CC BY
225
СХЕМЫ МОДУЛЯЦИИ ДЛЯ СИСТЕМ СОТОВОЙ СВЯЗИ
5G/IMT-2020 И 6G
Бакулин Михаил Германович,
МТУСИ, Москва, Россия, m.g.bakulin@gmail.co
Бен Режеб Тауфик Бен Камель,
МТУСИ, Москва, Россия, benrejebt@yandex.ru
Крейнделин Виталий Борисович,
МТУСИ, Москва, Россия, vitkrend@gmail.com
Миронов Юрий Борисович,
МТУСИ, Москва, Россия, i.b.mironov@mtuci.ru
Панкратов Денис Юрьевич,
МТУСИ, Москва, Россия, dpankr@mail.ru
Смирнов Алексей Эдуардович,
МТУСИ, Москва, Россия, smirnov.al.ed@gmail.<
В последние годы сети связи пятого поколения 5G (Fifth Generation), а также сети связи шестого поколения 6G (Sixth Generation) вызывают обширный исследовательский интерес. Согласно проекту 3GPP (3rd Generation Partnership Project), сети связи 5G должны поддерживать три основных сценария использования: улучшенную мобильную широкополосную связь (enhanced Mobile Broadband, eMBB), массовую межмашинную связь (Massive Machine-Type Communications, mMTC) и сверхнадежную межмашинную связь с низкими задержками (Ultra-Reliable Low Latency Communication, URLLC). Вдобавок к этому, одной из ключевых услуг, предоставляемых сетями связи 5G считается сценарий "автомобиль - все окружение" (enhanced vehicle-to-everything, eV2X). Эти сценарии требуют массового подключения устройств с высокой пропускной способностью и улучшенной спектральной эффективности, что создает серьезные проблемы для внедрения сетей связи 5G и 6G. Использование традиционных схем модуляции и технологий множественного доступа (Multiple Access, MA) не позволит достичь требуемых показателей в сетях связи 5G и 6G. Применение новых типов модуляции сигнала и технологий множественного доступа становится необходимым для удовлетворения растущим требованиям к сетям связи 5G и 6G. От выбора конкретного типа модуляции зависят такие характеристики системы связи, как пропускная способность, помехоустойчивость, емкость. Для обеспечения работы сетей связи в соответствии с требованиями к сетям 5G и 6G были предложены различные типы модуляции, основанные на фильтрации поддиапазонов, формировании импульсов и прекодировании для уменьшения внеполосной интерференции. Данная статья посвящена обзору основных типов модуляции для систем 5G и 6G.
DOI: 10.36724/2072-8735-2022-16-3-11-17
m
Manuscript received 26 January 2022; Accepted 28 February 2022
com
Ключевые слова: системы 5G, системы 6G, типы модуляции, OFDM, UFMC, f-OFDM
Информация об авторах:
Бакулин Михаил Германович, доцент, к.т.н., МТУСИ, Москва, Россия Бен Режеб Тауфик Бен Камель, декан, к.т.н., МТУСИ, Москва, Россия
Крейнделин Виталий Борисович, заведующий кафедрой, профессор, д.т.н., МТУСИ, Москва, Россия Миронов Юрий Борисович, декан, к.т.н., МТУСИ, Москва, Россия Панкратов Денис Юрьевич, доцент, к.т.н., МТУСИ, Москва, Россия Смирнов Алексей Эдуардович, доцент, к.т.н, МТУСИ, Москва, Россия
Для цитирования:
Бакулин М.Г., Бен Режеб Т.Б.К., Крейнделин В.Б., Миронов Ю.Б., Панкратов Д.Ю., Смирнов А.Э. Схемы модуляции для систем сотовой связи 5G/IMT-2020 и 6G // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2022. Том 16. №3. С. 11-17.
For citation:
Bakulin M.G., Rejeb T.B.K., Kreyndelin V.B., Mironov Yu.B., Pankratov D.Y., Smirnov A.E. (2022). Modulation for cellular 5G/IMT-2020 and 6G networks. T-Comm, vol. 16, no.3, pр. 11-17. (in Russian)
Введение
Для передачи данных в системах связи могут быть использованы две основные категории сигналов: сигналы с одной несущей и сигналы со многими несущими (поднесу-щими). В системах связи предыдущих поколений 2G и 3G использовались сигналы с одной несущей, а в системах связи 4G (Long Term Evolution, LTE-Advanced) уже со многими несущими. Такие же сигналы были унаследованы в системах связи 5G. Для сигналов с одной несущей характерно небольшое значение отношения пиковой мощности к средней мощности (Peak-to-Average Power Ratio, PAPR), что обеспечивает их высокую энергоэффективность. Область применения сигналов с одной несущей - устройства Интернета вещей (Internet of Things, IoT) с длительным сроком службы аккумуляторной батареи абонентского устройства. Кроме того, преимущества данных сигналов в минимизации потерь при передаче по радиоканалу становятся заметны на высоких несущих частотах [1]-[4].
Сигналы со многими несущими позволяют гибко распределять ресурсы в частотной области, а также обеспечивать высокую спектральную эффективность при их совместном использовании с технологией MIMO (Multiple Input Multiple Output). Помимо этого, такой вид сигналов легко совместим с новой технологией неортогонального множественного доступа (Non-Orthogonal Multiple Access, NOMA). Именно по этим причинам в системах связи 5G, в основном, используются сигналы со многими несущими.
Для модуляции сигнала на уровне поднесущих в системах связи 5G как на восходящей линии, так и на нисходящей линии могут быть использованы следующие схемы модуляции:
• квадратурная фазовая модуляция (Quadrature Phase Shift Keying, QPSK);
• квадратурная амплитудная модуляция (Quadrature Amplitude Modulation, QAM) различной кратности (16-QAM, 64-QAM, 256-QAM).
Помимо этого, для нисходящей линии также возможно использование модуляции 1024-QAM с целью обеспечения более высоких скоростей передачи данных, а для нисходящий линии в сценарии mMTC с целью повышения эффективности передачи при низких скоростях может быть использована модуляция л/2-BPSK (Binary Phase Shift Keying) [1]-[8].
Как известно, увеличение порядка модуляции требует повышения отношения сигнал-шум (ОСШ) для достижения приемлемых показателей помехоустойчивости. В таблице 1 приведены требуемые значения ОСШ для различных типов модуляции без помехоустойчивого кодирования, при которых уровень коэффициента битовых ошибок (Bit Error Rate, BER) составляет порядка 10-3.
Таблица1
Необходимые значения отношения сигнал/шум для передачи с различными типами модуляции при BER=10-3 [9]
Модуляция BPSK QPSK 16-QAM 64-QAM 256-QAM
SNR 7 10 17,5 24 30
Из таблицы 1 можно увидеть, что диапазон изменения значений ОСШ в зависимости от типа модуляции составляет
около 23 дБ, а спектральная эффективность при этом изменяется в 8 раз из-за применения различных типов модуляции.
Вероятно, что при дальнейшем развитии сетей связи набор поддерживаемых типов модуляции будет расширен, а также новые виды модуляции для разных категорий будут включены в спецификации 3GPP [5].
Выбор типа модуляции влияет, в первую очередь, на скорость передачи данных в каналах с фиксированной полосой частот. Например, в таблице 2 приведены пиковые скорости передачи данных в системе связи 5G для различных типов модуляции в каналах с шириной полосы 400 и 900 МГц. Стоит также отметить, что достижение скоростей передачи данных, указанных в таблице 2, возможно при использовании технологии OFDM и зависит от скорости помехоустойчивого кодирования, числа поднесущих и расстояния между ними.
Таблица 2
Максимально достижимые скорости передачи данных в каналах с фиксированной шириной полосы в системах связи
5G [9]
Ширина канала, МГц Максимально достижимые скорости передачи данных для разных типов модуляции, Гбит/с
BPSK Q 16-QAM 64-QAM 256-QAM
400 0 0,71 1,42 2,13 2,85
900 0 1,53 3,06 4,59 6,11
Как видно из таблицы 2, обеспечить требуемую для систем связи 5 G скорость передачи данных 10 Гбит/с в канале связи с шириной полосы в 400 МГц практически невозможно. Даже при передаче данных в канале связи с шириной полосы 900 МГц можно достичь порядка 60% от требуемого показателя скорости передачи данных систем связи 5 G и только при использовании модуляции высокой кратности 256-QAM и значении ОСШ порядка 30 дБ. Использование модуляции меньшей кратности позволяет снизить требования к значению ОСШ, но и скорости передачи данных при этом будут значительно ниже.
Говоря о сетях связи 6G, стоит отметить, что выбор типа модуляции будет зависеть от энергетической эффективности, спектральной эффективности, сложности реализации, надежности системы связи и устойчивости к внешним радиочастотным помехам, а в случае организации связи по видимому свету (Visible Light Communication, VLC) еще и от источников света. В случае использования радиосигналов в сетях связи 6G предложены три типа модуляции OFDM [1], [11], [12]:
• с добавлением циклического префикса, с фильтрацией с помощью оконной функции (Windowed OFDM, W-OFDM);
• с фильтрацией группового сигнала (Filtered OFDM, F-OFDM);
• с универсальной фильтрацией группового сигнала (Universally Filtered OFDM, UF-OFDM).
Помимо передачи данных с использованием радиосигналов, в системах связи 6G также возможна передача данных по видимому свету VLC. Если в случае модуляции радиосигнала производится изменение одной или нескольких его характеристик (амплитуда, фаза, частота), то при передаче
T-Comm Том 16. #3-2022
данных с использованием технологии VLC в рамках модуляции сигнала производится изменение интенсивности света, излучаемого источником. Заметим, что типы модуляции для технологии VLC имеют некоторое сходство со схемами модуляции в системах радиосвязи. Например, энергосберегающие схемы модуляции для технологии VLC основаны на изменении яркости источника излучения как части процесса модуляции сигнала [13]. Для технологии VLC могут быть использованы следующие типы модуляции:
• амплитудная модуляция (Amplitude Modulation, AM);
• импульсная амплитудная модуляция (Pulse Amplitude Modulation, PAM);
• импульсно-позиционная модуляция (Pulse Position Modulation, PPM);
• импульсно-интервальная модуляция (Pulse-interval Modulation PIM);
• импульсно-широтная модуляция (Pulse-Width Modulation, PWM);
• импульсно-позиционная модуляция PPM совместно с модуляцией PWM;
• модуляция OFDM и ее модификации.
Кроме того, в сетях связи 6G также возможно использование различных видов модуляции OFDM, которые используются в оптических линиях связи. С учетом того, что в системах VLC используется модуляция интенсивности светового потока, а передаваемый сигнал не должен иметь отрицательных значений, невозможно использовать непосредственно модуляцию OFDM. В этом случае в качестве основного метода выступает модуляция OFDM с постоянным смещением (Direct Current-Biased Optical OFDM, DCO-OFDM). DCO-OFDM - это один из множества различных вариантов оптической модуляции OFDM. Также в системах VLC может быть использован тип модуляции OFDM, в котором используются только нечетные поднесущие. Этот тип называется ассиметрично ограниченной оптической модуляцией OFDM (Asymmetrically clipped optical OFDM, ACO-OFDM) [5]. Еще один вариант использования OFDM - импульсная модуляция OFDM (Pulse OFDM) [14].
Традиционная OFDM модуляция
Консорциумом 3GPP были рассмотрены несколько видов многочастотной модуляции, в основе которых лежит технология частотного мультиплексирования, в качестве потенциальных кандидатов для использования в сетях связи 5G. В результате этого отмечено, что различные способы формирования многочастотных сигналов (в зависимости от структуры сигнала) позволяют получить определенные достоинства и недостатки для различных сценариев их использования.
Несмотря на это, для обеспечения единой структуры сигналов, а также во избежание усложнения радиоинтерфейса систем связи 5G, консорциумом 3GPP было принято решение в пользу использования технологии OFDM как основного типа модуляции при передаче сигнала как на восходящей линии связи, так и на нисходящей [1], [10]-[12]. Помимо этого, для будущих систем связи, в частности 5G, также рассматриваются различные модификации многочастотных сигналов, которые имеют свои преимущества и недостатки
по сравнению с OFDM.
Математическая модель сигнала OFDM может быть представлена в следующем виде:
s(t ) =
N-1
I dk
k=0
J 2nfkt
w (t ),
(1)
где ёк - передаваемый комплексный символ, соответствующий к -ой поднесущей, к = 0,1,...,N-1, N - количество подне-сущих; /к = кА/ - частота к-ой поднесущей; А/ - частоты под-несущих; t - дискретное время.
Стоит отметить, что для каждой поднесущей может использоваться фильтр сигналов [1]:
- импульсная характеристика фильтра, используемого для улучшения спектральных характеристик передаваемого сигнала.
При этом 0 < t < Т , где Т - длительность информационного символа. Чтобы гарантированно восстановить передаваемые символы без искажений на приемной стороне, должно выполняться условие ортогональности:
f ■ Ns = 1.
(2)
Легко показать, что, если условие ортогональности выполняется, то:
1 T
dk = - J0 ss(t )e-j ^dt.
(3)
Так как при OFDM модуляции высокоскоростной поток данных разделяется на несколько низкоскоростных потоков, которые передаются одновременно на нескольких поднесу-щих в определенном частотном диапазоне, то длительность символа для каждой поднесущей увеличивается. При этом величина расширения задержки (интервал времени между первым и последним лучом канала), которая вызвана много-лучевостью, уменьшается. Для борьбы с межсимвольной интерференцией при модуляции OFDM к передаваемому символу добавляется циклический префикс (Cyclic Prefix, CP).
Если длина циклического префикса больше, чем величина расширения задержки, то демодулированный OFDM-сигнал можно представить следующим образом:
dk - Hkdk
(4)
где Hk - коэффициент передачи канала на частоте fk; nk - аддитивный шум в канале.
Следовательно, при OFDM модуляции искажение сигнала в канале равно произведению коэффициентов передачи в каналах, а в системах с одной несущей оно может быть рассчитано вычислением свертки сигнала. искажение канала при модуляции OFDM рассчитывается путем произведения частотных откликов системы, в то время как в системах с одной несущей оно является сверткой. Это значительно упрощает прием сигнала OFDM.
Далее на рисунке 1 приведена блок-схема модулятора OFDM.
Исходные символы
d\A.....dN
0-*-
й> S 0-»- <а
а о 9) О. О >■ о-е * j(1) - s X а
s и * d-, О 0J 3 ? о а. s
£ С 5 1- X 6 ш S §8 m ™ га Q. a to Я о X ф g 5 5 5,
Ч а с s
0-0-
Результирующий OFDM символ
~s(t)
Рис. 1. Модулятор CP-OFDM
Как видно из рисунка 1, высокоскоростной поток информационных QAM символов в блоке демультиплексирования Serial-to-Parallel (S/P) преобразуется в параллельные низкоскоростные потоки, которые соответствуют ортогональным поднесущим. Затем производится обратное быстрое преобразование Фурье размерности N (Inverse Fast Fourier Transform, IFFT). Следующей операцией производится мультиплексирование в блоке Parallel-to-Serial (P/S). В результате этих преобразований образуется OFDM символ. Чаще всего на практике все N поднесущих являются активными за счет передачи нулевых информационных символов, чтобы упростить фильтрацию.
Таким образом, модуляция OFDM способна эффективно справляться с расширением задержки в беспроводных каналах, а быстрое преобразование Фурье может использоваться для значительного уменьшения его сложности. Это и обусловило широкое распространение модуляции OFDM в современных системах связи.
Однако сигнал OFDM ограничен во времени. Следовательно, уровень внеполосного излучения в OFDM системе достаточно высокий, особенно в случае, когда пользователи рассинхронизированы, что характерно для систем связи 5G. Для решения данной проблемы, между сигналами пользователей, использующих соседние поднесущие, обычно добавляется защитный интервал в частотной области в дополнение к CP или защитный интервал во временной области, что, в результате, снижает спектральную эффективность OFDM. Этот эффект усиливается для пользователей, работающих в узкой полосе частот.
Для систем связи будущих поколений должна обеспечиваться поддержка не только огромного количества пользователей, но и совершенно разных типов подключений с разными требованиями. Традиционная схема модуляции OFDM, к сожалению, не может удовлетворить требованиям к системам связи будущих поколений, поэтому для таких систем связи требуются новые типы модуляции с гораздо меньшим уровнем внеполосного излучения. Новые типы модуляции для сетей связи будущих поколений должны иметь обратную совместимость с традиционной схемой модуляции OFDM, а также отличаться такими ключевыми характеристиками как [1]-[4]:
• Высокая спектральная эффективность. Новые типы модуляции должны иметь возможность уменьшать внеполосное излучение ме^ду соседними пользователями, так чтобы спектральную эффективность системы можно было бы значительно улучшить за счет уменьшения защитных интервалов или временных ресурсов;
• Минимальные требования к синхронизации. Ожидается, что с повсеместным внедрением IoT, сети связи
должны будут обслуживать огромное количество подключений одновременно, что затрудняет синхронизацию. Следовательно, ожидается, что новые типы модуляции будут работать в условиях рассинхронизации сигналов пользователей;
• Гибкость. Параметры модуляции для каждого пользователя следует настраивать независимо и гибко, чтобы поддерживать пользователей с различными требованиями к скорости передачи данных.
Для уменьшения внеполосного излучения могут использоваться типы модуляции, основанные на поддиапазонной фильтрации. Два основных из них это: многочастотная передача с универсальной фильтрацией UFMC (Universal Filtered Multi-Carrier) и так называемая модуляция OFDM с фильтрацией (f-OFDM).
Многочастотная передача с универсальной фильтрацией UFMC
При использовании технологии UFMC фильтруется не каждая поднесущая по отдельности, а группы поднесущих частот (поддиапазонные блоки), состоящие из определенного количества соседних поднесущих частот [15,16,19]. Поскольку полоса пропускания фильтра в UFMC намного шире, чем у методов модуляции, основанных на формировании импульсов, длительность во временной области оказывается намного короче. Следовательно, помехи, вызванные хвостовой частью фильтра, можно легко устранить, задав необходимую длину нулевого заполнения (Zero-Padding, ZP). При условии, что N поднесущих разделены на K поддиапазонных блоков, каждый из которых состоит из L = N/K последовательных поднесущих, математически передаваемый сигнал UFMC можно выразить следующих образом [1]-[4]:
к-1
s(n) = X
sk(n)
(5)
к=0
где fk(n) - коэффициент фильтрации для поддиапазонного блока k, sk(n) - модулированный OFDM сигнал поддиапазонного блока k.
Такой подход позволяет уменьшить внеполосные излучения по сравнению с технологией OFDM. Потенциальное преимущество использования технологии UFMC - снижение сложности алгоритмов основной полосы частот [1]-[4].
Фильтрованный OFDM (f-OFDM)
Фильтрованный OFDM имеет схожую с UFMC структуру передатчика. Основное различие заключается в том, что в технологии f-OFDM используется циклический префикс и обычно допускается остаточная межсимвольная интерференция [17]-[20]. Кроме того, в приемнике пониженная дискретизация может применяться перед операцией дискретного преобразования Фурье, вследствие чего может быть снижена вычислительная сложность обработки сигнала в приёмнике. Это возможно, поскольку циклический префикс может снизить влияние большей части помех, создаваемых хвостовой частью фильтра. Остаточные помехи имеют гораздо меньшую мощность и могут быть рассмотрены как шум.
Таким образом, для технологии f-OFDM может использоваться фильтр с более длинной импульсной характеристикой, по сравнению с UFMC. При этом он также будет иметь лучшее затухание вне диапазона. Применение канального кодирования позволяет нивелировать снижение производительности системы, вызванное остаточными помехами в f-OFDM. Еще одной отличительной чертой f-OFDM от UFMC является то, что разнесение поднесущих и длина циклического префикса при использовании технологии f-OFDM не должны быть одинаковыми для разных пользователей [1]-[4], [20].
Для f-OFDM sinc-фильтр является наиболее широко используемым фильтром, так как он легко применим для различных приложений с различными требованиями. Таким образом, технология f-OFDM очень гибкая при частотном мультиплексировании.
Помимо f-OFDM и UFMC, в системах связи будущих поколений также могут быть использованы и другие типы модуляции, основанные на поддиапазонной фильтрации. Говоря о таких типах модуляции, можно утверждать, что при их использовании происходит снижение влияния внеполосных помех, а также их использование позволяет достичь лучшей производительности системы связи, нежели чем f-OFDM
[1]-[4].
Несмотря на это, на сегодняшний день остается много открытых вопросов, касающихся применения новых типов модуляции в системах связи будущих поколений.
Например, под вопросом использование технологии f-OFDM для устройств IoT. При таком сценарии поддиапазоны достаточно узкие и поэтому помехи, вызванные коротким циклическим префиксом, могут значительно ухудшить производительность системы в целом. Для повышения эффективности детектирования сигнала в этом случае требуется дополнительная обработка сигнала, такая как фильтрация или последовательное подавление помех (Successive Interference Cancellation, SIC).
Существующие структуры для фильтрации поддиапазонов, такие как фильтр Дольфа-Чебышева в UFMC и sinc-фильтр в f-OFDM, имеют фиксированную длину окна фильтрации. При этом для разных пользователей и сценариев необходимо обеспечивать различные требования к задержке сигнала, длине окна фильтра и так далее [1]-[4].
Кроме того, для новых типов модуляции как, например, f-OFDM, также, как и для OFDM характерны высокие значения пик-фактор (Peak-to-Average Ration, PARP). Для повышения эффективности усилителя мощности нужно уменьшать пик-фактор. Использование традиционных методов снижения пик-фактора, используемых в OFDM, обычно вносит искажения или снижает производительность. Следовательно, открытым для исследований вопросом остается вопрос об применении различных методов снижения пик-фактора, используемых в OFDM, для новых методов модуляции. распространения существующих типов модуляции [1]-[4],[20].
Заключение
На первых этапах внедрения сетей связи 5G организация сети будет осуществляться на основе существующей архитектуры сетей связи 4G.
Внедрение 5G будет производиться за счет внедрения новейших разработок радиодоступа в системе связи 4G.
В существующих сетях беспроводного доступа, в том числе 4G, используется технология OFDM. К сожалению, у данной технологии есть ряд недостатков, как, например, высокие значения пик-фактора, необходимость в высокоточной синхронизации по времени и частоте, чувствительность к допплеровскому эффекту. Кроме того, в достаточно широкой полосе частот наблюдаются побочные излучения выше заданного уровня.
Для достижения показателей, предусмотренных в сетях связи 5G, нужно использовать новые типы модуляции сигнала, так как используемые ранее схемы модуляции не смогут обеспечить достаточно низкий уровень внеполосного излучения. Для сетей связи будущих поколений также преследуются задача повышения спектральной эффективности.
Помимо классического OFDM, на сегодняшний день технологии UFMC и f-OFDM можно считать основополагающими технологиями сетей связи будущих поколений.
Литература
1. Ali Zaidi et al. 5G Physical Layer Principles, Models and Technology Components. United States, Academic Press, 2018, 322 p.
2. Y. Cai, Z. Qin, F. Cui, G. Y. Li and J. A. McCann. Modulation and Multiple Access for 5G Networks // IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 20, no. 1, pp. 629-646, 2018.
3. Samal U.C., Appasani B., Mohanta D.K. 5G Communication Networks and Modulation Schemes for Next-Generation Smart Grids. In: Kabalci E., Kabalci Y. (eds) Smart Grids and Their Communication Systems. Energy Systems in Electrical Engineering. Springer, Singapore. 2019.https://doi.org/10.1007/978-981-13-1768-2_11
4. Mosa Ali Abu-Rgheff. 5G Physical Layer Technologies. Wiley-IEEE Press. 2019. P. 592.
5. Mladen Bozanic, Saurabh Sinha. Mobile Communication Networks: 5G and a Vision of 6G, Springer, 2021, 348 p.
6. Harri Holma, Antti Toskal , Takehiro Nakamura. 5G Technology: 3GPP New Radio, Wiley, 2020, 536 p.
7. ETSI TS 136 201 V15.1.0 (2018-07) LT Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); LTE physical layer; General description (3GPP TS 36.201 version 15.1.0 Release 15), 2018.
8. 3GPP TS 36.211 V15.10.0 020-06) 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical channels and modulation (Release 15), 2020.
9. Parssinen A. 5G transceivers from requirements to system models and analysis. In: Gernot Hueber, Ali M. Niknejad. Millimeter-wave circuits for 5G and Radar. Cambridge University Press, 2019, 456 p.
10. Fa-Long Luo, Charlie Jianzhong Zhang. Signal Processing for 5G: Algorithms and Implementations. UK, John Wiley & Sons, 2016, 601 p.
11. V. Wong, R. Schober, D. Ng and L. Wang. Key Technologies for 5G Wireless Systems. Cambridge: Cambridge University Press, 2017, 504 p.
12. Anwer Al-Dulaimi. 5G Networks: Fundamental Requirements, Enabling Technologies, and Operations Management. Wiley-IEEE Press. 2018. P. 784.
13. Memon NK, Umrani FA. Efficient modulation schemes for visible light communication systems. Networks of the future: architectures, technologies, and implementations. CRC Press, 2017, pp. 355-374.
14. M. Bakulin, V. Kreyndelin, D. Petrov andS. Melnik. On the generation of Pulse OFDM signals // 2020 12th International Congress on Ultra Modern Telecommunications and Control Systems and Workshops (ICUMT), Brno, Czech Republic, 2020, pp. 62-66, doi: 10.1109/ICUMT51630.2020.9222242
15. V. Vakilian, T. Wild, F. Schaich, S.Brink, J. F. Frigon. Universal-filtered multi-carrier technique for wireless systems beyond LTE // Proc. IEEE GLOBECOM Workshops (GC Wkshps), Atlanta, GA, USA, Dec. 2013, pp. 223-228.
16. F. Schaich, T. Wild, Y. Chen. Waveform contenders for 5G -suitability for short packet and low latency transmissions // Proc. IEEE Veh. Technol. Conf. (VTC Spring), Seoul, Korea, May 2014, pp. 1-5.
17. J. Abdoli, M. Jia, J. Ma. Filtered OFDM: A new waveform for future wireless systems // Proc. IEEE 16th Int. Workshop Signal Process. Adv. Wireless Commun. (SPAWC), Stockholm, Sweden, Jun. 2015, pp. 66-70.
18. X. Zhang, M. Jia, L. Chen, J. Ma, J. Qiu. Filtered-OFDM - ena-
bler for flexible waveform in the 5th generation cellular networks // Proc. IEEE Global Commun. Conf. (GLOBECOM), San Diego, CA, USA, Dec. 2015, pp. 1-6.
19. S. Nagul A review on 5G modulation schemes and their comparisons for future wireless communications // 2018 Conference on Signal Processing And Communication Engineering Systems (SPACES), 2018, pp. 72-76, doi: 10.1109/SPACES.2018.8316319.
20. F. Di Stasio, M. Mondin, F. Daneshgaran. Multirate 5G Downlink Performance Comparison for f-OFDM and w-OFDM Schemes with Different Numerologies // 2018 International Symposium on Networks, Computers and Communications (ISNCC), 2018, pp. 1-6, doi: 10.1109/ISNCC.2018.8530905.
MODULATION FOR CELLULAR 5G/IMT-2020 AND 6G NETWORKS
Mikhail G. Bakulin, MTUCI, Moscow, Russia, m.g.bakulin@gmail.com Taoufik Ben Rejeb, MTUCI, Moscow, Russia, benrejebt@yandex.ru Vitaly B. Kreyndelin, MTUCI, Moscow, Russia, vitkrend@gmail.com Yuriy B. Mironov, MTUCI, Moscow, Russia, i.b.mironov@mtuci.ru Denis Y. Pankratov, MTUCI, Moscow, Russia, dpankr@mail.ru Alexey E. Smirnov, MTUCI, Moscow, Russia, smirnov.al.ed@gmail.com
Abstract
In recent years, 5G (Fifth Generation) and 6G (Sixth Generation) wireless networks have attracted extensive research interest. According to the 3GPP (3rd Generation Partnership Project) project, 5G networks should be support three main application scenarios: enhanced Mobile Broadband (eMBB), Massive Machine-Type Communications, (mMTC), Ultra-Reliable Low Latency Communication (URLLC). In addition to that, enhanced vehicle-to-everything, (eV2X) are also considered as key technology in 5G. All these scenarios require ubiquitous connectivity providing high data rates and spectral efficiency. These issues lead to many challenges for introducing 5G and 6G networks. Traditional modulation and multiple access schemes will not achieve the requirements of 5G and 6G networks. In order to meet these upcoming requirements, it is necessary to explore novel modulation and multiple access schemes. Data rate, resistance to noise and capacity of wireless network depend on choosing current modulation scheme. To meet the requirements of 5G and 6G and reduce the out-of-band (OOB) leakage various modulation schemes based on subband filtering, pulse shaping and precoding have been proposed. This article provides an overview of the different modulation schemes for 5G and 6G systems.
Keywords: 5G systems, 6G systems, modulation schemes, OFDM, UFMC, f-OFDM.
References
1. Ali Zaidi et al. (2018). 5G Physical Layer Principles, Models and Technology Components. United States, Academic Press, 322 p.
2. Y. Cai, Z. Qin, F. Cui, G. Y. Li and J. A. McCann (2018), "Modulation and Multiple Access for 5G Networks," IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 20, no. 1, pp. 629-646.
3. U.C. Samal, B. Appasani, D.K. Mohanta (2019) 5G Communication Networks and Modulation Schemes for Next-Generation Smart Grids. In: Kabalci E., Kabalci Y. (eds) Smart Grids and Their Communication Systems. Energy Systems in Electrical Engineering. Springer, Singapore. https://doi.org/l0.l007/978-98l-l3-l768-2_ll
4. Mosa Ali Abu-Rgheff (2019), 5G Physical Layer Technologies. Wiley IEEE Press. 592 p.
5. Mladen Bozanic, Saurabh Sinha (2021), Mobile Communication Networks: 5G and a Vision of 6G, Springer, 348 p.
6. Harri Holma, Antti Toskala, Takehiro Nakamura (2020). 5G Technology: 3GPP New Radio, Wiley, 536 p.
7. ETSI TS 136 201 VI5.I.0 (2018-07) LTE; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); LTE physical layer; General description (3GPP TS 36.201 version 15.1.0 Release 15), 2018.
8. 3GPP TS 36.211 VI5.I0.0 (2020-06) 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical channels and modulation (Release 15), 2020.
9. A. Parssinen (2019). 5G transceivers from requirements to system models and analysis. In: Gernot Hueber, Ali M. Niknejad. Millimeter-wave circuits for 5G and Radar. Cambridge University Press, 456 p.
10. Fa-Long Luo, Charlie Jianzhong Zhang (2016). Signal Processing for 5G: Algorithms and Implementations. UK, John Wiley & Sons, 601 p.
11. V. Wong, R. Schober, D. Ng and L. Wang (2017). Key Technologies for 5G Wireless Systems. Cambridge: Cambridge University Press, 504 p.
12. Anwer Al-Dulaimi (20I8), 5G Networks: Fundamental Requirements, Enabling Technologies, and Operations Management. Wiley IEEE Press. 784 p.
13. N.K. Memon, F.A. Umrani (20I7). Efficient modulation schemes for visible light communication systems. Networks of the future: architectures, technologies, and implementations. CRC Press, pp. 355-374.
14. M. Bakulin, V. Kreyndelin, D. Petrov and S. Melnik (2020), "On the generation of Pulse OFDM signals," 2020 12th International Congress on Ultra Modern Telecommunications and Control Systems and Workshops (ICUMT), Brno, Czech Republic, pp. 62-66, doi: I0.II09/ICUMT5I630.2020.9222242
15. V. Vakilian, T. Wild, F. Schaich, S.Brink, and J. F. Frigon (20I3), "Universal-filtered multi-carrier technique for wireless systems beyond LTE," in Proc. IEEE GLOBECOM Workshops (GC Wkshps), Atlanta, GA, USA, Dec., pp. 223-228.
16. F. Schaich, T. Wild, and Y. Chen (20I4), "Waveform contenders for 5G - suitability for short packet and low latency transmissions," in Proc. IEEE Veh. Technol. Conf. (VTC Spring), Seoul, Korea, May 20I4, pp. I-5.
17. J. Abdoli, M. Jia, and J. Ma (20I5), "Filtered OFDM: A new waveform for future wireless systems," in Proc. IEEE 16th Int. Workshop Signal Process. Adv. Wireless Commun. (SPAWC), Stockholm, Sweden, Jun. 20I5, pp. 66-70.
18. X. Zhang, M. Jia, L. Chen, J. Ma, and J. Qiu (20I5), "Filtered-OFDM - enabler for flexible waveform in the 5th generation cellular networks," in Proc. IEEE Global Commun. Conf. (GLOBECOM), San Diego, CA, USA, Dec. 20I5, pp. I-6.
19. S. Nagul (20I8), "A review on 5G modulation schemes and their comparisons for future wireless communications," 2018 Conference on Signal Processing And Communication Engineering Systems (SPACES), pp. 72-76, doi: I0.II09/SPACES.20I8.83I63I9.
20. F. Di Stasio, M. Mondin and F. Daneshgaran (20I8), "Multirate 5G Downlink Performance Comparison for f-OFDM and w-OFDM Schemes with Different Numerologies," 2018 International Symposium on Networks, Computers and Communications (ISNCC), pp. I-6, doi: I0.II09/ISNCC.20I8.8530905.
Information about authors:
Mikhail G. Bakulin, Associate Professor, Ph.D., MTUCI, Moscow, Russia Taoufik Ben Rejeb, Head of Faculty, Ph.D., MTUCI, Moscow, Russia
Vitaly B. Kreyndelin, Head of Department, Professor, Doctor of Science, MTUCI, Moscow, Russia Yuriy B. Mironov, Head of Faculty, Ph.D., MTUCI, Moscow, Russia Denis Y. Pankratov, Associate Professor, Ph.D., MTUCI, Moscow, Russia Alexey E. Smirnov, Associate Professor, Ph.D., MTUCI, Moscow, Russia
( I л
