Технология OFDM

Москва
Горячая линия – Телеком

2017

Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 
11.03.02 и 11.04.02 – «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» 
квалификации (степени) «бакалавр» и «магистр»

УДК 621.396 
ББК 32.84 
      Т38 

Р е ц е н з е н т ы :  профессор кафедры «Радиотехнические системы» МТУСИ, 
доктор техн. наук, профессор  О. А. Шорин; профессор кафедры «Вычислительная и прикладная математика» РГРТУ , доктор техн. наук, доцент 
Г. В. Овечкин 

Т38
Технология OFDM. Учебное пособие для вузов / М. Г. Бакулин, 
В. Б. Крейнделин, А. М. Шлома, А. П. Шумов. – Горячая линия –
Телеком, 2017. – 352 с., ил. 

ISBN 978-5-9912-0549-8. 

Рассмотрены принципы построения и алгоритмы формирования и обработки сигналов в системах связи с технологией OFDM (ортогонального 
частотного мультиплексирования), положенные в основу систем: LTE, 
LTE-Advanced, WiMax и WiFi. Изложены основы распространения радиоволн в каналах подвижной радиосвязи, проанализированы характеристики каналов с замираниями, рассмотрены системные функции канала, основы статистического описания каналов, основные модели каналов систем 
подвижной связи. Отдельные разделы посвящены темам, связанным с 
технологией OFDM, таким как:  генерация поднесущих, защитный интервал и циклическое расширение, выбор параметров и обработка OFDM сигналов, искажения и рассогласования в системах с OFDM. Рассмотрены 
вопросы кодирования и модуляции для систем с OFDM. Уделено внимание задачам синхронизации, оцениванию и выравниванию канала, методам решения проблемы высокой пиковой мощности. Рассмотрены вопросы множественного доступа с ортогональным частотным разделением 
(OFDMA), совместного использования технологий MIMO и OFDM. 

Для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки 

«Инфокоммуникационные технологии и системы связи» (бакалавриат, магистратура). Будет полезна студентам и аспирантам других инфокоммуникационных направлений, а также специалистам. 

ББК 32.84 

Адрес издательства в Интернет WWW.TECHBOOK.RU 

Все права защищены.
Любая часть этого издания не может быть воспроизведена в какой бы то ни 
было форме и какими бы то ни было средствами без письменного 
разрешения правообладателя
© ООО «Научно-техническое издательство «Горячая линия – Телеком»
www.techbook.ru
  М. Г. Бакулин, В. Б. Крейнделин, А. М. Шлома, А. П. Шумов 

Предисловие

Потребность в беспроводных мультимедийных услугах связи
быстро растет. Общей чертой многих действующих стандартов беспроводной связи, касающихся высокоскоростной передачи мультимедийной информации, является выбор радиоинтерфейса со многими несущими, основанного либо на мультиплексировании с ортогональным частотным разделением (OFDM — Orthogonal Frequency
Division Multiplexing), либо на множественном доступе с ортогональным частотным разделением (OFDMA — Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access). Примерами этой тенденции являются семейства стандартов IEEE 802.11 и IEEE 802.16 для беспроводных
локальных сетей (WLAN — Wireless Local Area Networks). Несмотря на то что основной принцип OFDM/OFDMA является общеизвестным среди специалистов в области связи, вопросы практической
реализации этого принципа далеки от простых решений и требуют
достаточно сложных технологий обработки сигналов, чтобы достичь
необходимых характеристик систем связи.
Предлагаемая читателю книга является первым достаточно полным изложением на русском языке основ технологии OFDM. Авторы
надеются, что это поможет широким массам отечественных студентов и инженеров освоить эту технологию, не прибегая без необходимости к англоязычной литературе.
Книга направлена на то, чтобы дать доступное введение в принципы построения основанных на OFDM-систем с точки зрения технологий обработки сигналов. Подбор материала в книгу проведен
авторами с учетом опыта их участия в разработке современных систем связи, а также опыта преподавательской работы.
В начале книги дается краткая трактовка основных вопросов,
связанных с описанием беспроводных каналов подвижной связи, их
влиянием на сигналы и, в конечном счете, на характеристики соответствующих систем связи. В последующих главах предлагается
достаточно подробный обзор разнообразных критических вопросов
работы систем связи с OFDM, таких как:
• методы синхронизации;
• методы оценивания параметров каналов связи;
• множественный доступ;

Предисловие

• практические методы снижения отношения пиковой мощности
передаваемого сигнала к его средней мощности.
В книге рассматриваются также вопросы совместного использования технологии OFDM с технологией MIMO (много передающих
антенн — много приемных антенн — Multiple-Input-Multiple-Output).
Подбор и изложение тем отличают эту книгу от других книг по
цифровой связи. В большинстве книг, в которых затрагивается передача сигналов со многими несущими, некоторые вопросы просто
не обсуждаются. Это касается, прежде всего, вопросов синхронизации и оценки параметров беспроводного канала связи. В результате у читателей может сложиться ошибочное впечатление, что эти
вопросы достаточно просты и что реальные системы всегда могут
работать близко к предельным случаям идеальной синхронизации и
оценки канала. Однако для успешного решения этих задач могут
потребоваться значительные усилия.
Большая часть приведенного в книге материала впервые была
представлена в журнальных статьях, ссылки на которые приведены
в конце каждой главы. Вместе с тем в силу ограниченного объема
книги и ограниченного времени, необходимого для ее написания, не
все важные темы рассмотрены достаточно подробно. Для ознакомления с последними достижениями, особенно в области технологий
MIMO-OFDM, OFDMA, придется обратиться к соответствующим
зарубежным изданиям последних лет, однако данная книга может
служить необходимым шагом к освоению самых современных технологий надежной высокоскоростной передачи информации.
Авторы полагают, что книга будет полезна специалистам в области разработки и эксплуатации современных систем связи, а также
студентам высших учебных заведений, обучающимся по направлениям телекоммуникаций, систем и сетей связи.
Авторам хотелось бы поблагодарить тех, кто помогал в их работе над книгой. Крейнделин В.Б. выражает благодарность супруге
Светлане и детям Анне, Борису и Михаилу, без поддержки которых его многолетняя работа над данной книгой никогда не была бы
завершена.
Работа выполнена при частичной поддержке гранта Российского
научного фонда (проект 14-19-01263).

Введение

Интенсивное использование беспроводных технологий оказывает значительное влияние на стиль жизни и работы большого числа людей.
Растет число пользователей Интернета, быстро растет
число услуг мобильной связи, предлагаемых пользователям сотовыми операторами. Повсеместным становится беспроводной широкополосный доступ к сетям связи. Особо важную роль беспроводной
широкополосный доступ играет в том числе в сельской местности,
при отсутствии дорогой инфраструктуры и возможности использования кабельных сетей.
Новые поколения беспроводных систем, предоставляющих мультимедийные услуги, такие как передача речи, данных, аудио-, видеоинформации, сходятся к одной интегрированной платформе и позволяют обеспечивать предоставление услуг с помощью небольших
портативных устройств.
Однако разработка беспроводных систем связи, которые могли бы надежно поддерживать появляющиеся мультимедийные приложения, сталкивается с рядом технологических вызовов, которые
требуют серьезных исследовательских усилий. Один из таких вызовов обусловлен сложной природой беспроводных каналов подвижной связи. В беспроводных приложениях излученная электромагнитная волна приходит на приемную антенну после рассеяния, дифракции, отражений от окружающих объектов. В результате приемник наблюдает суперпозицию нескольких по-разному затухших и
задержанных копий переданного сигнала. Конструктивное или деструктивное сложение этих копий приводит к большим флуктуациям принятого сигнала с соответствующим ухудшением качества связи. Кроме того, характеристики канала могут случайно меняться
во времени из-за непредсказуемых изменений условий распространения или как следствие относительного движения передатчика и
приемника. Второй вызов связан с ограниченным объемом доступного спектра частот, который является очень дефицитным и дорогим
ресурсом. Достаточно сказать, что европейские телекоммуникационные компании в свое время потратили около 100 млрд долларов
на получение лицензий для развертывания систем подвижной связи
третьего поколения. Для того чтобы обеспечить возврат этих инвестиций, выделенные диапазоны частот должны быть использованы
максимально эффективно.

Введение

Еще одним источником искажений при беспроводной передаче
сигналов является относительно высокий уровень интерференции,
возникающей из-за переиспользования канала.
Хотя существуют
и широко используются современные методы обработки сигналов,
основанные на многопользовательском детектировании и позволяющие существенно ослабить влияние интерференции, остается фактом, что мобильная беспроводная связь никогда не приблизится по
степени стабильности, безопасности и надежности к проводной связи, обеспечиваемой кабельными системами. Тем не менее, абоненты
готовы во многих случаях соглашаться на меньшую пропускную способность и худшее качество связи, чтобы избавиться от проводов.
Интерес производителей оборудования связи к беспроводным
технологиям подтверждается большим числом различных стандартов и приложений, которые появились в последние годы. Тем временем исследователи во многих странах продолжают работать над
развитием новых широкополосных беспроводных систем, которые
должны будут обеспечить гораздо более высокие скорости данных
и гораздо более содержательный набор услуг, чем современные системы. Возможность обеспечить абонентов широким набором приложений с разными возможностями по допустимой задержке, качеству обслуживания, пропускной способности требует от будущих систем высокой устойчивости к интерференции и искажениям в канале, а также большой гибкости в управлении радиоресурсами. Выбор
подходящего радиоинтерфейса является ключевым для обеспечения
этих свойств системы связи.
Технология передачи со многими несущими в форме мультиплексирования с ортогональным частотным разделением (OFDM)
широко признана как одна из перспективных схем доступа для использования в разрабатываемых системах беспроводной связи. Эта
технология уже была использована во многих приложениях, включая наземное телевизионное вещание (terrestrial digital video broadcasting — DVB-T), системы связи поколения 4G и др. Основная идея
OFDM состоит в том, чтобы разделить высокоскоростной поток данных на некоторое число подпотоков с меньшими скоростями. Эти
подпотоки затем передаются параллельно по ортогональным подканалам, характеризуемым частичным перекрытием спектра. По сравнению с передачей с одной несущей этот подход обеспечивает систему повышенной устойчивостью к узкополосной интерференции и искажениям в канале. Более того, из этого вытекает высокий уровень
гибкости системы, так как параметры модуляции, такие как размер
созвездия, скорость кодирования, могут быть независимо выбраны
для каждого подканала.
OFDM может также быть использовано
совместно с обычными методами множественного доступа для работы в многопользовательских системах. Наиболее известные схемы в

Введение
7

этой области представлены схемами множественного доступа с ортогональным частотным разделением (orthogonal frequency division
multiple access — OFDMA).
Хотя концепция передачи со многими несущими проста по основному принципу, тем не менее, разработка практических систем
OFDM и OFDMA не является простой задачей.
Синхронизация,
оценивание канала, управление радиоресурсами — это только некоторые примеры проблем, связанных с технологией передачи со многими несущими. В результате непрерывных усилий многих исследователей большинство проблем были изучены, и некоторые решения по ним доступны в открытой литературе. Решения эти, однако,
рассыпаны в литературе в форме журнальных публикаций или докладов на конференциях. Как следствие, по ним достаточно трудно
составить единое представление о методах решения рассматриваемых вопросов. Задача данной книги состоит в том, чтобы обеспечить читателя достаточно полным и подробным обзором результатов в быстро развивающейся области широкополосной беспроводной
связи со многими несущими. Нашей основной целью является достаточно детальное рассмотрение некоторых проблем, связанных с
разработками на физическом уровне систем OFDM и OFDMA. Особое внимание при этом обращается на возможности обмена между
качественными характеристиками системы связи и ее сложностью.
Потребности в новых высокоскоростных услугах связи постоянно повышаются. При этом повышаются требования к скоростям
передачи, качеству предоставляемых услуг. Это приводит к обострению противоречия между повышающимися требованиями и ограниченностью частотных ресурсов, что в свою очередь ставит задачу существенного повышения спектральной эффективности систем. Последние достижения теории информации показали, что значительное повышение пропускной способности и надежности связи
может быть достигнуто при использовании систем со многими входами и многими выходами (multiple-input multiple-output — MIMO),
в которых используется несколько антенн на передающей стороне и
несколько антенн на приемной стороне. В сочетании с адаптивными схемами модуляции и кодирования, а также адаптивным распределением системных ресурсов эти методы могут дать возможности
существенного повышения скоростей данных и надежности связи.
Более того, как показали исследования, и MIMO технологии, и другие методы повышения спектральной эффективности могут быть использованы совместно с технологиями передачи со многими несущими в так называемых технологиях MIMO-OFDM и MIMO-OFDMA.
Основы технологии MIMO-OFDM также рассматриваются в данной
книге.

Глава 1. Мобильные радиоканалы

В современных системах беспроводной связи обычно используются частоты в диапазонах 30...3000 МГц (метровые, дециметровые волны) и выше.
Преобладающими механизмами распространения радиоволн этих диапазонов являются затенение, отражения,
дифракция.
Эти явления, как правило, обусловлены свойствами
окружающей обстановки вблизи пользовательского терминала (мобильной станции — MS). В некоторых случаях и другой конец линии связи — базовая станция (BS) или точка доступа сети — могут быть окружены местными предметами, влияющими на характеристики распространения радиоволн. Более того, иногда элементы
дальнего окружения, такие как горы или здания, могут влиять на
характеристики линии связи, вызывая значительное рассеяние принимаемого сигнала во времени.
Частотные диапазоны метровых и дециметровых волн хорошо
подходят для организации связи извне — внутрь и изнутри — наружу зданий. Подобные частоты могут быть использованы также
для систем фиксированного локального доступа (точка — точка и
точка — многоточка), где аналогичные эффекты могут иметь место,
с той лишь разницей, что изменения канала и временное рассеяние
будут значительно меньше.
Обеспечение надежной связи в радиоканалах подвижных систем является достаточно трудной задачей, так как передаваемые
сигналы искажаются из-за межсимвольной интерференции (МСИ,
ISI), интерференции между несущими (ИМН, ICI), интерференции
от других пользователей, а также замираний сигнала большого и
малого масштаба.
Для обеспечения надежной связи в условиях действия перечисленных искажений при приеме и обработке сигналов необходимо учитывать влияние, оказываемое радиоканалом на принимаемые сигналы. В этой главе будут рассмотрены основы прохождения радиосигналов через каналы мобильной связи, свойства, характеристики

Мобильные радиоканалы
9

и параметры радиоканалов, необходимые для анализа характеристик систем подвижной связи и обеспечения требуемых параметров
качества этих систем.

1.1. Основы распространения радиоволн
в каналах мобильной связи

В зависимости от местоположения и высоты базовой станции
или точки доступа в зоне ее действия образуется ячейка, или сота
большего или меньшего размера.
Классическая окружающая обстановка в сотах, образованных высокими антенными мачтами, располагающимися над плоскими крышами, способствует образованию
так называемых макросот. Распространению радиоволн в этих условиях будет уделено основное внимание в этой главе. При уменьшении высоты антенны ниже окружающих крыш образуются так называемые микросоты.
Установка базовых станций внутри зданий
приводит к появлению пикосот. Если в системе связи используются спутники, что соответствует значительно большим высотам антенн базовых станций, то появляются мегасоты. Здания или дома
в пригородах с размерами до десятков метров существенно влияют
на беспроводные каналы. В городах размер зданий и домов может
быть даже больше.
В сельской и пригородной местности отдельные деревья или группы деревьев также могут достигать подобных
размеров. Эти объекты соизмеримы или больше по размерам длины излучаемой волны (метровые, дециметровые, сантиметровые волны), и они могут блокировать и рассеивать радиосигналы, вызывая
зеркальное или рассеянное отражение. Отраженные составляющие
сигнала могут достигать мобильной станции по нескольким путям
в дополнение к прямому сигналу. Во многих случаях в результате отражений достаточное количество энергии сигнала поступает в
приемник, так что линия связи становится возможной за счет отражений. Это особенно важно, когда сигнал прямой видимости блокирован. Таким образом, кроме ожидаемого затухания мощности сигнала с расстоянием, еще два эффекта становятся определяющими
для характеристик сигналов в мобильном распространении: затенение и многолучевость.
Можно выделить три уровня в скорости изменения интенсивности принятого сигнала как функции расстояния между базовой
станцией и мобильной станцией:
• очень медленные изменения из-за изменения расстояния между
базовой станцией и мобильной станцией;
• медленные (long-term) изменения из-за затенения;
• быстрые (short-term) изменения из-за многолучевости.

Г л а в а 1

Рис. 1.1. Иллюстрация пространственных потерь, потерь из-за затенения и многолучевых замираний

Рис. 1.1 иллюстрирует характер изменения интенсивности сигнала, прошедшего через
радиоканал, под действием указанных трех факторов.
Напряженность поля в точке приема или принятое напряжение могут быть представлены
в области пройденного расстояния как r(x) и во временной области как r(t). На рис. 1.1 схематично эти зависимости показаны для мобильной станции, движущейся от базовой станции в направлении радиуса. Согласно рисунку
сигнал подвержен сильным колебаниям из-за движения мобильной
станции.
Следует, правда, иметь в виду, что рисунок не отражает реального соотношения между масштабами процессов изменения
мощности сигнала, так как многолучевой фединг приводит к флуктуациям мощности сигнала внутри значительно меньшего интервала, чем показано на рисунке.
Для выполнения измерений характеристик канала скорость мобильной станции V должна оставаться постоянной. При постоянной
скорости движения V можно сделать преобразование между представлениями сигнала во времени r(t) и в облсти расстояний r(x) путем очевидной замены переменных t = x/V .
В общем случае изменения уровня принятого сигнала r(t) или
r(x) могут быть более или менее искусственно охарактеризованы
двумя компонентами [1]:
• медленными или длинными изменениями m(t) или m(x);
• быстрыми или короткими изменениями r0(t) или r0(x).
Принятый сигнал при этом может быть описан как произведение
этих двух сомножителей:

r(t) = m(t)r0(t) или иначе r(x) = m(x)r0(x)

при описании в линейных единицах. В децибелах произведение заменяется сложением, т. е.

R(t) = M(t) + R0(t) или иначе R(x) = M(x) + R0(x).

При таком подходе полагается, что быстрые изменения накладываются на медленные изменения. Экспериментально установлено
[2], что медленные изменения уровня принятого сигнала, т. е. изменения локального среднего m(x), подчиняются логарифмически
нормальному распределению при выражении в линейных единицах