫ
A. GSM в сельской местности.
Сельская местность характеризуется малой задержкой распространения (макс. Задержка 0,6 мкс). Есть два типа распространения сигнала GSM в сельской местности. Первый имеет 6-кратную задержку канала, второй – 4-кратную.
Рисунок 3 иллюстрирует характеристики OFDM и Fast-OFDM каналов в условиях сельской местности при различных значениях отношения сигнал/шум. OFDM относительно Fast-OFDM имеет преимущество в 3дБ.
B. GSM на холмистой местности.
Холмистую местность можно представить в виде сельской местности с большими задержками в распространении (мин. 0,6 мкс и макс 20 мкс). Модель многолучевого затухания стандарта GSM имеет 4 разные среды: две модели с 6-кратной и две модели с 12-кратной задержкой. Рисунок 4 иллюстрирует характеристики OFDM и Fast-OFDM каналов в условиях холмистой местности при различных значениях отношения сигнал/шум. OFDM над Fast-OFDM имеет значительное преимущество по показателю скорости битовой ошибки BER.
C. GSM в городской местности
Высокие здания и сооружения в городе являются причиной множества относительно длительных задержек. Городская среда распространения в стандарте GSM определяется задержками в 5 мкс, самая высокая возможная величина задержки. Модель затухания d GSM имеет 4 разных типа для городской среды: две модели с 6-кратной и две модели с 12-кратной задержкой. Рисунок 5 иллюстрирует характеристики обеих систем в условиях города при различных значениях отношения сигнал/шум. Важно отметить, что обе системы имеют идентичные характеристики.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Результат показал, что к относительно большим задержкам таким, как в холмистой местности, Fast-OFDM более чувствителен к ошибкам из-за малого расстояние между поднесущими. С другой стороны, когда подразумеваются малые и средние значения задержек, как в городской среде, характеристики обеих систем идентичны.
В то же время, данный вид мультиплексирования налагает условия на тип модуляции, используемый в дальнейшем. Только применение двойной частотной манипуляции может быть эффективным в случае уменьшения вдвое расстояния между поднесущими. Иначе, используя более сложные модуляционные схемы, на приёмной стороне корректно восстановить переданную информацию не удастся.