OFDMA in LTE

8/19/2019 OFDMA in LTE

1/28

Cap. 6

OFDM & OFDMA

în LTE


2/28

1. Interfața radio în LTE

1.1 Moduri de acces radio1.2 Structura cadrului LTE

1.3 Benzi de transmisiune

1.4 Benzi de frecvență utilizate

1.5 Rate de transfer și capabilitățile stațiilor mobile

2. Tehnologia de acces multiplu în downlink: OFDM și OFDMA

2.1 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

2.2 OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access)

3. Tehnologia de acces multiplu pe uplink: SC-FDMA

CUPRINS


3/28


1.1 Moduri de acces radio

• FDD / TDD / FDD half-duplex ce permite partajarea echipamentelor hardware întreuplink și downlink (nefiind utilizate niciodată simultan). Este folosită în anumite benzide frecvență și oferă reduceri de costuri (cu înjumătățirea potențialelor rate de transfer adatelor).

• eMBMS (Evolved Multimedia Broadcast Multicast Service) = standard 3GPP carepermite rețelelor mobile să ofere servicii de transmisie de date în mod dinamic pentru areduce costul de livrare prin rețelele radio. În cazul transmisiilor multicelulare, celulelesi conţinutul sunt sincronizate pentru a permite terminalului să combine consumul deenergie de la transmisiile multiple. Semnalul suprapus arată ca unul multipath în punctul

terminalului. Acest concept este cunoscut ca Rețea cu o Singură Frecvenţă (SFN).• MBSFN permite combinarea semnalelor provenite de la mai multe celule în interiorulstației mobile (SM) prin folosirea prefixului ciclic (PC) pentru a corecta diferențele ceapar în timpii de propagare. Din punctul de vedere al SM, transmisiunile apar să vinădintr-o singură mare celulă.


4/28


1.2 Structura cadrului LTE

• Cadrul are o durată de 10 ms: 20 de sloturi x 0.5 ms.• 2 sloturi adiacente formează un sub-cadru de durată 1 ms, care formează unTTI (Time Transmit Interval).• Fiecare slot constă în 7 simboluri OFDM cu prefix ciclic normal sau scurt

sau 6 simboluri OFDM cu prefix ciclic lung/extins.

Fig 1 – Structura unui cadru LTE


5/28



• Lărgimi de bandă variabile în intervalul [1,4÷20] MHz cu o spațiere asubpurtătoarelor de 15 KHz. Dacă este folosit eMBMS, este posibilă o spațiere asubpurtătoarelor de 7,5 KHz.

• Spațierea subpurtătoarelor este constantă indiferent de lățimea de bandă a canalului.

• Cel mai mic cuantum de resurse ce poate fi alocat pentru uplink sau downlink senumește bloc de resurse (BR). Un BR are o bandă de 180 KHz și are durata unui

timeslot de 0.5 s.- LTE standard: un BR conține 12 subpurtătoare la un ecart de 15 KHz

- LTE eMBMS: cu spațierea opțională de 7.5 KHz a subpurtătoarelor conține24 de subpurtătoare.


6/28



• Numărul maxim de BR suportat de fiecare bandă de transmisiune este dat în tabelul1:

Tabelul 1 Configurația benzii de transmisiune

Banda canalului (MHz) 1.4 3 5 10 15 20

Configurația benzii detransmisiune (MHz)

1.08 2.7 4.5 9 13.5 18

Configurația benzii detransmisiune (număr de BR în ULsau DL)

6 15 25 50 75 100


7/28


1.4 Benzi de frecvență utilizate

Există 15 benzi de frecvență pentruFDD și 8 pentru TDD.

Există o suprapunere semnificativă

între anumite benzi, dar aceasta nusimplifică neapărat proiectarearețelelor deoarece pot existareglementări cu privire la performanța într-o anumită bandă bazate pe nevoiregionale.


8/28


1.5 Rate de transfer

• Valori de vârf ale ratelor de transfer în LTE (mari în condiții ideale) se situează între 100 și 326,4 Mbps în downlink și între 50 și 86,4 Mbps în uplink (în funcție deconfigurația de antene și gradul de modulație).

• Valorile reprezintă maximul absolut care poate fi suportat de sistem și ratele de vârf

în realitate vor fi scalate inferior prin introducerea de categorii de SM (o categoriede SM impune limite d.p.d.v. al debitelor suportate).

Categoria de SM Rata maximă

în downlink

(Mbps)

Configurația antenei în downlink

(transmițătoare eNB x receptoare SM)

Rata maximă

în uplink

(Mbps)

Categoria 1 10,296 1 x 2 5,16

Categoria 2 51,024 2 x 2 25,456

Categoria 3 102,048 2 x 2 51,024

Categoria 4 150,752 2 x 2 51,024

Categoria 5 302,752 4 x 2 75,376


9/28

2. Tehnologia de acces multiplu în downlink:

OFDM/ OFDMA

• Transmisia OFDM este o transmisie multi-purtă toare (MC):

modalitate de a mări lărgimea de bandă, f ără a spori distorsionarea semnaluluidin cauza selectivității în frecvență care afectează canalul;

presupune transmiterea mai multor semnale de bandă mai îngustă (numite subpurtă toare) în locul unuia singur de bandă mai largă. Semnalele suntmultiplexate în frecvență și sunt transmise împreună către același receptor, pe

aceeași legătură radio → rata de transfer crește; utilizarea unui număr relativ mare de subpurtătoare de bandă îngustă.

Exemplu: MC-WCDMA cu bandă de transmisie de 20 MHz folosește 4subpurtătoare cu banda de 5 MHz. Transmisia OFDM însă implică un numărde ordinul sutelor de subpurtătoare care pot fi transmise pe aceeași legăturăradio, către același receptor.

Fig 1 – Principiul transmisiei MC


10/28


OFDM/ OFDMA

• Avantaje/Dezavantaje:

principalul avantaj: evoluția de la tehnologia de acces radio existentă latransmisiunile cu bandă mai largă este netedă, atât din punct de vedere alechipamentelor, cât și a spectrului. O bandă extinsă implică în același timp rate detransfer mai mari, în special pentru legătura descendentă. Întrucât rata de simbol afiecărei subpurtătoare este mult mai mică decât rata de simbol inițială se evită

fenomene precum IIS. spectrul fiecărei subpurtătoare nu permite o împachetare foarte densă (”văile” care

apar în spectrul extins afectează eficiența transmisiei).

transmiterea în paralel a purtătoarelor multiple va conduce la variații semnificativeale puterii de transmisie instantanee → consum mai mare de putere la emițător șicosturi ridicate ale amplificatorului de putere.

puterea medie va fi însă redusă și de aceea transmisia MC este mai potrivită pentrulegătura descendentă decât pentru cea ascendentă.


11/28


OFDM/ OFDMA


• Structura tipică a unui transmițător și receptor OFDM este reprezentată în figura 2:

Fig 2 – Transmițător și receptor OFDM

• Spre deosebire de alte tehnici care operează simbol cu simbol, OFDM transmite unbloc de simboluri de date simultan într-un simbol OFDM (= timpul folosit pentru atransmite toate subpurtătoarele care sunt modulate de blocul de simboluri de date de la

intrare).


12/28


OFDM/ OFDMA


• Maparea pe simboluri se realizează cu un modulator în BB (transformă biții deintrare într-un set multi-nivel de numere complexe care corespund diferitelor formatede modulație BPSK, QPSK, 16-QAM sau 64-QAM).

• Ulterior blocurile de simboluri sunt mapate pe subpurtătoare.

• Se folosește un bloc IFFT pentru a transforma subpurtătoarele modulate îndomeniul frecvență în eșantioane în domeniul timp.

• Pentru a face ca semnalul OFDM să nu fie sensibil la dispersia în timp care aparepe canal, se introduce prefixul ciclic (PC). Pentru a optimiza performanțele în diverse

medii lungimi diferite pot fi utilizate în cazuri precum:- prefix ciclic mai scurt pentru medii cu celule mici pentru a minimizanumărul de biți suplimentari introduși datorită prefixului ciclic;

- prefix ciclic mai lung pentru medii cu dispersie în timp accentuată și înspecial pentru cazul SFN.


13/28


OFDM/ OFDMA


• La receptor, partea cu prefix a simbolului este ignorată deoarece ar putea conțineIIS de la simbolul precedent. În acest fel se elimină efectul IIS cauzată de propagareamulti-cale. Totuși, prefixul reprezintă cantitatea de intformație suplimentară într-unsistem OFDM deoarece nu poartă informație utilă.

• Blocul de eșantioane complexe este apoi serializat în domeniul timp și convertit însemnal analogic.

• Partea de RF modulează eșantioanele I-Q pentru transmisia finală în radiofrecvență.

• Gradul de interferență pe fiecare subpurtătoare poate să fie de asemenea diferit și să

varieze în mod unic în timp.• Receptorul face operațiile transmițătorului în ordine inversă.

• Un receptor tipic OFDM include secțiunea de RF, convertor analogic-digital,convertor paralel-serie, circuitul de îndepărtare a prefixului ciclic, bloc de transformareFourier, demaparea subpurtătoarelor, egalizor și detector.


14/28


OFDM/ OFDMA

Avantaje OFDM:

o eficiență spectrală ridicată comparativ cu alte scheme de modulație;

o poate fi ușor adaptată la condiții severe dp.d.v. al canalului radio f ără egalizarecomplexă în domeniul timp;

o robustețe la interferențele co-canal de bandă îngustă;

o robustețe la IIS și fadingul cauzat de propagarea multicale;

o implementare eficientă folosind FFT;o sensibilitate scăzută la erorile de sincronizare temporale.

Dezavantaje OFDM:

o sensibilă la efectul Doppler + la problemele de sincronizare a frecvențelor;

o valori mari ale PAPR (Peak to Average Power) → circuite complexe;

o pierdere în eficiență cauzată de prefixul ciclic/intervalul de gardă;

o modulația BLU a fiecărei subpurtătoare → eficiență spectrală scăzută → puteremai mare pentru transmițător pentru a obține o bună acoperire.


15/28


OFDM/ OFDMA


• Este o variantă multi-utilizator a tehnologiei OFDM.

• Accesul multiplu este realizat prin asignarea seturilor de subpurtătoare utilizatorilorindividuali, așa cum se poate observa în figura 3. Astfel sunt posibile transmisiunisimultane, dar cu rate scăzute pentru mai mulți utilizatori.

Fig 3 – Alocarea subpurtătoarelor în OFDMA


16/28


OFDM/ OFDMA


• Cu OFDM standard, transmisiunile foarte înguste specifice SM suferă de fading debandă îngustă și interferențe. De aceea, pentru downlink, 3GPP a ales OFDMA, care încorporează elemente de TDMA.

• OFDMA permite ca subseturi de subpurtătoare să fie alocate dinamic între diferiți

utilizatori ai canalului → un sistem mai robust cu capacitate crescută. Aceasta sedatorează datorită eficienței de multiplexare a unor utilizatori cu rate de date reduse șiabilitatea de a realiza o planificare a utilizatorilor pe baza frecvențelor → rezistența lafadingul selectiv în frecvență.

• Un număr diferit de subpurtătoare poate fi alocat diverșilor utilizatori, pentru a

putea oferi QoS (Quality of Service) în mod diferențial, adică de a controla debitul dedate și probabilitatea de eroare în mod individual pentru fiecare utilizator.


17/28


OFDM/ OFDMA


• Spațiul timp/frecvență este împărțit în unități logice de bază care constau în sub-benzi de frecvență și unul sau mai multe simboluri OFDM în domeniul timp.

• O sub-bandă constă din mai multe subpurtătoare.

• Unitățile logice de bază sunt apoi mapate în cadrul fizic OFDMA.• Dacă subpurtătoarele și simbolurile sunt permutate în frecvență și în mod opțional

și adițional în timp (schemă distribuită), datele sunt împrăștiate peste frecvențapurtătoare, astfel încât să se exploateze diversitatea în frecvență.

• Astfel se reduce probabilitatea ca întregul bloc de date să fie rejectat datorităfadingului selectiv în frecvență sau interferenței într-o sub-bandă.


18/28


OFDM/ OFDMA


• În modul contiuu depermutare unitățile logicede bază sunt mapate unu-la-unula subpurtătoarele fizicecorespondente.

Astfel se poate exploatadiversitatea multi-utilizatorprin alocare selectivă înfrecvență. Totuși, interferențainter-celulă trebuie să fie apoi

evitată prin partiționarea înfrecvență sau prin schemede coordonare.

Fig 5 – Cadrul fizic OFDMA


19/28


OFDM/ OFDMA


• OFDMA poate fi văzut ca o alternativă la combinarea OFDM cu TDMA sau TDSM(Time Domain Statistical Multiplexing) = comunicația prin pachete. Utilizatorii curate scăzute pot emite continuu cu putere scăzută în loc să folosească o purtătoarede putere mare “în impulsuri”.

Fig 4 – OFDM vs OFDMA


20/28


OFDM/ OFDMA

Avantaje OFDMA:

o flexibilitate în implementare în diverse benzi de frecvență cu modificări necesareminime la nivelul interfeței radio;

o minimizarea interferențelor de la celulele vecine, folosind diverse permutări ciclicede purtătoare între utilizatorii diferitelor celule;

o oferă diversitate de frecvență prin împrăștierea purtătoarelor în întregul spectrufolosit;

o permite modulație adaptivă (QPSK, 16QAM, 64QAM, 256QAM) pentru fiecareutilizator;

o folosește bursturi scurte per utilizator de aprox. 100 de simboluri pentru o

multiplexare statistică mai bună și un jitter mai mic.


21/28


OFDM/ OFDMA

Dezavantaje OFDMA:

o sensibilitate crescută la offseturi de frecvență și zgomot de fază;o electronica complexă corespunzătoare tehnologiei OFDM, inclusiv algoritmul FFTși corecția erorii (Forward Error Correction);

o câștigul de diversitate al OFDM și rezistența la fadingul selectiv în frecvență ar

putea fi pierdute dacă foarte puține sub-purtătoare sunt alocate fiecărui utilizator, șidacă aceeași purtătoare este folosită în fiecare simbol OFDM. Soluție: alocareaadaptivă de subpurtătoare bazată pe informația de feedback despre canal.

o PAPR (Peak to Average Power Rate) de valoare mare: uzual 10-12 dB (în funcțiede numărul de subpurtătoare).

o amplificatoarele alese în funcție de puterea de vârf: cu cât aceasta este mai mare, cuatât sunt mai scumpe, au dimensiuni mai mari și sunt predispuse la distorsiuni.Aspectul devine și mai problematic pentru dispozitivul mobil.


22/28

3. Tehnologia de acces multiplu pe uplink:

SC-FDMA

o SC-FDMA este o formă modificată de OFDM cu un debit asemănător și ocomplexitate similară.

o Este văzută ca o tehnică DFT-ODFM unde simbolurile de date din domeniul timpsunt transformate în domeniul frecvență prin DFT (Discrete Fourier Transform) înainte de a trece prin modulația specifică OFDM. În acest fel, SC-FDMAmoștenește toate avantajele OFDM în fața unor tehnologii precum TDMA și

CDMA.o Principalul avantaj al OFDM, precum și al SC-FDMA este robustețea la propagarea

multicale, ceea ce le face potrivite pentru sistemele de bandă largă.

o SC-FDMA aduce ca avantaj suplimentar un PAPR scăzut comparativ cu cel alOFDM ceea ce o face potrivită pentru transmisia uplink (consumul de putere este o

problemă majoră pentru terminalele mobile).o Schema de transmisiune uplink este bazată pe FDMA cu o singură purtătoare

(DFTS-OFDM).


23/28


SC-FDMA

o Spațierea subpurtătoarelor în uplink este de ∆f= 15 kHz.

o

Sunt definite două lungimi ale prefixului ciclic: prefixul ciclic normal și extins,corespunzându-le 7, respectiv 6 simboluri SC-FDMA per slot.

o Subpurtătoarele sunt grupate în seturi de 12 subpurtătoare consecutive într-un slotcare corespund unui BR uplink.

o În domeniul frecvență, numărul maxim de blocuri de resurse poate lua valori între 6și 110.

Fig 7 – Schema emițătorului SC-FDMA


24/28


SC-FDMA

o Structura emițătorului și receptorului SC-FDMA este dată în Fig 8.

o

Emițătorul SC-FDMA are o structură similară cu cea a unui sistem OFDM tipic cuexcepția adăugării unui nou bloc DFT înainte de maparea subpurtătoarelor.

Fig 8 – Emițător/ receptor SC-FDMA


25/28


SC-FDMA

o Diferența majoră între transmițătorul OFDM și cel SC-FDMA este blocul demapare DFT. După maparea biților de date în simboluri de modulație,transmițătorul grupează simbolurile de modulație într-un bloc de N simboluri.

o Un DFT cu N -puncte transformă aceste simboluri din domeniul timp în domeniulfrecvență. Eșantioanele din domeniul frecvență sunt apoi mapate într-o submulțimede M subpurtătoare, M > N (de obicei). La fel ca la OFDM, un IFFT cu M puncte

este folosit pentru a genera eșantioanele în domeniul timp ale acestor subpurtătoare,care sunt urmate de un prefix ciclic, convertor paralel-serial, DAC și subsistemulRF.

o Fiecare simbol de date este transformat DFT înainte de maparea pe subpurtătoare,de aceea SC-FDMA se mai numește și OFDM precodat DFT.


26/28


SC-FDMA

o În OFDM standard, fiecare simbol de date este transportat pe o subpurtătoareseparată. În SC-FDMA, multiple subpurtătoare transportă fiecare simbol de date

datorită mapării eșantioanelor din domeniul frecvență al simbolurilor lasubpurtătoare. În alte cuvinte, grupul de subpurtătoare care transportă fiecaresimbol de date poate fi vazut ca o singură bandă de frecvențe ce transportă date într-un mod secvențial într-o manieră FDMA standard.

o Deoarece fiecare simbol de date este împrăștiat pe mai multe subpurtătoare, SC-FDMA oferă un câștig de diversitate în frecvență într-un canal selectiv în frecvență.

o Ieșirea DFT cu simbolurile de date este mapată pe un subset de subpurtătoare,proces numit maparea subpurt ătoarelor . Acesta asignează valorilor complexe de laieșirea DFT amplitudinile câtorva din subpurtătoarele selectate.

o Maparea subpurtătoarelor este de 2 tipuri: mapare localizat ă și mapare distribuit ă.În maparea localizată, ieșirile DFT sunt mapate pe o submulțime de subpurtătoareconsecutive, restrângându-le astfel la numai o fracțiune din banda sistemului.


27/28


SC-FDMA

o În maparea distribuită, ieșirile DFT sunt asignate subpurtătoarelor din întreagabandă în mod discontinuu, rezultând amplitudine 0 pentru subpurtătoarele rămase

neutilizate.o Un caz special de SC-FDMA distribuit se numește SC-FDMA întrețesut, unde

subpurtătoarele ocupate sunt spațiate în mod egal în întreaga bandă.

o SC-FDMA oferă câștig de diversitate în frecvență față de OFDM standard,

deoarece toată informația este distribuită pe mai multe subpurtătoare de către bloculde mapare DFT.

o SC-FDMA distribuit este mai robust în ceea ce privește fading-ul selectiv înfrecvență, în timp ce SC-FDMA localizat în combinație cu un schedule dependentde canal poate oferi diversitate multi-utilizator în condiții de canale selective în

frecvență.


28/28


SC-FDMA

PAPR are o legătură directă cu eficiența amplificatorului transmițătorului, șieficiența maximă de putere este obținută când amplificatorul operează în punctul de

saturație. Un PAPR mai scăzut permite folosirea amplificatorului de putere aproape de

saturație, rezultând o eficiență mai mare. La un semnal cu PAPR ridicat, punctul delucru al amplificatorului de putere trebuie coborât pentru a micșora distorsiunile

semnalului, scăzând în acest fel și eficiența amplificatorului. Fără a folosi filtre de formare a pulsului, SC-FDMA întrețesut oferă cel mai bun

PAPR, ceea ce determină ca această tehnologie să fie cea aleasă pentru un PAPRcât mai scăzut.

Avantaje SC-FDMA:- PAPR scăzut- sensibilitate scăzută la offsetul frecvenței purtătoare;- tehnică mai puțin sensibilă la distorsiuni neliniare → pot fi folosite amplificatoare

de putere mai ieftine.

Documents

OFDMA in LTE