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Formes d'onde et modulation 5G: CP-OFDM et DFT-s-OFDM

Formes d'onde et modulation 5G: CP-OFDM et DFT-s-OFDM


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L'un des éléments de définition de tout système de communication mobile est la forme d'onde utilisée pour la liaison radio dans le réseau d'accès radio.

Au cours de la phase de développement de la technologie 5G, une variété de formes d'onde et de techniques de modulation ont été postulées, mais pour la nouvelle radio 5G, 5G NR, préfixe cyclique OFDM, CP-OFDM a été choisi comme candidat principal avec DFT-s-OFDM, propagation par transformée de Fourier discrète le multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence est utilisé dans certaines régions.

OFDM offre une bonne efficacité spectrale tout en offrant une résilience à l'évanouissement sélectif et il permet également de mettre en œuvre une capacité d'accès multiple à l'aide de l'OFDMA.

Fond de forme d'onde 5G

Le multiplexage par division de fréquence orthogonale a été un excellent choix de forme d'onde pour la 4G LTE. Il offre une excellente efficacité spectrale, il peut être traité et géré avec les niveaux de traitement réalisables dans les combinés mobiles actuels, et il fonctionne bien avec un flux de données à haut débit occupant de larges bandes passantes. Il fonctionne bien dans les situations où il y a une décoloration sélective.

Cependant, avec les progrès des capacités de traitement qui seront disponibles d'ici 2020, lorsque la 5G devrait avoir ses premiers lancements, cela signifie que d'autres formes d'onde peuvent être envisagées.

L'utilisation de nouvelles formes d'onde pour la technologie 5G présente plusieurs avantages. OFDM nécessite l'utilisation d'un préfixe cyclique et celui-ci occupe de l'espace dans les flux de données. Il existe également d'autres avantages qui peuvent être introduits en utilisant l'une des nombreuses nouvelles formes d'onde pour la 5G.

L'une des principales exigences est la disponibilité de la puissance de traitement. Bien que la loi de Moore dans sa forme de base atteigne les limites de la taille des fonctionnalités des appareils et que de nouvelles avancées en matière de miniaturisation soient peu probables pendant un certain temps, d'autres techniques sont en cours de développement, ce qui signifie que l'esprit de la loi de Moore peut perdurer et que la capacité de traitement augmentera. En tant que telles, les nouvelles formes d'onde 5G qui nécessitent une puissance de traitement supplémentaire, mais qui peuvent offrir des avantages supplémentaires, sont toujours viables.

Exigences de forme d'onde 5G

Les applications potentielles pour les communications mobiles 5G, y compris les téléchargements vidéo à haute vitesse, les jeux, les communications voiture à voiture / voiture à infrastructure, les communications cellulaires générales, les communications IoT / M2M et autres, toutes les exigences relatives à la forme du schéma de forme d'onde 5G qui peut fournir les performances requises.

Certaines des exigences clés qui doivent être prises en charge par le schéma de modulation et la forme d'onde globale comprennent:

  • Capable de gérer des signaux à large bande passante à haut débit
  • Capable de fournir des transmissions à faible latence pour des rafales de données longues et courtes, c'est-à-dire des intervalles de transmission très courts, des TTI, sont nécessaires.
  • Capable de basculer rapidement entre la liaison montante et la liaison descendante pour les systèmes TDD susceptibles d'être utilisés.
  • Activez la possibilité de communications écoénergétiques en minimisant les temps de marche pour les appareils à faible débit de données.

Voici quelques-unes des exigences requises pour les formes d'onde 5G pour prendre en charge les installations nécessaires.

Préfixe cyclique OFDM: CP-OFDM

La version spécifique d'OFDM utilisée dans la liaison descendante 5G NR est le préfixe cyclique OFDM, CP-OFDM et c'est la même forme d'onde que LTE a adoptée pour le signal de liaison descendante.

Dans CP OFDM, la dernière partie des données de la trame OFDM est ajoutée au début de la trame OFDM et la longueur du préfixe cyclique est choisie supérieure à l'étalement du retard de canal. Cela élimine les interférences entre symboles qui peuvent résulter des retards et des réflexions. En plus de cela, l'étalement du retard de canal dépend de la fréquence avec la longueur du préfixe cyclique choisie pour être suffisamment longue pour tenir compte des deux interférences. Pour cette raison, la longueur CP est adaptative en fonction des conditions de liaison.

La liaison montante 5G NR a utilisé un format différent de la 4G LTE. Les formes d'onde basées sur CP-OFDM et DFT-S-OFDM sont utilisées dans la liaison montante. De plus, la 5G NR prévoit l'utilisation d'un espacement flexible des sous-porteuses. Les sous-porteuses LTE avaient normalement un espacement de 15 kHz, mais la 5G NR permet aux sous-porteuses d'être espacées de 15 kHz x 2s avec un espacement maximal de 240 kHz. L'espacement des porteurs intégral plutôt que l'espacement fractionnaire des porteurs est nécessaire pour préserver l'orthogonalité des porteurs.

L'espacement flexible des porteuses est utilisé pour prendre en charge correctement les divers types / bandes de spectre et modèles de déploiement que la 5G NR devra prendre en charge. Par exemple, la 5G NR doit pouvoir fonctionner dans des bandes d'ondes mm qui ont des largeurs de canaux plus larges allant jusqu'à 400 MHz. La spécification 3GPP 5G NR Release-15 détaille la numérologie OFDM évolutive avec une mise à l'échelle de 2s de l'espacement des sous-porteuses qui peut évoluer avec la largeur du canal, de sorte que la taille de la FFT s'adapte de sorte que la complexité du traitement n'augmente pas inutilement pour des bandes passantes plus larges. L'espacement flexible des porteuses donne également une résistance supplémentaire aux effets du bruit de phase dans le système.

L'utilisation de formes d'onde OFDM offre une complexité de mise en œuvre inférieure à celle qui serait nécessaire si certaines des autres formes d'onde considérées pour la 5G avaient été implémentées. En plus de cela, OFDM est bien compris car il a été utilisé pour la 4G et de nombreux autres systèmes sans fil.

DFT-s-OFDM

L'OFDM à propagation directe par transformée de Fourier, généralement abrégé en DFT-s-OFDM, est un schéma de transmission SC ou de type porteuse unique qui peut être combiné avec OFDM qui donne une flexibilité significative pour un système de communications mobiles comme la 5G. Il est plus connu sous le nom de SC-FDMA.

Le traitement de transmission de SC-FDMA est très similaire à celui de l'OFDMA. Pour chaque utilisateur, la séquence de bits transmis est mappée sur une constellation complexe de symboles (modulation d'amplitude BPSK, QPSK ou M-Quadrature). Ensuite, différents émetteurs (utilisateurs) se voient attribuer différents coefficients de Fourier. Cette affectation est effectuée dans les blocs de mappage et de démappage. Le côté récepteur comprend un bloc de démappage, un bloc IDFT et un bloc de détection pour chaque signal utilisateur à recevoir. Tout comme dans l'OFDM, des intervalles de garde (appelés préfixes cycliques) à répétition cyclique sont introduits entre les blocs de symboles afin d'éliminer efficacement les interférences inter-symboles de l'étalement temporel (causé par la propagation multi-trajets) entre les blocs.

Considérations sur la modulation 5G

Dans le format général de la forme d'onde, différents types de modulation de porteuse peuvent être utilisés. Dans le système de communication 5G, il s'agit de variantes de modulation par décalage de phase et de modulation d'amplitude en quadrature.

Il y a plusieurs considérations lors de l'utilisation des différents formats de modulation:

  • Rapport de puissance crête à moyenne, PAPR:Le rapport de puissance crête à moyenne est un aspect des performances qui doit être pris en compte pour tout schéma de modulation des communications 5G. Le rapport crête / moyenne a un impact majeur sur l'efficacité des amplificateurs de puissance. Pour le GSM 2G, le niveau du signal était constant et par conséquent, il était possible de faire fonctionner l'amplificateur RF final en compression pour obtenir un haut niveau d'efficacité et maximiser la durée de vie de la batterie.

    Avec l'avènement de la 3G, puis des améliorations HSPA, puis 4G LTE, les schémas de modulation et les formes d'onde ont signifié que les signaux sont devenus progressivement plus `` pointus '' avec des niveaux plus élevés de rapport de puissance crête à moyenne. Cela signifie que les amplificateurs RF finaux ne peuvent pas fonctionner en compression et que le PAPR a augmenté, de sorte que l'efficacité des amplificateurs RF a chuté et c'est un facteur qui a raccourci la durée de vie de la batterie.

    L'ordre de la modulation est un facteur qui a un impact majeur sur le PAPR: plus le niveau de «peakyness» est élevé, plus l'efficacité pouvant être obtenue par l'efficacité de l'amplificateur de puissance RF est faible, bien que des schémas tels que le suivi d'enveloppe et les amplificateurs Doherty permettent des améliorations être fait.

  • Efficacité spectrale: L'un des problèmes clés de toute forme de schéma de modulation 5G est l'efficacité spectrale. Le spectre étant limité, en particulier dans les fréquences inférieures à 3 GHz, il est essentiel que tout schéma de modulation adopté pour la 5G soit capable de fournir un haut niveau d'efficacité spectrale.

    Il y a souvent un équilibre entre des ordres de modulation plus élevés comme 64QAM par opposition à 16QAM par exemple et les performances de bruit. Ainsi, les schémas de modulation d'ordre supérieur ont tendance à être utilisés uniquement lorsqu'il existe un bon rapport signal sur bruit.

Modulation 5G: PSK et QAM

Une variété de formats de modulation différents sont utilisés pour la technologie 5G. <. P>

  • Incrustation par décalage de phase: La technologie 5G implémente la modulation par décalage de phase en quadrature, QPSK comme format de modulation d'ordre le plus bas. Bien que cela fournisse le débit de données le plus lent, il fournira également la liaison la plus robuste et, en tant que tel, il peut être utilisé lorsque les niveaux de signal sont faibles ou lorsque les interférences sont élevées.

    Une autre forme de PSK appelée π / 2BPSK est utilisée en conjonction avec DFT-s-OFDM sur la liaison montante.

    Remarque sur PSK - Clé à décalage de phase:

    La modulation par décalage de phase, PSK est une forme de modulation utilisée notamment pour les transmissions de données. Si offre un moyen efficace de transmettre des données. En modifiant le nombre d'états de phase différents qui peuvent être adoptés, les vitesses de données qui peuvent être atteintes dans un canal donné peuvent être augmentées, mais au prix d'une moindre résilience au bruit et aux interférences.

  • Modulation d'amplitude en quadrature: La modulation d'amplitude en quadrature permet d'augmenter le débit de données. Les formats utilisés dans le système de communications mobiles 5G incluent 16QAM, 64QAM et 256QAM.

    Plus l'ordre de modulation est élevé, plus le débit est élevé, bien que la pénalité soit la résilience au bruit. Par conséquent, 256AM n'est utilisé que lorsque la qualité de la liaison est bonne, et il se réduit à 64QAM, puis 16QAM, etc., à mesure que la liaison se détériore. C'est un équilibre entre le débit de données et la résilience.

    Remarque sur QAM - Modulation d'amplitude en quadrature:

    Modulation d'amplitude en quadrature, la QAM est largement utilisée pour la transmission de données car elle permet de meilleurs niveaux d'efficacité spectrale que d'autres formes de modulation. QAM utilise deux porteuses sur la même fréquence décalées de 90 ° qui sont modulées par deux flux de données - I ou Inphase et Q - éléments en quadrature.

Les types de forme d'onde et de modulation utilisés avec la technologie 5G ont été choisis pour fournir l'efficacité spectrale, le débit de données et la résilience nécessaires au nouveau système de communications mobiles.

Les communications mobiles 5G sont capables de fournir un débit de données très élevé, et par conséquent, les formes d'onde et la modulation doivent pouvoir prendre en charge cela et fournir un service fiable aux utilisateurs.

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Voir la vidéo: Demystifying 5G waveform candidates (Mai 2022).


Commentaires:

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