OFDM y Spread Spectrum

OFDM y Spread Spectrum Cecilia Alberto :: 82652 Lucas Chiesa :: 83417 Margarita Manterola :: 77091 1er cuatrimestre - 2007 Resumen En este documento se tratarán las modulaciones OFDM y de espectro ensanchado. Se realizará una descripción y comparación de características, y se mencionarán las redes en las cuales se utilizan. Índice 1. Introducción a OFDM 2 1.1. Modulación y Demodulación................... 2 1.2. Prefijo Cíclico........................... 2 1.3. Codificación para la correción de errores............ 3 1.4. DMT (Discrete Multitone Transmission)............ 3 1.5. OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access).. 3 1.6. Aplicaciones de OFDM...................... 4 1.6.1. ADSL........................... 4 1.7. Powerline Technology....................... 4 1.8. Redes Inalambricas de área local (WLAN) y metropolitana (WMAN)............................. 4 1.9. Difusión de radio y televisión digital.............. 4 1.10. UWB (Ultra wideband)...................... 4 1.11. Flash-OFDM........................... 5 2. Espectro Ensanchado 5 2.1. Salto de frecuencia........................ 6 2.2. Secuencia directa......................... 6 2.3. Aplicaciones............................ 7 1

1. Introducción a OFDM OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) es un esquema de modulación digital en el cual se divide el espectro disponible en varios subcanales de poco ancho de banda, cada uno centrado en una portadora, todas cercanas y ortogonales entre sí. Gracias a la ortogonalidad de las mismas, se elimina el cross-talk entre los subcanales y se simplifica el diseño del transmisor y el receptor, ya que no se requiere un filtro para cada subcanal. También nos permite una mayor eficiencia en el uso del especto acercandonos a la capacidad máxima del canal. Dado que el ancho de los subcanales es pequeño, su atenuación resulta prácticamente constante dentro del mismo, lo cual simplifica la ecualización que se va a realizar con respecto a la necesaria en modulaciones de única portadora. 1.1. Modulación y Demodulación El proceso de modulación consiste en la paralelización del mensaje en bloques, cada uno es modulado en QAM y luego se realiza una transformada inversa de Fourier. Para demodular la señal se realiza el proceso inverso. La modulación QAM se realiza a baja velocidad, lo que facilita la detección. Sin embargo, se obtiene una velocidad total de transmisión de datos similar a la obtenida con una modulación de una portadora. OFDM se popularizó gracias al avance en la tecnología de los procesadores de señales digitales, que permitió la implementación del algoritmo de la FFT con bajo costo. Este esquema de modulación requiere de una precisa sincronización en frecuencia entre el receptor y el transmisor. Cualquier desviación entre las portadoras perjudica su propiedad de ortogonalidad, causando interferencia entre portadoras (ICI). Este problema se genera por el desapareamiento de los osciladores, y el efecto Doppler, entre otros. Las técnicas para solucionar este problema agregan complejidad al receptor. 1.2. Prefijo Cíclico Una técnica utilizada para solucionar los problemas descriptos anteriormente es el uso de prefijo cíclico. Dado que la duración de cada símbolo es larga, se puede introducir un intervalo de guarda entre los mismos. Este tiempo de separación soluciona el problema de la inteferencia inter símbolo (ISI) al impedir que la cola de 2

un símbolo se solape con el próximo. Asímismo, reduce los problemas de sincronización temporal. Durante este período de guarda, se puede transmitir el prefijo cíclico, que consiste en copiar el último segmento de un símbolo al intervalo anterior al él. The cyclic prefix, which is transmitted during the guard interval, consists of the end of the OFDM symbol copied into the guard interval, and the guard interval is transmitted followed by the OFDM symbol. The reason that the guard interval consists of a copy of the end of the OFDM symbol is so that the receiver will integrate over an integer number of sinusoid cycles for each of the multipaths when it performs OFDM demodulation with the FFT. 1.3. Codificación para la correción de errores Como en la gran mayoría de las comunicaciones, al usar OFDM, se usa algún tipo de codificación del canal para la corrección de errores (FEC) e interleaving en tiempo y en frecuencia. El interleaving en frecuencia aumenta la tolerancia a las propiedades selectivas en frecuencia de los canales, como la atenuación. Asímismo, el uso de esta técnica en tiempo, asegura que los bits que originalmente se encuentran juntos sean trasmitidos separados. De esta manera, se contraresta el efecto de los ruidos en ráfaga. Un típico código de corrección de errores utilizado en OFDM son los códigos de convolución concatenados con los códigos de Reed-Solomon. En los sistemas más modernos se están comenzando a emplear los códigos turbo. 1.4. DMT (Discrete Multitone Transmission) Un caso particular de OFDM es la modulación multitono. En ésta se adapta el tamaño de la constelación de QAM utilizada en cada subcanal dependiendo de las características que presentan, como por ejemplo, el nivel de ruido. Para implementarlo, se utilizan algoritmos de Water Filling. Esta variación es reelevante ya que es la utilizada en tecnologías populares como ADSL y VDSL. 1.5. OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) OFDM se puede utilizar para dar servicios de acceso múltiple, asignandoles distintos canales de OFDM a distintos usuarios. OFDMA soporta contro- 3

lar la calidad de servicio (QoS) asignando diferentes números de subcanales en forma similar a CDMA. 1.6. Aplicaciones de OFDM 1.6.1. ADSL Como se comentó anteriormente, OFDM se usa en ADSL según el estándar ITU G.992.1, para lograr conexiones de alta velocidad en redes de pares de cobre ya existentes. 1.7. Powerline Technology OFDM se utiliza para extender la conexión de Ethernet en un uso domiciliario sobre la red eléctrica. 1.8. Redes Inalambricas de área local (WLAN) y metropolitana (WMAN) OFDM también tiene utilidad en las aplicaciones inalambricas, como por ejemplo los estándares IEEE 802.11a/g y WiMAX. IEEE 802.11a, opera en la banda de 5Ghz, especificando velocidades de 6 a 54Mbps, cuatro tipos diferentes de modulación: BPSK, 4-QAM, 16-QAM, y 64-QAM, así como códificaciones de convolución. Esto permite que el sistema se adapte según las condiciones del canal. 1.9. Difusión de radio y televisión digital En Europa y Asia, se adoptó OFDM para la transmisión de radio (EURE- KA 147 DAB, Digital Radio Mondiale, HD Radio and T-DMB) y televisión digital (DVB-T, DVB-H and T-DMB). 1.10. UWB (Ultra wideband) Para la tecnología de las redes inalámbricas de área personal UWB, se utiliza OFDM, como la OFDM multibanda (MB-OFDM). Las especificaciones se mantienen por la WiMedia Alliance. 4

1.11. Flash-OFDM Flash-OFDM (Fast Low-latency Access with Seamless Handoff Orthogonal Frequency Division Multiplexing) es un sistema que se basa en OFDM y también especifica protocolos de capa superior. Genera interés como un sistema de conmutación de paquetes celulares, compitiendo así con 3G y GSM. Por ejemplo, la banda de 450Mhz, anteriormente usada para redes 1G en Europa, ahora se licenció para operadores Flash-OFDM. T-Mobile en Eslovaquia fue la primera empresa en ofrecer conexiones Flash-OFDM a nivel nacional. La velocidad de descarga se incrementó hasta llegar a varios Mbps. Digiweb Ltd. en Irlanda, ofrece varios servicios usando redes Flash-OFDM en la frecuencia 872MHz, desde 1 a 8Mbps de velocidad de descarga. 2. Espectro Ensanchado Las técnicas de espectro ensanchado (Spread Spectrum) son métodos en los cuales la energía generada por un transmisor es distribuída intencionalmente, ya sea en tiempo o en frecuencia. Estas técnicas pueden utilizarse para una variedad de aplicaciones, incluyendo comunicaciones seguras, inmunidad al ruido y acceso múltiple al medio. El ancho de banda utilizado para realizar la transmisión es mucho mayor que el mínimo necesario para enviar la información. Este espectro ensanchado puede obtenerse mediante saltos de frecuencia, mediante modulación con una secuencia directa, o mediante una combinación de ambas técnicas. En cada caso, se utilizan secuencias de números pseudo-aleatorios para determinar y controlar el patrón de ensanchamiento a lo largo de la porción del espectro deseada. En general, todas las técnicas de espectro ensanchado tienen las siguientes características: Inmunidad al ruido y a la interferencia. Al recuperar una señal que ha sido ensanchada, se disminuye la potencia de ruido, por lo que disminuye notoriamente su efecto. Dificultad para interceptarlas. Una señal que ha sido ensanchada aparenta ser solamente un incremento en el ruido del canal para un receptor de banda angosta. Eficiencia en el uso del espectro. Las transmisiones de espectro ensanchado agregan un ruido mínimo a las transmisiones de banda angosta, de modo que pueden compartir el espectro sin mayores problemas. 5

Además, varias comunicaciones de espectro ensanchado pueden compartir un mismo ancho de banda, siempre y cuando las secuencias asociadas sean ortogonales. Teniendo en cuenta el Teorema de Shannon-Hartley (), se puede ver que la relación señal a ruido necesaria para lograr un buen aprovechamiento del canal disminuye a medida que aumenta el ancho de banda utilizado. ( 2C = B log 2 1 + S ) (1) N Es posible, incluso, lograr establecer una comunicación con una relación señal a ruido negativa. 2.1. Salto de frecuencia El concepto de dar saltos en frecuencia (frequency hopping), se conocía desde principios del siglo XX, como una posible técnica para evitar que las señales de comunicaciones fueran interceptadas, en este sentido, distintas implementaciones fueron llevadas a cabo por los equipos militares de varios países. A partir de los años 70, comenzó a utilizarse comercialmente. La técnica implica un cambio rápido (de hasta 80 veces por segundo) de portadoras dentro de un rango determinado, usando una secuencia pseudo-aleatoria que es conocida tanto para el transmisor como para el receptor. Actualmente se continúa utilizando esta técnica en equipos militares, pero en conjunto con otras técnicas de encriptación de la información, ya que si bien son las más difíciles de interceptar, no es suficiente proteger la información mediante una sola técnica de encriptación. 2.2. Secuencia directa En el caso de la técnica de secuencia directa (direct sequence), la información es modulada con una secuencia pseudo-aleatoria de 1 y -1, que se asemeja al ruido. Se multiplica la señal original por la secuencia elegida, de modo que cada bit de información está compuesto por símbolos de menor duración, llamados chirps, y la tasa de transferencia de chirps resultante es mucho mayor que la transferencia de bits. De esta manera, la energía de la señal de información se distribuye a lo ancho de un espectro mucho mayor que el original. La señal resultante se asemeja mucho a ruido blanco. 6

El transmisor y el receptor deben conocer la cadena utilizada para realizar la modulación, ya que esta misma cadena se utiliza para lograr la demodulación de la información, multiplicando la señal recibida por la secuencia pseudo-aleatoria. Al hacer esto, se recuperan los bits originales, a la vez que se disminuye notoriamente la potencia de ruido y de otras señales moduladas con otras secuencias. Este efecto es el pricipio de la técnica de Acceso Múltiple mediante División de Código (CDMA). Que permite que varios transmisores accedan al medio, siempre que utilicen secuencias ortogonales entre sí. 2.3. Aplicaciones Las técnicas de espectro ensanchado son utilizadas actualmente en una variedad de aplicaciones. Bluetooth utiliza una variación sobre saltos en frecuencia llamada Advanced Frequency-hopping (AFH). CDMA se utiliza para la telefonía celular. 802.11b uno de los estándares relacionados con las transmisiones Wi-Fi, especifica que la información puede transmitirse ya sea por DSSS o por FHSS. 7