1.6 Особенности модуляции в стандарте WiMax

1.6.1 Общие сведения о модуляции в стандарте WiMax

Особенности распространения радиоволн частотного диапазона 10 - 66 ГГц ограничивают возможности работы систем условиями прямой видимо­сти. В типичной городской среде это позволяет подключить примерно поло­вину абонентов, находящихся в пределах рабочей дальности от базовой стан­ции. Для остальных 50% прямой видимости, как правило, нет. В этой связи институт IEEE разработал дополнение к стандарту 802.16, которое относится к частотам 2 - 11 ГГц и, помимо одночастотной передачи (Single Carrier, SC), предусматривает режимы ортогонального частотного мультиплексирования (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) и множественного дос­тупа на основе такого мультиплексирования (OFD Multiple Access, OFDMA).

В режиме OFDM допускается одновременная передача на 256 подне­сущих. За счет увеличения (примерно в такое же число раз) длительности элементарного символа можно одновременно принимать прямой и отражен­ные от препятствий сигналы, либо вообще работать только на отраженных сигналах вне пределов прямой видимости базовой станции.

Технология OFDM уже не только опробована на российских просторах, но и показала хорошие результаты. Например, системы широкополосного беспроводного доступа, использующие OFDM, успешно инсталлированы и работают сегодня в Барнауле, Екатеринбурге и Перми. Привлекательность новых технологий в том и состоит, что они рассчитаны на использование в условиях плотной городской застройки. То есть как раз внутри мегаполисов, таких как Москва, С.-Петербург, Омск, и других городов с миллионным населением, вокруг которых наиболее быстро развивается рынок ШБД. Успех внедрения и коммерческого использования оборудования WiMAX во многом определяется наличием элементной базы - микросхемных наборов или чипсетов. Известные на сегодняшний день поставщики чипсетов для WiMAX - это корпорация Intel и компании Fujitsu и Asiros.

1.6.2 Технология OFDM

Для конечного пользователя самым важным, пожалуй, является обес­печение связи в условиях отсутствия прямой видимости. Сигнал может быть отражен от одного или нескольких препятствий. Для облегчения распознава­ния такого сигнала была использована технология ODFM - мультиплексиро­вание с разделением по ортогональным частотам. Эта же технология исполь­зуется в сетях 802.11g.

ODFM-модуляция предъявляет очень высокие требования к точности частоты несущих. Например, для канала шириной 3,5 МГц, разбитого на 256 поднесущих с шагом 13 КГц, для обеспечения четкого распознавания сигна­лов необходима точность генератора в 130 герц. И это притом, что рабочая частота в WiMAX достигает 11 ГГц. То есть точность генератора составляет 0,000001 процента.

В системах ШБД основным разрушающим фактором для цифрового канала являются помехи от многолучевого приема. Этот вид помех весьма характерен для эфирного приема в городах с разноэтажной застройкой из-за многократных отражений радиосигнала от зданий и других сооружений.

Радикальным решением этой проблемы является применение технологии ортогонального частотного мультиплексирования OFDM, которая специ­ально разработана для борьбы с помехами при многолучевом приеме. Разно­видность технологи - метод COFDM (сочетание канального кодирования, аббревиатура C, и OFDM) - хорошо известен и широко используется в циф­ровых системах радиовещания (DAB) в Европе, Канаде и Японии.

При OFDM последовательный цифровой поток преобразуется в боль­шое число параллельных потоков (субпотоков), каждый из которых переда­ется на отдельной несущей. Отличие спектров сигнала с одной несущей и сигнала на базе технологии OFDM показано на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 – Спектр радиосигнала с одной несущей(а) и OFDM(б)

Частотный разнос Δf между соседними несущими f1, f2 ... fn в группо­вом радиоспектре OFDM выбирается из условия возможности выделения в демодуляторе индивидуальных несущих. При этом возможно применение двух методов частотного разделения (демультиплексирования) несущих. Во-первых, с помощью полосовых фильтров и, во-вторых, с помощью ортого­нальных преобразований сигналов.

В первом случае частотный разнос между модулированными несущими выбирается таким, чтобы их соседние боковые полосы взаимно не перекры­вались. Это условие будет выполнено, если величину частотного разноса выбрать равной Δf > 2/TU , где TU - рабочий интервал информационного символа. Однако при этом эффективность использования радиоспектра будет невысокой.

Напротив, стандарт OFDM характеризуется сильным перекрытием спектров соседних поднесущих, что позволяет уменьшить в два раза значе­ние частотного разноса и во столько же раз повысить плотность передачи цифровой информации (бит/с)/Гц. Благодаря ортогональному методу демо­дуляции поднесущих группового спектра происходит компенсация помех от соседних частот, несмотря на то, что их боковые полосы взаимно перекры­ваются.

Для выполнения условий ортогональности необходимо, чтобы частот­ный разнос между несущими был постоянен и точно равен значению Δf = 1/TU, то есть на интервале TU должно укладываться целое число периодов разностной частоты f2 - f1. Выполнение этого соотношения достигается введением в модеме OFDM двух видов сигналов синхронизации: сигналов для синхронизации несущих частот группового спектра и сигналов для синхронизации тактовых частот функциональных блоков демодулятора.

Группа несущих частот, которая в данный момент времени переносит биты параллельных цифровых потоков, называется "символом OFDM". Бла­годаря тому, что используется большое число параллельных потоков, дли­тельность символа в параллельных потоках оказывается существенно больше, чем в последовательном потоке данных. Это позволяет в декодере задержать оценку значений принятых символов на время, в течение которого изменения параметров радиоканала из-за действия эхо-сигналов прекратятся, и канал станет стабильным.

Таким образом, при OFDM временной интервал символа субпотока TS делится на две части - защитный интервал TG, в течение которого оценка значения символа в декодере не производится, и рабочий интервал символа TU, за время которого принимается решение о значении принятого символа. Для правильной работы системы эхоподавления необходимо, чтобы защит­ные интервалы находились в начале символов субпотоков, то есть в защит­ном интервале продолжается модуляция несущей предшествующим симво­лом.

Технически метод OFDM реализуется путем выполнения инверсного дискретного преобразования Фурье (Fast Fourier Transform, FFT) в модуля­торе передатчика и прямого дискретного преобразования Фурье - в демоду­ляторе приемника приемопередающего устройства.