Grazie ai numerosi benefici ed alla sua semplice ed efficiente implementazione digitale tramite gli algoritmi di FFT/IFFT, l’OFDM rappresenta uno degli aspetti fondamentali dell’attuale standard LTE e la sua adozione è stata presa seriamente in considerazione anche per i futuri sistemi di quinta generazione. Tuttavia la massiccia diffusione della MTC, con requisiti sostanzialmente differenti rispetto alle comunicazioni H2H, ha evidenziato alcuni dei già noti limiti legati a questa forma d’onda.
Come già accennato precedentemente, uno dei principali svantaggi legati all’OFDM è rappresentato dall’elevato PAPR che caratterizza questa tipologia di trasmissione. Il PAPR è definito come il rapporto tra la potenza massima di un campione appartenente ad un dato simbolo OFDM, rispetto alla potenza media simbolo stesso, ovvero:
In un sistema multi-portante, alti valori di PAPR si riscontrano quando le sotto-portanti, modulate indipendentemente, presentano una differenza di fase l’una dalle altre30. Questo provoca un picco molto pronunciato nell’inviluppo complesso del segnale, effetto particolarmente visibile in comunicazioni a banda larga, dove il numero delle sotto-portanti può risultare elevato, come nel caso di sistemi LTE. Elevati valori di PAPR risultano particolarmente problematici per l’amplificazione di potenza nei segnali. La maggior parte degli amplificatori RF infatti è progettata per operare in regime lineare e valori di picco dei segnali molto elevati possono portare l’amplificatore in saturazione, con conseguente distorsioni che introducono una inter-modulazione tra le sotto-portanti ed emissione di potenza fuori banda. Per evitare che questo accada bisogna garantire che anche i valori massimi del segnale ricadano nella regione lineare del dispositivo, il che si traduce nel far operare l’amplificatore lontano dal punto di saturazione, il che però comporta una scarsa efficienza nell’amplificazione del segnale. Questo problema risulta particolarmente sentito per le comunicazioni associate ad applicazioni M2M, nella maggior parte delle quali le specifiche impongono una vita operativa maggiore di dieci anni e bassi consumi di potenza che, per sistemi
[30] A. Gangwar1, M. Bhardwaj, “An Overview: Peak to Average Power Ratio in OFDM system & its Effect” - International Journal of Communication and Computer Technologies (IJCCT), vol. 01, no.2, Issue: 02 , pag 22-25, Settembre 2012.
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alimentati da batteria, sono ottenibile solamente tramite un utilizzo estremamente efficiente degli amplificatori a bordo dei sistemi.
Oltre alla PAPR un altro notevole svantaggio che accompagna le trasmissioni OFDM è legato all’elevato valore delle emissioni fuori banda o Out-of-Bound Emissions (OoBE). La struttura del modulatore OFDM, come riportato nella (3.3 e 3.10) sottintende l’utilizzo di impulsi rettangolari nel dominio del tempo, originati dalla gestione in parallelo dei sotto-flussi informativi. La loro trasformata in frequenza, come riportato in figura 3.5, origina quindi delle funzioni sinc( ) i cui lobi laterali decrescono piuttosto lentamente in frequenza, e risultano la principale causa delle elevate OoBE. Si rende quindi necessario l’adozione di ampie bande di guardia, per ciascun lato dello spettro, in modo da permettere ad i lobi laterali delle funzioni sinc() di attenuarsi a sufficienza ed evitare che essi possano interferire con comunicazioni adiacenti nello spettro. A tale scopo vengono introdotte le sotto-portanti virtuali, nella formazione del segnale OFDM, che però riducono l’efficienza spettrale della comunicazioni. Questa può essere valutata come:
Come riportato in tabella (3.2), valori tipici dell’efficienza spettrale per i vari canali LTE si attestano intorno al 90%. Tali valori sono garantiti grazie all’utilizzo di un numero molto elevato di sottoportanti utili ( ), che mitiga l’effetto delle bande di guardia. Quando però, a causa di uno spettro elettro-magnetico molto frammentato, non risulta possibile allocare un numero elevato di sotto-portanti contigue nello spettro, l’efficienza spettrale dell’OFDM si riduce drasticamente, e questa condizione è proprio quella che si presume possa caratterizzare gli scenari futuri, a seguito del diffondersi dei dispositivi aderenti alla MTC. Queste comunicazioni mal si addicono con una trasmissione multi-portante in quanto, generando una quantità di dati tipicamente molto ridotta, presentano una occupazione di banda limitata, quindi poche sotto-portanti utili, e quindi scarsa efficienza. Inoltre, fattore ben più problematico, il numero di queste comunicazioni, nella maggior parte dei casi, come riportato in figura 3.9 sarà tale da partizionare lo spettro in tante porzioni ciascuna di ampiezza ridotta.
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Figura 3.9 – OFDM Vs new Waveform Scenario36.
Con l’OFDM, dovendo garantire ampie bande di guardia tra trasmissioni adiacenti, si verranno così a creare vaste aree dello spettro inutilizzabili, definiti “spectal holes”, che ridurranno in modo non tollerabile l’efficienza complessiva della rete. In un panorama come quello precedentemente descritto nasce quindi il bisogno di sviluppare nuove forme d’onda, che presentino ridotte OoBE, in modo da minimizzare il più possibile le bande di guardia, densificando così lo spettro elettromagnetico e contrastando gli spectral holes, con notevoli vantaggi dal punto di vista dell’efficienza e delle capacità della rete. Appare quindi evidente come l’OFDM non rappresenti il migliore formato trasmissivo per i futura sistemi wireless. Tuttavia, visti i suoi notevoli benefici, essa rappresenta un buon punto di partenza per sviluppare nuove forme d’onda che ne mantengano gli aspetti positivi, riducendone al tempo stesso quelli negativi, ed in tal senso questo lavoro è stato condotto analizzando due dei formati di segnalazione proposti per i sistemi di quinta generazione.
[36] Oriol Font-Bach, Nikolaos Bartzoudis, Xavier Mestre, David López-Bueno,Philippe Mège, Laurent Martinod, Vidar Ringset, and Tor André Myrvoll, “When SDR Meets a 5G Candidate Waveform : Agile Use of Fragm ented
Spectrum and Interference Protection in PMR Networks“ (Rielaborata) IEEE Wireless Communications Journal •
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