Tecnologías base de LTE
Tema 5
Tema 5
TECNOLOGÍA DE ACCESO RADIO OFDM
En OFDM, se realiza la transmisión de la información en paralelo mediante múltiples portadoras, cada una de las cuales soporta una fracción de la tasa binaria total R.
La anchura de banda disponible BW, se divide en Nc subcanales sustentados por Nc subportadoras no solapadas (ortogonales). Por cada una se transmite con una tasa R/Nc ocupando la anchura BW/Nc.
Un símbolo OFDM es el conjunto de toda la información de
La ortogonalidad de la subportadoras se consigue eligiendo una separación entre sus frecuencias, ∆f, de forma que
donde Tútil es el periodo útil de símbolo
De este modo la anchura de banda total es:
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Tútil
f 1
=
∆
f N BW = c⋅∆
La modulación de las subportadoras se hace con alguna variante de QAM con M estados de modulación, según una constelación en ejes I y Q. Debe distinguirse entre símbolo de modulación de cada subportadora y símbolo OFDM. El
símbolo de modulación de cada subportadora es un punto de la constelación representado por un número complejo que corresponde a log2 M bits, por lo que cada símbolo OFDM consta de Nc·log2 M bits y su periodo es:
Tútil = Tb·Nc·log2 M
Ejemplo
Transmisión de un flujo binario de R= 4 Mbit/s, Tb =0,25 µs
Transmisión con una sola portadora QPSK (M=4)
Periodo símbolo modulación: Tsimb=2·Tb=0,5 µs
Transmisión con 1000 subportadoras QPSK
Tasa por subportadora: 4 kbit/s
Anchura de banda por subportadora:
Periodo de símbolo OFDM: Tsimb=0,5 ms
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KHz BW 2 10
2 4
1 3
=
→
⋅
⋅
MHz BW
BW 4 10 2
2
1 6
=
→
⋅
⋅
=
JUSTIFICACIÓN DE OFDM
Transmisión digital banda ancha convencional con desvanecimiento selectivo en frecuencia (FSF):
El FSF afecta a una parte del espectro y produce distorsión de la señal.
Se contrarresta mediante ecualización.
Hay que ecualizar de TODO el espectro, aunque hay una amplia porción no afectada por el FSF.
→Ecualizador MUY complejo, no viable prácticamente en el dominio de la frecuencia.
→Se ecualiza en el dominio del tiempo pero el hardware es complejo, con elevado consumo.
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Bw/2 S(f) FSF
-Bw/2
f
Sólo se ecualizan las subportadoras afectadas por el FSF.
Para cada subportadora (banda estrecha) el desvanecimiento es plano.
FSF
f
Flexibilidad de espectro, variando el número de subportadoras.
Posibilidad de multiacceso en frecuencia.
Simplificación de los receptores.
Idoneidad para su implementación con técnicas DSP.
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La señal OFDM tiene un valor elevado de la relación PAPR (Peak to Average Power Ratio):
como consecuencia de la posible suma en fase de varias portadoras.
Esta alta PAPR, impone limitaciones a la eficiencia de los amplificadores de RF, ya que ha de aplicarse un valor alto de
“Backoff”(reducción de potencia respecto a la saturación) para
media Potencia
cresta de
Potencia PAPR =
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Para la protección frente a la interferencia entre símbolos (ISI) se habilita un tiempo o periodo de guarda, por lo que el tiempo útil de símbolo es
Tu = TS - Tg
Durante el tiempo de guarda, el receptor no lee la información, por ello las colas de los ecos de un impulso transmitido que caen dentro del tiempo de guarda no afectan al símbolo siguiente (no hay ISI).
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15
En LTE descendente se usa la flexibilidad de OFDM para la planificación/adaptación
de las transmisiones .
3G LTE DOWNLINK RADIO ACCESS
Transform):
Inversa (IFFT) en transmisión.
Directa (DFFT) en recepción.
Se dispone de “chipsets” que implementan estas transformaciones. Así se consigue una realización compacta, eficiente y económica del procesado de la señal.Esquema del procesado OFDM en transmisión
La demodulación de OFDM se hace de forma similar, con un muestreo seguido de una DFT (FFT) de tamaño N.
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UTILIZACIÓN DE OFDM
Redes LAN inalámbricas con estándaresIEEE 802.11a &11g (WIFI)
IEEE 802.16 (WIMAX)
Redes ultrawideband UWB. Televisión Digital DVB. Radiodifusión digital DAB. Sistemas ADSL. Sistemas PLC. Sistemas LTE de 3GPP (Enlace Descendente).3G LTE ACCESO RADIO, ENLACE ASCENDENTE
Hay que aprovechar las ventajas de OFDM. Hay que utilizar ecualización en frecuencia. Es necesario salvar el inconveniente de la alta PAPR de OFDM, perjudicial para el UL porque:Reduce la eficiencia del amplificador RF.
Incrementa el consumo de batería de los móviles.
También se requiere resolver el problema del multiacceso en el UL, con emisiones no coordinadas desde los UE. La solución SC-FDMASINGLE CARRIER FREQUENCY DIVISION MULTIPLE ACCESS
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INTRODUCCIÓN A SC-FDMA
Deben cubrirse dos objetivos:a) Para los datos de usuario un solo canal o portadora (SC).
b) Para el sistema, señal tipo OFDM con CP.
Para conseguirlo se juega con las transformadas DFT-IDFT como se ve en el esquema de principio.SC-FDMA ESQUEMA PROCESADO DE SEÑAL
La correspondencia no altera el carácter SC, solo influye en los valores de los símbolos, por lo que todo el bloque de A a C se puede reemplazar por una sola operación de procesado de los símbolos
23 P/S
Constelación B. Base Datos
S/P
FFT N
Puntos CP
Correspondencia a M
Subportadoras
SC
OFDM Ceros
IFFT M
Puntos
A C
Como entre B y C se ejecutan operaciones complementarias, pueden eliminarse la DFT e IDFT y aplicar los datos al
módulo CP manteniendo la estructura del receptor. Ello simplifica notablemente el transmisor (equipo de usuario).
La señal es estándar QPSK/MQAM en el dominio del tiempo, pero cuasi-cíclica (CP), para permitir la ecualización de
frecuencia en recepción.
subportadoras.
Se aprovecha la DFT para procesar las frecuenciasresultantes, mediante traslación, lo que hace posible el multiacceso FDMA.
Para ello, se establece una correspondencia o proyección (mapping) entre las N subportadoras resultantes de la DFT y M (M>N) subportadoras, añadiendo ceros al espectro.25
a) Distribuida
b) Localizada
La distribuida (IFDMA: Interleaved FDMA)coloca uniformemente las frecuencias en el espectro.
Produce una expansión espectral con factor SF (Spread Factor): M/N
EJEMPLO
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Multiacceso con 3 usuarios
CODIFICACIÓN
En los sistemas de comunicaciones digitales se distinguen dos tipos básicos de codificación:Codificación de fuente
Codificación de canal
La codificación de fuente es la encargada de digitalizar la información que es analógica en su origen como es el caso de la voz y el video.Comporta las operaciones de muestreo, cuantificación y generación de los bits.
interpolador producen una señal analógica, réplica de la que se aplicó al transmisor.
Los dispositivos que ejecutan estas tareas se llaman“codecs”: codec de voz, codec de video…
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redundancia, formándose un bloque o palabra-código de n = k+r bits. Se llama tasa de codificación al cociente k/n.
En recepción, se analiza el bloque recibido y usando la redundancia se comprueba si es correcto o erróneo. En el primer caso se retorna al transmisor una señal de acusepositivo (ACK: Acknowledgment) y en el segundo una señal de acuse negativo (NACK) la cual provoca la retransmisión
conjuntamente con ellos forman el bloque o palabra-código de n bits.
Suelen ser de tipo cíclico, es decir, toda palabra código
puede obtenerse como permutación cíclica de otra. Los bits de redundancia se denomina bits de verificación de
redundancia cíclica CRC: Cyclic Redundancy Checking.
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n/(n+r). Por ejemplo, si por cada bit que entra salen dos, el mismo que entró y otro de redundancia, la tasa es ½.
El bit o bits de redundancia se evalúan no solo con los bits de entrada sino con bits anteriores en un rango deposiciones que se llama longitud obligada (constraint
estimación de máxima verosimilitud (maximum likelihood).
Se emplea el algoritmo de Viterbi, que ha demostrado su eficacia en todas las aplicaciones de estos códigos a la transmisión digital.33
consecuencia del efecto “memoria” del canal radio, los errores pueden aparecer agrupados, en forma de ráfagas de errores (error bursts).
Para contrarrestar este efecto se aplica el entrelazado en transmisión (interleaving) que altera la posición de los bits.Al desentrelazar en recepción, los errores agrupados
1. Limitar las capacidades correctoras del código convolucional y en casos, ya menos frecuentes, de errores que se escapan a la
corrección del convolucional aplicar la detección y la corrección con ARQ. Este proceso enlentece la transmisión como consecuencia de las retransmisiones, pero solo se da con poca frecuencia.
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Se habla así de dos códigos de canal:
Código externo (outer code) detector, el más “próximo” al codec.
Código interno (inner code) corrector, el más “próximo” al canal.
2. Manteniendo esta filosofía de usar un código detector y otro corrector, modernamente se utilizan códigos correctores más potentes que los convolucionales puros y que tengan una
complejidad no excesiva. Estos son los llamados “Turbocódigos”
(Turbocodes). Se han utilizado ya en UMTS y serán los únicos empleados en LTE para el tráfico de datos de usuario.
Turbocódigós
Los turbo códigos son esquemas de codificación que aumentan la memoria de codificación de forma artificial. Proporcionan comunicaciones fiables muy cerca del límite de Shannonn (a 0.5 dB del límite). Se basan en concatenar, con un entrelazadopseudoaleatorio, códigos relativamente simples, con el fin de obtener un código equivalente en prestaciones a uno más complejo. Utilizan dos codificadores relativamente sencillos separados por un entrelazado.
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El bloque ya decodificado con el código o corrector se
somete a la prueba de verificación de paridad con el CRC (código detector).
Si el resultado de la prueba es favorable, se da el bloque por bueno y se retorna al transmisor una señal de acuse de
recibo positivo
ACK (Acknowledgement).
Si el resultado es desfavorable, se considera que el bloque es erróneo y se retorna al transmisor una señal de acuse de recibo negativo
NACK (Negative Acknowledgement). En este caso el transmisor realiza una retransmisión.
Esta forma general de funcionamiento se denomina ARQ (Automatic ReQuest) ya que la recepción del NACK
desencadena automáticamente la retransmisión.
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El receptor verifica el bloque retransmitido y el proceso se repite hasta conseguir que el bloque sea correcto o superar un cierto número de retransmisiones. De ser así se envía un mensaje de error a las capas superiores del protocolo.
Como aquí se ha aplicado un código corrector y otro detector para señalar errores no corregidos por el primero, se
denomina a esta técnica ARQ hibrida (corrección + detección): HARQ
HARQ con combinación
En el ARQ convencional el bloque recibido con error detectado se elimina y, como se ha visto, se pide su retransmisión.
Puede diseñarse un sistema más eficiente según el cual el bloque erróneo no se descarta sino que se almacena en el receptor y cuando se recibe el bloque retransmitido se
combinan ambos. Y así se va haciendo con sucesivas retransmisiones si es necesario.
Se consigue más eficiencia ya que las versiones anteriores del bloque, aun siendo incorrectas contienen información útil que puede utilizarse.
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Esta es la metodología de funcionamiento llamada HARQ con combinación (HARQ soft combining)
Con ARQ simple se malgasta energía, ya que los bloques recibidos se eliminan. La decodificación se hace solo con cada bloque retransmitido.
Con HARQ soft al combinar los bloques se aprovecha la energía de los bloques anteriores al que se esta
decodificando lo que mejora el proceso de decodificación.
Como consecuencia disminuye el número de retransmisiones o, equivalentemente, se puede operar con valores de Eb/No más bajos para una tasa de errores de bloque (BLER)
objetivo dada.
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Tipos de combinación en HARQ soft
Combinación “chase”
Supuesto un bloque recibido con error detectado se almacenan las variables de decisión y se solicita la retransmisión del mismo bloque.
Las variables de decisión nuevas obtenidas del bloque
retransmitido se suman directamente con las previamente almacenadas. Si es necesario se repite el proceso hasta conseguir la decodificación correcta sin errores.
El resultado equivale a haber transmitido el bloque una sola vez pero con mayor potencia, solo que esta potencia se ha distribuido entre las diferentes retransmisiones. Es una
especie de diversidad de tiempo con combinación.
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Combinación Redundancia Incremental CIR, (Incremental Redundancy)
En este caso la primera transmisión del bloque se realiza con una parte tan solo de los bits de redundancia.
En sucesivas retransmisiones se incluyen otros bits de redundancia diferentes aunque correspondientes a los
mismos bits sistemáticos. También en recepción se realiza la suma de bloques, que va ganando bits de redundancia y por tanto acrecentado la probabilidad de decodificación correcta.
El resultado es equivalente a una única transmisión con todos o casi todos los bits de redundancia, solo que esos bits se
han distribuido en trasmisiones diferentes.
Esta modalidad ofrece mejores prestaciones que la
combinación Chase ya que cada retransmisión además de incrementar la energía del bloque recibido contribuye a
aumentar la ganancia de codificación por lo que la Eb/No media necesaria tiende a ser inferior.
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Desvanecimiento Multitrayecto
La señal se propaga por múltiples caminos. Ventaja: se amplía la cobertura. Inconvenientes:Interferencia destructiva: desvanecimiento
Selectividad en frecuencia: distorsión, interferencia entre símbolos
Selectividad en tiempo: distorsión, limitación de la tasa binaria
(BW≤1MHz) con tres técnicas combinadas:
Diversidad, de Recepción, Transmisión o ambas.
Ecualización digital.
Codificación de canal con entrelazado.
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aprovechan los “ecos” de la señal multitrayecto mediante:
Estructura de receptores RAKE (en WCDMA-UMTS).
Tecnologías MIMO (en LTE).
El RAKE es, en realidad, una diversidad de recepción con MRC (Maximal Ratio Combining), que mejora la SNR de recepción. El MIMO está orientado a la mejora de la capacidad (tasa binaria) de recepción.51
Tecnologías de multiantenas
Son conocidas, desde hace tiempo, las técnicas de múltiples antenas en recepción para implementar ladiversidad de espacio, como medio para contrarrestar los efectos del desvanecimiento multitrayecto.
La diversidad de espacio se basa en el hecho de que larespuesta impulsiva de un canal radio varia, además de en el dominio temporal, en el dominio espacial.
Si se disponen Mr antenas de recepción, quedan
constituidos Mr caminos desde el transmisor a cada antena receptora. Si las Mr antenas de recepción están
suficientemente separadas, los trayectos están poco
correlados y en recepción se dispone de Mr réplicas casi independientes de la señal transmitida.
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1. Número de antenas y separación entre ellas para conseguir la incorrelación de caminos.
2. Procesamiento que se aplica a las señales recibidas
En el combinador de relación máxima (Maximal RatioCombiner: MRC) se multiplica cada señal por un factor de ponderación proporcional a la propia señal y se suman en fase los resultados.
Influencia de la diversidad en la capacidad
La diversidad espacial puede proporcionar cierta ganancia y combatir el desvanecimiento. También puede utilizarse para mejorar la capacidad o rendimiento espectral del canal radio móvil. Los modernos sistemas de codificación permiten utilizar, con buena aproximación la fórmula teórica de Shannon para evaluar la capacidad real de un canal radioC: Capacidad (bit/s) ; R: tasa binaria (bit/s) B: anchura de banda (Hz)
S/N: Relación señal/ruido (unidades lineales)
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R N
S B
C = ⋅log2(1+ / )≥
A la relación C/B o R/B, se le denomina “eficiencia espectral” (bit/s/Hz)
Para sistemas digitales, se prefiere usar la relación Eb /No (energía por bit / densidad espectral de ruido), en lugar de la S/N. La relación entre ambas es:
R E S b
⋅
=
En un sistema de diversidad con ganancia de array, M se tiene
La cota inferior de Eb /No para una tasa R, es
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+ ⋅ ⋅
⋅
=
≤
B R N
M E B
C R
o
1 b
log2
B R M
N
E RIB
o b
/ 1 2
1 ( ) −
⋅
≥
Si se desea una alta eficiencia espectral (R/B>>1), como es el caso en los nuevos sistemas de comunicaciones móviles, la ley exponencial anterior indica que la relación Eb /No
puede ser demasiado alta para su realización práctica.
En consecuencia, en estos sistemas, la diversidad espacial por si sola no es suficiente para conseguir la eficiencia
deseada.
Una tecnología alternativa es aprovechar el multicamino para crear trayectos paralelos desacoplados, que permiten el envío de informaciones diferentes por cada uno.
En un sistema radio con Mt antenas de transmisión y Mr de recepción, en teoría, se pueden crear L= min (Mt ,Mr)
trayectos independientes. Esta es la denominada multiplexación espacial.
Al valor de L se le llama grados de libertad del canal.
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La diversidad puede considerarse como un caso particular de MIMO
Diversidad en transmisión: Mt ; Mr =1 MISO (Multiple Input Single Output)
L = min (Mt ,1) = 1 No hay mux espacial
Diversidad en recepción: Mt =1; Mr SIMO (Single Input Multiple Output)
L = min (1,Mr) = 1 No hay mux espacial
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• En condiciones optimas, la capacidad que puede
conseguirse con MIMO es la suma de las capacidades de cada uno de los trayectos. Considerando que la S/N media es la misma en todos y que hay L caminos:
• La división por L en el exponente, reduce la Eb /No , como )
/ ( 1 (
·log
·B 2 S N
L
C = +
B R N
E
RIB Lo b
/
1 2
( )/−
≥
Comparación valores de Eb/No (dB)
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CON DIVERSIDAD ORDEN M
CON MIMO ORDEN L
M = 1 M = 2 M = 4 L = 1 L = 2 L = 4
R/B = 1 0 -3 -6 0 -3,8 -7,2
R/B = 5 7,9 4,9 1,9 7,9 -0,3 -5,6
R/B = 10 20,1 17,1 14,1 20,1 4,9 -3,3
En un sistema MIMO pueden conseguirse simultáneamente las ganancias por diversidad y multiplexación espacial con algunas limitaciones.
Se ha demostrado que, con ciertas condiciones de codificación, la ganancia de diversidad teórica posible, con Mt, Mr antenas de transmisión/recepción y L grados de libertad (ganancia mux espacial L), es: (Mt- L ) · (Mr –L)
Es decir del total de recursos utilizados M , M se detraen L
Se ve así la posibilidad de la multiplexación espacial:
transmisión de múltiples flujos binarios por un mismo medio físico en la misma frecuencia y al mismo tiempo.
Si la tasa binaria (supuesta constante) de cada flujo es R (bit/s) la tasa total obtenida será L· R. (bit/s)
Los flujos pueden proceder de un mismo usuario, por ejemplo se le ofrecen 4 Mbit/s de tasa con 2 flujos de 2 Mbit/s cada uno, o pueden provenir de 2 usuarios con 2 Mbit/s cada uno.
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• La multiplexación espacial que permite MIMO se utilizará normalmente para la conexión entre una estación base
multiantena y un equipo de usuario también multiantena. A este tipo de enlaces se le llama “MIMO monousuario” SU- MIMO: Single User MIMO. La tasa binaria que recibe el usuario es la suma de las tasas de cada trayecto.
• Hay una variante denominada “Mimo multiusuario”, MU- MIMO: Multi User MIMO cuyo objetivo es que los L
trayectos posibles den servicio a otros tantos usuarios.
