OFDM

Diseño y evaluación de formas de onda OFDM en un sistema inalámbrico

La multiplexación por división de frecuencias ortogonales (OFDM) es un sistema de modulación multiportadora en el que los datos se transmiten como una combinación de señales de banda estrecha ortogonales, conocidas como subportadoras. OFDM se basa en una modulación de portadora única, como QAM, y puede transmitir a velocidades de datos similares. Sin embargo, OFDM es más robusta ante el desvanecimiento selectivo en frecuencia y simplifica la ecualización en el receptor. OFDM es un esquema fundamental que se encuentra en muchos estándares de comunicaciones inalámbricas habituales, como WIFI, LTE y 5G. Puede usar MATLAB® y Simulink® para configurar y generar formas de onda OFDM, al tiempo que cumple con estos estándares para simular y probar un modelo de capa física de un sistema de comunicaciones inalámbricas.

¿Cómo funciona OFDM?

El esquema de transmisión de OFDM puede dividirse en varios componentes. En primer lugar, los datos se codifican y modulan, generalmente en forma de símbolos QAM. Estos símbolos se cargan en bins de frecuencia con el mismo espacio y se aplica una transformada rápida de Fourier inversa (IFFT) para transformar la señal en senoides superpuestas ortogonales en el dominio del tiempo. La IFFT viene dada por esta ecuación:

$$x(n) = { 1 \over N} \sum_{k=0}^{N-1} X(k) e^{i \frac{2 \pi xt}{N}} $$

Las N muestras en la salida de la IFFT constituyen un símbolo OFDM. Luego se agrega un prefijo cíclico a cada símbolo OFDM, que permite el cálculo de la convolución circular a través de la convolución lineal si el prefijo cíclico tiene al menos la misma longitud que la respuesta de impulso del canal. Esto permite que la ecualización en el receptor elimine la interferencia entre símbolos a través de una sencilla multiplicación escalar-complejo aplicada a cada símbolo OFDM de manera independiente. En una aplicación OFDM típica, se agregan símbolos piloto conocidos en el transmisor para facilitar la estimación y ecualización del canal.

Proceso para simular y verificar un flujo de trabajo de transmisión OFDM típico con MATLAB. (Ejemplo de código)

En estándares como LTE o 5G, se pueden concatenar varios símbolos OFDM y transmitirse en ranuras o subtramas OFDM. El número de símbolos por subtrama depende del estándar y del espaciado de la subportadora. Por ejemplo, la cuadrícula de recursos LTE que aparece a continuación indica una configuración con subportadoras agrupadas en bloques de 12 (12 subportadoras constituyen un bloque de recursos) y 14 símbolos OFDM por subtrama.

Mapeo de canales físicos OFDM a una red de recursos utilizando LTE Toolbox. (Ejemplo)

¿Por qué usar OFDM?

OFDM es un esquema de amplia adopción que se utiliza en muchos estándares de comunicaciones inalámbricas. OFDM proporciona las siguientes ventajas:

  • Solventa el desvanecimiento selectivo en frecuencia y las distorsiones multitrayecto presentes en los canales de banda ancha
  • Permite que la estimación y la ecualización del canal se produzcan de forma independiente en cada subportadora
  • Facilita el uso compartido de recursos en varios flujos de datos
  • Se adapta bien a los sistemas MIMO y MIMO masivo, ya que cada subportadora experimenta un desvanecimiento plano; por lo tanto, la ecualización incluye un solo tap por subportadora
  • Brinda alta eficiencia espectral general

OFDM con MATLAB y Simulink

MATLAB, Simulink y las toolboxes relacionadas con comunicaciones inalámbricas, como Communications Toolbox™, WLAN Toolbox™, LTE Toolbox™ y 5G Toolbox™, incluyen funciones y bloques para diseñar y probar señales OFDM directamente. Puede utilizar MATLAB y Simulink para:

  • Diseñar, probar y simular formas de onda OFDM en el nivel de enlace
  • Personalizar parámetros de OFDM como la señal de entrenamiento, el relleno cero, y el prefijo cíclico con funciones y bloques
  • Aplicar OFDM en el diseño de un sistema inalámbrico para analizar métricas como rendimiento del enlace, robustez, ecualización y estimación del canal.
  • Diseñar y optimizar algoritmos de beamforming analógica, digital o híbrida para maximizar el rendimiento
  • Realizar llamadas a funciones específicas que generen formas de onda OFDM personalizadas para diferentes estándares de la industria
  • Generar formas de onda OFDM que cumplan los estándares para utilizarlas en simulaciones o pruebas por el aire con la app Wireless Waveform Generator
  • Diseñar sistemas inalámbricos OFDM optimizados para generar código HDL e implementar en hardware con Wireless HDL Toolbox™.

También puede consultar estos temas: comunicaciones inalámbricas, desarrollo de tecnologías inalámbricas 5G, MIMO masivo, sistema RF, transceptor inalámbrico, 5G Toolbox, LTE Toolbox, WLAN Toolbox, radio definida por software, modelo de canal