Mobile Kommunikation/Anwendung von OFDMA und SC-FDMA in LTE

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Allgemeines zur LTE–Übertragungstechnik

Im Gegensatz zum Vorgänger UMTS setzt Long Term Evolution (LTE) eine Variante des auch von WLAN genutzten OFDM–Konzepts ein, um die Übertragungsressourcen systematisch aufzuteilen. Das Mehrfachzugriffsverfahren OFDM besitzt ebenso wie die UMTS–Grundlagentechnologie CDMA die Fähigkeit, das System gegen punktuell auftretende Übertragungsstörungen zu schützen.

Zwar wäre es möglich, die bei der zweiten und dritten Mobilfunkgeneration verwendeten Technologien so anzupassen und zu erweitern, dass sie auch die geforderten Vorgaben der vierten Generation erfüllen. Die schnell ansteigende Komplexität von CDMA beim Empfang von Signalen auf mehreren Pfaden lässt die technische Realisierung jedoch als wenig sinnvoll erscheinen.

Die stark abstrahierte Grafik zeigt die Aufteilung der kompletten Bandbreite für einzelne Unterträger und erklärt den Unterschied zwischen CDMA (UMTS) und OFDM (LTE).

OFDM besitzt also im Gegensatz zu CDMA viele – typischerweise sogar mehrere hundert – Unterträger mit einer Bandbreite von jeweils nur einigen Kilohertz. Dazu wird der Datenstrom aufgeteilt und jeder der vielen Unterträger einzeln mit nur geringer Bandbreite moduliert.

In LTE benutzt man OFDMA, eine auf OFDM basierende Übertragungstechnik. Hierfür sprechen unter anderem folgende Gründe Holma, H.; Toskala, A.: LTE for UMTS – OFDMA and SC–FDMA Based Radio Access. Wiley & Sons, 2009:

• Eine hohe Leistung in frequenzgesteuerten Kanälen,
  
• die niedrige Komplexität im Empfänger,
  
• gute Spektraleigenschaften und Bandbreitenflexibilität, sowie
  
• Kompatibilität mit den neuesten Empfänger– und Multiantennentechnologien.
  
  

Auf der folgenden Seite werden die Unterschiede zwischen den Mehrfachzugriffsverfahren OFDM und OFDMA kurz erläutert.

Gemeinsamkeiten und Unterschiede von OFDM und OFDMA

Das Prinzip von Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) wurde bereits im Kapitel 5.5 des Buches „Modulationsverfahren” erklärt. OFDM teilt das zur Verfügung stehende Frequenzband in eine große Anzahl von schmalbandigen Unterträgern auf, wobei zu beachten ist:

• Damit die einzelnen Unterträger möglichst wenig Intercarrier–Interferenz aufweisen, werden die Frequenzen der Unterträger so gewählt, dass sie zueinander orthogonal sind.
  

• Das bedeutet: Bei der Mittenfrequenz eines jeden Unterträgers weisen alle anderen Träger keine Spektralanteile auf. Ziel ist es, für jeden Nutzer die gegenwärtig günstigsten Ressourcen zu wählen, um ein in der Gesamtheit optimales Ergebnis zu erhalten.
  

• Konkret bedeutet das weiterhin, dass – angepasst an die jeweilige Netzsituation – die verfügbaren Ressourcen demjenigen Nutzer zugeteilt werden, der momentan damit am meisten anfangen kann. Zu diesem Zweck misst die Basisstation für die Abwärtsstrecke (Downlink) zum Endgerät hin die Leitungsqualität mit Hilfe von Referenzsymbolen.
  

Die Grafik zeigt oben die Frequenzzuteilung bei OFDM. Das untere Schaubild zeigt die Zuteilung bei Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA). Man erkennt:

• Bei OFDMA beschränkt sich die Ressourcenzuteilung nach Kanalschwankungen nicht wie bei OFDM nur auf den Zeitbereich, sondern es wird auch der Frequenzbereich optimal einbezogen.

• Dadurch ist die OFDMA–Ressourcenzuteilung besser an die äußeren Umstände angepasst als bei OFDM. Um diese Flexibilität optimal nutzen zu können, ist allerdings eine Abstimmung zwischen der Basisstation (eNodeB) und dem Endgerät notwendig. Mehr dazu später im Kapitel 4.4.

Unterschiede zwischen OFDMA und SC–FDMA (1)

Es gibt Übertragungsverfahren wie beispielsweise WiMAX, die OFDMA in beiden Richtungen nutzen. Die LTE–Spezifizierung durch das 3GPP–Konsortium legt dagegen fest:

• Im Downlink – Übertragung von der Basisstation zum Endgerät – wird OFDMA eingesetzt.
  

• Im Uplink – Übertragung vom Endgerät zur Basisstation – verwendet man Single Carrier Frequency Division Multiple Access (SC–FDMA).
  
  

Aus der Grafik erkennt man, dass die beiden Systeme „SC–FDMA” und „OFDMA” sehr ähnlich sind. Oder anders ausgedrückt: SC–FDMA baut auf OFDMA auf (oder umgekehrt).

• Verzichtet man auf die beiden rot hinterlegten Komponenten (DFT) und auf die beiden blau hinterlegten Komponenten (IDFT) von SC–FDMA, so erhält man das OFDMA–System.
  

• Die anderen hier verwendeten Symbole stehen für Seriell/Parallel–Wandler (S/P), Parallel/Seriell–Wandler (P/S), D/A–Wandler, A/D–Wandler sowie Hinzufügen/Entfernen des zyklischen Präfix'.
  

Die Signalerzeugung für SC–FDMA funktioniert ähnlich wie bei OFDMA, allerdings mit kleinen, für den Mobilfunk aber durchaus wichtigen Änderungen:

• Der Hauptunterschied liegt in der zusätzlichen diskreten Fouriertransformation (DFT).
  

• Diese ist sendeseitig direkt nach der Seriell/Parallel–Wandlung durchzuführen.
  

• Es handelt sich somit nicht mehr um ein Mehrträgerverfahren, sondern um eine Einträger–FDMA.
  

• Man spricht wegen der notwendigen DFT/IDFT–Operationen auch von „DFT–spread OFDM”.
  
  

Die Einzelheiten dieser Grafik werden auf den folgenden Seiten erklärt.

Unterschiede zwischen OFDMA und SC–FDMA (2)

Fassen wir die Aussagen der letzten Seite nochmals kurz zusammen. SC–FDMA unterscheidet sich von OFDMA folgendermaßen:

• Die Datensymbole werden mit einer Gruppe gleichzeitig übertragener Unterträger gesendet und nicht jedes Symbol von einem einzelnen, orthogonalen Unterträger.
  

• Diese Unterträgergruppe kann dann als ein separates Frequenzband betrachtet werden, das die Daten sequenziell überträgt. Darauf geht der Name „Single Carrier FDMA” zurück.
  

• Während bei OFDMA die Datensymbole direkt die verschiedenen Unterträger erzeugen, durchlaufen sie bei SC–FDMA zuerst eine diskrete Fouriertransformation (DFT).
  

• So werden die Datensymbole aus dem Zeitbereich zuerst in den Frequenzbereich transformiert, bevor sie die OFDM–Prozedur durchlaufen SC-FDMA – Single Carrier FDMA in LTE.
  

Man kann den Unterschied zwischen OFDMA und SC–FDMA aber auch so beschreiben:

• Bei einer OFDMA–Übertragung enthält jeder orthogonale Unterträger nur die Informationen eines einzigen Signals.
  

• Hingegen beinhaltet bei SC–FDMA jeder einzelne Unterträger Informationen über alle in dieser Periode übertragenen Signale.
  
  

Dieser Unterschied und die quasi–sequentielle Übertragung bei SC–FDMA lassen sich in obigem Schaubild besonders gut erkennen. Dieses stammt aus einem PDF–Dokument von Agilent–3GPP.