Застосування ofdm сигналу на фізичному рівні мережі wimax

Технологія широкосмугових радіосигналів (ШПС) була розроблена в середині минулого століття і спочатку застосовувалася військовими з метою підвищення скритності і перешкодостійкості зв'язку. Найважливішою гідністю широкосмугових систем є висока швидкість передачі даних. При цьому поняття широкосмугової (broadband) трактується не тільки як використання радіосигналу з широким частотним спектром, але і як здатність системи забезпечити високу швидкість передачі даних, необхідну для мультисервисного обслуговування (доступ в Інтернет, передача даних, голосу, відео і ін.).

У системах WIMAX застосовується широкосмуговий Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) сигнал, утворений з безлічі рознесених по частотному спектру вузькосмугових сигналів. Застосування OFDM сигналу забезпечує системі WIMAX найвищу в класі BWA спектральну ефективність (швидкість передачі даних в одному Герці смуги частотного спектру), можливість роботи поза прямою видимістю, найвищі енергетичні параметри зв'язку забезпечують високу дальність зв'язку, можливість ефективного обслуговування мобільних абонентів.

Спектральна ефективність ofdm сигналу системи wimax

Спектральна ефективність системи оцінюється максимальною можливою швидкістю передачі даних (кількість передаваних бит/c) системи в одиниці смуги займаних частот в один Герц. Висока спектральна ефективність системи WIMAX досягається за рахунок розподілу передачі інформації по паралельних підканалах тих, що піднесуть сигналу OFDM.

OFDM є множиною вузькосмугових рознесених по частоті сигналов-поднесущих (subcarrier) (мал.5).

Мал.5. Спектр радіосигнала з однією несучою (а) і OFDM (б)

OFDM сигнал формується таким чином. Деяка високошвидкісна послідовність імпульсів спочатку ділиться на безліч паралельних цифрових потоків з імпульсами більшої тривалості.

Кожна знов освічена послідовність імпульсів модулюється по амплітуді і по фазі QAM корисним сигналом (constellation mapping), що несе інформацію про передавані дані. Отримана безліч модульованих послідовностей імпульсів за допомогою частотного мультиплексора об'єднується в сукупність розділених по частоті ортогональних каналів (що піднесуть), утворюючи єдиний широкосмуговий сигнал. Далі сигнал з безліччю тих, що піднесуть перетвориться за допомогою Digital Analog Converter (DAC) у високочастотний аналоговий радіо сигнал і передається по безпровідному каналу зв'язку.

Операція ортогонального частотного мультиплексування з математичної точки зору є операцією FFT - дискретного зворотного швидкого перетворення Фурье. З фізичної точки зору мультиплексування переводить тимчасові імпульси time domain в частотний розподіл frequency domain (рис 3). На приймальній стороні відбувається зворотна операція перетворення в проміжну частоту, демультиплексування і демодуляції широкосмугового сигналу.

Мал. 7. Принцип формування рознесених по частоті тих, що піднесуть

Найважливішою відмінністю OFDM технології від простого розділення радіосигналу по декількох паралельних частотних каналах є ортогональность тих, що піднесуть в груповому спектрі OFDM сигналу. Фізичний сенс ортогональности полягає в підмішуванні в структуру кожної спеціальної мітки, що піднесе, - певної унікальної кількості синусоїдальних коливань сигналу, що розрізняються по фазі на 90 град. (ортогональних функцій), що дозволяє демультиплексору на основі аналізу даних влучний розділяти сигнали, що піднесуть, навіть у разі часткового перекриття їх частотних спектрів. Виділення тих, що несуть в загальному спектрі звичайного багатоканального сигналу унаслідок обмежених технологічних можливостей сучасних смугових частотних фільтрів вимагає достатньо великого частотного рознесення тих, що несуть, що обмежує збільшення їх кількості в заданій смузі частот. Виділення тих, що несуть в груповому спектрі OFDM сигналу при демультиплексуванні проводиться за допомогою ортогональних перетворень сигналів. Це допускає можливість перекриття спектрів що сусідніх піднесуть, що дозволяє значно збільшити частотну щільність їх розміщення в спектрі сигналу і підвищити спектральну ефективність.

Метод селекції сигналів і перешкод (шуму) на основі аналізу їх структури застосовується в технології широкосмугового радіозв'язку з середини 1990-х років. Вперше даний метод був використаний в технології розширення спектру DSSS для формування і виділення на тлі перешкод широкосмугового шумоподобного сигналу, що утворюється шляхом множення (мультиплексування) вузькосмугового сигналу на випадкову швидкісну послідовність імпульсів. Дана технологія була реалізована в безпровідних локальних мережах першого покоління Wireless LАN (WLAN) стандарту IEEE 802.11, системах супутникової навігації GPS. Метод виділення сигналів по закладених при їх формуванні цифрових кодах також реалізований в мобільному зв'язку стандарту Сode Division Multiply Access (CDMA).

Застосування OFDM сигналу дозволяє WIMAX мережам забезпечити вищу швидкість передачі даних по порівнянню системами з тією, що однією несе, що досягається за рахунок розподілу передачі інформації по безлічі паралельних частотних каналів.

Використання OFDM, в принципі, не є специфічною особливістю технології WIMAX. Модуляція OFDM також застосовується, наприклад, в системах Wi-Fi стандарту IEEE 802.11a/g. Проте OFDM в технології WIMAX стандарту IEEE 802.16 має значно більше число тих, що піднесуть, визначають вищу спектральну ефективність систем WIMAX в порівнянні з системами стандарту IEEE 802.11a/g.

OFDM сигнал в WIMAX мережах фіксованого доступу стандарту IEEE 802.16-2004 має до що 256 піднесуть, в мережах мобільного WIMAX стандарту IEEE 802.16e - до що 2048 піднесуть, а в системах Wi-Fi стандарту IEEE 802.11a/g - що всього лише 64 піднесуть. Слід зазначити, що більшість систем широкосмугового безпровідного доступу BWA попереднього покоління (так звані preWiMAX системи) базуються на чіпсеті стандарту IEEE 802.11a. Всі модифікації і удосконалення систем Wi-Fi, що дозволяють їх використовувати для цілей BWA, виконуються на програмному рівні. Тим самим, сигнали preWiMAX, також як і Wi-Fi, мають тих, що всього 64 піднесуть. Це означає, що WIMAX мережі мають приблизно в три і більше разів велику спектральну ефективність в порівнянні з Wi-Fi і preWIMAX системами. Тим самим, межа швидкості передачі даних на фізичному рівні мережі при використанні каналу зв'язку однакової ширини в системах WIMAX більш ніж в три рази вище, ніж в системах preWiMAX і Wi-Fi. Так теоретична межа швидкості передачі каналу WIMAX стандарту IEEE 802.16-2004 шириною 10 Мгц (що 128 піднесуть) складає близько 36 Mbps. Межа швидкості передачі даних системи на базі чіпсета Atheros стандарту IEEE 802.11a, використовуваного в Wi-Fi і pre-WiMAX в каналі зв'язку 20 Мгц (що 64 піднесуть) складає приблизно 30 Mbps, і, відповідно, в каналі зв'язку шириною 10 Мгц (що 32 піднесуть ) - менше 15 Mbps.