CC BY
32
doi: 10.36724/2409-5419-2022-14-2-19-26
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВАРИАНТОВ МНОГОСТАНЦИОННОГО ДОСТУПА ДЛЯ СОТОВЫХ СЕТЕЙ 5G И 6G
ГОРГАДЗЕ АННОТАЦИЯ
Светлана Феликсовна1 Введение: внедрение сетей IMT2020 (5G) позволяет значительно улучшить ха-
рактеристики мобильных систем связи предыдущих поколений в части усовер-
ЕРМАКОВА шенствования широкополосного многостанционного доступа (eMBB -
Анастасия Всеволодовна2 enhanced Mobile Broadband) и обеспечения сверхнадежной связи с низкой за-
держкой (ULLRC - Ultra Low Latency Rellable Communication). Цель работы обзор и сравнительный анализ технологий многостанционного доступа для перспективных сетей мобильной связи, основу которых составляет OFDM. Результат: Рассмотрены общие принципы формирования и обработки сигналов при использовании вариантов сигналов с OFDM при использовании различных методов цифровой фильтрации поднесущих частот. При тех вариантах OFDM, когда может не использоваться циклический префикс (FBMC, UFMC) возможность увеличения скорости передачи информации является спорной, так как импульсные отклики фильтров, например при FBMC значительно превосходят длительность информационных сигналов, что увеличивает межсимвольную интерференцию. Практическая значимость: Проведенный анализ общих принципов построения устройств формирования и обработки сигналов физического уровня для вариантов OFDM при различных способах дополнительной цифровой фильтрации поднесущих частот показывает, что во всех случаях происходит значительное усложнение цифровых алгоритмов формирования и обработки сигналов при практическом отсутствии или в отдельных случаях небольшом выигрыше (не более (0.5-0.8) дБ в отношении сигнал/шум) по величине ошибки на информационный бит. На основе результатов компьютерного моделирования показано, что технология OFDM и ее варианты не позволяют получить прорывных решений в области характеристик сигналов физического уровня для сетей 5G и 6G, и следует рассматривать альтернативные варианты построения групповых сигнальных конструкций.
Сведения об авторах:
1 профессор, доктор технических наук, МТУСИ, Москва, Россия,
svetlana-gorgadze@yandex.ru КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: мультиплексирование с ортогональным частотным
разделением каналов, гребенка (банк) фильтров, поднесущая частота,
2 аспирант, МТУСИ, Москва, Россия, цифровая фильтрация поднесущих, фильтрация группы поднесущих, msikisylia@gmail.com эффективность радиоканала.
Для цитирования: Горгадзе С.Ф., Ермакова А.В. Эффективность вариантов многостанционного доступа для сотовых сетей 5G и 6G // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2022. Т. 14. № 2. С. 19-26. doi: 10.36724/2409-5419-2022-14-2-19-26
Введение
Внедрение сетей IMT2020 (5G) позволяет значительно улучшить характеристики мобильных систем связи предыдущих поколений в части усовершенствования широкополосного многостанционного доступа (еМВВ - enhanced Mobile Broadband) и обеспечения сверхнадежной связи с низкой задержкой (ULLRC - Ultra Low Latency Reliable Communication) [1, 2]. К новым возможностям таких сетей относятся поддержка на их основе интернета вещей (1оТ -Internet of Things), промышленного интернета вещей (ПоТ -Industrial Internet of Things) и обширных межмашинных коммуникаций (mMTC - massive Machine Type Communication) [3,4]. Несмотря на то, что стандартизация технологий и решений сетей 5G еще не завершена, по всему миру началась разработка технологии 6G с целью внедрения и развития новых интеллектуальных сервисов - таких как создание виртуальной и смешанной реальности, поддержка беспроводного взаимодействия мозга и компьютера, тактильной и голографической связи и т.д. [5]. Основные технические характеристики сетей 5G и 6G представлены в сводной таблице 1, составленной по результатам анализа зарубежных публикаций [5-8].
Таблица 1
Технические характеристики сетей 5G и 6G
Ключевые показатели 50 бО
эффективности
Пиковая скорость 10Гбит/с 1Тбит/с
передачи данных
Задержка 10 мс <1 мс
Спектральная эффективность ЗОбит /с/Гц 100бит/с/Гц
нисходящего канала
Повышение энергоэффективности, по срав- в 10 раз вЮОО раз
нению с 40
Плотность подключе- 106 устройств/км2 108 устройств/км2
ния
Диапазон частот БиЬ-б ГГц БиЬ-б ГГц (милли-
(миллиметровые волны для фиксированного доступа) метровые волны для фиксированного и мобильного доступа). Выше 300 ГГц - видимая с етовая полоса
Режим покрытия Сотовые сети Сотовые сети/ Интегрирование в аэрокосмические сети
Точность метр сантиметр
позиционирования
Чувствительность -120 дБм <-130 дБм
приемника
Надежность Высокая Высокая
Очевидно, что достижение столь высоких показателей эффективности требует прорывных решений на всех уровнях разработки этих сетей. Между тем, в качестве основной технологии многостанционного доступа как ранее для сетей
4G, так и для новых сетей 5G и 6G, рассматриваются варианты мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM - Orthogonal frequency-division multiplexing).
Цель данной работы - обзор и сравнительный анализ технологий многостанционного доступа для перспективных сетей мобильной связи, основу которых составляет OFDM.
1. Варианты многостанционного доступа
Несмотря на то, что варианты OFDM довольно подробно описаны в литературе, в русскоязычных источниках имеются некоторые разночтения в трактовке процедур, осуществляемых при их реализации [9, 10]. Поэтому ниже приводится описание их сути, соответствующее последующим способам их моделирования с целью сопоставления по эффективности.
Структурная схема устройства формирования сигнала с OFDM показана на рисунке 1а. Она предполагает использование цифрового блока обратного быстрого преобразования Фурье (ОБПФ), на входе которого последовательность двоичных информационных символов преобразуется в параллельные потоки комплексных канальных символов, предназначенных для I/Q модуляции поднесущих частот в соответствии с используемым вариантом квадратурной амплитудной модуляции (QAM).
Полученные комплексные числа будем называть информационными символами QAM, а соответствующие им сигналы, сформированные на поднесущих или высоких частотах - информационными сигналами QAM. Модуляция поднесущих частот на основе символов QAM осуществляется непосредственно в блоке ОБПФ, поскольку процедуру преобразования дискретного сигнала в нем можно рассматривать как перемножение матрицы, эрмитово-сопряженной так называемой матрице дискретных экспоненциальных функций (ДЭФ) [11], на комплексный спектр сигнала, в качестве которого в данном случае используются комплексные символы QAM.
Для реализации модуляции на входе блока ОБПФ с помощью временного окна производится выборка комплексных символов QAM, которые будут передаваться одновременно на всех поднесущих частотах, после чего производится их последовательно-параллельное преобразование в пределах этого окна. Таким образом, на выходе блока ОБПФ в параллельной форме будут дискретные отсчеты суммы поднесущих частот (групповой сигнал), модулированных в соответствии с передаваемыми канальными информационными символами, причем число поднесущих в общем случае равно числу одновременно передаваемых канальных информационных символов и числу отсчетов результирующего группового сигнала с выхода блока ОБПФ. Но число используемых поднесущих частот может быть и меньше, и их расстановка по выделенной полосе частот может быть произвольной. Для этого можно формально приравнять к нулю канальные символы, которые передаются на соответствующих неиспользуемых поднесущих частотах.
Затем к отсчетам сформированного фрагмента группового сигнала спереди добавляется циклический префикс, являющийся повторением его окончания, что упрощает его
обработку в блоке быстрого преобразования (БПФ) приемника при многолучевом распространении, так как линейная свертка результирующего сигнала обрабатывается как циклическая. Сигнал преобразуется в параллельно-последовательном и цифро-аналоговом преобразователях, переносится на рабочую частоту и передается на вход высокочастотного усилительного тракта передатчика.
Двопчпые
ннформмшшнмс
СИМВОЛЫ
Формирование Временное окно + Параллельно -
информационных символов QAM — - ОБПФ -
преобразование префикса преобразопа! те
а)
С выхода BpüMtíHHüe окно -
приемлика параллельна -
посисдоавгельнос
преобразование
Удаление БПФ Параллельно -
префикса преобразовали«
Канальный нформяштэдные символы QAM
б)
Рис. 1. Схемы формирования (а) и обработки (б) сигнала OFDM
В приемнике, показанном на рис. 16), входной сигнал с выхода его стандартного радичастотного блока переводится на видеочастоту, а затем преобразуется в аналого-цифровом преобразователе. Временное окно с длительностью, равной длительности канальных информационных сигналов для их последующей подачи на блок БПФ, можно правильно расположить относительно этих сигналов только в результате адекватной синхронизации канала связи по времени. В пределах этого временного окна реализуется последовательно-параллельное преобразование потока отсчетов канальных информационных сигналов.
Полученные отсчеты в параллельной форме подаются на блок, в котором реализуется быстрое преобразование Фурье (БПФ). С его выхода в параллельной форме получаем канальные информационные символы, каждый из которых был передан на своей поднесущей частоте. В эквалайзере производится оценка состояния канала обычно по принятым информационным символам пилотных поднесущих. Эти под-несущие используются и для решения задач синхронизации по времени. Оценки искажений сигнала, полученные в результате работы эквалайзера, используются при последующей обработке канальных информационных символов.
Наиболее перспективным вариантом OFDM считается технология, основанная на частотном мультиплексировании множества поднесущих при их фильтрации с использованием гребенки (банка) фильтров (FBMC - Filter-Banc Multi-Carriar Modulation). При этом на каждой поднесущей частоте используется квадратурная амплитудная модуляция со сдвигом ее составляющих по времени (OQAM - Offset Quadrature Amplitude Modulation). Этот вид модуляции в литературных источниках обозначают как FBMC/OQAM [12].
Как показано на рисунке 2а, комплексные канальные информационные символы, которые в случае классического варианта OFDM, рассмотренного выше, предназначались бы непосредственно для квадратурной амплитудной модуляции поднесущих частот в блоке ОБПФ, подаются на блок формирования канальных символов OQAM. Суть процедур, реализуемых в этом блоке, можно пояснить следующим образом: представим, что действительные и мнимые части символов QAM выстраиваются параллельно, в результате чего
получаются два потока чисел - один из действительных частей символов QAM, а другой из мнимых. Затем эти символы удваиваются, и поток мнимых частей смещается на один символ влево или вправо. У вновь полученных комплексных символов OQAM их действительные и мнимые части находятся напротив друг друга. При этом скорость передачи символов OQAM такая же, как и символов QAM, но скорость передачи исходного информационного потока уменьшилась в два раза. Для того, чтобы этого на происходило, надо увеличить скорость потока OQAM в два раза, но исходная скорость передачи информации остается такой же, как и в случае классического варианта OFDM.
Сформированный поток комплексных символов OQAM преобразуется в последовательно-параллельном преобразователе в пределах необходимого временного окна для выделения символов, которые будут передаваться одновременно, и поступает на блок ОБПФ. Обычно используются параллельно два таких блока (ОБПФ1 и ОБПФ2) - один для потока действительных частей символов QAM (в качестве мнимых частей комплексных символов передаются нули), а другой - для мнимых частей (в качестве действительных частей передаются нули). Отметим, что применение QAM в сочетании с фильтрацией сигналов на каждой поднесущей частоте позволяет одновременно уменьшить как интерференцию между синфазными и квадратурными составляющими сигналов QAM, так и классическую межсимвольную интерференцию между ними.
Цифровая фильтрация сигнала на каждой поднесущей частоте при FBMC не может быть реализована на выходе блока ОБПФ, так как с него поступает сумма сигналов на всех поднесущих в параллельной форме. Поэтому она осуществляется непосредственно вместе с процедурой ОБПФ путем преобразования цифрового сигнала с помощью PPN (PolyPhase Network) [12]. В зависимости от типа применяемых фильтров можно обеспечить лучшую частотную или (и) временную локализацию информационного сигнала на каждой поднесущей частоте, по сравнению с OFDM. При этом хорошая частотная локализация позволяет уменьшить межсимвольную интерференцию, как и временная локализация.
Интерференцию синфазных и квадратурных символов позволяет уменьшить и их сдвиг по времени. Одновременное улучшение локализации символов как по частоте, так и по времени позволяют обеспечить следующие цифровые фильтры: с импульсной характеристикой, соответствующей так называемой функции IOTA (Isotropic Orthogonal Transform Algorithm), с регулируемой характеристикой приподнятого косинуса, типа TFL1 [12,13], обладающего довольно низкой вычислительной сложностью преобразования цифрового сигнала на приемной стороне, по сравнению с другими типами цифровых фильтров, также при разработке банка фильтров используется преобразование Эрмита.
Благодаря хорошей временной локализации канальных информационных сигналов при FBMC может не использоваться циклический префикс. Далее, сигналы с выходов блоков ОБПФ1 и ОБПФ2 с PPN складываются, преобразуются в параллельно-последовательном и цифро-аналоговом преобразователях и подаются на высокочастотный усилительный тракт радиопередатчика.
Сим воя» ЦААЙпрмбраммдпе __ OQAM М
последовательно ■ ■ параллельное
ОБПФ 4 burn. Фи.'1Ы(шо
Лорнллмыю -
* llUUlCUUlSTejUHOC
преобразование
а)
С вьииш увяяниа. Времеппое окно * последовательно параллельное преобразование — EnOl+PPN
Временное окно со сдвигом + последовательно -параллельное преобразование — Bl№2'PFN
QAM
Параллельно преобразование Преобразование OQAM и QAM
б)
Рис. 2. Схемы формирования (а) и обработки (б) сигнала FBMC/OQAM
Очевидно, что в структуре переданных информационных сигналов OQAM содержатся информационные сигналы QAM. На приемной стороне локализация временного окна для подачи сигнала на блок БПФ может быть осуществлена по границам действительных канальных сигналов QAM. В этом случае при обработке сигнала в последующем блоке БПФ ортогональными будут только действительные их части, переданные на разных поднесущих частотах, а мнимые части не будут ортогональны. Но также можно использовать локализацию временного окна по границам мнимых составляющих (со сдвигом по времени на один символ OQAM), и тогда ортогональными будут лишь мнимые части сигнала QAM. Поэтому так же, как и при формировании этого сигнала, на приемной стороне необходимо использовать два параллельных канала для обработки его действительной и мнимой частей как показано на рисунке 26.
Процедура БПФ осуществляется вместе с цифровой фильтрацией поднесущих частот с помощью PPN. При этом с выхода верхнего блока Bn®l+PPN используем лишь действительные части, а с выхода Bn®2+PPN - лишь мнимые части. После их объединения получаем символы OQAM в параллельной форме. После их параллельно-последовательного преобразования и соответствующего сдвига по времени получим поток символов QAM. С другой стороны, с выхода приемника можно сразу разделить действительную и мнимую части принятого сигнала. Суть процедур, описанных выше, при этом не изменяется. Ранее в ряде работ было показано, что при FBMC не целесообразно использовать эквалайзер на приемной стороне из-за того, что мнимые составляющие принимаемого сигнала не являются ортогональными. В действительности это не так, поскольку эквалайзер следует использовать после восстановления переданных символов QAM. Но надо учитывать, что эквалайзер - это довольно инерционное устройство, и его использование в сочетании с «длинными» импульсными откликами фильтров, которые существенно превосходят длительности информационных сигналов, приведет к значительной задержке при обработке сигналов и инерционности всего приемника. В последнее время появились работы, в которых разработаны новые конструкции эквалайзеров, которые используются в системах с FBMC в обратном канале в
сочетании с большими массивами антенн на базовой станции, и доказана их высокая эффективность [13].
Заслуживает внимания вариант OFDM с ортогональным частотным разделением сигналов при фильтрации групп поднесущих частот (F-OFDM - Filtered Orthogonal frequency-division multiplexing). В этом случае параллельный поток символов QAM с N одновременно передаваемыми символами делится на Р подпотоков с одинаковым или разным количеством символов, передаваемых одновременно в каждом из них, как показано на рисунке За. Для понимания сути последующих преобразований представим, что в каждом под-потоке количество одновременно передаваемых символов увеличено до N символов путем добавления нулей. Затем эти подпотоки одновременно подаются на Р блоков ОБПФ, к сигналам на выходах которых могут добавляться циклические префиксы, как показано на рисунке За. Но необходимость использования префиксов зависит от характеристик последующих цифровых фильтров, которые находятся на выходе блоков ОБПФ. На рисунке За фильтры показаны как их цифровые импульсные отклики (весовые окна) fi[n], i=l,..,P.
Отметим, что длина весового окна фильтра оказывает решающее влияние на характеристики системы с F-OFDM, так как ее увеличение позволяет уменьшить внеполосные излучения и межсимвольную интерференцию благодаря улучшению частотной локализации сигналов, передаваемых одновременно поднесущих частотах, но одновременно увеличивается длительность символов. С другой стороны, использование более коротких временных окон улучшает временную локализацию информационных сигналов. Довольно часто используются весовые окна с длиной, соответствующей длине циклического префикса, который в этом случае не используется. Например, в работе [5] рассматривается использование окна Дольфа-Чебышева с подавлением бокового лепестка, составляющем 60дБ. Затем сигналы с выходов всех фильтров складываются, преобразуются в параллельно-последовательном и цифро-аналоговом преобразователях. Полученный результирующий сигнал преобразуется на рабочую частоту и передается на высокочастотный усилительный тракт радиопередатчика. В действительности нет необходимости использовать N-точечное ОБПФ Р раз, так как существуют ускоренные алгоритмы работы с усеченными матрицами ДЭФ. На приемной стороне осуществляются обратные преобразования полученного сигнала в соответствии с рисунком 36.
Целью использования F-OFDM является улучшение характеристик сигнала, по сравнению с классическим вариантом OFDM, так как он позволяет уменьшить уровень внепо-лосных излучений и одновременно - частотную и временную локализацию поднесущих частот, то есть уменьшить межсимвольную интерференцию как по сравнению с классическим вариантом OFDM, так и с возможным вариантом использования дополнительной фильтрации всего сигнала OFDM с целью снижения лишь внеполосных излучений. Преимущества F-OFDM, по сравнению с FBMC, объясняются меньшей длительностью импульсных откликов применяемых фильтров.
('1№Ш QAM ,
ИкМпМЛЧШ»-
ЧБПФЦ1 ШфЫЭОЫЮ- ItoMiMieimiic прпмрччишис ! - ! Дтияшк
оы№;:, шх-mtiMiauBt |||<1Й|:« ищите 1 ДОШКИ* 1
лр^Ш"
ОШф; j:1 linriN:
грешртиште П^иш
Таблица 2
UfuftM»- j
> 1ГССКД0И1ИН11Й -
гррюрюмгс.!
a)
Дцилпешв -Лси.мешва1сл1ны0 пргобр:
Удиеппе
ШШШЧЛШО префикса
Удаление шшшчеасга
Ушаше
UIIflll'IClKO] о
префшхл
Паршепио -
UDtiirJOBUIC-tbliUil -
б)
Рис. 3. Схемы формирования (а) и обработки (б) сигнала F-OFDM
Следующий вариант OFDM можно рассматривать как сочетание FBMC и F-OFDM, когда производится мультиплексирование блоков поднесущих частот и их фильтрация с помощью универсальных фильтров (UFMC - Universal Filtered Multicarrier). В этом случае поток символов OQAM получают из потока QAM так же, как и в случае FBMC, затем их преобразование в передатчике осуществляется так же, как и при F-OFDM. Таким образом, при UFMC, в отличие от FBMC, происходит фильтрация не каждой поднесу-щей, а группы соседних поднесущих частот. При этом оказывается возможным уменьшить внеполосные излучения, по сравнению с OFDM, без существенного увеличения длины символа, что имеет место в случае FBMC. Очевидным преимуществом UFMC, по сравнению с FBMC, будет меньшая задержка передачи данных [10].
2. Результаты моделирования
С целью сравнения систем с OFDM, FBMC, F-OFDM и UFMC по таким показателям эффективности как вероятность ошибки на информационный бит и значению пик-фактора результирующего сигнала при разных характеристиках канала связи была разработана имитационная модель их работы с среде MATLAB 2021. Параметры модели каналов связи перечислены в таблице 2.
Во всех случаях предполагалось использование эквалайзера на приемной стороне.
Параметры модели каналов связи
Канал с быстрыми Канал с медленными
замираниями замираниями
Но вари- Относительная Средняя Относительная Средняя
анта задержка при мощность задержка (не) мощность
передаче сигнала сигнала
сигнала (не) (ДБ) (ДБ)
1 0 0 0 0
2 300 -1 205 -0,9
3 720 -10 205 -5,9
4 1050 -11 1270 -9
5 1630 -15 2350 -8
6 2530 -21 3720 -24,9
Таблица 3
Параметры сигналов
Параметр OFDM FBMC FOFDM UFMC
Тип модуляции QAM-4, QAM-16, QAM-64, QAM-256 QAM-4, QAM-16, QAM-64, QAM-256 QAM-4, QAM-16, QAM-64, QAM-256 QAM-4, QAM-16, QAM-64, QAM-256
Размер БПФ/ число исполь- 256/200, 512/300 256/200, 512/300 256/200, 512/300 256/200, 512/300
зованных
поднесущих
Тип фильтра На основе преобразования Эрмита Окно Ханнинга Окно Дольфа-Чебышева
Длина циклического префикса 4,8
Разнос 15 15 15 15
поднесущих (кГц)
Модель канала Модель Джейкса Модель Джейкса Модель Джейкса Модель Джейкса
Скорость абонента (км/ч) 10, 200, 500 10,200, 500 10,200, 500 10, 200, 500
Несущая частота (ГГц) 2.5 2.5 2.5 2.5
I» 15 211
Отношение сигнал/шум
Рис. 4. Сравнение коэффициента битовой ошибки при аддитивном белом гауссовском шуме каналу в случае 200 поднесущих и ддм-4, ддм-1б, ддм-б4 и ддм-25б
Для вышеперечисленных вариантов OFDM результаты моделирования зависимости вероятности ошибки на информационный бит от отношения сигнал/шум в случае использования 200 поднесущих показаны на рисунке 4, из анализа которого следует, что эффективность FBMC, F-OFDM и UFMC практически одинаковая, но позволяет обеспечить довольно небольшой выигрыш порядка (0.5-1)дБ в отношении сигнал/шум, по сравнению с классическим вариантом OFDM.
На рисунке 5 показаны результаты моделирования коэффициента битовой ошибки в канале связи с быстрыми замираниями при числе используемых поднесущих, равном 200, QAM-64 и разных скоростях движения абонентской станции. Как видно, эффективность F-OFDM, UFMC и OFDM приблизительно одинаковая. При низких скоростях (меньше 100км/ч) FBMC незначительно проигрывает всем остальным вариантам OFDM. Но при больших скоростях порядка и более 200 км/ч FBMC значительно (до ЗдБ в отношении сигнал/шум) выигрывает, по сравнению с другими вариантами. Но выигрыш имеет место только при сравнительно больших отношениях сигнал/шум - порядка 30-35дБ. Типичные значения вероятности ошибки на бит составляют при этом более 10~2. Это объясняется, по-видимому, тем, что довольно высокая эффективность F-OFDM, UFMC и OFDM, по сравнению с FBMC при движении абонентской стации объясняется использованием эквалайзера, работа которого при высоких скоростях передачи информации становится неэффективной из-за его инерционности, в случае FBMC в данном случае эквалайзер не используется. Но выигрыш при FBMC имеет место при столь высоких значениях вероятности ошибки на бит, что даже и использование FBMC в этом случае не эффективно.
id'г
500 km/h
■е»
---OFDM
—a— FBMC
* FOFDM -е-UFMC
10 km/H
Iff
30
35
шении сигнал/шум) проигрывают OFDM, но проигрыш имеет место при значительных отношениях сигнал/шум, превышающих 25-27дБ.
#
С! О
M
10 IS 20 25 JO 35
Отношение сигнал/шум
Рис. 6. Коэффициент битовой ошибки в канале с медленными замираниями в случае 200 поднесущих, скорости 10 км/ч и QAM-4, QAM-16, QAM-64
Важной характеристикой системы связи является значение пик-фактора ее группового сигнала физического уровня. Результаты исследования комплементарных интегральных функций распределения значений пик-фактора для рассматриваемых вариантов сигналов представлены на рисунке 7.
Из анализа этого рисунка следует, что использование любых типов фильтрации поднесущих частот приводит к увеличению пик-фактора результирующего сигнала, по сравнению с OFDM, которое достигает 1дБ при FBMC. Но в целом оно не слишком значительно, как можно было бы предполагать.
Результаты моделирования спектральных плотностей мощности исследуемых вариантов OFDM представлены на рисунке 8, которые соответствует очевидному результату, состоящему в том, что фильтрация поднесущих частот приводит к уменьшению уровня внеполосных излучений, причем наибольший выигрыш в их уменьшении позволяет получить OFDM, по сравнению с OFDM.
5 10 15 20 25
Отношение сигнал/шум
Рис. 5. Коэффициент битовой ошибки в канале связи с быстрыми замираниями в случае 200 поднесущих, QAM-64 и скоростей 10, 200, 500 км/ч
На рисунке 6 показан коэффициент битовой ошибки в случае канала связи с медленными замираниями при скорости 20 км/ч и использовании 200 поднесущих. Как видно, наилучшими характеристиками обладает вариант классического OFDM. FBMC и F-OFDM примерно одинаковы по эффективности и довольно значительно (на 4-5 дБ в отно-
, Комплементарные интегральные функции распределения для QAM-4, QAM-64, QAM-256 при использовании 200 поднесущих частот
и -
I -1» -I -J(t -
I *
0
S -JO ■
3 -511 -
3
В -611 -
1
Г'
a -en -
и
-111 J -100 -
-JO -41) -ill -10 -10 II 111 ill .in W Si
Частота
Рис. 8. Спектральные плотности мощности исследуемых вариантов OFDM для QAM-64 при 24 поднесущих частотах
Заключение
Проведенный анализ общих принципов построения устройств формирования и обработки сигналов физического уровня для вариантов OFDM при различных способах дополнительной цифровой фильтрации поднесущих частот показывает, что во всех случаях происходит значительное усложнение цифровых алгоритмов формирования и обработки сигналов при практическом отсутствии или в отдельных случаях небольшом выигрыше (не более (0.5-0.8) дБ в отношении сигнал/шум) по величине ошибки на информационный бит. При тех вариантах OFDM, когда может не использоваться циклический префикс (FBMC, UFMC) возможность увеличения скорости передачи информации является спорной, так как импульсные отклики фильтров, например при FBMC значительно превосходят длительность информационных сигналов, что увеличивает межсимвольную интерференцию.
Основным, но спорным преимуществом сигналов с цифровой фильтрацией поднесущих частот является значительный выигрыш в уровне внеполосных излучений, по сравнению с классическим вариантом OFDM. Но следует обратить внимание на то, что этот уровень на практике существенно зависит от искажений сигнала в радиопередатчике, и связан с его пик-фактором сигнала. Увеличение пик-фактора при использовании цифровой фильтрации поднесущих частот даже на 1дБ несомненно приведет либо к увеличению внеполосных излучений, либо к снижению выходной мощности передатчика [14]. В работе [13] при использовании разработанного варианта эквалайзера в сочетании с большим числом антенн (более 100) на базовой станции показано, что в обратном канале вероятность ошибки на бит в случае использования FBMC приближается к эффективности классического варианта OFDM. То есть выигрыш, по сравнению с OFDM будет только по скорости передачи информации (около 7%) из-за отсутствия циклического префикса и по
уровню внеполосных излучений. Таким образом, технология OFDM не позволяет получить прорывных решений в области характеристик сигналов физического уровня для сетей 5G и 6G, и следует рассматривать альтернативные варианты построения групповых сигнальных конструкций, которые в сочетании с антеннами системами больших размерностей тоже возможно позволят существенно повысить эффективность каналов связи.
Литература
1. J. Tao, M. Umair, M. Ali, and J. Zhou. The impact of Internet of Things supported by emerging 5G in power systems: a review II CSEE Journal ofPower and Energy Systems, vol.6, no. 2,2019, pp. 344-352.
2. M. Shaft, A. F. Molisch, P. J. Smith et al. 5G: a tutorial overview of standards, trials, challenges, deployment, and practice II IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 35, no. 6, 2017, pp. 12011221.
3. J. G. Andrews, S. Buzzi, W. Choi et al. What will 5G be? II IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 32, no. 6, 2014, pp. 1065-1082.
4. M. Agiwal, A. Roy, and N. Saxena. Next generation 5G wireless networks: a comprehensive survey II IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 18, no. 3, 2016, pp. 1617-1655.
5. K.B. Letaief, W. Chen, Y. Shi, J. Zhang, Y.A. Zhang. The roadmap to 6G: AI-empowered wireless networks II IEEE Commun. Mag., no. 57 (8) (Aug. 2019), pp. 84-90.
6. K.B. Letaief, W. Chen, Y. Shi, J. Zhang, Y.A. Zhang. The roadmap to 6G: AI-empowered wireless networks II IEEE Commun. Mag., no. 57 (8) (Aug. 2019), pp. 84-90.
7. T.S. Rappaport, Y. Xing, O. Kanhere et al. Trichopoulos Wireless communications and applications above 100 GHz: opportunities and challenges for 6G and beyond II IEEE Access, 7 (July 2019), pp. 7872978757.
8. W. Saad, M. Bennis, M. Chen. A vision of 6G wireless systems: applications, trends, technologies, and open research problems. 2020, 10.1109/MNET.001.1900287.
9. Гришин И.В., Калинкина A.A. Обзор методов многочастотной модуляции сигналов в современных сетях беспроводной связи II Информационные технологии и коммуникации. Том 8. №2. С. 55-66, 2020.
10. Ворожищев И.В., Бочечка Г.С., Тихвинский В.О. Сравнительный анализ использования технологий UFMC и OFDM в сетях 5GII Электросвязь. №11,2017. С. 46-51.
11. Трахтман A.M., Трахтмат В.А. Основы теории дискретных сигналов на конечных интервалах. М.: Сов. Радио, 1975.
12. J.Nadal, C.A.Nour, A.Baghdadi. Hardware prototyping of FBMC/OQAM baseband for 5G mobile communication II IEEE Trans. Signal Process., vol. 50,pp. 1170-1183,May 2014.
13. H.Hosseiny, A.Farhang, B. Farhang-Boroujeny. FBMC Receiver Design and Analysis for Medium and Large Scale Antenna Systems. https://arxiv.org/abs/2103.12806, Mar 2021.
14. Горгадзе С.Ф., СмирновА.В. ПотенциальныйКПДусилите-лей сложных композитных сигналов II Электросвязь. №2, 2016. С. 68-74.
EFFICIENCY OF MULTIPLE ACCESS OPTIONS FOR 5G AND 6G CELLULAR NETWORKS
SVETLANA F. GORGADZE
Moscow, Russia, svetlana-gorgadze@yandex.ru
ANASTASIA V. ERMAKOVA
Moscow, Russia, msikisylia@gmail.com
KEYWORDS: orthogonal frequency division multiplexing, filter bank, sub-carrier frequency, digital sub-carrier filtering, sub-carrier group filtering, radio channel efficiency.
ABSTRACT
Introduction: IMT2020 (5G) networks can significantly improve the performance of previous generation mobile communication systems in terms of improving broadband multiple access (eMBB - enhanced Mobile Broadband) and providing ultra-reliable low-latency communication (ULLRC -Ultra Low Latency Rellable Communication). The purpose of the work is to review and comparative analysis of multiple access technologies for promising mobile communication networks, which are based on OFDM. Result: The general principles of signal generation and processing when using variants of signals with OFDM using various methods of digital filtering of subcarrier frequencies are considered. For those OFDM options where a cyclic prefix may not be used (FBMC, UFMC), the possibility of increasing the information transfer rate is controversial, since the impulse responses of filters, for example, with FBMC, significantly exceed the duration of information signals, which increases intersymbol interference. Practical significance: The analysis of the general principles for constructing devices for generating and processing physical layer signals for OFDM variants with various methods of additional digital filtering of subcarrier frequencies shows that in all cases there is a significant complication of digital algorithms for generating and processing signals with a practical absence or in some cases a small gain (not more than (0.5-0.8) dB in relation to signal/noise) by the magnitude of the error per information bit. Based on the results of computer simulation, it is shown that OFDM technology and its variants do not allow obtaining breakthrough solutions in the field of physical layer signal characteristics for 5G and 6G networks, and alternative options for building group signal structures should be considered.
REFERENCES
1. J. Tao, M. Umair, M. Ali, and J. Zhou. (2019). The impact of Internet of Things supported by emerging 5G in power systems: a review. CSEE Journal of Power and Energy Systems, vol.6, no. 2, pp. 344-352.
2. M. Shafi, A. F. Molisch, P. J. Smith et al. (2017). 5G: a tutorial
overview of standards, trials, challenges, deployment, and practice. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 35, no. 6, pp. 1201-1221.
3. J. G. Andrews, S. Buzzi, W. Choi et al. (2014). What will 5G be? IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 32, no. 6, pp. 1065-1082.
4. M. Agiwal, A. Roy, and N. Saxena. (2016). Next generation 5G wireless networks: a comprehensive survey. IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 18, no. 3, pp. 1617-1655.
5. K.B. Letaief, W. Chen, Y. Shi, J. Zhang, Y.A. Zhang. (2019). The roadmap to 6G: Al-empowered wireless networks. IEEE Commun. Mag., no. 57 (8) (Aug. 2019), pp. 84-90.
6. K.B. Letaief, W. Chen, Y. Shi, J. Zhang, Y.A. Zhang. (2019). The roadmap to 6G: Al-empowered wireless networks. IEEE Commun. Mag., no. 57 (8) (Aug. 2019), pp. 84-90.
7. T.S. Rappaport, Y. Xing, O. Kanhere et al. (2019). Trichopoulos Wireless communications and applications above 100 GHz: opportunities and challenges for 6G and beyond. IEEE Access, 7 (July 2019), pp. 78729-78757.
8. W. Saad, M. Bennis, M. Chen. (2020). A vision of 6G wireless systems: applications, trends, technologies, and open research problems. 2020, 10.1109/MNET.001.1900287.
9. I.V. Grishin, A.A. Kalinkina. (2020). Review of methods of multi-frequency signal modulation in modern wireless networks. Information technologies and communications. Vol. 8. No. 2. pp. 55-66.
10. I.V. Vorozhishchev, G.S. Bochechka, V.O. Tikhvinsky. (2017). Comparative analysis of the use of UFMC and OFDM technologies in 5G networks. Elektrosvyaz. No. 11, pp. 46-51.
11. A.M. Trakhtman, V.A. Trakhtmat. (1975). Fundamentals of the theory of discrete signals on finite intervals. Moscow: Sov. Radio.
12. J. Nadal, C.A. Nour, A. Baghdadi. (2014). Hardware prototyping of FBMC/OQAM baseband for 5G mobile communication. IEEE Trans. Signal Process., vol. 50, pp. 1170-1183, May 2014.
13. H.Hosseiny, A.Farhang, B. Farhang-Boroujeny. (2021). FBMC Receiver Design and Analysis for Medium and Large Scale Antenna Systems. https://arxiv.org/abs/2103.12806, Mar 2021.
14. S.F. Gorgadze, A.V. Smirnov. (2016). Potential efficiency of amplifiers of complex composite signals. Elektrosvyaz. No. 2, pp. 68-74.
INFORMATION ABOUT AUTHORS:
Svetlana F. Gorgadze, Professor, Doctor of Technical Sciences, MTUCI, Moscow, Russia Anastasia V. Ermakova, PhD student, MTUCI, Moscow, Russia
For citation: Gorgadze S.F., Ermakova A.V. Efficiency of multiple access options for 5G and 6G cellular networks. H&ES Reserch. 2022. Vol. 14. No 2. P. 19-26. doi: 10.36724/2409-5419-2022-14-2-19-26 (In Rus)
