Orthogonal Frequency Division Multiplexing - OFDM

1. Orthogonal Frequency Division Multiplexing - OFDM Djamel Sadok

2. Agenda • Os problemas • Inter-Carrier Interference (ICI) • Inter-Symbol Interference (ISI) • A solução: OFDM • Definição • Teoria da Operação • Implementação • Referencias

3. Quem usa OFDM • HDTV: European Digital Audio Broadcasting (DAB) • Wi-Max 802.16 • Wireless regional networks (WRAN – 802.22) • E outros.....

4. Problemas :: ICI • As portadoras são colocadas perto por motivos de eficiência do uso do espectro sem causar Inter-Carrier Interference (ICI) • Na pratica uma banda de guarda deve existir • Perda de recursos • Um filtro será usado para atenuar o sinal adjacente neste espaço de guarda;

5. Os problemas:: ISI (1/2) • Para transmitir altas taxas de dados, símbolos com pouca duração devem ser usados • A duração do símbolo é o inverso da taxa banda básica (T = 1/R), com o aumenta de R, T diminui

6. Os problemas :: ISI (2/2) • Num ambiente multi-percurso, uma duração curta de símbolos aumenta a probabilidade de interferência inter-símbolo (ISI)

7. A solução (1/2) • Multiplicação na divisão de freqüências ortogonal (OFDM) • Permite a sobre posição entre bandas das diferentes portadoras sem interferência • Oferece uma alta taxa de transmissão de dados com uma duração maior de símbolos

8. A solução (2/2) • OFDM pode ser vista como uma boa candidata para modulação em sistemas de banda larga e ambientes multi-percurso. • DSL • Wireless LAN • Digital Áudio Broadcasting • Digital Vídeo Broadcasting • …

9. OFDM (1/7) “OFDM é uma técnica de modulação aonde múltiplas portadoras de baixa taxa são combinadas para transmitir numa forma paralela ou compósita resultando em altas taxas de transmissão”

10. OFDM (2/7) • Quando usando FDM, não existe relacionamento entre as freqüências no espectro • Desta maneira, portadoras FDM são colocadas uma junto da outra

11. OFDM (3/7) • Num sistema OFDM, cada portadora é uma sinusoid com freqüência igual a um múltiplo de uma freqüência base sinusoid fundamental • Esta condição permite a ortogonalidade

12. OFDM (4/7) • Os dados são multiplexados em múltiplos canais usados para modular cada portadora

13. OFDM (5/7) • A técnica de modulação pode variar muito • Exemplos incluem PSK e QAM • Finalmente, as portadoras são adicionadas para gerar um sinal a ser transmitido

14. OFDM (6/7) • OFDM pode reduzir interferência inter símbolo como mostra o seguinte exemplo: • Usando 100 canais, um stream de 1 Mbps pode ser convertido em 100 steams de 10 kbps • criação de streams mais lentos e paralelos a banda do sinal modulado é efetivamente diminuída por 100 • De maneira equivalente, a sua duração é aumentada por 100

15. OFDM (7/7) • O efeito do “delay sread” no multi-percurso é diminuído porque apresenta uma proporção menor da duração do símbolo  ISI é reduzido • Uma boa seleção dos parâmetros: numero de portadoras, seu espaçamento pode reduzir ou até eliminar o ISI • Estes parâmetros podem ser ajustados on-the-fly (cognitive radios)

16. Evolução das pesquisas • OFDM é Discrete Multitone (DMT) em redes fixas • Paper do Chang nos 60’s: Synthesis of bandlimited signals for multichannel transmission • Resultado do paper do Satzberg: concentrar na redução do X-talk entre canais paralelos ao invés de melhorar cada um; • Wenstein e Ebert (1971): uso de canais de guarda para eliminar ISI e ICI e o uso de DFT • Peled e Ruiz (1980): uso de prefixo ciclico

17. CP: prefixo cíclico • Peled e Ruiz preenchem o espaco de guarda com parte final do símbolo OFDM • Transmissor e receptor são sincronizados

18. Sistema banda básica OFDM

19. Transmissor

20. Canal e Receptor

21. Canais OFDM

22. Modelos teóricos de sistemas sem fio • Modelos de esmaecimento Fading • Raleigh: NLOS, sem refletores, valor esperado 0 • Rician: valor esperado não zero • Power-delay e doppler frequncy

23. Ambientes DL e UL

24. Ambiente DMT, atenuação,

25. Implementação (1/3) • Processamento digital de sinais viabiliza OFDM • Múltiplas portadoras podem ser implementadas usando um banco de moduladores paralelos  não é eficiente; • Pode ser feito no domínio digital com o uso eficiente de DSP.

26. Implementação (2/3) • ASIC • Menor, rápida, pouco consumo de energia • Porem sem flexibilidade • Micro-controladores ou DSP • Altamente programáveis • Relativamente lentos, precisam de periféricos adicionais

27. Implementação (3/3) • FPGA • Combinam as vantagens e limitações de varias soluções • Pode ser programado por uma estação radio base com novas funcionalidades; • Embora um pouco mais caro, apresenta a melhor solução

28. Referencias • International Engineering Consortium OFDM Tutorial • Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM): Tutorial and Analysis • Tutorial 22 - Orthogonal Frequency Division Multiplex (OFDM, DMT)