Interferometria nośna
Carrier Interferometry (CI) to schemat widma rozproszonego przeznaczony do stosowania w systemie komunikacji z multipleksowaniem z ortogonalnym podziałem częstotliwości (OFDM) do multipleksowania i wielodostępu , umożliwiając systemowi obsługę wielu użytkowników jednocześnie w tym samym paśmie częstotliwości.
Podobnie jak MC-CDMA , CI-OFDM rozdziela każdy symbol danych w dziedzinie częstotliwości. Oznacza to, że każdy symbol danych jest przenoszony przez wiele podnośnych OFDM. Ale w przeciwieństwie do MC-CDMA, który wykorzystuje binarne Hadamarda fazy (wartości kodu 0 lub 180 stopni) lub binarny pseudoszum , kody CI są kodami ortogonalnymi o wartościach zespolonych . W najprostszym przypadku wartości kodów CI są współczynnikami dyskretnej transformacji Fouriera (DFT). Każdy wiersz lub kolumna macierzy DFT zapewnia ortogonalny kod rozpraszania CI, który rozprasza symbol danych. Rozprzestrzenianie uzyskuje się poprzez pomnożenie wektora symboli danych przez macierz DFT w celu wytworzenia wektora zakodowanych symboli danych, a następnie każdy zakodowany symbol danych jest odwzorowywany na podnośną OFDM za pośrednictwem przedziału wejściowego odwrotnej szybkiej transformaty Fouriera (IFFT ) . Można wybrać blok ciągłych podnośnych lub w celu uzyskania lepszego zróżnicowania częstotliwości można zastosować nieciągłe podnośne rozmieszczone w szerokim paśmie częstotliwości. Przedział ochronny, taki jak prefiks cykliczny (CP), jest dodawany do sygnału CI-OFDM w paśmie podstawowym, zanim sygnał zostanie przetworzony przez interfejs radiowy w celu przekształcenia go w sygnał RF, który jest następnie transmitowany przez antenę.
Istotną zaletą CI-OFDM w porównaniu z innymi technikami OFDM jest to, że rozpraszanie CI kształtuje charakterystykę w dziedzinie czasu przesyłanego kształtu fali. Zatem sygnały CI-OFDM mają znacznie niższy stosunek mocy szczytowej do mocy średniej (PAPR) lub współczynnik szczytu w porównaniu z innymi typami OFDM. To znacznie poprawia efektywność energetyczną i zmniejsza koszt wzmacniaczy mocy stosowanych w nadajniku radiowym.
Odbiornik CI-OFDM usuwa prefiks cykliczny z odebranej transmisji CI-OFDM i przeprowadza demodulację OFDM z DFT (np. FFT) typowo stosowaną w odbiornikach OFDM. Wartości symboli rozproszenia CI są zbierane z ich odpowiednich podnośnych w procesie odwrotnego mapowania i mogą być wyrównywane w celu skompensowania zaniku wielościeżkowego lub przetwarzane w celu demultipleksowania przestrzennego . De-spreader CI wykonuje odwrotną DFT na rozproszonych symbolach, aby odzyskać oryginalne symbole danych.
Ponieważ kodowanie CI może kształtować charakterystykę w dziedzinie czasu przesyłanego kształtu fali, może być używane do syntezy różnych kształtów fal, takich jak sygnały z rozproszonym widmem o sekwencji bezpośredniej i kluczem przesunięcia częstotliwości [4]. Zaletą jest to, że odbiornik może wybrać wyrównanie w dziedzinie czasu lub częstotliwości w oparciu o stopień rozproszenia w kanale transmisyjnym. W przypadku bogatych środowisk rozpraszających wyrównywanie w dziedzinie częstotliwości za pomocą FFT wymaga mniej obliczeń niż konwencjonalne wyrównywanie w dziedzinie czasu i działa znacznie lepiej.
Historia CI
CI został wprowadzony przez Steve'a Shattila, naukowca z Idris Communications, w Pat. Nr 5,955,992, złożony 12 lutego 1998 r., oraz w pierwszym z wielu artykułów w kwietniu 1999 r. Koncepcja została zainspirowana optycznym blokowaniem modów, w którym synteza w dziedzinie częstotliwości przy użyciu wnęki rezonansowej wytwarza pożądane cechy w dziedzinie czasu w transmitowanym sygnał optyczny. W systemach radiowych użytkownicy współdzielą te same podnośne, ale używają różnych ortogonalnych kodów CI, aby uzyskać wielokrotny dostęp do zakłóceń nośnych (CIMA) za pośrednictwem mechanizmów interferometrii widmowej .
Wiele zastosowań zasad CI zostało opublikowanych w dziesiątkach kolejnych zgłoszeń patentowych, artykułach konferencyjnych i artykułach w czasopismach. CI w OFDM z przeskokiem częstotliwości jest opisane w międzynarodowym zgłoszeniu patentowym WO 9941871. CI w komunikacji światłowodowej i MIMO jest opisane w US 7076168. US 6331837 opisuje demultipleksowanie przestrzenne z wykorzystaniem sygnałów wielonośnych, które eliminuje potrzebę stosowania wielu anten odbiorczych. Kodowanie CI sygnałów odniesienia jest ujawnione w US 7430257. Zastosowanie CI do liniowego kodowania sieciowego i kodowania cebulowego jest ujawnione w US 20080095121, w którym losowe kody liniowe oparte na naturalnym kanale wielościeżkowym są wykorzystywane do kodowania przesyłanych sygnałów kierowanych przez węzły w wielu -hop sieć peer-to-peer.
Podobieństwo między przetwarzaniem antenowym a przetwarzaniem CI zostało rozpoznane od najwcześniejszych prac w CI. Kiedy CI jest połączone z macierzami fazowanymi , ciągła zmiana fazy między podnośnymi powoduje, że wzór wiązki macierzy jest skanowany w przestrzeni, co zapewnia dywersyfikację transmisji i reprezentuje wczesną formę dywersyfikacji opóźnień cyklicznych . Zbadano kombinacje kodowania CI z prekodowaniem MIMO, a pomysł wykorzystania CI we wstępnie zakodowanych rozproszonych systemach antenowych MIMO z centralną koordynacją został po raz pierwszy ujawniony w tymczasowym zgłoszeniu patentowym w 2001 r. Radio definiowane programowo (SDR) oparte na CI zaimplementowane cztery różne stosy protokołów zostały opracowane w Idris w 2000 roku i opisane w US 7418043.
Opis matematyczny
W rozproszonym OFDM rozpraszanie jest wykonywane na ortogonalnych podnośnych w celu wytworzenia sygnału nadawczego wyrażonego przez x = F -1 Sb , gdzie F -1 jest odwrotną DFT, S jest macierzą kodową rozproszonego OFDM, a b jest wektorem symboli danych. Odwrotna DFT zazwyczaj wykorzystuje współczynnik nadpróbkowania, więc jej wymiar to KxN (gdzie K > N to liczba próbek w dziedzinie czasu na blok symboli OFDM), podczas gdy wymiar macierzy kodu rozproszonego OFDM to NxN .
W odbiorniku odebrany sygnał rozproszenia OFDM jest wyrażony przez r = HF -1 Sb , gdzie H reprezentuje macierz kanału. Ponieważ użycie cyklicznego prefiksu w OFDM zmienia macierz kanałów podobną do Toeplitza w macierz krążącą, odebrany sygnał jest reprezentowany przez
r = fa −1 Λ H FF −1 Sb
= fa −1 Λ H Sb
gdzie zależność H = F −1 Λ H F pochodzi z definicji macierzy krążącej, a Λ H jest macierzą diagonalną, której elementy diagonalne odpowiadają pierwszej kolumnie macierzy kanałów cyrkulacyjnych H . Odbiornik wykorzystuje DFT (co jest typowe dla OFDM) do produkcji
y = Λ H Sb .
W trywialnym przypadku S = I , gdzie I jest macierzą tożsamościową, daje regularny OFDM bez rozpraszania.
Odebrany sygnał można również wyrazić jako:
r = fa -1 Λ godz. FF -1 ( Λ do fa ) b ,
gdzie S = Λ C F , a C jest macierzą cyrkulacyjną zdefiniowaną przez C = F −1 Λ CF , gdzie Λ C jest macierzą diagonalną cyrkulanta. Zatem odebrany sygnał, r , można zapisać jako
r = fa −1 Λ H. Λ do Fb = fa −1 Λ do Λ H. Fb ,
a sygnał y po DFT odbiornika wynosi y = Λ C Λ H Fb
Macierz rozpraszania S może zawierać diagonalną macierz wstępnego wyrównania (np. Λ C = Λ H -1 w przypadku wymuszania zera) lub wyrównanie można przeprowadzić w odbiorniku między DFT (demodulator OFDM) a odwrotnym DFT (rozrzutnik CI).
W najprostszym przypadku CI-OFDM macierz rozpraszająca to S = F (tj. Λ C = I , więc macierz rozpraszająca CI jest po prostu macierzą NxN DFT). Ponieważ nadpróbkowany DFT OFDM to KxN , z K > N , podstawowa macierz rozpraszająca CI działa jak filtr kształtujący impulsy sinc, który odwzorowuje każdy symbol danych na cyklicznie przesuwany i ustawiony ortogonalnie impuls utworzony z superpozycji podnośnych OFDM. Inne wersje CI mogą generować alternatywne kształty impulsów, wybierając różne macierze diagonalne Λ C .
Przydatne właściwości
- Niski PAPR ( współczynnik szczytu )
- Niska czułość na zniekształcenia nieliniowe
- Niska czułość na przesunięcie częstotliwości nośnej
- Odporność na głębokie zanikanie (zero widmowe)