LTE. Лекция 4. Частотно-временная структура радиоинтерфейса сетей LTE. OFDM. Resource Grid

• Обсуждение разбиения оси времени на кадры, тайм-слоты и временные символы.  

• Объяснение работы с полосой частот от 1,4 до 20 МГц и поднесущими.  

• Упоминание о сложности описания структуры без использования визуальных схем.  

• Пример передачи 10 бит за секунду на одной несущей частоте.  

• Увеличение скорости передачи данных путём уменьшения длительности импульсов.  

• Пример достижения скорости 100 бит/с при длительности символа 10 мс.  

• Возможность достижения высоких скоростей передачи данных при уменьшении длительности импульсов.  

• Влияние уменьшения длительности импульсов на ширину спектра сигнала.  

• Проблема увеличения ширины спектра при уменьшении длительности импульсов.  

• Влияние коротких импульсов на переходные процессы и амплитуду сигнала.  

• Трудности в определении наличия сигнала при коротких импульсах.  

• Необходимость более длинных импульсов для надёжной интерпретации сигнала.  

• Описание многолучевого распространения сигналов и их переотражения от препятствий.  

• Проблема интерференции между прямым и переотраженными сигналами.  

• Влияние переотраженных сигналов на интерпретацию данных приёмником.  

• Введение защитного интервала для борьбы с интерференцией.  

• Оценка максимальной дельты между прямым и переотраженным лучами.  

• Формирование защитного интервала для защиты от интерференции.  

• Описание защитного интервала как сайклик-префикса в сетях LTE.  

• Последовательность отправки данных с защитными интервалами для предотвращения интерференции.  

• Защитный интервал необходим после каждого символа для предотвращения потери данных.  

• Пример: при длительности символа 10 мс защитный интервал должен быть не менее 10 мс.  

• Увеличение защитного интервала снижает скорость передачи данных.  

• Короткие символы увеличивают скорость передачи, но требуют длинных защитных интервалов.  

• Длинный защитный интервал снижает эффективность системы.  

• Шинон указывает на предел скорости передачи данных для данной ширины полосы.  

• Необходимо создать систему, которая оптимально использует спектр, обеспечивает помехозащищённость и хорошую энергетику символов.  

• Спектрограмма помогает визуализировать мощность сигнала в зависимости от частоты и времени.  

• Разделение полосы частот на несколько поднесущих позволяет увеличить длительность символов при сохранении спектра.  

• Пример: увеличение длительности символа в четыре раза при сохранении спектра в четыре раза.  

• Передача данных на разных частотах увеличивает эффективность использования спектра.  

• Важно правильно выбрать расстояние между поднесущими, чтобы избежать перекрытия спектров.  

• Перекрытие спектров приводит к интерференции сигналов.  

• В обычных технологиях, таких как FDMA, частоты растаскиваются на большое расстояние для предотвращения интерференции.  

• OFDM использует свойства ортогональности сигналов.  

• Спектр сигналов имеет максимальную точку и чётко определённые нули.  

• Идея OFDM: растащить соседние символы так, чтобы максимум мощности одной поднесущей приходился на момент нулей от соседних поднесущих.  

• Поднесущие должны отстоять на кратное количество периодов.  

• Ортогональные сигналы удовлетворяют условию: произведение функций на интервале от минус половины периода до половины периода равно нулю.  

• Примеры ортогональных сигналов: синусоиды, кратные друг другу, например, sin x и sin 2x.  

• Перемножение синусоид sin x и sin 2x даёт результат, равный нулю на интервале от -π до π.  

• Кратные синусоиды позволяют получить ортогональные сигналы.  

• Центральная несущая и ширина полосы разбиваются на поднесущие.  

• Расстояние между поднесущими в мобильных сетях LTE обычно составляет 15 кГц.  

• Технология OFDM уплотняет спектр сигнала.  

• Каждая поднесущая модулируется отдельным видом модуляции в зависимости от передаваемой битовой последовательности.  

• Условия формирования сигнала: длительность символа должна укладываться в целое количество периодов синусоиды, частота поднесущих должна быть целым числом, на длительности символа не должно происходить изменение амплитуды или фазы сигнала.  

• Битовый поток преобразуется в комплексные числа для каждой поднесущей.  

• Комплексные числа представляют синусоидальный сигнал с заданной амплитудой и начальной фазой.  

• Блок модуляции преобразует битовый поток в комплексные числа.  

• Комплексные числа суммируются для получения временного представления сигнала.  

• Для перехода из частотной области во временную используется обратное преобразование Фурье.  

• Быстрое преобразование Фурье упрощает математическую процедуру преобразования.  

• Быстрое преобразование Фурье требует, чтобы число точек было кратно степени двойки.  

• Комплексные числа подаются на обратное быстрое преобразование Фурье для получения временного представления сигнала.  

• Обратное преобразование Фурье преобразует частотную область во временную.  

• На выходе получаются комплектные отчёты временного сигнала.  

• Входные отчёты обозначаются как Dk, а выходные — как Tn.  

• Формула: 1/√N * сумма по k от 1 до N * экспонента -2πikn / N.  

• N — количество точек в частотной области, например, 128.  

• Результат: количество отчётов во времени равно количеству точек в частотной области.  

• Передача сигнала включает добавление циклического префикса и квадратурную модуляцию.  

• Сигнал поднимается на несущую частоту и отправляется в эфир.  

• На приёмной стороне сигнал синхронизируется и удаляется циклический префикс.  

• Прямое преобразование Фурье позволяет восстановить сигнал в частотной области.  

• Процедура включает сложение и умножение, требующие значительных вычислительных ресурсов.  

• Развитие процессорной техники позволяет быстро обрабатывать преобразования Фурье.  

• Длительность символа определяется расстоянием между поднесущими.  

• При расстоянии 15 кГц длительность символа составляет 66,67 микросекунд.  

• Увеличение количества поднесущих повышает частоту дискретизации сигнала.  

• Ширина полосы сигнала влияет на параметры OFDM в сетях AT.  

• Поддерживаются полосы частот 1,4 МГц, 3 МГц, 5 МГц, 10 МГц, 15 МГц и 20 МГц.  

• Размер преобразования Фурье зависит от количества поднесущих.  

• Для полосы 1,4 МГц с 128 поднесущими частота дискретизации составляет 1,92 МГц.  

• Не все поднесущие используются для передачи данных.  

• Реальное количество используемых поднесущих определяется стандартом.  

• В OFDM используются только часть поднесущих в качестве информационных.  

• Стандарт определяет, какие поднесущие занимают данные.  

• В полосе 1,4 МГц из 128 поднесущих 72 заняты данными, остальные — защитные интервалы.  

• В полосе 3 МГц из 256 поднесущих 180 заняты данными.  

• Реальная полоса частот передаваемого сигнала меньше заявленной из-за защитных интервалов.  

• Защитные интервалы предотвращают межсистемную интерференцию.  

• Они гарантируют, что помехи от одного сигнала не достигнут соседних систем.  

• Выбор модуляции зависит от реальных радиоусловий.  

• При плохих условиях некоторые схемы модуляции становятся неэффективными.  

• Для выбора оптимальной модуляции требуется обратная связь от пользователей.  

• Поднесущие объединяются в ресурсные блоки для модуляции.  

• Размер ресурсного блока по частоте составляет 12 поднесущих.  

• Количество ресурсных блоков в полосе частот кратно 12.  

• Ось времени разбита на кадры длительностью 10 мс.  

• Каждый кадр состоит из двух слотов, каждый слот — из семи символов.  

• Защитные интервалы могут быть нормальными или экстензитивными.  

• Зная структуру радиоинтерфейса, можно оценить скорость передачи данных.  

• Пример расчёта: в полосе 1,4 МГц 6 ресурсных блоков, каждый из 72 поднесущих.  

• При использовании CAM-64 каждый ресурсный элемент содержит 6 бит информации.  

• Пиковая скорость передачи данных рассчитывается как произведение количества поднесущих на количество символов в слоте.  

• Количество ресурсных блоков при определённой полосе частот равно шести.  

• Символьная скорость рассчитывается путём умножения количества ресурсных блоков на шесть.  

• Битовая скорость определяется умножением символьной скорости на количество бит в одном символе с учётом модуляции.  

• Пиковая скорость передачи данных составляет 36,288 Мбит/с.  

• Структура кадра типа 1 используется для частотного дуплексирования между AP и DL.  

• При временном дуплексировании используется одна несущая для AP и DL, передача данных чередуется.  

• В структуре кадра есть специальные слоты для перестройки приёма-передачи и защитный интервал.  

• Структура кадра может быть сконфигурирована для изменения соотношения слотов AP и DL.  

• Визуализация частотно-временной спектрограммы в сетях LTE.  

• Настройка режима дуплексирования, ширины полосы частот и количества ресурсных блоков.  

• Выбор количества символов на слот и количества антенн на передачу.  

• Определение физического идентификатора для референсных сигналов.  

• Ось частоты измеряется в ресурсных блоках или поднесущих.  

• Кадр состоит из десяти субкадров или двадцати слотов, каждый слот состоит из семи символов.  

• Раскраска символов зависит от передаваемых данных.  

• Белое пространство на сетке — это ресурсы для передачи данных.  

• Разноцветные области — это сигналы синхронизации и референсные сигналы.  

• КПД системы не достигает 100%.  

• Изменение соотношения кадров AP и DL для оптимизации передачи данных.  

• Настройка ширины полосы частот для увеличения количества ресурсных блоков и скорости передачи данных.  

• При MIMO 2x2 пользователь получает две параллельные сетки данных.  

• Одна антенна передаёт данные с красными пилотами, другая — с чёрными пилотами.  

• Параллельная передача данных увеличивает скорость радиоинтерфейса.