OFDM u UWB komunikacijama

ODFM je modulaciona tehnika s višestukim nosačima koja je usvojena u nekolicini trenutnih komunikacionih sistema, kao što su IEEE 802.11a i 802.11g. Predstavlja glavnog kandidata za buduće bežične celularne sisteme, kao što je 4G. OFDM nudi nekoliko mogućnosti koje ga čine atraktivnim za bežične komunikacije na kanala sa višestrukim prostiranjem (multipath).

Istraživanja prilagođavanja OFDM modulacije na UWB komunikacije počelo je početkom 2000. godine kako u akademskim tako i u industrijskim krugovima. Rezultati ovih studija predstavljeni su kao dva zasebna predloga IEEE 802.15.3a komitetu za standardizaciju WPAN (Wireless Personal Area Network). Ova dva predloga kasnije su zajedno s nekolicinom drugih predloga, ne OFDM, spojena zajedno i usvojen je OFDM baziran UWB sistem koji je nazvan MultiBand OFDMa (MB-OFDM). MB-OFDM sistem je trenutno jedan od vodećih predloga za IEEE802.15.3a standard i podržalo ga je preko sto velikih kompanija i univerziteta. Standard još nije finalizovan i zato se MB-OFDM predlog još uvek razvija.

MB-OFDM sistem

Planiranje opsega

U MB-OFDM sistemima celokupan UWB spektar koji je dostupan deli se na nekoliko podopsega sa manjim propusnim opsegom. Ovo pojednostavljuje dizajn prednjeg kraja analognog RFa, analogno-digitalnih i digitalno-analognih konvertora; takođe smanjuje ukupnu potrošnju energije. Frekvencijska širina svakog podopsega iznosi 528MHz u skladu s pravilima koje je propisala FCC za UWB prenos ( više od 500MHz). Podopsezi su svrstani u pet različitih grupa, četiri podgrupe imaju po tri podospega, a peta grupa ima dva podopsega.

Uređaji koji rade u grupi 1 označeni su kao mod 1 uređaji i obavezno je da svi uređaji podržavaju mod 1 operacije. Podrška za ostale grupe u ovom trenutku samo je jedna od opcija i biće dodata u budućnosti.

Skakanje podospega (Sub-Band Hopping – SBH)

Svaki uređaj koristi samo jednu grupu podopsega za slanje i primanje podataka. U bilo kom vremenskom intervalu OFDM simbol se predaje u jednom od podopsega. Sistem se prebacuje na drugi podopseg u okviru grupe da bi poslao sledeći simbol. Brza promena opsega postiže se korišćenjem jednog oscilatora i mreže frekvencijskih delilaca (Frequency Divider Network).

Tabela 2.1- Planiranje opsegha u MB-OFDM: UWB spektar je podeljen u 14 podopsega

OFDM modulacija

Jedan OFDM simbol šalje se u jednom vremenskom intervalu u okviru podopsega. QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) modulacija koristi se za OFDM. OFDM signal u osnovnom opsegu koji se predaje u r-om intervalu predstavljen je formulom:

(2.1)

gde je Nbroj podnosilaca, a p(t) niskofrekvencijski signal za uobličavanje impulsa sa trajanjem . QPSK simbol koji se predaje u r-om intervalu preko k-og podnosioca označava se sa , razmak između podnosilaca označava se i jednak je .

U trenutnoj MB-OFDM šemi broj podnosilaca N je 128, od čega se 100 koristi za prenos podataka, a 12 kao pilot signali. Deset podnosilaca na granici spektra definišu se kao zaštitni nosioci i koriste se da oblikuju spektar prenošenog signala. Sistem ne koristi preostalih 6 podnosilaca i oni nose nulti signal (null signal).

Širenje frekvencijskog ponavljanja (Frequency Repetition Spreading)

Na nižim podržanim brzinama prenosa samo 50 QAM simbola se predaje u jednom OFDM simbolu. Dok ovi simboli modulišu 50 podnosilaca, njihove konjugovane vrednosti modulišu dodatnih 50 podnosilaca, omogućavajući konjugovano simetrični ulaz u IFFT modul. Zbog toga svaki QAM simbol se prenosi preko dva različita podnosioca obezbeđujući frekvencijsko širenje sa faktorom 2 (Frequency Spreading Factor 2). To osigurava da izlaz IFFT modula ima realne vrednosti i nema potrebe za Q granom u RF sekciji predajnika.

Širenje vremenskog ponavljanja (Time Repetition Spreading)

Na nekim nižim brzinama prenosa, operacija širenja u vremenskom domenu takođe se razmatra u cilju omogućavanja diverziteta i poboljšanja performansi sistema pri slabljenju usled višestrukog prostiranja. Širenje vremenskog domena obavlja se prenosom iste informacije preko dva OFDM simbola. Ponovljeni OFDM simbol se kodira da bi se osigurala konstantna spektralna gustina snage za prenošeni signal (bez impulsa zbog ponavljanja).

Kodiranje

MB-OFDM sistemi koriste konvolucione kodove za korekciju grešaka sa odnosima 1/3, 1/2, i 5/8 za različite podržane brzine prenosa s ciljem da se smanje izobličenja koja nastaju u kanalu. Svi ovi kodovi generišu se u sistematičnom konvolucionom koderu sa kodnim odnosom 1/3. Ostali odnosi za kodiranje dobijaju se iz odnosa R=1/3 korišćenjem „punktiranja“ (puncturing). To je procedura ispuštanja nekih od kodiranih bitova u prenosu (ovo smanjuje broj poslatih bitova i povećava kodnu brzinu). Dekodiranje se obavlja preko Viterbijevog algoritma u prijemniku. Za ove kodove „glupe“ nule se postavljaju na mesto izostavljenih bita.

Podržavane brzine prenosa

MB-OFDM sistem podržava brzine od 53.3, 80, 106.7, 160, 200, 320 i 400 Mb/s. Ove brzine dobijaju se različitim kodiranjem, frekvencijskim proširenjem i vremenskim proširenjem kao što je pokazano u narednoj tabeli.

Tabela 2.1. Rzličite bitske brzine u MB-OFDM sistemu i odgovarajući tipovi modulacije, kodne brzine, frekvencijskog i vremenskog proširenjg.

Brzine od 320 i 400 Mbps koriste DCM (dual-carrier modulation) modulaciju umesto QPSK.

MB-OFDM primopredajnik

Struktura predajnika i prijemnika MB-OFDM sistema predstavljena je na sledećoj slici

Sl. 2.1- Struktura predajnika i prijemnika MB-OFDM sistema.

Struktura MB-OFDM predajnika slična je strukturi standardnog OFDM predajnika, samo sto se ovde javlja promena noseće frekvencije. U predajniku posle kodiranja kanala i interlivinga, kodirani biti se mapiraju u QPSK konstelaciju i OFDM modulacija se realizuje pomoću IFFT. Posle ubacivanja nula (ZP- zero padding) signal se konvertuje u analogni i moduliše pomoću nosećeg signala. Frekvencija nosećeg signala skače između OFDM blokova, od jednog podopsega do drugog u skladu s vremensko-frekvencijskim kodom (TFC- time-frequency code).

Kod prijemnika, posle konverzije u osnovni opseg i niskofrekvencijskog filtriranja podopsega, signal se odabira Nikvistovoom brzinom (Nyquist rate). OFDM demodulacija se realizuje pomoću FFT-a. Uticaj kanala sa slabljenjem (effect of fading channel) se uklanja pomoći „one tap“ ekvalizatora za svaki podnosilac u frekvencijskom domenu, a tvrdim odlučivanjem se detektuju QPSK simboli. Posle de-mapiranja u binarni niz i de-interlivinga signal se šalje dekoderu.