Was ist der Vorteil von SC-FDMA gegenüber OFDM?
Single-Carrier Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA) und Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) sind Modulations- und Zugriffstechniken, die in drahtlosen Kommunikationssystemen, insbesondere in 4G LTE- und 5G-Netzwerken, verwendet werden. Jedes hat seine Vorteile, und in dieser ausführlichen Erklärung werden wir die Vorteile von SC-FDMA gegenüber OFDM untersuchen:
Reduziertes Spitzen-zu-Durchschnitts-Leistungsverhältnis (PAPR):
SC-FDMA weist im Vergleich zu OFDM einen geringeren PAPR auf. PAPR bezeichnet die Differenz zwischen der Spitzenleistung und der Durchschnittsleistung des übertragenen Signals. Ein hoher PAPR kann problematisch sein, da er erfordert, dass Leistungsverstärker in ihrem nichtlinearen Bereich arbeiten, was zu Ineffizienzen und Verzerrungen führt. Der niedrigere PAPR von SC-FDMA macht es energieeffizienter, was eine längere Batterielebensdauer in Benutzergeräten ermöglicht und den Stromverbrauch in Basisstationen senkt.
Verbesserte Leistungsverstärkereffizienz:
Aufgrund seines geringeren PAPR eignet sich SC-FDMA besser für eine energieeffiziente Verstärkung, was bei mobilen Geräten mit begrenzter Akkukapazität von entscheidender Bedeutung ist. SC-FDMA-Leistungsverstärker können näher an ihrem linearen Bereich arbeiten, wodurch Verzerrungen reduziert und die Gesamteffizienz verbessert werden.
Bessere spektrale Effizienz:
SC-FDMA kann eine ähnliche spektrale Effizienz wie OFDM erreichen und bietet gleichzeitig Vorteile hinsichtlich der Energieeffizienz. Dies macht es zur bevorzugten Wahl in Szenarien, in denen sowohl Spektral- als auch Leistungseffizienz wichtig sind, wie beispielsweise mobile Kommunikationssysteme.
Geringere Interferenz:
SC-FDMA hat im Vergleich zu OFDM eine geringere Bandbreite. Diese schmalere Bandbreite kann dazu beitragen, Interferenzen mit benachbarten Frequenzbändern oder benachbarten Zellen in einem Mobilfunknetz zu reduzieren und so die Gesamtleistung des Netzwerks und die spektrale Koexistenz zu verbessern.
Niedrigere Spitzensendeleistung:
SC-FDMA erfordert im Vergleich zu OFDM niedrigere Spitzensendeleistungen, um die gleichen Datenraten zu erreichen. Dies kann in Situationen von Vorteil sein, in denen regulatorische Einschränkungen die maximal zulässige Sendeleistung begrenzen, sodass SC-FDMA in solchen Szenarien eine bessere Abdeckung und Reichweite bieten kann.
Verbesserte Cell Edge-Leistung:
Die reduzierte Spitzensendeleistung und die geringeren Interferenzpegel von SC-FDMA können zu einer verbesserten Leistung am Zellenrand führen. Benutzer am Rand einer Zelle können in SC-FDMA-Systemen eine bessere Signalqualität und höhere Datenraten erleben, was das Benutzererlebnis insgesamt verbessert.
Frequenzbereichsausgleich:
SC-FDMA nutzt Frequenzbereichsentzerrung, die im Umgang mit frequenzselektiven Fading-Kanälen robuster sein kann. Dadurch eignet es sich für Szenarien mit anspruchsvollen Kanalbedingungen, wie z. B. städtische Umgebungen mit Mehrwegeausbreitung.
Geringe Wartezeit:
Aufgrund der kürzeren Symboldauer bietet SC-FDMA im Vergleich zu OFDM eine geringere Latenz. Eine niedrige Latenz ist für Echtzeitanwendungen wie Sprach- und Videoanrufe, Online-Spiele und autonome Fahrzeuge, bei denen schnelle Reaktionszeiten von entscheidender Bedeutung sind, unerlässlich.
Vereinfachte Empfängerkomplexität:
SC-FDMA-Empfänger sind oft einfacher als ihre OFDM-Gegenstücke, da sie keine komplexe Symbolsynchronisation und FFT-Verarbeitung (Fast Fourier Transform) erfordern. Dies kann zu einer geringeren Komplexität der Empfängerhardware und einem geringeren Stromverbrauch in Benutzergeräten führen.
Kompatibilität mit Uplink-Kommunikation:
SC-FDMA wird üblicherweise in der Uplink-Richtung (Benutzer-zu-Netzwerk) in Mobilfunknetzen verwendet. Aufgrund seiner Vorteile, insbesondere in Bezug auf Energieeffizienz und PAPR-Reduzierung, eignet es sich gut für den Uplink, bei dem batteriebetriebene Benutzergeräte Daten an das Netzwerk übertragen.
Robustheit zur Verzögerung der Ausbreitung:
SC-FDMA ist robuster gegenüber Verzögerungsspreizung, einem Phänomen, bei dem aufgrund der Mehrwegeausbreitung mehrere Kopien eines übertragenen Signals mit unterschiedlichen Zeitverzögerungen beim Empfänger ankommen. Die Frequenzbereichsentzerrung von SC-FDMA trägt dazu bei, die Auswirkungen der Verzögerungsspreizung zu mildern, was zu einer verbesserten Zuverlässigkeit bei schwierigen Kanalbedingungen führt.
Zusammenfassend bietet SC-FDMA mehrere Vorteile gegenüber OFDM, darunter reduziertes PAPR, verbesserte Leistungsverstärkereffizienz, bessere spektrale Effizienz, geringere Interferenzen und niedrigere Spitzensendeleistung. Aufgrund dieser Vorteile eignet sich SC-FDMA besonders gut für mobile Kommunikationssysteme, bei denen Energieeffizienz, Abdeckung und Zuverlässigkeit entscheidende Faktoren sind. Während im Downlink immer noch OFDM verwendet wird, basiert der Uplink in vielen Mobilfunknetzen auf SC-FDMA, um Leistung und Stromverbrauch in Benutzergeräten zu optimieren.