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5G 파형 및 변조 : CP-OFDM 및 DFT-s-OFDM

5G 파형 및 변조 : CP-OFDM 및 DFT-s-OFDM

이동 통신 시스템의 정의 요소 중 하나는 무선 액세스 네트워크의 무선 링크에 사용되는 파형입니다.

5G 기술의 개발 단계에서 다양한 파형 및 변조 기술이 가정되었지만 5G New Radio의 경우 5G NR, 주기적 접두사 OFDM, CP-OFDM이 DFT-s-OFDM, 이산 푸리에 변환 확산의 주요 후보로 선택되었습니다. 일부 영역에서 사용되는 직교 주파수 분할 다중화.

OFDM은 우수한 스펙트럼 효율성을 제공하는 동시에 선택적 페이딩에 대한 복원력을 제공하며 OFDMA를 사용하여 다중 액세스 기능을 구현할 수 있습니다.

5G 파형 배경

직교 주파수 분할 다중화는 4G LTE를위한 탁월한 파형 선택이었습니다. 뛰어난 스펙트럼 효율성을 제공하고 현재 모바일 핸드셋에서 달성 할 수있는 처리 수준으로 처리 및 처리 할 수 ​​있으며 넓은 대역폭을 차지하는 높은 데이터 속도 스트림에서 잘 작동합니다. 선택적 페이딩이있는 상황에서 잘 작동합니다.

그러나 5G가 처음 출시 될 것으로 예상되는 2020 년까지 사용할 수있는 처리 기능의 발전으로 인해 다른 파형을 고려할 수 있습니다.

5G 기술에 새로운 파형을 사용하면 몇 가지 이점이 있습니다. OFDM은 순환 접두사의 사용을 필요로하며 이것은 데이터 스트림 내에서 공간을 차지합니다. 5G를위한 다양한 새로운 파형 중 하나를 사용하여 도입 할 수있는 다른 이점도 있습니다.

핵심 요구 사항 중 하나는 처리 능력의 가용성입니다. 기본 형태의 무어의 법칙이 장치 기능 크기의 한계까지 실행되고 있으며 한동안 소형화의 추가 발전은 없을 것 같지만 무어의 법칙의 정신이 계속 될 수 있고 처리 능력이 향상된다는 것을 의미하는 다른 기술이 개발되고 있습니다. 추가 처리 능력이 필요하지만 추가적인 이점을 제공 할 수있는 새로운 5G 파형은 여전히 ​​실행 가능합니다.

5G 파형 요구 사항

고속 비디오 다운로드, 게임, 자동차-자동차 / 자동차-인프라 통신, 일반 셀룰러 통신, IoT / M2M 통신 등을 포함한 5G 모바일 통신의 잠재적 애플리케이션은 모두 5G 파형 체계의 형태에 요구 사항을 지정합니다. 필요한 성능을 제공 할 수 있습니다.

변조 방식과 전체 파형에서 지원해야하는 몇 가지 주요 요구 사항은 다음과 같습니다.

  • 높은 데이터 속도의 광대역 신호 처리 가능
  • 길고 짧은 데이터 버스트에 대해 낮은 대기 시간 전송을 제공 할 수 있습니다. 즉, 매우 짧은 전송 시간 간격 (TTI)이 필요합니다.
  • 사용될 가능성이 높은 TDD 시스템을 위해 업 링크와 다운 링크 사이를 빠르게 전환 할 수 있습니다.
  • 데이터 속도가 낮은 장치의 정시 시간을 최소화하여 에너지 효율적인 통신 가능성을 활성화합니다.

다음은 필요한 시설을 지원하기 위해 5G 파형에 필요한 몇 가지 요구 사항입니다.

순환 접두사 OFDM : CP-OFDM

5G NR 다운 링크에서 사용되는 특정 버전의 OFDM은 순환 프리픽스 OFDM, CP-OFDM이며 LTE가 다운 링크 신호에 채택한 것과 동일한 파형입니다.

CP OFDM 내에서 OFDM 프레임의 데이터의 마지막 부분은 OFDM 프레임의 시작 부분에 추가되고 순환 프리픽스의 길이는 채널 지연 확산보다 크게 선택됩니다. 이는 지연 및 반사로 인해 발생할 수있는 심볼 간 간섭을 극복합니다. 이 외에도 채널 지연 확산은 두 간섭을 모두 고려할 수있을만큼 충분히 길도록 선택한 순환 프리픽스 길이에 따라 주파수에 따라 달라집니다. 이러한 이유로 CP 길이는 링크 조건에 따라 조정됩니다.

5G NR 업 링크는 4G LTE와 다른 형식을 사용했습니다. CP-OFDM 및 DFT-S-OFDM 기반 파형이 업 링크에 사용됩니다. 또한 5G NR은 유연한 부반송파 간격 사용을 제공합니다. LTE 부반송파는 일반적으로 15kHz 간격을 갖지만 5G NR을 사용하면 부반송파가 최대 간격이 240kHz 인 15kHz x 2s로 간격을 둘 수 있습니다. 캐리어의 직교성을 유지하려면 부분 캐리어 간격보다는 적분의 캐리어 간격이 필요합니다.

유연한 캐리어 간격은 5G NR이 수용해야하는 다양한 스펙트럼 대역 / 유형 및 배포 모델을 적절하게 지원하는 데 사용됩니다. 예를 들어 5G NR은 최대 400MHz의 더 넓은 채널 폭을 가진 mmWave 대역에서 작동 할 수 있어야합니다. 3GPP 5G NR Release-15 사양은 채널 폭에 따라 확장 할 수있는 부반송파 간격의 2s 확장으로 확장 가능한 OFDM 수비학을 자세히 설명하므로 FFT 크기가 확장되어 더 넓은 대역폭에 대해 처리 복잡성이 불필요하게 증가하지 않습니다. 유연한 캐리어 간격은 또한 시스템 내 위상 노이즈의 영향에 대한 추가 복원력을 제공합니다.

OFDM 파형을 사용하면 5G 용으로 고려되는 다른 파형 중 일부가 구현 된 경우 필요한 구현 복잡성에 비해 구현 복잡성이 낮습니다. 이 외에도 OFDM은 4G 및 기타 많은 무선 시스템에 사용 되었기 때문에 잘 알려져 있습니다.

DFT-s-OFDM

일반적으로 DFT-s-OFDM으로 약칭되는 직접 푸리에 변환 확산 OFDM은 5G와 같은 이동 통신 시스템에 상당한 유연성을 제공하는 OFDM과 결합 할 수있는 SC 또는 단일 반송파와 같은 전송 방식입니다. 더 일반적으로 SC-FDMA로 알려져 있습니다.

SC-FDMA의 전송 처리는 OFDMA의 전송 처리와 매우 유사합니다. 각 사용자에 대해 전송 된 비트 시퀀스는 심볼의 복잡한 배열 (BPSK, QPSK 또는 M- 구적 진폭 변조)에 매핑됩니다. 그런 다음 서로 다른 송신기 (사용자)에 서로 다른 푸리에 계수가 할당됩니다. 이 할당은 매핑 및 매핑 해제 블록에서 수행됩니다. 수신기 측은 수신 할 각 사용자 신호에 대해 하나의 디 매핑 블록, 하나의 IDFT 블록 및 하나의 감지 블록을 포함합니다. OFDM에서와 마찬가지로, 블록 사이의 시간 확산 (다중 경로 전파로 인한)으로부터 심볼 간 간섭을 효율적으로 제거하기 위해 심볼 블록간에 순환 반복이있는 보호 간격 (순환 프리픽스라고 함)이 도입됩니다.

5G 변조 고려 사항

전체 파형 형식 내에서 다양한 유형의 반송파 변조를 사용할 수 있습니다. 5G 통신 시스템 내에서 이들은 위상 편이 변조 및 직교 진폭 변조의 변형입니다.

다양한 변조 형식을 사용할 때 몇 가지 고려 사항이 있습니다.

  • 피크 대 평균 전력비, PAPR :피크 대 평균 전력 비율은 모든 5G 통신 변조 방식에서 고려해야하는 성능의 한 측면입니다. 피크 대 평균 비율은 전력 증폭기의 효율성에 큰 영향을 미칩니다. 2G GSM의 경우 신호 레벨이 일정했기 때문에 최종 RF 증폭기를 압축하여 높은 수준의 효율성을 얻고 배터리 수명을 최대화 할 수있었습니다.

    3G의 도래와 함께 HSPA 향상과 4G LTE가 등장하면서 변조 방식과 파형은 신호가 더 높은 수준의 피크 대 평균 전력 비율로 점진적으로 더 '첨두'가되었음을 의미합니다. 이는 최종 RF 증폭기가 압축 상태로 실행될 수 없음을 의미하며 PAPR이 증가함에 따라 RF 증폭기의 효율성이 떨어졌고 이는 배터리 수명을 단축시킨 요인 중 하나입니다.

    변조 순서는 PAPR에 큰 영향을 미치는 요소 중 하나입니다. "피크 니스"수준이 높을수록 RF 전력 증폭기 효율성으로 달성 할 수있는 효율성이 낮아 지지만 엔벨로프 추적 및 Doherty 증폭기와 같은 체계를 통해 만들어지다.

  • 스펙트럼 효율성 : 모든 형태의 5G 변조 방식의 주요 문제 중 하나는 스펙트럼 효율성입니다. 특히 3GHz 미만의 주파수에서 스펙트럼이 프리미엄 인 경우 5G에 채택 된 모든 변조 방식이 높은 수준의 스펙트럼 효율성을 제공 할 수 있어야합니다.

    예를 들어 16QAM과 달리 64QAM과 같은 높은 수준의 변조와 노이즈 성능 사이에는 종종 균형이 있습니다. 따라서 고차 변조 방식은 신호 대 잡음비가 좋은 경우에만 사용되는 경향이 있습니다.

5G 변조 : PSK 및 QAM

5G 기술에는 다양한 변조 형식이 사용됩니다. <. p>

  • 위상 편이 키잉 : 5G 기술은 직교 위상 편이 키잉 (QPSK)을 최하위 변조 형식으로 구현합니다. 이것은 가장 느린 데이터 처리량을 제공하지만 가장 강력한 링크를 제공하므로 신호 레벨이 낮거나 간섭이 높을 때 사용할 수 있습니다.

    π / 2BPSK라는 PSK의 또 다른 형태는 업 링크에서 DFT-s-OFDM과 함께 사용됩니다.

    PSK에 대한 참고 사항-위상 편이 키잉 :

    위상 편이 키잉, PSK는 특히 데이터 전송에 사용되는 변조의 한 형태입니다. 효과적인 데이터 전송 방법을 제공합니다. 채택 할 수있는 서로 다른 위상 상태의 수를 변경함으로써 주어진 채널 내에서 달성 할 수있는 데이터 속도는 증가 할 수 있지만 간섭 잡음에 대한 복원력은 낮아집니다.

  • 구적 진폭 변조 : 직교 진폭 변조를 통해 데이터 처리량을 늘릴 수 있습니다. 5G 이동 통신 시스템에서 사용되는 형식에는 16QAM, 64QAM 및 256QAM이 있습니다.

    변조 순서가 높을수록 처리량은 더 커지지 만 패널티는 잡음 복원력입니다. 따라서 256AM은 링크 품질이 좋을 때만 사용되며, 링크가 악화됨에 따라 64QAM, 16QAM 등으로 감소합니다. 데이터 처리량과 탄력성 사이의 균형입니다.

    QAM에 대한 참고 사항-직교 진폭 변조 :

    직교 진폭 변조 인 QAM은 다른 형태의 변조보다 더 나은 수준의 스펙트럼 효율성을 가능하게하므로 데이터 전송으로 널리 소송을 제기하고 있습니다. QAM은 두 개의 데이터 스트림 (I 또는 Inphase 및 Q-Quadrature 요소)에 의해 변조되는 동일한 주파수에서 90 ° 이동 된 두 개의 반송파를 사용합니다.

5G 기술과 함께 사용되는 파형 및 변조 유형은 새로운 모바일 통신 시스템에 필요한 스펙트럼 효율성, 데이터 처리량 및 복원력을 제공하기 위해 선택되었습니다.

5G 이동 통신은 매우 높은 데이터 처리량을 제공 할 수 있으므로 파형 및 변조가이를 지원하고 사용자에게 안정적인 서비스를 제공 할 수 있어야합니다.

무선 및 유선 연결 항목 :
모바일 통신 기본 사항 2G GSM3G UMTS4G LTE5GWiFiIEEE 802.15.4DECT 무선 전화기 NFC- 근거리 무선 통신 네트워킹 기본 사항 CloudEthernet 직렬 데이터 란 무엇입니까? USBSigFoxLoRaVoIPSDNNFVSD-WAN
무선 및 유선 연결로 돌아 가기

비디오보기: OFDM Simulation in MATLAB (12 월 2020).