Resumen de Contribuciones a las técnicas de sincronización en sistemas OFDM
Las aplicaciones de banda ancha que emplean modulaciones tradicionales de portadora única presentan limitaciones debidas a la Interferencia entre Símbolos o ISI (Inter Symbol Interference), y la Selectividad tanto en tiempo como en frecuencia. Estas limitaciones se acentúan en el caso de canales radio medios de transmisión ya instalados o no diseñados para el transporte de señales de banda ancha, como es el caso del par telefónico, o más recientemente, de la línea de distribución de energía eléctrica.
La técnica de Multiplexado por División Ortogonal en Frecuencia, y OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) es una alternativa a las técnicas tradicionales de modulación que mitiga los efectos del canal en aplicaciones de banda ancha.
El fundamento de la técnica OFDM consiste en repartir un flujo de información que requeriría una portadora de elevado ancho de banda en un conjunto de canales de reducido ancho de banda. Estos canales se encuentran muy próximos entre sí pero sin interferirse mutuamente.
El resultado es una excelente eficiencia espectral acompañada de una significativa disminución de los efectos negativos del canal. Estas mejoras son alcanzadas a costa de una procesamiento digital extremadamente intenso y complejo, que ha frenado el desarrollo de esta tecnología hasta la aparición de nuevas herramientas de desarrollo, y de la reducción de costes asociados a la producción de circuitos integrados de muy elevada escala de integración.
Un elemento clave en el diseño de sistemas OFDM se encuentra en el ajuste de los diversos sistemas de sincronización involucrados en el establecimiento y mantenimiento de la comunicación entre los extremos transmisor y receptor. La alta sensibilidad a errores de sincronización que presenta la modulación OFDM precisa integrar sistemas de sincronización que presentan dos características comunes en todas las aplicaciones: un alto consumo de recursos hardware, silicio o tiempo de procesamiento, y un elevado tiempo de desarrollo.
En este contexto, esta Tesis presenta un conjunto de aportaciones que pretenden reducir los recursos empleados en el diseño de sistema OFDM, especialmente en los sistemas responsables de la sincronización.
El inicio de las investigaciones presentadas en esta Tesis comienza a raíz de la participación en el proyecto INSONET (IN-Small Office & HOme Networking-IST-1999-10358) del V Programa de Marco de la UE.
La participación en INSONET evidenció la complejidad del diseño de sistemas OFDM, ya que resultaba difícil medir el impacto que tenían multitud de decisiones de diseño sobre las prestaciones del sistema. En particular, el diseño del sistema de sincronización supuso un coste importante tanto en tiempo de desarrollo como en hardware. Durante el proyecto se puso de manifiesto la necesidad de estudiar cuidadosamente estos aspectos de diseño.
Por otro lado, realizar aportaciones novedosas en OFDM es hacerlo en un campo incentivado por aplicaciones presentes y futuras. En la actualidad OFDM se emplea en sistemas de radiodifusión digital terrestre en Europa: DVB-T (Digital Video Broadcasting-Terrestrial), DAB (Digital Audio Broadcasting) y en la futura DVB-H (DVB-Handle) para terminales móviles.
OFDM también es utilizado en las denominadas tecnologías NNW (No New Wires) que engloban tanto soluciones cableadas como ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) y VDSL (Very High Bit Rate DSL) basadas en los bucles tradicionales de abonado telefónico, como soluciones basadas en tecnologías de radio: WLAN (Wireless Local Areu Network) ETSI-HIPERLAN/2 e IEEE-802.11ª.
Incluso en las futuras WMAN (Wireless Metropolitan Area Network), como es el caso de la IEEE 802.16, y en una gran parte de las realizaciones UWB (Ultra Wide Band) emplean técnicas de modulación multiportadora.
Desde fechas muy recientes la técnica OFDM es integrada en los sistemas de comunicaciones PLC (Power Line Communications) aparecidos en EEUU, estos últimos en fase de normalización por el comité técnico ETSI-PLT (ETSI-Power Line Telecommunications).
Los objetivos de esta Tesis son:
- Investigación de técnicas de sincronización que permitan reducir el consumo de recursos en receptores OFDM para aplicaciones de comunicación por línea de potencia y comunicaciones inalámbricas, y en especial, las técnicas basadas en el procesamiento en el dominio de la frecuencia;
- Realización de prototipos sobre FPGA´s que permitan evaluar las prestaciones de las técnicas de sincronización propuestas en aplicaciones de comunicación por línea de potencia.
Para dar soporte a la ejecución de estos objetivos ha sido necesario desarrollar una librería de modelos denominado BROCOLI (BroadBand Co-simulation Library), orientados a la co-simulación de sistemas OFDM.
En el siguiente capítulo se realizará una revisión del estado del arte en aportaciones sobre sincronización OFDM, enfocándonos en aquellas aplicaciones basadas en transmisión por ráfagas, proporcionando un modelo matemático que servirá como referencias. Si bien el contenido expuesto en el Capítulo 2 es suficiente para seguir el resto de la Tesis, el Anexo 1 permite al lector revisar con mayor detenimiento los principios de funcionamiento de OFDM, a la vez que se proporciona una amplia bibliografía sobre aspectos no considerados en esta Tesis.
En el Capítulo 3 se propondrá u esquema de sincronización que incluye un estimador novedoso de desplazamiento fino de frecuencia. Posteriormente, el Capítulo 4 estudiará el comportamiento del algoritmo CORDIC (COordinate Rotation DIgital Computer) desde el punto de vista de su empleo en sistema de comunicaciones, y más concretamente, en el sistema de sincronización propuesto. En el Capítulo 5 los estimadores presentados se realizarán de forma óptima empleando las conclusiones obtenidas en los apartados anteriores.
El Capítulo 6 presenta la realización sobre FPGA de un receptor OFDM para aplicaciones PLC que emplea los sistemas de sincronización propuestos. Finalmente se enumerarán las conclusiones y se trazarán las futuras líneas de trabajo.
Como información adjunta a la Tesis se incluyen: un anexo dedicado a la modulación OFDM (Anexo 1), un resumen de los proyectos relacionados con la Tesis (Anexo II) , y un análisis de determinados aspectos sobre comunicaciones por línea de potencia (Anexo III).
