Entendimiento OFDMA, la interfaz de 4G wireless

Incluso como tercera generación (3G), equipo de telefonía móvil continúa su despliegue, el ecosistema inalámbrico es la identificación y el diseño de cuarta generación (4G) de los sistemas. Aunque no existe una definición clara sobre lo que separa la 3G de sistemas 4G, parece haber un consenso dentro de la formación de los organismos de normalización con respecto a la máxima velocidad de transmisión de datos apoyado. Sistemas 3G, como la alta velocidad de paquete de acceso (HSPA), de hasta el alrededor de 15-20 Mbits / s de bajada y cerca de 5-10 Mbits / s uplink. 4G sistemas están diseñados para apoyar 5 a 10 veces superiores a las tasas con más de 100 Mbits / s o más en la bajada y más de 50 Mbits / s en el enlace ascendente.

3G actuales de comunicaciones inalámbricas han conseguido aumentar el ancho de banda disponible para nuevas aplicaciones mediante el uso de acceso múltiple por división de código (CDMA) para la capa física de transmisión. A diferencia de edad que los sistemas de múltiplex de datos para los distintos canales a través de la frecuencia o el tiempo divisiones, CDMA se extiende datos de telecomunicaciones en todo el espectro del operador, utilizando la interferencia constructiva propiedades de los códigos asociados a cada canal para llevar a cabo la multiplexación. CDMA ha demostrado ser eficaz en la conmutación de paquetes mundo inalámbrico de voz y técnicas de espectro ensanchado han permitido una mayor eficiencia y flexibilidad en la utilización de ancho de banda que los anteriores sistemas.

En cuanto a las normas 4G, 3G dos principales organismos de normalización, la Asociación de 3 ª Generación Project (3GPP) y 3 ª Generación Asociación Proyecto 2 (3GPP2), han indicado que por división de frecuencia ortogonal de acceso múltiple (OFDMA) es su elección para la capa física de la tecnología de transmisión. Sin embargo, el primer estándar que se desplegarán usando el nuevo multiplexor técnica es IEEE 802.16e, o WiMAX (Worldwide Interoperability para acceso por microondas). Una versión anterior de WiMAX, conocido como 802.16d, ya está on-line en algunas zonas de acceso fijo, de área amplia redes de datos. La principal diferencia entre las dos normas es que 802.16e proporciona características para la movilidad. Ver un cuadro comparativo en wikipedia.org / wiki / WiMAX.

¿Qué es OFDM?

OFDMA se basa en ortogonal multiplexación por división de frecuencia (OFDM). Esta tecnología ha sido hace algún tiempo y se ha utilizado en ADSL, Wi-Fi (802.11a / g), DVB-H y otros de alta velocidad con los sistemas de transmisión digital. No es de extrañar que la primera incursión de OFDM en el mundo inalámbrico celular se fijó de acceso WiMAX 802.16d. Este estándar inalámbrico se ha utilizado para proporcionar alta velocidad de acceso a Internet ya sea como un sustituto de otras tecnologías de acceso como ADSL o cable, o para prestar servicio en las regiones donde los demás tecnologías de acceso no se desplegaron.

En OFDM, ancho de banda utilizable se divide en un gran número de pequeños anchos de banda que son matemáticamente ortogonales utilizando rápida de Fourier transforma (FFTs). Reconstrucción de la banda se realiza por la inversa rápido transformada de Fourier (IFFT). FFTs y IFFTs están bien definidos los algoritmos que pueden aplicarse de manera muy eficiente cuando de tamaño como potencias de 2. FFT tamaños típicos de los sistemas OFDM son 512, 1024 y 2048, con los más pequeños 128 y 256 tamaños también posibilidades. Entre los anchos de banda que contará con el apoyo de 5, 10 y 20 MHz. Una característica beneficiosa de esta técnica es la facilidad de adaptación a diferentes anchos de banda. La menor unidad de ancho de banda puede permanecer fijo, aun cuando el total de utilización del ancho de banda es cambiado. Por ejemplo, una de 10 MHz de ancho de banda de asignación puede ser dividido en pequeñas bandas de 1024, mientras que un 5 MHz la asignación de cuotas se divide en 512 pequeñas bandas. Estas pequeñas bandas se denominan subcarriers y suelen ser del orden de 10 kHz.

Figura 1: En OFDM, ancho de banda utilizable se divide en un gran número de pequeños anchos de banda, llamado subcarriers, que son matemáticamente ortogonales. (Fuente: Wikipedia).


Beneficios de OFDM

Uno de los desafíos actuales en los sistemas de acceso inalámbrico es un efecto llamada 'múltiples'. El resultado de múltiples reflexiones entre un transmisor y receptor de las reflexiones que llegan al receptor en distintos momentos. El lapso de tiempo que separa la reflexión se refiere a retrasar la propagación. Este tipo de interferencia tiende a ser problemático cuando el retraso en la propagación es el fin del tiempo de transmisión símbolo. Típico demora se extiende en microsegundos la longitud, que son cerca de CDMA símbolo veces. OFDMA símbolo veces tienden a ser del orden de 100 microsegundos, por lo menos múltiples de un problema. Con el fin de mitigar el efecto de multipath, un guardband de unos 10 microsegundos, llamado el prefijo cíclico, se inserta después de cada símbolo.

Figura 2: WiMAX LOS tecnologías para RNE y entornos (Fuente: WiMAX Forum).

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El logro de mayores velocidades de transmisión de datos requiere sistemas OFDM a hacer un uso más eficiente del ancho de banda que los sistemas CDMA. El número de bits por unidad de hercios se conoce como la eficiencia espectral. Un método de lograr la mayor eficiencia es a través del uso de la modulación de orden superior. Modulación se refiere al número de bits que transmite cada subcarrier. Por ejemplo, en un cuaternario modulación de amplitud (QAM) hay 2 bits por tono de transmisión. En 16 QAM, hay 4 bits y 64 QAM rendimientos de 6 bits por subcarrier. Se espera que todos los sistemas de 4G será espectralmente eficiente con el uso de modulación hasta 64 QAM.

Otra ventaja de OFDM es el uso de multiantenna avanzadas técnicas de procesamiento de señales. Las dos técnicas más comunes son llamadas múltiples de entrada múltiple salida (MIMO) la transformación y beamforming (comúnmente denominado AAS).

En MIMO, el sistema aprovecha el hecho de que la señal recibida de transmitir una antena puede ser bastante diferente de la señal recibida de una segunda antena. Esto es más común en interiores o densas zonas metropolitanas donde hay muchas reflexiones y multipaths entre el transmisor y el receptor. En este caso, otra señal se puede transmitir de cada antena a la misma frecuencia y aún debe recuperarse en el receptor de procesamiento de señales. Una manera sencilla de ver esta es una norma en N ecuaciones y N incógnitas problema que utiliza una conocida técnica de inversión de matriz de resolver. Reuso de frecuencia de esta manera se conoce como Re-uso 1, cuando la misma frecuencia se utiliza para señales diferentes al mismo tiempo.

Beamforming, por otra parte, es principalmente una transmitir la tecnología y los intentos para formar una construcción coherente de las múltiples transmisores en el receptor. Esto puede producir una mayor relación señal-ruido (SNR) en el receptor, y puede ofrecer mayor ancho de banda o más para alcanzar la misma potencia de transmisión. En lugar de explotar las diferentes respuestas de interfaz de aire entre las antenas, beamforming modifica la señal de unificar la señal. En lugar de explotar las diferentes respuestas de interfaz de aire entre las antenas, beamforming modifica la señal de unificar la señal. Por lo tanto, no beamforming reutilización de frecuencia de la misma manera como MIMO. La división de la frecuencia en distintas bandas para separar las células se llama Re-uso 3. Esto proviene de la práctica común de la división inalámbrica de células en tres sitios distintos sectores.

ambién es posible combinar ambos MIMO beamforming y en algunos casos, sobre todo en 4 sistemas de antena. Un sistema ideal sería cambiar entre los modos en función de las características del despliegue.

Entonces, ¿cuál es OFDMA?

OFDMA fue desarrollado para mover la tecnología OFDM de un fijo, sistema inalámbrico de acceso a un verdadero sistema celular con la movilidad. La tecnología subyacente es el mismo, pero más flexibilidad se definió en el funcionamiento del sistema. En OFDMA, subcarriers se agrupan en unidades más grandes, conocidas como SUBCHANNELS, y estos son más SUBCHANNELS agrupados en ráfagas que pueden ser asignados a inalámbricas los usuarios. Cada ráfaga de asignación se puede cambiar de marco a marco, así como dentro de la modulación. Esto permite que el basestation para ajustar dinámicamente el uso de ancho de banda de acuerdo con el sistema actual.

Además, puesto que cada usuario sólo consume una porción del total del ancho de banda, el poder de cada usuario también puede ser modulada de acuerdo con los requisitos del sistema actual. Calidad de servicio (QoS) es otra característica que puede ser adaptado para diferentes usuarios en función de su aplicación específica, como voz, video streaming, o acceso a internet por ejemplo.

Figura 3: Marco de asignación dentro de OFDM. (Fuente: WiMAX Forum).

Ancho de banda de flexibilidad

Como se ha señalado anteriormente, OFDM y OFDMA sistemas permiten adaptar fácilmente a la disposición del espectro. Los objetivos declarados de la larga evolución de 3GPP (LTE) y WiMAX es apoyar a las asignaciones de ancho de banda de 1,25 a 20 MHz. Además, los sistemas pueden soportar tanto tiempo la división o multiplexación por división de frecuencia. Toda esta flexibilidad permitirá a los proveedores de servicios a implantar sistemas de 4G de diferentes maneras para diferentes áreas dependiendo de las necesidades de los mercados.

Como las primeras etapas de 4G redes inalámbricas se despliegan, sistema de los desarrolladores están comenzando a estudiar qué soluciones podrían ser más adecuadas para WiMAX y otras OFDMA basado en equipos. En muchos aspectos, las mismas consideraciones genéricas para celebrar OFDMA que han llevado a cabo anteriormente para aplicaciones inalámbricas: computación de alto rendimiento, bajo consumo de energía, la flexibilidad de programación, integración de alta velocidad periféricos, software completo de plataformas y herramientas de desarrollo global. DSP proveedores que son capaces de reunir todos estos elementos en sus productos se proporcionan las soluciones que mejor se permita a las redes de 4G. Un DSP que actualmente se ofrece como una solución es el TMS320TCI6487 de Texas Instruments. Combina tres de 1 GHz + DSP C64x núcleos con una completa 3 Mbytes de on-chip de memoria y de alta velocidad interfaces.

Nuevas expectativas de la migración a las redes 4G traerá un nuevo nivel de expectativas para las comunicaciones inalámbricas. Así como la revolución digital inalámbrica en el decenio de 1990 hizo los teléfonos móviles disponible para todo el mundo, la mayor velocidad y entrega de paquetes de redes 4G será multimedia de alta calidad disponible en todas partes. La clave para lograr este mayor nivel de prestación de servicios es una nueva interfaz aérea, OFDMA, que es a su vez activada por el alto nivel de rendimiento ofrecido por una nueva generación de tecnologías avanzadas para DSPs. Al dividir una determinada cantidad de espectro en numerosas pequeñas subcarriers, OFDMA proporciona una sólida señal que requiere relativamente poco poder todavía utiliza el ancho de banda de manera muy eficiente. Los transportistas se beneficiarán de una mayor flexibilidad mediante el uso de OFDMA, ya que en el mismo espectro que será capaz de ofrecer más canales, incluida la de mayor ancho de banda de canales, con varios tipos de servicios. Actualmente, estos sistemas todavía se están definidas y prototipo pero importantes piezas de la tecnología 4G ya están en marcha y la transición a un nuevo nivel de expectativas en las comunicaciones inalámbricas se marcha pronto.

Arnon Friedmann, Texas Instruments (TI) Software Manager, Grupo de infraestructura de comunicaciones.