नई तकनीकें हर साल हमारे जीवन में भाग रही हैं। हाल तक तक, हमने जीएसएम का उपयोग किया था, और अब संचार मानकों की पांचवीं पीढ़ी हमारे फाटकों पर दस्तक दे रही है, डेटा ट्रांसफर गति को बढ़ा रही है, सिग्नल ट्रांसमिशन देरी को कम कर रही है, एमओएमओ का पूरी तरह से उपयोग कर रही है और ऑपरेटिंग आवृत्ति रेंज में स्पेक्ट्रम को स्कैन कर रही है। और आज मैं आपको यह बताना चाहता हूं कि संचार मानक की पांचवीं पीढ़ी में मॉड्यूलेशन में क्या बदलाव आया है, OFDM के बजाय GFDM का उपयोग कैसे किया जाना शुरू हुआ और उनके बीच क्या अंतर है।

संक्षिप्त सूची

OFDM
GFDM
PAPR Peek-to-Average Power Ratio
Pulse shaping filter —
Raised cosine filter — :
Root-raised cosine filter — :

OFDM परिचय

यह कैसे काम करता है

सबसे पहले, मैं ओएफडीएम या ऑर्थोगोनल फ्रिक्वेंसी डिवीजन मल्टीप्लेक्सिंग के बारे में थोड़ी बात करता हूं जो 4 जी में उपयोग किया गया था।

डेटा ट्रांसमिशन सिस्टम में, चैनल पृथक्करण तीन प्रकार के होते हैं: समय, आवृत्ति और कोड। OFDM फ्रीक्वेंसी डिवीजन मल्टीप्लेक्सिंग का प्रतिनिधि है। चैनलों की फ्रिक्वेंसी डिवीजन में निम्नलिखित ऑपरेशन स्कीम का अर्थ है: ट्रांसमीटर डेटा स्ट्रीम को एन समानांतर स्ट्रीम में विभाजित करता है और प्रत्येक स्ट्रीम कुछ फिक्स्ड फ़्रीक्वेंसी (सबकेयर) पर प्रसारित होता है। यह ज्ञात है कि उपकारक स्वयं एक दूसरे के लिए ऑर्थोगोनल हैं, अर्थात्। सबकेरियर नंबर 1 किसी भी तरह से सबकेरियर नंबर 2 को प्रभावित नहीं कर सकता है। हालाँकि, हम प्रत्येक सबकार्यिक्स पर प्रतीकों को प्रसारित करते हैं और प्रत्येक प्रतीक अपनी आवृत्ति बैंड पर कब्जा कर लेता है। आइए प्रतीक के स्पेक्ट्रम और प्रेषित संकेत को देखें।

जैसा कि आप देख सकते हैं, प्रतीक का स्पेक्ट्रम सबकेरियर आवृत्ति पर चलता है जिस पर यह प्रसारित होता है। यहां हम एक मूलभूत समस्या पर आते हैं। यदि प्रतीक समय में परिमित है, तो यह स्पेक्ट्रम के एक अनंत क्षेत्र पर कब्जा कर लेता है। इसका मतलब यह है कि सबकेरियर नंबर 1 और नंबर 2 में डेटा अब ओवरलैप होगा और एक-दूसरे के साथ हस्तक्षेप करेगा। एक चरित्र को असीम रूप से लंबे समय तक प्रसारित करना व्यर्थ है, क्योंकि हमें जितनी जल्दी हो सके जानकारी प्राप्त करने की आवश्यकता है, जिसका अर्थ है कि हम सबकेरियर के बीच पारस्परिक प्रभाव से बचने में सक्षम नहीं होंगे। हालाँकि, हम विभिन्न तकनीकों का उपयोग करके इसे कम कर सकते हैं।

OFDM इन तकनीकों में से एक का उपयोग करता है। चलो ऊपर स्पेक्ट्रम पर एक करीब से नज़र डालें। प्रत्येक उपकार पर स्पेक्ट्रम एक निश्चित आवधिकता के साथ शून्य मान लेता है, इसके अलावा, आवधिकता प्रतीक की अवधि पर निर्भर करती है।

फिर, एक निश्चित प्रतीक अवधि निर्धारित करने के बाद, हम सबकेरियर का चयन कर सकते हैं ताकि सबकेरियर नंबर 2 के लिए सबकेरियर नंबर 1 और नंबर 3 से सिग्नल का सुपरपोजिशन न्यूनतम हो। इंटर-चैनल प्रभाव भी न्यूनतम होगा। ओएफडीएम में सबकेरियर डेटा का एक विशिष्ट स्पेक्ट्रम नीचे दिखाया गया है। जैसा कि आप देख सकते हैं, प्रत्येक उपकार के स्पेक्ट्रम का शून्य मान उस बिंदु तक गिरता है जहां उपकारकों का मान अधिकतम होता है।

कमियों

समाधान वास्तव में अच्छा और दिलचस्प है, लेकिन दुर्भाग्य से हमेशा कुछ "बट" होते हैं। और यहाँ पहला "लेकिन" बहुपथ संकेत प्रसार है। अधिक सटीक रूप से, इसके प्रभाव को खत्म करने की कीमत । ओएफडीएम चक्रीय उपसर्ग का उपयोग करके इंटरसिमल हस्तक्षेप को कम करना संभव बनाता है, और जैसे-जैसे मल्टीपाथ घटकों की संख्या बढ़ती है, चक्रीय उपसर्ग की अवधि भी बढ़ जाती है। समय डोमेन में सभी वर्णों के बीच चक्रीय उपसर्ग स्थित हैं। इसका मतलब है कि उदाहरण के लिए, सिस्टम के कुल ऑपरेटिंग समय के 1 सेकंड के लिए, आप 0.5 सेकंड के लिए जानकारी संचारित करेंगे, और चक्रीय उपसर्गों में 0.5 सेकंड लगेंगे। अक्षमता से सहमत हैं? मैं रेडियो संसाधनों का अधिकतम उपयोग करना चाहूंगा।

दूसरा दोष बैंड-आउट विकिरण है। यह तब होता है जब आपका सिस्टम अनुमत फ़्रीक्वेंसी रेंज से थोड़ा अधिक क्रॉल करता है। जैसा कि मैंने पहले लिखा था, इससे बचना असंभव है। हालांकि, आउट-ऑफ-बैंड उत्सर्जन की मात्रा जितनी कम होगी, आवृत्ति दो अलग-अलग प्रणालियों के करीब होगी और रेडियो संसाधन का कुशलतापूर्वक उपयोग किया जाएगा। रेडियो संसाधनों के बढ़ते मूल्य के साथ, यह महत्वपूर्ण हो जाता है।

तीसरा दोष सिग्नल की शोर उन्मुक्ति से आता है। याद रखें, हमारा संकेत समान रूप से स्पेक्ट्रम पर वितरित किया जाता है, प्रत्येक उपकार के साथ समान संभावना वाले यादृच्छिक चरण मान लेते हैं। कुछ सन्निकटन में, संभावना घनत्व सामान्य के समान होगा, जैसे गॉसियन वितरण। तो क्या बुरा है, आप कहते हैं, क्योंकि अब हमारे सिग्नल को शोर से अलग नहीं किया जा सकता है। इतना सरल नहीं है। जैसा कि हम याद करते हैं, गॉसियन शोर की संभावना घनत्व माइनस इन्फिनिटी से प्लस इन्फिनिटी तक निहित है। एक वास्तविक आउटपुट सिग्नल में, यह PAPR या औसत से अधिकतम सिग्नल आयाम के अनुपात में वृद्धि की ओर जाता है। यह एम्पलीफायर के आउटपुट चरणों की लागत को बढ़ाता है और वास्तविक आउटपुट सिग्नल में विरूपण का परिचय देता है। निम्नलिखित आँकड़े के लिए बड़े आकार के साथ एक OFDM संकेत का एक उदाहरण है। बाईं छवि प्रत्येक आवृत्ति पर प्रारंभिक चरण दिखाती है।चरण बताते हैं कि QPSK मॉड्यूलेशन का उपयोग किया जाता है। डेटा समान रूप से उत्पन्न किया गया था। केंद्र में छवि से हम कह सकते हैं कि उपकार की शक्ति एक दूसरे के बराबर है। सही ग्राफ़ दिखाता है कि ट्रांसमीटर के आउटपुट पर डेटा की संभावना घनत्व सामान्य हो जाता है, और गतिशील रेंज 100dB है। यह एक काफी बड़ा मूल्य है, जो उपकरणों की कीमत को प्रभावित कर सकता है।

GFDM और इसकी तकनीक

जीएफडीएम मानक की पांचवीं पीढ़ी में है और इन समस्याओं को हल करने की कोशिश कर रहा है। इसके अलावा, GFDM उप-अवरोधकों के चयनात्मक उपयोग की अनुमति देता है यदि वे पहले से ही किसी अन्य सिस्टम के कब्जे में हैं। GFDM भी कुछ परिवर्धन के साथ, उपकारकों की अवधारणा पर आधारित है। रेडियो संसाधनों का उपयोग करने की दक्षता बढ़ाने के लिए, आवृत्ति (OFDM में) और समय में डेटा को ब्लॉक किया जाता है। तदनुसार, गार्ड अंतराल प्रत्येक ब्लॉक के अंत में स्थित है, ब्लॉक के बीच के हस्तक्षेप को समाप्त करता है, लेकिन एक ब्लॉक में वर्णों के बीच नहीं।

यहाँ GFDM के बीच मुख्य अंतर निहित है। इंटरसिंबोल हस्तक्षेप को खत्म करने के लिए, यूनिट में "पल्स शेपिंग" फिल्टर का उपयोग किया जाता है। समय डोमेन में प्रत्येक वर्ण अब दिए गए फ़ंक्शन के रूप में दर्शाया गया है। यह फ़ंक्शन समय में पूरे डेटा ब्लॉक को लेता है, लेकिन इंटरचेनलाइन और इंटरसिमबोल हस्तक्षेप दोनों को कम करता है।

तीन प्रकार के फिल्टर मुख्य रूप से उपयोग किए जाते हैं: "sinc", "बढ़ा हुआ कोसाइन" और "रूट-उठाए हुए कोसाइन" फ़िल्टर। Sinc फ़िल्टर चरित्र के लिए आधार के रूप में sinx / x फ़ंक्शन का उपयोग करता है। जैसा कि यह पता चला है, यदि आप साइन के फ़ंक्शन को एक प्रतीक के रूप में सेट करते हैं, तो आवृत्ति डोमेन में इसका प्रदर्शन संभव के रूप में आयत के करीब होगा, जिसका अर्थ है कि यह अंतर-चैनल हस्तक्षेप को कम करता है। इसके अलावा, समय डोमेन में, नमूने के समय प्रतीक एक दूसरे को प्रभावित नहीं करेंगे।

हालांकि, यह पर्याप्त प्रभावी नहीं है और रूट-उठाए गए कोज़ाइन फ़िल्टर का उपयोग किया गया था। ये फिल्टर "पल्स शेपिंग" के समान हैं, लेकिन जानबूझकर इंटरसेमबोल हस्तक्षेप को शुरू करने और इसके स्तर को विनियमित करने में हैं। "रूट-उठाए हुए कोसाइन" फिल्टर में अल्फा नामक एक चर होता है जो इंटरसिमबोल हस्तक्षेप के स्तर को नियंत्रित करता है। नीचे दिए गए स्रोत प्रतीकों (आवेग विशेषताओं), "पल्स को आकार देने" और "रूट-उठाए हुए कोसाइन" के पैटर्न की तुलना उनकी आवृत्ति डोमेन के मानचित्रण के साथ प्रस्तुत की गई है।

पहली नज़र में, "रूट-उठाए हुए कोसाइन" फ़िल्टर "पल्स शेपिंग" से भी बदतर है, लेकिन लॉगरिदमिक पैमाने में, "रूट-उठाए हुए कोज़ाइन" फ़िल्टर के लिए क्षय दर अधिक है। और रूट-कोस्ड कॉशन फिल्टर -60 डीबी के प्रमुख मूल्य तक तेजी से पहुंचता है।
हालाँकि, कुछ भी व्यर्थ नहीं आता है। यह ध्यान देने योग्य है कि "रूट-उठाए गए कोसाइन" फिल्टर में कटऑफ आवृत्ति के पास एक बड़ी शक्ति है और यह सिस्टम ऑपरेशन के दौरान त्रुटियों की संख्या को प्रभावित करता है। नीचे कम से कम वर्ग विधि या छद्म बिंदु मैट्रिक्स के आधार पर रिसीवर के लिए अल्फा पैरामीटर के मूल्य पर त्रुटियों की संख्या की निर्भरता है। अल्फा बढ़ने के साथ, त्रुटियों की संख्या बढ़ जाती है, जिसका अर्थ है कि संचार की गुणवत्ता कम हो जाती है। इस प्रभाव को कम करने के लिए, हस्तक्षेप को दबाने के लिए तरीकों का विकास किया गया है, उदाहरण के लिए, डबल साइड हस्तक्षेप रद्द, जो OFDM के स्तर तक त्रुटियों की संख्या को कम करता है।

अद्यतन

नीचे की आवृत्ति प्रतिक्रिया को देखें, अर्थात् बाहर का उत्सर्जन स्तर। जैसा कि आप देख सकते हैं, GFDM -60dB से बाहर के उत्सर्जन को कम करता है, जिसका अर्थ है कि इसके साथ रेडियो संसाधनों का अधिक कुशलता से उपयोग किया जाता है। इसके अलावा, ऑपरेटर के पास रेडियो संसाधनों में दक्षता और त्रुटियों की संख्या के बीच एक विकल्प है। इस समझौते का प्रत्येक ऑपरेटर के लिए एक अलग समाधान होगा।

आज मुझे लगता है कि आपके पास पर्याप्त जानकारी है। अगली बार, मैं इस बारे में बात करूँगा कि मैंने मास्टर की थीसिस में जीएफडीएम मॉड्यूलेशन का वर्णन करने के लिए टेंसरों को कैसे लागू किया, एक टेनर संचालन के माध्यम से एक मॉड्यूलेशन मैट्रिक्स का वर्णन किया, और एक डेटा ब्लॉक में ज्ञात प्रतीकों के माध्यम से मेरे चैनल आकलन तकनीक के बारे में। इसके अलावा, मैं शायद एक दिलचस्प पीएपीआर कटौती तकनीक के बारे में बात करूंगा जो वर्तमान में उपयोग में है।

संदर्भ

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M. Matthe, N. Michailow, and G. Fettweis, \Influense of pulse shaping on bit-error rate
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G. Fettweis, M. Krondorf, and S. Bittner, \Gfdm — generalized frequency division multiplexing," Vehicular Technology Conference, 2009. VTC Spring 2009. IEEE 69th, 2009.
B. M. Alves, L. Mendes, D.A.Guimaraes, and I. Gaspar, \Performance gfdm over frequency selective channels," Revista Telecemunicationes vol 15, Dec 2013.

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