Всюду OFDM. Почему?

Бен Зарлинго (Ben Zarlingo)

Одна транспортная схема используется повсюду, она просто «вездесущая»!
Работая в начале 1990-х с первыми векторными анализаторами сигналов, я из первых рядов наблюдал выход на сцену цифровых схем модуляции. Цифровая модуляция была не нова, но с пришествием второго поколения сотовых стандартов, таких как GSM, NADC, CDMA/IS-95 и PDC, она стала использоваться массово.
Целое десятилетие продолжалось непрерывное внедрение инноваций: телевидение стало цифровым, затем третье поколение сотовых стандартов потребовало огромных затрат и умственных усилий.
Шли годы, я поражался обилию типов модуляции, транспортных схем и кажущемуся бесконечным числу их комбинаций и улучшений. Всё это требовало столь же постоянного потока новых решений для изучения, анализа, оптимизации и диагностики.
С некоторым недовольством я спрашивал своих коллег: “До каких же пор будет продолжаться эта постоянная раскрутка разных типов модуляции и транспортных схем”? И все отвечали примерно одинаково: “Ну, ещё какое-то время”.
Они были правы, но в конце десятилетия появилась новая важная тенденция. Одна транспортная схема вышла вперёд и доминировала всё последующее десятилетие и далее: мультиплексирование с ортогональным делением частот или OFDM. Сегодня эта технология применяется и в сотовой связи, и в некоторых стандартах спецсвязи, и совершенно неожиданно в счетчиках электроэнергии для передачи показаний по силовых сетям.

Некоторые физические особенности OFDM.

Ключ кроется в первом слове сокращения OFDM: главной особенностью этой схемы является ортогональность большого числа поднесущих. Являясь скорее транспортной схемой, а не типом модуляции, OFDM может использовать несколько разных модуляций и, как правило, одновременно. Ортогональность поднесущих иллюстрируется приведённым ниже рисунком.

Рис. 1. Спектр трёх перекрывающихся поднесущих OFDM, в котором центр каждой поднесущей соответствует спектральным нулям всех других поднесущих. Такое беспомеховое наложение обеспечивает ортогональность, позволяющую независимо модулировать каждую несущую.

Ортогональность и независимость поднесущих в OFDM не означает, что поднесущие не перекрываются. На самом деле они сильно перекрываются, и центральные частоты расположены близко друг к другу, но спектральный пик каждой поднесущей располагается на частоте, где все другие поднесущие обращаются в ноль.
В связи с независимостью поднесущих, OFDM можно рассматривать как мультиплексирование или метод множественного доступа, чем-то напоминающий CDMA. Он не повышает теоретическую ёмкость канала, но позволяет системам работать ближе к их теоретической ёмкости в реальных условиях:

• Высокий уровень эксплуатационной гибкости за счёт управления распределением поднесущих, символов и схем кодирования сигнала, что обеспечивает поддержку разных задач с различными требованиями к скорости данных, задержкам, приоритету и многим другим аспектам.
• Множественный доступ (OFDMA) для одновременной поддержки нескольких пользователей (радиостанций) за счёт гибкого и эффективного распределения поднесущих.
• Высокая целостность символов и данных за счёт передачи их с относительно низкой символьной скоростью, смягчающей эффект многолучевого распространения и снижающей влияние импульсных помех, а также за счёт распределения потоков данных по нескольким поднесущим с символьным кодированием и упреждающей коррекцией ошибок.
• Высокая скорость передачи данных за счёт одновременной передачи по нескольким сотням и даже тысячам поднесущих с применением соответствующего кодирования сигнала.
• Надёжная работа в условиях сильных помех благодаря структуре распределённого спектра и способности компенсировать потерю некоторых групп поднесущих.
• Высокая эффективность использования спектра за счёт плотного расположения множества поднесущих и такого их распределения, что они не влияют друг на друга и позволяют отдельно модулировать каждую поднесущую.
• Высокая пространственная эффективность за счёт совместимости с методами пространственного мультиплексирования, такими как передача с несколькими входами и несколькими выходами (MIMO).

Потенциальные преимущества OFDM были понятны уже давно, но практическое применение этой технологии началось лишь тогда, когда для мобильных терминалов стали широко доступны большие вычислительные мощности. За последние 15 лет, по мере оптимизации отношения цены к производительности, OFDM закрепила своё господство и стала основной технологией.

Дополнительную информацию об этой технологии можно найти в недавних ознакомительных рекомендациях по применению OFDM, а в будущих статьях я опишу некоторые особенности реализации и тестирования.