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Formas de onda y modulación 5G: CP-OFDM y DFT-s-OFDM

Formas de onda y modulación 5G: CP-OFDM y DFT-s-OFDM

Uno de los elementos definitorios de cualquier sistema de comunicaciones móviles es la forma de onda utilizada para el enlace de radio en la red de acceso por radio.

Durante la fase de desarrollo de la tecnología 5G se postuló una variedad de formas de onda y técnicas de modulación, pero para 5G New Radio, 5G NR, prefijo cíclico OFDM, se eligió CP-OFDM como el candidato principal con DFT-s-OFDM, dispersión de transformada discreta de Fourier multiplexación por división de frecuencia ortogonal que se utiliza en algunas áreas.

OFDM ofrece una buena eficiencia espectral al tiempo que proporciona resistencia al desvanecimiento selectivo y también permite implementar la capacidad de acceso múltiple utilizando OFDMA.

Fondo de forma de onda 5G

La multiplexación por división de frecuencia ortogonal ha sido una excelente opción de forma de onda para 4G LTE. Proporciona una excelente eficiencia de espectro, se puede procesar y manejar con los niveles de procesamiento alcanzables en los teléfonos móviles actuales y funciona bien con un flujo de datos de alta velocidad que ocupa amplios anchos de banda. Funciona bien en situaciones donde hay desvanecimiento selectivo.

Sin embargo, con los avances en las capacidades de procesamiento que estarán disponibles para 2020, cuando se espera que 5G tenga sus primeros lanzamientos, significa que se pueden considerar otras formas de onda.

Existen varias ventajas en el uso de nuevas formas de onda para la tecnología 5G. OFDM requiere el uso de un prefijo cíclico y esto ocupa espacio dentro de los flujos de datos. También hay otras ventajas que se pueden introducir mediante el uso de una variedad de nuevas formas de onda para 5G.

Uno de los requisitos clave es la disponibilidad de potencia de procesamiento. Aunque la Ley de Moore en su forma básica se está ejecutando hasta los límites de los tamaños de las funciones del dispositivo y es poco probable que se produzcan más avances en la miniaturización por un tiempo, se están desarrollando otras técnicas que significan que el espíritu de la Ley de Moore puede continuar y la capacidad de procesamiento aumentará. Como tales, las nuevas formas de onda 5G que requieren potencia de procesamiento adicional, pero pueden proporcionar ventajas adicionales, siguen siendo viables.

Requisitos de forma de onda 5G

Las aplicaciones potenciales para las comunicaciones móviles 5G, incluidas las descargas de video de alta velocidad, los juegos, las comunicaciones de automóvil a automóvil / automóvil a infraestructura, comunicaciones celulares generales, comunicaciones IoT / M2M y similares, colocan todos los requisitos en forma de esquema de forma de onda 5G. que puede proporcionar el rendimiento requerido.

Algunos de los requisitos clave que deben ser compatibles con el esquema de modulación y la forma de onda general incluyen:

  • Capaz de manejar señales de gran ancho de banda de alta velocidad de datos
  • Capaz de proporcionar transmisiones de baja latencia para ráfagas de datos largas y cortas, es decir, se necesitan intervalos de transmisión muy cortos, TTI.
  • Capaz de cambiar rápidamente entre el enlace ascendente y el enlace descendente para los sistemas TDD que probablemente se utilizarán.
  • Habilite la posibilidad de comunicaciones energéticamente eficientes minimizando los tiempos de conexión para dispositivos de baja velocidad de datos.

Estos son algunos de los requisitos necesarios para que las formas de onda 5G admitan las instalaciones necesarias.

Prefijo cíclico OFDM: CP-OFDM

La versión específica de OFDM utilizada en el enlace descendente 5G NR es el prefijo cíclico OFDM, CP-OFDM y es la misma forma de onda que LTE ha adoptado para la señal del enlace descendente.

Dentro de CP OFDM, la última parte de los datos de la trama OFDM se agrega al comienzo de la trama OFDM y la longitud del prefijo cíclico se elige para que sea mayor que la dispersión del retardo del canal. Esto supera la interferencia entre símbolos que puede resultar de retrasos y reflejos. Además de esto, la extensión del retardo del canal depende de la frecuencia con la longitud del prefijo cíclico elegida para que sea lo suficientemente larga como para tener en cuenta ambas interferencias. Por esta razón, la longitud del CP es adaptable según las condiciones del enlace.

El enlace ascendente 5G NR ha utilizado un formato diferente al 4G LTE. Las formas de onda basadas en CP-OFDM y DFT-S-OFDM se utilizan en el enlace ascendente. Además, 5G NR prevé el uso de un espaciado de subportadoras flexible. Las subportadoras LTE normalmente tenían un espaciado de 15 kHz, pero 5G NR permite que las subportadoras estén espaciadas a 15 kHz x 2s con un espaciado máximo de 240 kHz. Para preservar la ortogonalidad de los portadores, se requiere un espaciado de portadores integral en lugar de un espaciado fraccional de portadores.

El espaciado de portadora flexible se utiliza para admitir adecuadamente los diversos tipos / bandas de espectro y modelos de implementación que 5G NR deberá adaptarse. Por ejemplo, 5G NR debe poder operar en bandas mmWave que tienen anchos de canal más amplios de hasta 400 MHz. La especificación 3GPP 5G NR Release-15 detalla la numerología OFDM escalable con escalado 2s del espaciado de subportadoras que puede escalar con el ancho del canal, por lo que el tamaño de FFT se escala para que la complejidad del procesamiento no aumente innecesariamente para anchos de banda más amplios. El espaciado de portadora flexible también proporciona una resistencia adicional a los efectos del ruido de fase dentro del sistema.

El uso de formas de onda OFDM ofrece una menor complejidad de implementación en comparación con la que sería necesaria si se hubieran implementado algunas de las otras formas de onda consideradas para 5G. Además de esto, OFDM se conoce bien, ya que se ha utilizado para 4G y muchos otros sistemas inalámbricos.

DFT-s-OFDM

La difusión directa de la transformada de Fourier OFDM, comúnmente abreviada como DFT-s-OFDM, es un esquema de transmisión SC o de un solo operador que se puede combinar con OFDM que brinda una flexibilidad significativa para un sistema de comunicaciones móviles como 5G. Se conoce más comúnmente como SC-FDMA.

El procesamiento de transmisión de SC-FDMA es muy similar al de OFDMA. Para cada usuario, la secuencia de bits transmitida se asigna a una constelación compleja de símbolos (BPSK, QPSK o modulación de amplitud en cuadratura M). Luego, a los diferentes transmisores (usuarios) se les asignan diferentes coeficientes de Fourier. Esta asignación se realiza en los bloques de mapeo y demapeo. El lado del receptor incluye un bloque de desmapeado, un bloque IDFT y un bloque de detección para cada señal de usuario a recibir. Al igual que en OFDM, los intervalos de guarda (llamados prefijos cíclicos) con repetición cíclica se introducen entre bloques de símbolos con el fin de eliminar eficientemente la interferencia entre símbolos de la propagación del tiempo (causada por la propagación de múltiples rutas) entre los bloques.

Consideraciones sobre la modulación 5G

Dentro del formato de forma de onda general, se pueden usar diferentes tipos de modulación de portadora. Dentro del sistema de comunicaciones 5G, estas son variantes de modulación por desplazamiento de fase y modulación de amplitud en cuadratura.

Hay varias consideraciones al utilizar los diferentes formatos de modulación:

  • Relación de potencia pico a promedio, PAPR:La relación de potencia máxima a media es un aspecto del rendimiento que debe tenerse en cuenta para cualquier esquema de modulación de comunicaciones 5G. La relación pico a promedio tiene un impacto importante en la eficiencia de los amplificadores de potencia. Para 2G GSM, el nivel de señal era constante y, como resultado, era posible ejecutar el amplificador de RF final en compresión para obtener un alto nivel de eficiencia y maximizar la vida útil de la batería.

    Con la llegada de 3G, luego son las mejoras HSPA y luego 4G LTE, los esquemas de modulación y las formas de onda han significado que las señales se han vuelto progresivamente más 'pico' con niveles más altos de relación de potencia pico a promedio. Esto ha significado que los amplificadores de RF finales no se pueden ejecutar en compresión y, como el PAPR ha aumentado, la eficiencia de los amplificadores de RF ha disminuido y este es un factor que ha acortado la vida útil de la batería.

    El orden de la modulación es un factor que tiene un gran impacto en el PAPR: cuanto mayor es el nivel de "pico", menor es la eficiencia que se puede lograr con la eficiencia del amplificador de potencia de RF, aunque esquemas como el seguimiento de envolvente y los amplificadores Doherty permiten mejoras en hacerse.

  • Eficiencia espectral: Uno de los problemas clave con cualquier forma de esquema de modulación 5G es la eficiencia espectral. Dado que el espectro es escaso, especialmente en frecuencias por debajo de 3 GHz, es esencial que cualquier esquema de modulación adoptado para 5G sea capaz de proporcionar un alto nivel de eficiencia espectral.

    A menudo existe un equilibrio entre órdenes de modulación más altas, como 64QAM en comparación con 16QAM, por ejemplo, y el rendimiento del ruido. Por lo tanto, los esquemas de modulación de orden superior tienden a usarse solo cuando hay una buena relación señal / ruido.

Modulación 5G: PSK y QAM

Se utilizan una variedad de formatos de modulación diferentes para la tecnología 5G. <. P>

  • Modulación por desplazamiento de fase: La tecnología 5G implementa la modulación por desplazamiento de fase en cuadratura, QPSK como el formato de modulación de orden más bajo. Aunque esto proporcionará el rendimiento de datos más lento, también proporcionará el enlace más robusto y, como tal, puede usarse cuando los niveles de señal son bajos o cuando la interferencia es alta.

    Otra forma de PSK llamada π / 2BPSK se usa junto con DFT-s-OFDM en el enlace ascendente.

    Nota sobre PSK - Modulación por desplazamiento de fase:

    Modulación por desplazamiento de fase, PSK es una forma de modulación que se utiliza especialmente para transmisiones de datos. Ofrece una forma eficaz de transmitir datos. Alterando el número de estados de fase diferentes que se pueden adoptar, se pueden aumentar las velocidades de datos que se pueden lograr dentro de un canal dado, pero a costa de una menor resiliencia al ruido y la interferencia.

  • Modulación de amplitud de cuadratura: La modulación de amplitud en cuadratura permite aumentar el rendimiento de los datos. Los formatos utilizados en el sistema de comunicaciones móviles 5G incluyen 16QAM, 64QAM y 256QAM.

    Cuanto mayor sea el orden de modulación, mayor será el rendimiento, aunque la penalización es la resistencia al ruido. Por lo tanto, 256AM solo se utiliza cuando la calidad del enlace es buena, y se reduce a 64QAM y luego a 16QAM, etc., a medida que el enlace se deteriora. Es un equilibrio entre el rendimiento y la resiliencia de los datos.

    Nota sobre QAM - Modulación de amplitud en cuadratura:

    Modulación de amplitud en cuadratura, QAM es ampliamente demandado para la transmisión de datos, ya que permite mejores niveles de eficiencia espectral que otras formas de modulación. QAM utiliza dos portadoras en la misma frecuencia desplazadas en 90 ° que están moduladas por dos flujos de datos - I o Inphase y Q - elementos en cuadratura.

Los tipos de formas de onda y modulación que se utilizan con la tecnología 5G se han elegido para proporcionar la eficiencia espectral, el rendimiento de datos y la resistencia necesarios para el nuevo sistema de comunicaciones móviles.

Las comunicaciones móviles 5G pueden proporcionar un rendimiento de datos muy alto y, por lo tanto, las formas de onda y la modulación deben poder respaldar esto y brindar un servicio confiable para los usuarios.

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Ver el vídeo: OFDM: Why the cyclic prefix is not sufficient to detect the symbol start 0026 (Octubre 2020).