LTE OFDM、OFDMA SC-FDMAおよび変調

OFDMは、4G LTE内で使用される基本的な信号形式を形成します。 OFDM、直交周波数分割多重が使用される基本フォーマットであり、これは複数アクセススキームを提供するために変更されています：OFDMA、ダウンリンクの直交周波数分割多元接続およびSC-FDMA、アップリンクの単一チャネル直交周波数分割多元接続。

複数のキャリアを使用し、それぞれが低いデータレートを伝送するOFDMは、これらの周波数での反射と一般的な伝搬特性の結果として発生する狭帯域フェージングに対する耐性を提供するため、高速データ伝送に最適です。

基本的なLTE OFDM信号フォーマットでは、PSKやQAMなどのさまざまな変調フォーマットが使用されます。高次の変調は、より高いデータレートを実現するために使用されます。変調次数は、信号品質によって決定されます。

LTE変調とOFDMの基礎

OFDMの使用は、LTEにとって自然な選択です。 OFDMの基本概念が使用されていますが、LTEの正確な要件を満たすように調整されています。ただし、それぞれが低いデータレートを伝送する複数のキャリアを使用することは変わりません。

OFDMに関する注意：

直交周波数分割多重、OFDMは、それぞれが低レートデータストリームで変調される多数の近接したキャリアを使用する信号形式の形式です。通常、間隔が狭い信号は相互に干渉することが予想されますが、信号を相互に直交させることにより、相互干渉は発生しません。送信されるデータはすべてのキャリアで共有され、これにより、マルチパス効果による選択的なフェージングに対する回復力が提供されます。

についてもっと読む OFDM、直交周波数分割多重。

技術の実際の実装は、2つの方向とどちらかの端の機器との間の要件が異なるため、ダウンリンク（つまり、基地局からモバイル）とアップリンク（つまり、モバイルから基地局）では異なります。ただし、OFDMは干渉に対して非常に耐性があるため、信号ベアラ形式として選択されました。また、近年では、Wi-FiやWiMAXと一緒に使用するさまざまな形式の放送から、その使用においてかなりのレベルの経験が得られています。 OFDMは、LTEの重要な要件の1つである高データレートの伝送に非常に適した変調形式でもあります。

これに加えて、OFDMはFDD形式とTDD形式の両方で使用できます。これは追加の利点になります。

LTEチャネルの帯域幅と特性

LTE内でのOFDMの使用に関連する重要なパラメーターの1つは、帯域幅の選択です。利用可能な帯域幅は、OFDM信号に収容できるキャリアの数を含むさまざまな決定に影響を与えます。これは、シンボル長などの要素にも影響します。

LTEは多数のチャネル帯域幅を定義します。明らかに、帯域幅が大きいほど、チャネル容量も大きくなります。

LTE用に選択されたチャネル帯域幅は次のとおりです。

1. 1.4 MHz
2. 3 MHz
3. 5 MHz
4. 10 MHz
5. 15 MHz
6. 20 MHz

これに加えて、サブキャリアの間隔は15 kHzです。つまり、LTEサブキャリアの間隔は15 kHzです。直交性を維持するために、これにより1/15 kHz = 66.7 µsのシンボルレートが得られます。

各サブキャリアは最大15 ksps（キロシンボル/秒）でデータを伝送できます。これにより、20 MHz帯域幅システムに18 Mspsの生のシンボルレートが与えられます。次に、64QAMを使用する各シンボルは6ビットを表すことができるため、これは108 Mbpsの生データレートを提供できます。

これらのレートは、LTE仕様に記載されている見出しの数値と一致していないように見える場合があります。これは、実際のピークデータレートは、最初にコーディングと制御のオーバーヘッドを差し引くことによって得られるためです。次に、空間多重化などの要素から生じるゲインがあります。

LTE OFDMサイクリックプレフィックス、CP

LDM（およびその他の多くの無線システム）内で変調形式としてOFDMを使用する主な理由の1つは、マルチパスの遅延と拡散に対する回復力です。ただし、システムに回復力を追加する方法を実装する必要があります。これは、これにより発生するシンボル間干渉（ISI）を克服するのに役立ちます。

シンボル間干渉が予想される領域では、各データシンボルの先頭のタイミングにガード期間を挿入することで回避できます。その後、セクションをシンボルの末尾から先頭にコピーできます。これは、サイクリックプレフィックスCPと呼ばれます。次に、受信機は最適な時間に波形をサンプリングし、最大でサイクリックプレフィックスCPの長さまで遅延される反射によって引き起こされるシンボル間干渉を回避できます。

サイクリックプレフィックスの長さCPは重要です。それが十分に長くない場合、それはマルチパス反射遅延スプレッドを打ち消しません。長すぎると、データスループット容量が減少します。 LTEの場合、サイクリックプレフィックスの標準の長さは4.69 µsに選択されています。これにより、システムは最大1.4 kmの経路変動に対応できます。 LTEのシンボル長を66.7 µsに設定。

シンボル長は、OFDMシステムの場合、直交性が実現されるように、シンボル長がキャリア間隔の逆数に等しいという事実によって定義されます。キャリア間隔が15 kHzの場合、シンボル長は66.7 µsになります。

ダウンリンクのLTE OFDMA

LTEで使用されるOFDM信号は、15 kHzの間隔を持つ最大2048の異なるサブキャリアを含みます。モバイルが2048のすべてのサブキャリアを受信できる機能を持つことは必須ですが、72のサブキャリアの送信をサポートするだけでよい基地局からすべてを送信する必要はありません。このようにして、すべての携帯電話がどの基地局とも通信できます。

OFDM信号内では、LTE信号の変調を次の3つのタイプから選択できます。

1. QPSK（= 4QAM） シンボルあたり2ビット
2. 16QAM シンボルあたり4ビット
3. 64QAM シンボルあたり6ビット

QAMに関する注記-直交振幅変調：

直交振幅変調、QAMは他の形式の変調よりも優れたレベルのスペクトル効率を可能にするため、データ伝送で広く訴えられています。 QAMは、2つのデータストリーム（Iまたは同相およびQ-直交要素）によって変調された、90°だけシフトされた同じ周波数の2つのキャリアを使用します。

正確なLTE変調形式は、一般的な条件に応じて選択されます。低い変調形式（QPSK）では、このような大きな信号対ノイズ比は必要ありませんが、データをそれほど速く送信できません。十分な信号対雑音比がある場合のみ、高次変調フォーマットを使用できます。

ダウンリンクキャリアとリソースブロック

ダウンリンクでは、サブキャリアはリソースブロックに分割されます。これにより、システムは標準的な数のサブキャリアにまたがってデータを区分化することができます。

LTE信号の全体的な帯域幅に関係なく、リソースブロックは12のサブキャリアで構成されます。また、時間枠の1つのスロットもカバーします。つまり、LTE信号の帯域幅が異なれば、リソースブロックの数も異なります。

アップリンクのLTE SC-FDMA

LTEアップリンクの場合、アクセス手法には別の概念が使用されます。 OFDMAテクノロジの形式をまだ使用していますが、この実装はシングルキャリア周波数分割多元接続（SC-FDMA）と呼ばれます。

すべての携帯電話に影響を与える重要なパラメーターの1つは、バッテリー寿命です。バッテリーの性能は常に向上していますが、携帯電話が可能な限り少ないバッテリー電力を使用することを保証する必要があります。

アンテナを介して無線周波数信号を基地局に送信するRF電力増幅器は、モバイル内で最も電力の高いアイテムであるため、できるだけ効率的なモードで動作する必要があります。これは、無線周波数変調と信号フォーマットの形式に大きく影響されます。

ピーク対平均比が高く、線形増幅が必要な信号は、効率的なRFパワーアンプの使用には適していません。その結果、動作時にほぼ一定の出力レベルを持つ送信モードを採用する必要があります。残念ながら、OFDMのピーク対平均比は高くなっています。

これは、電力が特定の問題ではない基地局にとっては問題ではありませんが、モバイルにとっては許容できません。その結果、LTEは、SC-FDMA-ハイブリッド形式であるシングルキャリア周波数分割多重として知られている変調方式を使用します。これは、シングルキャリアシステムによって提供される低いピーク対平均比と、OFDMが提供するマルチパス干渉耐性と柔軟なサブキャリア周波数割り当てを組み合わせたものです。

LTE信号フォーマット、変調、OFDMの使用により、LTEは信頼性の高い高速データ通信を提供できるようになりました。

OFDMを使用することで、LTEは反射が存在する場合でも信頼できるリンク品質を提供できるようになり、適応変調は、一般的な信号品質に従ってリンクを変更する機能を提供しました。

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