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LTE OFDM, OFDMA SC-FDMA & Modulation

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OFDM bildet das grundlegende Signalformat, das in 4G LTE verwendet wird. OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplex ist das verwendete Grundformat, das modifiziert wird, um das Mehrfachzugriffsschema bereitzustellen: OFDMA, Orthogonal Frequency Division Mehrfachzugriff im Downlink und SC-FDMA, Einkanal-Orthogonalfrequenzmultiplex Multiple Access im Uplink.

Unter Verwendung mehrerer Träger, von denen jeder eine niedrige Datenrate trägt, ist OFDM ideal für die Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung, da es eine Widerstandsfähigkeit gegen Schmalbandschwund bietet, der aufgrund von Reflexionen und den allgemeinen Ausbreitungseigenschaften bei diesen Frequenzen auftritt.

Innerhalb des grundlegenden LTE OFDM-Signalformats werden verschiedene Modulationsformate verwendet, einschließlich PSK und QAM. Eine Modulation höherer Ordnung wird verwendet, um die höheren Datenraten zu erreichen: Die Modulationsreihenfolge wird durch die Signalqualität bestimmt.

LTE-Modulation & OFDM-Grundlagen

Die Verwendung von OFDM ist eine natürliche Wahl für LTE. Während die Grundkonzepte von OFDM verwendet werden, wurde es natürlich auf die genauen Anforderungen für LTE zugeschnitten. Die Verwendung mehrerer Träger, die jeweils eine niedrige Datenrate tragen, bleibt jedoch gleich.

Hinweis zu OFDM:

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) ist eine Form des Signalformats, bei dem eine große Anzahl von Trägern mit geringem Abstand verwendet wird, die jeweils mit einem Datenstrom mit niedriger Rate moduliert werden. Es wird normalerweise erwartet, dass die eng beabstandeten Signale sich gegenseitig stören, aber wenn die Signale orthogonal zueinander gemacht werden, gibt es keine gegenseitige Interferenz. Die zu übertragenden Daten werden von allen Trägern gemeinsam genutzt. Dies bietet Ausfallsicherheit gegen selektives Fading durch Mehrwegeffekte.

Lesen Sie mehr über OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing.

Die tatsächliche Implementierung der Technologie unterscheidet sich zwischen der Abwärtsverbindung (d. H. Von der Basisstation zu der Mobilstation) und der Aufwärtsverbindung (d. H. Mobil zur Basisstation) aufgrund der unterschiedlichen Anforderungen zwischen den beiden Richtungen und der Ausrüstung an beiden Enden. OFDM wurde jedoch als Signalträgerformat gewählt, da es sehr störungsresistent ist. Auch in den letzten Jahren wurden beträchtliche Erfahrungen mit der Verwendung der verschiedenen Rundfunkformen gesammelt, die sie zusammen mit Wi-Fi und WiMAX verwenden. OFDM ist auch ein Modulationsformat, das sich sehr gut für die Übertragung hoher Datenraten eignet - eine der Hauptanforderungen für LTE.

Darüber hinaus kann OFDM sowohl im FDD- als auch im TDD-Format verwendet werden. Dies wird zu einem zusätzlichen Vorteil.

Bandbreiten und Eigenschaften des LTE-Kanals

Einer der Schlüsselparameter bei der Verwendung von OFDM innerhalb von LTE ist die Wahl der Bandbreite. Die verfügbare Bandbreite beeinflusst eine Vielzahl von Entscheidungen, einschließlich der Anzahl von Trägern, die im OFDM-Signal untergebracht werden können, und dies beeinflusst wiederum Elemente einschließlich der Symbollänge usw.

LTE definiert eine Anzahl von Kanalbandbreiten. Je größer die Bandbreite ist, desto größer ist natürlich die Kanalkapazität.

Die für LTE ausgewählten Kanalbandbreiten sind:

  1. 1,4 MHz
  2. 3 MHz
  3. 5 MHz
  4. 10 MHz
  5. 15 MHz
  6. 20 MHz

Zusätzlich dazu beträgt der Abstand der Unterträger 15 kHz, d. H. Die LTE-Unterträger sind 15 kHz voneinander beabstandet. Um die Orthogonalität aufrechtzuerhalten, ergibt dies eine Symbolrate von 1/15 kHz = 66,7 us.

Jeder Unterträger kann Daten mit einer maximalen Rate von 15 ksps (Kilosymbol pro Sekunde) übertragen. Dies gibt einem 20-MHz-Bandbreitensystem eine Rohsymbolrate von 18 Msps. Dies kann wiederum eine Rohdatenrate von 108 Mbit / s liefern, da jedes Symbol, das 64QAM verwendet, sechs Bits darstellen kann.

Es scheint, dass diese Raten nicht mit den in den LTE-Spezifikationen angegebenen Schlagzeilen übereinstimmen. Der Grund dafür ist, dass die tatsächlichen Spitzendatenraten abgeleitet werden, indem zuerst die Codierungs- und Steuerungskosten subtrahiert werden. Dann gibt es Gewinne, die sich aus Elementen wie dem räumlichen Multiplexen usw. ergeben.

Zyklisches Präfix LTE OFDM, CP

Einer der Hauptgründe für die Verwendung von OFDM als Modulationsformat innerhalb von LTE (und vielen anderen drahtlosen Systemen) ist seine Widerstandsfähigkeit gegenüber Mehrwegverzögerungen und -ausbreitung. Es ist jedoch weiterhin erforderlich, Methoden zu implementieren, um dem System mehr Ausfallsicherheit zu verleihen. Dies hilft, die daraus resultierende Inter-Symbol-Interferenz (ISI) zu überwinden.

In Bereichen, in denen Inter-Symbol-Interferenzen zu erwarten sind, kann dies vermieden werden, indem am Anfang jedes Datensymbols eine Schutzperiode in das Timing eingefügt wird. Es ist dann möglich, einen Abschnitt vom Ende des Symbols zum Anfang zu kopieren. Dies ist als zyklisches Präfix CP bekannt. Der Empfänger kann dann die Wellenform zum optimalen Zeitpunkt abtasten und jegliche Inter-Symbol-Interferenz vermeiden, die durch Reflexionen verursacht wird, die um Zeiten bis zur Länge des zyklischen Präfixes CP verzögert sind.

Die Länge des zyklischen Präfixes CP ist wichtig. Wenn es nicht lang genug ist, wirkt es der Ausbreitung der Mehrwegreflexionsverzögerung nicht entgegen. Wenn es zu lang ist, wird die Datendurchsatzkapazität verringert. Für LTE wurde die Standardlänge des zyklischen Präfixes zu 4,69 µs gewählt. Dadurch kann das System Pfadschwankungen von bis zu 1,4 km berücksichtigen. Mit der Symbollänge in LTE auf 66,7 µs eingestellt.

Die Symbollänge wird durch die Tatsache definiert, dass für OFDM-Systeme die Symbollänge gleich dem Kehrwert des Trägerabstands ist, so dass Orthogonalität erreicht wird. Bei einem Trägerabstand von 15 kHz ergibt sich eine Symbollänge von 66,7 µs.

LTE OFDMA im Downlink

Das in LTE verwendete OFDM-Signal umfasst maximal 2048 verschiedene Unterträger mit einem Abstand von 15 kHz. Obwohl es für die Mobiltelefone obligatorisch sein muss, alle 2048 Unterträger empfangen zu können, müssen nicht alle von der Basisstation gesendet werden, die nur die Übertragung von 72 Unterträgern unterstützen muss. Auf diese Weise können alle Handys mit jeder Basisstation kommunizieren.

Innerhalb des OFDM-Signals kann zwischen drei Modulationsarten für das LTE-Signal gewählt werden:

  1. QPSK (= 4QAM) 2 Bits pro Symbol
  2. 16QAM 4 Bits pro Symbol
  3. 64QAM 6 Bits pro Symbol

Hinweis zur QAM - Quadraturamplitudenmodulation:

QAM mit Quadraturamplitudenmodulation wird häufig für die Datenübertragung verwendet, da es eine bessere spektrale Effizienz als andere Modulationsformen ermöglicht. QAM verwendet zwei Träger mit derselben um 90 ° verschobenen Frequenz, die durch zwei Datenströme moduliert werden - I- oder Inphase- und Q-Quadratur-Elemente.

Das genaue LTE-Modulationsformat wird in Abhängigkeit von den vorherrschenden Bedingungen gewählt. Die niedrigeren Modulationsformen (QPSK) erfordern kein so großes Signal-Rausch-Verhältnis, können die Daten jedoch nicht so schnell senden. Nur wenn ein ausreichendes Signal-Rausch-Verhältnis vorliegt, kann das Modulationsformat höherer Ordnung verwendet werden.

Downlink-Carrier und Ressourcenblöcke

Im Downlink werden die Unterträger in Ressourcenblöcke aufgeteilt. Auf diese Weise kann das System die Daten auf die Standardanzahl von Unterträgern aufteilen.

Ressourcenblöcke umfassen 12 Unterträger, unabhängig von der gesamten LTE-Signalbandbreite. Sie decken auch einen Slot im Zeitrahmen ab. Dies bedeutet, dass unterschiedliche LTE-Signalbandbreiten eine unterschiedliche Anzahl von Ressourcenblöcken aufweisen.


LTE-Downlink-Träger und Ressourcenblöcke
Kanalbandbreite
(MHz)
1.435101520
Anzahl der Ressourcenblöcke615255075100

LTE SC-FDMA im Uplink

Für den LTE-Uplink wird ein anderes Konzept für die Zugriffstechnik verwendet. Obwohl immer noch eine Form der OFDMA-Technologie verwendet wird, wird die Implementierung als Single-Carrier Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA) bezeichnet.

Einer der wichtigsten Parameter, der alle Mobiltelefone betrifft, ist die Akkulaufzeit. Obwohl sich die Batterieleistung ständig verbessert, muss sichergestellt werden, dass die Mobiltelefone so wenig Batteriestrom wie möglich verbrauchen.

Da der HF-Leistungsverstärker, der das Hochfrequenzsignal über die Antenne an die Basisstation überträgt, das Element mit der höchsten Leistung im Mobiltelefon ist, muss er in einem möglichst effizienten Modus arbeiten. Dies kann durch die Form der Hochfrequenzmodulation und das Signalformat erheblich beeinflusst werden.

Signale, die ein hohes Verhältnis von Spitze zu Durchschnitt aufweisen und eine lineare Verstärkung erfordern, eignen sich nicht für die Verwendung effizienter HF-Leistungsverstärker. Infolgedessen ist es notwendig, einen Übertragungsmodus zu verwenden, der im Betrieb einen nahezu konstanten Leistungspegel aufweist. Leider hat OFDM ein hohes Verhältnis von Spitze zu Durchschnitt.

Dies ist zwar kein Problem für die Basisstation, bei der die Stromversorgung kein besonderes Problem darstellt, für das Mobiltelefon jedoch nicht akzeptabel. Infolgedessen verwendet LTE ein Modulationsschema, das als SC-FDMA - Single Carrier Frequency Division Multiplex bekannt ist und ein Hybridformat ist. Dies kombiniert das niedrige Verhältnis von Spitze zu Durchschnitt, das von Einträgersystemen angeboten wird, mit der Mehrwegestörungsstabilität und der flexiblen Unterträgerfrequenzzuweisung, die OFDM bietet.

Das LTE-Signalformat, die Modulation und die Verwendung von OFDM haben es LTE ermöglicht, zuverlässige Hochgeschwindigkeitsdatenkommunikation bereitzustellen.

Die Verwendung von OFDM hat es LTE ermöglicht, selbst bei Vorhandensein von Reflexionen eine zuverlässige Verbindungsqualität bereitzustellen, und die adaptive Modulation bot die Möglichkeit, die Verbindung gemäß der vorherrschenden Signalqualität zu modifizieren.

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