OFDM y Spread Spectrum - Página de Margarita Manterola.

OFDM y Spread Spectrum
Cecilia Alberto :: 82652
Lucas Chiesa :: 83417
Margarita Manterola :: 77091
1er cuatrimestre - 2007
Resumen
En este documento se tratarán las modulaciones OFDM y de espectro ensanchado. Se realizará una descripción y comparación de caracterı́sticas, y se mencionarán las redes en las cuales se utilizan.
Índice
1. Introducción a OFDM
1.1. Modulación y Demodulación . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2. Prefijo Cı́clico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3. Codificación para la correción de errores . . . . . . . . . . .
1.4. DMT (Discrete Multitone Transmission) . . . . . . . . . . .
1.5. OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) .
1.6. Aplicaciones de OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.6.1. ADSL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.7. Powerline Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.8. Redes Inalambricas de área local (WLAN) y metropolitana
(WMAN) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.9. Difusión de radio y televisión digital . . . . . . . . . . . . .
1.10. UWB (Ultra wideband ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.11. Flash-OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2. Espectro Ensanchado
2.1. Salto de frecuencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2. Secuencia directa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3. Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1.
Introducción a OFDM
OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) es un esquema de
modulación digital en el cual se divide el espectro disponible en varios subcanales de poco ancho de banda, cada uno centrado en una portadora, todas
cercanas y ortogonales entre sı́. Gracias a la ortogonalidad de las mismas, se
elimina el cross-talk entre los subcanales y se simplifica el diseño del transmisor y el receptor, ya que no se requiere un filtro para cada subcanal. También
nos permite una mayor eficiencia en el uso del especto acercandonos a la
capacidad máxima del canal.
Dado que el ancho de los subcanales es pequeño, su atenuación resulta
prácticamente constante dentro del mismo, lo cual simplifica la ecualización
que se va a realizar con respecto a la necesaria en modulaciones de única
portadora.
1.1.
Modulación y Demodulación
El proceso de modulación consiste en la paralelización del mensaje en
bloques, cada uno es modulado en QAM y luego se realiza una transformada
inversa de Fourier. Para demodular la señal se realiza el proceso inverso.
La modulación QAM se realiza a baja velocidad, lo que facilita la detección. Sin embargo, se obtiene una velocidad total de transmisión de datos
similar a la obtenida con una modulación de una portadora.
OFDM se popularizó gracias al avance en la tecnologı́a de los procesadores
de señales digitales, que permitió la implementación del algoritmo de la FFT
con bajo costo.
Este esquema de modulación requiere de una precisa sincronización en
frecuencia entre el receptor y el transmisor. Cualquier desviación entre las
portadoras perjudica su propiedad de ortogonalidad, causando interferencia
entre portadoras (ICI). Este problema se genera por el desapareamiento de
los osciladores, y el efecto Doppler, entre otros. Las técnicas para solucionar
este problema agregan complejidad al receptor.
1.2.
Prefijo Cı́clico
Una técnica utilizada para solucionar los problemas descriptos anteriormente es el uso de prefijo cı́clico.
Dado que la duración de cada sı́mbolo es larga, se puede introducir un
intervalo de guarda entre los mismos. Este tiempo de separación soluciona
el problema de la inteferencia inter sı́mbolo (ISI) al impedir que la cola de
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un sı́mbolo se solape con el próximo. Ası́mismo, reduce los problemas de
sincronización temporal.
Durante este perı́odo de guarda, se puede transmitir el prefijo cı́clico, que
consiste en copiar el último segmento de un sı́mbolo al intervalo anterior al
él.
The cyclic prefix, which is transmitted during the guard interval, consists
of the end of the OFDM symbol copied into the guard interval, and the guard
interval is transmitted followed by the OFDM symbol. The reason that the
guard interval consists of a copy of the end of the OFDM symbol is so that
the receiver will integrate over an integer number of sinusoid cycles for each
of the multipaths when it performs OFDM demodulation with the FFT.
1.3.
Codificación para la correción de errores
Como en la gran mayorı́a de las comunicaciones, al usar OFDM, se usa
algún tipo de codificación del canal para la corrección de errores (FEC) e
interleaving en tiempo y en frecuencia.
El interleaving en frecuencia aumenta la tolerancia a las propiedades selectivas en frecuencia de los canales, como la atenuación. Ası́mismo, el uso de
esta técnica en tiempo, asegura que los bits que originalmente se encuentran
juntos sean trasmitidos separados. De esta manera, se contraresta el efecto
de los ruidos en ráfaga.
Un tı́pico código de corrección de errores utilizado en OFDM son los
códigos de convolución concatenados con los códigos de Reed-Solomon. En
los sistemas más modernos se están comenzando a emplear los códigos turbo.
1.4.
DMT (Discrete Multitone Transmission)
Un caso particular de OFDM es la modulación multitono. En ésta se
adapta el tamaño de la constelación de QAM utilizada en cada subcanal
dependiendo de las caracterı́sticas que presentan, como por ejemplo, el nivel
de ruido. Para implementarlo, se utilizan algoritmos de Water Filling.
Esta variación es reelevante ya que es la utilizada en tecnologı́as populares
como ADSL y VDSL.
1.5.
OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access)
OFDM se puede utilizar para dar servicios de acceso múltiple, asignandoles distintos canales de OFDM a distintos usuarios. OFDMA soporta contro-
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lar la calidad de servicio (QoS) asignando diferentes números de subcanales
en forma similar a CDMA.
1.6.
1.6.1.
Aplicaciones de OFDM
ADSL
Como se comentó anteriormente, OFDM se usa en ADSL según el estándar
ITU G.992.1, para lograr conexiones de alta velocidad en redes de pares de
cobre ya existentes.
1.7.
Powerline Technology
OFDM se utiliza para extender la conexión de Ethernet en un uso domiciliario sobre la red eléctrica.
1.8.
Redes Inalambricas de área local (WLAN) y metropolitana (WMAN)
OFDM también tiene utilidad en las aplicaciones inalambricas, como por
ejemplo los estándares IEEE 802.11a/g y WiMAX.
IEEE 802.11a, opera en la banda de 5Ghz, especificando velocidades de 6
a 54Mbps, cuatro tipos diferentes de modulación: BPSK, 4-QAM, 16-QAM, y
64-QAM, ası́ como códificaciones de convolución. Esto permite que el sistema
se adapte según las condiciones del canal.
1.9.
Difusión de radio y televisión digital
En Europa y Asia, se adoptó OFDM para la transmisión de radio (EUREKA 147 DAB, Digital Radio Mondiale, HD Radio and T-DMB) y televisión
digital (DVB-T, DVB-H and T-DMB).
1.10.
UWB (Ultra wideband )
Para la tecnologı́a de las redes inalámbricas de área personal UWB, se utiliza OFDM, como la OFDM multibanda (MB-OFDM). Las especificaciones
se mantienen por la WiMedia Alliance.
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1.11.
Flash-OFDM
Flash-OFDM (Fast Low-latency Access with Seamless Handoff Orthogonal Frequency Division Multiplexing) es un sistema que se basa en OFDM y
también especifica protocolos de capa superior. Genera interés como un sistema de conmutación de paquetes celulares, compitiendo ası́ con 3G y GSM.
Por ejemplo, la banda de 450Mhz, anteriormente usada para redes 1G en
Europa, ahora se licenció para operadores Flash-OFDM.
T-Mobile en Eslovaquia fue la primera empresa en ofrecer conexiones
Flash-OFDM a nivel nacional. La velocidad de descarga se incrementó hasta
llegar a varios Mbps.
Digiweb Ltd. en Irlanda, ofrece varios servicios usando redes Flash-OFDM
en la frecuencia 872MHz, desde 1 a 8Mbps de velocidad de descarga.
2.
Espectro Ensanchado
Las técnicas de espectro ensanchado (Spread Spectrum) son métodos en
los cuales la energı́a generada por un transmisor es distribuı́da intencionalmente, ya sea en tiempo o en frecuencia. Estas técnicas pueden utilizarse para
una variedad de aplicaciones, incluyendo comunicaciones seguras, inmunidad
al ruido y acceso múltiple al medio.
El ancho de banda utilizado para realizar la transmisión es mucho mayor
que el mı́nimo necesario para enviar la información. Este espectro ensanchado
puede obtenerse mediante saltos de frecuencia, mediante modulación con una
secuencia directa, o mediante una combinación de ambas técnicas. En cada
caso, se utilizan secuencias de números pseudo-aleatorios para determinar y
controlar el patrón de ensanchamiento a lo largo de la porción del espectro
deseada.
En general, todas las técnicas de espectro ensanchado tienen las siguientes
caracterı́sticas:
Inmunidad al ruido y a la interferencia. Al recuperar una señal que ha
sido ensanchada, se disminuye la potencia de ruido, por lo que disminuye notoriamente su efecto.
Dificultad para interceptarlas. Una señal que ha sido ensanchada aparenta ser solamente un incremento en el ruido del canal para un receptor
de banda angosta.
Eficiencia en el uso del espectro. Las transmisiones de espectro ensanchado agregan un ruido mı́nimo a las transmisiones de banda angosta, de modo que pueden compartir el espectro sin mayores problemas.
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Además, varias comunicaciones de espectro ensanchado pueden compartir un mismo ancho de banda, siempre y cuando las secuencias asociadas sean ortogonales.
Teniendo en cuenta el Teorema de Shannon-Hartley (), se puede ver que
la relación señal a ruido necesaria para lograr un buen aprovechamiento del
canal disminuye a medida que aumenta el ancho de banda utilizado.
S
2C = B log2 1 +
(1)
N
Es posible, incluso, lograr establecer una comunicación con una relación
señal a ruido negativa.
2.1.
Salto de frecuencia
El concepto de dar saltos en frecuencia (frequency hopping), se conocı́a
desde principios del siglo XX, como una posible técnica para evitar que las
señales de comunicaciones fueran interceptadas, en este sentido, distintas
implementaciones fueron llevadas a cabo por los equipos militares de varios
paı́ses.
A partir de los años 70, comenzó a utilizarse comercialmente. La técnica
implica un cambio rápido (de hasta 80 veces por segundo) de portadoras
dentro de un rango determinado, usando una secuencia pseudo-aleatoria que
es conocida tanto para el transmisor como para el receptor.
Actualmente se continúa utilizando esta técnica en equipos militares, pero en conjunto con otras técnicas de encriptación de la información, ya que
si bien son las más difı́ciles de interceptar, no es suficiente proteger la información mediante una sola técnica de encriptación.
2.2.
Secuencia directa
En el caso de la técnica de secuencia directa (direct sequence), la información es modulada con una secuencia pseudo-aleatoria de 1 y -1, que se
asemeja al ruido.
Se multiplica la señal original por la secuencia elegida, de modo que cada
bit de información está compuesto por sı́mbolos de menor duración, llamados
chirps, y la tasa de transferencia de chirps resultante es mucho mayor que la
transferencia de bits.
De esta manera, la energı́a de la señal de información se distribuye a lo
ancho de un espectro mucho mayor que el original. La señal resultante se
asemeja mucho a ruido blanco.
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El transmisor y el receptor deben conocer la cadena utilizada para realizar
la modulación, ya que esta misma cadena se utiliza para lograr la demodulación de la información, multiplicando la señal recibida por la secuencia
pseudo-aleatoria. Al hacer esto, se recuperan los bits originales, a la vez que
se disminuye notoriamente la potencia de ruido y de otras señales moduladas
con otras secuencias.
Este efecto es el pricipio de la técnica de Acceso Múltiple mediante División de Código (CDMA). Que permite que varios transmisores accedan al
medio, siempre que utilicen secuencias ortogonales entre sı́.
2.3.
Aplicaciones
Las técnicas de espectro ensanchado son utilizadas actualmente en una
variedad de aplicaciones.
Bluetooth utiliza una variación sobre saltos en frecuencia llamada Advanced
Frequency-hopping (AFH).
CDMA se utiliza para la telefonı́a celular.
802.11b uno de los estándares relacionados con las transmisiones Wi-Fi,
especifica que la información puede transmitirse ya sea por DSSS o por
FHSS.
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