Jedes Jahr kommen neue Technologien in unser Leben. Bis vor kurzem haben wir GSM verwendet, und jetzt klopft die fünfte Generation von Kommunikationsstandards an unsere Tore, erhöht die Datenübertragungsgeschwindigkeit, verringert die Signalübertragungsverzögerung, nutzt MIMO in vollem Umfang und scannt das Spektrum im Betriebsfrequenzbereich. Und heute möchte ich Ihnen sagen, welche Änderungen die Modulation in der fünften Generation des Kommunikationsstandards erfahren hat, wie GFDM anstelle von OFDM verwendet wurde und was der Unterschied zwischen ihnen ist.
Liste der AbkürzungenOFDM
GFDM
PAPR Peek-to-Average Power Ratio
Pulse shaping filter —
Raised cosine filter — :
Root-raised cosine filter — :
OFDM Einführung
Wie funktioniert es?
Zunächst werde ich ein wenig über OFDM oder orthogonales Frequenzmultiplex sprechen, das in 4G verwendet wurde.In Datenübertragungssystemen gibt es drei Arten der Kanaltrennung: Zeit, Frequenz und Code. OFDM ist repräsentativ für das Frequenzmultiplexen. Die Frequenzteilung von Kanälen impliziert das folgende Betriebsschema: Der Sender teilt den Datenstrom in N parallele Ströme auf und jeder Strom sendet mit einer festen Frequenz (Unterträger). Es ist bekannt, dass die Unterträger selbst orthogonal zueinander sind, d.h. Unterträger Nr. 1 kann den Unterträger Nr. 2 in keiner Weise beeinflussen. Wir übertragen jedoch Symbole auf jedem der Unterträger und jedes Symbol belegt sein eigenes Frequenzband. Schauen wir uns das Spektrum des Symbols und des übertragenen Signals an.
Wie Sie sehen können, bewegt sich das Spektrum des Symbols auf die Unterträgerfrequenz, mit der es übertragen wird. Hier kommen wir zu einem grundlegenden Problem. Wenn das Symbol zeitlich begrenzt ist, nimmt es einen unendlichen Bereich des Spektrums ein. Dies bedeutet, dass sich die Daten im Unterträger Nr. 1 und Nr. 2 jetzt überlappen und sich gegenseitig stören. Es ist sinnlos, ein Zeichen unendlich lange zu übertragen, da wir so schnell wie möglich Informationen erhalten müssen, was bedeutet, dass wir die gegenseitige Beeinflussung zwischen Unterträgern nicht vermeiden können. Wir können es jedoch mit verschiedenen Techniken minimieren.
OFDM verwendet eine dieser Techniken. Schauen wir uns das Spektrum oben genauer an. Das Spektrum auf jedem Unterträger nimmt einen Nullwert mit einer bestimmten Periodizität an, außerdem hängt die Periodizität von der Dauer des Symbols ab.Durch Einstellen einer festen Symboldauer können wir dann die Unterträger so auswählen, dass für Unterträger Nr. 2 die Überlagerung des Signals von Unterträger Nr. 1 und Nr. 3 minimal ist. Der Inter-Channel-Effekt ist ebenfalls minimal. Ein typisches Spektrum von Unterträgerdaten in OFDM ist unten gezeigt. Wie Sie sehen können, fällt der Nullwert des Spektrums jedes Unterträgers auf den Punkt, an dem die Werte der Unterträger maximal sind.
Nachteile
Die Lösung ist wirklich gut und interessant, aber leider gibt es immer ein paar "Aber". Und hier ist das erste "aber" die Mehrwegesignalausbreitung. Genauer gesagt, der Preis für die Beseitigung seines Einflusses. OFDM ermöglicht es, die Intersymbolinterferenz mithilfe eines zyklischen Präfixes zu reduzieren, und mit zunehmender Anzahl von Mehrwegekomponenten nimmt auch die Dauer des zyklischen Präfixes zu. Zyklische Präfixe befinden sich zwischen allen Zeichen im Zeitbereich. Dies bedeutet, dass Sie beispielsweise für 1 Sekunde der Gesamtbetriebszeit des Systems Informationen für 0,5 Sekunden übertragen und zyklische Präfixe 0,5 Sekunden dauern. Ineffizient zustimmen? Ich möchte die Funkressourcen maximal nutzen.
Der zweite Nachteil ist die Außerbandstrahlung. In diesem Fall kriecht Ihr System etwas über den zulässigen Frequenzbereich hinaus. Wie ich bereits geschrieben habe, ist dies nicht zu vermeiden. Je geringer die Menge der Außerbandemissionen ist, desto näher sind die Frequenzen an zwei verschiedenen Systemen und desto effizienter wird die Funkressource genutzt. Mit zunehmendem Wert der Funkressourcen wird dies kritisch.Der dritte Nachteil ergibt sich aus der Störfestigkeit des Signals. Denken Sie daran, dass unser Signal gleichmäßig über das Spektrum verteilt ist und jeder Unterträger mit gleicher Wahrscheinlichkeit zufällige Phasenwerte annimmt. In gewisser Näherung ist die Wahrscheinlichkeitsdichte ähnlich wie bei der Gaußschen Verteilung normal. Was ist also schlecht, sagen Sie, denn jetzt kann unser Signal nicht mehr vom Rauschen unterschieden werden. Nicht so einfach. Wie wir uns erinnern, liegt die Wahrscheinlichkeitsdichte des Gaußschen Rauschens zwischen minus unendlich und plus unendlich. In einem realen Ausgangssignal führt dies zu einer Erhöhung des PAPR oder des Verhältnisses der maximalen Signalamplitude zum Durchschnitt. Dies erhöht die Kosten der Ausgangsstufen des Verstärkers und führt zu einer Verzerrung des realen Ausgangssignals. Das Folgende ist ein Beispiel eines OFDM-Signals mit einer übergroßen Blockgröße für Statistiken. Das linke Bild zeigt die Anfangsphasen bei jeder Frequenz.Die Phasen zeigen, dass die QPSK-Modulation verwendet wird. Daten wurden gleich wahrscheinlich generiert. Aus dem Bild in der Mitte können wir erkennen, dass die Leistung der Unterträger gleich ist. Das rechte Diagramm zeigt, dass die Wahrscheinlichkeitsdichte der Daten am Ausgang des Senders zur Normalität tendiert und der Dynamikbereich 100 dB beträgt. Dies ist ein ziemlich großer Wert, der sich auf den Preis der Ausrüstung auswirken kann.
GFDM und seine Techniken
GFDM ist in der fünften Generation des Standards und versucht, diese Probleme zu lösen. Darüber hinaus ermöglicht GFDM die selektive Verwendung von Unterträgern, wenn diese bereits von einem anderen System belegt sind. GFDM basiert ebenfalls auf dem Konzept der Unterträger mit wenigen Ergänzungen. Um die Effizienz der Nutzung von Funkressourcen zu erhöhen, werden Daten in Blöcken sowohl in der Frequenz (sowohl in OFDM) als auch in der Zeit übertragen. Dementsprechend befindet sich das Schutzintervall am Ende jedes Blocks, wodurch Interferenzen zwischen Blöcken, jedoch nicht zwischen Zeichen in einem Block, beseitigt werden.
Hier liegt der Hauptunterschied zwischen GFDM. Um Intersymbolinterferenzen zu vermeiden, werden in der Einheit Pulsformungsfilter verwendet. Jedes Zeichen im Zeitbereich wird jetzt als gegebene Funktion dargestellt. Diese Funktion nimmt den gesamten Datenblock zeitlich ein, minimiert jedoch sowohl Interchannel- als auch Intersymbol-Interferenzen.Es werden hauptsächlich drei Arten von Filtern verwendet: "sinc" -, "Raised Cosine" - und "Root-Raised Cosine" -Filter. Der sinc-Filter verwendet die sinx / x-Funktion als Basis für das Zeichen. Wenn Sie die sinc-Funktion als Symbol festlegen, wird die Anzeige im Frequenzbereich so nah wie möglich am Rechteck angezeigt, wodurch Interferenzen zwischen den Kanälen minimiert werden. Darüber hinaus beeinflussen sich die Symbole im Zeitbereich zum Zeitpunkt der Abtastung nicht gegenseitig.
Dies ist jedoch nicht effektiv genug und es wurden wurzelerhöhte Kosinusfilter verwendet. Diese Filter ähneln der „Impulsformung“, führen jedoch absichtlich Intersymbolinterferenzen ein und regulieren deren Pegel. Die "Root-Raised Cosine" -Filter haben eine Variable namens Alpha, die den Grad der Intersymbolinterferenz steuert. Nachfolgend werden zum Vergleich die Muster der Quellensymbole (Impulseigenschaften), "Pulsformung" und "Root-Raised Cosine" mit ihrer Abbildung auf den Frequenzbereich dargestellt.
Auf den ersten Blick ist das Filter "Root-Raised Cosine" schlechter als die "Pulsformung", aber in der logarithmischen Skala ist die Abklingrate für das Filter "Root-Raised Cosine" höher. Und der Root-Raised-Cosine-Filter erreicht den Schlüsselwert von -60 dB schneller.Nichts ist jedoch umsonst. Es fällt auf, dass der Filter „Root-Raised Cosine“ in der Nähe der Grenzfrequenz eine große Leistung hat und dies die Anzahl der Fehler während des Systembetriebs beeinflusst. Nachfolgend ist die Abhängigkeit der Anzahl der Fehler vom Wert des Alpha-Parameters für den Empfänger basierend auf der Methode der kleinsten Quadrate oder der pseudoinversen Matrix aufgeführt. Mit zunehmendem Alpha nimmt die Anzahl der Fehler zu, was bedeutet, dass die Kommunikationsqualität abnimmt. Um diesen Effekt zu verringern, wurden Verfahren entwickelt, um Interferenzen zu unterdrücken, beispielsweise die doppelseitige Interferenzunterdrückung, die die Anzahl der Fehler auf nahezu das OFDM-Niveau reduziert.
Sehen Sie sich den Frequenzgang unten an, nämlich den Außerband-Emissionspegel. Wie Sie sehen können, reduziert GFDM die Außerbandemissionen schneller auf -60 dB, was bedeutet, dass Funkressourcen damit effizienter genutzt werden. Darüber hinaus hat der Betreiber die Wahl zwischen der Effizienz der Funkressourcen und der Anzahl der Fehler. Dieser Kompromiss hat für jeden Bediener eine andere Lösung.
Heute denke ich, dass Sie genug Informationen haben. Das nächste Mal werde ich darüber sprechen, wie ich Tensoren angewendet habe, um die GFDM-Modulation in einer Masterarbeit zu beschreiben, eine Modulationsmatrix durch eine der Tensoroperationen beschrieben habe und über meine Kanalschätzungstechnik durch bekannte Symbole in einem Datenblock. Darüber hinaus werde ich wahrscheinlich über eine interessante PAPR-Reduktionstechnik sprechen, die derzeit verwendet wird.ReferenzM. Matthe, N. Michailow, and I.Gaspar, \Gfdm for 5g cellular networks," IEEE transactions on commenications vol 62, 2014.
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