Progettazione e valutazione di forme d’onda OFDM in un sistema wireless

L’Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM) è un sistema di modulazione multiportante in cui i dati vengono trasmessi come una combinazione di segnali ortogonali a banda stretta noti come sottoportanti. L’OFDM si basa sulla modulazione a portante singola, ad esempio QAM, ed è in grado di trasmettere i dati ad una velocità simile. Tuttavia, l’OFDM è più resistente al fading selettivo in frequenza e semplifica l’equalizzazione al ricevitore. L’OFDM è uno schema di base presente in numerosi standard di comunicazione wireless diffusi, come Wi-Fi, LTE e 5G. È possibile utilizzare MATLAB® e Simulink® per configurare e generare forme d’onda OFDM conformemente a questi standard per simulare e testare un modello di layer fisico del sistema di comunicazione wireless.

In che modo funziona l’OFDM?

Lo schema di trasmissione OFDM può essere suddiviso in vari componenti. Prima di tutto i dati vengono codificati e modulati, solitamente in simboli QAM. Questi simboli vengono poi caricati in bin di frequenza equidistanti e viene applicata una trasformata di Fourier veloce inversa (IFFT) per trasformare il segnale in sinusoidi ortogonali sovrapposte nel dominio del tempo. L’IFFT è data dall’equazione:

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

Gli N campioni di output dell’IFFT costituiscono un singolo simbolo OFDM. Successivamente viene aggiunto un prefisso ciclico a ciascun simbolo OFDM, consentendo di calcolare la convoluzione circolare attraverso la convoluzione lineare se il prefisso ciclico è lungo almeno quanto la risposta all’impulso del canale. Ciò fa sì che l’equalizzazione al ricevitore rimuova l’interferenza intersimbolica attraverso una moltiplicazione scalare complessa applicata indipendentemente a ciascun simbolo OFDM. In una tipica applicazione dell’OFDM, vengono aggiunti simboli pilota noti al trasmettitore per facilitare la stima e l’equalizzazione del canale.

Procedura di simulazione e verifica di un tipico workflow di trasmissione OFDM con MATLAB. (esempio di codice)

In standard come LTE o 5G, è possibile concatenare e trasmettere più simboli OFDM in slot o subframe OFDM. Il numero di simboli per ciascun subframe dipende dallo standard e dalla spaziatura delle sottoportanti. Ad esempio, la seguente griglia di risorse LTE rappresenta una configurazione con sottoportanti raggruppate in blocchi di 12 (ogni 12 sottoportanti equivalgono a un blocco di risorse) e di 14 simboli OFDM per subframe.

Mappatura dei canali fisici OFDM in una griglia di risorse con LTE Toolbox. (esempio)

Perché utilizzare l’OFDM?

L’OFDM è uno schema ampiamente utilizzato in numerosi standard di comunicazione wireless. Alcuni vantaggi dell’OFDM includono:

  • Superamento del fading selettivo in frequenza e delle distorsioni multipath nei canali a banda larga
  • Possibilità di effettuare la stima del canale e l’equalizzazione in modo indipendente in ciascuna sottoportante
  • Facilità di condivisione delle risorse su più flussi di dati
  • Capacità di integrazione con i sistemi MIMO e Massive MIMO in quanto ciascuna sottoportante subisce un fading piatto, per cui l’equalizzazione include un singolo tap per sottoportante
  • Elevata efficienza spettrale complessiva

OFDM con MATLAB e Simulink

MATLAB, Simulink e i toolbox di comunicazione wireless correlati come Communications Toolbox™, WLAN Toolbox™, LTE Toolbox™ e 5G Toolbox™ includono funzioni e blocchi per la progettazione e il test diretti di segnali OFDM. Con MATLAB e Simulink è possibile:

  • Progettare, testare ed eseguire simulazioni a livello di link su forme d’onda OFDM
  • Personalizzare i parametri OFDM come il segnale di addestramento, lo zero padding e il prefisso ciclico mediante funzioni e blocchi
  • Applicare l’OFDM alla progettazione di sistemi wireless per analizzare metriche come le prestazioni dei link, la robustezza, la stima del canale e l’equalizzazione
  • Progettare e ottimizzare algoritmi digitali, analogici o di beamforming ibridi per massimizzare le prestazioni
  • Richiamare funzioni specifiche per la generazione di forme d’onda OFDM personalizzate per i vari standard del settore
  • Generare forme d’onda OFDM conformi agli standard da utilizzare in simulazioni o test over-the-air con l’app Wireless Waveform Generator
  • Progettare sistemi wireless OFDM ottimizzati per la generazione di codice HDL e l’implementazione di hardware con Wireless HDL Toolbox™.

Vedere anche: comunicazioni wireless, sviluppo della tecnologia wireless 5G, massive MIMO, sistema RF, ricetrasmettitore wireless, 5G Toolbox, LTE Toolbox, WLAN Toolbox, radio definita dal software, modello del canale