Multiplexación por división de frecuencia ortogonal

Método de codificación de datos digitales en múltiples frecuencias portadoras.

En telecomunicaciones , la multiplexación por división de frecuencia ortogonal ( OFDM ) es un tipo de transmisión digital utilizada en modulación digital para codificar datos digitales (binarios) en múltiples frecuencias portadoras . OFDM se ha convertido en un esquema popular para la comunicación digital de banda ancha , utilizado en aplicaciones como televisión digital y transmisión de audio, acceso a Internet DSL , redes inalámbricas , redes de líneas eléctricas y comunicaciones móviles 4G / 5G . ^[1]

OFDM es un esquema de multiplexación por división de frecuencia (FDM) que fue introducido por Robert W. Chang de Bell Labs en 1966. ^{[2] [3] [4]} En OFDM, el flujo de bits entrante que representa los datos a enviar se divide en múltiples corrientes. Se transmiten múltiples señales subportadoras ortogonales estrechamente espaciadas con espectros superpuestos, y cada portadora se modula con bits del flujo entrante, de modo que se transmiten múltiples bits en paralelo. ^[5] La demodulación se basa en algoritmos rápidos de transformada de Fourier . Weinstein y Ebert mejoraron OFDM en 1971 con la introducción de un intervalo de guarda , que proporcionaba una mejor ortogonalidad en los canales de transmisión afectados por la propagación por trayectos múltiples. ^[6] Cada subportadora (señal) se modula con un esquema de modulación convencional (como modulación de amplitud en cuadratura o manipulación por desplazamiento de fase ) a una velocidad de símbolo baja . Esto mantiene velocidades de datos totales similares a los esquemas de modulación de una sola portadora convencionales en el mismo ancho de banda. ^[7]

Impulsos consecutivos de coseno elevado, que demuestran la propiedad de ISI cero ; estos se parecen mucho al espectro de potencia OFDM (dominio de frecuencia).

La principal ventaja de OFDM sobre los esquemas de portadora única es su capacidad para hacer frente a condiciones severas del canal (por ejemplo, atenuación de altas frecuencias en un cable de cobre largo, interferencia de banda estrecha y desvanecimiento selectivo de frecuencia debido a trayectos múltiples ) sin la necesidad de una ecualización compleja. filtros. La ecualización de canales se simplifica porque se puede considerar que OFDM utiliza muchas señales de banda estrecha moduladas lentamente en lugar de una señal de banda ancha modulada rápidamente . La baja tasa de símbolos hace que el uso de un intervalo de guarda entre símbolos sea asequible, lo que permite eliminar la interferencia entre símbolos (ISI) y utilizar ecos y dispersión de tiempo (en televisión analógica, visibles como imágenes fantasma y borrosas, respectivamente) para lograr una ganancia de diversidad . es decir, una mejora de la relación señal/ruido . Este mecanismo también facilita el diseño de redes de frecuencia única (SFN) donde varios transmisores adyacentes envían la misma señal simultáneamente en la misma frecuencia, ya que las señales de múltiples transmisores distantes pueden recombinarse de manera constructiva, evitando la interferencia de un sistema tradicional de una sola portadora. .

En la multiplexación por división de frecuencia ortogonal codificada ( COFDM ), se aplican corrección de errores directa (codificación convolucional) y entrelazado de tiempo/frecuencia a la señal que se transmite. Esto se hace para superar errores en los canales de comunicación móvil afectados por la propagación por trayectos múltiples y los efectos Doppler . COFDM fue introducido por Alard en 1986 ^{[8] [9] [10]} para la radiodifusión de audio digital para el Proyecto Eureka 147. En la práctica, OFDM se ha utilizado en combinación con dicha codificación y entrelazado, de modo que los términos COFDM y OFDM se aplican conjuntamente. a aplicaciones comunes. ^{[11] [12]}

Ejemplo de aplicaciones

La siguiente lista es un resumen de los estándares y productos existentes basados ​​en OFDM. Para obtener más detalles, consulte la sección Uso al final del artículo.

Versión con cable conocida principalmente como transmisión multitono discreta (DMT)

• Acceso de banda ancha ADSL y VDSL mediante cableado de cobre POTS
• DVB-C 2, una versión mejorada del estándar de televisión por cable digital DVB-C
• Comunicación por línea eléctrica (PLC)
• ITU-T G.hn , un estándar que proporciona redes de área local de alta velocidad para cableado doméstico existente (líneas eléctricas, líneas telefónicas y cables coaxiales) ^[13]
• Módems de línea telefónica TrailBlazer
• Redes domésticas multimedia sobre Coax Alliance (MoCA)
• DOCSIS 3.1 Entrega de banda ancha

Inalámbrico

• Las interfaces de radio LAN inalámbrica (WLAN) IEEE 802.11a , g , n , ac , ah y HIPERLAN/2
• Los sistemas de radio digital DAB/EUREKA 147 , DAB+ , Digital Radio Mondiale , HD Radio , T-DMB e ISDB-TSB
• Los sistemas de televisión digital terrestre DVB-T e ISDB-T
• Los sistemas de TV móvil terrestre DVB-H , T-DMB , ISDB-T y MediaFLO forward link
• La implementación IEEE 802.15.3a de banda ultra ancha (UWB) de red de área personal inalámbrica (PAN ) sugerida por WiMedia Alliance
• Wi-SUN (red ubicua inteligente)

La tecnología de acceso múltiple basada en OFDM OFDMA también se utiliza en varias redes celulares 4G y anteriores a 4G , estándares de banda ancha móvil , la WLAN de próxima generación y la parte cableada de las redes híbridas de fibra-coaxial : ^{[ cita necesaria ]}

• El modo de movilidad del estándar inalámbrico MAN / acceso inalámbrico de banda ancha (BWA) IEEE 802.16e (o Mobile- WiMAX )
• El estándar de acceso inalámbrico de banda ancha móvil (MBWA) IEEE 802.20
• El enlace descendente del estándar de banda ancha móvil de cuarta generación 3GPP Long Term Evolution (LTE). La interfaz de radio anteriormente se denominaba Acceso a paquetes OFDM de alta velocidad (HSOPA), y ahora se denomina Acceso de radio terrestre UMTS evolucionado (E-UTRA).
• WLANIEEE 802.11ax
• DOCSIS 3.1 Ascendente ^[14]

Características clave

Las ventajas y desventajas que se enumeran a continuación se analizan con más detalle en la sección Características y principios de funcionamiento a continuación.

Resumen de ventajas

• Alta eficiencia espectral en comparación con otros esquemas de modulación de doble banda lateral , espectro ensanchado , etc.
• Puede adaptarse fácilmente a condiciones severas del canal sin una ecualización compleja en el dominio del tiempo.
• Robusto contra interferencias cocanal de banda estrecha
• Robusto contra la interferencia entre símbolos (ISI) y el desvanecimiento causado por la propagación por trayectos múltiples
• Implementación eficiente utilizando la rápida transformada de Fourier
• Baja sensibilidad a errores de sincronización horaria.
• No se requieren filtros de receptor de subcanal sintonizados (a diferencia del FDM convencional )
• Facilita redes de frecuencia única (SFN) (es decir, macrodiversidad de transmisores )

Resumen de desventajas

• Sensible al desplazamiento Doppler
• Sensible a problemas de sincronización de frecuencia
• Alta relación de potencia pico a promedio (PAPR), que requiere un circuito de transmisor lineal, que adolece de una eficiencia energética deficiente
• Pérdida de eficiencia causada por prefijo cíclico / intervalo de guardia

Características y principios de funcionamiento.

Ortogonalidad

Conceptualmente, OFDM es un método especializado de multiplexación por división de frecuencia (FDM), con la restricción adicional de que todas las señales subportadoras dentro de un canal de comunicación son ortogonales entre sí.

En OFDM, las frecuencias de las subportadoras se eligen de modo que las subportadoras sean ortogonales entre sí, lo que significa que se elimina la diafonía entre los subcanales y no se requieren bandas de guarda entre portadoras. Esto simplifica enormemente el diseño tanto del transmisor como del receptor ; a diferencia del FDM convencional, no se requiere un filtro separado para cada subcanal.

La ortogonalidad requiere que el espaciado entre subportadoras sea Hertz , donde T _U segundos es la duración útil del símbolo (el tamaño de la ventana del lado del receptor), y k es un entero positivo, típicamente igual a 1. Esto estipula que cada frecuencia portadora sufre k más completa. ciclos por período de símbolo que el operador anterior. Por lo tanto, con N subportadoras, el ancho de banda total de la banda de paso será B ≈ N ·Δ f (Hz). ${\displaystyle \scriptstyle \Delta f\,=\,{\frac {k}{T_{U}}}}$

La ortogonalidad también permite una alta eficiencia espectral , con una tasa de símbolo total cercana a la tasa de Nyquist para la señal de banda base equivalente (es decir, cerca de la mitad de la tasa de Nyquist para la señal de banda de paso física de banda de doble cara). Se puede utilizar casi toda la banda de frecuencia disponible. OFDM generalmente tiene un espectro casi "blanco", lo que le confiere propiedades de interferencia electromagnética benignas con respecto a otros usuarios del mismo canal.

Un ejemplo simple: una duración de símbolo útil T _U = 1 ms requeriría un espaciado de subportadora de (o un múltiplo entero de ese) para la ortogonalidad. N = 1000 subportadoras darían como resultado un ancho de banda de paso total de N Δf = 1 MHz. Para este tiempo de símbolo, el ancho de banda requerido en teoría según Nyquist es (la mitad del ancho de banda logrado requerido por nuestro esquema), donde R es la velocidad de bits y donde N = 1000 muestras por símbolo por FFT. Si se aplica un intervalo de guardia (ver más abajo), el requisito de ancho de banda de Nyquist sería aún menor. La FFT daría como resultado N = 1000 muestras por símbolo. Si no se aplicara ningún intervalo de guarda, esto daría como resultado una señal de valor complejo de banda base con una frecuencia de muestreo de 1 MHz, lo que requeriría un ancho de banda de banda base de 0,5 MHz según Nyquist. Sin embargo, la señal de RF de banda de paso se produce multiplicando la señal de banda base con una forma de onda portadora (es decir, modulación de amplitud en cuadratura de doble banda lateral), lo que da como resultado un ancho de banda de banda de paso de 1 MHz. Un esquema de modulación de banda lateral única (SSB) o banda lateral vestigial (VSB) lograría casi la mitad de ese ancho de banda para la misma velocidad de símbolos (es decir, el doble de eficiencia espectral para la misma longitud de alfabeto de símbolos). Sin embargo, es más sensible a las interferencias por trayectos múltiples. ${\displaystyle \scriptstyle \Delta f\,=\,{\frac {1}{1\,\mathrm {ms} }}\,=\,1\,\mathrm {kHz} }$ ${\displaystyle \scriptstyle \mathrm {BW} =R/2=(N/T_{U})/2=0.5\,\mathrm {MHz} }$

OFDM requiere una sincronización de frecuencia muy precisa entre el receptor y el transmisor; con la desviación de frecuencia, las subportadoras ya no serán ortogonales, lo que provocará interferencia entre portadoras (ICI) (es decir, diafonía entre las subportadoras). Los desplazamientos de frecuencia generalmente son causados ​​por osciladores del transmisor y del receptor que no coinciden, o por un desplazamiento Doppler debido al movimiento. Si bien el receptor puede compensar el desplazamiento Doppler por sí solo, la situación empeora cuando se combina con trayectorias múltiples , ya que aparecerán reflexiones en varios desplazamientos de frecuencia, lo que es mucho más difícil de corregir. Este efecto normalmente empeora a medida que aumenta la velocidad ^[15] y es un factor importante que limita el uso de OFDM en vehículos de alta velocidad. Para mitigar la ICI en tales escenarios, se puede dar forma a cada subportadora para minimizar la interferencia que resulta en una superposición de subportadoras no ortogonales. ^[16] Por ejemplo, un esquema de baja complejidad denominado WCP-OFDM ( Weighted Cyclic Prefix Orthogonal Frequency-Division Multiplexing ) consiste en utilizar filtros cortos en la salida del transmisor para realizar una conformación de pulso potencialmente no rectangular y una Reconstrucción perfecta utilizando una ecualización de un solo toque por subportadora. ^[17] Otras técnicas de supresión de ICI suelen aumentar drásticamente la complejidad del receptor. ^[18]

Implementación utilizando el algoritmo FFT.

La ortogonalidad permite una implementación eficiente del modulador y demodulador utilizando el algoritmo FFT en el lado del receptor y FFT inversa en el lado del remitente. Aunque los principios y algunos de sus beneficios se conocen desde la década de 1960, OFDM es popular para las comunicaciones de banda ancha hoy en día a través de componentes de procesamiento de señales digitales de bajo costo que pueden calcular eficientemente la FFT.

El tiempo para calcular la FFT inversa o FFT debe ser menor que el tiempo para cada símbolo, ^{[19] : 84} lo que, por ejemplo, para DVB-T (FFT 8k) significa que el cálculo debe realizarse en 896 µs o menos.

Para una FFT de 8192 puntos , esto puede aproximarse a: ^{[19] [ se necesita aclaración ]}

${\displaystyle {\begin{aligned}\mathrm {MIPS} &={\frac {\mathrm {computational\ complexity} }{T_{\mathrm {symbol} }}}\times 1.3\times 10^{-6}\\&={\frac {147\;456\times 2}{896\times 10^{-6}}}\times 1.3\times 10^{-6}\\&=428\end{aligned}}}$

• MIPS: Millones de instrucciones por segundo

La demanda computacional aumenta aproximadamente linealmente con el tamaño de la FFT, por lo que una FFT de doble tamaño necesita el doble de tiempo y viceversa. ^{[19] : 83} A modo de comparación, una CPU Intel Pentium III a 1,266 GHz es capaz de calcular una FFT de 8192 puntos en 576 µs utilizando FFTW . ^[20] El Intel Pentium M a 1,6 GHz lo hace en 387 µs. ^[21] Intel Core Duo a 3,0 GHz lo hace en 96,8 µs . ^[22]

Intervalo de guardia para la eliminación de interferencias entre símbolos.

Un principio clave de OFDM es que, dado que los esquemas de modulación de baja velocidad de símbolos (es decir, donde los símbolos son relativamente largos en comparación con las características de tiempo del canal) sufren menos interferencia entre símbolos causada por la propagación por trayectos múltiples , es ventajoso transmitir una serie de señales de baja velocidad. transmisiones en paralelo en lugar de una única transmisión de alta velocidad. Dado que la duración de cada símbolo es larga, es factible insertar un intervalo de guarda entre los símbolos OFDM, eliminando así la interferencia entre símbolos.

El intervalo de guarda también elimina la necesidad de un filtro de configuración de pulsos y reduce la sensibilidad a los problemas de sincronización horaria.

Un ejemplo simple: si uno envía un millón de símbolos por segundo usando modulación convencional de portadora única a través de un canal inalámbrico, entonces la duración de cada símbolo sería de un microsegundo o menos. Esto impone graves restricciones a la sincronización y requiere la eliminación de la interferencia multitrayecto. Si el mismo millón de símbolos por segundo se distribuyen entre mil subcanales, la duración de cada símbolo puede ser mayor en un factor de mil (es decir, un milisegundo) para ortogonalidad con aproximadamente el mismo ancho de banda. Supongamos que se inserta un intervalo de guarda de 1/8 de la longitud del símbolo entre cada símbolo. La interferencia entre símbolos puede evitarse si la dispersión temporal por trayectos múltiples (el tiempo entre la recepción del primer y el último eco) es más corta que el intervalo de guarda (es decir, 125 microsegundos). Esto corresponde a una diferencia máxima de 37,5 kilómetros entre las longitudes de los senderos.

El prefijo cíclico , que se transmite durante el intervalo de guarda, consiste en el final del símbolo OFDM copiado en el intervalo de guarda, y el intervalo de guarda se transmite seguido del símbolo OFDM. La razón por la que el intervalo de guarda consiste en una copia del final del símbolo OFDM es para que el receptor se integre en un número entero de ciclos sinusoide para cada uno de los trayectos múltiples cuando realice la demodulación OFDM con la FFT.

En algunos estándares, como Ultrawideband , en aras de la potencia transmitida, se omite el prefijo cíclico y no se envía nada durante el intervalo de guarda. Luego, el receptor tendrá que imitar la funcionalidad del prefijo cíclico copiando la parte final del símbolo OFDM y agregándolo a la parte inicial.

Ecualización simplificada

Los efectos de las condiciones del canal selectivo en frecuencia, por ejemplo el desvanecimiento causado por la propagación por trayectos múltiples, pueden considerarse constantes (planos) en un subcanal OFDM si el subcanal tiene una banda lo suficientemente estrecha (es decir, si el número de subcanales canales es suficientemente grande). Esto hace posible la ecualización en el dominio de la frecuencia en el receptor , que es mucho más simple que la ecualización en el dominio del tiempo utilizada en la modulación convencional de una sola portadora. En OFDM, el ecualizador solo tiene que multiplicar cada subportadora detectada (cada coeficiente de Fourier) en cada símbolo OFDM por un número complejo constante o un valor que rara vez cambia. En un nivel fundamental, los ecualizadores digitales más simples son mejores porque requieren menos operaciones, lo que se traduce en menos errores de redondeo en el ecualizador. Esos errores de redondeo pueden verse como ruido numérico y son inevitables.

Nuestro ejemplo: La ecualización OFDM en el ejemplo numérico anterior requeriría una multiplicación de valor complejo por subportadora y símbolo (es decir, multiplicaciones complejas por símbolo OFDM; es decir, un millón de multiplicaciones por segundo, en el receptor). El algoritmo FFT requiere [esto es impreciso: más de la mitad de estas multiplicaciones complejas son triviales, es decir = a 1 y no están implementadas en software o HW]. multiplicaciones de valores complejos por símbolo OFDM (es decir, 10 millones de multiplicaciones por segundo), tanto en el lado del receptor como en el del transmisor. Esto debe compararse con el correspondiente caso de modulación de un millón de símbolos/segundo de una sola portadora mencionado en el ejemplo, donde la ecualización de 125 microsegundos de ensanchamiento de tiempo usando un filtro FIR requeriría, en una implementación ingenua, 125 multiplicaciones por símbolo (es decir, 125 millones de multiplicaciones por segundo). Se pueden utilizar técnicas FFT para reducir el número de multiplicaciones de un ecualizador en el dominio del tiempo basado en un filtro FIR a un número comparable con OFDM, a costa de un retraso entre la recepción y la decodificación que también se vuelve comparable con OFDM. ${\displaystyle \scriptstyle N\,=\,1000}$ ${\displaystyle \scriptstyle N\log _{2}N\,=\,10,000}$

Si se aplica modulación diferencial como DPSK o DQPSK a cada subportadora, la ecualización se puede omitir por completo, ya que estos esquemas no coherentes son insensibles a los cambios lentos de amplitud y distorsión de fase .

En cierto sentido, las mejoras en la ecualización FIR utilizando FFT o FFT parciales conducen matemáticamente más cerca de OFDM, ^{[ cita necesaria ]} pero la técnica OFDM es más fácil de entender e implementar, y los subcanales se pueden adaptar independientemente de otras maneras además de variar los coeficientes de ecualización. , como la conmutación entre diferentes patrones de constelación QAM y esquemas de corrección de errores para igualar las características de interferencia y ruido de subcanal individual. ^{[ se necesita aclaración ]}

Algunas de las subportadoras en algunos de los símbolos OFDM pueden transportar señales piloto para medir las condiciones del canal ^{[23] [24]} (es decir, la ganancia del ecualizador y el desplazamiento de fase para cada subportadora). Las señales piloto y los símbolos de entrenamiento ( preámbulos ) también se pueden utilizar para la sincronización horaria (para evitar interferencias entre símbolos, ISI) y la sincronización de frecuencias (para evitar interferencias entre portadoras, ICI, causadas por el desplazamiento Doppler).

OFDM se utilizó inicialmente para comunicaciones inalámbricas fijas y por cable. Sin embargo, con un número cada vez mayor de aplicaciones que funcionan en entornos altamente móviles, el efecto del desvanecimiento dispersivo causado por una combinación de propagación por trayectos múltiples y desplazamiento Doppler es más significativo. Durante la última década, se han realizado investigaciones sobre cómo ecualizar la transmisión OFDM en canales doblemente selectivos. ^{[25] [26] [27]}

Codificación y entrelazado de canales.

OFDM se utiliza invariablemente junto con la codificación de canales ( corrección de errores directa ) y casi siempre utiliza entrelazado de frecuencia y/o tiempo .

El entrelazado de frecuencia (subportadora) aumenta la resistencia a condiciones de canal selectivas en frecuencia, como el desvanecimiento . Por ejemplo, cuando una parte del ancho de banda del canal se desvanece, el entrelazado de frecuencias garantiza que los errores de bits que resultarían de esas subportadoras en la parte del ancho de banda desvanecida se dispersen en el flujo de bits en lugar de concentrarse. De manera similar, el entrelazado de tiempo garantiza que los bits que originalmente estaban muy juntos en el flujo de bits se transmitan muy separados en el tiempo, mitigando así el desvanecimiento severo que ocurriría al viajar a alta velocidad.

Sin embargo, el entrelazado de tiempo es de poco beneficio en canales con desvanecimiento lento, como para la recepción estacionaria, y el entrelazado de frecuencia ofrece poco o ningún beneficio para canales de banda estrecha que sufren desvanecimiento plano (donde todo el ancho de banda del canal se desvanece al mismo tiempo).

La razón por la que se utiliza el entrelazado en OFDM es para intentar distribuir los errores en el flujo de bits que se presenta al decodificador de corrección de errores, porque cuando dichos decodificadores se presentan con una alta concentración de errores, el decodificador no puede corregir todos los errores. errores de bits y se produce una ráfaga de errores no corregidos. Un diseño similar de codificación de datos de audio hace que la reproducción de discos compactos (CD) sea sólida.

Un tipo clásico de codificación de corrección de errores utilizado con sistemas basados ​​en OFDM es la codificación convolucional , a menudo concatenada con la codificación Reed-Solomon . Normalmente, se implementa un entrelazado adicional (además del entrelazado de tiempo y frecuencia mencionado anteriormente) entre las dos capas de codificación. La elección de la codificación Reed-Solomon como código de corrección de errores externo se basa en la observación de que el decodificador de Viterbi utilizado para la decodificación convolucional interna produce breves ráfagas de errores cuando hay una alta concentración de errores, y los códigos Reed-Solomon son inherentemente adecuados para corrigiendo ráfagas de errores.

Sin embargo, los sistemas más nuevos normalmente ahora adoptan tipos de códigos de corrección de errores casi óptimos que utilizan el principio de decodificación turbo, donde el decodificador itera hacia la solución deseada. Ejemplos de estos tipos de codificación de corrección de errores incluyen códigos turbo y códigos LDPC , que funcionan cerca del límite de Shannon para el canal de ruido blanco gaussiano aditivo ( AWGN ). Algunos sistemas que han implementado estos códigos los han concatenado con códigos Reed-Solomon (por ejemplo, en el sistema MediaFLO ) o BCH (en el sistema DVB-S2 ) para mejorar el nivel de error inherente a estos códigos con una relación señal- a-alta. relaciones de ruido . ^[28]

Transmisión adaptativa

La resiliencia a condiciones severas del canal puede mejorarse aún más si la información sobre el canal se envía a través de un canal de retorno. En base a esta información de retroalimentación, se puede aplicar modulación adaptativa, codificación de canal y asignación de potencia en todas las subportadoras, o individualmente a cada subportadora. En el último caso, si un rango particular de frecuencias sufre interferencia o atenuación, las portadoras dentro de ese rango pueden desactivarse o hacer que funcionen más lentamente aplicando una modulación más robusta o una codificación de errores a esas subportadoras.

El términoLa modulación multitono discreta (DMT) denota sistemas de comunicación basados ​​en OFDM que adaptan la transmisión a las condiciones del canal individualmente para cada subportadora, mediante la llamadacarga de bits. Algunos ejemplos sonADSLyVDSL.

Las velocidades ascendentes y descendentes se pueden variar asignando más o menos portadoras para cada propósito. Algunas formas de DSL con velocidad adaptable utilizan esta función en tiempo real, de modo que la tasa de bits se adapta a la interferencia cocanal y el ancho de banda se asigna al suscriptor que más lo necesita.

OFDM ampliado con acceso múltiple

OFDM en su forma primaria se considera una técnica de modulación digital y no un método de acceso a canales multiusuario , ya que se utiliza para transferir un flujo de bits a través de un canal de comunicación utilizando una secuencia de símbolos OFDM. Sin embargo, OFDM se puede combinar con acceso múltiple utilizando separación de tiempo, frecuencia o codificación de los usuarios.

En el acceso múltiple por división de frecuencia ortogonal (OFDMA), el acceso múltiple por división de frecuencia se logra asignando diferentes subcanales OFDM a diferentes usuarios. OFDMA admite una calidad de servicio diferenciada al asignar un número diferente de subportadoras a diferentes usuarios de manera similar a CDMA y, por lo tanto, se pueden evitar esquemas complejos de programación de paquetes o control de acceso al medio . OFDMA se utiliza en:

• el modo de movilidad del estándar IEEE 802.16 Wireless MAN, comúnmente conocido como WiMAX,
• el estándar MAN inalámbrico móvil IEEE 802.20 , comúnmente conocido como MBWA,
• el enlace descendente estándar de banda ancha móvil de cuarta generación 3GPP Long Term Evolution (LTE). La interfaz de radio anteriormente se denominaba Acceso a paquetes OFDM de alta velocidad (HSOPA), y ahora se denomina Acceso de radio terrestre UMTS evolucionado ( E-UTRA ).
• el enlace descendente y ascendente estándar de la red móvil de quinta generación 3GPP 5G NR (New Radio). 5G NR es el sucesor de LTE.
• el ahora desaparecido proyecto Qualcomm / 3GPP2 Ultra Mobile Broadband (UMB), pensado como sucesor de CDMA2000 , pero reemplazado por LTE.

OFDMA también es un método de acceso candidato para las redes de área regional inalámbrica (WRAN) IEEE 802.22 . El proyecto tiene como objetivo diseñar el primer estándar basado en radio cognitiva que funcione en el espectro VHF-UHF bajo (espectro de TV).

• La modificación más reciente del estándar 802.11 , concretamente 802.11ax , incluye OFDMA para una alta eficiencia y comunicación simultánea.

En el acceso múltiple por división de código multiportadora (MC-CDMA), también conocido como OFDM-CDMA, OFDM se combina con comunicación de espectro ensanchado CDMA para la separación de codificación de los usuarios. La interferencia cocanal se puede mitigar, lo que significa que se simplifica la planificación manual de frecuencias de asignación de canales fijos (FCA) o se evitan esquemas complejos de asignación dinámica de canales (DCA).

Diversidad espacial

En la radiodifusión de área amplia basada en OFDM, los receptores pueden beneficiarse de recibir señales de varios transmisores espacialmente dispersos simultáneamente, ya que los transmisores sólo interferirán destructivamente entre sí en un número limitado de subportadoras, mientras que en general reforzarán la cobertura en un área amplia. . Esto es muy beneficioso en muchos países, ya que permite el funcionamiento de redes nacionales de frecuencia única (SFN), donde muchos transmisores envían la misma señal simultáneamente a través de la misma frecuencia del canal. Las SFN utilizan el espectro disponible de manera más efectiva que las redes de transmisión multifrecuencia ( MFN ) convencionales, donde el contenido del programa se replica en diferentes frecuencias portadoras. Los SFN también dan como resultado una ganancia de diversidad en los receptores situados a medio camino entre los transmisores. El área de cobertura aumenta y la probabilidad de interrupción disminuye en comparación con un MFN, debido al aumento de la intensidad de la señal recibida promediada en todas las subportadoras.

Aunque el intervalo de guarda sólo contiene datos redundantes, lo que significa que reduce la capacidad, algunos sistemas basados ​​en OFDM, como algunos sistemas de radiodifusión, utilizan deliberadamente un intervalo de guarda largo para permitir que los transmisores estén más separados en un SFN y los intervalos de guardia más largos permiten tamaños de celda SFN más grandes. Una regla general para la distancia máxima entre transmisores en un SFN es igual a la distancia que recorre una señal durante el intervalo de guardia; por ejemplo, un intervalo de guardia de 200 microsegundos permitiría que los transmisores estuvieran separados 60 km.

Una red de frecuencia única es una forma de macrodiversidad de transmisores . El concepto se puede utilizar aún más en redes dinámicas de frecuencia única (DSFN), donde la agrupación SFN se cambia de un intervalo de tiempo a otro.

OFDM se puede combinar con otras formas de diversidad espacial , por ejemplo conjuntos de antenas y canales MIMO . Esto se hace en los estándares de LAN inalámbrica IEEE 802.11 .

Amplificador de potencia de transmisor lineal

Una señal OFDM exhibe una alta relación de potencia pico a promedio (PAPR) porque las fases independientes de las subportadoras significan que a menudo se combinarán de manera constructiva. Manejar este alto PAPR requiere:

• Un convertidor digital a analógico (DAC) de alta resolución en el transmisor
• Un convertidor analógico a digital (ADC) de alta resolución en el receptor
• Una cadena de señal lineal

Cualquier no linealidad en la cadena de señal causará una distorsión de intermodulación que

• Eleva el piso de ruido
• Puede causar interferencias entre operadores
• Genera radiación espuria fuera de banda

El requisito de linealidad es exigente, especialmente para los circuitos de salida de RF del transmisor, donde los amplificadores a menudo están diseñados para ser no lineales con el fin de minimizar el consumo de energía. En los sistemas OFDM prácticos, se permite una pequeña cantidad de recorte de picos para limitar el PAPR en un equilibrio prudente contra las consecuencias anteriores. Sin embargo, el filtro de salida del transmisor que se requiere para reducir las espuelas fuera de banda a niveles legales tiene el efecto de restaurar los niveles máximos que fueron recortados, por lo que el recorte no es una forma eficaz de reducir la PAPR.

Aunque la eficiencia espectral de OFDM es atractiva para las comunicaciones tanto terrestres como espaciales, los altos requisitos de PAPR han limitado hasta ahora las aplicaciones de OFDM a los sistemas terrestres.

El factor de cresta CF (en dB) para un sistema OFDM con n subportadoras no correlacionadas es ^[29]

${\displaystyle CF=10\log _{10}(n)+CF_{c}}$

donde CF _c es el factor de cresta (en dB) para cada subportadora. (CF _c es 3,01 dB para las ondas sinusoidales utilizadas para la modulación BPSK y QPSK).

Por ejemplo, la señal DVB-T en modo 2K se compone de 1705 subportadoras, cada una de las cuales está modulada en QPSK, lo que da un factor de cresta de 35,32 dB. ^[29]

Se han desarrollado muchas técnicas de reducción de PAPR (o factor de cresta ), basadas, por ejemplo, en el recorte iterativo. ^[30] A lo largo de los años, se han propuesto numerosos enfoques basados ​​en modelos para reducir el PAPR en los sistemas de comunicación. En los últimos años, ha habido un interés creciente en explorar modelos basados ​​en datos para la reducción de PAPR como parte de la investigación en curso en redes de comunicación de extremo a extremo. Estos modelos basados ​​en datos ofrecen soluciones innovadoras y nuevas vías de exploración para abordar de manera efectiva los desafíos que plantea una PAPR alta. Aprovechando las técnicas basadas en datos, los investigadores pretenden mejorar el rendimiento y la eficiencia de las redes de comunicación optimizando la utilización de la energía.^[31]

El rango dinámico requerido para un receptor de FM es de 120 dB , mientras que DAB sólo requiere unos 90 dB. ^[32] A modo de comparación, cada bit adicional por muestra aumenta el rango dinámico en 6 dB.

Comparación de eficiencia entre operador único y operador múltiple

El rendimiento de cualquier sistema de comunicación se puede medir en términos de su eficiencia energética y de ancho de banda. La eficiencia energética describe la capacidad del sistema de comunicación para preservar la tasa de error de bits ( BER ) de la señal transmitida a niveles de potencia bajos. La eficiencia del ancho de banda refleja la eficiencia con la que se utiliza el ancho de banda asignado y se define como la velocidad de transmisión de datos por hercio en un ancho de banda determinado. Si se utiliza una gran cantidad de subportadoras, la eficiencia del ancho de banda de un sistema multiportadora como OFDM con el uso de un canal de fibra óptica se define como ^[33]

${\displaystyle \eta =2{\frac {R_{s}}{B_{\text{OFDM}}}}}$

donde es la velocidad de símbolo en gigasímbolos por segundo (Gsps), es el ancho de banda de la señal OFDM y el factor de 2 se debe a los dos estados de polarización en la fibra. ${\displaystyle R_{s}}$ ${\displaystyle B_{\text{OFDM}}}$

Se ahorra ancho de banda mediante el uso de modulación multiportadora con multiplexación por división de frecuencia ortogonal. Por lo tanto, el ancho de banda para el sistema multiportadora es menor en comparación con el sistema de una sola portadora y, por lo tanto, la eficiencia del ancho de banda del sistema multiportadora es mayor que la del sistema de una sola portadora.

Solo hay  un aumento de 1 dB en la potencia del receptor, pero obtenemos una mejora del 76,7% en la eficiencia del ancho de banda al utilizar la técnica de transmisión multiportadora.

Modelo de sistema idealizado

Esta sección describe un modelo de sistema OFDM idealizado simple adecuado para un canal AWGN invariante en el tiempo .

Transmisor

Una señal portadora OFDM es la suma de varias subportadoras ortogonales, donde los datos de banda base en cada subportadora se modulan de forma independiente, comúnmente utilizando algún tipo de modulación de amplitud en cuadratura (QAM) o modulación por desplazamiento de fase (PSK). Esta señal de banda base compuesta se utiliza normalmente para modular una portadora de RF principal .

${\displaystyle s[n]}$es un flujo en serie de dígitos binarios. Mediante multiplexación inversa , estos primero se demultiplexan en flujos paralelos y cada uno se asigna a un flujo de símbolos (posiblemente complejo) utilizando alguna constelación de modulación ( QAM , PSK , etc.). Tenga en cuenta que las constelaciones pueden ser diferentes, por lo que algunas transmisiones pueden tener una tasa de bits más alta que otras. ${\displaystyle N}$

Se calcula una FFT inversa en cada conjunto de símbolos, dando un conjunto de muestras complejas en el dominio del tiempo. Estas muestras luego se mezclan en cuadratura para pasar la banda de la manera estándar. Los componentes reales e imaginarios se convierten primero al dominio analógico mediante convertidores de digital a analógico (DAC); Las señales analógicas se utilizan luego para modular ondas coseno y sinusoidales en la frecuencia portadora , respectivamente. Luego, estas señales se suman para dar la señal de transmisión . ${\displaystyle f_{\text{c}}}$ ${\displaystyle s(t)}$

Receptor

El receptor capta la señal , que luego se mezcla en cuadratura hasta la banda base utilizando ondas coseno y sinusoidal en la frecuencia portadora . Esto también crea señales centradas en , por lo que se utilizan filtros de paso bajo para rechazarlas. Luego, las señales de banda base se muestrean y digitalizan utilizando convertidores analógicos a digitales (ADC), y se utiliza una FFT directa para convertirlas nuevamente al dominio de la frecuencia. ${\displaystyle r(t)}$ ${\displaystyle 2f_{\text{c}}}$

Esto devuelve flujos paralelos, cada uno de los cuales se convierte en un flujo binario utilizando un detector de símbolos apropiado . Estos flujos luego se vuelven a combinar en un flujo en serie, que es una estimación del flujo binario original en el transmisor. ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle {\hat {s}}[n]}$

Descripción matemática

Sistema de subportadoras de señales OFDM después de FFT

Si se utilizan subportadoras y cada subportadora se modula utilizando símbolos alternativos, el alfabeto de símbolos OFDM consta de símbolos combinados. ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle M}$ ${\displaystyle M^{N}}$

El filtro OFDM equivalente de paso bajo se expresa como:

${\displaystyle \nu (t)=\sum _{k=0}^{N-1}X_{k}e^{j2\pi kt/T},\quad 0\leq t<T,}$

donde están los símbolos de datos, es el número de subportadoras y es el tiempo del símbolo OFDM. El espaciado de las subportadoras las hace ortogonales en cada período de símbolo; esta propiedad se expresa como: ${\displaystyle \{X_{k}\}}$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle T}$ ${\textstyle {\frac {1}{T}}}$

${\displaystyle {\begin{aligned}&{\frac {1}{T}}\int _{0}^{T}\left(e^{j2\pi k_{1}t/T}\right)^{*}\left(e^{j2\pi k_{2}t/T}\right)dt\\{}={}&{\frac {1}{T}}\int _{0}^{T}e^{j2\pi \left(k_{2}-k_{1}\right)t/T}dt=\delta _{k_{1}k_{2}}\end{aligned}}}$

donde denota el operador conjugado complejo y es el delta de Kronecker . ${\displaystyle (\cdot )^{*}}$ ${\displaystyle \delta \,}$

Para evitar interferencias entre símbolos en canales con desvanecimiento por trayectos múltiples, se inserta un intervalo de guarda de longitud antes del bloque OFDM. Durante este intervalo, se transmite un prefijo cíclico de modo que la señal en el intervalo es igual a la señal en el intervalo . La señal OFDM con prefijo cíclico es así: ${\displaystyle T_{\text{g}}}$ ${\displaystyle -T_{\text{g}}\leq t<0}$ ${\displaystyle (T-T_{\text{g}})\leq t<T}$

${\displaystyle \nu (t)=\sum _{k=0}^{N-1}X_{k}e^{j2\pi kt/T},\quad -T_{\text{g}}\leq t<T}$

El filtro de señal de paso bajo anterior puede ser de valor real o complejo. Las señales equivalentes de paso bajo de valor real generalmente se transmiten en banda base; las aplicaciones alámbricas como DSL utilizan este enfoque. Para aplicaciones inalámbricas, la señal de paso bajo suele tener un valor complejo; en cuyo caso, la señal transmitida se convierte a una frecuencia portadora . En general, la señal transmitida se puede representar como: ${\displaystyle f_{\text{c}}}$

${\displaystyle {\begin{aligned}s(t)&=\Re \left\{\nu (t)e^{j2\pi f_{c}t}\right\}\\&=\sum _{k=0}^{N-1}|X_{k}|\cos \left(2\pi \left[f_{\text{c}}+{\frac {k}{T}}\right]t+\arg[X_{k}]\right)\end{aligned}}}$

Uso

OFDM se utiliza en:

• Radio Digital Mundial (DRM)
• Transmisión de audio digital (DAB)
• Televisión digital DVB-T / T2 (terrestre), ATSC 3.0 (terrestre), DVB-H (portátil), DMB-T/H , DVB-C2 (cable)
• LAN inalámbrica IEEE 802.11a , IEEE 802.11g , IEEE 802.11n , IEEE 802.11ac e IEEE 802.11ad
• WiFi
• Li-Fi
• ADSL ( G.dmt / UIT G.992.1 )
• Redes móviles LTE y LTE Advanced 4G
• Teléfonos inalámbricos DECT
• Comunicaciones modernas por líneas eléctricas de banda ancha y estrecha ^[34]

Tabla comparativa del sistema OFDM

En la siguiente tabla se presentan las características clave de algunos sistemas comunes basados ​​en OFDM.

ADSL

OFDM se utiliza en conexiones ADSL que siguen los estándares ANSI T1.413 y G.dmt (ITU G.992.1), donde se denomina modulación multitono discreta (DMT). ^[37] DSL logra conexiones de datos de alta velocidad en cables de cobre existentes. OFDM también se utiliza en los estándares sucesores ADSL2 , ADSL2+ , VDSL , VDSL2 y G.fast . ADSL2 utiliza modulación de subportadora variable, desde BPSK hasta 32768QAM (en la terminología ADSL, esto se conoce como carga de bits, o bit por tono, de 1 a 15 bits por subportadora).

Los cables de cobre largos sufren atenuación a altas frecuencias. El hecho de que OFDM pueda hacer frente a esta atenuación selectiva de frecuencia y a la interferencia de banda estrecha son las principales razones por las que se utiliza con frecuencia en aplicaciones como los módems ADSL .

Tecnología de línea eléctrica

Muchos dispositivos de línea eléctrica utilizan OFDM para ampliar las conexiones digitales a través del cableado de alimentación. La modulación adaptativa es particularmente importante con un canal tan ruidoso como el cableado eléctrico. Algunos módems de medición inteligente de velocidad media , "Prime" y "G3", utilizan OFDM en frecuencias modestas (30 a 100 kHz) con un número modesto de canales (varios cientos) para superar la interferencia entre símbolos en el entorno de la línea eléctrica. ^[38] Los estándares IEEE 1901 incluyen dos capas físicas incompatibles y ambas utilizan OFDM. ^[39] El estándar ITU-T G.hn , que proporciona redes de área local de alta velocidad a través del cableado doméstico existente (líneas eléctricas, líneas telefónicas y cables coaxiales) se basa en una capa PHY que especifica OFDM con modulación adaptativa y un Código FEC de verificación de paridad de densidad ( LDPC ). ^[34]

Redes inalámbricas de área local (LAN) y redes de área metropolitana (MAN)

OFDM se utiliza ampliamente en aplicaciones MAN y LAN inalámbricas, incluidas IEEE 802.11a/g/n y WiMAX .

IEEE 802.11a/g/n, que opera en las bandas de 2,4 y 5 GHz, especifica velocidades de datos por flujo en el lado del aire que van de 6 a 54 Mbit/s. Si ambos dispositivos pueden usar el "modo HT" (agregado con 802.11n ), la velocidad máxima por transmisión de 20 MHz aumenta a 72,2 Mbit/s, con la opción de velocidades de datos entre 13,5 y 150 Mbit/s usando un canal de 40 MHz. . Se utilizan cuatro esquemas de modulación diferentes: BPSK , QPSK , 16- QAM y 64-QAM, junto con un conjunto de tasas de corrección de errores (1/2–5/6). La multitud de opciones permite que el sistema adapte la velocidad de datos óptima para las condiciones actuales de la señal.

Redes de área personal inalámbricas (PAN)

OFDM también se utiliza ahora en el estándar WiMedia/Ecma-368 para redes de área personal inalámbricas de alta velocidad en el espectro de banda ultraancha de 3,1 a 10,6 GHz (consulte MultiBand-OFDM).

Radiodifusión y televisión digital terrestre

Gran parte de Europa y Asia ha adoptado OFDM para la transmisión terrestre de televisión digital ( DVB-T , DVB-H y T-DMB ) y radio ( EUREKA 147 DAB , Digital Radio Mondiale , HD Radio y T-DMB ).

DVB-T

Por Directiva de la Comisión Europea, todos los servicios de televisión transmitidos a los espectadores en la Comunidad Europea deben utilizar un sistema de transmisión que haya sido estandarizado por un organismo de normalización europeo reconocido, ^[40] y dicho estándar ha sido desarrollado y codificado por el Proyecto DVB. Difusión de vídeo digital (DVB); Estructura de encuadre, codificación de canales y modulación para televisión digital terrestre . ^[41] Habitualmente denominada DVB-T, la norma exige el uso exclusivo de COFDM para la modulación. La DVB-T se utiliza ahora ampliamente en Europa y otros lugares para la televisión digital terrestre.

SDAR

Los segmentos terrestres de los sistemas del Servicio de radio de audio digital (SDARS) utilizados por XM Satellite Radio y Sirius Satellite Radio se transmiten utilizando OFDM codificado (COFDM). ^[42] La palabra "codificado" proviene del uso de corrección de errores directa (FEC). ^[5]

COFDM y VSB

La cuestión de los méritos técnicos relativos de COFDM frente a 8VSB para la televisión digital terrestre ha sido objeto de cierta controversia, especialmente entre tecnólogos y reguladores europeos y norteamericanos. Estados Unidos ha rechazado varias propuestas para adoptar el sistema DVB-T basado en COFDM para sus servicios de televisión digital, y durante muchos años ha optado por utilizar 8VSB ( modulación de banda lateral residual ) exclusivamente para la televisión digital terrestre. ^[43] Sin embargo, en noviembre de 2017, la FCC aprobó una transición voluntaria a ATSC 3.0 , un nuevo estándar de transmisión que se basa en COFDM. A diferencia de la primera transición a la televisión digital en Estados Unidos, a las estaciones de televisión no se les asignarán frecuencias separadas para transmitir ATSC 3.0 y no están obligadas a cambiar a ATSC 3.0 antes de ninguna fecha límite. Tampoco se requiere que los televisores vendidos en los EE. UU. incluyan capacidades de sintonización ATSC 3.0. Las estaciones de televisión de máxima potencia pueden realizar el cambio a ATSC 3.0, siempre y cuando continúen ofreciendo su canal principal a través de un acuerdo de transmisión simultánea con otra estación del mercado (con un área de cobertura similar) hasta al menos noviembre de 2022. ^{[ 44]}

Uno de los principales beneficios que ofrece COFDM es hacer que las transmisiones de radio sean relativamente inmunes a la distorsión por trayectos múltiples y al desvanecimiento de la señal debido a las condiciones atmosféricas o al paso de aviones. Los defensores de COFDM argumentan que resiste trayectos múltiples mucho mejor que 8VSB. Los primeros receptores 8VSB DTV (televisión digital) a menudo tenían dificultades para recibir una señal. Además, COFDM permite redes de una sola frecuencia , lo que no es posible con 8VSB.

Sin embargo, los receptores 8VSB más nuevos son mucho mejores a la hora de abordar trayectos múltiples, por lo que la diferencia en el rendimiento puede disminuir con los avances en el diseño del ecualizador. ^[45]

Radio digital

COFDM también se utiliza para otros estándares de radio, para Digital Audio Broadcasting (DAB), el estándar para transmisión de audio digital en frecuencias VHF , para Digital Radio Mondiale (DRM), el estándar para transmisión digital en frecuencias de onda corta y media (por debajo de 30 MHz). ) y para DRM+, un estándar introducido más recientemente para la transmisión de audio digital en frecuencias VHF . (30 a 174MHz)

Estados Unidos vuelve a utilizar un estándar alternativo, un sistema propietario desarrollado por iBiquity denominado HD Radio . Sin embargo, utiliza COFDM como tecnología de transmisión subyacente para agregar audio digital a transmisiones AM (onda media) y FM.

Tanto Digital Radio Mondiale como HD Radio están clasificados como sistemas de canal dentro de banda , a diferencia de Eureka 147 (DAB: Digital Audio Broadcasting ), que utiliza bandas de frecuencia separadas VHF o UHF .

BST-OFDM utilizado en ISDB

El sistema de multiplexación por división de frecuencia ortogonal de transmisión segmentada en banda ( BST-OFDM ) propuesto para Japón (en los sistemas de radiodifusión ISDB-T , ISDB-TSB e ISDB-C ) mejora el COFDM al aprovechar el hecho de que algunas portadoras OFDM pueden ser modulado de manera diferente a otros dentro del mismo múltiplex. Algunas formas de COFDM ya ofrecen este tipo de modulación jerárquica , aunque BST-OFDM pretende hacerlo más flexible. Por lo tanto, el canal de televisión de 6 MHz puede estar "segmentado", modulando diferentes segmentos de forma diferente y utilizándose para diferentes servicios.

Es posible, por ejemplo, enviar un servicio de audio en un segmento que incluya un segmento compuesto por varios operadores, un servicio de datos en otro segmento y un servicio de televisión en otro segmento más, todo dentro del mismo canal de televisión de 6 MHz. Además, estos pueden modularse con diferentes parámetros de modo que, por ejemplo, los servicios de audio y datos podrían optimizarse para la recepción móvil, mientras que el servicio de televisión se optimiza para la recepción estacionaria en un entorno con múltiples trayectos múltiples.

Ultra banda ancha

La tecnología de red de área personal inalámbrica de banda ultraancha (UWB) también puede utilizar OFDM, como en OFDM multibanda (MB-OFDM). Esta especificación UWB es defendida por WiMedia Alliance (anteriormente por Multiband OFDM Alliance [MBOA] y WiMedia Alliance, pero ahora las dos se han fusionado) y es una de las interfaces de radio UWB competidoras.

Flash-OFDM

El acceso rápido de baja latencia con multiplexación por división de frecuencia ortogonal de transferencia perfecta (Flash-OFDM), también conocido como F-OFDM, se basó en OFDM y también especificó capas de protocolo superiores . Fue desarrollado por Flarion y adquirido por Qualcomm en enero de 2006. ^{[46] [47]} Flash-OFDM se comercializó como un portador celular de conmutación de paquetes para competir con las redes GSM y 3G . A modo de ejemplo, las bandas de frecuencia de 450 MHz utilizadas anteriormente por NMT-450 y C-Net C450 (ambas redes analógicas de 1G, ahora en su mayoría fuera de servicio) en Europa se están otorgando licencias a operadores Flash-OFDM. ^{[ cita necesaria ]}

En Finlandia , el titular de la licencia Digita comenzó el despliegue de una red inalámbrica nacional "@450" en partes del país desde abril de 2007. Fue comprada por Datame en 2011. ^[48] En febrero de 2012, Datame anunció que actualizaría la red de 450 MHz. a la tecnología CDMA2000 competidora . ^[49]

Slovak Telekom en Eslovaquia ofrece conexiones Flash-OFDM ^[50] con una velocidad máxima de descarga de 5,3 Mbit/s y una velocidad máxima de subida de 1,8 Mbit/s, con una cobertura de más del 70 por ciento de la población eslovaca. ^{[ cita necesaria ]} La red Flash-OFDM se apagó en la mayor parte de Eslovaquia el 30 de septiembre de 2015. ^[51]

T-Mobile Alemania utilizó Flash-OFDM para hacer backhaul de puntos de acceso Wi-Fi en los trenes de alta velocidad ICE de Deutsche Bahn entre 2005 y 2015, hasta que pasó a UMTS y LTE. ^[52]

El operador inalámbrico estadounidense Nextel Communications probó en el campo tecnologías de redes inalámbricas de banda ancha, incluido Flash-OFDM, en 2005. ^[53] Sprint compró el operador en 2006 y decidió implementar la versión móvil de WiMAX , que se basa en el acceso múltiple por división de frecuencia ortogonal escalable (SOFDMA). ) tecnología. ^[54]

Citizens Telephone Cooperative lanzó un servicio de banda ancha móvil basado en tecnología Flash-OFDM para suscriptores en partes de Virginia en marzo de 2006. La velocidad máxima disponible era de 1,5 Mbit/s. ^[55] El servicio fue discontinuado el 30 de abril de 2009. ^[56]

OFDM vectorial (VOFDM)

VOFDM fue propuesto por Xiang-Gen Xia en 2000 ( Proceedings of ICC 2000 , New Orleans, and IEEE Trans. on Communications , agosto de 2001) para sistemas de antena de transmisión única. VOFDM reemplaza cada valor escalar en el OFDM convencional por un valor vectorial y es un puente entre OFDM y el ecualizador de dominio de frecuencia de portadora única (SC-FDE). Cuando el tamaño del vector es , es OFDM y cuando el tamaño del vector es al menos la longitud del canal y el tamaño de FFT es , es SC-FDE. ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle 1}$

En VOFDM, se supone que es el tamaño del vector, y cada señal con valor escalar en OFDM se reemplaza por una señal con valor vectorial de tamaño vectorial ,. Se toma el punto IFFT de , por componentes y se obtiene otra secuencia de vectores del mismo tamaño de vector , . Luego, se agrega un vector CP de longitud a esta secuencia de vectores como ${\displaystyle M}$ ${\displaystyle X_{n}}$ ${\displaystyle {\bf {X}}_{n}}$ ${\displaystyle M}$ ${\displaystyle 0\leq n\leq N-1}$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle {\bf {X}}_{n},0\leq n\leq N-1}$ ${\displaystyle M}$ ${\displaystyle {\bf {x}}_{k},0\leq k\leq N-1}$ ${\displaystyle \Gamma }$

${\displaystyle {\bf {x}}_{0},{\bf {x}}_{1},...,{\bf {x}}_{N-1},{\bf {x}}_{0},{\bf {x}}_{1},...,{\bf {x}}_{\Gamma -1}}$.

Esta secuencia de vectores se convierte en una secuencia escalar secuenciando todos los vectores de tamaño , que se transmite secuencialmente en una antena transmisora. ${\displaystyle M}$

En el receptor, la secuencia escalar recibida se convierte primero en la secuencia vectorial de tamaño vectorial . Cuando la longitud de CP satisface , entonces, después de que el vector CP se elimina de la secuencia de vectores y la FFT de punto se implementa en forma de componentes en la secuencia de vectores de longitud , se obtiene ${\displaystyle M}$ ${\textstyle \Gamma \geq \left\lceil {\frac {L}{M}}\right\rceil }$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle N}$

${\displaystyle {\bf {Y}}_{n}={\bf {H}}_{n}{\bf {X}}_{n}+{\bf {W}}_{n},\,\,0\leq n\leq N-1,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,(1)}$

donde son el ruido blanco aditivo y y es la siguiente matriz polifásica del canal ISI : ${\displaystyle {\bf {W}}_{n}}$ ${\textstyle {\bf {H}}_{n}={\bf {H}}{\mathord {\left(\exp {\mathord {\left({\frac {2\pi jn}{N}}\right)}}\right)}}={\bf {H}}(z)|_{z=\exp(2\pi jn/N)}}$ ${\displaystyle {\bf {H}}(z)}$ ${\displaystyle M\times M}$ ${\textstyle H(z)=\sum _{k=0}^{L}h_{k}z^{-k}}$

${\displaystyle \mathbf {H} (z)=\left[{\begin{array}{cccc}H_{0}(z)&z^{-1}H_{M-1}(z)&\cdots &z^{-1}H_{1}(z)\\H_{1}(z)&H_{0}(z)&\cdots &z^{-1}H_{2}(z)\\\vdots &\vdots &\vdots &\vdots \\H_{M-1}(z)&H_{M-2}(z)&\cdots &H_{0}(z)\end{array}}\right]}$,

¿Dónde está el componente polifásico del canal ? En (1), se puede ver que el canal ISI original se convierte en muchos subcanales vectoriales de tamaño vectorial . No hay ISI en estos subcanales vectoriales, pero sí dentro de cada subcanal vectorial. En cada subcanal vectorial se interfieren entre sí como máximo muchos símbolos. Claramente, cuando el tamaño del vector es , el VOFDM anterior vuelve a OFDM y cuando y , se convierte en SC-FDE. El tamaño del vector es un parámetro que se puede elegir libre y adecuadamente en la práctica y controla el nivel de ISI. Puede haber un equilibrio entre el tamaño del vector , la complejidad de la demodulación en el receptor y el tamaño de la FFT, para un ancho de banda de canal determinado. ${\textstyle H_{m}(z)=\sum _{l}h_{Ml+m}z^{-l}}$ ${\displaystyle m}$ ${\displaystyle H(z),0\leq m\leq M-1}$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle M}$ ${\displaystyle M}$ ${\displaystyle M=1}$ ${\displaystyle M>L}$ ${\displaystyle N=1}$ ${\displaystyle M}$ ${\displaystyle M}$

Tenga en cuenta que la longitud de la parte CP en forma secuencial no tiene que ser un múltiplo entero del tamaño del vector . Se puede truncar el CP vectorizado anterior a un CP secuencial de longitud no menor que la longitud del canal ISI, lo que no afectará la demodulación anterior. ${\displaystyle \Gamma M}$

También tenga en cuenta que existen muchas otras generalizaciones/formas diferentes de OFDM; para ver sus diferencias esenciales, es fundamental ver sus correspondientes ecuaciones de señal recibida para demodular. El VOFDM anterior es el primero y el único que logra la ecuación de la señal recibida (1) y/o su forma equivalente, aunque puede tener diferentes implementaciones en el transmisor frente a diferentes algoritmos IFFT.

Se ha demostrado (Yabo Li et al., IEEE Trans. on Signal Processing , octubre de 2012) que aplicando el receptor lineal MMSE a cada subcanal vectorial (1), se logra diversidad de trayectos múltiples y/o diversidad de espacio de señal. Esto se debe a que las matrices de canal vectorizadas en (1) son pseudocirculantes y pueden diagonalizarse mediante la matriz DFT/IDFT de punto con algunas matrices de desplazamiento de fase diagonal. Luego, la matriz DFT/IDFT del lado derecho y la matriz de desplazamiento de fase diagonal en la diagonalización se pueden considerar como la precodificación del vector de símbolo de información de entrada en el subcanal del subvector, y todos los subcanales vectorizados se convierten en canales diagonales de frecuencia discreta. componentes del punto DFT del canal ISI original. Puede recopilar la diversidad de trayectos múltiples y/o la diversidad espacial de la señal similar a la precodificación para recopilar la diversidad espacial de la señal para sistemas de antena única para combatir el desvanecimiento inalámbrico o la codificación de bloques de espacio-tiempo diagonal para recopilar la diversidad espacial para sistemas de antenas múltiples. Los detalles se refieren a los documentos IEEE TCOM e IEEE TSP mencionados anteriormente. ${\displaystyle M}$ ${\displaystyle k}$ ${\displaystyle {\bf {X}}_{k}}$ ${\displaystyle k}$ ${\displaystyle M}$ ${\displaystyle MN}$

Wavelet-OFDM

OFDM se ha convertido en una técnica interesante para las comunicaciones por línea eléctrica (PLC). En esta área de investigación, se introduce una transformada wavelet para reemplazar la DFT como método de creación de frecuencias ortogonales. Esto se debe a las ventajas que ofrecen las wavelets, que son particularmente útiles en líneas eléctricas ruidosas. ^[57]

En lugar de utilizar un IDFT para crear la señal emisora, el wavelet OFDM utiliza un banco de síntesis que consta de un transmultiplexor de banda seguido de la función de transformación. ${\displaystyle N}$

${\displaystyle F_{n}(z)=\sum _{k=0}^{L-1}f_{n}(k)z^{-k},\quad 0\leq n<N}$

Del lado del receptor se utiliza un banco de análisis para volver a demodular la señal. Este banco contiene una transformada inversa.

${\displaystyle G_{n}(z)=\sum _{k=0}^{L-1}g_{n}(k)z^{-k},\quad 0\leq n<N}$

seguido de otro transmultiplexor de banda. La relación entre ambas funciones de transformación es ${\displaystyle N}$

${\displaystyle {\begin{aligned}f_{n}(k)&=g_{n}(L-1-k)\\F_{n}(z)&=z^{-(L-1)}G_{n}*(z-1)\end{aligned}}}$

Un ejemplo de W-OFDM utiliza el banco de filtros modulados por coseno de reconstrucción perfecta (PR-CMFB) ^[58] y la transformada superpuesta extendida (ELT) ^{[59] [60]} se utiliza para la ondícula TF. Por lo tanto, y se dan como ${\displaystyle \textstyle f_{n}(k)}$ ${\displaystyle \textstyle g_{n}(k)}$

${\displaystyle {\begin{aligned}f_{n}(k)&=2p_{0}(k)\cos \left[{\frac {\pi }{N}}\left(n+{\frac {1}{2}}\right)\left(k-{\frac {L-1}{2}}\right)-(-1)^{n}{\frac {\pi }{4}}\right]\\g_{n}(k)&=2p_{0}(k)\cos \left[{\frac {\pi }{N}}\left(n+{\frac {1}{2}}\right)\left(k-{\frac {L-1}{2}}\right)+(-1)^{n}{\frac {\pi }{4}}\right]\\P_{0}(z)&=\sum _{k=0}^{N-1}z^{-k}Y_{k}\left(z^{2N}\right)\end{aligned}}}$

Estas dos funciones son sus respectivas inversas y pueden usarse para modular y demodular una secuencia de entrada determinada. Al igual que en el caso de DFT, la transformada wavelet crea ondas ortogonales con , , ..., . La ortogonalidad asegura que no interfieran entre sí y puedan enviarse simultáneamente. En el receptor, , , ..., se utilizan para reconstruir la secuencia de datos una vez más. ${\displaystyle \textstyle f_{0}}$ ${\displaystyle \textstyle f_{1}}$ ${\displaystyle \textstyle f_{N-1}}$ ${\displaystyle \textstyle g_{0}}$ ${\displaystyle \textstyle g_{1}}$ ${\displaystyle \textstyle g_{N-1}}$

Ventajas sobre OFDM estándar

W-OFDM es una evolución del estándar OFDM, con ciertas ventajas.

Principalmente, los niveles de W-OFDM en los lóbulos laterales son más bajos. Esto da como resultado menos ICI, así como una mayor robustez a la interferencia de banda estrecha. Estas dos propiedades son especialmente útiles en PLC, donde la mayoría de las líneas no están protegidas contra el ruido EM, lo que crea canales ruidosos y picos de ruido.

Una comparación entre las dos técnicas de modulación también revela que la complejidad de ambos algoritmos sigue siendo aproximadamente la misma. ^[57]

Otras transformaciones ortogonales

La gran mayoría de implementaciones de OFDM utilizan la transformada rápida de Fourier (FFT). Sin embargo, en principio, se podría utilizar cualquier algoritmo de transformación ortogonal en lugar de la FFT. En cambio, se han investigado sistemas OFDM basados ​​en la transformada discreta de Hartley (DHT) ^[61] y la transformada wavelet .

Historia

• 1957: Kineplex, módem HF multiportadora (RR Mosier y RG Clabaugh) ^{[62] [63]}
• 1966: Chang, Bell Labs: papel OFDM ^[3] y patente ^[4]
• 1971: Weinstein y Ebert propusieron el uso de FFT y el intervalo de guardia ^[6]
• 1985: Cimini describió el uso de OFDM para comunicaciones móviles.
• 1985: El módem Telebit Trailblazer introdujo un protocolo de conjunto de paquetes de 512 portadoras ( 18 432 bit/s )
• 1987: Alard & Lasalle: COFDM para radiodifusión digital ^[9]
• 1988: En septiembre TH-CSF LER, primer enlace experimental de TV Digital en OFDM, área de París
• 1989: Solicitud de patente internacional OFDM ^[64]
• Octubre de 1990: TH-CSF LER, primera prueba de campo de un equipo OFDM, 34 Mbit/s en un canal de 8 MHz, experimentos en el área de París
• Diciembre de 1990: TH-CSF LER, primera comparación del banco de pruebas OFDM con VSB en Princeton, EE. UU.
• Marzo de 1992: Fattouche y Zaghloul presentan la patente "Método y aparato para acceso múltiple entre transceptores en comunicaciones inalámbricas utilizando espectro ensanchado OFDM" con recuperación de portadora digital que permite radio por paquetes de alta velocidad y una aleatorización compleja que reduce el problema de pico a promedio. ^{[sesenta y cinco]}
• Diciembre de 1991: Fattouche y Zaghloul utilizan un gran equipo HP para demostrar una LAN inalámbrica de 100 Mbps.
• Septiembre de 1992: TH-CSF LER, prueba de campo de equipos de segunda generación, 70 Mbit/s en un canal de 8 MHz, polarizaciones gemelas. Wuppertal, Alemania
• Octubre de 1992: TH-CSF LER, prueba de campo de segunda generación y banco de pruebas con la BBC, cerca de Londres, Reino Unido.
• 1993: show TH-CSF en Montreux SW, 4 canales de TV y un canal HDTV en un solo canal de 8 MHz
• 1993: Morris: LAN inalámbrica OFDM experimental de 150 Mbit/s
• Febrero de 1994: [[WiLAN}Wi-LAN Inc.]] demuestra un transceptor WOFDM inalámbrico de 20 Mbps que funciona en la banda 902-928 MHz.
• 1995: Estándar ETSI de radiodifusión de audio digital EUreka: primer estándar basado en OFDM
• 1997: estándar ETSI DVB-T
• 1998: El proyecto Magic WAND demuestra módems OFDM para LAN inalámbrica
• 1999: estándar de LAN inalámbrica IEEE 802.11a (Wi-Fi) ^[66]
• 2000: Acceso inalámbrico fijo propietario (V-OFDM, FLASH-OFDM, etc.)
• Mayo de 2001: Wi-LAN Inc. solicitó con éxito a la FCC que permitiera equipos OFDM en la banda de 24 GHz.
• Mayo de 2001: La FCC permite OFDM en la banda exenta de licencia de 2,4 GHz. ^[67]
• 2002: estándar IEEE 802.11g para LAN inalámbrica ^[68]
• 2004: estándar IEEE 802.16 para MAN inalámbrico (WiMAX) ^[69]
• 2004: estándar ETSI DVB-H
• 2004: Candidato al estándar IEEE 802.15.3a para PAN inalámbrica (MB-OFDM)
• 2004: Candidato al estándar IEEE 802.11n para LAN inalámbrica de próxima generación
• 2005: OFDMA es candidato para el enlace descendente E-UTRA de la interfaz aérea Long Term Evolution (LTE) 3GPP .
• 2007: Se demostró la primera implementación completa de la interfaz aérea LTE, que incluye OFDM-MIMO, SC-FDMA y enlace ascendente MIMO multiusuario ^[70]

Ver también

• Estándares ATSC
• Interferometría portadora
• N-OFDM
• Espacio, frecuencia y tiempo ortogonales (OTFS)
• Multiplexación por división de polarización
• FDMA de portadora única (SC-FDMA)
• Ecualización en el dominio de frecuencia de una sola portadora (SC-FDE)

Referencias

1. Mustafa Ergen (2009). Banda Ancha Móvil: incluyendo WiMAX y LTE . Springer Ciencia + Medios comerciales. doi :10.1007/978-0-387-68192-4. ISBN 978-0-387-68189-4.
2. Weinstein, SB (noviembre de 2009). "La historia de la multiplexación por división de frecuencia ortogonal". Revista de comunicaciones IEEE . Revista IEEE Communications (Volumen: 47, Número: 11, noviembre de 2009). 47 (11): 26–35. doi :10.1109/MCOM.2009.5307460. S2CID  29001312.
3. Chang, RW (1966). "Síntesis de señales ortogonales de banda limitada para transmisión de datos multicanal". Revista técnica del sistema Bell . 45 (10): 1775-1796. doi :10.1002/j.1538-7305.1966.tb02435.x.
4. US 3488445, Chang, Robert W., "Sistema de transmisión de datos multiplex de frecuencia ortogonal", publicado el 6 de enero de 1970, asignado a Bell Telephone Laboratories Inc. 
5. webe.org - Feria tecnológica de reubicación de BAS de 2 GHz, conceptos básicos de tecnología COFDM. 2007-03-02
6. Weinstein, S.; Ebert, P. (octubre de 1971). "Transmisión de datos mediante multiplexación por división de frecuencia mediante la transformada de Fourier discreta". Transacciones IEEE sobre tecnología de la comunicación . 19 (5): 628–634. doi :10.1109/TCOM.1971.1090705. S2CID  28439102.
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Otras lecturas

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enlaces externos

• Numerosos enlaces y recursos útiles para OFDM – WCSP Group – University of South Florida (USF)
• WiMAX Forum, WiMAX, el estándar marco para la banda ancha personal móvil 4G
• Stott, 1997 [1] Presentación técnica de JH Stott de la división de I+D de la BBC, realizada en el 20º Simposio Internacional de Televisión en 1997; Esta URL fue consultada el 24 de enero de 2006.
• Página sobre multiplexación por división de frecuencia ortogonal en https://web.archive.org/web/20090325005048/http://www.iss.rwth-aachen.de/Projekte/Theo/OFDM/node6.html consultada el 24 de septiembre de 2007 .
• Un tutorial sobre la importancia del prefijo cíclico (CP) en sistemas OFDM.
• Siemens demuestra la tecnología inalámbrica de 360 ​​Mbit/s
• Introducción a la tecnología multiplex por división de frecuencia ortogonal
• Breve introducción a OFDM: tutorial escrito por el Prof. Debbah, director de la Cátedra Alcatel-Lucent sobre radio flexible.
• Breve tutorial gratuito sobre COFDM realizado por Mark Massel, anteriormente en STMicroelectronics y en la industria de la televisión digital durante muchos años.
• Un libro popular sobre COFDM y US ATSC de Mark Massel
• Transmisión OFDM paso a paso – experimento en línea
• Simulación de sistemas ópticos OFDM.