OFDMA (Orthogonal Frequency DivisionDivision … · trasmissione è sempre organizzata in trame...

OFDMAOFDMA((OrthogonalOrthogonal FrequencyFrequency

Modulo di Informazione e Codifica a.a. 2007-08Modulo di Tecniche Avanzate di Trasmissione a.a. 2008-2009Modulo di Tecniche Avanzate di Trasmissione a.a. 2009-2010 1

((OrthogonalOrthogonal FrequencyFrequencyDivisionDivision Multiplexing Access)Multiplexing Access)

OFDMAOFDMAE’ una tecnica di accesso multiplo basata sulla modulazione OFDM, che è parte dei principali sistemi radiomobili di generazione successiva alla terza

OFDMA è la modalità di trasmissione prevista per lo standard IEEE802.16 nato per fornire servizi radio a larga banda ad utenti fissi, nomadici e mobili (può essere usato sia come backhaul che per l’accesso nell’ultimo miglio)


L’interfaccia radio LTE (Long Term Evolution) su cui sta lavorando il 3GPP, come evoluzione dei sistemi radio di terza generazione, prevede l’OFDMA nel downlink (BS-mobile) e una tecnica Single Carrier ma con equalizzazione nel dominio della frequenza nell’uplink (mobile-BS) detta Interleaved FDMA (IFDMA).

OFDMAOFDMAFDMA: ad ogni utente è assegnata una sottobanda della banda totale (nei sistemi FDMA classici, le sottobande sono separate da una banda di guardia per evitare l’Adjacent Channel Interference)I segnali sono sovrapposti nel tempo

TDMA: ad ogni utente è assegnato uno o più time slot per la trasmissione (non c’e’ sovrapposizione nel tempo, ma in frequenza) all’interno di una struttura periodica detta trama. L’assegnazione dei time slot può essere fissa o dinamica e cambiare da trama a trama.


OFDMA: è un caso particolare di FDMA (la separazione avviene nel dominio della frequenza), dove però agli utenti non sono assegnate sottobande non sovrapposte in frequenza e separate da un tempo di guardia (come nell’FDMA), ma delle sottoportanti ortogonali. In genere, è combinata con il TDMA e quindi la trasmissione è sempre organizzata in trame temporali e time slot. In ogni time slot, ad ogni utente viene assegnato un gruppo di sottoportanti. Il numero e la posizione delle sottoportanti assegnate ad ogni utente può variare da time slot a time slot.

OFDMAOFDMA

Mappingdelle

sottoportantiIFFT P/S

User #1

User #2

User #3

S/P

S/P

S/P


Trasmettitore di un sistema OFDMA nel downlink (DL)

Inserzione CP

canale

(nell’esempio, ogni utente trasmette 4 simboli

complessi diversi in ogni simbolo OFDMA trasmesso.

Ogni simbolo complesso verrà trasmesso su di una

diversa sottoportante)

OFDMAOFDMA

S/P FFTrimozione

CP P/SDemapping

ed equalizzazi

one


Ricevitore un sistema OFDMA nel downlink, il ricevi tore è sulla Subscriber Station (SS)

(supponendo che l’utente d’interesse sia quello contrassegnato con il colore blu)

OFDMAOFDMA

a

a

a

a

b

c

c

d

d

e

e

e g

a

a

a

a

b

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c

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e gfreq

uenz

a


b

b

b

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b

b

b

e

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f

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g

g

b

b

b

e

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f

g

g

g

tempo

Esempio di griglia tempo-frequenza con 7 utenti OFDMA (a-g), con un fisso numero di sottoportanti per utente ogni 4 time slots (es. 4 sottoportanti per

lìutente a e 2 per l’utente c). 8 sottoportanti disponibili per time slot. Un time slot in generale può contenere uno o più simboli OFDM

OFDMAOFDMAConfronto con altre tecniche d’accessoTecniche di accesso a singola portante di grande importanza sono:

TDMA, usato nei sistemi di seconda generazione (2G) quali il GSM DS-CDMA, usato nei sistemi di terza generazione (3G) quali UMTS.

Queste tecniche di accesso a singola portante progettate per i sistemi di 2G e 3G forniscono i seguenti vantaggi (+) e svantaggi (-):+ generazione del segnale a bassa complessità+ basse fluttuazioni dell’inviluppo del segnale trasmesso nell’uplink (basso PAPR)+ capacità di sfruttare la selettiva in frequenza del canale (in particolare per il DS-CDMA, il


+ capacità di sfruttare la selettiva in frequenza del canale (in particolare per il DS-CDMA, il segnale viene trasmesso su una banda larga e si usa il ricevitore RAKE per sfruttare la selettiva in frequenza)

- La complessità dell’equalizzazione (nel caso TDMA) e del processamento per separare il segnale d’interesse da quello degli altri utenti (nel caso CDMA), cresce notevolmente all’aumentare della selettiva in frequenza del canale (ossia, sia se aumenta il delay spread sia che si vogliano ottenere elevati data rate) e del numero di utenti (es. complessità dell’equalizzatore nel dominio del tempo, es. Viterbi, cresce esponenzialmente al numero di cammini multipli)

OFDMAOFDMAConfronto con altre tecniche d’accessoTecniche di accesso multiportante di grande importanza sono:

Multi-carrier CDMA: esempio di combinazione tra sistemi multiportante e CDMA. Si fa prima lo spreading poi la modulazione OFDM, quindi, lo spreading è applicato nel dominio della frequenza e la separazione tra gli utenti viene fatta nel dominio dei codici (a utenti diversi codici diversi)Svantaggi del MC-CDMA:High PAPR e complessità in ricezione per avere la “user separation” in quanto, seppure il CP rende il sistema robusto all’ISI, il delay spread determina comunque


seppure il CP rende il sistema robusto all’ISI, il delay spread determina comunque la perdita di ortogonalità tra i codici assegnati ai vari utenti.

OFDMA: la separazione degli utenti è fatta nel dominio della frequenza (assegnando sottoportanti ortogonali diverse). Che le sottoportanti appartengano allo stesso utente o a utenti diversi non cambia molto; con il CP garantisco che le sottoportanti rimangano ortogonali e questo rende il sistema robusto sia all’ISI che alla MAI. Quindi, il ricevitore risulta essere meno complesso che nel caso MC-CDMA e DS-CDMA (è sempre necessaria una qualche equalizzazione, qui basta l’equalizzatore a un tappo)

OFDMAOFDMAConfronto con altre tecniche d’accessoUno dei vantaggi principali dei sistemi CDMA è la cosidetta “interference averaging”: l’intererenza è la somma di un elevato numero di segnali interferenti con fading independenti (alcuni interferenti si sommano altri sottraggono) e quindi le fluttuazioni dell’interferenza sono minori della fluttuazioni di un singolo interferente, le cui fluttuazioni possono invece essere profonde (come le fluttuazioni del segnale dovute al fading). Questo fa si che i margini di sistema possano essere minore rispetto al caso di sistemi non CDMA.

OFDMA ha un elevato PAPR (e quindi, richiede dei costosi amplificatori lineari).


OFDMA ha un elevato PAPR (e quindi, richiede dei costosi amplificatori lineari). Questo la rende inappropriata soprattuto per l’uplink (sul terminale mobile non si vogliono mettere costosi amplificatori).Questo ha fatto si che l’OFDMA venisse scelto solo per il downlink dell’interfaccia LTE, dove il problema del PAPR è meno importante, mentre nell’uplink si e’ scelto una tecnica che è un ibrido tra CDMA e OFDMA: IFDMA (Interleaved FDMA).

Si noti che l’OFDMA senza codifica di canale non riesce ad ottenere un guadagno di diversità in frequenza come i sistemi DS-CDMA o anche MC-CDMA.

OFDMAOFDMARiassumendo:OFDMA ha:� un ricevitore semplice che lavora bene sia in presenza di elevata selettività del canale sia con molti utenti�Tuttavia ha un elevato PAPR

I sistemi a singola portante hanno :�basso PAPR�Maggiore robustezza ad altri tipi di interferenza o alle non idealità�ma ricevitore in genere complesso all’aumentare degli utenti o del delay spread.


�ma ricevitore in genere complesso all’aumentare degli utenti o del delay spread.

Uno dei piu’ grandi vantaggi dell’OFDMA è comunque u n altro:

Grande flessibilità e granularità nell’assegnazione dinamica delle risorse:1) posso fare l’adaptive loading portante per portante2) posso assegnare piu’ o meno portanti agli utenti a secondo delle loro

condizioni di canale (multiuser diversity) o della banda disponibile (scalabilità)

OFDMAOFDMATecniche adattative (in generale)L’idea è di adattare le potenza o la data rate (scegliendo opportunamente la modulazione e/o la codifica di canale) in base alle condizioni istantanee del canale.Per poterle applicare è necessario un canale di ritorno tra RX e TX, al fine di poter mandare la stima del canale fatta al Rx al TX (a meno che non si usa una multiplazione di tipo TDD). Permettono di dimensionare il sistema non per le condizioni di propagazione peggiori, ma per condizioni medie. Quando le condizioni di propagazione sono migliori del caso peggiore, posso trasmettere più informazione nell’unità di tempo, quando le condizioni di propagazione sono cattive, si trasmette con una efficienza spettrale minore.


OFDMAOFDMATecniche adattative (in generale)Esempio di modulazione adattavita basata sulla stima dell’SNR


Se l’SNR è maggiore di 26dB (circa) allora si può usare una 64-QAM, che massimizza l’efficienza spettrale. Se le condizioni di canale peggiorano e l’SNR scende a un valore compreso tra 20-26dB allora, si può usare una 16-QAM, se scende sotto i 10dB, non c’e’ modo di garantire quella BER e si ha il “fuori servizio”.

OFDMAOFDMATecniche adattative (in generale)

Relativamente alla codifica, se le condizioni di propagazione effettive sono peggiori di quelle medie per cui si è progettato il sistema, allora si può usare un codice con una ridondanza maggiore, ma anche un guadagno di codifica maggiore (chiaramente, il guadagno di codifica deve essere maggiore della riduzione dell’ Eb/N0 dovuta all’aumento della ridondanza che deriva dall’usare un codice con Rc minore).

In generale, aumentare la frequenza di codifica Rc significa ridurre la ridondanza introdotta dal codice e quindi, una efficienza spettrale maggiore (maggiore informazione è trasmessa per unità di banda), ma minore protezione dagli errori; ridurre Rc significa introdurre


per unità di banda), ma minore protezione dagli errori; ridurre Rc significa introdurre maggiore ridondanza, e quindi maggiore protezione a spese di una minore efficienza spettrale.


Come variare la frequenza di codifica senza dover realizzare troppi codec in parallelo?

Tecnica del puncturing, tolgo dei bit alle parole di codice in modo noto e a partire dal codice madre ottengo dei codici con rate maggiori e prestazioni minori

:

Code rate Matrice di puncturing Free distance for NASA standard K=7convolutional code

1/2 1 10


1/2 11

10

2/3 1011

6

3/4 101110

5

5/6 1010111010

4

7/8 10001011111010

3


Efficacia delle tecniche adattative e di quelle con diversità in funziona della variabilità del canale


OFDMAOFDMATecniche adattative, caso OFDM

Le sottoportanti con guadagni di canale maggiori utilizzano modulazioni di ordine superiore per portare più bit, mentre sottopotanti in “deep fade” portanto un bit o anche nessun simbolo.

Inoltre, siccome le diverse sottoportanti sperimentano un’attenuazione diversa e trasmettono differenti numeri di bits, anche il livello di potenza con cui vengono trasmessi devono cambiare. Studi sull’allocazione ottima della potenza nelle sottoportanti sono stati fatti [1].


[1] B. S. Krongold, K. Ramchandran, and D. L. Jones, “Computationally efficient optimal power allocation algorithm for multicarrier communication systems,” in Proc. IEEE Int. Conf. Communications (ICC’98),

Atlanta, GA, pp. 1018–1022.

OFDMAOFDMATecniche adattative, caso OFDM

Si noti che quando si usa la modulazione adattativa con l’OFDM, una buona porzione di sottoportanti potrebbe non essere usata (perchè in deep fade)Se uso l’OFDM con una tecnica d’accesso multiplo di tipo TDMA, ad ogni utente è assegnata un diverso time slot per trasmettere e se in quel time slot alcune sottoportanti non sono utilizzate, non possono essere usate da altri utenti che invece vedono le stesse sottoportanti con un’attenuazione diversa

Nel caso OFDMA, si può invece pensare ad un’allocazione delle sottoportanti tra gli utenti, nei vari time slot, che tenga conto delle condizioni di canale: la scelta della sottoportante da occupare, del numero di bit e della potenza da allocare per


sottoportante da occupare, del numero di bit e della potenza da allocare per sottoportante, dipende dalla condizioni di canale di tutti gli utenti. Può succedere che ad un utente non venga assegnata la propria sottoportante “migliore” perchè quella è la sottoportante migliore anche di un altro utente che ha tutte le sottoportanti in deep fade. Comunque, in media aumenta l’efficienza spettrale del sistema perchè uso delle sottoportanti che altrimenti non usarei.

Approfondimento: Cheong Yui Wong, Roger S. Cheng, Khaled Ben Letaief, and Ross D. Murch, “Multiuser OFDM with Adaptive Subcarrier, Bit, and Power Allocation” IEEE JOURNAL ON SELECTED AREAS IN COMMUNICATIONS, VOL. 17, NO. 10, OCTOBER 1999

OFDMAOFDMAScheduling adattativo nel dominio della frequenza e multiuser diversity

Nell’interfaccia radio LTE, si

prevede un’adattamento

Si può anche pensare ad assegnare più sottoportanti all’utente con condizioni di canale migliori e meno a quelli con condizioni di canale peggiori. Questo concetto di scheduling adattativo è già presente nei sistemi 3G e 3.5G (High Speed Packet Access, HSPA), la novità è che ora si può applicare anche nel dominio della frequenza.


un’adattamento su base

1ms/180kHz


Supponiamo di avere un sistema OFDMA con K utenti e di dover allocare ogni volta una sottoportante all’utente con guadagno di canale (per sottoportante) massimo. I guadagni di canale h sono supposti v.a. i.i.d. distribuite alla Rayleigh.

Al crescere del numero degli utenti aumenta la

probabilità di trasmettere su di una


Funzione densità di probabilità

trasmettere su di una sottoportante con guadagno elevato.


La possibilità di fare un’assegnazione delle sottoportanti tra i vari utenti in base alle condizioni di canal porta ad un guadagno in termini di:1) Capacità (o throughput, ossia, numero di bit trasmessi con successo nell’unità

di tempo)2) In termini di affidabilità3) In termini di area di copertura


Questo guadagno che aumenta all’aumentare del numero degli utenti, implica che si sta utilizzando una forma di multiuser diversity

OFDMAOFDMA[1] C. Y. Wong, R. S. Ceng, K. B. Letaief, and R. D. Murch, “Multiuser OFDM with adaptive subcarrier, bit, and power allocation,” IEEE J. Selected Areas Commun., vol. 17, pp. 1747–1758, Oct. 1999.[2] J. Jang and K. B. Lee, “Transmit power adaptation for multiuser OFDM systems,” IEEE Journal on Selected Areas in Commun., vol. 21, pp. 171–178, Feb 2003.[3] S. Tsai, Y. Lin, and C.-C. Kuo, “An approximately MAI-free multiaccess OFDM system in carrier frequency offset environment,” IEEE Trans. Signal Processing, vol. 53, pp. 4339–4353, Nov. 2005.[4] C. Mohanram and S. Bhashyam, “A sub-optimal joint subcarrier and power


[4] C. Mohanram and S. Bhashyam, “A sub-optimal joint subcarrier and power allocation algorithm for multiuser OFDM,”IEEE Commun. Letters, vol. 9, pp. 685–687, Aug. 2005.[5] Z. Shen, J. Andrews, and B. Evans, “Adaptive resource allocation in multiuser OFDM systems with proportional rate constraints,” IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 4, pp. 726–2737, Nov. 2005.[6] J. Gross, H.-F. Geerdes, H. Karl, and A. Wolisz, “Performance analysis of dynamic OFDMA systems with inband signaling,” IEEE J. Selected Areas Commun., vol. 24, pp. 427–436, March 2006.

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