Was ist der Unterschied zwischen OFDM und CP-OFDM?

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) und CP-OFDM (Cyclic Prefix Orthogonal Frequency Division Multiplexing) sind beides Modulationstechniken, die häufig in drahtlosen Kommunikationssystemen verwendet werden, insbesondere im Zusammenhang mit der Übertragung hoher Datenraten über frequenzselektive Kanäle.

Sie haben viele Gemeinsamkeiten, unterscheiden sich jedoch vor allem darin, wie sie das Problem der Intersymbolinterferenz (ISI) behandeln. In dieser umfassenden Erklärung werde ich OFDM und CP-OFDM ausführlich vergleichen und ihre wichtigsten Unterschiede und Anwendungen hervorheben.

1. Grundprinzipien:

OFDM: OFDM ist ein Mehrträger-Modulationsschema, das einen Strom mit hoher Datenrate in mehrere Unterträger mit niedrigerer Datenrate aufteilt. Diese Unterträger sind orthogonal zueinander, was bedeutet, dass sie sich nicht gegenseitig stören. Jeder Unterträger trägt einen Teil der Originaldaten und zusammen bilden sie das übertragene Signal. OFDM basiert auf der Fast-Fourier-Transformation (FFT), um die Daten zwischen Zeit- und Frequenzdomänen umzuwandeln.
CP-OFDM: CP-OFDM ist eine Variante von OFDM, die sich mit dem Problem der ISI befasst. Es fügt jedem OFDM-Symbol ein zyklisches Präfix hinzu. Das zyklische Präfix ist eine Kopie des Endteils des Symbols, das dem Anfang vorangestellt wird. Dieses zyklische Präfix hilft bei der Bekämpfung von ISI, indem es dem Empfänger ermöglicht, die Auswirkungen der Energie des vorherigen Symbols zu verwerfen und so effektiv als Schutzintervall zu fungieren.

2. Umgang mit ISI:

OFDM: Im Standard-OFDM gibt es kein Schutzintervall, daher ist es anfällig für ISI, das durch verzögerte Mehrwegesignale verursacht wird. Das heißt, wenn es mehrere Wege gibt, über die das Signal den Empfänger erreicht, und diese Wege unterschiedliche Verzögerungen aufweisen, können sich die Symbole im Zeitbereich überlappen, was zu Interferenzen führt.
CP-OFDM: CP-OFDM eliminiert ISI effektiv durch die Verwendung des zyklischen Präfixes. Das zyklische Präfix stellt sicher, dass selbst bei Mehrwegestörungen die verzögerten Kopien des Signals das aktuelle Symbol nicht stören. Der Empfänger kann das zyklische Präfix entfernen und das ursprüngliche Symbol ohne ISI wiederherstellen.

3. Spektrale Effizienz:

OFDM: OFDM kann im Vergleich zu CP-OFDM weniger spektral effizient sein, da es kein Schutzintervall verwendet. Das Schutzintervall in CP-OFDM reduziert die Anzahl der datentragenden Unterträger und verringert dadurch leicht die spektrale Effizienz.
CP-OFDM: CP-OFDM ist robuster gegenüber ISI, opfert jedoch einen kleinen Teil der verfügbaren Bandbreite für das Schutzintervall. Dieser Kompromiss zwischen spektraler Effizienz und Robustheit ist ein wesentlicher Gesichtspunkt beim Systemdesign.

4. Komplexität:

OFDM: OFDM ist hinsichtlich der Implementierung relativ einfach. Das Hinzufügen eines zyklischen Präfixes ist nicht erforderlich, was die Berechnung weniger komplex macht.
CP-OFDM: CP-OFDM erfordert das Einfügen und Entfernen des zyklischen Präfixes sowohl beim Sender als auch beim Empfänger, was das System etwas komplexer macht. Moderne Signalverarbeitungstechniken haben diese Komplexität jedoch beherrschbar gemacht.

5. Anwendungen:

OFDM: OFDM wird häufig in drahtlosen Kommunikationssystemen mit hoher Datenrate wie Wi-Fi (802.11a/g/n/ac/ax) und digitalem Rundfunk (DVB-T, DVB-T2) verwendet. Es eignet sich gut für Anwendungen, bei denen die spektrale Effizienz im Vordergrund steht und der Kanal relativ frei von schwerwiegenden Mehrwegestörungen ist.
CP-OFDM: CP-OFDM wird in Anwendungen bevorzugt, bei denen Mehrwegestörungen ein erhebliches Problem darstellen, wie z. B. drahtlose Kommunikation in städtischen Umgebungen, wo Signale von Gebäuden reflektiert werden und mehrere Pfade mit unterschiedlichen Verzögerungen erzeugen können. Es wird in den Mobilfunkstandards 4G LTE und 5G NR (New Radio) verwendet.

6. Leistung in realen Umgebungen:

OFDM: OFDM kann in Szenarien mit minimaler Mehrwegestörung gut funktionieren und eignet sich daher für Anwendungen wie Hochgeschwindigkeits-WLANs (Local Area Networks).
CP-OFDM: CP-OFDM glänzt in anspruchsvollen Umgebungen mit erheblicher Mehrwegeausbreitung und eignet sich daher ideal für die Mobilfunkkommunikation, bei der Signale komplexe Stadtlandschaften durchqueren müssen.

7. Robustheit:

OFDM: OFDM ist bei Vorhandensein von Mehrwegestörungen weniger robust und daher unter solchen Bedingungen fehleranfällig.
CP-OFDM: Das zyklische Präfix von CP-OFDM erhöht seine Robustheit und ermöglicht die Aufrechterhaltung einer zuverlässigen Kommunikation auch bei starker Mehrwegeausbreitung.

8. Koexistenz mit Legacy-Systemen:

OFDM: OFDM kann bei der Koexistenz mit älteren Systemen, die andere Modulationstechniken verwenden, vor Herausforderungen stehen, da es aufgrund seiner einzigartigen spektralen Eigenschaften keine inhärente Abwärtskompatibilität bietet.
CP-OFDM: CP-OFDM ist für eine bessere Koexistenz mit Legacy-Systemen konzipiert, da es eine traditionellere Signalstruktur mit dem zyklischen Präfix aufweist, was die Abwärtskompatibilität unterstützt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sowohl OFDM als auch CP-OFDM wertvolle Modulationstechniken in der drahtlosen Kommunikation sind und ihre Wahl von den spezifischen Anforderungen der Anwendung abhängt.

OFDM zeichnet sich in Szenarien mit minimalen Mehrwegestörungen und hohen Anforderungen an die spektrale Effizienz aus, während CP-OFDM besser für anspruchsvolle Umgebungen mit erheblichen Mehrwegestörungen und dem Bedarf an robuster Kommunikation geeignet ist. Beim Entwurf drahtloser Kommunikationssysteme ist es von entscheidender Bedeutung, ihre Unterschiede und Kompromisse zu verstehen, um optimale Leistung und Zuverlässigkeit sicherzustellen.