Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones II-2011

Transcripción

1 Comunicaciones Inalámbricas Capitulo 5: Multiplexación y acceso por división Sistemas OFDM Víctor Manuel Quintero Flórez Claudia Milena Hernández Bonilla Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones II-2011

2 Contenido Principios de la multiplexación por división de frecuencias ortogonales. Implementación discreta de sistemas multiportadora. Acceso multiple por división de frecuencias ortogonales (OFDMA).

3 Principios de la multiplexación por división 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.

4 Se debe considerar la propagación multitrayecto. La señal recibida es la suma de varias versiones de la señal transmitida con retardo variable y atenuación.

5 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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7 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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9 Principios de la multiplexación por división La señal recibida depende de los bits transmitidos. Se necesita un ecualizador para recuperar los datos.

10 Si se incrementa la velocidad de transmisión de datos ISI cubre mas periodos de símbolos. Ecualizador se vuelve más complejo.

11 Interferencia interportadora ICI

12 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.

13 Principios de la multiplexación por división Como se transmiten datos en paralelo sin interferencia? Cada subportadora tiene una frecuencia diferente. Las señales son matemáticamente ortogonales

14 Multiplexación por división de frecuencias FDM

15 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

16 Espaciamiento entre subportadoras: 15KHz

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18 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.

19 Transmisor

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21 . 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 X k. Diferentes modulaciones en cada subportadora.

22 Se emplea modulación QPSK, 16QAM, 64QAM

23 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 X K pasa a través de un modulo IFFT N muestras complejas en el dominio del tiempo.

24 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 X k. CP: duplicando las últimas G muestras de la IFFT y sumándolas al comienzo de X k.

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26 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.

27 Si la longitud de CP es mayor que Delay spread No se presenta ISI ICI

28 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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30 Receptor

31 Nuevamente se paralelo. convierte la señal de serial a 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.

32 Espectro con 16 subportadoras

33 Espectro con 64 subportadoras

34 Espectro con 256 subportadoras

35 Parámetros básicos de OFDM Espaciamiento entre portadoras. Numero de subportadoras. Longitud de CP.

36 Principios de la multiplexación por división Para mantener la ortogonalidad: El espacio entre portadoras, considere Ts como la duración del símbolo. 1 f Empleando una IFFT de N puntos (N debe corresponder a un valor de 2 k ), frecuencia de muestreo de la señal : Fs N f Duración del símbolo después de adicionar CP: T S T CP T s Ancho de banda de la señal OFDM B Nc f

37 Implementación discreta de sistemas multiportadora OFDM tiene baja complejidad de implementación gracias al uso de la FFT y la IFFT (Fast Fourier Transform).

38 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. con

39 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.

40 Implementación discreta de sistemas multiportadora

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42 Implementación discreta de sistemas multiportadora K símbolos complejos (d o, d 1 d K ) se transmiten simultáneamente. Cada símbolo se modula mediante una de las subportadoras. La señal resultante: símbolo OFDM, sx modulada en banda base.

43 Implementación discreta de sistemas multiportadora Dada una señal y(n) con N muestras las DFT y su inversa están definidas por

44 Implementación discreta de sistemas 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: multiportadora

45 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.

46 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.

47 Implementación discreta de sistemas multiportadora En el caso de LTE Nc es 600 en un BW de 10 MHz, IFFT puede ser N Fs = 15.36MHz. El tamaño de la IFFT no es una norma en ninguna especificación radio.

48 OFDMA Acceso múltiple por división de frecuencia ortogonal Mejora la eficiencia espectral. Reduce la interferencia. Muy adecuado para MIMO.

49 OFDMA

50 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.

51 OFDMA La estación base asigna un conjunto de portadoras a cada usuario para permitir transmisiones múltiples simultáneamente. OFDM:

52 OFDMA OFDMA:

53 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.

54 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.

55 OFDMA A cada usuario se le asigna un número de bloques de recursos.

56 OFDMA Asignación de subportadoras Subconjunto de subportadoras: subcanal. El espacio de portadoras se divide en N G grupos. Cada grupo contiene N E portadoras.

57 OFDMA Conformación de subcanales Contiguos: asignar subportadoras contiguas. Intercalado: asignar subportadoras uniformemente espaciadas. Dinámica: asigna dinámicamente las subportadoras.

58 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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