TEHNIKE PRENOSA SA VIESTRUKIM NOSIOCIMA Tehnike viestrukih nosilaca

TEHNIKE PRENOSA SA VIŠESTRUKIM NOSIOCIMA Tehnike višestrukih nosilaca Da bi se diversity tehnikama ostvarili željeni efekti neophodno je obezbijediti frekvencijski ravan feding na prijemu, a to znači da opseg prenošenog signala treba da bude uži od koherentnog opsega kanala. To znači da će širina spektra prenošenog signala biti limitirana koherentnim opsegom kanala. Dalje povećanje brzine signaliziranja na kanalu dovelo bi do pojave frekvencijski selektivnog fedinga, koji će limitirati informacioni kapacitet kanala u sistemu u kome se prenos obavlja jednim nosiocem (SC- Single Carrier). Rješenje ovog problema traži se u prenosu signala pomoću višestrukih nosilaca (MCMulti Carrier). Na sledećoj slici se prikazuje koncept višestrukih nosilaca.

OFDM predstavlja paralelnu transmisionu šemu kojom se ulazni signal konvertuje u set paralelnih signala nižeg protoka, pri čemu svaki od njih moduliše posebne ortogonalne podnosioce. Na taj način opseg signala oko podnosilaca postaje manji od koherentnog opsega kanala. Time se postiže da su signali u pojedinim granama izloženi ravnom fedingu, odnosno da su simboli u paralelnim granama znatno dužeg trajanja u poređenju sa delay spread-om. Ortogonalnost podnosilaca omogućava djelimično preklapanje opsega između susjednih podnosilaca, što povećava spektralnu efikasnost ovakve modulacione šeme. U OFDM tehnici su inkorporirana tri osnovna principa. Prvi je korišćenje inverzne diskretne Fourrier-ove transformacije (IDFT) i diskretne Fourier-ove transformacije (DFT) za realizaciju modulacije ortogonalnih podnosilaca u pojedinim granama i odgovarajuću demodulaciju. Drugi princip je dodavanje cikličnog prefiksa kao zaštitnog (guard) intervala (GI) efektivnom simbolu, tako da isti bude veći od maksimalnog kašnjenja na kanalu koje je izazvano multipath propagacijom. Na taj način se eliminiše intersimbolska interferencija (ISI) između OFDM simbola. Korekcija greške (Forward Error Correction - FEC) i mješanje (interleaving) u frekvencijskom domenu predstavljaju treći osnovni princip,

Na slici je prikazana simpleksna veza od tačke do tačke (point-to-point) korišćenjem OFDM tehnike.

Modelovanje OFDM signala Jedan od elemenata simpleks veze sa prethodne slike je i OFDM modulator. Njegova principska blok šema je prikazana na sledećoj slici.

Ulazni simboli u OFDM modulator su mapirani simboli, najčešće iz PSK (Phase Shift Keying) ili QAM (Quadrature Amplitude Modulation) signalne konstelacije. K ulaznih simbola, na izlazu iz konvertora serije u paralelu, moduliše set od K ortogonalnih nosilaca (podnosioci). Tako modulisani podnosioci iz svake grane se sabiraju, dodaje im se zaštitni interval (GI) i vrši se uobličavanje dobijenog simbola odgovarajućom funkcijom prozora (windowing). Zaštitni interval ne nosi informaciju, u principu može biti i nepopunjen, i dodaje se efektivnom dijelu OFDM simbola u cilju eliminacije ISI između OFDM simbola. Windowing se obavlja u cilju efikasnog ograničenja spektra OFDM simbola. Struktura OFDM simbola prikazana je na sledećoj slici:

Na izlazu iz OFDM modulatora n-ti OFDM simbol se može prikazati kompleksnim ekvivalentom u osnovnom opsegu učestanosti (lowpass - LP): • gdje su: • T - ukupno trajanje OFDM simbola, • TFFT=Ts - efektivni dio OFDM simbola, • Tguard - trajanje zaštitnog intervala, • Twin - proširenje izazvano funkcijom prozora, • K - broj podnosilaca, odnosno paralelnih grana, • di, n - mapirani simbol sa ulaza u OFDM modulator, proslijeđen u i-tu paralelnu granu.

Razmak između dva susjedna podnosioca je 1/TFFT. Suma u prethodnoj relaciji matematički predstavlja inverznu diskretnu Fourrier-ovu transformaciju niza od K mapiranih ulaznih simbola. To znači da se pojedini ortogonalni podnosioci mogu realizovati primjenom IDFT, a ne gradnjom niza lokalnih oscilatora na tačno definisanim učestanostima. Upravo ova mogućnost čini OFDM jednostavnom za praktičnu realizaciju. U praksi, ova transformacija može veoma efikasno da se realizuje primjenom nekog od algoritama brze Fourier-ove transformacije. OFDM simbol, moduliše RF (Radio Frequency) nosilac na učestanosti na kojoj će se signal prenositi mobilnim radio-kanalom. Takav OFDM simbol može biti prikazan relacijom: gdje je fc učestanost nosioca u RF modulatoru. Konačno, signal koji se emituje sa predajne antene je:

Primjera radi, na sledećoj slici prikazana su četiri ortogonalna podnosioca iz jednog OFDM simbola. Da bi se zadržala ortogonalnost, svaki od podnosilaca mora da ima cio broj ciklusa u toku intervala TFFT, i broj ciklusa između susjednih ponosilaca mora da se razlikuje tačno za jedan.

Na sledećoj slici prikazan je spektar OFDM signala koji sadrži četiri podnosioca. Sa prethodne slike se može uočiti velika osjetljivost OFDM-a na frekvencijski ofset. U idealnom slučaju, kada na mjestu prijema nema frekvencijskog ofseta, maksimumu amplitudskog spektra na jednoj učestanosti odgovaraju nule u spektrima ostalih podopsega. U slučaju da frekvencijski ofset postoji na mjestu prijema će doći do interferencije između podnosilaca (Inter Carrier Interference - ICI).

Zaštitni interval i ciklični prefiks U strukturi OFDM simbola primjećuje se postojanje GI intervala i cikličnog prefiksa (CP). Jedna od ključnih osobina OFDM-a jeste otpornost na vremensko širenje signala na mjestu prijema. Transmisiona šema sa K paralelnih grana povećava trajanje simbola K puta, što redukuje delay spread i smanjuje intersimbolsku interferenciju (ISI). Da bi se ISI između OFDM simbola eliminisala, u strukturi OFDM simbola se uvodi zaštitni (guard) interval (GI) za svaki OFDM simbol. Zaštitni interval se bira tako da je njegovo trajanje duže od maksimalnog delay spread-a. Zaštitni interval ne nosi informaciju, pa bi mogao biti i nepopunjen. Radi očuvanja ortogonalnosti podnosilaca, kada se OFDM simboli prenose mobilnim radio-kanalom sa multipath fedingom, OFDM simbol se ciklično proširuje u zaštitnom intervalu, na način kako je prikazano na sledećoj slici. Ciklični prefiks je kopija zadnjeg dijela OFDM simbola koji prethodi prenošenom simbolu. Postojanje ovog prefiksa je veoma značajno za ostvarenje sinhronizacije u OFDM sistemu,

Izbor parametara OFDM sistema Podešavanje parametara OFDM sistema je usaglašavanje različitih i često oprečnih zahtijeva. Postoje tri ključna zahtijeva koji se moraju usaglasiti. To su: širina opsega, protok i delay spread. Delay spread direktno određuje trajanje zaštitnog intervala. Zaštitni interval traje dva do četiri puta duže od srednje-kvadratne vrijednosti delay spread-a (Trms). Trajanje zaštitnog intervala zavisi i od primijenjenog koda u kanalnom koderu i broja signalnih tačaka u postupku mapiranja.

Poznato je da su modulacije sa više nivoa osjetljivije na ICI i ISI nego one sa manje nivoa, dok efikasnije kodiranje smanjuje osjetljivost na takve uticaje. Kada se odabere trajanje zaštitnog intervala, ostaje da se odredi efektivno trajanje OFDM (TFFT) simbola, odnosno broj mapiranih simbola sa ulaza OFDM modulatora koji će činiti jedan OFDM simbol. Da bi se minimiziralo smanjenje odnosa signal-šum (SNR) izazvano uvođenjem zaštitnog intervala koji ne nosi informaciju, poželjno je da vrijeme TFFT bude mnogo veće od trajanja zaštitnog intervala. Međutim, efektivno trajanje OFDM simbola ne može biti proizvoljno odabrano, zato što veliko TFFT podrazumijava više podnosilaca sa manjim međusobnim razmakom. To dalje znači povećanje složenosti sistema i povećanje osjetljivosti na fazni i frekvencijski ofset, kao i povećanje odnosa vršne i srednje snage (PAR). Najčešće se trajanje simbola bira tako da je najmanje pet puta veće od trajanja zaštitnog intervala. U tom slučaju smanjenje SNR-a je oko 1 d. B. Pored toga, treba voditi računa da koherentni opseg kanala bude veći od širine spektra oko pojedinih podnosilaca, kako bi se obezbjedilo da feding bude ravan za svaki prenošeni simbol.

Prednosti i nedostaci OFDM-a Prednosti: ü Racionalno koristi frekvencijski spektar, ü Predstvlja efikasnu tehniku za borbu protiv multipath fading-a, bez potrebe za složenim ekvilajzerima koji su u single-carrier sistemima neophodni, ü Otporan je na uskopojasnu interferenciju, zato što takva interferencija zahvata samo mali broj podnosilaca, ü Otporan je na vremensko širenje simbola na prijemu. Nedostaci: v Izuzetna osjetljivost na frekvencijski offset i fazni šum, v Složenost sinhronozacije, v Veliki odnos vršne i srednje snage (Peak to Average Ratio - PAR) koji stvara probleme u RF pojačavačima, v Potreba povraćaja ortogonalnosti podnosilaca na mjestu prijema radi izbjegavanja interferencije između njih.