OFDM – Orthogonal Frequency Division Multiplexing

Abkürzung: OFDM

Definition OFDM

Bei OFDM wird der zur Verfügung stehende Frequenzbereich in viele schmale Unterkanäle zerlegt, die jeweils einen Teil der Daten tragen. Die Unterkanäle liegen so dicht beieinander, dass sie sich überlappen, stören sich aber gegenseitig nicht.

Das ist die Bedeutung von orthogonal: Die Träger sind so gewählt, dass jeder von ihnen genau dort einen Nulldurchgang hat, wo ein anderer sein Maximum erreicht. Dadurch lässt sich jeder Träger einzeln auswerten, obwohl sich die Spektren überschneiden.

Der Gewinn liegt in der Robustheit. Ein einzelner schmaler Träger überträgt langsamer und ist dadurch unempfindlich gegen Echos, die bei einem breitbandigen Signal aufeinanderfolgende Symbole verschmieren würden.

Schutzintervall

Zwischen zwei Symbolen liegt eine kurze Pause, das Schutzintervall. Echos eines Symbols klingen darin ab, bevor das nächste Nutzsignal beginnt.

Ein langes Schutzintervall verträgt starke Mehrwegeausbreitung, kostet aber Übertragungszeit. Ein kurzes liefert höhere Raten, verlangt aber gute Verhältnisse. WLAN-Geräte wählen zwischen mehreren Längen.

Die in Datenblättern genannten Höchstraten gelten regelmäßig für das kürzeste Schutzintervall.

Im WLAN

OFDM kam mit 802.11a und 802.11g ins WLAN und löste die vorherigen Spreizverfahren ab. Alle folgenden Generationen bauen darauf auf.

Der Trägerabstand blieb von 802.11a bis 802.11ac bei 312,5 kHz. Mit 802.11ax wurde er auf ein Viertel verringert, wodurch die Symbole viermal länger dauern. Das erhöht die Robustheit und den Anteil der Nutzdaten an der Sendezeit.

Nicht alle Träger tragen Nutzdaten. Ein Teil dient als Bezugspunkt für den Empfänger, ein Teil bleibt an den Rändern frei, um Nachbarkanäle nicht zu stören.

OFDMA

OFDMA erweitert das Verfahren um die gleichzeitige Nutzung durch mehrere Teilnehmer. Statt alle Träger einem Gerät zuzuteilen, werden sie in Gruppen aufgeteilt und verschiedenen Geräten zugewiesen.

Der Access Point kann damit mehrere Geräte in einem einzigen Sendevorgang bedienen. Das lohnt sich vor allem bei vielen kleinen Datenübertragungen, wie sie im Alltag überwiegen. Ohne OFDMA belegt jede noch so kleine Übertragung einen vollständigen Sendevorgang mit allem Verwaltungsaufwand.

Ins WLAN kam OFDMA mit 802.11ax. Es ist einer der Gründe, warum Wi-Fi 6 vor allem bei vielen gleichzeitigen Teilnehmern gewinnt und nicht bei der Spitzenrate einer einzelnen Verbindung. Im Mobilfunk ist das Verfahren deutlich älter.

Im Mobilfunk

Dort ist OFDMA keine Erweiterung, sondern seit LTE das grundlegende Zugriffsverfahren in der Abwärtsrichtung. Die kleinste zuteilbare Einheit heißt Ressourcenblock und umfasst zwölf benachbarte Unterträger über einen kurzen Zeitabschnitt. Der Zeitplaner der Basisstation verteilt diese Blöcke im Millisekundentakt neu auf die Geräte einer Funkzelle — nach Datenbedarf, Empfangsqualität und Wartezeit.

Warum die Aufwärtsrichtung anders arbeitet

Ein OFDM-Signal setzt sich aus vielen Trägern zusammen, die sich zufällig überlagern. Dabei entstehen kurze Leistungsspitzen, die weit über der mittleren Leistung liegen. Der Sendeverstärker muss auf diese Spitzen ausgelegt sein und arbeitet deshalb die meiste Zeit weit unterhalb seines günstigsten Arbeitspunkts.

In der Basisstation ist das hinnehmbar, im batteriebetriebenen Gerät nicht. LTE verwendet in der Aufwärtsrichtung daher SC-FDMA, eine Variante mit vorgeschalteter Transformation, die das Verhältnis von Spitzen- zu Mittelwert deutlich senkt. Das Gerät kommt mit einem einfacheren Verstärker aus, verbraucht weniger Strom und erreicht am Zellrand mehr Reichweite.

In 5G heißt dieses Verfahren DFT-s-OFDM und ist nur noch eine von zwei Möglichkeiten: Bei gutem Empfang nutzt auch die Aufwärtsrichtung gewöhnliches OFDM, am Zellrand schaltet das Netz auf die sparsamere Variante um.

Skalierbarer Trägerabstand

LTE arbeitet durchgehend mit 15 kHz Trägerabstand. 5G lässt dagegen 15, 30, 60 und 120 kHz zu; die Wahl heißt Numerologie.

Ein größerer Abstand bedeutet kürzere Symbole und damit kürzere Übertragungsintervalle — die Grundlage für niedrige Latenz. Zugleich wird er bei hohen Frequenzen notwendig, weil dort Phasenrauschen und Dopplerverschiebung zunehmen und schmale Träger zu empfindlich wären. In den Bändern um 3,6 GHz sind 30 kHz üblich, in den Millimeterwellenbändern 120 kHz.

Dieselbe Kanalbandbreite trägt damit je nach Numerologie unterschiedlich viele Träger. Mehrere solcher Kanäle lassen sich über Carrier Aggregation bündeln.

Weitere Einsatzgebiete

OFDM wird ebenso eingesetzt bei DSL, im digitalen Rundfunk für Hörfunk und Fernsehen sowie bei Powerline-Übertragung. Die Auslegung unterscheidet sich, das Grundprinzip ist dasselbe.

Abgrenzung

FDM ohne das o teilt den Bereich ebenfalls auf, lässt zwischen den Trägern aber Schutzabstände. Das kostet Bandbreite, die OFDM durch die Orthogonalität einspart.

Die Modulation ist eine eigene Größe. OFDM legt fest, wie die Träger angeordnet sind, nicht wie viele Bit je Träger übertragen werden. Das bestimmt das Modulationsverfahren, im WLAN heute bis 4096-QAM.

Normen

• IEEE 802.11-2020 – Wireless LAN MAC and PHY Specifications
• IEEE 802.11ax-2021 – Enhancements for High Efficiency WLAN, Abschnitte zu OFDMA und Resource Units
• 3GPP TS 36.211 – E-UTRA, physikalische Kanäle und Modulation (OFDMA und SC-FDMA)
• 3GPP TS 38.211 – NR, physikalische Kanäle und Modulation (Numerologien und DFT-s-OFDM)