En telecomunicaciones , la multiplexación por división de frecuencia ortogonal ( OFDM ) es un tipo de transmisión digital y un método de codificación de datos digitales en múltiples frecuencias portadoras . OFDM se ha convertido en un esquema popular para la comunicación digital de banda ancha , que se utiliza en aplicaciones tales como transmisión de audio y televisión digital, acceso a Internet DSL , redes inalámbricas , redes de líneas eléctricas y comunicaciones móviles 4G / 5G . [1]
OFDM es un esquema de multiplexación por división de frecuencia (FDM) que fue introducido por Robert W. Chang de Bell Labs en 1966. [2] [3] [4] En OFDM, múltiples señales subportadoras ortogonales estrechamente espaciadas con espectros superpuestos se transmiten para transportar datos en paralelo. [5] La demodulación se basa en algoritmos rápidos de transformada de Fourier . OFDM fue mejorado por Weinstein y Ebert en 1971 con la introducción de un intervalo de guarda , proporcionando una mejor ortogonalidad en los canales de transmisión afectados por la propagación por trayectos múltiples. [6] Cada subportadora (señal) se modula con un esquema de modulación convencional (como modulación de amplitud en cuadratura o modulación por desplazamiento de fase ) a una velocidad de símbolo baja . Esto mantiene velocidades de datos totales similares a los esquemas de modulación de portadora única convencionales en el mismo ancho de banda. [7]
La principal ventaja de OFDM sobre los esquemas de portadora única es su capacidad para hacer frente a condiciones de canal severas (por ejemplo, atenuación de altas frecuencias en un cable de cobre largo, interferencia de banda estrecha y desvanecimiento selectivo de frecuencia debido a trayectos múltiples ) sin filtros de ecualización complejos. La ecualización de canal se simplifica porque OFDM puede verse como que usa muchas señales de banda estrecha de modulación lenta en lugar de una señal de banda ancha de modulación rápida . La baja tasa de símbolos hace que el uso de un intervalo de guarda entre símbolos sea asequible, lo que hace posible eliminar la interferencia entre símbolos (ISI) y usar ecos y propagación del tiempo (en la televisión analógica visible como imagen fantasma y borrosa, respectivamente) para lograr una ganancia de diversidad . es decir, una mejora de la relación señal / ruido . Este mecanismo también facilita el diseño de redes de frecuencia única (SFN) en las que varios transmisores adyacentes envían la misma señal simultáneamente a la misma frecuencia, ya que las señales de varios transmisores distantes se pueden volver a combinar de manera constructiva, evitando la interferencia de un sistema tradicional de una sola portadora. .
En la multiplexación por división de frecuencia ortogonal codificada (COFDM), la corrección de errores hacia adelante (codificación convolucional) y el entrelazado de tiempo / frecuencia se aplican a la señal que se transmite. Esto se hace para superar errores en los canales de comunicaciones móviles afectados por la propagación por trayectos múltiples y los efectos Doppler . El COFDM fue introducido por Alard en 1986 [8] [9] [10] para la radiodifusión de audio digital para el proyecto Eureka 147. En la práctica, el OFDM se ha utilizado en combinación con dicha codificación y entrelazado, por lo que los términos COFDM y OFDM se aplican conjuntamente a aplicaciones comunes. [11] [12]
Ejemplo de aplicaciones
La siguiente lista es un resumen de los estándares y productos existentes basados en OFDM. Para obtener más detalles, consulte la sección Uso al final del artículo.
Versión con cable principalmente conocida como transmisión discreta multitono (DMT)
- Acceso de banda ancha ADSL y VDSL a través de cableado de cobre POTS
- DVB-C 2, una versión mejorada del estándar de televisión por cable digital DVB-C
- Comunicación por línea eléctrica (PLC)
- ITU-T G.hn , un estándar que proporciona redes de área local de alta velocidad del cableado doméstico existente (líneas eléctricas, líneas telefónicas y cables coaxiales) [13]
- Módems de línea telefónica TrailBlazer
- Redes domésticas multimedia sobre Coax Alliance (MoCA)
- Entrega de banda ancha DOCSIS 3.1
Inalámbrica
- Las interfaces de radio de LAN inalámbrica (WLAN) IEEE 802.11a , g , n , ac , ah e HIPERLAN / 2
- Los sistemas de radio digital DAB / EUREKA 147 , DAB + , Digital Radio Mondiale , HD Radio , T-DMB e ISDB-TSB
- Los sistemas de televisión digital terrestre DVB-T e ISDB-T
- Los sistemas de TV móvil terrestre DVB-H , T-DMB , ISDB-T y MediaFLO forward link
- La implementación de la red de área personal inalámbrica (PAN) de banda ultra ancha (UWB) IEEE 802.15.3a sugerida por WiMedia Alliance
La tecnología de acceso múltiple basada en OFDM OFDMA también se utiliza en varias redes celulares 4G y pre-4G , estándares de banda ancha móvil y la próxima generación de WLAN:
- El modo de movilidad del estándar inalámbrico MAN / acceso inalámbrico de banda ancha (BWA) IEEE 802.16e (o Mobile- WiMAX )
- El estándar de acceso inalámbrico de banda ancha móvil (MBWA) IEEE 802.20
- El enlace descendente del estándar de banda ancha móvil 3GPP Long Term Evolution (LTE) de cuarta generación. La interfaz de radio se llamaba anteriormente Acceso de paquetes OFDM de alta velocidad (HSOPA), ahora se llama Acceso de radio terrestre UMTS evolucionado (E-UTRA)
- WLAN IEEE 802.11ax
Caracteristicas clave
Las ventajas y desventajas que se enumeran a continuación se analizan con más detalle en la sección Características y principios de funcionamiento a continuación.
Resumen de ventajas
- Alta eficiencia espectral en comparación con otros esquemas de modulación de doble banda lateral , espectro ensanchado, etc.
- Puede adaptarse fácilmente a condiciones de canal severas sin una ecualización compleja en el dominio del tiempo.
- Robusto contra la interferencia cocanal de banda estrecha
- Robusto contra la interferencia entre símbolos (ISI) y el desvanecimiento causado por la propagación por trayectos múltiples
- Implementación eficiente usando transformada rápida de Fourier
- Baja sensibilidad a los errores de sincronización horaria.
- No se requieren filtros de receptor de subcanal sintonizados (a diferencia del FDM convencional )
- Facilita las redes de frecuencia única (SFN) (es decir, la macrodiversidad del transmisor )
Resumen de desventajas
- Sensible al desplazamiento Doppler
- Sensible a los problemas de sincronización de frecuencia
- Alta relación de potencia pico a promedio (PAPR), que requiere un circuito de transmisor lineal, que adolece de una baja eficiencia energética
- Pérdida de eficiencia causada por prefijo cíclico / intervalo de guarda
Características y principios de funcionamiento.
Ortogonalidad
Conceptualmente, OFDM es un método especializado de multiplexación por división de frecuencia (FDM), con la restricción adicional de que todas las señales de subportadora dentro de un canal de comunicación son ortogonales entre sí.
En OFDM, las frecuencias de las subportadoras se eligen de modo que las subportadoras sean ortogonales entre sí, lo que significa que se elimina la diafonía entre los subcanales y no se requieren bandas de protección entre portadoras. Esto simplifica enormemente el diseño tanto del transmisor como del receptor ; a diferencia del FDM convencional, no se requiere un filtro separado para cada subcanal.
La ortogonalidad requiere que el espaciado de subportadoras sea Hertz , donde T U segundos es la duración útil del símbolo (el tamaño de la ventana del lado del receptor) y k es un número entero positivo, típicamente igual a 1. Esto estipula que cada frecuencia portadora experimenta k ciclos más completos por período de símbolo que la portadora anterior. . Por lo tanto, con N subportadoras, el ancho de banda de paso total será B ≈ N · Δ f (Hz).
La ortogonalidad también permite una alta eficiencia espectral , con una tasa de símbolo total cercana a la tasa de Nyquist para la señal de banda base equivalente (es decir, cerca de la mitad de la tasa de Nyquist para la señal de banda de paso física de doble banda lateral). Se puede utilizar casi toda la banda de frecuencia disponible. OFDM generalmente tiene un espectro casi "blanco", lo que le confiere propiedades de interferencia electromagnética benignas con respecto a otros usuarios de canal común.
- Un ejemplo simple: una duración útil de símbolo T U = 1 ms requeriría un espaciado de subportadoras de (o un múltiplo entero de eso) para ortogonalidad. N = 1000 subportadoras daría como resultado un ancho de banda de paso total de N Δf = 1 MHz. Para este tiempo de símbolo, el ancho de banda requerido en teoría según Nyquist es (la mitad del ancho de banda alcanzado requerido por nuestro esquema), donde R es la tasa de bits y donde N = 1,000 muestras por símbolo por FFT. Si se aplica un intervalo de guarda (ver más abajo), el requisito de ancho de banda de Nyquist sería aún menor. La FFT daría como resultado N = 1000 muestras por símbolo. Si no se aplica un intervalo de guarda, esto daría como resultado una señal de valor complejo de banda base con una frecuencia de muestreo de 1 MHz, lo que requeriría un ancho de banda de banda base de 0,5 MHz según Nyquist. Sin embargo, la señal de RF de banda de paso se produce multiplicando la señal de banda base con una forma de onda portadora (es decir, modulación de amplitud en cuadratura de doble banda lateral) que da como resultado un ancho de banda de banda de paso de 1 MHz. Un esquema de modulación de banda lateral única (SSB) o de banda lateral vestigial (VSB) alcanzaría casi la mitad de ese ancho de banda para la misma velocidad de símbolos (es decir, el doble de eficiencia espectral para la misma longitud de alfabeto de símbolos). Sin embargo, es más sensible a la interferencia por trayectos múltiples.
OFDM requiere una sincronización de frecuencia muy precisa entre el receptor y el transmisor; con la desviación de frecuencia, las subportadoras ya no serán ortogonales, lo que provocará interferencia entre portadoras (ICI) (es decir, diafonía entre las subportadoras). Los desplazamientos de frecuencia suelen ser causados por osciladores de transmisor y receptor no coincidentes, o por desplazamiento Doppler debido al movimiento. Si bien el receptor solo puede compensar el desplazamiento Doppler, la situación empeora cuando se combina con trayectos múltiples , ya que aparecerán reflejos en varios desplazamientos de frecuencia, lo que es mucho más difícil de corregir. Este efecto normalmente empeora a medida que aumenta la velocidad, [14] y es un factor importante que limita el uso de OFDM en vehículos de alta velocidad. Para mitigar la ICI en tales escenarios, se puede dar forma a cada subportadora para minimizar la interferencia que resulta en una superposición de subportadoras no ortogonales. [15] Por ejemplo, un esquema de baja complejidad denominado WCP-OFDM ( Multiplexación por división de frecuencia ortogonal de prefijo cíclico ponderado ) consiste en utilizar filtros cortos en la salida del transmisor para realizar una formación de pulso potencialmente no rectangular y una reconstrucción perfecta utilizando un solo toque por ecualización de subportadora. [16] Otras técnicas de supresión de ICI suelen aumentar drásticamente la complejidad del receptor. [17]
Implementación usando el algoritmo FFT
La ortogonalidad permite una implementación eficiente del modulador y demodulador utilizando el algoritmo FFT en el lado del receptor y FFT inversa en el lado del emisor. Aunque los principios y algunos de los beneficios se conocen desde la década de 1960, OFDM es popular para las comunicaciones de banda ancha en la actualidad por medio de componentes de procesamiento de señales digitales de bajo costo que pueden calcular la FFT de manera eficiente.
El tiempo para calcular la FFT inversa o la transformada FFT debe tomar menos que el tiempo para cada símbolo, [18] : 84 que, por ejemplo, para DVB-T (FFT 8k) significa que el cálculo debe realizarse en 896 µs o menos .
Para una FFT de 8 192 puntos, esto puede aproximarse a: [18] [ aclaración necesaria ]
- [18]
- MIPS = Millones de instrucciones por segundo
La demanda computacional escala aproximadamente linealmente con el tamaño de la FFT, por lo que una FFT de tamaño doble necesita el doble de tiempo y viceversa. [18] : 83 Como comparación, una CPU Intel Pentium III a 1.266 GHz es capaz de calcular una FFT de 8192 puntos en 576 µs usando FFTW . [19] Intel Pentium M a 1.6 GHz lo hace en 387 µs. [20] Intel Core Duo a 3,0 GHz lo hace en 96,8 µs . [21]
Intervalo de guarda para la eliminación de la interferencia entre símbolos
Un principio clave de OFDM es que, dado que los esquemas de modulación de baja velocidad de símbolo (es decir, donde los símbolos son relativamente largos en comparación con las características de tiempo del canal) sufren menos de interferencia entre símbolos causada por la propagación por trayectos múltiples , es ventajoso transmitir una serie de señales de baja velocidad. transmisiones en paralelo en lugar de una única transmisión de alta velocidad. Dado que la duración de cada símbolo es larga, es factible insertar un intervalo de guarda entre los símbolos OFDM, eliminando así la interferencia entre símbolos.
El intervalo de guarda también elimina la necesidad de un filtro de modelado de pulso y reduce la sensibilidad a los problemas de sincronización de tiempo.
- Un ejemplo simple: si uno envía un millón de símbolos por segundo utilizando la modulación de portadora única convencional a través de un canal inalámbrico, entonces la duración de cada símbolo sería de un microsegundo o menos. Esto impone graves limitaciones a la sincronización y requiere la eliminación de la interferencia de trayectos múltiples. Si el mismo millón de símbolos por segundo se distribuyen entre mil subcanales, la duración de cada símbolo puede ser más larga en un factor de mil (es decir, un milisegundo) para ortogonalidad con aproximadamente el mismo ancho de banda. Suponga que se inserta un intervalo de guarda de 1/8 de la longitud del símbolo entre cada símbolo. La interferencia entre símbolos se puede evitar si el tiempo de propagación por trayectos múltiples (el tiempo entre la recepción del primer y el último eco) es más corto que el intervalo de guarda (es decir, 125 microsegundos). Esto corresponde a una diferencia máxima de 37,5 kilómetros entre las longitudes de los caminos.
El prefijo cíclico , que se transmite durante el intervalo de guarda, consiste en el final del símbolo OFDM copiado en el intervalo de guarda, y el intervalo de guarda se transmite seguido por el símbolo OFDM. La razón por la que el intervalo de guarda consiste en una copia del final del símbolo OFDM es para que el receptor se integre en un número entero de ciclos sinusoidales para cada una de las trayectorias múltiples cuando realiza la demodulación OFDM con la FFT.
En algunos estándares como Ultrawideband , en aras de la potencia transmitida, se omite el prefijo cíclico y no se envía nada durante el intervalo de guarda. El receptor tendrá que imitar la funcionalidad de prefijo cíclico copiando la parte final del símbolo OFDM y agregándola a la parte inicial.
Ecualización simplificada
Los efectos de las condiciones del canal selectivo en frecuencia, por ejemplo, el desvanecimiento causado por la propagación por trayectos múltiples, pueden considerarse constantes (planos) en un subcanal OFDM si el subcanal tiene bandas suficientemente estrechas (es decir, si el número de subcanales canales es suficientemente grande). Esto hace posible la ecualización en el dominio de la frecuencia en el receptor , que es mucho más simple que la ecualización en el dominio del tiempo utilizada en la modulación de portadora única convencional. En OFDM, el ecualizador solo tiene que multiplicar cada subportadora detectada (cada coeficiente de Fourier) en cada símbolo OFDM por un número complejo constante, o un valor que rara vez cambia. En un nivel fundamental, los ecualizadores digitales más simples son mejores porque requieren menos operaciones, lo que se traduce en menos errores de redondeo en el ecualizador. Esos errores de redondeo pueden verse como ruido numérico y son inevitables.
- Nuestro ejemplo: La ecualización OFDM en el ejemplo numérico anterior requeriría una multiplicación de valor complejo por subportadora y símbolo (es decir, multiplicaciones complejas por símbolo OFDM; es decir, un millón de multiplicaciones por segundo, en el receptor). El algoritmo FFT requiere [Esto es impreciso: más de la mitad de estas multiplicaciones complejas son triviales, es decir, = a 1 y no están implementadas en software o HW]. multiplicaciones de valor complejo por símbolo OFDM (es decir, 10 millones de multiplicaciones por segundo), tanto en el lado del receptor como del transmisor. Esto debe compararse con el caso de modulación de portadora única de un millón de símbolos / segundo correspondiente mencionado en el ejemplo, donde la ecualización de 125 microsegundos de propagación de tiempo utilizando un filtro FIR requeriría, en una implementación ingenua, 125 multiplicaciones por símbolo (es decir, 125 millones de multiplicaciones por segundo). Las técnicas de FFT se pueden utilizar para reducir el número de multiplicaciones para un ecualizador en el dominio del tiempo basado en un filtro FIR a un número comparable con OFDM, a costa del retardo entre la recepción y la decodificación que también se vuelve comparable con OFDM.
Si se aplica modulación diferencial como DPSK o DQPSK a cada subportadora, la ecualización puede omitirse por completo, ya que estos esquemas no coherentes son insensibles a los cambios lentos de amplitud y distorsión de fase .
En cierto sentido, las mejoras en la ecualización FIR utilizando FFT o FFT parciales llevan matemáticamente más cerca de OFDM, [ cita requerida ] pero la técnica OFDM es más fácil de entender e implementar, y los subcanales se pueden adaptar de forma independiente de otras formas que no sean coeficientes de ecualización variables. , como la conmutación entre diferentes patrones de constelación QAM y esquemas de corrección de errores para igualar las características de interferencia y ruido de subcanal individuales. [ aclaración necesaria ]
Algunas de las subportadoras en algunos de los símbolos OFDM pueden transportar señales piloto para medir las condiciones del canal [22] [23] (es decir, la ganancia del ecualizador y el desplazamiento de fase para cada subportadora). Las señales piloto y los símbolos de entrenamiento ( preámbulos ) también se pueden usar para sincronización de tiempo (para evitar interferencia entre símbolos, ISI) y sincronización de frecuencia (para evitar interferencia entre portadoras, ICI, causada por desplazamiento Doppler).
OFDM se utilizó inicialmente para comunicaciones inalámbricas fijas y por cable. Sin embargo, con un número creciente de aplicaciones que operan en entornos de gran movilidad, el efecto del desvanecimiento dispersivo causado por una combinación de propagación por trayectos múltiples y desplazamiento Doppler es más significativo. Durante la última década, se ha investigado cómo igualar la transmisión OFDM a través de canales doblemente selectivos. [24] [25] [26]
Codificación e intercalación de canales
La OFDM se usa invariablemente junto con la codificación de canal ( corrección de errores de envío ) y casi siempre usa entrelazado de frecuencia y / o tiempo .
El entrelazado de frecuencia (subportadora) aumenta la resistencia a las condiciones del canal selectivo en frecuencia, como el desvanecimiento . Por ejemplo, cuando una parte del ancho de banda del canal se desvanece, el entrelazado de frecuencia asegura que los errores de bits que resultarían de esas subportadoras en la parte atenuada del ancho de banda se distribuyen en el flujo de bits en lugar de concentrarse. De manera similar, el entrelazado de tiempo asegura que los bits que originalmente están muy juntos en el flujo de bits se transmitan muy separados en el tiempo, mitigando así el desvanecimiento severo como sucedería cuando se viaja a alta velocidad.
Sin embargo, el entrelazado de tiempo tiene poco beneficio en los canales que se desvanecen lentamente, como para la recepción estacionaria, y el entrelazado de frecuencia ofrece poco o ningún beneficio para los canales de banda estrecha que sufren desvanecimiento plano (donde todo el ancho de banda del canal se desvanece al mismo tiempo).
La razón por la que se utiliza el entrelazado en OFDM es para intentar distribuir los errores en el flujo de bits que se presenta al decodificador de corrección de errores, porque cuando dichos decodificadores se presentan con una alta concentración de errores, el decodificador no puede corregir todos los errores. errores de bits y se produce una ráfaga de errores no corregidos. Un diseño similar de codificación de datos de audio hace que la reproducción de discos compactos (CD) sea robusta.
Un tipo clásico de codificación de corrección de errores que se utiliza con los sistemas basados en OFDM es la codificación convolucional , a menudo concatenada con la codificación Reed-Solomon . Por lo general, se implementa un entrelazado adicional (además del entrelazado de tiempo y frecuencia mencionado anteriormente) entre las dos capas de codificación. La elección de la codificación Reed-Solomon como código externo de corrección de errores se basa en la observación de que el decodificador Viterbi utilizado para la decodificación convolucional interna produce breves ráfagas de error cuando hay una alta concentración de errores, y los códigos Reed-Solomon son inherentemente adecuados para corrigiendo ráfagas de errores.
Sin embargo, los sistemas más nuevos adoptan normalmente tipos de códigos de corrección de errores casi óptimos que utilizan el principio de decodificación turbo, donde el decodificador itera hacia la solución deseada. Ejemplos de tales tipos de codificación de corrección de errores incluyen códigos turbo y códigos LDPC , que funcionan cerca del límite de Shannon para el canal de ruido blanco gaussiano aditivo ( AWGN ). Algunos sistemas que han implementado estos códigos los han concatenado con códigos Reed-Solomon (por ejemplo, en el sistema MediaFLO ) o BCH (en el sistema DVB-S2 ) para mejorar un piso de error inherente a estos códigos en alta señal a relaciones de ruido . [27]
Transmisión adaptativa
La resistencia a las condiciones severas del canal se puede mejorar aún más si la información sobre el canal se envía a través de un canal de retorno. Basándose en esta información de retroalimentación, se puede aplicar modulación adaptativa , codificación de canal y asignación de potencia a todas las subportadoras, o individualmente a cada subportadora. En el último caso, si un rango particular de frecuencias sufre interferencia o atenuación, las portadoras dentro de ese rango pueden desactivarse o hacerse que funcionen más lentamente aplicando modulación más robusta o codificación de errores a esas subportadoras.
El término modulación multitono discreta ( DMT ) denota sistemas de comunicación basados en OFDM que adaptan la transmisión a las condiciones del canal individualmente para cada subportadora, mediante la denominada carga de bits . Algunos ejemplos son ADSL y VDSL .
Las velocidades ascendente y descendente se pueden variar asignando más o menos portadoras para cada propósito. Algunas formas de DSL adaptable a la tasa utilizan esta función en tiempo real, de modo que la tasa de bits se adapta a la interferencia cocanal y el ancho de banda se asigna al abonado que más lo necesite.
OFDM extendido con acceso múltiple
OFDM en su forma primaria se considera una técnica de modulación digital, y no un método de acceso a canales de múltiples usuarios , ya que se usa para transferir un flujo de bits a través de un canal de comunicación usando una secuencia de símbolos OFDM. Sin embargo, OFDM se puede combinar con acceso múltiple usando tiempo, frecuencia o separación de codificación de los usuarios.
En el acceso múltiple por división de frecuencia ortogonal (OFDMA), el acceso múltiple por división de frecuencia se logra asignando diferentes subcanales OFDM a diferentes usuarios. OFDMA soporta una calidad de servicio diferenciada al asignar un número diferente de subportadoras a diferentes usuarios de una manera similar a la de CDMA , y así se pueden evitar la programación de paquetes compleja o los esquemas de control de acceso a los medios . OFDMA se utiliza en:
- el modo de movilidad del estándar IEEE 802.16 Wireless MAN, comúnmente conocido como WiMAX,
- el estándar MAN inalámbrico móvil IEEE 802.20 , comúnmente conocido como MBWA,
- el enlace descendente estándar de banda ancha móvil 3GPP Long Term Evolution (LTE) de cuarta generación. La interfaz de radio se denominaba anteriormente Acceso de paquetes OFDM de alta velocidad (HSOPA), ahora se denomina Acceso de radio terrestre UMTS evolucionado ( E-UTRA ).
- el enlace descendente y ascendente estándar de red móvil 3GPP 5G NR (New Radio) de quinta generación. 5G NR es el sucesor de LTE.
- el ahora desaparecido proyecto Qualcomm / 3GPP2 Ultra Mobile Broadband (UMB), destinado a ser el sucesor de CDMA2000 , pero reemplazado por LTE.
OFDMA también es un método de acceso candidato para las redes de área regional inalámbricas IEEE 802.22 (WRAN). El proyecto tiene como objetivo diseñar el primer estándar cognitivo basado en radio que opere en el espectro VHF-low UHF (espectro de TV).
- la enmienda más reciente del estándar 802.11 , a saber , 802.11ax , incluye OFDMA para una alta eficiencia y comunicación simultánea.
En el acceso múltiple por división de código de múltiples portadoras (MC-CDMA), también conocido como OFDM-CDMA, OFDM se combina con la comunicación de espectro ensanchado CDMA para la separación de codificación de los usuarios. La interferencia cocanal se puede mitigar, lo que significa que se simplifica la planificación de frecuencia de asignación de canal fijo manual (FCA) o se evitan esquemas complejos de asignación dinámica de canales (DCA).
Diversidad espacial
En la radiodifusión de área amplia basada en OFDM, los receptores pueden beneficiarse de recibir señales de varios transmisores espacialmente dispersos simultáneamente, ya que los transmisores solo interferirán destructivamente entre sí en un número limitado de subportadoras, mientras que en general reforzarán la cobertura en un área amplia. . Esto es muy beneficioso en muchos países, ya que permite la operación de redes nacionales de frecuencia única (SFN), donde muchos transmisores envían la misma señal simultáneamente sobre la misma frecuencia de canal. Las SFN utilizan el espectro disponible de manera más eficaz que las redes de transmisión multifrecuencia ( MFN ) convencionales , donde el contenido del programa se replica en diferentes frecuencias portadoras. Los SFN también dan como resultado una ganancia de diversidad en los receptores situados a medio camino entre los transmisores. El área de cobertura aumenta y la probabilidad de interrupción disminuye en comparación con un MFN, debido al aumento de la intensidad de la señal recibida promediada en todas las subportadoras.
Aunque el intervalo de guarda solo contiene datos redundantes, lo que significa que reduce la capacidad, algunos sistemas basados en OFDM, como algunos de los sistemas de radiodifusión, utilizan deliberadamente un intervalo de guarda largo para permitir que los transmisores estén más separados en una SFN y los intervalos de guarda más largos permiten tamaños de celda SFN más grandes. Una regla general para la distancia máxima entre transmisores en un SFN es igual a la distancia que recorre una señal durante el intervalo de guarda; por ejemplo, un intervalo de guarda de 200 microsegundos permitiría que los transmisores estén espaciados a 60 km.
Una red de frecuencia única es una forma de macrodiversidad de transmisores . El concepto se puede utilizar más en redes dinámicas de frecuencia única (DSFN), donde la agrupación SFN se cambia de un intervalo de tiempo a otro.
OFDM puede combinarse con otras formas de diversidad espacial , por ejemplo , conjuntos de antenas y canales MIMO . Esto se hace en los estándares de LAN inalámbrica IEEE 802.11 .
Amplificador de potencia de transmisor lineal
Una señal OFDM exhibe una alta relación de potencia pico a promedio (PAPR) porque las fases independientes de las subportadoras significan que a menudo se combinarán de manera constructiva. El manejo de este PAPR alto requiere:
- Un convertidor de digital a analógico (DAC) de alta resolución en el transmisor
- Un convertidor de analógico a digital (ADC) de alta resolución en el receptor
- Una cadena de señal lineal
Cualquier falta de linealidad en la cadena de señal causará una distorsión de intermodulación que
- Eleva el piso de ruido
- Puede causar interferencia entre portadoras
- Genera radiación espuria fuera de banda
El requisito de linealidad es exigente, especialmente para los circuitos de salida de RF del transmisor, donde los amplificadores a menudo están diseñados para no ser lineales para minimizar el consumo de energía. En los sistemas OFDM prácticos, se permite una pequeña cantidad de recorte de picos para limitar el PAPR en una compensación juiciosa contra las consecuencias anteriores. Sin embargo, el filtro de salida del transmisor que se requiere para reducir los espolones fuera de banda a niveles legales tiene el efecto de restaurar los niveles máximos que se recortaron, por lo que el recorte no es una forma eficaz de reducir la PAPR.
Aunque la eficiencia espectral de OFDM es atractiva para las comunicaciones terrestres y espaciales, los altos requisitos de PAPR han limitado hasta ahora las aplicaciones de OFDM a los sistemas terrestres.
El factor de cresta CF (en dB) para un sistema OFDM con n subportadoras no correlacionadas es [28]
donde CF c es el factor de cresta (en dB) para cada subportadora. (CF c es 3,01 dB para las ondas sinusoidales utilizadas para la modulación BPSK y QPSK).
Por ejemplo, la señal DVB-T en modo 2K se compone de 1705 subportadoras, cada una de las cuales está modulada por QPSK, lo que da un factor de cresta de 35,32 dB. [28]
Se han desarrollado muchas técnicas de reducción de PAPR (o factor de cresta ), por ejemplo, basadas en el recorte interactivo. [29]
El rango dinámico requerido para un receptor de FM es 120 dB, mientras que DAB solo requiere alrededor de 90 dB. [30] Como comparación, cada bit adicional por muestra aumenta el rango dinámico en 6 dB.
Comparación de eficiencia entre portadora única y multicarrier
El rendimiento de cualquier sistema de comunicación se puede medir en términos de eficiencia energética y eficiencia de ancho de banda. La eficiencia energética describe la capacidad del sistema de comunicación para preservar la tasa de error de bits ( BER ) de la señal transmitida a niveles de potencia bajos. La eficiencia del ancho de banda refleja la eficiencia con la que se usa el ancho de banda asignado y se define como la tasa de transferencia de datos por hertz en un ancho de banda dado. Si se utiliza un gran número de subportadoras, la eficiencia del ancho de banda de un sistema multicarrier como OFDM con el uso de canal de fibra óptica se define como [31]
dónde es la velocidad de símbolo en giga-símbolos por segundo (Gsps), es el ancho de banda de la señal OFDM y el factor 2 se debe a los dos estados de polarización de la fibra.
Se ahorra ancho de banda mediante el uso de modulación multiportadora con multiplexación por división de frecuencia ortogonal. Por lo tanto, el ancho de banda para el sistema multiportadora es menor en comparación con el sistema de una sola portadora y, por lo tanto, la eficiencia del ancho de banda del sistema multiportadora es mayor que el sistema de una sola portadora.
S.no. | Tipo de transmisión | M en M-QAM | No. de subportadoras | Tasa de bits | Longitud de la fibra | Potencia en el receptor (a BER de 10 −9 ) | Eficiencia del ancho de banda |
---|---|---|---|---|---|---|---|
1. | Portador único | 64 | 1 | 10 Gbit / s | 20 kilometros | −37,3 dBm | 6.0000 |
2. | Multicarrier | 64 | 128 | 10 Gbit / s | 20 kilometros | −36,3 dBm | 10.6022 |
Solo hay un aumento de 1 dBm en la potencia del receptor, pero obtenemos una mejora del 76,7% en la eficiencia del ancho de banda con el uso de la técnica de transmisión multiportadora.
Modelo de sistema idealizado
Esta sección describe un modelo de sistema OFDM idealizado simple adecuado para un canal AWGN invariante en el tiempo .
Transmisor
Una señal de portadora OFDM es la suma de un número de subportadoras ortogonales, con datos de banda base en cada subportadora que se modulan de forma independiente comúnmente usando algún tipo de modulación de amplitud en cuadratura (QAM) o modulación por desplazamiento de fase (PSK). Esta señal de banda base compuesta se usa típicamente para modular una portadora de RF principal .
es un flujo en serie de dígitos binarios. Mediante la multiplexación inversa , primero se demultiplexan enflujos paralelos, y cada uno se asigna a un flujo de símbolos (posiblemente complejo) utilizando alguna constelación de modulación ( QAM , PSK , etc.). Tenga en cuenta que las constelaciones pueden ser diferentes, por lo que algunas transmisiones pueden tener una tasa de bits más alta que otras.
Se calcula una FFT inversa en cada conjunto de símbolos, dando un conjunto de muestras complejas en el dominio del tiempo. A continuación, estas muestras se mezclan en cuadratura con la banda de paso de la forma estándar. Los componentes reales e imaginarios se convierten primero al dominio analógico utilizando convertidores de digital a analógico (DAC); las señales analógicas se utilizan para modular las ondas coseno y sinusoidal en la frecuencia portadora ,, respectivamente. Estas señales luego se suman para dar la señal de transmisión,.
Receptor
El receptor capta la señal , que luego se mezcla en cuadratura hasta la banda base utilizando ondas cosenoides y sinusoidales a la frecuencia portadora . Esto también crea señales centradas en, por lo que se utilizan filtros de paso bajo para rechazarlos. A continuación, las señales de banda base se muestrean y digitalizan utilizando convertidores de analógico a digital (ADC), y se utiliza una FFT directa para volver a convertir al dominio de frecuencia.
Esto vuelve flujos paralelos, cada uno de los cuales se convierte en un flujo binario utilizando un detector de símbolos apropiado . Luego, estos flujos se vuelven a combinar en un flujo en serie,, que es una estimación del flujo binario original en el transmisor.
Descripción matemática
Si se utilizan subportadoras, y cada subportadora se modula utilizando símbolos alternativos, el alfabeto de símbolos OFDM consta de símbolos combinados.
La señal OFDM equivalente de paso bajo se expresa como:
dónde son los símbolos de datos, es el número de subportadoras, y es el tiempo del símbolo OFDM. El espaciado de subportadoras delos hace ortogonales sobre cada período de símbolo; esta propiedad se expresa como:
dónde denota el operador conjugado complejo yes el delta de Kronecker .
Para evitar la interferencia entre símbolos en canales de desvanecimiento por trayectos múltiples, un intervalo de guarda de longitud se inserta antes del bloque OFDM. Durante este intervalo, se transmite un prefijo cíclico de modo que la señal en el intervalo es igual a la señal en el intervalo . La señal OFDM con prefijo cíclico es así:
La señal de paso bajo anterior puede ser real o de valor complejo. Las señales equivalentes de paso bajo de valor real se transmiten típicamente en banda base; las aplicaciones alámbricas como DSL utilizan este enfoque. Para las aplicaciones inalámbricas, la señal de paso bajo suele tener un valor complejo; en cuyo caso, la señal transmitida se convierte a una frecuencia portadora. En general, la señal transmitida se puede representar como:
Uso
OFDM se utiliza en:
- Radio digital Mondiale (DRM)
- Transmisión de audio digital (DAB)
- Televisión digital DVB-T / T2 (terrestre), DVB-H (portátil), DMB-T / H , DVB-C2 (cable)
- LAN inalámbrica IEEE 802.11a , IEEE 802.11g , IEEE 802.11n , IEEE 802.11ac e IEEE 802.11ad
- WiMAX
- Li-Fi
- ADSL ( G.dmt / ITU G.992.1 )
- Redes móviles LTE y LTE Advanced 4G
- Teléfonos inalámbricos DECT
- Comunicaciones modernas por líneas eléctricas de banda ancha y estrecha [32]
Tabla de comparación del sistema OFDM
Las características clave de algunos sistemas basados en OFDM comunes se presentan en la siguiente tabla.
Nombre estándar | DAB Eureka 147 | DVB-T | DVB-H | DMB-T / H | DVB-T2 | IEEE 802.11a |
---|---|---|---|---|---|---|
Año ratificado | 1995 | 1997 | 2004 | 2006 | 2007 | 1999 |
Rango de frecuencia de los equipos actuales | 174–240 MHz 1.452–1.492 GHz | 470–862 MHz 174–230 MHz | 470–862 MHz | 470–862 MHz | 4.915–6.100 MHz | |
Espaciado de canales, B (MHz) | 1.712 | 6, 7, 8 | 5, 6, 7, 8 | 8 | 1,7, 5, 6, 7, 8, 10 | 20 |
Tamaño FFT, k = 1024 | Modo I: 2k Modo II: 512 Modo III: 256 Modo IV: 1k | 2k, 8k | 2k, 4k, 8k | 1 (portadora única) 4k (portadora múltiple) | 1k, 2k, 4k, 8k, 16k, 32k | 64 |
Número de subportadoras no silenciosas, N | Modo I: 1536 Modo II: 384 Modo III: 192 Modo IV: 768 | Modo 2K: 1.705 Modo 8K: 6.817 | 1.705, 3.409, 6.817 | 1 (portadora única) 3780 (portadora múltiple) | 853–27,841 (1K normal a modo de portadora extendida de 32K) | 52 |
Esquema de modulación de subportadora | π ⁄ 4 -DQPSK | QPSK, [33] 16QAM o 64QAM | QPSK, [33] 16QAM o 64QAM | 4QAM, [33] 4QAM-NR, [34] 16QAM, 32QAM y 64QAM. | QPSK, 16QAM, 64QAM, 256QAM | BPSK, QPSK, [33] 16QAM o 64QAM |
Longitud útil del símbolo, T U (μs) | Modo I: 1000 Modo II: 250 Modo III: 125 Modo IV: 500 | Modo 2K: 224 Modo 8K: 896 | 224, 448, 896 | 500 (multiportadora) | 112–3,584 (modo 1K a 32K en canal de 8 MHz) | 3.2 |
Intervalo de guarda adicional, T G (fracción de T U ) | 24,6% (todos los modos) | 1 ⁄ 4 , 1 ⁄ 8 , 1 ⁄ 16 , 1 ⁄ 32 | 1 ⁄ 4 , 1 ⁄ 8 , 1 ⁄ 16 , 1 ⁄ 32 | 1 ⁄ 4 , 1 ⁄ 6 , 1 ⁄ 9 | 1/128, 1/32, 1/16, 19/256, 1/8, 19/128, 1/4. (Para el modo 32k máximo 1/8) | 1 ⁄ 4 |
Espaciado de subportadoras (Hz) | Modo I: 1.000 Modo II: 4.000 Modo III: 8.000 Modo IV: 2.000 | Modo 2K: 4464 Modo 8K: 1116 | 4.464, 2.232, 1.116 | 8 M (portadora única) 2000 (portadora múltiple) | 279–8,929 (32K hasta el modo 1K) | 312,5 K |
Tasa de bits neta, R (Mbit / s) | 0,576–1,152 | 4,98–31,67 (normalmente 24,13) | 3,7–23,8 | 4.81–32.49 | Normalmente 35,4 | 6–54 |
Enlace de eficiencia espectral R / B (bit / s · Hz) | 0,34-0,67 | 0,62–4,0 ( típ. 3,0) | 0,62–4,0 | 0,60–4,1 | 0,87–6,65 | 0,30-2,7 |
FEC interior | Conv. codificación con tasas de código de protección contra errores iguales: 1 ⁄ 4 , 3 ⁄ 8 , 4 ⁄ 9 , 1 ⁄ 2 , 4 ⁄ 7 , 2 ⁄ 3 , 3 ⁄ 4 , 4 ⁄ 5 Protección contra errores desigual con av. tasas de código de: | Conv. codificación con tasas de código: 1 ⁄ 2 , 2 ⁄ 3 , 3 ⁄ 4 , 5 ⁄ 6 , o 7 ⁄ 8 | Conv. codificación con tasas de código: 1 ⁄ 2 , 2 ⁄ 3 , 3 ⁄ 4 , 5 ⁄ 6 , o 7 ⁄ 8 | LDPC con tasas de código: 0,4, 0,6 o 0,8 | LDPC : 1 ⁄ 2 , 3 ⁄ 5 , 2 ⁄ 3 , 3 ⁄ 4 , 4 ⁄ 5 , 5 ⁄ 6 | Conv. codificación con tasas de código: 1 ⁄ 2 , 2 ⁄ 3 , o 3 ⁄ 4 |
FEC externo (si corresponde) | RS opcional (120, 110, t = 5) | RS (204, 188, t = 8) | RS (204, 188, t = 8) + MPE-FEC | Código BCH (762, 752) | Código BCH | |
Velocidad máxima de viaje (km / h) | 200–600 | 53–185, según la frecuencia de transmisión | ||||
Profundidad de entrelazado de tiempo (ms) | 384 | 0,6-3,5 | 0,6-3,5 | 200–500 | Hasta 250 (500 con marco de extensión) | |
Transmisión adaptativa , si la hubiera | Ninguno | Ninguno | Ninguno | Ninguno | ||
Método de acceso múltiple (si lo hubiera) | Ninguno | Ninguno | Ninguno | Ninguno | ||
Codificación de fuente típica | 192 kbit / s MPEG2 capa de audio 2 | 2-18 Mbit / s estándar: HDTV H.264 o MPEG2 | H.264 | No definido (Video: MPEG-2, H.264 y / o AVS Audio: MP2 o AC-3 ) | H.264 o MPEG2 (Audio: AAC HE, Dolby Digital AC-3 (A52), MPEG-2 AL 2.) |
ADSL
OFDM se utiliza en conexiones ADSL que siguen los estándares ANSI T1.413 y G.dmt (ITU G.992.1), donde se denomina modulación multitono discreta (DMT). [35] DSL logra conexiones de datos de alta velocidad en cables de cobre existentes. OFDM también se utiliza en los estándares sucesores ADSL2 , ADSL2 + , VDSL , VDSL2 y G.fast . ADSL2 utiliza modulación de subportadora variable, que va desde BPSK a 32768QAM (en la terminología ADSL, esto se conoce como carga de bits, o bit por tono, de 1 a 15 bits por subportadora).
Los cables de cobre largos sufren atenuación a altas frecuencias. El hecho de que OFDM pueda hacer frente a esta atenuación selectiva de frecuencia y a la interferencia de banda estrecha son las principales razones por las que se utiliza con frecuencia en aplicaciones como los módems ADSL .
Tecnología Powerline
OFDM es utilizado por muchos dispositivos de línea eléctrica para extender las conexiones digitales a través del cableado de energía. La modulación adaptativa es particularmente importante con un canal tan ruidoso como el cableado eléctrico. Algunos módems de medición inteligente de velocidad media , "Prime" y "G3", utilizan OFDM a frecuencias modestas (30-100 kHz) con un número modesto de canales (varios cientos) para superar la interferencia entre símbolos en el entorno de la línea eléctrica. [36] Los estándares IEEE 1901 incluyen dos capas físicas incompatibles que utilizan OFDM. [37] El estándar ITU-T G.hn , que proporciona redes de área local de alta velocidad sobre el cableado doméstico existente (líneas eléctricas, líneas telefónicas y cables coaxiales) se basa en una capa PHY que especifica OFDM con modulación adaptativa y un bajo Código FEC de verificación de paridad de densidad ( LDPC ). [32]
Redes de área local inalámbrica (LAN) y redes de área metropolitana (MAN)
OFDM se utiliza ampliamente en aplicaciones LAN y MAN inalámbricos, incluyendo IEEE 802.11a / g / n y WiMAX .
IEEE 802.11a / g / n, que opera en las bandas de 2,4 y 5 GHz, especifica velocidades de datos en el lado del aire por flujo que van de 6 a 54 Mbit / s. Si ambos dispositivos pueden usar el "modo HT" (agregado con 802.11n ), la tasa máxima de 20 MHz por flujo se incrementa a 72.2 Mbit / s, con la opción de tasas de datos entre 13.5 y 150 Mbit / s usando un canal de 40 MHz. . Se utilizan cuatro esquemas de modulación diferentes: BPSK , QPSK , 16- QAM y 64-QAM, junto con un conjunto de tasas de corrección de errores (1 / 2–5 / 6). La multitud de opciones permite que el sistema adapte la velocidad de datos óptima para las condiciones actuales de la señal.
Redes de área personal inalámbricas (PAN)
OFDM también se está utilizando ahora en el estándar WiMedia / Ecma-368 para redes de área personal inalámbricas de alta velocidad en el espectro de banda ultraancha de 3,1-10,6 GHz (consulte MultiBand-OFDM).
Difusión de radio y televisión digital terrestre
Gran parte de Europa y Asia ha adoptado OFDM para la transmisión terrestre de televisión digital ( DVB-T , DVB-H y T-DMB ) y radio ( EUREKA 147 DAB , Digital Radio Mondiale , HD Radio y T-DMB ).
DVB-T
Por Directiva de la Comisión Europea, todos los servicios de televisión transmitidos a los espectadores en la Comunidad Europea deben utilizar un sistema de transmisión que haya sido estandarizado por un organismo de estandarización europeo reconocido, [38] y tal estándar ha sido desarrollado y codificado por el Proyecto DVB. Difusión de vídeo digital (DVB); Estructura de encuadre, codificación y modulación de canales para televisión digital terrestre . [39] Conocida habitualmente como DVB-T, la norma exige el uso exclusivo de COFDM para la modulación. DVB-T se utiliza ahora ampliamente en Europa y en otros lugares para la televisión digital terrestre.
SDARS
Los segmentos terrestres de los sistemas de servicio de radio de audio digital (SDARS) utilizados por XM Satellite Radio y Sirius Satellite Radio se transmiten utilizando COFDM codificado (COFDM). [40] La palabra "codificado" proviene del uso de corrección de errores hacia adelante (FEC). [5]
COFDM frente a VSB
La cuestión de los méritos técnicos relativos de COFDM frente a 8VSB para la televisión digital terrestre ha sido objeto de cierta controversia, especialmente entre tecnólogos y reguladores europeos y norteamericanos. El Estados Unidos ha rechazado varias propuestas para adoptar la basados en COFDM DVB-T sistema para sus servicios de televisión digital, y en su lugar ha optado por 8VSB ( modulación de banda lateral residual ) operación.
Uno de los principales beneficios que ofrece COFDM es que hace que las transmisiones de radio sean relativamente inmunes a la distorsión por trayectos múltiples y al desvanecimiento de la señal debido a las condiciones atmosféricas o al paso de aeronaves. Los defensores de COFDM argumentan que resiste trayectos múltiples mucho mejor que 8VSB. Los primeros receptores 8VSB DTV (televisión digital) a menudo tenían dificultades para recibir una señal. Además, COFDM permite redes de frecuencia única , lo que no es posible con 8VSB.
Sin embargo, los receptores 8VSB más nuevos son mucho mejores para lidiar con trayectos múltiples, por lo que la diferencia en el rendimiento puede disminuir con los avances en el diseño del ecualizador. [ cita requerida ]
Radio digital
COFDM también se utiliza para otros estándares de radio, para la transmisión de audio digital (DAB), el estándar para la transmisión de audio digital en frecuencias VHF , para Digital Radio Mondiale (DRM), el estándar para la transmisión digital en frecuencias de onda corta y media (por debajo de 30 MHz). ) y DRM +, un estándar introducido más recientemente para la transmisión de audio digital en frecuencias VHF . (30 a 174 MHz)
Estados Unidos vuelve a utilizar un estándar alternativo, un sistema patentado desarrollado por iBiquity denominado HD Radio . Sin embargo, utiliza COFDM como tecnología de transmisión subyacente para agregar audio digital a las transmisiones de AM (onda media) y FM.
Tanto Digital Radio Mondiale como HD Radio se clasifican como sistemas en banda en el canal , a diferencia de Eureka 147 (DAB: Digital Audio Broadcasting ) que utiliza bandas de frecuencia VHF o UHF separadas en su lugar.
BST-OFDM utilizado en ISDB
El sistema de multiplexación por división de frecuencia ortogonal de transmisión segmentada en banda ( BST-OFDM ) propuesto para Japón (en los sistemas de radiodifusión ISDB-T , ISDB-TSB e ISDB-C ) mejora el COFDM al aprovechar el hecho de que algunas portadoras OFDM pueden estar moduladas. de manera diferente a otros dentro del mismo multiplex. Algunas formas de COFDM ya ofrecen este tipo de modulación jerárquica , aunque BST-OFDM pretende hacerlo más flexible. Por lo tanto, el canal de televisión de 6 MHz puede estar "segmentado", modulando diferentes segmentos de manera diferente y utilizándose para diferentes servicios.
Es posible, por ejemplo, enviar un servicio de audio en un segmento que incluye un segmento compuesto por varias portadoras, un servicio de datos en otro segmento y un servicio de televisión en otro segmento, todo dentro del mismo canal de televisión de 6 MHz. Además, estos pueden modularse con diferentes parámetros de modo que, por ejemplo, los servicios de audio y datos podrían optimizarse para la recepción móvil, mientras que el servicio de televisión se optimiza para la recepción estacionaria en un entorno de alta multitrayecto.
Ultra banda ancha
La tecnología de red de área personal inalámbrica de banda ultra ancha (UWB) también puede utilizar OFDM, como en OFDM multibanda (MB-OFDM). Esta especificación UWB es defendida por WiMedia Alliance (anteriormente tanto Multiband OFDM Alliance [MBOA] como WiMedia Alliance, pero las dos ahora se han fusionado), y es una de las interfaces de radio UWB de la competencia.
FLASH-OFDM
El acceso rápido de baja latencia con multiplexación por división de frecuencia ortogonal de transferencia sin interrupciones (Flash-OFDM), también conocido como F-OFDM, se basó en OFDM y también especificó capas de protocolo superiores . Fue desarrollado por Flarion y comprado por Qualcomm en enero de 2006. [41] [42] Flash-OFDM se comercializó como un portador celular de conmutación de paquetes, para competir con las redes GSM y 3G . A modo de ejemplo, las bandas de frecuencia de 450 MHz utilizadas anteriormente por NMT-450 y C-Net C450 (ambas redes analógicas 1G, ahora en su mayoría fuera de servicio) en Europa están siendo licenciadas a operadores Flash-OFDM. [ cita requerida ]
En Finlandia , el titular de la licencia, Digita, comenzó el despliegue de una red inalámbrica "@ 450" a nivel nacional en algunas partes del país desde abril de 2007. Datame la compró en 2011. [43] En febrero de 2012, Datame anunció que actualizarían la red de 450 MHz. a la tecnología CDMA2000 de la competencia . [44]
Slovak Telekom en Eslovaquia ofrece conexiones Flash-OFDM [45] con una velocidad máxima descendente de 5,3 Mbit / s, y una velocidad máxima ascendente de 1,8 Mbit / s, con una cobertura de más del 70 por ciento de la población eslovaca. [ cita requerida ] La red Flash-OFDM se apagó en la mayor parte de Eslovaquia el 30 de septiembre de 2015. [46]
T-Mobile Alemania usó Flash-OFDM para backhaul Wi-Fi HotSpots en los trenes de alta velocidad ICE de Deutsche Bahn entre 2005 y 2015, hasta que se cambió a UMTS y LTE. [47]
El operador inalámbrico estadounidense Nextel Communications probó en el campo tecnologías de red de banda ancha inalámbrica, incluido Flash-OFDM, en 2005. [48] Sprint compró el operador en 2006 y decidió implementar la versión móvil de WiMAX , que se basa en el acceso múltiple por división de frecuencia ortogonal escalable (SOFDMA) tecnología. [49]
Citizens Telephone Cooperative lanzó un servicio de banda ancha móvil basado en tecnología Flash-OFDM para suscriptores en partes de Virginia en marzo de 2006. La velocidad máxima disponible era de 1,5 Mbit / s. [50] El servicio se suspendió el 30 de abril de 2009. [51]
Vector OFDM (VOFDM)
VOFDM fue propuesto por Xiang-Gen Xia en 2000 ( Proceedings of ICC 2000 , New Orleans, y IEEE Trans. On Communications , agosto de 2001) para sistemas de antena de transmisión única. VOFDM reemplaza cada valor escalar en el OFDM convencional por un valor vectorial y es un puente entre OFDM y el ecualizador de dominio de frecuencia de portadora única (SC-FDE). Cuando el tamaño del vector es, es OFDM y cuando el tamaño del vector es al menos la longitud del canal y el tamaño de la FFT es , es SC-FDE.
En VOFDM, suponga es el tamaño del vector, y cada señal con valores escalares en OFDM se reemplaza por una señal de valor vectorial de tamaño vectorial , . Uno toma el-punto IFFT de , componente sabiamente y obtiene otra secuencia de vector del mismo tamaño de vector , . Luego, se agrega un vector CP de longitud a esta secuencia vectorial como
.
Esta secuencia de vectores se convierte en una secuencia escalar secuencializando todos los vectores de tamaño , que se transmite en una antena de transmisión secuencialmente.
En el receptor, la secuencia escalar recibida se convierte primero en la secuencia de vector de tamaño de vector . Cuando la longitud de CP satisface, luego, después de que el vector CP se elimina de la secuencia de vectores y el -punto FFT se implementa sabiamente componente a la secuencia de vector de longitud , Se obtiene
dónde son ruido blanco aditivo y y es el siguiente matriz polifásica del canal ISI :
,
dónde es el th componente polifásico del canal . Desde (1), se puede ver que el canal ISI original se convierte a muchos subcanales vectoriales de tamaño vectorial . No hay ISI a través de estos subcanales de vector, pero hay ISI dentro de cada subcanal de vector. En cada subcanal de vector, como máximomuchos símbolos se interfieren entre sí. Claramente, cuando el tamaño del vector, el VOFDM anterior vuelve a OFDM y cuando y , se convierte en SC-FDE. El tamaño del vectores un parámetro que se puede elegir libre y correctamente en la práctica y controla el nivel de ISI. Puede haber una compensación entre el tamaño del vector, complejidad de demodulación en el receptor y tamaño de FFT, para un ancho de banda de canal dado.
Tenga en cuenta que existen muchas otras generalizaciones / formas diferentes de OFDM, para ver sus diferencias esenciales, es fundamental ver sus correspondientes ecuaciones de señal recibida para demodular. El VOFDM anterior es el más antiguo y el único que logra la ecuación de la señal recibida (1) y / o su forma equivalente, aunque puede tener diferentes implementaciones en el transmisor frente a diferentes algoritmos IFFT. Se ha demostrado (Yabo Li et. Al., IEEE Trans. On Signal Processing , octubre de 2012) que aplicando el receptor lineal MMSE a cada subcanal de vector (1), se logra una diversidad de trayectos múltiples.
Wavelet-OFDM
OFDM se ha convertido en una técnica interesante para las comunicaciones por línea eléctrica (PLC). En esta área de investigación, se introduce una transformada de ondículas para reemplazar la DFT como método para crear frecuencias ortogonales. Esto se debe a las ventajas que ofrecen las wavelets, que son particularmente útiles en líneas eléctricas ruidosas. [52]
En lugar de utilizar un IDFT para crear la señal del remitente, el OFDM wavelet utiliza un banco de síntesis que consta de un -transmultiplexor de banda seguido de la función de transformación
En el lado del receptor, se utiliza un banco de análisis para volver a demodular la señal. Este banco contiene una transformación inversa
seguido de otro -transmultiplexor de banda. La relación entre ambas funciones de transformación es
Un ejemplo de W-OFDM utiliza el banco de filtros modulados de coseno de reconstrucción perfecta (PR-CMFB) y la transformada de traslape extendida (ELT) se utiliza para la ondícula TF. Por lo tanto, y se dan como
Estas dos funciones son sus respectivas inversas y se pueden utilizar para modular y demodular una secuencia de entrada determinada. Al igual que en el caso de DFT, la transformada wavelet crea ondas ortogonales con, , ..., . La ortogonalidad asegura que no interfieran entre sí y puedan enviarse simultáneamente. En el receptor,, , ..., se utilizan para reconstruir la secuencia de datos una vez más.
Ventajas sobre OFDM estándar
W-OFDM es una evolución del OFDM estándar, con ciertas ventajas.
Principalmente, los niveles de los lóbulos laterales de W-OFDM son más bajos. Esto da como resultado menos ICI, así como una mayor solidez a la interferencia de banda estrecha. Estas dos propiedades son especialmente útiles en PLC, donde la mayoría de las líneas no están protegidas contra el ruido EM, que crea canales ruidosos y picos de ruido.
Una comparación entre las dos técnicas de modulación también revela que la complejidad de ambos algoritmos sigue siendo aproximadamente la misma. [52]
Historia
- 1957: Kineplex, módem HF multiportadora (RR Mosier y RG Clabaugh)
- 1966: Chang, Bell Labs: documento OFDM [3] y patente [4]
- 1971: Weinstein y Ebert propusieron el uso de FFT e intervalo de guarda [6]
- 1985: Cimini describió el uso de OFDM para comunicaciones móviles
- 1985: Telebit Trailblazer Modem introdujo un protocolo de conjunto de paquetes de 512 portadoras ( 18 432 bit / s )
- 1987: Alard & Lasalle: COFDM para radiodifusión digital [9]
- 1988: En septiembre TH-CSF LER, primer enlace de TV digital experimental en OFDM, área de París
- 1989: Solicitud de patente internacional OFDM PCT / FR 89/00546, presentada a nombre de THOMSON-CSF, Fouche, de Couasnon, Travert, Monnier y todos [53]
- Octubre de 1990: TH-CSF LER, primera prueba de campo de equipo OFDM, 34 Mbit / s en un canal de 8 MHz, experimentos en el área de París
- Diciembre de 1990: TH-CSF LER, primera comparación del banco de pruebas OFDM con VSB en Princeton, EE. UU.
- Septiembre de 1992: TH-CSF LER, prueba de campo de equipos de segunda generación, 70 Mbit / s en un canal de 8 MHz, polarizaciones gemelas. Wuppertal, Alemania
- Octubre de 1992: TH-CSF LER, prueba de campo y banco de pruebas de segunda generación con BBC, cerca de Londres, Reino Unido
- 1993: Show TH-CSF en Montreux SW, 4 canales de TV y un canal de HDTV en un solo canal de 8 MHz
- 1993: Morris: LAN inalámbrica OFDM experimental de 150 Mbit / s
- 1995: Estándar de transmisión de audio digital ETSI EUreka: primer estándar basado en OFDM
- 1997: ETSI DVB-T estándar
- 1998: El proyecto Magic WAND demuestra los módems OFDM para LAN inalámbrica
- 1999: estándar de LAN inalámbrica IEEE 802.11a (Wi-Fi) [54]
- 2000: Acceso inalámbrico fijo patentado (V-OFDM, FLASH-OFDM , etc.)
- Mayo de 2001: La FCC permite OFDM en la banda exenta de licencia de 2.4GHz. [55]
- 2002: estándar IEEE 802.11g para LAN inalámbrica [56]
- 2004: estándar IEEE 802.16 para MAN inalámbrico (WiMAX) [57]
- ETSI: 2004 DVB-H estándar
- 2004: Candidato al estándar IEEE 802.15.3a para PAN inalámbrico (MB-OFDM)
- 2004: candidato al estándar IEEE 802.11n para LAN inalámbrica de próxima generación
- 2005: OFDMA es candidata para el enlace descendente E-UTRA de interfaz aérea 3GPP Long Term Evolution (LTE).
- 2007: Se demostró la primera implementación completa de interfaz aérea LTE, incluidos OFDM-MIMO, SC-FDMA y enlace ascendente MIMO multiusuario [58]
Ver también
- Estándares ATSC
- Interferometría portadora
- N-OFDM
- FDMA de portadora única (SC-FDMA)
- Ecualización de dominio de frecuencia de portadora única (SC-FDE)
- Espacio y frecuencia de tiempo ortogonal (OTFS)
Referencias
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Otras lecturas
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enlaces externos
- Numerosos enlaces y recursos útiles para OFDM - WCSP Group - University of South Florida (USF)
- WiMAX Forum, WiMAX, el marco estándar para banda ancha personal móvil 4G
- Stott, 1997 [1] Presentación técnica de JH Stott de la división de I + D de la BBC, realizada en el 20º Simposio Internacional de Televisión en 1997; esta URL se accedió el 24 de enero de 2006.
- Página sobre multiplexación por división de frecuencia ortogonal en https://web.archive.org/web/20090325005048/http://www.iss.rwth-aachen.de/Projekte/Theo/OFDM/node6.html consultada el 24 de septiembre de 2007.
- Un tutorial sobre la importancia del prefijo cíclico (CP) en los sistemas OFDM .
- Siemens demuestra 360 Mbit / s inalámbrico
- Introducción a la tecnología de multiplexación por división de frecuencia ortogonal
- Breve introducción a OFDM - Tutorial escrito por el Prof. Debbah, director de la Cátedra Alcatel-Lucent sobre radio flexible.
- Breve tutorial gratuito sobre COFDM por Mark Massel anteriormente en STMicroelectronics y en la industria de la televisión digital durante muchos años.
- Un libro popular sobre COFDM y US ATSC por Mark Massel
- Transmisión OFDM paso a paso - experimento en línea
- Simulación de sistemas ópticos OFDM