El OFDMA (o ortogonal por división de frecuencia de acceso múltiple ) es una técnica para la multiplexación y codificación de datos utilizados principalmente en las redes móviles de 4 º y 5 º generación . Esta codificación de radio combina multiplexación de frecuencia y tiempo; es decir, los modos " acceso múltiple por división de frecuencia " (AMRF o FDMA en inglés ) y " acceso múltiple por división de tiempo " (TDMA o TDMA ). Se utiliza en particular en redes de telefonía móvil 4G LTE , LTE Advanced , 5G New Radio y WiMAX ( IEEE 802.16e ).
OFDMA o una de sus variantes también se utilizan en otros sistemas de comunicación por radio, como las versiones recientes de los estándares para redes inalámbricas de área local Wi-Fi ( IEEE 802.11 ax ), IEEE 802.22 y WiBro así como por ciertos estándares de televisión digital. .
En cuanto a otras técnicas de codificación que permiten el acceso múltiple ( TDMA , FDMA o CDMA ), el objetivo es compartir un recurso de radio común (una banda de frecuencia ) y asignar dinámicamente una o partes de ella a varios usuarios.
OFDMA y su variante SC-FDMA se derivan de la codificación OFDM (utilizada por ejemplo en ADSL , enlaces DOCSIS 3.1 y en algunas redes WiFi), pero a diferencia de OFDM, OFDMA permite y está optimizado para accesos múltiples, es decir, compartir el recurso espectral ( banda de frecuencia ) entre muchos usuarios remotos. OFDMA es compatible con la técnica de antena MIMO .
OFDMA se desarrolló como una alternativa a la codificación CDMA , utilizada en redes 3G UMTS y CDMA2000 . OFDMA se utiliza principalmente en la dirección de transmisión de enlace descendente ( antena de retransmisión a terminal ) de redes móviles porque permite el mismo ancho espectral , una tasa de bits más alta gracias a su alta eficiencia espectral (número de bits transmitidos por hertz ) y su capacidad de alto rendimiento incluso en entornos adversos con ecos y ondas de radio de trayectos múltiples .
Esta codificación (como la CDMA utilizada en las redes móviles 3G) permite un factor de reutilización de frecuencia igual a "1", es decir que las células de radio adyacentes pueden reutilizar las mismas radiofrecuencias.
La codificación OFDMA consiste en la codificación y modulación digital de una o más señales binarias para transformarlas en muestras digitales destinadas a ser transmitidas en una (o más) antenas de radio después de la conversión digital / analógica; a la inversa, en la recepción, la señal de radio recibe el procesamiento inverso.
El principio de OFDMA es distribuir los datos digitales que se va a transmitir en un gran número de sub- portadoras , lo que induce, para una tasa de conjunto, una disminuyen mucho binario tasa en cada uno de los canales de transmisión; la duración de cada símbolo es, por tanto, mucho más larga (66,7 µs para LTE) que si hubiera una sola portadora. Esto permite limitar los problemas de interferencia entre símbolos y de desvanecimiento (fuerte atenuación de la señal) vinculados a los "trayectos de propagación múltiples" que existen en los radioenlaces de medio y largo alcance porque cuando la tasa de bits en una portadora es alta, el eco de un símbolo que llega tarde debido a la propagación de interrupciones por trayectos múltiples y los siguientes símbolos; cuanto mayor sea la duración del símbolo, menos se alterarán los siguientes símbolos.
La siguiente figura describe el uso de subportadoras en LTE: las de negro, verde y azul (las más numerosas) transportan datos de usuario, las de rojo, información de sincronización y señalización entre los 2 extremos del enlace de radio.
El filtrado separado de cada subportadora no es necesario para decodificar en el terminal receptor, una "transformada de Fourier" FFT es suficiente para separar las subportadoras entre sí (en el caso de LTE, hay hasta 1200 portadoras independientes por sentido de transmisión).
Ortogonalidad (la "O" de OFDMA): al utilizar señales ortogonales entre sí para subportadoras contiguas, se evita la interferencia mutua. Este resultado se obtiene al tener una diferencia de frecuencia entre las subportadoras igual a la frecuencia de los símbolos en cada subportadora (el recíproco de la duración del símbolo). Esto significa que cuando se demodulan las señales, hay un número entero de ciclos en la duración de un símbolo y la contribución de interferencia de 2 portadoras ortogonales es igual a cero; en otras palabras, el producto escalar entre cada una de las subportadoras es cero durante el tiempo de transmisión de un símbolo.
En las redes móviles de fase 1 LTE y 5G, la duración del símbolo es de 66,7 µs , o una frecuencia de 15 kHz , que también corresponde a la diferencia entre las frecuencias de 2 subportadoras contiguas. En las versiones de los Wi-Fi estándares ( IEEE 802.11g , n y ac ), la duración de cada símbolo es de 3,2 mu s , o una frecuencia y una diferencia entre las subportadoras de 312,5 kHz . El estándar Wi-Fi más reciente 802.11ax (2020) divide por 4 la diferencia de frecuencia entre 2 subportadoras (78,125 kHz ) y multiplica por 4 el número de subportadoras.
La ortogonalidad de las subportadoras permite estrechar sus frecuencias y por tanto una mayor eficiencia espectral (ver dibujo); esto evita tener una "banda de guarda" entre cada subportadora.
Se utiliza un prefijo cíclico (abreviatura "CP" en el dibujo anterior) en la transmisión OFDMA, con el fin de mantener la ortogonalidad y las propiedades de señal sinusoidal de los canales a multitrayectoria . Este prefijo cíclico se agrega al inicio de los símbolos enviados, también sirve como intervalo de guarda, es decir, un tiempo entre dos símbolos, durante el cual no hay transmisión de datos útiles; esto hace posible evitar (o limitar) la interferencia entre símbolos.
En la parte de radio ( eUTRAN ) de las redes móviles LTE , se definen dos duraciones de prefijo cíclico diferentes para adaptarse a diferentes tiempos de propagación del canal de transmisión; Estos tiempos dependen del tamaño de la celda de radio y del entorno: un prefijo cíclico normal de 4.7 μs (usado en celdas de radio de menos de 2 a 3 km de radio, el más numeroso), y un prefijo cíclico extendido de 16.6 μs utilizable en grandes células de radio; estos prefijos representan del 7 al 25% de la duración de un símbolo y, por lo tanto, reducen algo el rendimiento útil, especialmente en celdas grandes (áreas rurales).
La presencia de numerosas subportadoras independientes facilita la adaptación de la potencia de transmisión de la estación base en cada canal al nivel mínimo suficiente para una buena recepción por parte de cada usuario (que depende de la distancia desde la antena retransmisora).
También es posible, gracias al número variable de subportadoras atribuibles a un terminal, aumentar el alcance del transmisor de radio de un teléfono inteligente cuando está lejos de la antena receptora , respetando el límite de su potencia de transmisión total (p. Ej. : 200 mW máximo para un teléfono móvil LTE); esto se logra concentrando la potencia transmitida en un pequeño número de subportadoras (más precisamente en un pequeño número de bloques de recursos ); esta optimización se realiza en detrimento del rendimiento.
La codificación OFDMA tiene la limitación de imponer una sincronización muy precisa de las radiofrecuencias y de los relojes de los receptores y transmisores para preservar la ortogonalidad de las subportadoras y evitar interferencias .
Esta codificación está asociada (en redes LTE, Wi-Fi y WiMAX) con modulaciones del tipo QPSK o QAM utilizadas en cada uno de los canales (grupos de subportadoras), cada canal dirigido a un usuario . Los distintos canales pueden utilizar diferentes modulaciones al mismo tiempo , por ejemplo QPSK y QAM-64, para adaptarse a las condiciones de radio locales y a la distancia que separa la antena de cada terminal .
Para enlaces ascendentes (dirección terminal a estación base ) de redes móviles 4G "LTE", se utiliza la variante SC-FDMA , porque esta codificación permite reducir la potencia eléctrica pico y por lo tanto el costo del terminal y '' aumentar la duración de la batería de los teléfonos inteligentes o tabletas con pantalla táctil , gracias a un PAPR ( relación de potencia pico a promedio ) más bajo que el de OFDMA.