SC-FDMA

SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access — множественный доступ с частотным разделением и одной несущей) — это технология цифровой модуляции и множественного доступа, используемая в системах радиосвязи для передачи данных в восходящем канале (от пользовательского устройства к базовой станции). SC-FDMA сочетает в себе свойства одночастотной передачи (Single Carrier) с преимуществами частотного разделения каналов (FDMA), что позволяет эффективно использовать спектр и снижать пик-фактор (отношение пиковой мощности к средней, PAPR) по сравнению с OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access). Технология является ключевым компонентом стандарта сотовой связи 4G LTE (Long-Term Evolution) и используется в некоторых режимах 5G NR (New Radio).

История

Предпосылки разработки

В начале 2000-х годов, при разработке стандарта мобильной связи четвёртого поколения (4G), возникла необходимость в технологии множественного доступа, которая могла бы обеспечить высокую спектральную эффективность в восходящем канале. Основной кандидат — OFDMA — обладал высоким PAPR, что требовало использования дорогих и энергоёмких усилителей мощности в мобильных устройствах. Для решения этой проблемы была предложена SC-FDMA, которая, сохраняя преимущества OFDMA (частотное разделение, гибкость распределения ресурсов), значительно снижала PAPR.

Внедрение в стандарты

SC-FDMA была официально принята в качестве технологии множественного доступа для восходящего канала в стандарте 3GPP Release 8 (LTE) в 2008 году. В последующих версиях LTE (LTE-Advanced, LTE-Advanced Pro) технология была усовершенствована, в частности, за счёт введения поддержки MIMO (Multiple Input Multiple Output) и более сложных схем модуляции. В стандарте 5G NR (3GPP Release 15, 2018 год) SC-FDMA сохранилась в качестве опционального режима для восходящего канала, особенно в сценариях, где требуется низкое энергопотребление или работа в условиях ограниченной полосы пропускания.

Принцип работы

Основные отличия от OFDMA

В OFDMA данные передаются параллельно на множестве ортогональных поднесущих, что приводит к суммированию амплитуд сигналов и, как следствие, к высокому PAPR. SC-FDMA, напротив, передаёт данные последовательно во времени, но с частотным разделением. Ключевое отличие заключается в использовании дискретного преобразования Фурье (DFT) перед обратным быстрым преобразованием Фурье (IFFT), что даёт название «DFT-spread OFDM» (DFT-s-OFDM).

Структура передатчика

1. Модуляция и кодирование: Входные биты данных кодируются (например, турбокодом или кодом LDPC) и модулируются (QPSK, 16QAM, 64QAM, 256QAM).
2. Преобразование Фурье (DFT): Последовательность модулированных символов подвергается дискретному преобразованию Фурье (DFT). Это преобразует временные отсчёты в частотные, создавая «распределённый» спектр.
3. Отображение на поднесущие: Полученные частотные отсчёты отображаются на определённый набор поднесущих в частотной области. В отличие от OFDMA, где каждый символ занимает отдельную поднесущую, в SC-FDMA один символ «размазывается» по всем назначенным поднесущим.
4. Обратное преобразование Фурье (IFFT): Сигнал преобразуется обратно во временную область с помощью IFFT, формируя OFDM-символ.
5. Добавление циклического префикса (CP): Для борьбы с межсимвольной интерференцией (ISI) к каждому символу добавляется циклический префикс.
6. Радиочастотная обработка: Сигнал усиливается, преобразуется в радиочастотный диапазон и излучается.

Приёмник

На стороне приёмника (базовой станции) выполняется обратная последовательность: удаление CP, FFT, демодуляция, обратное DFT (IDFT) и декодирование.

Классификация и виды

SC-FDMA может быть реализована в двух основных режимах, определяющих способ распределения поднесущих:

Localized SC-FDMA (LFDMA)

В этом режиме все поднесущие, выделенные одному пользователю, располагаются в непрерывном блоке (группе) в частотной области. Это обеспечивает более высокую спектральную эффективность за счёт сохранения когерентности канала, но может приводить к снижению частотного разнесения. LFDMA является основным режимом в LTE.

Distributed SC-FDMA (DFDMA)

В этом режиме поднесущие, выделенные одному пользователю, распределяются по всей полосе пропускания с равными интервалами. Это увеличивает частотное разнесение и улучшает устойчивость к селективным замираниям, но может снижать спектральную эффективность из-за необходимости в дополнительных пилотных сигналах. DFDMA используется реже, чем LFDMA.

Характеристики и преимущества

Низкий пик-фактор (PAPR)

Главное преимущество SC-FDMA — значительно более низкий PAPR (на 2–4 дБ) по сравнению с OFDMA. Это достигается за счёт того, что сигнал передаётся как одна несущая, а не как сумма множества независимых поднесущих. Низкий PAPR позволяет:

• Использовать более простые и дешёвые усилители мощности в мобильных устройствах.
• Снизить энергопотребление, что критично для аккумуляторных устройств.
• Уменьшить требования к линейности усилителей.

Спектральная эффективность

SC-FDMA обеспечивает высокую спектральную эффективность, сопоставимую с OFDMA, за счёт ортогональности поднесущих и возможности гибкого распределения ресурсов (частотных и временных блоков). В LTE SC-FDMA позволяет достигать пиковых скоростей передачи данных до 75 Мбит/с в восходящем канале (при ширине канала 20 МГц и 64QAM).

Устойчивость к многолучевости

Благодаря использованию циклического префикса, SC-FDMA, как и OFDMA, эффективно борется с межсимвольной интерференцией, вызванной многолучевым распространением радиоволн. Однако при сильных селективных замираниях SC-FDMA может быть менее устойчива, чем OFDMA, из-за отсутствия частотного разнесения на уровне символов.

Совместимость с OFDMA

SC-FDMA и OFDMA используют одинаковую базовую архитектуру (IFFT/FFT, циклический префикс), что упрощает реализацию приёмопередатчиков, поддерживающих оба режима. В LTE и 5G NR базовая станция может одновременно обслуживать пользователей, работающих в режимах SC-FDMA (восходящий канал) и OFDMA (нисходящий канал).

Применение

Сотовая связь 4G LTE

SC-FDMA является обязательной технологией для восходящего канала в LTE (Release 8 и выше). Она используется всеми мобильными устройствами (смартфонами, планшетами, модемами) для передачи данных, голоса (VoLTE) и сигнализации. В стандарте LTE SC-FDMA работает с шириной канала от 1,4 МГц до 20 МГц и поддерживает модуляцию до 64QAM (в LTE-Advanced Pro — до 256QAM).

5G NR (New Radio)

В стандарте 5G NR SC-FDMA (в форме DFT-s-OFDM) является опциональным режимом для восходящего канала. Он используется в следующих сценариях:

• Устройства с низким энергопотреблением: Например, датчики Интернета вещей (IoT) или носимые устройства.
• Связь на больших расстояниях: В режиме с одной несущей (SC-FDMA) можно достичь большей дальности связи за счёт более эффективного использования мощности.
• Спектрально-ограниченные сценарии: В узких полосах пропускания (например, 5 МГц) SC-FDMA может быть предпочтительнее OFDMA.

Другие системы

SC-FDMA также используется в некоторых системах спутниковой связи, в стандартах DVB (Digital Video Broadcasting) для возвратного канала и в системах связи с беспилотными летательными аппаратами (БПЛА), где требуется низкое энергопотребление и высокая помехоустойчивость.

Критика и ограничения

Чувствительность к частотным сдвигам

SC-FDMA более чувствительна к частотным сдвигам (доплеровскому сдвигу) по сравнению с OFDMA, особенно в режиме LFDMA. Это может приводить к потере ортогональности между пользователями и снижению производительности в условиях высоких скоростей движения (например, в поездах).

Сложность реализации

Хотя передатчик SC-FDMA проще, чем у OFDMA (из-за более низких требований к линейности усилителя), приёмник требует дополнительного DFT-преобразования, что увеличивает вычислительную сложность на стороне базовой станции.

Ограниченная гибкость

В режиме DFDMA распределение поднесущих требует более сложного планирования ресурсов и может приводить к неэффективному использованию спектра при малом количестве пользователей.

Источники

• 3GPP TS 36.211: «Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical channels and modulation» (Release 8-17).
• 3GPP TS 38.211: «NR; Physical channels and modulation» (Release 15-18).
• S. Sesia, I. Toufik, M. Baker. «LTE — The UMTS Long Term Evolution: From Theory to Practice». — Wiley, 2011.
• H. G. Myung, D. J. Goodman. «Single Carrier FDMA: A New Air Interface for Long Term Evolution». — Wiley, 2008.
• A. Goldsmith. «Wireless Communications». — Cambridge University Press, 2005.