OFDMA (nebo ortogonální frekvenčně dělený vícenásobný přístup ) je technika pro multiplexování a kódování dat používaných zejména v mobilních sítích o 4 th a 5 th generace . Toto rádiové kódování kombinuje frekvenční a časové multiplexování; to znamená režimy „ vícenásobný přístup s frekvenčním dělením “ (AMRF nebo anglicky FDMA ) a „ režimy s vícenásobným přístupem s časovým dělením “ (TDMA nebo TDMA ). Používá se zejména v mobilních telefonních sítích 4G LTE , LTE Advanced , 5G New Radio a WiMAX ( IEEE 802.16e ).
OFDMA nebo některá z jeho variant se používá také v jiných radiokomunikačních systémech, jako jsou nedávné verze standardů pro bezdrátové lokální sítě Wi-Fi ( IEEE 802.11 ax ), IEEE 802.22 a WiBro a také podle určitých standardů digitální televize. .
Stejně jako u jiných technik kódování umožňujících vícenásobný přístup ( TDMA , FDMA nebo CDMA ) je cílem sdílet společný rádiový zdroj ( frekvenční pásmo ) a dynamicky přidělit jeden nebo jeho části několika uživatelům.
OFDMA a jeho varianta SC-FDMA jsou odvozeny z kódování OFDM (používá se například na linkách ADSL , DOCSIS 3.1 a v některých sítích WiFi), ale na rozdíl od OFDM umožňuje OFDMA a je optimalizován pro přístup k více, to znamená sdílení spektrální zdroj ( frekvenční pásmo ) mezi mnoha vzdálenými uživateli. OFDMA je kompatibilní s anténní technikou MIMO .
OFDMA byl vyvinut jako alternativa k kódování CDMA , který se používá v sítích 3G UMTS a CDMA2000 . OFDMA se používá hlavně v sestupném směru přenosu ( reléová anténa k terminálu ) mobilních sítí, protože umožňuje stejnou spektrální šířku , vyšší bitovou rychlost díky své vysoké spektrální účinnosti (počet bitů přenášených na hertz ) a jeho schopnosti udržovat vysoká propustnost i v nepříznivém prostředí s ozvěnami a vícecestnými rádiovými vlnami.
Toto kódování (jako CDMA používané v mobilních sítích 3G) umožňuje faktor opětovného použití frekvence rovný "1", to znamená, že sousední rádiové buňky mohou znovu použít stejné rádiové frekvence.
OFDMA kódování sestává z kódování a digitální modulace jednoho nebo více binárních signálů za účelem jejich transformace na digitální vzorky určené k přenosu na jednu (nebo více) rádiových antén po digitálně / analogovém převodu; naopak, při příjmu rádiový signál přijímá zpětné zpracování.
Princip OFDMA spočívá v distribuci digitálních dat, která mají být přenášena, přes velký počet dílčích nosných , což indukuje pro danou celkovou rychlost mnohem nižší binární rychlost na každém z přenosových kanálů; doba trvání každého symbolu je tedy mnohem delší (66,7 µs pro LTE), než kdyby existoval pouze jeden nosič. To umožňuje omezit problémy mezisymbolového rušení a úniku (silného útlumu signálu) spojeného s „vícenásobnými cestami šíření“, které existují v rádiových spojích středního a dlouhého dosahu, protože když je bitová rychlost na nosiči vysoká, ozvěna symbolu, který dorazil pozdě kvůli narušení šíření více cest a následným symbolům; čím delší je doba trvání symbolu, tím méně jsou narušeny následující symboly.
Následující obrázek popisuje použití subnosných v LTE: ty v černé, zelené a modré barvě (nejpočetnější) přenášejí uživatelská data, ty v červené barvě, informace o synchronizaci a signalizaci mezi 2 konci rádiového spojení.
Oddělené filtrování každé dílčí nosné není pro dekódování v přijímacím terminálu nutné, postačuje k oddělení dílčích nosných od sebe FFT "Fourierova transformace" (v případě LTE existuje až 1200 nezávislých nosných na každý směr přenosu).
Ortogonalita („O“ OFDMA): Pomocí vzájemně kolmých signálů pro sousedící pomocné nosné je zabráněno vzájemnému rušení. Tento výsledek se získá tím, že se frekvenční rozdíl mezi dílčími nosnými rovná frekvenci symbolů na každé dílčí nosné (převrácená doba trvání symbolu). To znamená, že když jsou signály demodulovány, existuje celočíselný počet cyklů v době trvání symbolu a příspěvek interference 2 ortogonálních nosných se rovná nule; jinými slovy, bodový produkt mezi každou z dílčích nosných je nulový během doby přenosu symbolu.
V mobilních sítích LTE a 5G fáze 1 je doba trvání symbolu 66,7 µs nebo frekvence 15 kHz , což také odpovídá rozdílu mezi frekvencemi 2 sousedících dílčích nosných. Ve verzích standardů Wi-Fi ( IEEE 802.11g , n a ac ) je doba trvání každého symbolu 3,2 µs nebo frekvence a rozdíl mezi vedlejšími nosnými 312,5 kHz . Novější standard Wi-Fi 802.11ax (2020) dělí frekvenční rozdíl mezi 2 vedlejšími nosnými (78,125 kHz ) o 4 a vynásobí počet vedlejších nosných o 4.
Ortogonalita dílčích nosných umožňuje zpřísnění jejich frekvencí, a proto vyšší spektrální účinnost (viz obrázek); tím se zabrání tomu, aby mezi každým dílčím nosičem bylo „ochranné pásmo“.
Při přenosu OFDMA se používá cyklická předpona (zkratka "CP" na obrázku výše), aby se zachovala ortogonalita a vlastnosti sinusového signálu kanálů pro vícecestný přenos . Tato cyklická předpona je přidána na začátek vyslaných symbolů; slouží také jako ochranný interval, to znamená čas mezi dvěma symboly, během kterého nedochází k přenosu užitečných dat; to pomáhá vyhnout se (nebo omezit) mezisymbolové rušení.
V rádiové části ( eUTRAN ) mobilních sítí LTE jsou definovány dvě různé doby trvání cyklické předpony, aby se přizpůsobily různým dobám šíření přenosového kanálu; tyto časy závisí na velikosti rádiové buňky a prostředí: normální cyklická předpona 4,7 μs (používaná v rádiových buňkách v okruhu menší než 2 až 3 km , nejpočetnější) a cyklická předpona 16,6 μs rozšířená použitelná ve velkých rádiové buňky; tyto předpony představují od 7 do 25% doby trvání symbolu, a proto trochu snižují užitečný tok, zejména ve velkých buňkách (venkovské oblasti).
Přítomnost mnoha nezávislých dílčích nosných usnadňuje přizpůsobení vysílacího výkonu základnové stanice na každém kanálu na minimální úroveň dostatečnou pro dobrý příjem každým uživatelem (což závisí na vzdálenosti od reléové antény).
Je také možné, díky proměnlivému počtu dílčích nosných, které lze připsat terminálu, zvýšit dosah rádiového vysílače smartphonu, když je daleko od přijímací antény , při respektování limitu jeho celkového vysílacího výkonu (např. : Maximálně 200 mW pro mobilní telefon LTE); toho je dosaženo soustředěním přenášené energie na malý počet dílčích nosných (přesněji na malý počet bloků zdrojů ); tato optimalizace se provádí na úkor propustnosti.
Kódování OFDMA má omezení spočívající v zavedení velmi přesné synchronizace rádiových frekvencí a hodin přijímačů a vysílačů, aby se zachovala ortogonalita vedlejších nosných a zabránilo se rušení .
Toto kódování je spojeno (v sítích LTE, Wi-Fi a WiMAX) s modulací typu QPSK nebo QAM použitými na každém z kanálů (skupiny dílčích nosných), přičemž každý kanál je zaměřen na uživatele . Různé kanály mohou používat různé modulace současně , například QPSK a QAM-64, aby se přizpůsobily místním rádiovým podmínkám a vzdálenosti oddělující anténu od každého terminálu .
Pro uplinkové spoje (směr od terminálu k základnové stanici ) 4G „LTE“ mobilních sítí se používá varianta SC-FDMA , protože toto kódování umožňuje snížit špičkový elektrický výkon a tím i náklady na terminál a zvýšit životnost baterie z chytrých telefonů nebo dotykovou obrazovkou tablet , a to díky nižší PAPR ( poměr výkonu od vrcholu k průměrné ) než OFDMA.