OFDM

Se consideró la modulación, codificación, y la codificación de las especificaciones de la norma LTE (AWGN) y se utilizaron el modelo de canal simple para llevar a cabo las evaluaciones de desempeño. OFDM requiere la comprensión y modelado de los modelos de canal más sofisticados. El capítulo considera modelos de canal realistas que tengan en cuenta la dinámica en respuestas de canal y condiciones de desvanecimiento.

Efectos de desvanecimiento a corto plazo, como el desvanecimiento por trayectos múltiples y los efectos Doppler resultantes de la movilidad, conducirán a modelos de canales selectivos en frecuencia. OFDM y Single-Carrier Frequency Division Multiplexing (SC-FDM) de acceso múltiple de tecnologías en LTE, para el enlace descendente y ascendente.

Utilizan dominio de la frecuencia eficiente para combatir el desvanecimiento selectivo en frecuencia y contribuir a una eficiencia espectral superior. Nos centraremos en una configuración de antena individual, mientras que en próximos capítulos combinaremos la múltiple entrada múltiple salida (MIMO) y OFDM. Se detallará la base de la tecnología OFDM, la estructura OFDM y su aplicación en el estándar LTE.

Definiremos la asignación de tiempo-frecuencia de la señal OFDM y los diversos recursos para aprovechar de forma adaptativa el ancho de banda del canal; hasta analizar el desempeño de un transmisor-receptor integrado por componentes de trayectos múltiples, condiciones de desvanecimiento y movilidad especificados por la norma.

5.1 Modelado del Canal

Los canales inalámbricos se caracterizan por la disponibilidad de diferentes caminos de propagación entre los transmisores y receptores.

Además de la ruta directa entre el transmisor y el receptor, que incluso puede no existir, otros caminos se pueden formar a través de la reflexión, difracción, dispersión, u otros escenarios de propagación. Al pasar por diferentes caminos, diferentes versiones de las señales transmitidas pueden recibirse simultáneamente en el receptor. Estas diferentes versiones presentan perfiles de potencia de la señal y el retardo de tiempo o fase variable.

Puesto que éstos recibieron señales están correlacionados en el tiempo, un modelo AWGN no es el modelo de canal más representativo para la mayoría de las conexiones inalámbricas. Por lo tanto, el adecuado modelado de las características de un canal inalámbrico es un requisito importante para el diseño de sistemas de comunicaciones móviles.

La propagación del canal por lo general resulta en una potencia reducida en las señales recibidas en relación con la señal transmitida. En general, las reducciones de potencia son tratados en dos categorías:

(i) Señal atenuaciones o desvanecimiento a gran escala.

(ii) Desvanecimiento o pequeña escala desvanecimiento.

5.1.1 Gran escala y pequeña escala de desvanecimiento

Pérdida de camino y oscurecimiento están entre los más prominentes efectos de desvanecimiento a gran escala.

Estas características de gran escala se tienen en cuenta en el diseño y la topografía del celular. Desvanecimiento de pequeña escala incluye desvanecimiento por trayectos múltiples y dispersión en el tiempo debido a la movilidad.

Estas características son de corta duración y debe ser tratado de manera adaptativa. El diseño de la PHY (capa física) debe incluir técnicas que tratan eficazmente con este tipo de canal de deterioro.

5.1.2 Efectos desvanecimiento de multitrayecto

Desvanecimiento por trayectos múltiples se caracteriza por un perfil de potencia de retardo que comprende dos componentes: un vector de retrasos relativos y un vector de parámetros de potencia media. Otro conjunto útil de medida escalar tampoco significa un exceso de retraso o la demora de Media Raíz cuadrada (RMS) se dispersa como el primer y segundo momento de retrasos relativos.

Desvanecimiento por trayectos múltiples en frecuencia puede ser plano o selectivo. Si el ancho de banda es mayor que el inverso del retardo de propagación, respuesta de frecuencia del canal indicara un desvanecimiento por trayectos múltiples. En el contexto de comunicación celular, las señales se reciben en el terminal móvil siguiendo un camino directo desde la estación base.

Algunas señales también se reflejaban en los edificios u otros reflectores y se llega a la terminal móvil con un retraso de tiempo y una potencia atenuada. Puesto que el receptor móvil consigue la combinación lineal de estas señales, la señal neta obtenida es esencialmente una convolución de la señal de entrada y la respuesta de impulso del canal.

En el dominio de la frecuencia, la respuesta de frecuencia del canal incluye diferentes patrones de respuesta a diferentes frecuencias; así tenemos frecuencia desvanecimiento selectivo. En el caso de un canal de tiempo de dispersión con características de propagación por trayectos múltiples, allí no solo habrá la interferencia entre símbolos dentro de una subportadora sino también la interferencia

entre subportadoras. Esto es debido a la ortogonalidad entre las subportadoras será parcialmente perdido debido a la superposición del intervalo de correlación de demodulador para una sola ruta con el límite del símbolo de otro.

El intervalo de integración, que se utiliza para calcular la Transformada Rápida de Fourier (FFT), voluntad no necesariamente correspondera a un número entero de periodos de exponenciales complejas del camino, como los símbolos de modulación pueden diferir entre intervalos de símbolo consecutivos.

5.1.3 Efectos Doppler

Para los sistemas móviles que transmiten en un amplio ancho de banda, tales como la LTE, el predominante canal de degradación es el resultado de corto plazo de desvanecimiento causado por la propagación de multitrayecto. Necesitamos tener en cuenta los efectos de un canal de desvanecimiento con el fin de proporcionar una evaluación precisa del rendimiento del sistema LTE.

Como resultado de movimiento de terminal móvil, el perfil de la respuesta de impulso del canal puede variar. Rápidos y lentos canales de desvanecimiento reflejan la velocidad del móvil terminal y se expresan en términos de desplazamientos de frecuencia Doppler.

5.1.4 Ejemplos Matlab

Podemos estudiar los efectos de las respuestas de canal de una señal transmitida mediante el uso de los diversos modelos de canal del Sistema de Comunicaciones del ToolBox. Rayleigh y objetos del canal Rician pueden ser utilizados para modelar un único trayecto de propagación y el objeto sistema comm. Canal MIMO puede ser utilizado para estudiar los efectos de múltiples antenas y múltiples trayectorias de propagación.

Todos estos componentes utilizan el perfil de retardo y desplazamiento Doppler como parámetros para modelar la dinámica de un canal de desvanecimiento.

5.1.4.1 Canales de desvanecimiento de bajo movilidad plana

El primer tipo de canal es un canal plano decoloración baja movilidad. En este caso, el perfil de retardo no contiene varios cambios en el tiempo. Se caracteriza por un único valor de retardo dominante que denota la diferencia de tiempo entre el transmisor y el receptor.

Por otra parte, la baja movilidad conduce a un desplazamiento Doppler de cerca de cero. Los siguientes implementos de función de MATLAB se asemejan a un modelado de canal.

Con el fin de visualizar el efecto de este tipo de canal en un sistema, añadimos el canal de desvanecimiento a un sistema que contiene la codificación aleatoria y modulación y observar la señal de entrada al demodulador.

Tener en cuenta que mediante la ejecución del experimento en la función siguiente de Matlab, se puede observar cómo incluso un canal plano de desvanecimiento estática

que representa una forma leve de la respuesta del canal degrada significativamente el rendimiento.

5.1.4.2 Canales de alta movilidad- desvanecimiento plano

Nos fijamos un valor distinto de cero para el desplazamiento Doppler para modelar una alta movilidad de canal de desvanecimiento plano. Tener en cuenta que el perfil de la respuesta del canal es aún el de desvanecimiento plano, pero la ganancia para todo el espectro varía como una función del tiempo.

También, la constelación de la señal recibida todavía se asemeja a un 64QAM (Quadrature Amplitude Modulation) de modulación.

Sin embargo, en cada tiempo de paso de la constelación gira basada en el desplazamiento como resultado de la fase de desplazamiento Doppler.

5.1.4.3 Baja movilidad - Canales de Frecuencia Selectiva

Se analiza un modelo de canal selectivo en frecuencia que aún tendrá un cero desplazamiento Doppler pero tendrá un vector para el perfil de retardo asociado.

Con el vector de tiempo de retrasos, observamos un vector ganancia del mismo tamaño. Esto resulta en un canal selectivo en frecuencia respuesta.

5.1.4.4 Alta movilidad - Canales de Frecuencia Selectiva

Mediante el establecimiento de un valor distinto de cero para el desplazamiento Doppler podemos modelar una alta movilidad de canal de frecuencia selectiva. Como en el caso de alta movilidad anterior, se observa una variación del perfil de ganancia del canal a diferentes valores de frecuencia.

También observamos que las respuestas de canal varían en el tiempo. La figura muestra los espectros de magnitud de la respuesta de canal calculada más de dos subtramas 10 ms de diferencia.

5.2 Scope

En este libro, sin pérdida de generalidad, nos centramos en la cíclica Prefijo normal (CP) que conduce a un encuadre determinado tiempo (siete símbolos OFDM por ranura) y el espaciamiento de subportadora 15 kHz. La funcionalidad de MATLAB es flexible parametrizar de tal manera que cambiando algunos parámetros, el modo CP extendida puede ser fácilmente simulado.

En este volumen no tratamos con los procedimientos de acceso al sistema, de inicio, de acceso aleatorio, o escenarios de traspaso. Se discute la transmisión de procesamiento de señal de enlace descendente en estado estable que se lleva a cabo una vez que ya se ha establecido la llamada dentro de una célula. Como tales, las señales de sincronización y los canales de difusión (BCHS) (enlace descendente) y canales de acceso aleatorio (enlace ascendente) lo harán. No se discuten minuciosamente y las funciones acompañan MATLAB no se desarrollarán.

5.3 Flujo de trabajo

A partir de la codificación, modulación y codificación, añadimos modelado del canal, que incluye desvanecimiento plano o selectivo en frecuencia. En este capítulo se discute una transmisión de una sola antena escenario (ya sea individual de entrada de salida única, SISO o sola entrada salida múltiple, (SIMO).

Nos centramos en la generación de referencia de la señal, la especificación de los recursos de la red, y transmisión OFDM.

Finalmente, tuvimos que crear el banco de pruebas para el modelo de sistema que implementa el primer modo de transmisión de enlace descendente.

5.4 OFDM y desvanecimiento multitrayecto

La señal modulada OFDM se calcula como la transformada rápida de Fourier transformada inversa (IFFT) de los elementos de recursos asociados con diferentes subportadoras. La salida IFFT se puede considerar la suma de las funciones exponenciales complejas conocidas como funciones de base, sinusoides complejas, armónicos, o los tonos de una señal multitono. Consideremos uno de estos tonos o armónicos (es decir, la exponencial compleja asociada con una subportadora en particular) como:

Ecuación 5.2 muestra cómo un canal con una respuesta de impulso (hm) opera sobre la transmitida señal x (n) para proporcionar la señal recibida y (n).

Ahora, debido a la linealidad, cuando la señal OFDM está sujeta a un canal de desvanecimiento por trayectos múltiples cada uno de sus componentes exponenciales complejas también está sujeta a la misma modelo de canal.Por lo tanto, podemos calcular la versión recibida de cada componente subportadora de la OFDM señal (y (n) ⌋ ω = kΔf) como la convolución de dicho componente de transmisión y el impulso de canal respuesta.

El paso siguiente explica la necesidad de introducir la CP a la formulación OFDM. Nosotros puede sustituir la expresión x (n) ⌋ ω = = kΔf akej2πkn / N para el complejo componente sinusoidal en la Ecuación 5.3 si y sólo si el retardo multitrayecto valora dm son menos que o igual a la CP longitud. De otro modo, incluso con un único valor de retardo fuera del rango de CP, cruzamos el OFDM símbolo de frontera y la ortogonalidad entre los componentes de subportadora se pierde. Ahora, suponiendo que la dispersión de retardo está dentro de la gama CP, podemos obtener la siguiente expresión para la recibida componente subportadora como una función de la componente subportadora transmitida:

Después de algunas simplificaciones algebraicas, la salida se puede expresar como:

Tenga en cuenta que la última expresión, ΣM m = 0 hme - j2πkdm N, no es una función del índice de tiempo n, sino puede ser visto como una ganancia que es una función del índice de subportadora k y se aplica al complejo componente exponencial. Al definir

esta ganancia como Hk = ΣM m = 0 hme - j2πkdm N y sustituyendo en la ecuación 5.5, obtenemos la siguiente expresión para la componente de la señal OFDM recibido:

Ahora nos fijamos en las operaciones de OFDM en el receptor. Tenga en cuenta que después de la eliminación de la CP, la primera operación en el receptor es calcular la transformada de Fourier, como se define por la siguiente expresión:

Cuando la expresamos la señal recibida sobre la base de su formulación de Fourier, y (n) =1 N ΣNk 1 = Y (ω) ej2πkn / N , todos los términos de productos interiores para las frecuencias distintas de la subportadora desaparecer debido a la ortogonalidad de las funciones de base IFFT . El único término no nulo que determina la transformada de Fourier de la señal recibida en la subportadora pertenece a la recibida componente subportadora; esto es:

Mediante la sustitución de la expresión para la componente de señal OFDM recibida, se obtiene la siguiente:

Simplificación de esta expresión da como resultado una fórmula intuitiva para la señal recibida en una determinado componente subportadora :

Esta expresión indica que la señal recibida en cualquier subportadora es el producto transmitido símbolo ak y la ganancia de trayectos múltiples Hk. Esta simple expresión

es la base para definir ecualización de dominio de la frecuencia usando las señales piloto.

5.5 OFDM y Canal -Response Estimación

Cada componente de la señal transmitida que está sujeto al desvanecimiento multitrayecto canal llegará en el receptor como una versión a escala de la señal transmitida. La ganancia se caracteriza por la de respuesta de canal. Señales piloto o de referencia pueden considerarse señales conocidas puestos a regulares subportadoras posiciones. Podemos estimar la respuesta del canal en esas subportadoras dividiendo la versión recibida en la subportadora por el valor transmitido conocido. La respuesta de canal en cada subportadora particular, se calcula entonces como:

A través de diversas formas de interpolación ahora podemos estimar la respuesta del canal no sólo en subportadoras conocidos pero en todas las subportadoras. Esto nos permite realizar la ecualización, definida como revertir los efectos de la canal de desvanecimiento en el dominio de la frecuencia. Esto es más eficiente que las técnicas de ecualización de dominio de tiempo clásico, que estimar la respuesta de impulso de canal y utilizar el filtrado adaptativo para igualar las señales recibidas.

5.6 Dominio de la frecuencia de Nivelación

Una de las características más importantes de la OFDM es su tratamiento robusto y eficiente de la trayectoria múltiple desvanecimiento. OFDM compensa para el efecto de desvanecimiento a través de un enfoque de dominio de la frecuencia a la igualación. En lugar de filtrar la señal recibida en el tiempo con la inversa de la canal respuesta de impulso , OFDM construye primero una representación de dominio de frecuencia de los datos y a continuación, utiliza señales de referencia para invertir la respuesta de frecuencia del canal.

Esto implica un proceso de dos pasos. En primer lugar, la construcción de una red de recursos de tiempo-frecuencia, donde los datos están alineados con subportadoras en el dominio de frecuencia antes de una serie de OFDM símbolos se genera en el tiempo. Este paso también se conoce como el mapeo de elemento de recurso. Los tipos de señal que forman la red LTE de recursos de enlace descendente incluyen los siguientes:

• Los datos de usuario (Physical Downlink Shared Channel, PDSCH)• Referencia de celda específica (RSE) señales (también conocidos como los pilotos)• Las señales de sincronización primaria (PSS) y señales de sincronización secundarias (SLV)• Canales de difusión Física (PBCHs)• Canales Física Downlink Control (PDCCHs).

En segundo lugar, tenemos el vector de elementos de recursos como entrada y generamos los símbolos OFDM.

Este proceso implica la realización de una operación de IFFT para generar la señal OFDM modulada y una inserción de CP. El uso de CP permite al receptor de probar cada símbolo OFDM para exactamente un período en el dominio del tiempo. La disponibilidad de CP ayuda a mitigar los efectos de la interferencia entre símbolos cuando la dispersión del retardo del canal es menor que la longitud de la CP.Antes de generación de la señal OFDM, tenemos que generar la red de recursos sobre la base de cualquiera un tipo - 1 o una estructura de bastidor de tipo 2. Desde estamos mostrando Frequency Division Duplex (FDD) dúplex largo de este libro, se utilizará el tipo 1 aquí. A continuación vamos a mostrar cómo generar señales pertinentes para formar la red de recursos y la forma de crear los símbolos OFDM para la transmisión.

5.7 LTE Recursos cuadrícula

La comprensión de la representación tiempo-frecuencia de los datos, organizada como la red de recursos, es un paso clave en la comprensión del esquema de transmisión LTE. La rejilla de recursos es esencialmente una elementos de matriz cuyos son los símbolos modulados calculadas como las salidas de la modulación asignadora. En su representación 2D, el eje y de la cuadrícula representa las subportadoras alineados a lo largo la dimensión de frecuencia y el eje x representa los símbolos OFDM alineados a lo largo del tiempo dimensión [2]. La colocación de los datos dentro de la red de recursos es bastante importante y revela algunas de los parámetros de diseño del modelo físico LTE. Por ejemplo, la colocación y la resolución de señales piloto (RSE) a lo largo de los dos ejes de la red de recursos determinan la exactitud del canal de respuesta estimación en tiempo y frecuencia. Del mismo modo, la colocación de la información de control de canal PDCCH en el comienzo de cada subtrama ayuda al receptor descifrar procesamiento importante parámetros (tales como el tipo de modulador y el modo de MIMO se utiliza) antes de que comience el sistema de la descodificación de los datos de usuario en el bastidor auxiliar.

Los detalles que intervienen en la colocación de los datos dentro de la red de recursos sólo pueden entenderse dentro el contexto de encuadre tiempo y la manera en que LTE define un marco, una subtrama, y una ranura. Cada trama LTE tiene una duración de 10 ms y se compone de diez subtramas 1 ms marcados por índices de 0 a 9. Cada subtrama se subdivide en dos ranuras de 0,5 ms de duración, con cada ranura que comprende siete símbolos OFDM si un CP normal se utiliza y seis si se utiliza un CP

extendida. La colocación de cada tipo de datos modulada (datos de usuario, RSE, DCI, PSS, SSS y BCH) en la red de recursos sigue una estructura particular tanto en el tiempo y la frecuencia. Esta estructura depende de tres parámetros: la subportadora (eje y) de índice, el símbolo OFDM (eje x) de índice, y el índice de los 1ms subtrama dentro de una trama de 10 ms. Todas las subtramas dentro de un marco contienen tres tipos de datos: datos de usuario (PDSCH), CSR piloto, y datos de control de enlace descendente (PDCCH). Los PSS SSS y sólo están disponibles en subtramas 0 y 5 en los índices de símbolos OFDM específicos (SSS en el quinto símbolo y PSS al sexto símbolo) y los índices de subportadora específicos (72 subportadoras alrededor el centro de la rejilla de recursos). El PBCH se encuentra sólo dentro de la subtrama 0 en OFDM específicaÍndices de símbolos (que se extiende desde el séptimo al décimo símbolo) y los índices de subportadora específicas (72 subportadoras de todo el centro de la rejilla de recursos). La figura 5.6 ilustra la colocación de diferentes datos modulados, basados en los tipos de señal, dentro de la cuadrícula de recursos.