Capitolo 2 OFDMA

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G. CATELLA – LA TECNICA OFDMA

Capitolo 2

OFDMA

(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)

2.1 Introduzione

L’OFDMA è una nuova tecnica di modulazione dei sistemi BWA (Broadband Wireless Access). A differenza dei tradizionali schemi di modulazione multiportante, diversi trasmettitori dell’OFDMA modulano simultaneamente diverse sottoportanti. Come descritto nelle standard 802.16a-2003, l’OFDMA offre un guadagno di 12dB nel link-budget del downlink (dalla Base Station agli utenti), e 18dB in quello dell’uplink (dagli utenti alla Base Station), rispetto a tecniche tradizionali di accesso multiplo. In più, l’OFDMA è in grado di operare in difficili condizioni di “Non-line-of-sight” (NLOS).

Forte di questi vantaggi, l’OFDMA rende possibile la messa in atto di subscriber unit (SU) con accesso a larga banda, integrate in ambiente indoor.

L’OFDMA assomiglia ad una modulazione OFDM con accesso multiplo che combina TDMA e FDMA. Per descrivere l’OFDMA bisogna fare una distinzione tra Downlink (DL) ed Uplink (UL); vediamoli nel dettaglio.

2.2 Downlink OFDMA

L’analisi del DL OFDMA è già stata svolta. Infatti, il segnale trasmesso dalla BS agli utenti può essere visto come un segnale OFDM (paragrafo 1.4), con unica differenza nella nomenclatura:

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CAPITOLO 2: OFDMA

per un segnale OFDM sta ad indicare l’n-esimo simbolo dell’m-esimo blocco OFDM,

modulato all’i-esima sottoportante, mentre nel DL OFDMA sta ad indicare l’m-esimo simbolo

trasmesso all’n-esimo utente, modulato all’i-esima sottoportante.

) ( , m i n c ) ( , m i n c

La somma dei diversi segnali d’utente trasmessa dalla BS, è vista come un segnale OFDM, ma con ciascuna sottoportante assegnata ad un utente diverso, invece che tutte le sottoportanti generate dallo stesso utente.

Lo schema del DL è rappresentato in Figura 9. e in Figura 10.

BS c_n x(t) y(t) r(t) AWGN Canale multipath PC P/S Nν _IFFT _D/A S/P

Figura 9. Base Station in trasmissione

( ) 1 , m EQ z ( ) 1 ˆm c ) (t r ( ) 1 m g utente 1 ) (t r ( ) c , m n EQ z _ˆ(m) n (m) utente n n g ) (t r ( ) , m N N EQ z ₋ _ν _ˆ(m) N N c ₋ _ν (m) N N g ₋ _ν utente N −N_ν PC Nν A/D S/P _FFT PC Nν A/D S/P _FFT PC Nν A/D S/P _FFT

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Nota: Assegnare una sottoportante ad un utente è una semplificazione; infatti ogni utente può avere anche più sottoportanti all’interno dell’m-esimo blocco. Questo è ciò che accade nella realtà per un motivo molto semplice. Se assegnassimo una sola sottoportante ad un utente, questa potrebbe trovarsi dove la risposta in frequenza del canale è fortemente attenuata; la ricezione dell’utente sarebbe sempre pessima.

E’ per questo motivo che ad un utente viene assegnato un pettine di frequenze. Si rimanda al paragrafo 2.6.

In più, abbiamo supposto che il canale multipath non dipenda dall’indice d’utente; in realtà il canale varia da utente ad utente, visto il dislocamento delle stazioni.

Nel caso di DL OFDMA è da notare che il termine di interferenza da multiutente ha la stessa struttura del termine di interferenza da interportante (ICI) nel caso OFDM.

2.3 Uplink OFDMA

l’ UL OFDMA è descritto in Figura 11. e in Figura 12.

Supponiamo che la BS abbia assegnato ad ogni utente 2 sottoportanti generiche k e j, con le quali

trasmettono i propri simboli c . _i

Il segnale trasmesso sarà:

(

)

∑ ∑

∞ −∞ = + ⋅ ≠ = ⋅ + − ⋅ = m T T t i j j kkj i g s m i n n g s e T T m t p c t x 2π , ) ( , ( ( ) ) ( con 0<k,j<(N −N_ν) ove

p(t) è un impulso rettangolare di ampiezza unitaria diverso da zero per 0≤t <T_s

s

T è l’intervallo del simbolo OFDM

g T è l’intervallo di guardia ) ( , m i n

c è l’i-esimo simbolo dell’m-esimo blocco OFDM dell’n-esimo utente.

Tale segnale percorre un proprio cammino multipath, visto il dislocamento dei vari utenti, ed è per

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( )

utente 1 , 1 m k c i c₁_, x₁(t) ) ( , 1 m j c ) ( , m k n c i n c _, x_n(t) ) ( , m j n c ) ( , 2 m k N N− ν 2 ν N N− i N N c , 2 ν − ( ) 2 t x_N₋_N_ν ) ( , 2 m j N N c ₋ _ν ) (t r y(t) ……….. utente n ………..

c

utente

AWGN S/P _IFFT P/S PC D/A H1(f) S/P _IFFT P/S PC D/A S/P _IFFT _P/S _PC _D/A Η (f) 2 Ν Ν− ν Hn(f)

Figura 11. Utenti in trasmissione

( ) BS 0m g ) (t r z_n_,_i ( ) 1 m N N g ₋ _ν₋ Prefisso ciclico P/S Rimuovi Nν Portanti Virtuali A/D S/P _FFT Figura 12. BS in ricezione

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La BS riceve la somma dei vari segnali d’utente insieme ad un rumore gaussiano bianco: ) ( ) ( ) (t y t wt r = + dove

∑

− = = 2 1 ) ( ) ( ν N N n n t x t

y (trascurando i ritardi relativi)

dal segnale ricevuto, dopo un’opportuna equalizzazione tramite i coefficienti , si ottengono le

variabili di decisione , dalle quali ottenere i simboli inviati dagli utenti.

) (m i g i n z _,

2.4 Dimensioni supportate dell’FFT e lunghezza dell’intervallo di guardia (GI)

Sia il DL OFDMA che l’UL OFDMA sono definiti per diverse dimensioni dell’FFT. L’uso di diverse dimensioni è uno strumento essenziale per avere un compromesso tra attenuazione del multipath e variazione di velocità dei segnali di canale.

Grandi dimensioni dell’FFT sono usate per combattere canali che soffrono di lunghi ritardi per multipath, mentre piccole dimensioni dell’FFT sono utilizzate per sistemi con piccoli range di segnale, dove il multipath è inferiore.

Anche le dimensioni dell’intervallo di guardia sono la risoluzione del canale multipath, a spese di una diminuzione del throughput.

Le dimensioni dell’FFT impiegate nei sistemi OFDMA sono: - 2048 (modalità 2k)

- 1024 (modalità 1k) - 256 (modalità 256) - 64 (modalità 64)

mentre quelle dell’intervallo di guardia sono: - 1/4

- 1/8 - 1/16 - 1/32

della lunghezza del blocco. La Tabella 2. riassume per un sistema OFDMA, al variare delle dimensioni di banda, la durata dell’intervallo di guardia per diverse dimensioni dell’FFT.

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Tabella 2.

Un altro vantaggio dell’avere grandi dimensioni dell’FFT è una migliore sagomatura spettrale del segnale trasmesso, come mostrato in Figura 13.

Figura 13.

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2.5 Descrizione del simbolo OFDMA

2.5.1 Descrizione nel dominio del Tempo

La IFFT crea la forma d’onda OFDMA; tale durata temporale è riferita al tempo utile di simbolo, . Una copia degli ultimi T µs del periodo del simbolo utile, il prefisso ciclico, è usata per combattere il multipath, mentre si conserva l’ortogonalità delle portanti. Il tempo di simbolo è

dunque T . b T _g b g s =T +T

L’energia da trasmettere aumenta con la lunghezza del tempo di guardia, mentre l’energia al ricevitore resta sempre la stessa, visto che viene eliminato il prefisso ciclico.

Grazie al prefisso ciclico, i campioni richiesti per fare l’FFT al ricevitore possono essere presi ovunque sulla lunghezza del simbolo esteso.

Questo procura l’immunità al multipath ed una tolleranza per gli errori di sincronizzazione sul tempo di simbolo.

Scelta una determinata lunghezza del prefisso ciclico alla BS nel DL, essa non potrà essere cambiata; in caso contrario, si costringerà tutti gli utenti a sincronizzarsi nuovamente alla BS.

2.5.2 Descrizione nel dominio della Frequenza

Un simbolo OFDMA è costituito da portanti di vario genere, il numero delle quali determina le dimensioni dell’FFT.

Esistono 3 tipi di portanti:

1) Data carriers: portanti per la trasmissione di dati.

2) Pilot carriers: portanti per effettuare stime di vario genere.

3) Null carrier: portanti nulle per creare le bande di guardia e la portante DC.

Lo scopo delle bande di guardia è di permettere al segnale di decadere naturalmente e creare il ”FFT brick wall”.

La portante DC è tenuta a zero per motivi tecnologici.

Nell’OFDMA le portanti attive sono divise in sottocanali. Il sottocanale è un set di portanti scelto tra il totale delle portanti disponibili. Per diminuire il fading selettivo in frequenza, le sottoportanti di un sottocanale sono sparse lungo lo spettro del canale.

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Nel DL, un sottocanale può essere destinato a diversi ricevitori, o gruppi di ricevitori.

Nell’UL, un trasmettitore può essere assegnato ad uno o più sottocanali; diversi trasmettitori possono trasmettere in parallelo.

Le portanti che formano un sottocanale possono, ma non è necessario, essere adiacenti.

Figura 14.

In Figura 14. vediamo un esempio di suddivisione in sottocanali.

Lo spazio delle sottoportanti utili è diviso in un numero di gruppi successivi. Ciascun gruppo

contiene un numero di sottoportanti successive, dopo aver escluso le iniziali sottoportanti pilota

assegnate. Ogni sottocanale ha una sola portante per ogni gruppo, allocata attraverso un processo

pseudo-random basato su permutazioni; di conseguenza ogni sottocanale contiene elementi.

G N E N G N

La suddivisione è descritta in Figura 15(a).

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Il principio dell’OFDMA consiste nel distribuire i differenti utenti sullo spazio dell’FFT nell’UL.

La divisione in sottocanali è una forma di FDMA, dove l’utente trasmette 1/ della banda

disponibile per l’OFDMA. Un basso data-rate nell’UL è ragionevole, vista l’asimmetria del traffico, dove i flussi inviati da ogni utente si sommano alla BS in un collegamento tipo multipoint-to-point; mentre nel DL, tutti i sottocanali sono trasmessi insieme. Per aumentare il data-rate di un utente nell’UL, gli vengono assegnati più sottocanali.

E

N

La Figura 15(b). descrive la struttura dei sottocanali nell’UL; alcuni sottocanali sono riservati per le elaborazioni del physical layer (PHY), come per esempio il ranging (vedi paragrafo 2.10), mentre altri trasportano le informazioni degli utenti secondo le allocazioni del MAP (Media Access Protocol); tale protocollo, inviato nel DL dalla BS, assegna i sottocanali agli utenti.

Considerando l’interferenza, i sottocanali costituiscono una specie di FHSS (Frequency Hopping

Spread Spectrum). In ogni gruppo, SU trasmette una portante tra le possibili, selezionata in

modo pseudo-random. Tale scenario si ripete per ogni gruppo del simbolo OFDMA.

E

N

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In Figura 16. notiamo come più utenti riescono a trasmettere simultaneamente nell’UL, su diversi sottocanali; vi è anche una rappresentazione dell’allocazione logica degli utenti nei sottocanali.

2.6 Errori di sincronizzazione nel DOWNLINK

I simboli OFDM generati dalla BS possono essere visti come dei “pettini” di frequenze, assegnate ai vari utenti. Tali “pettini” vengono modulati dalle BS ad una certa radiofrequenza, frequenza

portante . Il generico utente deve riconoscere l’inizio del simbolo OFDM per potersi allineare

correttamente alle sottoportanti assegnategli, deve conoscere la frequenza portante per poter demodulare in banda base i “pettini” di frequenze, ed inoltre deve conoscere la fase della portante, se deve effettuare una ricezione coerente.

c

f

La funzione di trasferimento dalla BS al n-esimo utente, , dipende soltanto dall’indice

d’utente n; per questi motivi, le sottoportanti del “pettine” di frequenze, inviate dalla BS, arrivano all’n-esimo utente subendo gli stessi errori di frequenza, fase e di timing.

) ( f

H_n

2.7 Errori di sincronizzazione nell’UPLINK

.

Nell’UL, l’OFDMA differisce dalla maggior parte delle modulazioni tradizionali, perché i molteplici trasmettitori devono essere sincronizzati nel tempo e nella frequenza, in modo da ricevere alla BS un simbolo OFDMA valido. La sincronizzazione del SU è perciò una componente critica dell’OFDMA.

I simboli OFDM, generati dal generico utente tramite le sottoportanti assegnategli, vengono visti come piccoli “pettini” di frequenze. Tali “pettini” raggiungono la BS sperimentando un canale dispersivo, diverso per ogni utente. Alla BS, la somma dei segnali d’utente crea un unico “pettine” con sottoportanti disallineate. Dunque la BS deve recuperare gli istanti di timing, la RF dell’UL, la fase della portante e gli offset di frequenza delle sottoportanti.

2.8 Sincronizzazione di timing

La sincronizzazione di timing è tipicamente il primo passo nel processo di demodulazione. Non è necessaria una sequenza di training per sincronizzare il flusso di simboli OFDMA. Un metodo

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possibile per la sincronizzazione si basa sulla ridondanza nel simbolo OFDM creata dal prefisso ciclico (PC). Tale ridondanza e la conoscenza della dimensione dell’FFT, permettono di correlare il segnale ricevuto con se stesso e scoprire il picco di correlazione.

2.9 Sincronizzazione di frequenza

La stima dell’offset di frequenza può essere fatta in due stadi. Il primo stadio prevede un algoritmo di pre-FFT che processa il segnale campionato e cerca di determinare gli offset di frequenza più piccoli della spaziatura delle sottoportanti. Il secondo stadio prevede un algoritmo di post-FFT che sfrutta una particolare sequenza, ricavabile da alcune sottoportanti, chiamate sottoportanti pilota fisse, e cerca di determinare gli offset di frequenza rimasti, ovvero quelli che sono un multiplo intero della spaziatura delle sottoportanti.

2.10 Ranging

La SU deve anche compensare i ritardi di propagazione a RF; questo è fatto tramite un algoritmo di ranging, nel quale la BS informa la SU di quanto tempo deve anticipare la sua trasmissione per arrivare alla BS all’istante giusto.

2.11 Stima di canale

La stima di canale nel DL OFDMA è basata sulle sottoportanti pilota; queste hanno un valore fisso e noto al ricevitore. Le portanti pilota sono trasmesse con una potenza leggermente maggiore rispetto alle portanti utili. Nell’OFDMA ci sono sottoportanti pilota fisse e sparse. Le pilota sparse

sono fissate in modo che una sottoportante ogni sia una pilota; esse servono per evitare che una

pilota fissa cada in un nullo profondo della risposta del canale e sia sistematicamente inutilizzabile per la stima della risposta dello stesso. Quindi usando le pilota di un simbolo OFDMA, si può fare

una stima di canale con lunghezza fino a 1/ del simbolo stesso. Estrapolando i risultati ottenuti

dalle pilota sparse è possibile fare la stima di canale.

s

N

s

N

La stima di canale nell’UL è basata su un preambolo, ma vengono utilizzate anche le sottoportanti pilota sparse. La durata del preambolo è un simbolo OFDMA.

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2.12 Sistemi BWA (Broadband Wireless Access)

L’operazione chiamata “outdoor to indoor” è diventata uno dei maggiori desideri degli operatori BWA.

Si tratta di portare all’interno di un edificio i servizi forniti dal cosiddetto “last mile”, in modalità wireless. Questo modo di operare permette all’utente di acquistare ed istallare autonomamente una SU, dalle dimensioni limitate, fornita di una piccola antenna omnidirezionale integrata, per ricevere il segnale a RF direttamente in casa.

Per l’operatore BWA, questo si traduce in una riduzione dei costi per produzione ed istallazione delle SU, e competitività con altre tecnologie per l’accesso a larga banda (DSL, cavo…).

A livello di sistema, ciò implica che il “RF path loss” e il “multipath delay spread” siano fortemente incrementati.

L’OFDMA è la miglior modulazione per questo tipo di operazioni, dato che può affrontare efficientemente condizioni estreme di multipath.

L’aumento del “RF path loss” viene risolto dall’OFDMA tramite la concentrazione di potenza e impiegando tecniche di diversità.

2.12.1 Concentrazione di Potenza

A differenza dell’OFDM, che trasmette la stessa quantità di energia in ciascuna sottoportante, l’OFDMA può trasmettere diverse quantità di energia in ogni sottoportante.

Nel DL la potenza allocata per un sottocanale può essere aumentata o diminuita di 6dB rispetto alla potenza nominale. La somma delle potenze di tutti i sottocanali deve essere conservata, quindi aumentare il livello di potenza di un sottocanale significa diminuire quello di un altro.

Nell’UL, una SU trasmette soltanto su quelle sottoportanti che appartengono al sottocanale assegnatogli; per questo essa concentra la propria potenza di uscita su parte della larga banda disponibile. La BS riceve un rapporto segnale-rumore (S/N), migliore di un fattore dell’equivalente caso OFDM, nel quale soltanto una SU trasmette durante un blocco.

G

N

Abbiamo un miglioramento del S/N di diversi dB, senza sacrificare la capacità del canale od intaccare il data rate medio fornito da ciascun SU.

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2.12.2 Tecniche di diversità

Per aumentare le prestazioni del sistema OFDMA si utilizzano tecniche di diversità spazio-tempo.

Figura 17.

Come mostra la Figura 17. , la tecnica di diversità spazio-tempo consiste nell’inviare più volte lo stesso segnale con antenne distinte, abbastanza distanti fra loro in modo che le attenuazioni siano indipendenti da un’antenna all’altra. Entrambe le antenne trasmettono nello stesso tempo due diversi simboli utili OFDMA, ed utilizzano lo stesso oscillatore locale. In questo modo, il segnale ricevuto ha esattamente le stesse proprietà di autocorrelazione del caso a singola antenna. Così la stima di frequenza e di tempo possono essere fatte nello stesso modo del caso a singola antenna. Avendo più repliche dello stesso segnale si può sperare di decidere con bassa probabilità d’errore. Si può lavorare nel dominio della frequenza, utilizzando il S/N disponibile su ogni sottoportante. In Figura 18. si nota il miglioramento del S/N; la linea continua è il risultato della combinazione a massimo rapporto (MRC), ottenuta utilizzando le due linee tratteggiate, che rappresentano il segnale ricevuto alla BS da due percorsi indipendenti.

Nei sistemi cellulari analisi e misure mostrano che una separazione di 10λ (120 cm a 2,5 GHz) è sufficiente per avere un buon guadagno di diversità.

Nell’UL possiamo avere una tecnica di diversità applicando alla BS due antenne distinte; nel DL l’uso di due antenne per utente non è pratico per motivi economici, ma anche per motivi estetici e di dimensione.

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Figura 18.

2.13 Interferenza Esterna

Un sistema OFDMA è resistente a più forme di interferenza esterna.

Una sorgente di interferenza a banda stretta potrebbe bloccare alcune sottoportanti dell’OFDMA. Tuttavia, considerando che i sottocanali dell’OFDMA usano sottoportanti sparse sull’intera banda di frequenze, e che si ha un robusto schema FEC (Forward Error Correction), la perdita di sottoportanti generalmente non introduce significativi errori.

Una sorgente di interferenza a larga banda potrebbe bloccare la ricezione per un breve periodo di tempo; malgrado ciò, la lunga durata di ogni simbolo OFDMA e il FEC, prevengono importanti errori.

2.14 Conclusioni

La tecnologia OFDMA non è rimasta solo una tecnica teorica; sistemi OFDMA con FPGA creati da RUNCOM, provider israeliano di BWA, sono una realtà e sono già operativi in diverse parti del mondo . L’OFDMA è integrato anche nello standard IEEE802.16a2003 e nel DVB-RCT.