Orthogonal Frequency Division Multiplexing - OFDM

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Orthogonal Frequency Division Multiplexing - OFDM

• Djamel Sadok

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Agenda

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

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Quem usa OFDM

• HDTV European Digital Audio Broadcasting (DAB)
• Wi-Max 802.16
• Wireless regional networks (WRAN 802.22)
• E outros.....

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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

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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

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Os problemas ISI (2/2)

• Num ambiente multi-percurso, uma duração curta de
  símbolos aumenta a probabilidade de interferência
  inter-símbolo (ISI)

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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

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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

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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

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OFDM (2/7)

• Quando usando FDM, não existe relacionamento
  entre as freqüências no espectro
• Desta maneira, portadoras FDM são colocadas uma
  junto da outra

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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

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OFDM (4/7)

• Os dados são multiplexados em múltiplos canais
  usados para modular cada portadora

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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

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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

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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)

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Evolução das pesquisas

• OFDM é Discrete Multitone (DMT) em redes fixas
• Paper do Chang nos 60s 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

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CP prefixo cíclico

• Peled e Ruiz preenchem o espaco de guarda com
  parte final do símbolo OFDM
• Transmissor e receptor são sincronizados

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Sistema banda básica OFDM
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Transmissor
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Canal e Receptor
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Canais OFDM
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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

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Ambientes DL e UL
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Ambiente DMT, atenuação,
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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.

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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

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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

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Referencias

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