OFDM – Orthogonal Frequency Division Multiplexing

Abkürzung: OFDM

OFDM verteilt einen Datenstrom auf viele schmale Trägerfrequenzen. Das Verfahren ist gegen Mehrwegeausbreitung unempfindlich und liegt fast allen heutigen Übertragungstechniken zugrunde.

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.

OFDMA ist mit 802.11ax eingeführt worden und einer der Gründe, warum Wi-Fi 6 vor allem bei vielen gleichzeitigen Teilnehmern gewinnt und nicht bei der Spitzenrate einer einzelnen Verbindung.

Außerhalb des WLAN

OFDM wird ebenso eingesetzt bei DSL, im digitalen Rundfunk für Hörfunk und Fernsehen, im Mobilfunk ab LTE und 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.

Quellen

• 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