Diapositiva 1 - Universidad del Cauca

Comunicaciones Inalámbricas
Capitulo 5: Multiplexación y acceso por división
de frecuencias ortogonales Sistemas OFDM
Víctor Manuel Quintero Flórez
Claudia Milena Hernández Bonilla
Maestría en Electrónica y
Telecomunicaciones
II-2011
Contenido
• Principios de la multiplexación por división de
frecuencias ortogonales.
• Implementación
discreta
de
sistemas
multiportadora.
• Acceso multiple por división de frecuencias
ortogonales (OFDMA).
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Principios de la multiplexación por
división de frecuencias ortogonales
• OFDM es un sistema multiportadora.
• Divide el ancho de banda disponible en varias bandas
estrechas.
• OFDM presenta una forma de mitigar el efecto del
multitrayecto relativamente simple mediante
algoritmos de procesamiento digital de señales.
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Principios de la multiplexación por división
de frecuencias ortogonales
Se debe considerar la
propagación multitrayecto.
La señal recibida es la suma
de varias versiones de la
señal
transmitida
con
retardo
variable
y
atenuación.
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Principios de la multiplexación por división
de frecuencias ortogonales
• Delay Spread
Tiempo transcurrido entre la llegada de la
señal de trayectoria directa y la llegada de la
última
componente
significativa
del
multitrayecto.
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Principios de la multiplexación por división
de frecuencias ortogonales
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Principios de la multiplexación por división
de frecuencias ortogonales
• Si el periodo del símbolo es menor al delay spread, el receptor
recibirá el símbolo en el siguiente periodo de símbolo,
ocasionando ISI. (Ecualización compleja)
• A mayor velocidad de tx, mayor probabilidad de que el
multitrayecto cause ISI.
• Para Contrarrestar: disminuir velocidad de transmisión, cada
símbolo tendrá un periodo más largo y será mas resistente al
multitrayecto.
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Principios de la multiplexación por división
de frecuencias ortogonales
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Principios de la multiplexación por
división de frecuencias ortogonales
• La señal recibida depende de los bits
transmitidos.
• Se necesita un ecualizador para recuperar los
datos.
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Principios de la multiplexación por división
de frecuencias ortogonales
• Si se incrementa la velocidad de transmisión
de datos
• ISI cubre mas periodos de símbolos.
• Ecualizador se vuelve más complejo.
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Principios de la multiplexación por división
de frecuencias ortogonales
Interferencia interportadora ICI
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Principios de la multiplexación por división
de frecuencias ortogonales
Propagación multiportadoras:
Cómo incrementar el periodo de los símbolos?
• Transmitir los datos serie en diferentes portadoras,
pasando de serie a paralelo.
• Así se incrementa el periodo de los símbolos.
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Principios de la multiplexación por
división de frecuencias ortogonales
Como se transmiten datos en paralelo sin
interferencia?
• Cada subportadora tiene una frecuencia diferente.
• Las señales son matemáticamente ortogonales
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Principios de la multiplexación por división
de frecuencias ortogonales
• Multiplexación por división de frecuencias
FDM
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de frecuencias ortogonales
Ortogonalidad
• Las subportadoras se pueden traslapar.
• Los picos de las subportadoras anulan las siguientes.
• Si los picos no se anulan las ondas no son ortogonales,
aparece ICI (Interferencia interportadora).
• Subportadoras espaciadas 1/Ts
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de frecuencias ortogonales
• Espaciamiento entre subportadoras: 15KHz
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Principios de la multiplexación por división
de frecuencias ortogonales
Tiempos de guarda
• Se introduce un tiempo de guarda para evitar
ISI aumentando el periodo del símbolo OFDM.
• Prefijos cíclicos mantienen las condiciones de
ortogonalidad.
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• Transmisor
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de frecuencias ortogonales
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Principios de la multiplexación por división
de frecuencias ortogonales.
• La respuesta al impulso del canal se mantiene constante
durante la duración del símbolo modulado OFDM.
• La señal a ser transmitida se define en el dominio de la
frecuencia.
• Conversor serie a paralelo: convierte los símbolos seriales en
bloques de datos de longitud M.
• Los M flujos de datos se modulan independientemente 
vector de símbolos complejos Xk. Diferentes modulaciones en
cada subportadora.
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• Se emplea modulación QPSK, 16QAM, 64QAM
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de frecuencias ortogonales
• Dadas las características de selectividad en
frecuencia del canal, se pueden obtener diferentes
ganancias por cada subportadora.
• Cada subportadora puede tener una velocidad
diferente.
• Vector XK pasa a través de un modulo IFFT  N
muestras complejas en el dominio del tiempo.
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de frecuencias ortogonales
• Si numero de subportadoras procesadas es mayor que el de
subportadoras moduladas, las subp. no moduladas se llenan
con ceros.
• Después se inserta el periodo de guarda al comienzo de cada
símbolo OFDM  adicionando el prefijo cíclico (CP) al
comienzo del símbolo Xk .
• CP: duplicando las últimas G muestras de la IFFT y sumándolas
al comienzo de Xk .
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Principios de la multiplexación por división
de frecuencias ortogonales
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Principios de la multiplexación por división
de frecuencias ortogonales
• El símbolo OFDM aparece como periódico debido a
la inserción del CP.
• Efecto del canal: multiplicación por un escalar.
• Permite el uso de la DFT y la IDFT.
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de frecuencias ortogonales
Si la longitud de CP es mayor que Delay spread
• No se presenta ISI ICI
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Principios de la multiplexación por división
de frecuencias ortogonales
• La longitud de CP debe escogerse de tal modo
que sea más larga que la respuesta al impulso
del canal más larga a soportar  intervalo de
guarda debe ser mayor que el delay spread.
• La salida del IFFT se convierte de paralelo a
serial para la transmisión por el canal
selectivo en frecuencia.
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de frecuencias ortogonales
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Principios de la multiplexación por división
de frecuencias ortogonales
• Receptor
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Principios de la multiplexación por división
de frecuencias ortogonales
• Nuevamente se convierte la señal de serial a
paralelo.
• Considerando que existe sincronización en tiempo y
frecuencia, las muestras correspondientes a la
longitud del CP se remueven.
• Estimación de canal mediante el uso de portadoras
piloto.
• Se aplica la FFT.
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Principios de la multiplexación por división
de frecuencias ortogonales
• Espectro con 16 subportadoras
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de frecuencias ortogonales
• Espectro con 64 subportadoras
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de frecuencias ortogonales
• Espectro con 256 subportadoras
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Principios de la multiplexación por división
de frecuencias ortogonales
Parámetros básicos de OFDM
• Espaciamiento entre portadoras.
• Numero de subportadoras.
• Longitud de CP.
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Principios de la multiplexación por
división de frecuencias ortogonales
Para mantener la ortogonalidad:
• El espacio entre portadoras, considere Ts como la duración del
símbolo.
1
f
Ts
• Empleando una IFFT de N puntos (N debe corresponder a un
valor de 2k ), frecuencia de muestreo de la señal :
Fs N f
• Duración del símbolo después de adicionar CP:
TS TCP
• Ancho de banda de la señal OFDM
B
Nc f
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Implementación discreta de sistemas
multiportadora
• OFDM
tiene
baja
complejidad
de
implementación gracias al uso de la FFT y la
IFFT (Fast Fourier Transform).
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Implementación discreta de sistemas
multiportadora
• La característica fundamental de OFDM es el empleo
de un conjunto de K subportadoras que presentan la
propiedad de ser ortogonales.
• En banda base las subportadoras se pueden
representar como:
• Rect TS representa un pulso rectangular
duración entre 0 y Ts. 1/Ts = f.
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con
Implementación discreta de sistemas
multiportadora
• Dos subportadoras diferentes Xm(t) y Xk(t),
son ortogonales en el intervalo Ts.
• La integración de su producto en un intervalo
Ts es nula, excepto cuando m = k.
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Implementación discreta de sistemas
multiportadora
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Principios de la multiplexación por división
de frecuencias ortogonales
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Implementación discreta de sistemas
multiportadora
• K símbolos complejos (do, d1… dK) se transmiten
simultáneamente.
• Cada símbolo se modula mediante una de las
subportadoras.
• La señal resultante: símbolo OFDM, sx modulada en
banda base.
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Implementación discreta de sistemas
multiportadora
• Dada una señal y(n) con N muestras las DFT y
su inversa están definidas por
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Implementación discreta de sistemas
multiportadora
• La señal OFDM de tiempo discreto es muestreada
con una frecuencia Fs, que es un múltiplo del
espaciamiento entre portadoras f.
• Fs = 1/Ts = N f. Tm = 1/N f
• Ancho de banda sx: Nc f.
• Señal muestreada:
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Implementación discreta de sistemas
multiportadora
• La forma mas habitual de generar OFDM es considerar los k
símbolos a modular como los valores de las muestras en
frecuencia de la señal resultante.
• A partir de estos símbolos se calcula la IDFT de N muestras,
obteniéndose un conjunto de muestras temporales de una
señal.
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Implementación discreta de sistemas
multiportadora
• Se emplea la transformada rápida de Fourier
para acelerar el proceso de cálculo.
• El valor de N siempre se debe tomar como una
potencia de 2.
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Implementación discreta de sistemas
multiportadora
• En el caso de LTE Nc es 600 en un BW de 10
MHz, IFFT puede ser N 1024. Fs = 15.36MHz.
• El tamaño de la IFFT no es una norma en
ninguna especificación radio.
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OFDMA
Acceso múltiple por división de frecuencia
ortogonal
• Mejora la eficiencia espectral.
• Reduce la interferencia.
• Muy adecuado para MIMO.
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OFDMA
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OFDMA
• Distribuye las subportadoras entre diferentes
usuarios en el mismo tiempo.
• Usualmente las subportadoras son asignadas en
grupos contiguos por simplicidad.
• En cada intervalo de símbolo OFDM, diferentes
portadoras se emplean para la tx de datos desde
diferentes terminales.
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OFDMA
La estación base asigna un conjunto de
portadoras a cada usuario para permitir
transmisiones múltiples simultáneamente.
OFDM:
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OFDMA
OFDMA:
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OFDMA
• En OFDM todas las frecuencias de las subportadoras son
generadas por un transmisor, asi se mantiene la
ortogonalidad.
• En
OFDMA
muchos
usuarios
transmiten
simultáneamente y estiman la frecuencia subportadora,
el corrimiento en frecuencia es inevitable.
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OFDMA
• Puede ser usada en combinación con TDMA, los
recursos son divididos en el plano de tiempo y
frecuencia.
• Los bloques de tiempo y frecuencia se denominan
bloques de recursos.
• En LTE un bloque de recursos: 12 subportadoras, BW
mínimo de 180KHz y 0.5ms.
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OFDMA
• A cada usuario se le asigna un número de
bloques de recursos.
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OFDMA
Asignación de subportadoras
• Subconjunto de subportadoras: subcanal.
• El espacio de portadoras se divide en NG
grupos.
• Cada grupo contiene NE portadoras.
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OFDMA
Conformación de subcanales
• Contiguos: asignar subportadoras contiguas.
• Intercalado: asignar subportadoras uniformemente
espaciadas.
• Dinámica: asigna dinámicamente las subportadoras.
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OFDMA
• La transmisión en OFDMA (dominio
frecuencia): varias subportadoras paralelas
con diferentes frecuencias, por esto la
envolvente de la señal varia fuertemente.
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