Для формирования группового сигнала восходящих каналов в сетях LTE используется схема мультиплексирования с частотным разнесением с передачей на одной несущей SC-FDMA. Эта схема может работать в системах, функционирующих как в режиме TDD с временным дуплексированием, так и в режиме FDD с частотным дуплексированием. Такие сигналы можно рассматривать как одночастотные с модуляцией КФМ или ФМ-2 и временным мультиплексированием, подобные тем сигналам, которые формируются в системе GSM. Формирование сигнала SC-FDMA показано на рис. 18. Как уже было отмечено, сигналы всех АУ, работающих с данной БС, излучаются на одной несущей, поэтому оставшуюся часть частотного диапазона, показанного на рис. 18, занимают спектры других АУ, как показано на рис. 19. При формировании сигнала в частотной области по классической схеме формирования одночастотного сигнала с модуляцией КФМ (ФМ-2), между этими спектрами нужно предусматривать защитные интервалы. Однако в системе SC-FDMA сигналы как соседних поднесущих, так и соседних АУ являются ортогональными, это позволяет использовать преимущество схемы с ортогональным частотным разнесением, которое заключается в эффективном использовании частотного ресурса. При этом защитный интервал в частотной области между сигналами разных абонентов может быть опущен. Как и в системах с OFDM, во временной области периодически добавляется ЦП, но такая процедура проводится над блоком элементарных символов. Введение такого ЦП позволяет избежать МСИ между SC-FDMA символами или между блоками элементарных символов.
Рис. 18. Передача данных с использованием технологии SC-FDMA
Распределение частотного ресурса между абонентами осуществляется ресурсными блоками, каждому из которых соответствует полоса частот 180 кГц в частотной области, что при разносе между соседними поднесущими частотами в 15 кГц соответствует 12 поднесущим, и временной интервал 0,5 мс во временной области (1 слот). В режиме работы с нормальным циклическим префиксом ресурсный блок содержит 7 SC-FDMA-символов, а в режиме работы с расширенным циклическим префиксом –6 SC-FDMA-символов.
Максимальное количество доступных ресурсных блоков зависит от выделенного системе диапазона частот, значение которого может доходить до 20 МГц, однако на краях выделенного диапазона предусмотрены защитные интервалы, которые не используются для передачи информации. Так, при выделении системе LTE полосы в 10 МГц реально будет использоваться только 9 МГц, что соответствует 50 ресурсным блокам.
Несмотря на то, что используется схема мультиплексирования с передачей на одной несущей, при формировании такого сигнала для удобства, всё же, будем пользоваться понятием поднесущих. При формировании сигнала восходящих каналов комплексные модуляционные символы размещаются по доступным частотно-временным ресурсам (ЧВР), не занятым пилотными символами (рис. 20), где пилотные символы выделены тёмным цветом). Пилотные символы располагаются в середине слота, они используются на приемной стороне для оценки передаточной характеристики канала. После размещения данных по ЧВР генерируется SC-FDMA-сигнал с периодическим добавлением ЦП во временной области.
Выделяемый абоненту ресурс всегда кратен в частотной области полосе шириной 180 кГц, а во временной – интервалу длительностью 1 мс, что соответствует двум слотам радиосигнала или одному подкадру. Контроль за сигналами абонентов осуществляется БС таким образом, чтобы их сигналы не перекрывались по частоте или во времени. Изменяя номера используемых входов блока ОБПФ передатчика, АУ может передавать свой сигнал в нужной полосе (рис. 19).
Рис. 19. Частотное разделение сигналов различных абонентов
Рис. 20. Структура слота сигнала SC-FDMA
Сгенерированный SC-FDMA-сигнал обладает хорошими свойствами огибающей во временной области. Ввиду того, что в определенный момент времени идет передача только одного модуляционного символа, величина пик-фактора таких сигналов оказывается значительно меньше, чем в сигналах, сгенерированных по схеме OFDM, что позволяет упростить передающую аппаратуру АУ и снизить расход энергии аккумулятора.
В восходящем канале допустимая мощность излучения значительно ниже, чем в нисходящем. Поэтому первичным становится энергетическая эффективность метода передачи информации с целью увеличения зоны покрытия, снижения стоимости терминального устройства и потребляемой им мощности.
Каждому абоненту сети для передачи данных от базовой станции с помощью функции планирования на определенное время выделяется определенное число ресурсных блоков.
Расписание передается абонентам по служебным каналам в нисходящем радиоканале. Однако если при OFDMA один модуляционный символ (QPSK, 16- или 64-QAM) соответствует OFDM-символу на одной поднесущей (15 кГц, 66,7 мкс), то при SC-OFDMA ситуация иная. В частотном плане ширина модуляционного символа оказывается равной всей доступной полосе частот (он передается на всех поднесущих одновременно). При этом один SC-FDMA-символ содержит несколько модуляционных символов (в идеале столько же, сколько поднесущих), но в соответствующее число раз более коротких по сравнению с OFDMA, что полностью отвечает условиям теоремы Котельникова-Шеннона.
Сама процедура формирования SC-FDMA-сигнала отличается от схемы OFDMA. После канального кодирования, скремблирования и формирования модуляционных символов они группируются в блоки по М символов – субсимволов SC-FDMA (рис.21), где М – суммарное число поднесущих во всех РБ, выделенных в данный момент для работы вверх данному абоненту [4]. Очевидно, что непосредственно отнести их на поднесущие с шагом 15 кГц невозможно – требуется в N раз более высокая частота, где N – это число доступных для передачи поднесущих базовой станции. Поэтому, сформировав группы по М модуляционных символов (М < N), их подвергают М-точечному дискретному Фурье-преобразованию (ДПФ), и полученные отсчеты распределяют по выделенным для абонента М поднесущим (на остальные входы N-точечного Фурье-преобразователя подают нули). А уже затем с помощью стандартной процедуры обратного N-точечного Фурье-преобразования синтезируют сигнал, соответствующий независимой модуляции каждой поднесущей [2]. Для минимизации влияния на качество приема межсимвольной интерференции при передаче между символами после выполнения ОБПФ вставляют СР и генерируют выходной ВЧ-сигнал. В результате пик-фактор SC-FDMA-сигнала соответствует пик-фактору исходной последовательности. При приеме сигнала SC-FDMA над ним производят операции, обратные тем, что были при передаче, а в приемниках SC-FDMA после блока ОБПФ используют эквалайзеры.
В результате такого подхода передатчик и приемник OFDMA- и SC-FDMA-сигналов имеют схожую функциональную структуру (см. рис.15 и 21).
Рис. 21 Особенность формирования выходного сигнала в случае SC-FDMA
Отметим, что АУ может использовать как фиксированный частотный диапазон (используются смежные ресурсные блоки, т.е. смежные поднесущие), так и распределенный – так называемый режим скачкообразной перестройки частоты (FH). В последнем случае для каждого слота восходящего канала используется новый ресурсный блок из доступной ресурсной сетки. Параметры перестройки частоты задаются сетевым оборудованием и сообщаются как при инициализации абонентского устройства в сети, так и по ходу работы в канале управления. В случае распределенного способа информация от каждого абонента расположена во всем спектре сигнала (рис.22), поэтому данный способ устойчив к частотно-избирательному замиранию. С другой стороны, при локализованном способе распределения возможно определить полосу, в которой для данного абонента достигается максимальная устойчивость канала к замираниям. Поскольку области замирания сигнала для всех абонентов различны, то можно достичь общую максимальную эффективность использования радиоканала. Однако это требует непрерывного сканирования частотной характеристики канала для каждого устройства и организации функции диспетчеризации.
Рис. 22. Способы распределения поднесущих в SC-FDMA
Помимо собственно информации, генерируемой функциями верхних уровней, в восходящем канале передаются опорные сигналы. Их назначение – помочь приемнику БС настроиться на определенный передатчик АУ. Кроме того, эти сигналы позволяют оценить качество канала, что используется в БС при диспетчеризации ресурсов. Опорные сигналы в восходящем канале бывают двух видов – так называемые "демодулированные" и зондовые (sounding). Демодулированные опорные сигналы аналогичны опорным сигналам нисходящего канала. Они передаются на постоянной основе. Так, в общем информационном канале последовательность демодулированного опорного сигнала передается в четвертом SC-FDMA-символе каждого слота при стандартном СР. Зондовые сигналы апериодичны. Их основное назначение – дать БС возможность оценить качество канала, если передача еще не ведется.
В изложении принципа формирования сигнала SC-FDMA очень много путаницы. В одних источниках, в частности в [2] утверждается, что до ДПФ сигнал находится в частотной области, а после ДПФ формируется аналоговый сигнал, т.е. сигнал во временной области, и что длительность модуляционных импульсов в SC-FDMA символе должна быть в N раз короче, чем в OFDM символе, где N – количество доступных поднесущих БС.
В других источниках, в частности в [4] утверждается, что до ДПФ мы имеем сигнал во временной области, а после ДПФ происходит преобразование в частотную область. В этой же статье утверждается также, что скорость модуляционных символов в М раз больше скорости SC-FDMA символов, где М – количество поднесущих в выделенных АУ ресурсных блоках. Кому верить?
С одной стороны, на вход схемы формирования SC-FDMA приходит тот же поток комплексных чисел, что и при формировании OFDM сигнала, т. е. амплитуда и фаза модуляционного символа, а это представление сигнала в частотной области. То есть, после ДПФ мы должны получить представление сигнала во временной области. Тогда после ОДПФ мы получим представление сигнала в частотной области, а нам нужно во временной, так как добавление СР производится с отсчетами во временной области, и на вход ЦАП нужно подавать отсчеты во временной области. Если взять за основу, что на выходе ОДПФ мы имеем представление сигнала во временной области, то тогда на входе ДПФ модуляционные символы представлены также во временной области, что также не соответствует действительности. Единственное, что при этом соответствует действительности, это то, что после всех преобразований в передатчике и приемнике, на выходе приемника получаем модуляционные символы, представленные в той же форме, в которой они подавались на вход ДПФ в передатчике. Как видим, понятия представления сигналов во временной и частотной области при цифровой обработке сигналов достаточно условны. Но, поскольку в эфир излучается аналоговый сигнал во временной области, то будем считать, что на выходе ОДПФ мы имеем представление сигнала во временной области, и, соответственно, на входе ДПФ мы также имеем представление сигнала во временной области. Остается разобраться со скоростью передачи модуляционных символов.