OFDM — технология цифровой модуляции в сетях WiMax и LTE

    imageМы представляем вторую статью из цикла постов о беспроводной передачи данных.

    В комментариях к первой из них: «Модуляция радиосигнала» уважаемый nerudo посоветовал рассказать о таком важном моменте как OFDM. Что мы c удовольствием и делаем.


    Что такое OFDM?

    OFDM (англ. Orthogonal frequency-division multiplexing — ортогональное частотное разделение каналов с мультиплексированием)

    Это схема модуляции, использующая множество несущих. Канал делится на несколько субканалов или subcarrier (русский аналог «поднесущая» кажется мне немного смешным, я постараюсь избегать этого слова, употребляя где необходимо «вспомогательная несущая»)
    В OFDM высокоскоростной поток данных конвертируется в несколько параллельных битовых потоков меньшей скорости, каждый из которых модулируется своей отдельной несущей.
    Все это множество несущих передается одновременно.

    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 (ISI, intersymbol interference).

    ISI – Межсимвольная интерференция


    Межсимвольная интерференция это форма искажения сигнала, которая вызвана воздействием одного символа на другой. Этот эффект наблюдается как в проводных, так и в беспроводных системах передачи данных.
    Магистерская диссертация вашего покорного слуги как раз была посвящена борьбе с межсимвольной интерференцией image, поэтому объясню на примере кабельной линии. Кабель представляет собой распределенную RC-цепочку, и высокочастотные компоненты сигнала в нем подвержены затуханию. Самый критичный случай — это одиночная единица после серии нулей или одиночный ноль после единиц:
    image
    При передачи данных «по воздуху» нет RC составляющей, но включается другой механизм, приводящий к тому же эффекту. Он называется многолучевое распространение.
    В следствие этого эффекта беспроводной сигнал от передатчика достигает приемника через несколько разных путей. Причины этого отражения (например от зданий) — рефракция (преломление при прохождению через кроны деревьев) и атмосферные эффекты.
    Так как все пути разной длинны, а некоторые из описанных выше эффектов приводят к задержке сигнала, в результате разные версии сигнала придут к приемнику в разное время. Из-за взаимного наложения всех этих сигналов результирующий сигнал будет искажен.
    Я возьму пример искажения сигнала при многолучевом распространении из Википедии.
    Исходный сигнал:
    image
    Сигнал подвергшийся эффекту многолучевого распространения:
    image
    Возможно уважаемый хабрачитатель при виде этих картинок сделал удивленное лицо. Сейчас поясню.
    Это так называемая глазковая диаграмма. Она строится очень просто: все источники взаимодействия или сигналы накладываются друг на друга. Под «глазом» подразумевается область в середине, по форме напоминающая глаз. На первой картинке «глаз широко откры
    т», на второй «глаз прищурен». Если «глаз закроется» или будет меньше определенной величины, то такой сигнал уже нельзя будет принять.
    Интуитивно понятно, что чем выше частота сигнала, тем меньше будет «глаз».

    Ключевым принципом OFDM является использование охранного интервала. Это возможно благодаря тому, что продолжительность каждого символа достаточно велика.
    Приведу пример из англоязычной Википедии:
    «Если кто-то передает миллион символов в секунду, используя однонесущую модуляцию по беспроводному каналу, то продолжительность каждого символа будет равна одной микросекунде или меньше. Из этого вытекают определенные требования к синхронизации и необходимость подавлять многолучевую интерференцию. Если тот же миллион символов в секунду распределяется между тысячей субканалов, продолжительность каждого символа может быть увеличена на три порядка (т.е. до одной миллисекунды) при приблизительно той же пропускной способности. Предположим, что мы можем вставить охранный интервал равный 1/8 продолжительности символа между каждым символом. Межсимвольная интерференция может быть терпима, если время между приемом первого и последнего эха меньше охранного интервала (т.е. 125 микросекунд). Это соответствует максимальной разнице в 37.5 километров между длиной пути сигнала.

    Другим преимуществом 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 ЕСС.

    В заключение приведу самые известные стандарты передачи данных в которых используется этот принцип:
    • ADSL (проводная передача данных)
    • DVB-T
    • WiMAX
    • LTE

    P.S.: Why?


    В комментариях к первой статье был вопрос, к чему собственно это «открытие хаброуниверситета».
    Отвечу здесь. Yota — один из крупнейших в мире и первый в России оператор беспроводного мобильного интернета 4G. В Москве, Санкт-Петербурге, Сочи, Уфе и Краснодаре сейчас предоставляется доступ с помощью технологии WiMax.
    В своем блоге мы решили донести основы этой технологий до широкого круга людей.
    Yota
    0,00
    Компания
    Поделиться публикацией

    Похожие публикации

    AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

    Подробнее
    Реклама

    Комментарии 20

      0
      Вот про первую картинку подробнее бы. А то затравочка есть, а вот саму суть не до конца осветили…

      А так хорошая инициатива!
        +1
        Картиночка для красоты ) она не отражает какие-либо конкретные аспекты технологии, просто иллюстрирует что высокочастотноый поток данных расскладывается на несколько низкочастотных.
        Технически на элементарном уровне это можно реализовать с помощью демультиплексора.
          0
          ну смысл OFDM то как раз в ортогональных поднесущих, что и проиллюстрировано на первой картинке… их только замодулировать остаётся :)
            +1
            если судить по акрониму, то не весь смысл, а только 25% :)
            Если серьезно, то написать одно предложение про ортогональность, — будет непонятно. А если расписывать подробно то будет излишний уровень деталий.
            Я уже писал, что стараюсь выдержать баланс перед популярностью изложения и технической наполненностью.
            Так что это сложный выбор который мне приходится постоянно делать.
            Кто-нибудь может рискнуть написать короткий комментарий «еще подробнее и техничнее», «еще популярнее» и «так отлично» а я по количеству плюсов сделаю выбор о мнении большинства.
              –1
              Я рискну :)
              Вов, давай еще популярнее, а?
          +2
          На простом примере:
          Допустим, имеется некоторая двоичная последовательность, пусть 0100101110100110… И количество каналов, скажем, 4 шутки.
          Каждый 4-й символ (по числу каналов) мы переносим на соответствующий ему канал, получаем примерно так:
          Source: 0100101110100110->
          Ch. 1 : 0---1---1---0---->
          Ch. 2 :  1---0---0---1--->
          Ch. 3 :   0---1---1---1-->
          Ch. 4 :    0---1---0---0->

          Извините за кучу дефисов, будем считать, что они обозначают повтор предыдущего символа (иначе получим кашу из четырёхкратно повторяющихся «0» и «1»)
          Как видим, каждый последующий канал сдвинут по фазе на ¼ периода.
          Такое разнесение информации по нескольким каналам позволяет увеличить период информационного символа и, соответственно, уменьшить влияние помех на информацию.
            0
            Ну вот примерно это и хотелось увидеть в статье :)

            Думаю стоит вынести в статью ссылку на комментарий. Ещё я в каких-то книжках видел красивые картинки иллюстрирующие это, ну это уже так… баловство :)
              +3
              Извините, я по этому не вижу что частоты поднесущих для этих каналов ортогональны. Частота subcarrier вообще не зависит от частоты битового потока
              То что вы написали больше всего похоже на принцип работы демультиплексора из 1 в 4.
              Простите если туплю, я слег с температурой.
                0
                Просто в комментарии спрашивали про первую картинку.
                Выздоравливайте :)
                  +2
                  Тогда ОК, только это не освещает вопрос который волновал anjolio по поводу ортогональности несущих.
                  Я не хочу чтобы кто-то впал в заблуждение.
                    0
                    Ну тогда сама собой напрашивается 3-я часть!
            0
            > один из крупнейших в мире и первый в России оператор беспроводного мобильного интернета 4G
            Так всё-таки утвердили признаки стандарта 4G уже?
              +1
              Я отвечу исключительно на поставленный вопрос.
              По моей информации еще нет не утвердили.
              +2
              Рискну написать «еще подробнее и техничнее».
                0
                русский аналог «поднесущая» кажется мне немного смешным, я постараюсь избегать этого слова, употребляя где необходимо «вспомогательная несущая»)

                Первый раз слышу:«вспомогательная несущая»- оно мне кажется смешным :). а вод поднесущая- знакомо еще с института
                  +1
                  тем более, что она как раз никакая не вспомогательная, а самая что ни на есть одна из основных несущих :)
                    0
                    Мне очень нравится слово subcarrier :)
                    Когда я готовил материал, я практически не встречал источников на русском языке. И не был уверен в общепринятости термина «поднесущая» По мне, так перевод «поднесущая» это калька с английского. Она не учитывает, что в русском языке есть слово «подносить» которое имеет, эээ, некоторую окраску.
                      0
                      Борись за чистоту (поднесущую) Русского языка!
                        +1
                        Хабралюдей не напугаешь ни поднесущей, ни мультивибратором.
                          0
                          Уважаемый тезка, вы жжете :)

                  Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                  Самое читаемое