Comunicazioni Elettriche II

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1 Comunicazioni Elettriche II Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica Università di Roma La Sapienza A.A

2 OFDM Prestazioni

3 Prestazioni OFDM Il prefisso ciclico consente di convertire il canale selettivo in frequenza in tanti canali paralleli, ognuno con fading piatto Questo consente di disfarsi dell ISI che limita fortemente i sistemi tradizionali come il CDMA Tuttavia, se il sistema OFDM non è codificato, non si ha diversità in frequenza e quindi se una delle sotto-portanti è a una frequenza fortemente attenuata, la probabilità di errore su questa sotto-portante è molto alta e domina il BER del sistema anche con SNR complessivi alti

4 Prestazioni OFDM Funzione di trasferimento e BER nel caso di BPSK-OFDM Il BER è calcolato come media considerando molte realizzazioni del canale selettivo in frequenza

5 Come migliorare la P e in OFDM Le sotto-portanti con basso SNR dominano le prestazioni Come risolvere questo problema? Codificare l informazione sulle sotto-portanti in funzione di SNR su ogni sotto-portante Adottare una modulazione adattativa: sulle sotto-portanti con basso SNR il trasmettitore manda simboli con codifica più robusta e alfabeto di modulazione ridotto, modificando anche eventualmente la potenza su ogni singola sotto-portante Applicare un espansione dello spettro (spreading) su tutte le sotto-portanti

6 Codifica in OFDM CM4: modello di canale#4 per canali IEEE a

7 Stima di canale Come ogni sistema di trasmissione wireless il sistema OFDM richiede la stima della funzione di trasferimento del canale o equivalentemente della risposta impulsiva del canale Siccome il sistema OFDM lavora in frequenza si intuisce che la stima avviene nel dominio della frequenza Lo scopo è la stima del guadagno di canale per ogni sottoportante (N valori complessi) h n,i dove n indica la sotto-portante e i è l indice temporale

8 Stima del canale Come si stima il canale? Simboli pilota: noti al ricevitore e adatti per la stima iniziale del canale sono trasmessi come preambolo all'inizio del simbolo OFDM Simboli pilota sparsi: sparsi su ogni frame in modo regolare, sono adatti a cogliere le variazioni del canale in tempo Metodi basati sulla decomposizione in autovalori, utli per ridurre la complessità dei metodi precedenti E anche possibile effettuare una stima cieca del canale: le informazioni sullo stato del canale sono ottenute dalle statistiche del segnale

9 Stima del canale con simboli pilota Tipicamente si questa stima effettua all inizio di un burst di traffico Il simbolo pilota contiene dati noti su ogni sotto-portante Sia c n,i il dato noto sulla sotto-portante n al tempo i E possibile allora stimare il canale calcolando h n,i = r n,i /c n,i dove r n,i è il simbolo ricevuto sul canale n Si può inoltre migliorare la stima del canale tenendo conto della correlazione del fading a diverse frequenze, benché la complessità computazionale sia elevata (N 2 moltiplicazioni)

10 Stima del canale con simboli pilota sparsi Dopo la stima iniziale è necessario mantenere traccia delle variazioni del canale nel tempo Si vuole risparmiare bit per non ridurre l efficienza Si vuole sfruttare il fatto che la correlazione temporale del canale è importante, dato che il canale varia nel tempo lentamente La tecnica dei simboli pilota sparsi è molto utilizzata e consente di ottenere ottimi risultati

11 Stima del canale con simboli pilota sparsi Esempio di schema di distribuzione dei simboli pilota di tipo rettangolare

12 OFDM - PAR Un problema importante in OFDM è il Peak-to-Average- Ratio (PAR) L ampiezza di picco è molto più alta dell ampiezza media Il simbolo OFDM è la sovrapposizione di tante sinusoidi alle varie frequenze e la potenza è proporzionale a N Tuttavia succede che i segnali si sommino costruttivamente e la potenza diventa proporzionale a N 2!

13 OFDM - PAR Per ovviare al PAR si può: Far lavorare l amplificatore di potenza nella zona di linearità e quindi scegliere il backoff dell amplificatore in base al valore di picco. Soluzione poco pratica che richiede l uso di amplificatori di potenza di classe A. Al crescere di N questa soluzione diventa sempre più penalizzante Accettare le non linearità e le conseguenze: perdita di ortogonalità, aumento del BER, interferenza su altri utenti e quindi riduzione di efficienza Adottare tecniche di riduzione del PAR

14 OFDM PAR e prestazioni BER in funzione di SNR per vari valori di backoff dell amplificatore di trasmissione

15 OFDM PAR e prestazioni Interferenza in bande adiacenti in funzione della separazione tra portanti e backoff dell amplificatore di trasmissione

16 Accesso multiplo e OFDM Come consentire a più utenti di trasferire informazione se la modulazione è OFDM? Time Divisione Multiple Access (TDMA): ogni utente utilizza tutta la banda ma in intervalli di tempo diversi, come per esempio nella modalità OFDM dello standard IEEE (wireless MAN WiMAX) La rete adotta una tecnica di accesso a pacchetto di tipo ALOHA o CSMA come negli standard IEEE a/g/n OFDMA: la rete assegna gruppi di portanti diverse a utenti diversi

17 OFDMA OFDMA: gli utenti sono associati ai diversi stili di righe Pseudo-random in WiMAX Spesso OFDMA e TDMA sono combinati

18 Multi Carrier-CDMA Un altro modo per ovviare al fatto che SNR può essere molto diverso alle diverse sotto-portanti è di adottare una modulazione a spettro espanso per i simboli di ogni sottoportante Un altro modo per ovviare al fatto che SNR può essere molto diverso alle diverse sotto-portanti è di adottare una modulazione a spettro espanso per i simboli di ogni sottoportante Questo consente anche di assegnare a ogni utente un codice diverso e ottenere quindi un accesso multiplo a divisione di codice!

19 ..e in 5G? La novità è la disortogonalizzazione. NOMA Non-Orthogonal Multiple Access

20 il concetto NOMA e le comunicazioni massive Orthogonal Multiple Access (OMA) Quanti utenti ancora Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) Numero utenti K E se il numero di utenti cresce? Load K/N Numero risorse N (time, frequency, code slots)

21 Dense vs. low-dense Dense Low-Dense Impulse radio UWB

22 Capacity (bits/s/hz) NOMA nelle comunicazioni massive OMA area NOMA area 6 4 Dense NOMA Low-dense NOMA β = K/N