OFDMA

OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access, множественный доступ с ортогональным частотным разделением) — это технология множественного доступа в системах цифровой связи, основанная на методе мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM). OFDMA позволяет одновременно передавать данные нескольким пользователям, распределяя между ними поднесущие частоты, что обеспечивает более эффективное использование спектра по сравнению с традиционными схемами множественного доступа.

Принцип работы

OFDMA является расширением технологии OFDM, которая делит доступную полосу частот на множество узких ортогональных поднесущих. В отличие от OFDM, где все поднесущие в заданный момент времени выделяются одному пользователю, OFDMA распределяет поднесущие между несколькими пользователями одновременно. Каждому пользователю назначается один или несколько ресурсных блоков (Resource Blocks, RB), представляющих собой набор поднесущих и временных интервалов.

Ортогональность поднесущих

Поднесущие в OFDM и OFDMA расположены таким образом, что их спектры перекрываются, но при этом они ортогональны друг другу. Ортогональность достигается выбором частотного разноса между поднесущими, равным обратной величине длительности символа. Это позволяет демодулировать каждую поднесущую без помех от соседних, даже при их частичном перекрытии. В OFDMA ортогональность сохраняется, что обеспечивает высокую спектральную эффективность.

Распределение ресурсов

Процесс распределения ресурсов в OFDMA осуществляется на уровне базовой станции (eNodeB в LTE, gNB в 5G NR). Базовая станция определяет, какие поднесущие и временные слоты будут выделены каждому пользователю, исходя из текущих условий канала (качества сигнала, уровня помех) и требований к скорости передачи данных. Это динамическое распределение, которое может меняться каждые несколько миллисекунд (например, в LTE — каждые 1 мс, в 5G NR — каждые 0,5–1 мс).

История развития

Технология OFDMA начала разрабатываться в конце 1990-х — начале 2000-х годов как развитие OFDM для систем мобильной связи. Первым коммерческим стандартом, внедрившим OFDMA, стал WiMAX (IEEE 802.16e-2005), принятый в 2005 году. В 2008 году OFDMA была выбрана в качестве технологии множественного доступа для нисходящей линии связи (downlink) в стандарте LTE (Long-Term Evolution) 3GPP Release 8. В восходящей линии связи (uplink) LTE использует модифицированную версию — SC-FDMA (Single-Carrier Frequency Division Multiple Access), которая обеспечивает более низкое отношение пиковой мощности к средней (PAPR).

В 2018 году OFDMA была включена в стандарт 5G NR (New Radio) 3GPP Release 15 для обоих направлений связи (uplink и downlink), что позволило повысить гибкость распределения ресурсов и снизить задержки. Кроме того, OFDMA применяется в стандарте Wi-Fi 6 (IEEE 802.11ax), принятом в 2019 году, для улучшения работы в условиях плотного размещения пользователей.

Классификация и варианты

OFDMA в LTE (3GPP Release 8–14)

В LTE OFDMA используется только для нисходящей линии связи. Поднесущие сгруппированы в ресурсные блоки по 12 поднесущих каждая. Ширина поднесущей фиксирована и составляет 15 кГц. Доступная полоса частот может варьироваться от 1,4 МГц до 20 МГц. В LTE-Advanced (Release 10) была введена агрегация несущих, позволяющая объединять до пяти полос по 20 МГц.

OFDMA в 5G NR (3GPP Release 15 и выше)

В 5G NR OFDMA применяется как для нисходящей, так и для восходящей линии связи. Введена гибкая нумерология (numerology), позволяющая изменять ширину поднесущей (15, 30, 60, 120, 240 кГц) в зависимости от диапазона частот и требований к задержке. Это позволяет адаптироваться к различным сценариям использования — от широковещательной передачи до сверхнадёжной связи с низкой задержкой (URLLC).

OFDMA в Wi-Fi 6 (IEEE 802.11ax)

В Wi-Fi 6 OFDMA реализована как в нисходящем, так и в восходящем канале. В отличие от сотовых стандартов, где поднесущие распределяются между пользователями, в Wi-Fi 6 OFDMA работает на основе распределения ресурсных единиц (Resource Units, RU) размером от 26 до 996 поднесущих. Это позволяет обслуживать до 37 пользователей одновременно в одном канале шириной 20 МГц.

Применение

Сотовые сети связи

Основное применение OFDMA — в системах мобильной связи четвёртого (LTE) и пятого (5G NR) поколений. Технология обеспечивает высокую спектральную эффективность, что критически важно для поддержки растущего трафика данных. В 5G NR OFDMA позволяет реализовать такие сценарии, как:

• eMBB (Enhanced Mobile Broadband) — повышенная пропускная способность для мобильного широкополосного доступа.
• URLLC (Ultra-Reliable Low-Latency Communications) — сверхнадёжная связь с низкой задержкой для промышленной автоматизации и автономного транспорта.
• mMTC (Massive Machine-Type Communications) — массовая межмашинная связь для интернета вещей (IoT).

Беспроводные локальные сети

В стандарте Wi-Fi 6 (802.11ax) и его последующей версии Wi-Fi 7 (802.11be) OFDMA используется для повышения эффективности работы в условиях перегруженных сетей, например, в офисах, аэропортах, стадионах. Технология позволяет снизить задержки и увеличить пропускную способность при одновременном обслуживании большого числа клиентов.

Другие применения

OFDMA также применяется в некоторых системах фиксированного беспроводного доступа (Fixed Wireless Access, FWA), в спутниковой связи (например, в проектах Starlink от компании SpaceX), а также в системах связи для железнодорожного транспорта (LTE-R).

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая спектральная эффективность — за счёт ортогональности поднесущих и возможности динамического распределения ресурсов.
• Устойчивость к многолучевости — благодаря использованию циклического префикса (CP) и частотному выравниванию.
• Гибкость — возможность адаптации к различным условиям канала и требованиям пользователей.
• Поддержка множества пользователей — одновременное обслуживание десятков и сотен абонентов в одной соте.

Недостатки

• Высокое отношение пиковой мощности к средней (PAPR) — характерно для OFDM-сигналов, что требует использования линейных усилителей мощности и снижает энергоэффективность.
• Чувствительность к синхронизации — требует точной временной и частотной синхронизации между передатчиком и приёмником.
• Сложность реализации — требует мощных цифровых сигнальных процессоров (DSP) для обработки большого числа поднесущих.

Сравнение с другими технологиями множественного доступа

Перспективы развития

В рамках стандарта 6G, разработка которого началась в 2020-х годах, рассматриваются дальнейшие модификации OFDMA, включая использование более гибких нумерологий, адаптивное изменение ширины поднесущей в реальном времени, а также интеграцию с технологиями неортогонального множественного доступа (NOMA). Кроме того, в Wi-Fi 7 (802.11be) планируется расширение возможностей OFDMA за счёт увеличения максимального числа одновременно обслуживаемых пользователей и повышения эффективности в условиях высокой плотности устройств.

Источники

• 3GPP Technical Specification 36.211 (LTE), 38.211 (5G NR)
• IEEE Standard 802.11ax-2021
• «OFDM and OFDMA for Broadband Wireless Communications» — H. Sari, G. Karam, I. Jeanclaude (2000)
• «Principles of OFDMA» — M. Morelli, C. C. J. Kuo, M. O. Pun (2007)
• «5G NR: The Next Generation Wireless Access Technology» — E. Dahlman, S. Parkvall, J. Sköld (2020)