SC-FDMA w LTE: efektywna transmisja uplink

SC-FDMA w LTE: efektywna transmisja uplink

Dziś przyjrzymy się, jak działa SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access) w łączu wznoszącym LTE. Ten schemat dostępu do kanału radiowego stanowi jedno z kluczowych rozwiązań projektowych w LTE, optymalizując wykorzystanie energii przez urządzenia mobilne i poprawiając ogólną jakość transmisji w warunkach typowych dla uplink. Omówimy szczegółowo zasadę działania SC-FDMA, jego architekturę sygnałową, różnice względem OFDMA, zalety oraz zastosowanie w warstwie fizycznej LTE.

Podstawowe założenia SC-FDMA

SC-FDMA jest techniką multipleksowania z podziałem częstotliwości, która wykorzystuje właściwości sygnału jednonosnego (single-carrier), w przeciwieństwie do OFDMA stosowanego w downlink. Dzięki temu urządzenia mobilne mogą nadawać z mniejszymi wymaganiami na liniowość wzmacniaczy mocy, co przekłada się na niższe zużycie energii.

Proces przekształcania danych w sygnał SC-FDMA obejmuje dwie główne operacje:

1. Transformację DFT (Discrete Fourier Transform) na bloku danych użytkownika.
2. Mapowanie na podnośne w dziedzinie częstotliwości i odwrotną transformację FFT (Inverse Fast Fourier Transform).

Architektura nadajnika SC-FDMA

Schemat nadajnika SC-FDMA można podzielić na następujące etapy:

1. Kodowanie kanałowe i modulacja (QPSK, 16QAM, 64QAM).
2. Transformacja DFT sygnału symboli modulowanych.
3. Mapowanie DFT-przekształconych danych na zasoby OFDMA (przestrzeń częstotliwości).
4. Odwrotna transformacja FFT.
5. Dodanie prefiksu cyklicznego (CP) i konwersja na sygnał analogowy.

Porównanie SC-FDMA z OFDMA

Choć SC-FDMA opiera się na podobnych zasadach co OFDMA, różnice mają istotne znaczenie dla wydajności systemu uplink. Najważniejszą cechą SC-FDMA jest niższy PAPR (Peak-to-Average Power Ratio), co pozwala urządzeniom użytkownika działać z większą sprawnością energetyczną.

Rodzaje mapowania SC-FDMA

W LTE stosowane są dwa tryby mapowania DFT-przekształconych symboli na zasoby częstotliwości:

• LFDMA (Localized FDMA) – symbole są mapowane na kolejne, sąsiadujące ze sobą podnośne. Zapewnia skupienie energii w jednym obszarze pasma.
• IFDMA (Interleaved FDMA) – symbole są rozmieszczone na równomiernie rozproszonych podnośnych, co minimalizuje zakłócenia międzykanałowe, ale komplikuje implementację.

LFDMA jest powszechnie stosowany w LTE, głównie ze względu na prostszą realizację i możliwość dynamicznego przydziału bloków RB (Resource Block).

Wydajność i odporność SC-FDMA

Ze względu na strukturę jednonosną, SC-FDMA charakteryzuje się większą odpornością na efekt Dopplera oraz mniejsze rozmycie czasowo-częstotliwościowe. Ponadto, niższy PAPR umożliwia bardziej efektywne wykorzystanie wzmacniaczy mocy w terminalach, co wpływa na dłuższy czas pracy baterii.

W testach laboratoryjnych zauważono, że dla użytkowników zlokalizowanych na obrzeżach komórki, SC-FDMA zapewnia stabilniejszą jakość połączenia niż klasyczne rozwiązania wielonośne o wysokim PAPR. Przekłada się to bezpośrednio na mniejszą liczbę retransmisji oraz bardziej stabilny throughput.

Zarządzanie zasobami i alokacja RB

W SC-FDMA alokacja zasobów częstotliwości odbywa się w blokach RB (Resource Blocks), przy czym każdy użytkownik otrzymuje ciągłe pasmo, co jest warunkiem koniecznym zachowania właściwości sygnału jednonosnego. Stacja bazowa przydziela bloki w oparciu o algorytmy harmonogramowania z uwzględnieniem parametrów QoS, stanu kanału radiowego oraz priorytetów usług.

Efektywność alokacji RB zależy od strategii stosowanej przez scheduler eNodeB. Przykładowo, algorytmy proporcjonalno-fair (PF) balansują między przepustowością a sprawiedliwością przydziału zasobów.

Implementacja SC-FDMA w warstwie fizycznej LTE

Warstwa fizyczna LTE uplink z wykorzystaniem SC-FDMA obejmuje szereg funkcji wspierających niezawodną transmisję danych:

• Kodowanie kanałowe Turbo
• Adaptacyjne modulacje i kodowanie (AMC)
• Multipleksowanie warstwy MAC
• Mechanizmy HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request)

SC-FDMA wspiera również MIMO w trybach transmit diversity oraz single-user MIMO, co zwiększa przepustowość w przypadku korzystnych warunków propagacyjnych.

Wprowadzenie referencyjnych sygnałów uplink (DM-RS) umożliwia efektywną estymację kanału w odbiorniku stacji bazowej, co z kolei wpływa na dokładność dekodowania ramek i efektywność modulacji adaptacyjnej.

Podsumowanie

SC-FDMA w LTE to zoptymalizowany mechanizm transmisji uplink, zapewniający równowagę między wydajnością spektralną, oszczędnością energii i jakością połączenia. Dzięki wykorzystaniu DFT, technika ta umożliwia zachowanie struktury jednonosnej sygnału, co przekłada się na lepsze wykorzystanie wzmacniaczy mocy w urządzeniach końcowych. Różnice między SC-FDMA i OFDMA mają znaczenie nie tylko teoretyczne, ale przede wszystkim praktyczne — determinują architekturę sprzętową i strategie zarządzania zasobami w LTE.

Dla lepszego zrozumienia zagadnień związanych z transmisją LTE, warto zapoznać się również z architekturą warstwy fizycznej downlink i jej wykorzystaniem OFDMA.