LTE - przegląd technologii interfejsu radiowego

SC-FDMA

Rys. 3. Przestrzenne multipleksowanie w MIMO

SC-FDMA jest zmodyfikowaną wersją OFDMA, o czym można się przekonać, porównując schematy blokowe nadajnika i odbiornika w obu przypadkach (rys. 1). Stopień komplikacji konstrukcji dla łącza "uplink" i "downlink" jest podobny. Różnią się one jedynie blokiem realizującym dyskretną transformatę Fouriera (DFT), o który uzupełniono urządzenia SC-FDMA. Podobnie jak w OFDMA nadajnik w SC-FDMA wykorzystuje różne podnośne do transmitowania symboli informacji, jednak są one przesyłane sekwencyjnie, a nie jednocześnie (patrz: ramka).

W porównaniu do OFDMA takie rozwiązanie znacząco zmniejsza fluktuacje obwiedni transmitowanego sygnału i dzięki temu sygnały SCFDMA charakteryzuje mniejszy PAPR. W SC-FDMA, podobnie jak w OFDMA zastosowano też odstęp CP, który pozwala zmniejszyć wpływ zjawiska wielodrogowości. Dodatkowo, by zapobiegać interferencjom międzysymbolowym, w odbiorniku SC-FDMA realizuje się korekcję w dziedzinie częstotliwości.

Jest to kolejna cecha różniąca SC-FDMA i OFDMA, w którym wpływ zjawiska wielodrogowości jest korygowany jedynie w dziedzinie czasu. Większość technik korekcji realizowanych w dziedzinie czasu, w tym np. korektory ze sprzężeniem zwrotnym DFE (Decision Feedback Equalizer) lub korektor MMSE (Minimum Mean Square Error), można jednak z powodzeniem zaimplementować także w dziedzinie częstotliwości.

By było to możliwe, proces przetwarzania sygnału w SC-FDMA uzupełnia się o wspomniany wcześniej blok DFT. Takie rozwiązanie jest prostsze i nie wiąże się z problemami charakterystycznymi dla korektorów w dziedzinie czasu. Stąd SC-FDMA w praktyce jest rozszerzeniem techniki SC-FDE (Single Carrier Frequency Domain Equalization) z uwzględnieniem dostępu wielu użytkowników.

Techniki transmisji wieloantenowej

Kolejnym sposobem, jaki wykorzystano w LTE, by poprawić m.in. skuteczność widmową oraz zwiększyć przepływność, jest transmisja wieloantenowa MIMO (Multiple Input Multiple Output). Realizacja tej techniki w odróżnieniu od innych metod jest trudniejsza m.in. w związku ze zwiększeniem liczby anten oraz bardziej skomplikowanymi metodami przetwarzania sygnału, jakie należy zaimplementować.

Dla porównania na rysunku 2 przedstawiono cztery stosowane metody wykorzystania kanału radiowego: SISO (Single Input Single Output), SIMO (Single Input Multiple Output), MISO (Multiple Input Single Output) oraz MIMO (Multiple Input Multiple Output). Podstawową i najstarszą metodą dostępu do kanału radiowego jest pierwsza z wymienionych. W SISO używana jest tylko jedna antena nadawcza i jedna antena odbiorcza.

W SIMO z kolei używana jest jedna antena nadajnika oraz dwie lub więcej anten odbiornika. Metoda ta nie pozwala uzyskać większej prędkości transmisji danych, ponieważ przesyłany jest tylko jeden strumień danych, jednak zapewnia większy zasięg oraz poprawę jakości odbioru na krawędziach komórki oraz w warunkach niskiego współczynnika sygnał/szum. W metodzie MISO z kolei wykorzystuje się dwie lub więcej anten w nadajniku oraz jedną w odbiorniku.

Te same dane są transmitowane przez obie anteny nadawcze, przy czym dane są kodowane w taki sposób, by w odbiorniku można było zidentyfikować ich źródło. Takie rozwiązanie zwiększa odporność na zaniki oraz poprawia jakość transmisji przy niskim stosunku sygnał/szum. Podobnie jak wcześniej opisywane także metoda MISO nie pozwala jednak zwiększyć szybkości transmisji.

Porównanie modulacji OFDMA i SC-FDMA Rys. 4. Porównanie OFDMA i SC-FDMA Na rysunku 4 przedstawiono uproszczony przykład realizacji modulacji OFDMA i SC-FDMA z wykorzystaniem czterech podnośnych używanych do transmisji symboli QPSK (oprócz tego w LTE używane są modulacje 16QAM i 64QAM). Na rysunku 4 a każda z czterech podnośnych rozmieszczonych w odstępie 15 kHz jest modulowana do postaci symbolu OFDMA o czasie trwania 66,7μs. Po każdym symbolu wprowadzany jest cykliczny prefiks CP, dla uproszczenia przedstawiony jako odstęp między symbolami OFDMA. Następnie jednocześnie transmitowane są kolejne cztery symbole QPSK. W przeciwieństwie do OFDMA, w którym cztery symbole QPSK są transmitowane równolegle, w SC-FDMA te same cztery symbole QPSK są transmitowane szeregowo (rys. 4b) i cztery razy szybciej, przy czym każdy symbol QPSK zajmuje pasmo o szerokości 4×15 kHz.

MIMO

Tymczasem w MIMO wykorzystuje się dwie (lub więcej) anten w nadajniku oraz dwie (lub więcej) w odbiorniku, a jednocześnie transmitowanych jest wiele różnych strumieni danych. Należy jednak zaznaczyć, że by można było dany system transmisji zakwalifikować do MIMO, powinien on wykorzystywać co najmniej tyle anten odbiorczych, ile strumieni danych jest nadawanych. Nie wolno przy tym identyfikować liczby transmitowanych strumieni z liczbą anten.

Na przykład w technice MISO używane są dwie anteny, jednak strumień danych jest jeden. Dlatego np. połączenie techniki MISO i SIMO nie będzie tożsame z realizacją metody MIMO, choć wykorzystywane będą dwie anteny nadawcze oraz dwie odbiorcze. W MIMO możliwe jest użycie większej liczby anten niż strumieni danych, ale odwrotna kombinacja nie jest już możliwa, ponieważ wówczas dane nie mogłyby być poprawnie odebrane bez względu na liczbę anten odbiorczych.

W takim wypadku pokrywające się strumienie danych bez dywersyfikacji przestrzennej powodowałyby interferencje. Dlatego jedynie przy podziale "n" strumieni danych na co najmniej "n" anten w "n" odbiornikach możliwa jest kompletna rekonstrukcja oryginalnego sygnału. Realizując transmisję wieloantenową w opisywany sposób, w MIMO wykorzystuje się zjawisko wielodrogowości do zwiększenia przepustowości kanału, niejako "oszukując" ograniczenia nakładane przez twierdzenie Shannona.

Ponieważ prawo to odnosi się do pojedynczego łącza radiowego między nadajnikiem i odbiornikiem, a transmisja MIMO tworzy jednocześnie wiele łączy radiowych, to chociaż przepustowość każdego kanału jest ograniczona, to łączna przepustowość wszystkich kanałów ograniczenie to może przewyższyć.