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Preguntas y Respuestas: OFDM/OFDMA

Preguntas y Respuestas: OFDM/OFDMA

¿Qué son OFDM y OFDMA?

¿Cuál es la diferencia técnica entre OFDM y OFDMA?

¿Cuándo convendría utilizar OFDM versus OFDMA?

¿Dónde se utiliza OFDM en la actualidad?

¿Cuál es la eficiencia espectral de OFDM/MIMO para distintas configuraciones de antena?

Los sistemas OFDM y OFDMA ¿brindan alguna ventaja tecnológica respecto de HSPA, que está basada en UMTS/WCDMA?

Long Term Evolution (LTE) ¿es una tecnología OFDMA? y ¿ofrece ventajas respecto de HSPA?

¿Cómo se utilizará OFDMA en LTE?

¿Cuál es la performance que se espera de OFDM en la implementación que se realizaría para LTE?

¿Qué hace que OFDM reciba señales con menor requerimiento de intensidad de procesamiento que CDMA?

¿Cuál es la diferencia entre OFDM y SC-FDMA, que está siendo considerada por el 3GPP para LTE (Long Term Evolution) como interfase aérea para el uplink?

¿Qué tecnologías están basadas en OFDM/OFDMA y por qué?

¿Cómo se relacionan OFDM y OFDMA con WiMAX e IEEE 802.20?

¿Qué es Flash OFDM?

¿Qué es Banda Ancha Ultra Móvil o UMB y cómo se relaciona con OFDMA?

¿Pueden utilizarse OFDM/MIMO en los modos TDD y FDD?

¿Cómo adoptarán e introducirán OFDM/MIMO el 3GPP, el 3GPP2 y otros organismos de normalización?

¿Quiénes son los principales proveedores de chipsets que están desarrollando tecnología OFDM/MIMO?

OFDM ¿será un medio más costo-efectivo de entregar servicios inalámbricos de banda ancha?

¿Qué son OFDM y OFDMA?

El Multiplexado por División Ortogonal de Frecuencia (OFDM) y el Acceso Múltiple por División Ortogonal de Frecuencia (OFDMA) son dos variantes distintas de la misma interfaz inalámbrica aérea de banda ancha que a menudo se confunden entre sí. OFDMA es una forma de OFDM, que es la tecnología subyacente.

Ambas interfases funcionan mediante la separación de una única señal en subportadoras o, en otras palabras, mediante la división de una señal sumamente veloz en numerosas señales lentas. Esta división optimiza el acceso móvil, ya que los subcanales luego pueden transmitir datos sin estar sujetos a la misma intensidad de distorsión multitrayectoria que enfrenta la transmisión de una sola portadora. Las numerosas subportadoras luego se reúnen en el receptor y se recombinan para formar una transmisión de alta velocidad.

OFDM es conocida también como modulación por multi-tono discreto porque, en lugar de modularse una única portadora, se modulan un gran número de subportadoras espaciadas uniformemente mediante el uso de alguna m-aria de QAM (modulación de amplitud en cuadratura). Esta es una técnica de espectro expandido que incrementa la eficiencia de la comunicación de datos al aumentar la velocidad de transmisión de los datos debido a que hay más portadoras para modular. Además, se reducen enormemente los problemas de la cancelación de señal multitrayectoria y la interferencia espectral al modular selectivamente las portadoras "libres" o ignorar a las portadoras con elevado número de errores de tasa de bits.

¿Cuál es la diferencia técnica entre OFDM y OFDMA?

La diferencia entre OFDM y OFDMA es que OFDMA tiene la capacidad de asignar en forma dinámica un subconjunto de subportadoras a usuarios individuales, haciendo que esto sea la versión multi-usuario de OFDM, mediante el uso de Acceso Múltiple por División de Tiempo (TDMA) (distintos frames de tiempo) o bien de Acceso Múltiple por División de Frecuencia (FDMA) (distintos canales) para múltiples usuarios. OFDMA soporta a múltiples usuarios simultáneamente al asignarles subcanales específicos para intervalos de tiempo. Los sistemas punto a punto son OFDM, y no soportan OFDMA. Los sistemas fijos y móviles punto a multipunto son la forma OFDMA de OFDM.

¿Cuándo convendría utilizar OFDM versus OFDMA?

Las tecnologías OFDM típicamente ocupan estándares de transmisión nómades, fijos y unidireccionales, que oscilan entre transmisión de TV hasta Wi-FI, como así también WiMAX fija y sistemas inalámbricos multicast más nuevos como el FLO (Forward Link Only) de Qualcomm. Sin embargo, OFDMA le agrega verdadera movilidad a esta combinación, formando la columna vertebral de muchas de las tecnologías emergentes, entre ellas Long Term Evolution (Evolución para el Largo Plazo) (LTE), UMB, y WiMAX Móvil.

¿Dónde se utiliza OFDM en la actualidad?

OFDM se está utilizando en una serie de aplicaciones inalámbricas y fijas, entre ellas WLAN, Transmisión Digital de Audio y Video, WiMAX Fija, ADSL, y ADSL2+.

¿Cuál es la eficiencia espectral de OFDM/MIMO para distintas configuraciones de antena?

Dependiendo de las configuraciones de antena en la celda y el dispositivo móvil, OFDM con MIMO puede entregar un promedio de 2,6 bits/seg/Hz en un sistema de 2X2 antenas (2 antenas Tx y 2 antenas Rx). Miremos esta cifra en perspectiva: se prevé que HSDPA en Release 6 entregue un promedio de entre .7 y .8 bits/seg/Hz.

Los sistemas OFDM y OFDMA ¿brindan alguna ventaja tecnológica respecto de HSPA, que está basada en UMTS/WCDMA?

Para sistemas que emplean un ancho de banda inferior a 10 MHz, la respuesta es mayormente que "no". Debido a que transmite subcanales mutuamente ortogonales a una tasa de símbolos menor, la ventaja fundamental de OFDM es que se ocupa elegantemente del problema de la interferencia intersimbólica inducida por la multitrayectoria y simplifica enormemente la ecualización de canales. Como tales, los sistemas OFDM – suponiendo que emplean todas las demás técnicas estándar para maximizar la eficiencia espectral – pueden alcanzar una eficiencia espectral levemente mayor que los sistemas basados en CDMA (como UMTS/HSPA). Sin embargo, las arquitecturas de receptor avanzado – incluso opciones como enfoques de ecualización práctica y técnicas de cancelación de interferencia – ya se encuentran disponibles comercialmente en chipsets y pueden casi igualar esta ventaja de la performance.

Es con anchos de banda mayores (10 a 20 MHz), y en combinación con enfoques de antena avanzados tales como MIMO o Adaptive Antenna Systems (AAS), que OFDM habilita implementaciones menos complejas desde el punto de vista computacional que las basadas en CDMA. Por ende, OFDM es más sencilla de lograr en dispositivos móviles. No obstante, hay estudios que demuestran que la ventaja en el sentido de la complejidad que presenta OFDM puede ser bastante pequeña (es decir, menos que un factor de dos) si se utilizan ecualizadores del dominio de frecuencia para las tecnologías basadas en CDMA. A pesar de ello, la ventaja de reducir la complejidad es una de las razones por las que el 3GPP escogió a OFDM para su proyecto de LTE. También es una de las razones por las que las normas más recientes para WLAN, que emplean radiocanales de 20 MHz, están basadas en OFDM. En otras palabras, OFDM actualmente es un enfoque favorecido en la consideración para sistemas de radiotransmisión que tienen tasas pico extremadamente elevadas. OFDM también presenta una ventaja en que puede escalarse fácilmente para distintas cantidades de ancho de banda disponibles. Esto, a su vez, permite la implantación progresiva de OFDM en espectro disponible al utilizar diferentes números de subportadoras.

En 5 MHz de espectro, lo utilizado por UMTS/HSPA, avances continuos con tecnología CDMA – alcanzados en HSPA+ mediante enfoques como ecualización, MIMO, cancelación de interferencia, y modulación de mayor orden – le permitirán a CDMA igualar en gran medida a los sistemas basados en OFDMA. Debido a que OFDMA tiene ventajas modestas respecto de CDMA en los canales de 5 MHz, el avance de HSPA es una estrategia lógica y efectiva. En particular, extiende la vida de las inversiones significativas de los operadores en 3G mediante la reducción de las inversiones globales en infraestructura, la disminución de los gastos de capital y operativos, y permitiéndoles a los operadores ofrecer servicios competitivos.

Long Term Evolution (LTE) ¿es una tecnología OFDMA? y ¿ofrece ventajas respecto de HSPA?

LTE es una tecnología OFDMA y, como tal, puede aprovechar mejor los canales de radiotransmisión más amplios (por ejemplo, los de 10 MHz) al no requerir bandas de guarda entre radioportadoras (por ejemplo, portadoras HSPA).

En virtud de algunas de las ventajas de los enfoques OFDM, el 3GPP ha especificado a OFDMA como la base para su esfuerzo de LTE. LTE incorpora las mejores técnicas de radiotransmisión de su especie para alcanzar niveles de performance superiores a lo que resultaría práctico con enfoques CDMA, en particular en anchos de banda de canales mayores. Sin embargo, de la misma manera en que la 3G convive con sistemas de Segunda Generación (2G) en redes integradas, los sistemas LTE convivirán tanto con sistemas de 3G como de 2G. Los dispositivos multimodo funcionarán en LTE/3G o incluso LTE/3G/2G, dependiendo de las circunstancias del mercado.

¿Cómo se utilizará OFDMA en LTE?

LTE utiliza Acceso Múltiple por División Ortogonal de Frecuencia (OFDMA) en el downlink, lo que es apropiado para lograr altos picos de velocidades de datos con ancho de banda de alto espectro. La tecnología de radio WCDMA es casi tan eficiente como OFDM para la entrega de tasas de datos máximas en 5+5 MHz de ancho de banda. No obstante, alcanzar tasas máximas que superen los 100 Mbps con canales radiales más amplios daría lugar a terminales sumamente complejos y no es práctico con la tecnología actual. Es aquí donde OFDM brinda una ventaja práctica en la implementación cuando un operador tiene 20 MHz de espectro. Programar enfoques en el dominio de la frecuencia también puede minimizar la interferencia, y así impulsar la eficiencia espectral.

En el uplink, sin embargo, un enfoque de OFDMA puro da lugar a una elevada relación Pico a Promedio (PAR) de la señal, que compromete eficiencia de potencia y, finalmente, la vida útil de la batería. Por ello, LTE utiliza un enfoque llamado SC-FDMA, que tiene ciertas similitudes con OFDMA pero tendrá una ventaja de 2 a 6 dB de PAR respecto del método OFDMA utilizado por otras tecnologías, como la IEEE 802.16e.

¿Cuál es la performance que se espera de OFDM en la implementación que se realizaría para LTE?

El 3GPP había fijado los objetivos de performance para LTE basada en OFDM/MIMO con una tasa máxima para datos de 100 Mbps, una tasa de celdas promedio de tres a cuatro veces la eficiencia espectral de HSDPA Release 6, y una performance de borde de celda de dos a tres veces la performance de HSDPA Release 6. Los resultados de evaluaciones realizadas por el grupo de trabajo sobre estandarización de LTE del 3GPP han demostrado que estos objetivos pueden alcanzarse con OFDM/MIMO. El grupo de trabajo de estandarización está actualmente en la transición hacia la confirmación de estos objetivos de performance y el avance en las especificaciones detalladas para LTE. De hecho, se espera que la performance de LTE supere los objetivos desarrollados inicialmente por el 3GPP.

¿Qué hace que OFDM reciba señales con menor requerimiento de intensidad de procesamiento que CDMA?

Para entregar una performance de banda ancha competitiva equivalente a los ofrecimientos de banda ancha fija de hoy, es absolutamente imprescindible contar con una tasa más elevada de bits para el dispositivo. En CDMA, al incrementarse la tasa de bits junto con el mayor ancho de banda de la portadora utilizada, la velocidad del chip de CDMA tendría que ser muy elevada, lo que conllevaría una vida útil del chip demasiado corta. Una corta vida del chip podría ser problemática en un entorno macro donde la duración multitrayectoria podría cubrir cientos de períodos de chips. La potencia de computación requerida para implementar un ecualizador del dominio tiempo en el receptor para eliminar esta distorsión potencial supera la capacidad de la tecnología disponible hoy.

Por otro lado, con una señal OFDM del dominio tiempo, las magnitudes y fases de las subportadoras pueden detectarse fácilmente mediante el uso de una técnica muy sencilla y bien comprendida de procesamiento de señales basada en algoritmos Fast Fourier Transform (FFT) accesible comercialmente. Además, las señales OFDM son resistivas a la distorsión multitrayectoria y, así, el receptor OFDM no requiere una implementación de ecualizador compleja. En cambio, la distorsión multitrayectoria se elimina por completo simplemente a través de la provisión de un tiempo de transmisión ligeramente más prolongado al término de cada período de símbolo al repetir una porción de la señal de transmisión conocida como Prefijo Cíclico o CP, según sus iniciales en inglés.

¿Cuál es la diferencia entre OFDM y SC-FDMA, que está siendo considerada por el 3GPP para LTE (Long Term Evolution) como interfase aérea para el uplink?

SC-FDMA significa Acceso Múltiple por División de Frecuencia en Portadora Única y es la elegida por el 3GPP LTE para el uplink debido a sus características amigables de amplificador de potencia (PA). La señal compuesta de una señal SC-FDMA modulada tiene una relación de potencia pico a promedio (PAR) de 2 a 3 dB inferior que una señal OFDM modulada. El menor requerimiento de PAR conduce al uso más eficiente del PA, que se traduce en una vida útil de la batería más prolongada para los dispositivos del usuario final.

Con el uso de procesamiento de señal, los datos modulados se unen en subportadoras y se aplica un algoritmo Discrete Fourier Transform (DFT). Las salidas de las subportadoras DFT se mapean sobre una porción de la banda de transmisión o sobre toda la banda de transmisión con características similares a una subportadora OFDM antes de reconvertirse a la señal del dominio tiempo para transmitirse con un procesamiento de Inverse Fast Fourier Transform (IFFT). Al transmitir una única portadora a la manera OFDM, se pueden preservar características de portadora única como un PAR más bajo. Además, se pueden multiplexar distintos usuarios en forma octogonal sobre la misma transformación IFFT.

¿Qué tecnologías están basadas en OFDM/OFDMA y por qué?

802.16/WiMAX, OFDM Acceso Veloz con Baja Latencia Flarion con Traspaso Seamless (Flash OFDM), 3GPP LTE, IEEE 802.11a, IEEE 802.11g, IEEE 802.20, Third Generation Partnership Project 2 (3GPP2) UMB, 3GPP2 Enhanced Broadcast Multicast Services (EBCMCS – Servicios de Transmisión Multicast Optimizados), Transmisión de Video Digital-H (DVB-H), Forward Link Only (FLO).

OFDM/OFDMA provee un enfoque efectivo para los sistemas de transmisión, sistemas de radio de mayor ancho de banda, y elevadas tasas máximas para datos en grandes bloques de espectro. También provee flexibilidad en términos de la cantidad de espectro utilizada y es apropiada para los sistemas planificados para la próxima década.

¿Cómo se relacionan OFDM y OFDMA con WiMAX e IEEE 802.20?

Las tecnologías OFDM ocupan estándares de transmisión nómades, fijos y unidireccionales, que oscilan entre transmisión de TV hasta Wi-FI, como así también WiMAX fija y sistemas inalámbricos multicast más nuevos como el FLO (Forward Link Only) de Qualcomm. Sin embargo, OFDMA le agrega verdadera movilidad a esta combinación, formando la columna vertebral de WiMAX Móvil (802.20) y las nuevas normas del 3GPP para la evolución a largo plazo de la 3G (LTE).

IEEE 802.20 es una especificación de banda ancha móvil que está desarrollando el Grupo de Trabajo sobre Acceso Inalámbrico por Banda Ancha Móvil del IEEE. Los aportes iniciales tienen una naturaleza similar a IEEE 802.16e-2005, ya que utilizan OFDMA, especifican la capa física (PHY) y las capas de networking de Control de Acceso Medio (MAC), dirigen la canalización flexible a 20 MHz, y dan tasas máximas para datos superiores a los 100 Mbps. Con los proveedores fuertemente enfocados en LTE, UMB y WiMAX para los servicios inalámbricos de la próxima generación, no resulta claro si existe suficiente ímpetu en esta norma como para permitir una tecnología viable. A la fecha, no hay ningún operador que se haya comprometido con la posible norma.

"WiMAX Móvil, o 802.16-2005, en realidad es un nombre erróneo", afirmó Mark Whitton, vicepresidente y gerente general para WiMAX de Nortel Networks. "802.16-2005 es una solución ideal para implementaciones móviles, portables y fijas de WiMAX, y es esencialmente un supraconjunto de 802.16-2004, con avances de performance significativos como MIMO y OFDMA escalable."

¿Qué es Flash OFDM?

Flash OFDM es una tecnología inalámbrica propietaria para networking desarrollada por Flarion Technologies. Qualcomm adquirió a esta compañía a una cifra informada de entre $600 y $800 millones en 2006. Una cantidad de operadores de Asia y Europa han realizado pruebas de Flash OFDM. La primera red comercial fue lanzada en Eslovaquia en 2005 por T-Mobile Eslovaquia, y utilizaba frecuencias liberadas del servicio analógico NMT en la banda de 450 MHz. Otro compromiso de implantación se encuentra en Finlandia, donde el gobierno ha otorgado una licencia operativa en la banda de 450 MHz para una red de alcance nacional.

Flash OFDM está basada en OFDM en los canales de radio de 1,25 MHz. Emplea saltos de frecuencia en los tonos (subcanales), lo que provee diversidad de frecuencias y habilita una reutilización 1/1. La red está totalmente basada en IP e implementa funciones de voz que utilizan VoIP. Flarion asegura que provee velocidades típicas en el downlink de entre 1 y 1,5 Mbps, y velocidades promedio en el uplink de 300 a 500 kbps, con latencia típica inferior a 50 mseg.

Desde el punto de vista de la eficiencia espectral, Flash OFDM dice alcanzar aproximadamente el mismo valor en el downlink que HSPA, en combinación con diversidad de recepción móvil, y aproximadamente el mismo valor en el uplink que HSUPA. Por tratarse de una tecnología propietaria, no hay detalles disponibles para una evaluación objetiva. Si bien Flash OFDM tiene una ventaja en el sentido del tiempo de llegada al mercado debido a que los equipos ya están disponibles, tiene desventajas importantes por el hecho de que el soporte está disponible únicamente con una base limitada de proveedores y que la tecnología no está basada en estándares abiertos.

¿Qué es Banda Ancha Ultra Móvil o UMB y cómo se relaciona con OFDMA?

Banda ancha ultra móvil o UMB es la evolución basada en CDMA posterior a EV-DO Rev A y Rev B. El 3GPP2 ha definido a EV-DO Rev B asegurando que permite la combinación de hasta 15 radio canales de 1,25 MHz en 20 MHz—aumentando significativamente las tasas máximas teóricas a 73,5 Mbps. Lo más probable es que un operador combine tres radio canales en 5 MHz. Dicho enfoque en sí mismo no incrementa la capacidad global, pero sí les ofrece a los usuarios tasas de datos máximas elevadas. Al momento, no hay ningún operador comprometido públicamente con EV-DO Rev B; luego de Rev B, UMB estará basada en un enfoque OFDMA como LTE. UMB soporta radio canales de 1,25 a 20 MHz. En un radio canal de 20 MHz, con el uso de 4X4 MIMO, UMB entregará una tasa de datos máxima de 280 Mbps. UMB y LTE se están desarrollando simultáneamente, en esencia, de modo que es lógico suponer que ambas tecnologías explotarán los mismos avances de la tecnología inalámbrica. Tanto UMB como LTE son más recientes que otras tecnologías OFDMA, por lo que también es lógico suponer que sus capacidades superarán a los diseños iniciales de OFDMA.

¿Pueden utilizarse OFDM/MIMO en los modos TDD y FDD?

Sí, ambas implementaciones son posibles. Las primeras implementaciones de WiMAX basada en OFDM/MIMO utilizarán TDD a pesar de que la atribución de espectro predominante en todo el mundo es para sistemas FDD.

¿Cómo adoptarán e introducirán OFDM/MIMO el 3GPP, el 3GPP2 y otros organismos de normalización?

El 3GPP2 adoptará una variante de OFDMA/MIMO para su versión Revisión C. El 3GPP LTE (Long Term Evolution) está optando por OFDMA/MIMO en el Downlink y la más amigable en cuanto al Amplificador de Potencia (PA) y eficiencia de batería SC-FDMA/MIMO en el Uplink.

¿Quiénes son los principales proveedores de chipsets que están desarrollando tecnología OFDM/MIMO?

Prevemos que muchos proveedores de chips participarán de este mercado. OFDM/MIMO será la línea de base para todas las evoluciones futuras de tecnologías inalámbricas. En particular para 3GPP LTE, OFDM/MIMO está siendo aceptada por todos los socios del 3GPP y tendrá soporte del grupo habitual de proveedores, tanto en infraestructura como en chipsets. Dada la popularidad de OFDM/MIMO, existe el potencial de aprovechar una economía de escala aún mayor con un chipset OFDM/MIMO común entre todas las nuevas tecnologías. Sin embargo, LTE OFDM/MIMO tiene la ventaja de ser la tecnología inalámbrica dominante, con amplio respaldo de la industria, los gobiernos y los usuarios para asegurar una migración de redes tranquila, estandarizada y costo-efectiva desde 3G a IMT Advanced y posteriores.

OFDM ¿será un medio más costo-efectivo de entregar servicios inalámbricos de banda ancha?

Para soluciones de gran ancho de banda, OFDM permite receptores más sencillos en terminales que podrían conducir a dispositivos más económicos. Sin embargo, cabe observar que el volumen y la escala también son componentes clave a considerar a la hora de realizar comparaciones con soluciones UMTS/HSPA.

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