Обзор методов множественного доступа в беспроводной связи. Часть 1. Как разделить спектр: Частотно-временное разделение

В настоящее время происходит бурное развитие технологий беспроводной связи: новые поколения сотовой связи (5G, 6G), интернет вещей, спутниковая связь и т.д. Одна из ключевых задач, стоящих перед разработчиками новых систем связи – обслуживание одной радиосистемой как можно большего числа абонентов, т.е. задача эффективной организации множественного доступа. Традиционные технологии временного (TDMA), частотного (FDMA) или кодового (CDMA) разделения пользователей уже не способны удовлетворить возрастающие потребности современного мира, поэтому перед разработчиками стоит острая необходимость в разработке новых, более эффективных и ёмких методов множественного доступа к радиоэфиру. Этой статьёй запускается целая серия, поэтому следите за обновлениями нашего блога. В этой серии статей я попытаюсь дать подробный обзор методов множественного доступа, как широко используемых на данный момент, так и новых, находящихся на стадии теоретической или практической разработки.

В первой части мы рассмотрим технологии множественного доступа, использующие разделение абонентов по времени, по частоте или комбинированное частотно-временное разделение – начиная от традиционных TDMA и FDMA и заканчивая перспективными модификациями OFDM, а также технологиями SEFDM и OTFS.

Почему появилась эта статья

Эта статья открывает серию публикаций, представляющих собой подробный обзор основных направлений развития технологий множественного доступа в беспроводных системах связи, как используемых на данный момент, так и находящихся на стадии разработки или даже на уровне идеи. В рунете этой теме уделено совершенно недостаточное внимание. Например, на Хабре было опубликовано лишь несколько статей, касающихся отдельных методов множественного доступа: о технологиях OFDM (2011 г.), GFDM (2016 г.), Delta-OMA (первая часть опубликована в 2019 г., а вторая часть к июлю 2022 г. ещё не вышла), о пространственном мультиплексировании (2012 г.), а также небольшой обзор 2010 года с кратким описанием пяти методов: TDMA, FDMA, CDMA, DSSS и OFDMA. Огромный объём информации по этой теме остаётся разбросанным по специализированным научным журналам, большей частью на английском языке. Поэтому назрела необходимость объединить и систематизировать всю эту разнородную информацию, что я и попробую сделать в данном обзоре.

Каким бывает множественный доступ

Под множественным доступом мы будем понимать совместное использование радиоэфира несколькими пользователями. В качестве синонима в дальнейшем также будем использовать термин “методы мультиплексирования”.

Методы множественного доступа можно разделить на две категории: ортогональ­ный множественный доступ (orthogonal multiple access, OMA) и неортогональный множественный доступ (non-orthogonal multiple access, NOMA).

Под ортогональным множественным доступом подразумевается распределение ресурса связи между абонентами с использованием ансамблей ортогональных сигна­лов. Математически два сигнала называются ортогональными, если интеграл от их произведения равен нулю, что означает отсутствие взаимных помех между сигналами. Таким образом, главное преимущество всех методов OMA – это отсутствие межканальной интерференции, что позволяет достоверно демоду­лировать канальные символы.

В последнее время при проектировании стандартов связи предложены различные технологии неортогонального множественного доступа, использующие ансамбли неортогональных сигналов. Их использование должно обеспе­чить работу с огромным числом поль­зователей и увеличить общую спектральную эффективность проектируемой системы. Напомню, что спектральная эффективность системы связи – это число переданных бит в секунду на 1 Гц доступной полосы частот. В отличие от OMA, методы NOMA основаны на идее использования контролируемой межканальной интерференции, что приводит к выигрышу в спектральной эффективности. Разделение пользовательских каналов на приёмной стороне происходит с помощью специальных алгоритмов компенсации межканальной помехи.

Введём понятие ресурсного пространства – под этим термином будем понимать ту или иную физическую величину, которая характеризует электромагнитную волну и может использоваться для передачи информации.

В радиосвязи используются лишь семь независимых ресурсных пространств, в которых может производиться разделение пользователей: время, частота, код, мощность, пространственное положе­ние, поляризация и орбитальный угловой момент.

На основе ресурсных пространств, используемых для разделения пользователей, мы и будем классифицировать методы множественного доступа. К настоящему времени предложено более ста таких методов и их модификаций. Многие из них являются комбинированны­ми, т.е. используют два или более ресурсных про­странств.

В качестве примера на рис. 1 проиллюстрированы варианты разделения ресурсных пространств в наиболее часто используемых на практике методах множественного доступа. Различными цветами обозначены области ресурсных пространств, используемые различными абонентами.

Множественный доступ с временным разделением (TDMA)

Давайте сначала рассмотрим технологию множественного доступа с временным разделением (time division multiple access, TDMA). Это исторически один из первых, наиболее простых и очевидных способов предоставить одну радиосистему нескольким абонентам. Здесь каждый частотный канал разделяется во времени между не­сколькими пользователями, т.е. по очереди предоставляется нескольким пользователям на определённые промежутки времени, называемые слотами. Метод TDMA использовался, например, в устаревших стандартах DAMPS и GSM (в сотовых сетях второго поколения). В чистом виде технология TDMA не реализует всех возможностей по эффективному использованию спектра.

Множественный доступ с частотным разделением (FDMA)

Теперь перейдём к технологии множественного доступа с частотным разделением (frequency division multiple access, FDMA). Здесь каждому пользователю на время сеанса связи выделяется своя полоса частот Δf (частотный канал). Большое преимущество технологии FDMA – простота её реализации и отсутствие необходимости синхронизации. Основной недостаток – малая эффективность использования полосы частот. Несмотря на этот недостаток, метод FDMA широко используется в системах радиовещания (Δf обычно составляет 9 кГц при амплитудной модуляции и 25–50 кГц при частотной модуляции) и телевещания (Δf = 8 МГц). На этой технологии также основаны аналоговые системы сотовой связи (первое поколение, стандарт 1G), полоса частот Δf составляет 10–30 кГц.

На практике метод TDMA обычно комбинируется с FDMA, когда каждый частотный канал разделяется между несколькими пользователями. Например, в спутниковой связи используется многочастотный множественный доступ с разделением по времени (multi-frequency time-division multiple access, MF-TDMA). Каждому пользователю предо­ставляется определённый набор частотных каналов в определённые промежутки времени. В общем случае различным пользователям могут быть предоставлены полосы частот различной ширины во временных слотах различной длительности.

Технология OFDM

Перейдём теперь к рассмотрению одной из наиболее распространённых технологий модуляции – это ортогональное мультиплексирование с частотным разделением (orthogonal frequency division multiplexing, OFDM). Технология OFDM используется в сетях стандарта 4G, LTE и WiMAX. Основная идея OFDM состоит в том, что для достижения высокой скорости передачи в частотной области применяется разделение полного диапазона частот сигнала на некоторое число неперекрывающихся частотных подканалов (поднесущих) с меньшими скоростями. При этом каждый подканал модулируется отдельным символом, затем эти каналы мультиплексируются по частоте и данные передаются параллельно на ортогональных поднесущих.

По сравнению с передачей, использующей одну несущую, этот подход обеспечивает повышенную устойчивостью к узкополосным помехам и искажениям в канале связи. Также достигается более высокий уровень гибкости системы, так как параметры модуляции, такие как размер сигнального созвездия, скорость кодирования, могут быть выбраны независимо для каждой поднесущей.

В структуру OFDM модема входит передатчик и приёмник (рис. 2). В передатчике исходный последовательный поток информационных битов кодируется помехоустойчивым кодом, перемежается (П) и демультиплексируется на N параллель­ных подпотоков.

 Далее каждый из потоков отображается в поток символов с помощью процедуры фазовой модуляции (BPSK, QPSK, 8-PSK) или амплитудно-фазовой квадратурной модуляции (QAM). Помимо поднесущих, на которых передаётся информация, существуют служебные поднесущие. К ним относятся защитные интервалы, пилот-сигналы и дополнительная служебная информация для синхронизации приёмника и передатчика и режимов их работы. Пилот-сигналы могут иметь как фиксированное положение на поднесущих, так и переменное, изменяющееся от символа к символу OFDM в кадрах. При этом благодаря вставке между смежными поднесущими достаточного по длительности защитного интервала, исключается спектральное перекрытие. В этом случае снижается межканальная интерференция, уменьшается вероятность битовой ошибки, а значит, повышается пропускная способность системы связи.

Для формирования OFDM сигнала используется процедура умножения на комплексную экспоненту, аналогичная операции обратного преобразования Фурье, а затем проводится суммирование всех поднесущих. Поэтому для формирова­ния OFDM символа применяют аппарат быстрого обратного преобразо­вания Фурье, что значительно упрощает реализацию модуляторов.

К сожалению, в системах радиосвязи многолучевое распространение практически неизбежно, что приводит к искажениям полученного сигнала. Для устранения таких помех необходимо выбрать защитный интервал, длительность которого больше, чем максимальная задержка распространения в канале передачи. Таким способом можно компенсировать как интерференцию между поднесущими, так и между смежными блоками передачи (межсимвольную интерференцию). Для уменьшения внеполосного излучения используется фильтрация сигнала окном типа “приподнятый косинус”.

Далее цифро-аналоговые преобразователи преобразуют в аналоговый вид отдельно действительную и мнимую компоненты. После прохождения через фильтр низких частот сигнал поступает на квадратурный смеситель, который переносит полезный спектр OFDM-сигнала на несущую частоту. Далее эти сигналы суммируются, усиливаются, и формируется сигнал OFDM.

Технология OFDM в настоящее время получила такое широкое распространение благодаря целому ряду её преимуществ:

• устойчивость к последствиям многолучевого распространения электромаг­нитных волн;

• высокая устойчивость к узкополосным помехам;

• устойчивость к межсимвольной интерференции;

• высокая спектральная эффективность по сравнению с традиционными системами с частотным разделением каналов за счет большого количества поднесущих;

• возможность использования различных схем модуляции для разных поднесу­щих, что позволяет адаптироваться к конкретным условиям распространения радиосиг­нала и обеспечить требуемое качество принимаемых сигналов;

• относительная простота реализации необходимых методов цифровой обработки.

Справедливости ради, надо отметить и ряд недостатков технологии OFDM:

• высокая чувствительность к частотным сдвигам и сдвигам тактовых частот требует периодического добавления сигналов синхронизации;

• отсутствие непрерывности между двумя символами во время генерации символов вызывает спектральные скачки в частотной области, что приводит к интенсивным внеполосным излучениям;

• высокое отношение пикового уровня мощности сигнала к среднему пик-фактору;

• снижение спектральной эффективности ввиду использования защитных интервалов;

• чувствительность к эффекту Доплера;

• чувствительность к нелинейностям усилителей и смещению постоянной составляющей при использовании быстрого преобразования Фурье;

Технология OFDMA

 Как мы видим, OFDM – чрезвычайно эффективный метод модуляции, но какое он имеет отношение к множественному доступу? А отношение он имеет непосредственное. Итак, встречайте: ортогональный множественный доступ с частотным разделением (orthogonal frequency division multiple access, OFDMA). Это технология множественного доступа, основанная на модуляции OFDM, в которой пользователи получают доступ к OFDM ресурсам одним из двух способов. В первом способе только один пользователь может передавать свой сигнал, используя присвоенные ему временные слоты и все OFDM поднесущие, предназна­ченные для передачи данных. В этой схеме пользователи получают доступ к OFDM системе с помощью разделения по времени, как показано на рис. 3 сверху. Во втором способе, показанном на рис. 3 снизу, доступный частотно-временной ресурс разделяется на базовые частотно-временные ресурсные блоки.

Пользователи могут передавать одновременно в нескольких присвоенных им неперекрывающихся ресурсных блоках. В этом случае присвоение поднесущих множеству пользователей может быть как локализованным, так и распределённым, как показано на рис. 4. Ресурсные блоки, принадлежащие различным пользователям, обозначены различным цветом.

 Предположим, что все пользователи передают L символов на блок, тогда система может обслуживать  одновременных передач от Q пользователей. В локализованном режиме каждому пользователю предназначены L смежных поднесущих, а остальные поднесущие могут быть заняты другими пользователями. В распределённом режиме L поднесущих, предназначенных каждому пользователю, разделены Q поднесущими между ними. Поднесущие, не занятые данным пользователем, могут быть заняты другими пользователями.

Различные модификации технологии OFDM

Как мы помним, схема OFDM обладает рядом недостатков, причём в некоторых сценариях они оказываются критическими. Для частичного преодоления этих недостатков разрабатываются многочисленные модификации схемы модуляции OFDM (и основанной на ней технологии множественного доступа OFDMA). Многие из этих схем предложены для использования в новых поколениях сетей сотовой  связи, в частности 5G. Давайте рассмотрим наиболее примечательные из них.

Частотное разделение на одной несущей (SC-FDMA). В методе множественного доступа SC-FDMA строится сетка частотно-временных ресурсов подобно OFDMA, однако пользователям предоставляются временные слоты целиком, на всех поднесущих (рис. 5). Таким образом, выполняется изоляция абонентов по времени. Отличие данной схемы множественного доступа от TDMA заключается в том, что в каждом частотном канале используется низкий уровень модуляции, что повышает энергетическую эффективность системы, сохраняя общую скорость передачи за счёт множества частотных каналов.

Мультиплексирование c использованием банков фильтров (filter bank multicarrier, FBMC). В FBMC осуществляется дополнительная фильтрация с высокой частотной избирательностью с использованием банка (гребёнки) частотных фильтров. Фильтр-прототип выполняет формирование импульсов. Сущест­вует два наиболее распространённых типа импульсов: импульс на основе алгоритма изотропного ортогонального преобразования (IOTA) и импульс, принятый в проекте PHYDYAS. Технология FBMC обладает значительным преимуществом в формировании каждой поднесу­щей, обеспечивает гибкое использование спектрального ресурса и позволяет удовлет­ворить различным системным требованиям, таким как низкая задержка, множествен­ный доступ и др. Это приводит к улучшению показателей помехоза­щищённости системы. Однако значительная длина фильтров приводит к возникновению таких последствий, как большая длительность символа и увеличение вычислительной сложности.

Обобщённое мультиплексирование с частотным разделением (generalized frequency division multiplexing, GFDM) является блоковой схемой модуляции с частотным уплотнением каналов, обеспечивающей изменяемую форму сигнала. Уникальной особенностью GFDM является использование фильтров с круговым смещением (CS-фильтр). В системах с множественным доступом при комбинировании GFDM с использованием неортогональных фильтров и квадратурной амплитудной модуляции устраняются внутрисистем­ные помехи. Однако, несмотря на весьма перспектив­ные возможности, этот вид модуляции является сложным в вычислительном плане.

Технология фильтрованного OFDM (filtered OFDM, F-OFDM) применяется к каналу нисходящей линии связи. Технология F-OFDM дополнительно содержит этап фильтрации как на передающей, так и на приёмной стороне. Для F-OFDM сконфигурирован­ный фильтр применя­ется к символу OFDM во временной области для снижения уровня внеполосного излучения сигнала в каждом поддиапазоне. Поскольку полоса пропускания филь­тра соответст­вует полосе про­пускания сигнала, затрагиваются только несколько подне­сущих, близких к краю. При этом снижается уровень межсимвольной интерфе­ренции, что обусловлено выбранной кон­струкцией фильтра с использованием оконной обработ­ки (с мягким усечением). Генерация F-OFDM сигнала основана на формирова­нии блока из M близлежащих боковых полос в ряде последовательных OFDM символов.

Многочастотный множественный доступ с универсальной фильтра­цией (universal filtered multicarrier, UFMC) разработан для преодоления проблемы интерференции при множественном доступе пользователей в режиме асинхронной передачи. В этом методе, в отличие от F-OFDM, фильтруются не каждая поднесущая в отдельности, а группы поднесущих, состоящие из определённого количества соседних поднесущих частот. UFMC является обобщённой версией техники фильтрования множества боковых полос (БП). Боковые полосы обрабатываются фильтром одновременно, вместо обработки каждой БП в отдельности. Таким образом, уменьшаются взаимные помехи для БП в сравнении с традиционным OFDM.

Технология OFDM со спектральным прекодированием (spectrally precoded OFDM, SP-OFDM). Символы данных, отображаемые на поднесущие, предварительно ко­диру­ются матрицей, размерность которой превышает её ранг, это делается, чтобы спроеци­ровать сигнал в правильно выбранное низкоразмерное подпространство, так что после предварительной кодировки сигнал становится более гладким. По сравнению с модуля­циями, основанными на фильтрации, SP-OFDM имеет следующие преиму­щества: при использовании фрагментированных полос SP-OFDM может легко вырезать выбранные частоты, не требуя набора узкополосных фильтров; предварительное коди­рование и фильтрация могут быть объединены для большего повышения производи­тельности.

В технологии оконного OFDM (windowed OFDM, W-OFDM) для уменьшения внеполосного излучения сигналов используется обработка временного сигна­ла окном типа “приподнятый косинус”. Известно, что спектр OFDM сигнала имеет много боковых лепестков, медленно затухающих в частотной области, что приводит к увели­чению внеполосного излучения. Для снижения внеполосного излучения используют защитные поднесущие, которые добавляют по краям OFDM сигнала. С этой же целью применяется оконная обработка сигнала, позволяющая осуществлять плавный переход между окончанием предыдущего и началом последующего символа. Применение оконной обработки для формирования символов OFDM позволяет значительно снизить внеполосное излучение.

OFDM на основе вейвлетов

Ещё одна модификация технологии OFDM – это OFDM на основе вейвлетов (wavelet-OFDM, WOFDM), или многочастотная модуляция на основе вейвлетов (wavelet based multi-carrier modulation, WMCM). Она основана на вейвлет-преобразовании. Преимущество WOFDM заключается в возможности адаптации этого метода к различным техническим потребностям вследствие многообразия вейвлетных базисов (в противоположность Фурье-базису, содержащему только синусы и косинусы).

Система связи, основанная на вейвлет-преобразовании, отличается от системы связи, основанной на преобразова­нии Фурье, тем, что модулятор и демодулятор используют не обратное и прямое дискретное преобразование Фурье, а обратное и прямое дискретное вейвлет-преобра­зование. Кроме того, дискретное вейвлет-преобразование не требует наличия цикли­ческого префикса и, благодаря уменьшенным боковым лепесткам, в WOFDM уменьшается вероятность битовой ошибки. Эти преимущества оказались возможными из-за того, что вейвлет-преобразование способно одновременно производить локализацию сигналов в частотной и временной областях. Вейвлет-преобразование обладает возможностью использовать вместо частотного представле­ния временные коэффициенты масштаба и сдвига. Потенциально это позволяет вместо локализации информации на отдельных поднесущих распределять её по спектральной области с определёнными весовыми коэффициентами.

Применение вейвлет-преобразования позволяет увеличить устойчивость системы связи к селективным по частоте замираниям в канале связи по сравнению с системами OFDM, которые используют преобразование Фурье.

 Спектрально-эффективное мультиплексирование с частотным разделением (SEFDM)

Можно ли так разделить спектр между абонентами, чтобы достичь большей спектральной эффективности, чем в OFDM? Оказывается, можно. Рассмотрим два способа повышения спектральной эффективности при частотном разделении пользователей.

Первый подход – это метод быстрого мультиплексирования с ортогональным частотным разделением (fast orthogonal frequency division multiplexing, fast-OFDM). В нём используется частотное разнесение поднесущих, в 2 раза меньшее, чем в случае OFDM. В основе метода fast-OFDM лежит тот факт, что действительная часть коэффи­циента корреляции двух комплексных поднесущих равна нулю, если разнос по частоте между поднесущими кратен целому числу 1/(2T), где T – интервал накопления. Несмо­тря на двукратное уплотнение по частоте, сигналы по-прежнему остаются ортогональ­ными.

Однако более перспективен второй подход, в котором частоты сигналов размещаются более плотно, становясь неортогональными друг другу. Итак, мы впервые вступаем в область неортогональных методов множественного доступа! Разными авторами были предложено два метода, на самом деле идентичных друг другу: мультиплексирование с неортогональ­ным частотным разделением (non-orthogonal frequency division multiplexing, N-OFDM) и спектрально-эффективное мультиплексирование с частотным разделением (spectrally efficient frequency division multiplexing, SEFDM). Суть этих методов заключается в произвольной расста­новке поднесущих относительно АЧХ частотных фильтров. При этом частотный разнос сигналов может быть меньше предельного разрешения (1/T), т.е. в один частотный фильтр может попасть несколько поднесущих.

SEFDM повышает спектральную эффективность системы по сравнению с OFDM путем уменьшения расстояния между поднесущими, поддерживая тем временем ту же скорость передачи на каждой поднесущей. Это проиллюстрировано на рис. 6, где сравниваются спектры OFDM и SEFDM, и полоса частот SEFDM сжимается, причем обе системы используют одно и то же число поднесущих и одну и ту же ширину поднесущей.

Важной характеристикой сигналов SEFDM является коэффициент частотного уплотнения α поднесущих частот, который равен произведению длительности SEFDM символа T на промежуток между соседними частотами Δf: α = T ·Δf. По значению этого параметра можно судить о спектральной эффективности используемого метода. В случае OFDM α = 1, для SEFDM α < 1. Спектральная эффективность достигается благо­даря тому, что поднесущие являются неортогональными, следовательно, происходит перекрытие поднесущих, и разность между ними меньше чем 1/T.

Отметим ещё одно важное преимущество технологии SEFDM перед стандартным OFDM: применение SEFDM позволяет эффективно бороться с узкополосными помехами за счёт адаптивной перестройки частот поднесущих. За счёт смещения поднесущих, поражённых помехой, в область частот, свободную от мешающих воздействий, удаётся сохранить передачу на всех поднесущих без исключения.

Технология OTFS

 Что будет, если модуляцию OFDM применить для связи между быстро движущимися объектами, скорость которых составляет несколько сотен километров в час? В этом случае она столкнётся с большими трудностями из-за сильного эффекта Доплера, когда оценка канала становится неэффективной. Для таких сценариев была предложена довольно своеобразная технология модуляции в ортогональном частотно-временном пространстве (orthogonal time-frequency space, OTFS). В OTFS посредством двумерного симплектического преобразования Фурье принимаемые символы отображаются в пространство временных задержек и доплеровских сдвигов, после чего полученные данные могут быть переданы с помощью модуляции во временной и частотной областях, как в OFDM.

Модуляция OTFS состоит из каскада двух двумерных преобразований как в передатчике, так и в приёмнике (рис. 7). Сначала в передатчике происходит отображение информационных символов , находящихся в двумерной области задержки – доплеровского сдвига, в символы  частотно-временной области с помощью комбинации обратного симплектического преобразования Фурье и применения оконной функции. Этот каскад операций называется преобразованием OTFS. Затем к символам  применяется преобразование Гейзенберга для преобразования частотно-временного модулированного сигнала в сигнал во временной области s(t) для передачи по каналу. В приёмнике выполняются обратные операции: сначала принятый сигнал во временной области отображается в частотно-временную область с помощью преобразования Вигнера (обратное преобразованию Гейзенберга), а затем в область задержки – доплеровского сдвига для демодуляции символов.

Перечислим основные преимущества технологии OTFS:

• В модуляции OTFS каждый передаваемый символ имеет почти постоянный коэффициент передачи даже в каналах с высоким доплеровским сдвигом, для антенных решёток с большим числом элементов или на высоких частотах, таких как миллиметровые волны.

• Технология OTFS имеет значительное преимущество в помехоустойчивости по сравнению с существующими схемами модуляции.

• OTFS имеет более низкие значения вероятности битовых ошибок, чем OFDM, в широком диапазоне скоростей абонентов (от 50 до 500 км/ч).

Заключение

В первой части мы рассмотрели основные принципы и термины, относящиеся к  методам множественного доступа, методы временного и частотного разделения пользователей, модуляцию OFDM и разработанный на его основе метод множественного доступа OFDMA, различные перспективные модификации технологии OFDM, основанные на фильтрации сигнала, мультиплексирование с неортогональным частотным разделением (N-OFDM, SEFDM) и модуляцию в ортогональном частотно-временном пространстве (OTFS). Также отметили преимущества, недостатки и области применимости этих технологий.

Во второй части статьи из серии “Обзор методов множественного доступа в беспроводной связи”, которая выйдет уже в этом месяце, вас ждёт детальный разбор методов  неортогонального множественного доступа с разделением по мощности.

Перейти ко 2 части