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Modulação e formas de onda 5G: CP-OFDM e DFT-s-OFDM

Modulação e formas de onda 5G: CP-OFDM e DFT-s-OFDM

Um dos elementos definidores de qualquer sistema de comunicação móvel é a forma de onda usada para o link de rádio na rede de acesso de rádio.

Durante a fase de desenvolvimento da tecnologia 5G, uma variedade de formas de onda e técnicas de modulação foram postuladas, mas para 5G New Radio, 5G NR, prefixo cíclico OFDM, CP-OFDM foi escolhido como o candidato principal com DFT-s-OFDM, propagação de transformada discreta de Fourier multiplexação por divisão de frequência ortogonal sendo usada em algumas áreas.

OFDM oferece boa eficiência espectral enquanto fornece resiliência ao desvanecimento seletivo e também permite que a capacidade de acesso múltiplo seja implementada usando OFDMA.

Fundo de forma de onda 5G

A multiplexação por divisão de frequência ortogonal tem sido uma excelente escolha de forma de onda para 4G LTE. Ele oferece excelente eficiência de espectro, pode ser processado e manuseado com os níveis de processamento alcançáveis ​​nos atuais aparelhos móveis e opera bem com fluxo de alta taxa de dados ocupando larguras de banda. Ele funciona bem em situações onde há desbotamento seletivo.

No entanto, com os avanços nas capacidades de processamento que estarão disponíveis em 2020, quando se espera que o 5G tenha seus primeiros lançamentos, significa que outras formas de onda podem ser consideradas.

Existem várias vantagens no uso de novas formas de onda para a tecnologia 5G. OFDM requer o uso de um prefixo cíclico e isso ocupa espaço dentro dos fluxos de dados. Existem também outras vantagens que podem ser introduzidas com o uso de uma de uma variedade de novas formas de onda para 5G.

Um dos principais requisitos é a disponibilidade de poder de processamento. Embora a Lei de Moore em sua forma básica esteja atingindo os limites dos tamanhos de recursos do dispositivo e futuros avanços na miniaturização sejam improváveis ​​por um tempo, outras técnicas estão sendo desenvolvidas, o que significa que o espírito da Lei de Moore é capaz de continuar e a capacidade de processamento aumentará. Assim, novas formas de onda 5G que requerem potência de processamento adicional, mas são capazes de fornecer vantagens adicionais, ainda são viáveis.

Requisitos de forma de onda 5G

As aplicações potenciais para comunicações móveis 5G, incluindo downloads de vídeo de alta velocidade, jogos, comunicações carro-a-carro / carro-para-infraestrutura, comunicações celulares gerais, comunicações IoT / M2M e semelhantes, todos colocam requisitos na forma de esquema de forma de onda 5G que pode fornecer o desempenho necessário.

Alguns dos principais requisitos que precisam ser suportados pelo esquema de modulação e forma de onda geral incluem:

  • Capaz de lidar com sinais de alta largura de banda de alta taxa de dados
  • Capaz de fornecer transmissões de baixa latência para rajadas de dados longos e curtos, ou seja, intervalos de tempo de transmissão muito curtos, TTIs, são necessários.
  • Capaz de alternar rapidamente entre uplink e downlink para sistemas TDD que provavelmente serão usados.
  • Habilite a possibilidade de comunicações com eficiência energética, minimizando os tempos de ativação para dispositivos de baixa taxa de dados.

Esses são alguns dos requisitos necessários para que as formas de onda 5G ofereçam suporte às instalações necessárias.

Prefixo cíclico OFDM: CP-OFDM

A versão específica de OFDM usada no downlink 5G NR é o prefixo cíclico OFDM, CP-OFDM e é a mesma forma de onda que o LTE adotou para o sinal de downlink.

Dentro do CP OFDM, a última parte dos dados do quadro OFDM é acrescentada no início do quadro OFDM e o comprimento do prefixo cíclico é escolhido para ser maior do que a propagação do atraso do canal. Isso supera a interferência entre símbolos que pode resultar de atrasos e reflexos. Além disso, a propagação do atraso do canal é dependente da frequência com o comprimento do prefixo cíclico escolhido para ser longo o suficiente para compensar as duas interferências. Por esta razão, o comprimento do CP é adaptável de acordo com as condições do link.

O uplink 5G NR usou um formato diferente do 4G LTE. As formas de onda baseadas em CP-OFDM e DFT-S-OFDM são usadas no uplink. Além disso, 5G NR prevê o uso de espaçamento flexível de subportadora. As subportadoras LTE normalmente tinham um espaçamento de 15 kHz, mas o 5G NR permite que as subportadoras sejam espaçadas a 15 kHz x 2s com um espaçamento máximo de 240 kHz. O espaçamento integral dos portadores, em vez do espaçamento fracionário, é necessário para preservar a ortogonalidade dos portadores.

O espaçamento flexível da portadora é usado para suportar adequadamente as diversas bandas / tipos de espectro e modelos de implantação que 5G NR precisará acomodar. Por exemplo, 5G NR deve ser capaz de operar em bandas de mmWave com larguras de canal mais amplas de até 400 MHz. A especificação 3GPP 5G NR Release-15 detalha a numerologia OFDM escalonável com escalonamento 2s de espaçamento de subportadora que pode ser escalonado com a largura do canal, de modo que o tamanho do FFT é dimensionado para que a complexidade do processamento não aumente desnecessariamente para larguras de banda maiores. O espaçamento flexível da portadora também fornece resiliência adicional aos efeitos do ruído de fase dentro do sistema.

O uso de formas de onda OFDM oferece uma complexidade de implementação menor em comparação com o que seria necessário se algumas das outras formas de onda consideradas para 5G tivessem sido implementadas. Além disso, OFDM é bem conhecido por ter sido usado para 4G e muitos outros sistemas sem fio.

DFT-s-OFDM

OFDM de propagação direta da transformada de Fourier, comumente abreviado para DFT-s-OFDM, é um SC ou esquema de transmissão do tipo portadora única que pode ser combinado com OFDM que oferece flexibilidade significativa para um sistema de comunicações móveis como o 5G. É mais comumente conhecido como SC-FDMA.

O processamento de transmissão do SC-FDMA é muito semelhante ao do OFDMA. Para cada usuário, a sequência de bits transmitidos é mapeada para uma constelação complexa de símbolos (modulação de amplitude BPSK, QPSK ou quadratura M). Em seguida, diferentes transmissores (usuários) recebem diferentes coeficientes de Fourier. Esta atribuição é realizada nos blocos de mapeamento e desmapeamento. O lado do receptor inclui um bloco de mapeamento, um bloco IDFT e um bloco de detecção para cada sinal de usuário a ser recebido. Assim como em OFDM, intervalos de guarda (chamados prefixos cíclicos) com repetição cíclica são introduzidos entre blocos de símbolos com o objetivo de eliminar de forma eficiente a interferência entre símbolos da propagação no tempo (causada pela propagação de múltiplos caminhos) entre os blocos.

Considerações de modulação 5G

Dentro do formato geral da forma de onda, diferentes tipos de modulação de portadora podem ser usados. No sistema de comunicação 5G, essas são variantes de chaveamento de fase e modulação de amplitude em quadratura.

Existem várias considerações ao usar os diferentes formatos de modulação:

  • Pico para relação de potência média, PAPR:O pico para a relação de potência média é um aspecto do desempenho que precisa ser considerado para qualquer esquema de modulação de comunicações 5G. A relação entre pico e média tem um grande impacto na eficiência dos amplificadores de potência. Para 2G GSM, o nível do sinal era constante e como resultado foi possível rodar o amplificador RF final em compressão para obter um alto nível de eficiência e maximizar a vida útil da bateria.

    Com o advento do 3G, depois dos aprimoramentos HSPA e do 4G LTE, os esquemas de modulação e as formas de onda fizeram com que os sinais se tornassem progressivamente mais 'agudos' com níveis mais altos de relação de potência média / pico. Isso significa que os amplificadores de RF finais não podem ser executados em compressão e como o PAPR aumentou, a eficiência dos amplificadores de RF caiu e este é um fator que encurtou a vida útil da bateria.

    A ordem da modulação é um fator que tem um grande impacto sobre o PAPR: quanto maior o nível de "pico", menor a eficiência que pode ser alcançada pela eficiência do amplificador de potência de RF, embora esquemas como rastreamento de envelope e amplificadores Doherty possibilitem melhorias para ser feito.

  • Eficiência espectral: Um dos principais problemas com qualquer forma de esquema de modulação 5G é a eficiência espectral. Com o espectro sendo precário, especialmente em frequências abaixo de 3 GHz, é essencial que qualquer esquema de modulação adotado para 5G seja capaz de fornecer um alto nível de eficiência espectral.

    Freqüentemente, há um equilíbrio entre ordens superiores de modulação como 64QAM em oposição a 16QAM por exemplo e desempenho de ruído. Assim, os esquemas de modulação de ordem superior tendem a ser usados ​​apenas quando há uma boa relação sinal / ruído.

Modulação 5G: PSK e QAM

Uma variedade de formatos de modulação diferentes são usados ​​para a tecnologia 5G. <. P>

  • Modificação de mudança de fase: A tecnologia 5G implementa chaveamento de fase em quadratura, QPSK como o formato de modulação de ordem mais baixa. Embora isso forneça a taxa de transferência de dados mais lenta, também fornecerá o link mais robusto e, como tal, pode ser usado quando os níveis de sinal são baixos ou quando a interferência é alta.

    Outra forma de PSK chamada π / 2BPSK é usada em conjunto com DFT-s-OFDM no link ascendente.

    Nota sobre PSK - Phase Shift Keying:

    Phase shift Keying, PSK é uma forma de modulação usada particularmente para transmissões de dados. Oferece uma forma eficaz de transmissão de dados. Ao alterar o número de diferentes estados de fase que podem ser adotados, as velocidades de dados que podem ser alcançadas dentro de um determinado canal podem ser aumentadas, mas ao custo de uma menor resiliência ao ruído e à interferência.

  • Modulação de amplitude em quadratura: A modulação de amplitude em quadratura permite que a taxa de transferência de dados seja aumentada. Os formatos usados ​​no sistema de comunicações móveis 5G incluem 16QAM, 64QAM e 256QAM.

    Quanto mais alta a ordem de modulação, maior o throughput, embora a penalidade seja a resiliência ao ruído. Portanto, 256AM é usado apenas quando a qualidade do link é boa e reduz para 64QAM e 16QAM etc, conforme o link se deteriora. É um equilíbrio entre taxa de transferência de dados e resiliência.

    Nota sobre QAM - Modulação de amplitude em quadratura:

    Modulação de amplitude em quadratura, QAM é amplamente utilizado para transmissão de dados, pois permite melhores níveis de eficiência espectral do que outras formas de modulação. QAM usa duas portadoras na mesma frequência deslocadas em 90 ° que são moduladas por dois fluxos de dados - I ou Inphase e Q - elementos de quadratura.

A forma de onda e os tipos de modulação usados ​​com a tecnologia 5G foram escolhidos para fornecer eficiência espectral, rendimento de dados e resiliência necessários para o novo sistema de comunicações móveis.

As comunicações móveis 5G são capazes de fornecer um rendimento de dados muito alto e, portanto, as formas de onda e modulação precisam ser capazes de suportar isso e fornecer um serviço confiável para os usuários.

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