Aufgaben:Aufgabe 4.3: Subcarrier–Mapping: Unterschied zwischen den Versionen
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* Mit den hellgrauen Blöcken ist der Übergang vom Zeit– in den Frequenzbereich dargestellt. | * Mit den hellgrauen Blöcken ist der Übergang vom Zeit– in den Frequenzbereich dargestellt. | ||
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| + | *Der Wert $K = 12$ ergibt sich aus der Tatsache, dass durch das Subcarrier–Mapping die Symbole auf eine gewisse Bandbreite „gemappt” werden. Der kleinste adressierbare Block ist bei LTE $180 \ \rm kHz$. Mit dem Unterträgerabstand von $15 \ \rm kHz$ ergibt sich $K = 12$. | ||
| + | *Mit der Stützstellenanzahl $N$ der IDFT $($bei Anordnung $\rm A)$ können somit bis zu $J = N/K$ Nutzer gleichzeitig bedient werden. Für das Subcarrier–Mapping gibt es mit DFDMA, IFDMA und LFDMA drei verschiedene Ansätze. | ||
| + | *Die beiden ersten Nutzer sind in der Grafik grün bzw. türkis eingezeichnet. In der Teilaufgabe '''(5)''' sollen Sie entscheiden, ob die Skizze für DFDMA, IFDMA oder LFDMA gilt. | ||
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- Für den LTE–Downlink, | - Für den LTE–Downlink, | ||
+ für den LTE–Uplink. | + für den LTE–Uplink. | ||
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{Welche Einheiten sind auf der Angabenseite dargestellt? | {Welche Einheiten sind auf der Angabenseite dargestellt? | ||
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| − | + Anordnung A zeigt den Sender des LTE–Uplinks. | + | + Anordnung $\rm A$ zeigt den Sender des LTE–Uplinks. |
| − | + Anordnung B zeigt den Empfänger des LTE–Uplinks. | + | + Anordnung $\rm B$ zeigt den Empfänger des LTE–Uplinks. |
- Beide Modelle gelten für Sender und Empfänger gleichermaßen. | - Beide Modelle gelten für Sender und Empfänger gleichermaßen. | ||
{Welche nicht eingezeichneten Blöcke sind noch erforderlich? | {Welche nicht eingezeichneten Blöcke sind noch erforderlich? | ||
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| − | + Vor Anordnung A benötigt man einen Seriell–Parallel–Wandler. | + | + Vor Anordnung $\rm A$ benötigt man einen Seriell–Parallel–Wandler. |
| − | + Nach Anordnung B benötigt man einen Parallel–Seriell–Wandler. | + | + Nach Anordnung $\rm B$ benötigt man einen Parallel–Seriell–Wandler. |
| − | {Wie viele Nutzer $(J)$ kann man mit $K = 12$ und $N = 1024$ gleichzeitig bedienen? | + | {Wie viele Nutzer $(J)$ kann man mit $K = 12$ und $N = 1024$ gleichzeitig bedienen? |
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$J \ = \ $ { 85 3% } | $J \ = \ $ { 85 3% } | ||
{Welches Mapping liegt der Grafik auf der Angabenseite zugrunde? | {Welches Mapping liegt der Grafik auf der Angabenseite zugrunde? | ||
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| − | - | + | - Distributed Mapping (DFDMA), |
| − | - | + | - Interleaved Mapping (IFDMA), |
| − | + | + | + Localized Mapping (LFDMA). |
{Welche DFT (IDFT) lassen sich als FFT (IFFT) realisieren? | {Welche DFT (IDFT) lassen sich als FFT (IFFT) realisieren? | ||
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| − | - Die DFT im linken Bereich von Anordnung | + | - Die DFT im linken Bereich von Anordnung $\rm A$. |
| − | + Die IDFT im rechten Bereich von Anordnung | + | + Die IDFT im rechten Bereich von Anordnung $\rm A$. |
| − | + Die DFT im linken Bereich von Anordnung | + | + Die DFT im linken Bereich von Anordnung $\rm B$. |
| − | - Die IDFT im rechten Bereich von Anordnung | + | - Die IDFT im rechten Bereich von Anordnung $\rm B$. |
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| − | '''(1)''' Beide Anordnungen zeigen ''Single Carrier Frequency Division Multiple Access'' (SC–FDMA), erkennbar an den DFT– und IDFT–Blöcken. Der Vorteil gegenüber ''Orthogonal Frequency Division Multiple–Access'' (OFDMA) ist das günstigere ''Peak–to–Average Power–Ratio'' (PAPR). | + | '''(1)''' Richtig ist der <u>Lösungsvorschlag 2</u>: |
| − | Ein großes PAPR führt dazu, dass man die Verstärker unterhalb der Sättigungsgrenze und damit bei schlechterem Wirkungsgrad betreiben muss, um zu starke Signalverzerrungen zu verhindern. Ein niedrigeres PAPR bedeutet gleichzeitig eine längere Batterielaufzeit, ein für Smartphones äußerst wichtiges Kriterium. Deshalb wird SC–FDMA im LTE–Uplink eingesetzt $\ | + | *Beide Anordnungen zeigen ''Single Carrier Frequency Division Multiple Access'' $\text{(SC–FDMA)}$, erkennbar an den DFT– und IDFT–Blöcken. |
| + | *Der Vorteil gegenüber ''Orthogonal Frequency Division Multiple–Access'' $\text{ (OFDMA)}$ ist das günstigere ''Peak–to–Average Power–Ratio'' $\rm (PAPR)$. | ||
| + | *Ein großes PAPR führt dazu, dass man die Verstärker unterhalb der Sättigungsgrenze und damit bei schlechterem Wirkungsgrad betreiben muss, um zu starke Signalverzerrungen zu verhindern. | ||
| + | *Ein niedrigeres PAPR bedeutet gleichzeitig eine längere Batterielaufzeit, ein für Smartphones äußerst wichtiges Kriterium. | ||
| + | *Deshalb wird SC–FDMA im LTE–Uplink eingesetzt. Für den Downlink ist der hier genannte Aspekt weniger bedeutend. | ||
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| + | '''(2)''' Richtig sind die <u>Lösungsvorschläge 1 und 2</u>: | ||
| + | *Während bei OFDMA die zu übertragenden Datensymbole direkt die verschiedenen Unterträger erzeugen, wird bei SC–FDMA ein Block von Datensymbolen mittels DFT zuerst in den Frequenzbereich transformiert. | ||
| + | *Um mehrere Nutzer übertragen zu können, muss $N > K$ gelten. Ein Eingangsblock eines Nutzers besteht somit aus $K$ Bit. Damit ist offensichtlich, dass die Anordnung $\rm A$ für den Sender gilt. | ||
| + | *Die Anordnung $\rm B$ beschreibt dagegen den Empfänger des LTE–Uplinks und nicht den Sender. | ||
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| + | '''(3)''' <u>Beide Aussagen</u> sind zutreffend: | ||
| + | *Die Maßnahmen sind erforderlich, um einen kontinuierlichen Bitstrom am Sender verarbeiten zu können bzw. | ||
| + | *auch beim Empfänger einen kontinuierlichen Bitstrom zu gewährleisten. | ||
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| + | '''(4)''' Die DFT erzeugt aus $K$ Eingangswerten ebenfalls $K$ Spektralwerte. | ||
| + | *Durch das ''Subcarrier–Mapping'' ändert sich dadurch nichts. | ||
| + | *Durch weitere Nutzer werden ebenfalls jeweils $K$ (Bit) der insgesamt $N$ (Bit) belegt. | ||
| + | *Damit können $J = N/K = 1024/12 = 85.333$ ⇒ $J \ \underline{= 85}$ Nutzer versorgt werden. | ||
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| − | '''( | + | '''(5)''' Richtig ist der <u>Lösungsvorschlag 3</u>: |
| + | *Die Grafik entspricht der derzeitigen 3gpp–Spezifikation, die ''Localized Mapping'' vorsieht. | ||
| + | *Hierbei werden die $K$ Modulationssymbole benachbarten Unterträgern zugeordnet. | ||
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| − | '''(6)''' Die Realisierung von DFT bzw. IDFT als (inverse) ''Fast Fourier Transform'' ist nur möglich, wenn die Stützstellenzahl eine Zweierpotenz ist | + | '''(6)''' Richtig sind die <u>Lösungsvorschläge 2 und 3</u>: |
| + | *Die Realisierung von DFT bzw. IDFT als (inverse) ''Fast Fourier Transform'' ist nur möglich, wenn die Stützstellenzahl eine Zweierpotenz ist. | ||
| + | *Also zum Beispiel für $N = 1024$, nicht aber für $K = 12$. | ||
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Aktuelle Version vom 5. März 2021, 15:35 Uhr
Zwei SC–FDMA–Anordnungen
Die Grafik zeigt zwei Übertragungsschemata, die im Zusammenhang mit Long Term Evolution $\rm (LTE)$ eine Rolle spielen. Diese Blockschaltbilder werden hier neutral als „Anordnung $\rm A$” bzw. „Anordnung $\rm B$” bezeichnet.
- Mit den hellgrauen Blöcken ist der Übergang vom Zeit– in den Frequenzbereich dargestellt.
- Die dunkelgrauen Blöcke stehen stehen für den Übergang vom Frequenz– in den Zeitbereich.
Wir verweisen hier auf die folgenden Links:
- Diskrete Fouriertransformation ⇒ $\rm DFT$ ,
- Inverse Diskrete Fouriertransformation ⇒ $\rm IDFT$ .
Für die Stützstellenanzahl von DFT und IDFT werden mit $K = 12$ und $N = 1024$ realistische Zahlenwerte angenommen.
- Der Wert $K = 12$ ergibt sich aus der Tatsache, dass durch das Subcarrier–Mapping die Symbole auf eine gewisse Bandbreite „gemappt” werden. Der kleinste adressierbare Block ist bei LTE $180 \ \rm kHz$. Mit dem Unterträgerabstand von $15 \ \rm kHz$ ergibt sich $K = 12$.
- Mit der Stützstellenanzahl $N$ der IDFT $($bei Anordnung $\rm A)$ können somit bis zu $J = N/K$ Nutzer gleichzeitig bedient werden. Für das Subcarrier–Mapping gibt es mit DFDMA, IFDMA und LFDMA drei verschiedene Ansätze.
- Die beiden ersten Nutzer sind in der Grafik grün bzw. türkis eingezeichnet. In der Teilaufgabe (5) sollen Sie entscheiden, ob die Skizze für DFDMA, IFDMA oder LFDMA gilt.
Hinweis:
- Die Aufgabe gehört zum Kapitel Anwendung von OFDMA und SC-FDMA in LTE.
Fragebogen
Musterlösung
(1) Richtig ist der Lösungsvorschlag 2:
- Beide Anordnungen zeigen Single Carrier Frequency Division Multiple Access $\text{(SC–FDMA)}$, erkennbar an den DFT– und IDFT–Blöcken.
- Der Vorteil gegenüber Orthogonal Frequency Division Multiple–Access $\text{ (OFDMA)}$ ist das günstigere Peak–to–Average Power–Ratio $\rm (PAPR)$.
- Ein großes PAPR führt dazu, dass man die Verstärker unterhalb der Sättigungsgrenze und damit bei schlechterem Wirkungsgrad betreiben muss, um zu starke Signalverzerrungen zu verhindern.
- Ein niedrigeres PAPR bedeutet gleichzeitig eine längere Batterielaufzeit, ein für Smartphones äußerst wichtiges Kriterium.
- Deshalb wird SC–FDMA im LTE–Uplink eingesetzt. Für den Downlink ist der hier genannte Aspekt weniger bedeutend.
(2) Richtig sind die Lösungsvorschläge 1 und 2:
- Während bei OFDMA die zu übertragenden Datensymbole direkt die verschiedenen Unterträger erzeugen, wird bei SC–FDMA ein Block von Datensymbolen mittels DFT zuerst in den Frequenzbereich transformiert.
- Um mehrere Nutzer übertragen zu können, muss $N > K$ gelten. Ein Eingangsblock eines Nutzers besteht somit aus $K$ Bit. Damit ist offensichtlich, dass die Anordnung $\rm A$ für den Sender gilt.
- Die Anordnung $\rm B$ beschreibt dagegen den Empfänger des LTE–Uplinks und nicht den Sender.
(3) Beide Aussagen sind zutreffend:
- Die Maßnahmen sind erforderlich, um einen kontinuierlichen Bitstrom am Sender verarbeiten zu können bzw.
- auch beim Empfänger einen kontinuierlichen Bitstrom zu gewährleisten.
(4) Die DFT erzeugt aus $K$ Eingangswerten ebenfalls $K$ Spektralwerte.
- Durch das Subcarrier–Mapping ändert sich dadurch nichts.
- Durch weitere Nutzer werden ebenfalls jeweils $K$ (Bit) der insgesamt $N$ (Bit) belegt.
- Damit können $J = N/K = 1024/12 = 85.333$ ⇒ $J \ \underline{= 85}$ Nutzer versorgt werden.
(5) Richtig ist der Lösungsvorschlag 3:
- Die Grafik entspricht der derzeitigen 3gpp–Spezifikation, die Localized Mapping vorsieht.
- Hierbei werden die $K$ Modulationssymbole benachbarten Unterträgern zugeordnet.
(6) Richtig sind die Lösungsvorschläge 2 und 3:
- Die Realisierung von DFT bzw. IDFT als (inverse) Fast Fourier Transform ist nur möglich, wenn die Stützstellenzahl eine Zweierpotenz ist.
- Also zum Beispiel für $N = 1024$, nicht aber für $K = 12$.
