Ортогональное частотное разделение каналов с мультиплексированием OFDM

Ортогональное частотное разделение каналов с мультиплексированием (OFDM - англ. Orthogonal frequency-division multiplexing) является базовой и наиболее эффективной технологией цифровой модуляции в сетях WiMax и LTE. Помимо этого, оно же используется и в ADSL, DVB-T.

Принцип OFDM, хорошо исследованный в системах DVB, Wi-Fi и WiMAX, заключается в следующем: информационный поток разбивается на несколько потоков данных, которые одновременно передаются на различных частотах (рис. 8), вписываясь при этом все в тот же предписанный стандартом диапазон.

Рисунок 8 – Разбиение полосы радиоканала в OFDM на несколько несущих

Модель ортогонального частотного разделения позволяет избежать перекрестных помех для различных подканалов, что расширяет полосу пропускания во столько раз, сколько независимых каналов используется в системе. Иными словами - это схема модуляции, использующая множество несущих: канал делится на несколько субканалов (поднесущих), соответственно, высокоскоростной поток данных конвертируется в несколько параллельных битовых потоков меньшей скорости, каждый из которых модулируется своей несущей и передается одновременно (рис. 9).

Рисунок 9 – Конвертирование высокоскоростного потока в OFDM в набор низкоскоростных параллельных битовых потоков

Главное преимущество OFDM заключается в том, что продолжительность символа во вспомогательной несущей значительно больше в сравнении с задержкой распространения, чем в традиционных схемах модуляции. Это делает OFDM гораздо устойчивее к межсимвольной интерференции.

Ключевым принципом OFDM является использование защитного интервала – временного интервала между передаваемыми символами, рассчитанного на возможные задержки распространения сигнала, вызванные различными маршрутами прохождения (вследствие отражений сигнала). Это возможно благодаря тому, что продолжительность каждого передаваемого символа в OFDM достаточно велика. Так, при общей скорости (как пример) в 1 Мб/с и 1000 подканалов (и при защитном интервале, равном 1/8 продолжительности символа, 125 мкс) удаленность приемник-передатчик (т.е. размер соты) составит 37 км. При одном радиоканале (т.е. без технологии OFDM) удаленность

Другим преимуществом OFDM является устойчивость к частотно-зависимому затуханию. Такой тип затухания может оказывать очень негативное влияние при многолучевом распространении сигнала, особенно если источник и приемник не находятся в прямой видимости. При OFDM-модуляции данные распределяются между множеством вспомогательных несущих, поэтому информация, пострадавшая в нескольких субканалах, может быть восстановлена с помощью кода коррекции ошибок – для многих систем это код Рида-Соломона.

Кратко можно выделить основные положительные и отрицательные стороны OFDM:

1) плюсы:

­ высокая эффективность использования радиочастотного спектра, объясняемая почти прямоугольной формой огибающей спектра при большом количестве поднесущих;

­ простая аппаратная реализация: базовые операции реализуются методами цифровой обработки.

­ хорошее противостояние межсимвольным помехам (ISI) и интерференции между поднесущими (ICI); как следствие - лояльность к многолучевому распространению;

­ возможность применения различных схем модуляции для каждой поднесущей, что позволяет адаптивно варьировать помехоустойчивость и скорость передачи информации.

2) минусы:

­ необходима высокая синхронизация частоты и времени.

­ чувствительность к эффекту Доплера, ограничивающая применение OFDM в мобильных системах.

­ не идеальность современных приёмников и передатчиков вызывает фазовый шум, что ограничивает производительность системы.

­ защитный интервал, используемый в OFDM для борьбы с многолучевым распространением, снижает спектральную эффективность сигнала.

Несмотря на все недостатки, OFDM является отличным решением для архитектур современных сетей, работающих в условиях мегаполиса. Технический прогресс и динамика рынка постоянно толкают производителей совершенствовать существующие технологии. В результате появляются устройства, использующие в своей основе различные модификации OFDM. Однако ядро и заложенные в него принципы остаются те же.