Перспективные технологии многостанционного доступа

Радиочастотный диапазон – чрезвычайно ценный ресурс. Необходимость удовлетворения растущего спроса на беспроводную связь и организации широкополосного доступа требуют развития новых методов передачи информации, позволяющих повысить эффективность использования спектра в условиях ограниченности частотного ресурса.

В настоящее время в системах электросвязи с множественным доступом чаще всего используется принцип ортогонального частотного разделения каналов с мультиплексированием (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM). Технология OFDM хорошо известна и тщательно изучена, на ней основаны такие стандарты, как, например, LTE и DVB.

Данная технология имеет ряд преимуществ, вполне достаточных для удовлетворения требований, предъявляемых к сетям 4 G.

В то же время, будущие сети мобильной связи должны обеспечивать на порядок более высокие характеристики (в частности, скорость передачи данных до 20 Гбит/с, сетевые задержки – до 1 мс, возможность обслуживания на квадратный километр до 1 млн устройств, увеличение спектральной эффективности в три раза по сравнению с сетями четвертого поколения).

Необходимо учитывать и тот факт, что развитие так называемого «Интернета вещей» (IoT) вносит ряд жестких требований к развитию сетей мобильной связи будущего. «Интернет вещей» - это совокупность устройств (планшетов, смартфоноф и т.д.), различных датчиков, а также бытовых гаджетов, объединенных между собой проводными и беспроводными каналами связи и подключенных к сети Интернет; это более тесная интеграция реального и виртуального миров, позволяющая охватить все сферы деятельности человека. Пока еще слишком рано говорить о всех возможных вариантах устройств, задействованных в «Интернете вещей», но очевидно одно, что большинство из них будет сильно отличаться от устройств, подключенных к 4G.

Таким образом, учитывая широкий охват различных типов устройств, а также объективную необходимость экономии энергии и затрат, сети 5G должны позволять передавать данные с использованием упрощенных систем синхронизации при наличии частотно-временных искажений.

В настоящее время для мобильных сетей следующих поколений разрабатываются такие перспективные технологии, как Filter Bank MultiCarrier , FBMC (технология многочастотной передачи с гребенчатой фильтрацией). Непосредственно фильтрация повышает спектральную эффективность по сравнению с OFDM за счет отказа от защитного интервала с циклическим префиксом. Вследствие снижения уровня боковых лепестков поднесущих, технология FBMC более устойчива к ошибкам оценки частотного и временного сдвигов, а значит, не требуют сложных систем синхронизации и передачи дополнительных обучающих сигналов, что особенно важно для устройств «Интернета вещей».

OFDM как основа новых технологий сетей пятого поколения

OFDM – метод модуляции, использующий множество несущих. Высокоскоростной поток информации конвертируется в несколько параллельных битовых потоков, каждый из которых модулирует свою отдельную несущую.

Все это множество несущих передается одновременно. Параметры поднесущих сигналов подбираются так, чтобы они были ортогональны по отношению друг к другу. Для быстрой реализации данного действия с помощью вычислительных устройств используют алгоритм обратного быстрого преобразования Фурье (ОБПФ).

Упрощенная функциональная схема системы OFDM представлена на рис.1.

Выходной поток данных

Входной поток

Рис.1 . Упрощенная функциональная схема системы OFDM

Согласно рис.1, передаваемый поток данных преобразуется в блоке S/P из последовательного в параллельный. После прохождения блока ОБПФ к сгенерированным временным потокам добавляется циклический префикс (копия части OFDM - символов) для уменьшения влияния межсимвольной интерференции. В блоке P/S параллельный поток преобразуется в последовательный. Далее полученный цифровой сигнал преобразуется в аналоговую форму и передается по каналу связи.

В приемнике сигнал преобразуется в цифровую форму. После выполнения алгоритмов быстрого преобразования Фурье (БПФ) в принимаемых потоках удаляется циклический префикс. Наконец, параллельные сигналы собираются в один исходный поток данных.

Способность устранять межсимвольную интерференцию и бороться с узкополосными помехами, высокая спектральная эффективность (в сравнении с традиционными системами с частотным разделением каналов), простая реализация рассматриваемой технологии методами цифровой обработки сигналов, а также способность противостоять интерференции между поднесущими обусловили популярность OFDM во всех современных системах связи[1,2].

В то же время, такие недостатки, как высокий уровень боковых лепестков поднесущих, необходимость высокоточной синхронизации по времени и частоте, чрезмерные энергетические затраты (из-за большого значения пик-фактора), снижение спектральной эффективности метода за счет использования циклического префикса, а также высокая чувствительность  к смещению несущей частоты  (что накладывает определенные трудности при использовании метода в мобильных сетях), делают OFDM  далеко не самой оптимальной  технологией для перспективных систем связи. Таким образом, возникает необходимость разработки и оптимизации новых высокоэффективных методов модуляции, которые будут соответствовать высоким требованиям стремительно развивающихся мобильных сетей связи.

Метод FBMC

В общем случае, FBMC является эволюцией метода OFDM. И если OFDM требует обеспечения ортогональности для всех несущих, то в случае с FBMC необходима ортогональность только для соседних подканалов. Кроме того, в технологии FBMC каждая поднесущая OFDM-сигнала фильтруется индивидуально, за счет чего снижается уровень внеполосных излучений и повышается устойчивость сигнала к интерференции между поднесущими.

Упрощенная функциональная схема системы FBMC представлена на рис.2.

Входной поток

Выходной поток данных

Как видно из рис. 2 в технологии FBMC используются основные функциональные блоки OFDM. Операция фильтрации организуется через ввдение PolyPhase Network (PPN) после ОБПФ, что в совокупности представляет собой набор фильтров. Набор фильтров может быть определен как массив из N фильтров, которые обрабатывают N входных сигналов для получения N сигналов на выходе. Организация набора фильтров позволяет ограничивать полосу частот каждого канала, что существенно сокращает межсимвольные помехи и наложение между несущими. Таким образом, отпадает необходимость добавления циклического префикса, следовательно, повышается эффективность использования спектра.

На рис. 3 представлены частотные характеристики OFDM и FBMC.

Нормированная частота ( х π рад/отсчет)

Рис.3.Частотные характеристики OFDM и FBMC

Здесь OFDM показывает большой уровень боковых лепестков, в то время как в случае FBMC основная энергия сосредоточена в пределах допустимой полосы частот.

Основные различия между системами OFDM и FBMC приведены в таблице.

Основные различия между системами OFDM и FBMC

Характеристики	OFDM	FBMC
Уровень боковых лепестков	Высокий	Низкий
Спектральные характеристики	Значительное влияние канала на соседние каналы из-за слабой ограниченности полосы частот модулированного сигнала	Минимальное влияние канала на соседние каналы благодаря высокой эффективности фильтров
Циклический префикс	Необходим, а значит, снижается эффективность полосы пропускания	Не требуется, следовательно, возрастает спектральная эффективность метода
Вычислительная сложность	Менее сложный	Более сложный

Как видно из таблицы, существенным минусом FBMC является его вычислительная сложность.

Следует отметить, что для эффективной фильтрации длина фильтра, используемого в технологии FBMC, должна в несколько раз превышать длину символа. Использование фильтров большой размерности с высокой частотной селективностью приводит к снижению эффективности передачи сигнала во временной области, увеличивая задержки передачи информационных данных, что также является значимым недостатком[2,3].

Заключение

Возникающие новые направления использования мобильной связи (например, развитие «Интернета вещей») требуют реорганизации существующих методов передачи информации. Широко известная технология OFDM уже не соответствует предъявляемым высоким требованиям.

В настоящее время в качестве альтернативы OFDM рассматриваются технология FBMC в основе которой также лежит БПФ.

В  целом, принципиальное отличие  заключается в способе фильтрации: FBMC фильтрует каждую поднесущую в отдельности.

В заключение следует отметить, что несмотря на то, что рассмотренные технологии будущих сетей мобильной связи демонстрируют достаточно высокие результаты, они по-прежнему не идеальны и вопросы их оптимизации стоят достаточно остро.