OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access

OFDMA ‐ 

Orthogonal Frequency Division 

Multiple Access

Presented by: Chenxi Bao Chao Xie Nan Wu  ECE 645 Wireless Communication Systems Presentation

Theory of OFDM

Architecture of RAN and CN

Compare OFDMA with CDMA 

1. Introduction

OFDM  is  a  multi‐carrier  digital  modulation  technique  in  which  a 

high bit rate serial data stream is separated into a large number N 

of  narrowband  and  low  data  rate  sub‐channels  each  of  which 

modulates  a  single  sub‐carrier,  and  each  sub‐carrier  transmits 

symbols  in  parallel.  Channel  bandwidth  is  divided  into  multiple 

sub‐channels  orthogonal  to  each  other.  Sub‐carriers  should  be 

modulated  by  using  BPSK,  QPSK,  16‐QAM,  or  even  64‐QAM 

modulation depending on how severe the channel condition is. The 

better channel condition is, the higher constellation points request.

Theory of OFDM

1. Introduction

¾Due  to  the  duration  of  each  symbol  is  longer  enough  than  the 

spread  delay,  OFDM  is  effective  in  avoiding  inter‐symbol 

interference  (ISI)  caused  by  multi‐path  propagation  delay  in  a 

frequency‐selective  fading  environment,  therefore  OFDM  is  low 

sensitivity  to  time  synchronization  errors.  Theoretically,  with  N  is 

large  enough,  the  bandwidth  of  each  sub‐channel  can  be  divided 

only 1Hz.

¾Due  to  orthogonality,  the  energy  at  the  central  frequency 

becomes  exactly  zero  such  that  the  cross‐talk  between  sub‐

channels  (ICI)  can  be  eliminated  even  spectra  overlapped  in 

frequency domain.

Theory of OFDM

2. Mathematic description

{

2 ( ) 1, 0, 0

1

( )

k T j fj f j k j j k

x t

e

dt

T

π − = ≠

=

∫

=

(1) Orthogonality

(2) FFT algorithm

1

j k s

N

f

f

f

T

T

Δ =

=

−

=

,

f

_k

k

k

T

NTs

=

=

First assume:

2 1 0

1

(

)

N _{j kn} N s k k

y nT

Y e

N

π − =

=

∑

Samples:

Periodicity:

2 2 1 _{( )} 1 2 0 0 N _{j k N n} N _{j kn} j n N N k N k k k n n

Y

Y e

Y e

e

Y

π π π − ₊ − − + = =

=

∑

=

∑

=

Theory of OFDM

Chenxi Bao

3. Ideal OFDM digital communication system

Theory of OFDM

OFDMA

Frequency reuse in OFDM‐based system

¾Self‐provisioning cells zIntra‐cell interference free zInter‐cell interference avoidance zOverlapping cell redundancy ¾More flexibility zSub‐channelization can be  performed according to individual  channel condition zAllow “peak capacity” access by one  user if other uses are idle zConfigurable to circuit‐switched  FDMA ¾Suitable for burst packet network

OFDMA

Chenxi Bao

zCan easily adapt to severe channel conditions without complex 

equalization

zRobust against narrow‐band co‐channel interference

zRobust against Inter symbol interference (ISI) and fading caused 

by multi‐path propagation

zHigh spectral efficiency

zEfficient implementation using FFT

zLow sensitivity to time synchronization errors

zTuned sub‐channel receiver filters are not required (unlike 

conventional FDM)

zFacilitates Single Frequency Networks, i.e. transmitter macro 

diversity.

Advantages of OFDM

Chenxi Bao

zSensitive to Doppler shift

zSensitive to frequency synchronization problems

zInefficient transmitter power consumption, due to linear power 

amplifier requirement

Disadvantages of OFDM

Chenxi Bao

zADSL and VDSL broadband access via POTS copper wiring. 

zCertain Wi‐Fi (IEEE 802.11a/g) Wireless LANs.  

zHIPERLAN/2

zMMAC (multimedia access controller)

zDAB systems EUREKA 147, Digital Radio Mondiale, HD Radio, T‐

DMB and ISDB‐TSB. 

zDVB terrestrial digital TV systems DVB‐T, DVB‐H, T‐DMB and 

ISDB‐T. 

zIEEE 802.16 or WiMAX Wireless MANs. 

zIEEE 802.20 or Mobile Broadband Wireless Access (MBWA) 

systems. 

zFlash‐OFDM cellular systems. 

zCertain Ultra wideband (UWB) systems. 

zPower line communication (PLC). 

zMoCA home networking. 

Applications of OFDM

Chenxi Bao

Some features of 4G system:

Frequency band: 2‐8GHz     Bandwidth: 5‐20MHz

Data rate: 20Mbps or more    Mobile top speed: 200kmph 

Combination  of  Multiple‐Input  Multiple‐Output  (MIMO)  wireless 

technology  with  Orthogonal  Frequency  Division  Multiplexing 

(OFDM)

One  of  the  most  promising  techniques  to  support  high  data  rate 

and high performance in next generation communication systems.

OFDM in future 4G communication system

A radio access network (RAN) is part of a mobile Telecommunication system. It  implements a  radio  access technology.  It  sits  between  the  Mobile  phone,  and  the core network (CN). The mobile phone is varyingly known as user equipment  (UE), terminal equipment, mobile station (MS), etc., depending on the standard. 

Examples of radio access network:

• GRAN ‐      GSM radio access network  • GERAN‐     GSM‐EDGE packet radio services  • UTRAN‐    UMTS radio access network  • E‐UTRA‐   LTE radio access network Chao Xie

Introduction of RAN (Radio Access Network)

Chao Xie

The only node in the E‐UTRAN is the E‐UTRAN Node B (eNodeB). Simply put, the  eNodeB is a radio base station that is in control of all radio related functions in  the fixed part of the system.

Function of eNodeB

eNodeB  acts  as  a  layer  2  bridge  between  UE  and  the  EPC,  by  being  the      termination point of all the radio protocols towards the UE, and relaying   data  between  the  radio  connection  and  the  corresponding  IP  based  connectivity towards the EPC. In this role, the eNodeB performs ciphering  /deciphering  of  the  UP  data,  and  also  IP  header  compression  and  decompression.

1.

Chao Xie

The eNodeB is also responsible for many Control Plane (CP) functions. i.e.  controlling the usage of the radio interface, which includes, for example,  allocating resources based on requests, prioritizing and scheduling traffic  according to required Quality of Service (QoS), and constant monitoring of the resource usage situation.

2.

The eNodeB controls and analyses radio signal level measurements  carried out by the UE, makes similar measurements itself, and based  on those makes decisions to handover UEs between cells.

3.

Chao Xie

E‐UTRAN Node B (eNodeB)‐PART 2

The figure below shows the connections that eNodeB has to the  surrounding logical nodes, and summarizes the main functions in  these interfaces.

Chao Xie

EPC : Core Network of LTE

EPC is composed of MME, S‐GW, P‐GW, PCRF and HSS.

Chao Xie

Mobility Management Entity (MME) is the main control element in the EPC.  Typically the MME would be a server in a secure location in the operator ’s  premises. It operates only in the CP, and is not involved in the path of UP  data.

• Authentication and Security

When a UE registers to the network for the first time, the MME initiates  the authentication, MME may repeat authentication when needed or  periodically. The MME will calculate UEs ciphering and integrity  protection keys and it controls the related settings in E‐UTRAN for UP  and CP separately. To protect the UE privacy, MME also allocates each  UE a temporary identity called the Globally Unique Temporary Identity  ( G U T I ) . Chao Xie

Mobility Management Entity (MME)‐PART1

• Mobility Management

The MME keeps track of the location of all UEs in its service area. When a UE  makes its first registration to the network. The MME also participates in control  signalling for handover of an active mode UE between eNodeBs, S‐GWs or 

MMEs.

• Managing Subscription Profile and Service Connectivity

At the time of a UE registering to the network, the MME will be responsible  for retrieving its subscription profile from the home network.

Chao Xie

• the high level function of S‐GW 

is  UP  tunnel  management  and  switching.  The  S‐GW  is  part  of  the  network  infrastructure  maintained  centrally  in  operation premises. • The S‐GW has a very minor role in control functions. It is only responsible for  its own resources, and it allocates them based on requests from MME, P‐GW  or PCRF. Chao Xie

Serving Gateway (S‐GW)‐PART1

• During mobility between eNodeBs, the S‐GW acts as the local mobility 

anchor. The  MME  commands  the  S‐GW  to  switch  the  tunnel  from  one  eNodeB  to  another.  The  MME  may  also  request  the  S‐GW  to  provide  tunnelling resources for data forwarding.

•   For  all  data  flows  belonging  to  a  UE  in  connected  mode,  the  S‐GW 

relays the data between eNodeB and P‐GW. However, when a UE is in  idle  mode,  the  resources  in  eNodeB  are  released,  and  the  data  path  terminates in the S‐GW.

Chao Xie

•   P‐GW  is  the  edge  router  between  the  EPC  and  external  packet  data  networks. It performs traffic gating and filtering functions as required by the  service in question. • Typically the P‐GW allocates the IP address to the UE, and the UE uses that  to communicate with other IP hosts in external networks, e.g. the internet. It  is also possible that the external PDN to which the UE is connected allocates  the address that is to be used by the UE, and the P‐GW tunnels all traffic to  that network. Chao Xie

Packet Data Network Gateway (P‐GW)‐PART1

•   P‐GW  is  the  highest  level 

mobility  anchor  in  the  system.  When  a  UE  moves  from  one  S‐ GW  to  another,  the  bearers  have  to  be  switched  in  the  P‐ GW.

Chao Xie

•   PCRF  is  the  network  element 

that is responsible for Policy and  Charging  Control  .  It  makes  decisions  on  how  to  handle  the  services  in  terms  of  QoS,  and  provides information to the PCEF  located in the P‐GW. • Each PCRF may be associated with one or more AF, P‐GW and S‐GW. There is  only one PCRF associated with each PDN connection that a single UE has. Chao Xie

Policy and Charging Resource Function (PCRF)

• Home Subscription Server (HSS) is the subscription data repository for 

all  permanent  user  data.  It  also  records  the  location  of  the  user  in  the  level  of  visited  network  control  node,  such  as  MME.  It  is  a  database  server maintained centrally in the home operator’s premises.

Chao Xie

Chao Xie

Comparison of OFDMA & CDMA 

Review the principle of CDMA 

     Code division multiple access (CDMA) is a multiple 

access technique where different users share the 

same physical medium, that is, the same frequency 

band, at the same time.

•

Spread Spectrum technique

•

Walsh Code

Nan Wu

 Orthogonality

•

OFDMA ‐ It use orthogonal frequency to accomplish 

the orthogonality of traffic channels.

•

CDMA ‐ It use orthogonal code to accomplish the 

orthogonality of traffic channels.

Nan Wu

Traffic channel

In OFDM system,  we can use 

multi‐subcarrier and  multi‐

time slot to transmit data.

In CDMA system, different 

users can use the whole  traffic 

channel (1.25Mhz) to transmit 

data by using orthogonal 

codes.

Nan Wu

Modulation

•

In OFDMA system, Sub‐

carriers should be 

modulated by using BPSK, 

QPSK, 16‐QAM, or even 64‐

QAM modulation 

depending on how severe 

the channel condition is.

•

In CDMA system, BPSK and 

QPSK are used as the basic 

modulation schemes in 

most practical 

communication systems. 

Nevertheless, higher‐order 

modulation techniques like 

8‐PSK and 16‐QAM also are 

applied as additional 

transmission options to 

offer a high speed packet 

transfer at good 

propagation conditions.

Nan Wu

Synchronization

OFDMA

•

Low sensitivity to time 

synchronization errors

•

Sensitive to frequency 

synchronization problems

CDMA

•

CDMA system, which has 

been deployed, is a 

asynchronous system.

Nan Wu

Interference

OFDMA

•

Intra symbol interference: 

effects which cause subcarriers  within an OFDM symbol to lose  orthogonality

•

Inter symbol interference: 

effects which cause interference  between OFDM symbols 

CDMA

•

All other users’ signal can 

be seen as interference.

Nan Wu

Architecture of EVDO REV.A

Network Elements

•

MS –Mobile Station

•

BTS – Base Transceiver 

Station

•

BSC – Base Station 

Controller

•

MSC –Mobile Switching 

Center

•

HLR/VLR –Home Location 

Register / Visiting location 

register.

•

SS7 –Signaling System 7

•

PSTN –Public Switched 

Telephone Network

•

RNC –Radio Network 

Controller

•

PCF– Packet Control Function

•

PDSN –Packet Data Serving 

Node

•

ATM –Asynchronous Transfer 

Mode

•

HA –Home Agent

•

AAA –Authentication, 

Authorization and Accounting 

•

ISP –Internet Service Provider

Nan Wu

Comparison of architecture

eNodeB

• eNodeB acts as a bridge between  UE and the EPC • The eNodeB is also responsible  for many Control Plane (CP)  functions • The eNodeB controls and  analyses radio signal level  measurements carried out by the  UE

BTS & BSC & RNC

• Enables radio communications  with mobile stations (MS) via its  respective radio access system • A device and software associated  with a Base Station, used to  register mobile phones in the cell,  assign control and traffic  channels, perform handoffs, and  process call setup and  termination • The governing element in the  network manages the Base  Stations connected to the  controller. The RNC manages  radio resources and some  mobility management functions,  and is the point where encryption  is done before user data is sent to  and from the MS

Mobility Management Entity 

(MME)

• Authentication and Security • Mobility Management • Managing Subscription Profile  and Service Connectivity

RNC & Packet Data Control & 

AAA 

•

RNC control distributed into 

MME

•

Packet data control evolves 

to MME

•

AAA‐ 

A framework for 

intelligently controlling access 

to network resources, 

enforcing policies, auditing 

usage, and providing the 

information needed to bill for 

services

Nan Wu

Serving Gateway(S‐GW)

• S‐GW tunnel management and  switching • the S‐GW relays the data  between eNodeB and P‐GW

Mobile Switching Center (MSC) 

& Packet Data Serving Node 

(PDSN) 

• MSC‐ Provides telephony  switching services and controls  calls. The MSC switches calls  between the MS and the PSTN,  and between the MS and other  MSs. • PDSN ‐ Connection point between  the Radio Access and IP networks.  Manages PPP sessions between  the mobile provider's core IP  network and the MS Nan Wu

Reference

1. L. Hanzo, T. Keller.OFDM and MC‐CDMA : a primer. 1952‐2006

2. Uma Shanker Jha, Ramjee Prasad. OFDM towards fixed and mobile broadband wireless  access. 2007 

3. Henrik Schulze and Chris an Lüders. ٛ Theory and applica ons of OFDM and CDMA : ٛ wideband wireless communications. 2005  4. Hui Liu, Guoqing Li. OFDM‐based broadband wireless networks : design and  optimization. 1968‐2005 5. Ramjee Prasad. OFDM for wireless communications systems. 2004  6. Sławomir Pietrzyk. OFDMA for broadband wireless access. 2006 7. Harri Holma and Antti Toskala. LTE for UMTS: OFDMA and SC‐FDMA Based Radio  Access. 2009 John Wiley & Sons, Ltd. ISBN: 978‐0‐470‐99401‐6 8. Samik Ghosh, Kalyan Basu, and Sajal K. Das.What a Mesh! An Architecture for Next‐Generation Radio Access Networ.