Novas tecnologias estão entrando em nossas vidas todos os anos. Até recentemente, usamos o GSM, e agora a quinta geração de padrões de comunicação está batendo em nossas portas, aumentando a velocidade de transferência de dados, reduzindo o atraso na transmissão do sinal, usando o MIMO ao máximo e varrendo o espectro na faixa de frequência operacional. E hoje quero lhe dizer o que mudou a modulação na quinta geração do padrão de comunicação, como o GFDM começou a ser usado em vez do OFDM e qual a diferença entre eles.
Lista de abreviaçõesOFDM
GFDM
PAPR Peek-to-Average Power Ratio
Pulse shaping filter —
Raised cosine filter — :
Root-raised cosine filter — :
Introdução OFDM
Como isso funciona
Primeiro, falarei um pouco sobre OFDM ou multiplexação por divisão de frequência ortogonal usada em 4G.Nos sistemas de transmissão de dados, existem três tipos de separação de canais: tempo, frequência e código. OFDM é representativo da multiplexação por divisão de frequência. A divisão de frequência dos canais implica o seguinte esquema de operação: o transmissor divide o fluxo de dados em N fluxos paralelos e cada fluxo transmite em alguma frequência fixa (subportadora). Sabe-se que as próprias subportadoras são ortogonais entre si, isto é, a subportadora nº 1 não pode de forma alguma afetar a subportadora nº 2. No entanto, transmitimos símbolos em cada uma das subportadoras e cada símbolo ocupa sua própria banda de frequência. Vejamos o espectro do símbolo e o sinal transmitido.
Como você pode ver, o espectro do símbolo se move para a frequência da subportadora na qual é transmitido. Aqui chegamos a um problema fundamental. Se o símbolo é finito no tempo, ele ocupa uma região infinita do espectro. Isso significa que os dados nas subportadoras n ° 1 e n ° 2 agora se sobrepõem e interferem entre si. Não faz sentido transmitir um caractere por um tempo infinitamente longo, porque precisamos obter informações o mais rápido possível, o que significa que não seremos capazes de evitar a influência mútua entre subportadoras. No entanto, podemos minimizá-lo usando diferentes técnicas.
O OFDM usa uma dessas técnicas. Vamos dar uma olhada no espectro acima. O espectro em cada subportadora assume um valor zero com uma certa periodicidade; além disso, a periodicidade depende da duração do símbolo.Depois de definir uma duração de símbolo fixa, podemos selecionar as subportadoras para que, para a subportadora nº 2, a superposição do sinal das subportadoras nº 1 e 3 seja mínima. O efeito entre canais também será mínimo. Um espectro típico de dados da subportadora no OFDM é mostrado abaixo. Como você pode ver, o valor zero do espectro de cada subportadora cai até o ponto em que os valores das subportadoras são máximos.
Desvantagens
A solução é realmente boa e interessante, mas, infelizmente, sempre existem alguns "mas". E aqui o primeiro "mas" é a propagação do sinal de caminhos múltiplos. Mais precisamente, o preço de eliminar sua influência. O OFDM torna possível reduzir a interferência entre símbolos usando um prefixo cíclico e, à medida que o número de componentes de caminhos múltiplos aumenta, a duração do prefixo cíclico também aumenta. Os prefixos cíclicos estão localizados entre todos os caracteres no domínio do tempo. Isso significa que, por exemplo, por 1 segundo do tempo total de operação do sistema, você transmitirá informações por 0,5 segundos e os prefixos cíclicos levarão 0,5 segundos. Concorda ineficientemente? Eu gostaria de usar os recursos de rádio ao máximo.
A segunda desvantagem é a radiação fora da banda. É quando o seu sistema rastreia um pouco acima da faixa de frequência permitida. Como escrevi anteriormente, isso é impossível de evitar. No entanto, quanto menor a quantidade de emissões fora da banda, mais próximos de frequência serão localizados dois sistemas diferentes e o recurso de rádio será usado com mais eficiência. Com o crescente valor dos recursos de rádio, isso se torna crítico.A terceira desvantagem vem da imunidade ao ruído do sinal. Lembre-se, nosso sinal é distribuído uniformemente pelo espectro, com cada subportadora assumindo valores de fase aleatórios com igual probabilidade. Em alguma aproximação, a densidade de probabilidade será semelhante ao normal, como a distribuição gaussiana. Então, o que é ruim, você diz, porque agora o nosso sinal não pode ser diferenciado do ruído. Não é tão simples. Como lembramos, a densidade de probabilidade do ruído gaussiano se situa entre menos infinito e mais infinito. Em um sinal de saída real, isso leva a um aumento no PAPR ou na proporção da amplitude máxima do sinal em relação à média. Isso aumenta o custo dos estágios de saída do amplificador e introduz distorção no sinal de saída real. A seguir, é apresentado um exemplo de um sinal OFDM com um tamanho de bloco superdimensionado para estatísticas. A imagem da esquerda mostra as fases iniciais em cada frequência.As fases mostram que a modulação QPSK é usada. Os dados foram gerados com igual probabilidade. Pela imagem no centro, podemos dizer que o poder dos subportadores é igual um ao outro. O gráfico à direita mostra que a densidade de probabilidade dos dados na saída do transmissor tende ao normal e a faixa dinâmica é de 100dB. Esse é um valor bastante alto, que pode afetar o preço do equipamento.
GFDM e suas técnicas
O GFDM está na quinta geração do padrão e está tentando resolver esses problemas. Além disso, o GFDM permite o uso seletivo de subportadoras, se elas já estiverem ocupadas por outro sistema. O GFDM também é baseado no conceito de subportadoras, com poucas adições. Para aumentar a eficiência do uso de recursos de rádio, os dados são transmitidos em blocos, tanto na frequência (no OFDM) quanto no tempo. Consequentemente, o intervalo de guarda está localizado no final de cada bloco, eliminando a interferência entre os blocos, mas não entre os caracteres em um bloco.
Aqui reside a principal diferença entre GFDM. Para eliminar a interferência entre símbolos, os filtros de “modelagem de pulso” são usados na unidade. Cada caractere no domínio do tempo agora é representado como uma determinada função. Esta função ocupa todo o bloco de dados no tempo, mas minimiza a interferência entre canais e inter-símbolos.Três tipos de filtros são usados principalmente: filtros "sinc", "cosseno elevado" e "cosseno elevado". O filtro sinc usa a função sinx / x como base para o caractere. Como se viu, se você definir a função sinc como um símbolo, sua exibição no domínio da frequência será o mais próximo possível do retângulo, o que significa que minimiza a interferência entre canais. Além disso, no domínio do tempo, os símbolos não se afetam no momento da amostragem.
No entanto, isso não é eficaz o suficiente e filtros de cosseno levantados pela raiz foram usados. Esses filtros são semelhantes a "modelagem de pulso", mas intencionalmente introduzem interferência entre símbolos e regulam seu nível. Os filtros "cosseno elevado" têm uma variável chamada alfa, que controla o nível de interferência entre símbolos. Abaixo são apresentados para comparação os padrões dos símbolos de fonte (características de impulso), "modelagem de pulso" e "cosseno elevado" com seu mapeamento para o domínio da frequência.
À primeira vista, o filtro "cosseno elevado da raiz" é pior do que a "modelagem de pulso", mas na escala logarítmica, a taxa de decaimento é maior para o filtro "cosseno elevado da raiz". E o filtro de cosseno gerado pela raiz atinge o valor-chave de -60 dB mais rápido.No entanto, nada vem em vão. É perceptível que o filtro “cosseno elevado com raiz” possui uma grande potência próxima à frequência de corte e isso afeta o número de erros durante a operação do sistema. Abaixo está a dependência do número de erros no valor do parâmetro alfa para o receptor, com base no método dos mínimos quadrados ou na matriz pseudo-inversa. Com o aumento do alfa, o número de erros aumenta, o que significa que a qualidade da comunicação diminui. Para reduzir esse efeito, foram desenvolvidos métodos para suprimir a interferência, por exemplo, cancelamento de interferência lateral dupla, que reduz o número de erros a quase o nível de OFDM.
Veja a resposta de frequência abaixo, a saber, o nível de emissão fora de banda. Como você pode ver, o GFDM reduz as emissões fora de banda para -60dB mais rápido, o que significa que os recursos de rádio são usados com mais eficiência. Além disso, o operador pode escolher entre eficiência nos recursos de rádio e número de erros. Esse compromisso terá uma solução diferente para cada operador.
Hoje acho que você tem informações suficientes. Da próxima vez, falarei sobre como apliquei tensores para descrever a modulação GFDM em uma tese de mestrado, descrevi uma matriz de modulação através de uma das operações do tensor e sobre minha técnica de estimativa de canal através de símbolos conhecidos em um bloco de dados. Além disso, provavelmente vou falar sobre uma técnica interessante de redução de PAPR atualmente em uso.ReferênciaM. Matthe, N. Michailow, and I.Gaspar, \Gfdm for 5g cellular networks," IEEE transactions on commenications vol 62, 2014.
M. Matthe, N. Michailow, and G. Fettweis, \Influense of pulse shaping on bit-error rate
performance and out of band radiation of gfdm," ICC 14 WS 5G, 2014.
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.