1. Wprowadzenie: Niewidzialne Połączenie

Interfejs radiowy, znany również jako interfejs powietrzny, to niewidoczne łącze, które łączy Twoje urządzenie mobilne (Urządzenie Użytkownika lub UE) ze stacją bazową sieci komórkowej (eNodeB w LTE). To właśnie tutaj, w otwartej przestrzeni, działają najbardziej złożone i genialne technologie nowoczesnej komunikacji mobilnej. Podczas gdy sieć rdzeniowa zajmuje się logiką trasowania połączeń i danych, interfejs radiowy odpowiada za niesamowite zadanie niezawodnego przesyłania ogromnych ilości informacji cyfrowych przez chaotyczne i nieprzewidywalne medium, jakim są fale radiowe.

Projekt interfejsu radiowego LTE stanowił radykalne odejście od swoich poprzedników z 3G. Główny cel zmienił się z komunikacji skoncentrowanej na głosie na wysoce wydajny, wysokoprzepustowy i niskolatencyjny system zbudowany wyłącznie dla danych pakietowych. Wybory technologiczne dokonane dla interfejsu radiowego LTE, w szczególności wybór OFDMA dla transmisji w dół (downlink) i SC-FDMA dla transmisji w górę (uplink), są fundamentalnymi przyczynami prędkości i responsywności, które kojarzymy z technologią 4G. W tej sekcji przeprowadzimy dogłębną eksplorację tych technologii, wyjaśniając, jak działają, dlaczego zostały wybrane i jak pokonują fundamentalne wyzwania komunikacji bezprzewodowej.

2. Główne Wyzwania Komunikacji Bezprzewodowej

Aby docenić geniusz interfejsu radiowego LTE, trzeba najpierw zrozumieć fundamentalne problemy, które każdy system bezprzewodowy musi rozwiązać. Przesyłanie danych przez fizyczny kabel jest stosunkowo proste; wysyłanie ich przez powietrze to ciągła walka z prawami fizyki.

• Współdzielone Medium i Zakłócenia: W przeciwieństwie do prywatnego kabla, spektrum radiowe jest zasobem publicznym, współdzielonym przez niezliczonych użytkowników i urządzenia. Sieć musi mieć metodę umożliwiającą wielu użytkownikom jednoczesną komunikację bez wzajemnego zakłócania swoich sygnałów. Jest to problem "wielodostępu".
• Zaniki Wielodrogowe: W rzeczywistym środowisku fale radiowe nie podróżują prostą linią od wieży do telefonu. Odbijają się od budynków, wzgórz, samochodów i innych przeszkód. W rezultacie odbiornik otrzymuje wiele kopii tego samego sygnału, z których każda dociera w nieco innym czasie i fazie. Te kopie mogą interferować ze sobą, czasem sumując się konstruktywnie (wzmacniając sygnał), a czasem destruktywnie (osłabiając lub znosząc sygnał), co jest zjawiskiem znanym jako zaniki wielodrogowe. Może to również powodować problem zwany Interferencją Międzysymbolową (ISI), gdzie "duch" jednego symbolu rozmywa się na następny.
• Ograniczone Widmo i Efektywność Widmowa: Spektrum radiowe jest ograniczonym i silnie regulowanym zasobem naturalnym. Dostępne pasmo jest ograniczone. Dlatego używana technologia musi być niezwykle wydajna, "wciskając" maksymalną liczbę bitów na sekundę w każdy herc dostępnego pasma. Ta miara wydajności jest znana jako efektywność widmowa.
• Wydajność Energetyczna i Żywotność Baterii: Stacja bazowa może być podłączona do sieci energetycznej, ale Twój smartfon działa na baterii. Technologia transmisyjna musi być zaprojektowana tak, aby była jak najbardziej energooszczędna, szczególnie dla transmisji w górę (z telefonu do wieży), aby zapewnić rozsądną żywotność baterii urządzenia użytkownika.

3. OFDMA: Silnik Łącza w Dół w LTE

Łącze w dół (downlink) to łącze komunikacyjne od stacji bazowej (eNodeB) do Twojego telefonu (UE). W tym kierunku przepływu danych LTE stosuje wysoce zaawansowaną i solidną technologię zwaną Ortogonalnym Wielodostępem z Podziałem Częstotliwości (OFDMA).

Zrozumienie Podstaw: Od OFDM do OFDMA

Aby zrozumieć OFDMA, najpierw musimy pojąć koncepcję OFDM (Ortogonalnego Multipleksowania z Podziałem Częstotliwości). Wyobraź sobie, że masz bardzo szeroką autostradę (dostępne pasmo częstotliwości) i musisz bardzo szybko przetransportować dużą ilość ładunku (Twoje dane). Jednym sposobem jest użycie jednej, niezwykle szybkiej ciężarówki. Jeśli jednak ta ciężarówka wpadnie w jedną dziurę (zanik na określonej częstotliwości), cała dostawa jest zagrożona.

OFDM podchodzi do tego inaczej. Zamiast jednej szybkiej ciężarówki, używa tysięcy mniejszych, wolniejszych furgonetek. Główny strumień danych jest dzielony na wiele wolniejszych, równoległych strumieni. Każdy z tych wolnych strumieni jest następnie przesyłany na własnej, wąskiej częstotliwości nośnej, zwanej podnośną. Wszystkie te tysiące podnośnych są przesyłane jednocześnie, wypełniając całą szeroką autostradę.

Słowo "Ortogonalny" to tajny składnik. Podnośne są rozmieszczone tak precyzyjnie, że dokładnie na częstotliwości, na której odbiornik "nasłuchuje" szczytu jednej podnośnej, wszystkie inne podnośne mają zerową energię. Ta matematyczna właściwość pozwala na znaczne nakładanie się pasm częstotliwości podnośnych bez wzajemnych zakłóceń, co umożliwia wyjątkowo efektywne wykorzystanie widma.

Teraz OFDMA po prostu rozszerza tę koncepcję na obsługę wielu użytkowników. Jest to wersja "Wielodostępu". Stacja bazowa (eNodeB) bierze całą pulę tysięcy podnośnych i dynamicznie przydziela różne ich grupy różnym użytkownikom w tym samym czasie. Na przykład w danej chwili Twój telefon może mieć przydzielone podnośne od 1 do 48 do streamingu wideo, podczas gdy telefon innego użytkownika ma przydzielone podnośne od 49 do 72 do przeglądania strony internetowej. Ta alokacja jest dynamiczna i może zmieniać się co milisekundę w zależności od potrzeb użytkowników i warunków radiowych.

Dlaczego OFDMA to Idealny Wybór dla Łącza w Dół

• Odporność na Zaniki Wielodrogowe: Jest to prawdopodobnie najważniejsza zaleta. Dzieląc szybki strumień danych na wiele wolnych strumieni, czas trwania każdego pojedynczego symbolu danych na podnośnej staje się znacznie dłuższy. Opóźniona kopia sygnału z odbicia może dotrzeć, ale opóźnienie jest teraz bardzo małym ułamkiem długiego czasu trwania symbolu. To sprawia, że system jest znacznie mniej wrażliwy na Interferencję Międzysymbolową (ISI) i o wiele bardziej odporny w środowiskach miejskich z wieloma odbiciami.
• Uproszczona Korekcja w Odbiorniku: Ponieważ każda podnośna jest bardzo wąska w częstotliwości, złożone zniekształcenia spowodowane zanikami wielodrogowymi wydają się "płaskie" lub stałe w tym wąskim paśmie. Oznacza to, że odbiornik (Twój telefon) nie potrzebuje skomplikowanego i energochłonnego korektora (equalizera) do naprawy sygnału. Może skorygować zniekształcenie na każdej podnośnej za pomocą prostej operacji matematycznej, oszczędzając moc obliczeniową i baterię.
• Bardzo Elastyczna Alokacja Zasobów: eNodeB stale mierzy jakość sygnału dla każdego użytkownika na różnych częstotliwościach. Może następnie inteligentnie przydzielać podnośne użytkownikom tam, gdzie ich połączenie jest najsilniejsze. Ta technika, zwana planowaniem z uwzględnieniem kanału (channel-aware scheduling), maksymalizuje ogólną przepustowość i wydajność komórki.
• Skalowalność z Pasmem: Struktura OFDMA pięknie skaluje się z różnymi szerokościami dostępnego widma. LTE można wdrażać w różnych szerokościach kanału (od $1.4$ MHz do $20$ MHz). Szersze pasmo oznacza po prostu, że dostępna jest większa pula podnośnych, którą eNodeB może rozdzielić między użytkowników, co bezpośrednio przekłada się na wyższą pojemność.

4. SC-FDMA: Rozwiązanie Problemu Mocy w Łączu w Górę

Łącze w górę (uplink) to łącze komunikacyjne z Twojego telefonu do stacji bazowej. Chociaż OFDMA jest doskonałe dla łącza w dół, ma jedną poważną wadę, która czyni go nieodpowiednim dla łącza w górę: wysoki współczynnik PAPR.

Problem Współczynnika Mocy Szczytowej do Średniej (PAPR)

W sygnale OFDM ostateczny przesyłany sygnał jest sumą tysięcy pojedynczych fal podnośnych. Chociaż średnia moc może być umiarkowana, zdarzają się momenty, gdy wiele z tych fal idealnie się zestraja, tworząc bardzo wysoki szczyt mocy. Stosunek między tymi wysokimi szczytami a mocą średnią jest znany jako Współczynnik Mocy Szczytowej do Średniej (PAPR).

Nie jest to problem dla eNodeB, który jest duży, stacjonarny i podłączony do sieci energetycznej. Może sobie pozwolić na duży, potężny i nieefektywny wzmacniacz mocy, aby obsłużyć te szczyty. Jednak dla smartfona zasilanego bateryjnie wysoki PAPR to katastrofa. Aby przesłać taki sygnał bez zniekształceń, wzmacniacz mocy telefonu musiałby być wysoce liniowy i działać znacznie poniżej swojej maksymalnej mocy, co czyni go niezwykle nieefektywnym i drastycznie skraca żywotność baterii.

SC-FDMA: Energooszczędne Rozwiązanie

Aby rozwiązać problem PAPR, LTE używa innej, ale powiązanej technologii dla łącza w górę: Wielodostępu z Podziałem Częstotliwości i Jedną Nośną (SC-FDMA). Jest to sprytna modyfikacja OFDMA, która zachowuje większość jego zalet, jednocześnie znacznie zmniejszając PAPR.

Kluczowa różnica w SC-FDMA polega na dodatkowym kroku przetwarzania na początku. Zanim rozpocznie się główny proces modulacji OFDM, symbole danych przechodzą przez DFT (Dyskretną Transformatę Fouriera). Ten krok DFT "rozkłada" informację z każdego symbolu na wszystkie podnośne, które będą używane do transmisji. Po tym rozproszeniu sygnał jest mapowany na ciągły blok podnośnych i przetwarzany jak normalny sygnał OFDMA.

Efekt tego początkowego rozproszenia DFT jest głęboki. Powoduje, że ostateczny przesyłany sygnał zachowuje się jak sygnał jednonóśny, który naturalnie ma znacznie niższy PAPR. Wysokie szczyty są skutecznie wygładzane, co pozwala wzmacniaczowi mocy telefonu działać znacznie wydajniej, oszczędzając cenną energię baterii. Po stronie odbiorczej (eNodeB) sygnał może być przetwarzany za pomocą technik podobnych do OFDMA, więc zalety elastycznego planowania i odporności na wielodrogowość są zachowane.

5. Metody Dupleksu: Umożliwienie Dwukierunkowej Komunikacji

Aby komunikacja była funkcjonalna, dane muszą móc płynąć w obu kierunkach (w dół i w górę) jednocześnie. Metoda używana do oddzielania transmisji w dół i w górę nazywa się dupleksem. LTE wspiera dwie różne metody dupleksu, co daje operatorom elastyczność w zależności od posiadanych licencji na widmo.

6. Podsumowanie i Wnioski

Interfejs radiowy LTE to arcydzieło inżynierii, które skutecznie rozwiązuje kluczowe wyzwania szybkiej, mobilnej transmisji danych. Dzięki starannemu doborowi różnych technologii dla łącza w dół i w górę, jego projektanci stworzyli system, który jest zarówno wydajny widmowo, jak i energooszczędny.

Kluczowe wnioski to:

• OFDMA dla Łącza w Dół: Wybrany ze względu na swoją odporność na zaniki wielodrogowe, prostą korekcję w odbiorniku oraz bardzo elastyczną alokację zasobów dla wielu użytkowników. Jest idealny dla eNodeB o dużej mocy do nadawania do wielu użytkowników.
• SC-FDMA dla Łącza w Górę: Wybrany, ponieważ zachowuje kluczowe zalety podejścia opartego na dziedzinie częstotliwości, jednocześnie charakteryzując się znacznie niższym Współczynnikiem Mocy Szczytowej do Średniej (PAPR), co czyni go znacznie bardziej energooszczędnym i idealnym dla urządzeń użytkownika zasilanych bateryjnie.
• Elastyczny Dupleks: Wsparcie zarówno dla FDD, jak i TDD pozwala operatorom na wydajne wdrażanie sieci LTE w oparciu o ich specyficzne alokacje widma i potrzeby ruchowe.

Ta kombinacja zaawansowanych technologii w interfejsie radiowym pozwoliła 4G LTE dostarczyć prawdziwe mobilne doświadczenie szerokopasmowe, tworząc podwaliny pod połączony świat, w którym dziś żyjemy, i stanowiąc fundament, na którym budowane są systemy 5G.