Mobile 미디어 IT 기술 OFDM / OFDMA Techniques Department of Electronics and IT Media Engineering 1
Contents 1. OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) OFDM Overview OFDM Techniques 2. OFDMA System Multiple Access with OFDMA LTE Mobile Communication System
OFDM Guard Time ISI 해결방안 : OFDM 보호구간 CP(Cyclic Prefix), CS(Cyclic Suffix) Multipath channel 의영향으로시간지연확산 -> ISI 발생, ICI 발생 ( 부반송파간의 orthorgonality 무너짐 ) 20
OFDM Guard Time Cyclic Prefix ISI 해결방안 : OFDM 보호구간 - CP(Cyclic Prefix), CS(Cyclic Suffix) * Example of an OFDM symbol in a two-ray multi-path channel 21
OFDM Guard Time Cyclic Prefix Cyclic prefix CP 를갖는 OFDM 심볼 CP 를포함한 OFDM 심볼의시간영역신호와주파수영역신호 22
OFDM Guard Time Cyclic Prefix Cyclic prefix CP 길이가채널의최대지연시간보다짧은경우 23
OFDM Guard Time Cyclic Prefix Cyclic prefix CP 길이가채널의최대지연시간보다긴경우 FFT 시작점에따른 ISI 와 ICI 발생유무 24
OFDM Guard Time Cyclic Prefix Cyclic prefix 최대지연시간보다길게설정 FFT의시작점을인접심볼의영향을받지않는 CP구간내로설정 수신신호는 CP의순환확장특성에의해시간영역에서송신한 OFDM 심볼과채널의임펄스응답의순환컨볼루션 25
OFDM Guard Time Cyclic Suffix Cyclic suffix Zipper 방식의 VDSL 시스템에서사용되는심볼구조 26
OFDM Guard Time Zero Padding Zero padding ZP 를갖는 OFDM 심볼 OFDM 심볼이다중경로채널을통과한경우부반송파별다중경로채 널의영향 27
OFDM Guard Time Zero Padding Zero padding ZP를사용할경우엔수신단에서 FFT 구간내에불연속점이발생하지않도록다음심볼의보호구간에해당하는부분을현재심볼의유효심볼시작부분에복사하여더함 28
OFDM Guard Time Zero Padding Zero padding 64개의부반송파를갖는 OFDM 심볼에 ZP를사용하는경우와 CP를사용하는경우의전력스펙트럼비교 29
Overview OFDM Guard Band 변조된신호는시간영역에서구형파윈도우가곱해진신호 주파수영역에서는 sync함수 IFFT의부반송파의간격을 1/T로설정할경우직교성유지 하지만 sync의특성때문에대역외전력이크게발생 인접채널에영향을주는 ACI(Adjacent Channel Interference) 발생 그래서 ACI의영향의감소를위해주파수영역에서의보호대역필요 시간영역에서구형윈도우대신 Raised cosine 윈도우를사용 30
RC 윈도우를적용한 OFDM 심볼 OFDM 보호대역 Roll-off 상수에따른 raised cosine 윈도우의전력스펙트럼 31
OFDM ACI 해결방안 : OFDM 보호대역 - WINDOWING 32
OFDM ACI 해결방안 : OFDM 보호대역 - WINDOWING 33
OFDM ACI 해결방안 : OFDM 보호대역 - WINDOWING 34
OFDM OFDM 대역폭 35
OFDM OFDM 대역폭 36
DFT & FFT DFT (Discrete Fourier Transform) 컴퓨터를사용하여 FT을수치적으로구하기위해서는 x(t) 의유한한개수의 sampling 값들, X(f) [x(t) 의 FT] 에서유한한개수의 sampling값들을이용해야한다. 즉신호 x(t) 와 X(f) 모두이산비주기신호이어야한다. 37
FFT (Fast Fourier Transform) DFT & FFT DFT 연산을하기위해하나의표본 Xk 을계산하기위해 N개의복소수곱셈과 N-1개의복소수덧셈이요구됨 -> 계산량이많고소요시간큼 계산량을 N logn 급으로줄인알고리즘이 FFT ( 디지털신호처리에서사용 ) * DFT 38
OFDM System Example - IEEE 802.11 WLAN
IEEE 802.11 IEEE 802.11 a set of media access control (MAC) and physical layer (PHY) specifications for implementing wireless local area network (WLAN) in the 2.4, 3.6, 5, 60GHz frequency bands OFDM modulation: 802.11a, 11g, 11n, 11ac DSSS modulation: 802.11b, 11g OFDM PHY Spec. for the 5GHz Band Bandwidth = 20MHz 5.15~5.25 GHz, 5.25~5.35 GHz and 5.725~5.825 GHz unlicensed national information structure (U-NII) bands Data rates: 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, and 54 Mbit/s. Modulation: BPSK/QPSK, 16-QAM, 64-QAM FEC code rates: ½, 2/3, 3/4 40
IEEE 802.11 41
IEEE 802.11a Rate-dependent Parameters Num of data sub carrier: 48 FFT size = 64, Bandwidth 20 MHz 42
IEEE 802.11 Transmitter and Receiver Block Diagram for the OFDM PHY 43
IEEE 802.11a Major Parameters of the OFDM PHY 44
Timing-related Parameters IEEE 802.11a FFT size = 64, Bandwidth 20 MHz 45
IEEE 802.11a Sub-carrier Modulation Mapping BPSK, QPSK 16-QAM, 64-QAM d: modulated output symbol K MOD : modulation dependent normalization factor d ( I jq) K MOD 46
IEEE 802.11a Sub-carrier Modulation Mapping 47
IEEE 802.11a Sub-carrier Modulation Mapping 48
OFDM System Performance
OFDM 전송방식의 BER 특성 OFDM 전송방식에서주파수영역의 SNR 과시간영역의 SNR 의관계 OFDM 전송방식에서 BER 은주파수영역에서계산되므로주파수영 역의 SNR 이실제적으로의미가있다. 50
OFDM 전송방식의 BER 특성 다중경로채널에서보호구간에따른 BER 성능 ISI 에의한영향이없는경우 ( 최대지연확산 15 인다중경로채널 ) 51
OFDM 전송방식의 BER 특성 다중경로채널에서보호구간에따른 BER 성능 ISI 에의한영향이존재하는경우 ( 최대지연확산 15 인다중경로채널 ) 52
Adaptive Transmission in OFDM System
Water Filling 기법 Adaptive Transmission Scheme 채널이시간에따라변하거나 (e.g. 이동환경 ), 주파수 subcarrier(subchannel) 별로채널의특성이다른경우채널의특성에따라적응적으로전송하는방식이효율적 AMC(Adaptive Modulation and Coding) 를사용 Frequency Selective Fading Channel 다중경로채널에의해주파수영역에서깊은 null이형성된 sub-channel 에다른 sub-channel과동일하게비트와전력을할당할경우, null이형성된부채널의오류확률이크게증가하여전체적으로 error-floor 발생 OFDM방식은주파수영역에서심볼을할당하고검출하므로주파수영역 SNR에따라적응적으로각부반송파의비트및전력을할당하면 error-floor 문제해결과 Channel Capacity을최대화 54
Water Filling 기법 OFDM 시스템의채널용량은 Hartly-Shannon 식 부반송파의수가충분히커서각부채널내에서 SNR 이상수로근사화될경우 채널용량을최대로하기위한최적화문제의해를구함 55
Water Filling 기법 Water filling 기법을적용한경우부반송파별전송전력할당 56
Water Filling 기법 각부반송파에할당되는전력과오류확률이동일하다는조건하에서 k번째 sub-carrier를통해전송되는비트수 b[k] 를채널의 SNR 상태에따라최적으로할당 채널의특성에따른비트할당의예 57
OFDM 파라미터설정 기본사항 1. 사전에대역폭, 비트전송율, 무선채널의지연확산주어짐 2. 부호율과데이터심볼의변조차수에따른 ICI 와 ISI 의민감도를고려하여보호구간의길이설정 3. 유효심볼구간의길이는보호구간길이보다 4 배정도로설정하여발생하는 SNR 손실이 1dB 이하가되도록함 4. 부반송파의수를결정방법 추가사항 요구되는 -3dB 대역폭을부반송파간격으로나누어부반송파의수를결정 대역폭을만족시키는범위내에서요구되는 OFDM 심볼당비트전송율을각부반송파에대한비트전송률로나누어결정 FFT/IFFT 구간과심볼구간내에서샘플수가정수가되게함 58
무선채널의주파수응답예 Coded OFDM 59
Coded OFDM 오류정정부호와인터리빙 오류정정부호 주파수선택적페이딩현상극복 종류 인터리빙 RS(Reed-Solomon) 코드 컨볼루션코드 TCM(Trellis Coded Modulation) Concatenated 코드 터보 (Turbo) 코드 LDPC 코드 연집오류 (Burst error) 현상방지 종류 블록인터리빙 컨볼루션인터리빙 60
Coded OFDM DAB 시스템에서의사용되는 concatenated 부호와인터리빙의예 61
OFDMA System
OFDM 다중접속기술 OFDM 전송방식과다중접속기술을결합한구조 63
OFDM 다중접속기술 OFDM 과다중접속기술을함게사용한경우전송방식비교 64
OFDMA 에서의자원할당 OFDM 에서의부채널할당방식 부채널자원할당방식 65
OFDMA 에서의자원할당 OFDM 에서의부채널할당방식 OFDMA 에서부채널의자원할당방식비교 66
OFDMA 부채널맵핑방식 OFDM 에서의부채널할당방식 67