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LTE OFDM, OFDMA SC-FDMA y modulación

LTE OFDM, OFDMA SC-FDMA y modulación


OFDM forma el formato de señal básico que se utiliza en 4G LTE. OFDM, multiplexación por división de frecuencia ortogonal es el formato básico utilizado y se modifica para proporcionar el esquema de acceso múltiple: OFDMA, acceso múltiple por división de frecuencia ortogonal en el enlace descendente y SC-FDMA, acceso múltiple por división de frecuencia ortogonal de un solo canal en el enlace ascendente.

El uso de múltiples portadoras, cada una con una velocidad de datos baja, OFDM es ideal para la transmisión de datos de alta velocidad porque proporciona resistencia contra el desvanecimiento de banda estrecha que se produce como resultado de las reflexiones y las propiedades de propagación general en estas frecuencias.

Dentro del formato básico de señal LTE OFDM, se utilizan una variedad de formatos de modulación, incluidos PSK y QAM. La modulación de orden superior se utiliza para lograr velocidades de datos más altas: el orden de modulación está determinado por la calidad de la señal.

Modulación LTE y conceptos básicos de OFDM

El uso de OFDM es una opción natural para LTE. Si bien se utilizan los conceptos básicos de OFDM, naturalmente se ha diseñado para cumplir con los requisitos exactos de LTE. Sin embargo, su uso de múltiples portadoras, cada una con una velocidad de datos baja, sigue siendo la misma.

Nota sobre OFDM:

Múltiplex por división de frecuencia ortogonal, OFDM es una forma de formato de señal que utiliza una gran cantidad de portadoras espaciadas cercanas, cada una de las cuales está modulada con un flujo de datos de baja velocidad. Normalmente, se esperaría que las señales con espacios reducidos interfieran entre sí, pero al hacer que las señales sean ortogonales entre sí, no hay interferencia mutua. Los datos que se transmitirán se comparten entre todas las portadoras y esto proporciona resistencia contra el desvanecimiento selectivo de los efectos de múltiples rutas.

Leer más sobre OFDM, multiplexación por división de frecuencia ortogonal.

La implementación real de la tecnología será diferente entre el enlace descendente (es decir, de la estación base al móvil) y el enlace ascendente (es decir, del móvil a la estación base) como resultado de los diferentes requisitos entre las dos direcciones y el equipo en cada extremo. Sin embargo, se eligió OFDM como formato de portador de señal porque es muy resistente a las interferencias. También en los últimos años se ha ganado un nivel considerable de experiencia en su uso de las diversas formas de transmisión que lo utilizan junto con Wi-Fi y WiMAX. OFDM también es un formato de modulación muy adecuado para transportar altas velocidades de datos, uno de los requisitos clave para LTE.

Además de esto, OFDM se puede utilizar en formatos FDD y TDD. Esto se convierte en una ventaja adicional.

Anchos de banda y características del canal LTE

Uno de los parámetros clave asociados con el uso de OFDM dentro de LTE es la elección del ancho de banda. El ancho de banda disponible influye en una variedad de decisiones, incluido el número de portadoras que se pueden acomodar en la señal OFDM y, a su vez, esto influye en elementos que incluyen la longitud del símbolo, etc.

LTE define una serie de anchos de banda de canal. Obviamente, cuanto mayor sea el ancho de banda, mayor será la capacidad del canal.

Los anchos de banda de canal que se han elegido para LTE son:

  1. 1,4 MHz
  2. 3 MHz
  3. 5 MHz
  4. 10 MHz
  5. 15 MHz
  6. 20 MHz

Además de esto, el espaciado de las subportadoras es de 15 kHz, es decir, las subportadoras LTE están espaciadas a 15 kHz entre sí. Para mantener la ortogonalidad, esto da una velocidad de símbolo de 1/15 kHz = de 66,7 µs.

Cada subportadora puede transportar datos a una velocidad máxima de 15 ksps (kilosímbolos por segundo). Esto le da a un sistema de ancho de banda de 20 MHz una velocidad de símbolo sin procesar de 18 Msps. A su vez, esto puede proporcionar una velocidad de datos sin procesar de 108 Mbps, ya que cada símbolo que usa 64QAM puede representar seis bits.

Puede parecer que estas tarifas no se alinean con las cifras principales que se dan en las especificaciones de LTE. La razón de esto es que las velocidades máximas de datos reales se obtienen restando primero los gastos generales de codificación y control. Luego están las ganancias que surgen de elementos como la multiplexación espacial, etc.

Prefijo cíclico LTE OFDM, CP

Una de las principales razones para usar OFDM como formato de modulación dentro de LTE (y muchos otros sistemas inalámbricos para el caso) es su resistencia a los retrasos y la propagación de múltiples rutas. Sin embargo, todavía es necesario implementar métodos para agregar resiliencia al sistema. Esto ayuda a superar la interferencia entre símbolos (ISI) que resulta de esto.

En áreas donde se espera interferencia entre símbolos, se puede evitar insertando un período de guarda en el tiempo al comienzo de cada símbolo de datos. Entonces es posible copiar una sección desde el final del símbolo hasta el principio. Esto se conoce como prefijo cíclico, CP. El receptor puede entonces muestrear la forma de onda en el momento óptimo y evitar cualquier interferencia entre símbolos causada por reflexiones que se retrasan por tiempos hasta la longitud del prefijo cíclico, CP.

La longitud del prefijo cíclico, CP es importante. Si no es lo suficientemente largo, no contrarrestará la propagación del retardo de reflexión por trayectos múltiples. Si es demasiado largo, reducirá la capacidad de rendimiento de datos. Para LTE, la longitud estándar del prefijo cíclico se ha elegido para que sea de 4,69 µs. Esto permite que el sistema se adapte a variaciones de trayectoria de hasta 1,4 km. Con la longitud del símbolo en LTE establecida en 66,7 µs.

La longitud del símbolo se define por el hecho de que para los sistemas OFDM la longitud del símbolo es igual al recíproco del espaciado de portadora, de modo que se logra la ortogonalidad. Con un espaciado de portadora de 15 kHz, esto da una longitud de símbolo de 66,7 µs.

LTE OFDMA en el enlace descendente

La señal OFDM utilizada en LTE comprende un máximo de 2048 subportadoras diferentes con un espaciado de 15 kHz. Aunque es obligatorio que los móviles tengan la capacidad de poder recibir las 2048 subportadoras, no es necesario que todas sean transmitidas por la estación base, que solo debe poder soportar la transmisión de 72 subportadoras. De esta forma todos los móviles podrán comunicarse con cualquier estación base.

Dentro de la señal OFDM es posible elegir entre tres tipos de modulación para la señal LTE:

  1. QPSK (= 4QAM) 2 bits por símbolo
  2. 16QAM 4 bits por símbolo
  3. 64QAM 6 bits por símbolo

Nota sobre QAM - Modulación de amplitud en cuadratura:

Modulación de amplitud en cuadratura, QAM es ampliamente demandado para la transmisión de datos, ya que permite mejores niveles de eficiencia espectral que otras formas de modulación. QAM utiliza dos portadoras en la misma frecuencia desplazadas en 90 ° que están moduladas por dos flujos de datos: I o Inphase y Q: elementos en cuadratura.

El formato de modulación LTE exacto se elige según las condiciones imperantes. Las formas más bajas de modulación (QPSK) no requieren una relación señal / ruido tan grande, pero no pueden enviar los datos tan rápido. Solo cuando existe una relación señal / ruido suficiente se puede utilizar el formato de modulación de orden superior.

Portadores de enlace descendente y bloques de recursos

En el enlace descendente, las subportadoras se dividen en bloques de recursos. Esto permite que el sistema pueda compartimentar los datos entre números estándar de subportadoras.

Los bloques de recursos comprenden 12 subportadoras, independientemente del ancho de banda total de la señal LTE. También cubren un espacio en el marco de tiempo. Esto significa que diferentes anchos de banda de señal LTE tendrán diferentes números de bloques de recursos.


Portadores de enlace descendente LTE y bloques de recursos
Canal de Banda ancha
(Megahercio)
1.435101520
Número de bloques de recursos615255075100

LTE SC-FDMA en el enlace ascendente

Para el enlace ascendente LTE, se utiliza un concepto diferente para la técnica de acceso. Aunque todavía se utiliza una forma de tecnología OFDMA, la implementación se denomina Acceso múltiple por división de frecuencia de portadora única (SC-FDMA).

Uno de los parámetros clave que afecta a todos los móviles es el de la duración de la batería. Aunque el rendimiento de la batería está mejorando todo el tiempo, es necesario asegurarse de que los móviles consuman la menor cantidad posible de energía de la batería.

Dado que el amplificador de potencia de RF que transmite la señal de radiofrecuencia a través de la antena a la estación base es el elemento de mayor potencia dentro del móvil, es necesario que funcione en el modo más eficiente posible. Esto puede verse afectado significativamente por la forma de modulación de radiofrecuencia y el formato de la señal.

Las señales que tienen una alta relación pico a promedio y requieren amplificación lineal no se prestan al uso de amplificadores de potencia de RF eficientes. Como resultado, es necesario emplear un modo de transmisión que tenga un nivel de potencia constante cuando esté en funcionamiento. Desafortunadamente, OFDM tiene una alta relación pico a promedio.

Si bien esto no es un problema para la estación base donde la energía no es un problema particular, es inaceptable para el móvil. Como resultado, LTE utiliza un esquema de modulación conocido como SC-FDMA - Multiplex de división de frecuencia de portadora única, que es un formato híbrido. Esto combina la baja relación de pico a promedio que ofrecen los sistemas de una sola portadora con la resistencia a la interferencia de trayectos múltiples y la asignación de frecuencia de subportadora flexible que ofrece OFDM.

El formato de la señal LTE, la modulación y el uso de OFDM han permitido que LTE proporcione comunicaciones de datos confiables de alta velocidad.

El uso de OFDM ha permitido a LTE proporcionar una calidad de enlace confiable incluso en presencia de reflejos y la modulación adaptativa proporcionó la capacidad de modificar el enlace de acuerdo con la calidad de la señal predominante.

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Ver el vídeo: OFDM Simulation in MATLAB (Octubre 2020).