Teknik Multiplex Access pada 5G (FDMA - OFDMA)

Propagasi Multi-path dalam transmisi sinyal radio menyebabkan penundaan waktu, distorsi sinyal, dan sebagainya. Mari kita bahas teori dasar teknik akses ganda yang digunakan dalam sistem 1G-ke-5G untuk memecahkan masalah tersebut.

Coherent Bandwidth dan Fading Channel

base station (UMTS-NB / eNB / gNB) memancarkan sinyal ke Peralatan Pengguna (UE) dalam berbagai arah, sehingga sinyal yang diterima dapat ditunda atau dilemahkan. Dalam domain frekuensi, jika bandwidth sinyal kurang dari bandwidth koheren, maka sinyal dipertahankan tanpa distorsi. Tetapi akan terjadi redaman, jika bandwidth sinyal lebih besar dari bandwidth koheren, yang disebut sebagai Frequency Selective Fading Channel


 Frequency Division Multiplex Access (FDMA)

FDMA telah digunakan untuk sistem generasi pertama (1G). Pada dasarnya kami membagi bandwidth menjadi potongan-potongan kecil untuk mentransmisikan simbol kami pada durasi simbol yang lebih tinggi, misalnya 20 MHz (maximum channel bandwidth di LTE) dapat dibagi menjadi 1200 sub-operator dan setiap sub-operator memiliki bandwidth 15 kHz, yang dikenal sebagai teknik Transmisi Multi-carrier. Totalnya adalah 18 MHz dan 2 MHz lainnya digunakan untuk pita pengaman (informasi lebih lanjut dapat ditemukan di 3GPP 36.104). Dalam contoh sebelumnya, kami mentransmisikan simbol dalam 66,7 ms, bukan 0,05 us, yaitu 1 / (15 kHz) bukan 1 / (20 MHz). 

secara signifikan mengurangi proporsi penundaan waktu dalam transmisi, mis. Penundaan 1-us dibandingkan dengan durasi simbol masing-masing 0,05 us dan 66,7 ms, dan karenanya menghindari simbol / sinyal yang tumpang tindih dalam domain waktu. Ide diilustrasikan di pojok kiri bawah gambar berikut.



 Di bagian sebelumnya, kami menyebutkan bahwa distorsi sinyal terjadi di bawah Frequency Selective Fading Channel . Dalam praktiknya, kami akan menerapkan equalizer / equalizer saluran dalam sistem pemrosesan broadband kami untuk mengurangi distorsi. Saya akan menjelaskan lebih lanjut tentang teknik pemerataan saluran di artikel lain tentang sistem Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) bersama dengan beam-steering dan efisiensi energi.

Pada bagian berikut, saya memperkenalkan OFDMA sebagai teknik untuk menyelesaikan semua masalah yang disebutkan di atas yang disebabkan oleh propagasi multi-jalur, penyebaran penundaan, saluran pemudaran selektif frekuensi dan inter-channel interference (ICI).


Orthogonal Frequency Division Multiplex Access (OFDMA)

 OFDMA adalah kasus khusus FDMA. Semua frekuensi subcarrier adalah ortogonal satu sama lain, yang berarti sinyal yang tumpang tindih di antara subcarrier dihilangkan. Namun, masih terdapat Inter-Symbol Interference (ISI) yang disebabkan oleh multipath propagation, sehingga Cyclic Prefix (CP) disisipkan untuk menghilangkan ISI. Karena OFDM menggunakan sampel komposit Inverse Fast Fourier Transform (IFFT), kami menyalin bagian akhir periode simbol dan menempatkannya di awal.

Misalnya subcarrier 15 kHz memiliki 14 simbol / slot, ada CP 5,2 ms di awal dan semua CP lainnya adalah 4,7 us. Setiap radio frame berlangsung selama 10 ms dan memiliki 10 sub-frame (1 ms / sub-frame), dan jumlah slot per frame tergantung pada frekuensi pembawa.
Apa yang terjadi jika kita menggunakan CP dengan nilai 0?


 
 Secara teknis itu dilambangkan sebagai simbol OFDM dengan bantalan nol. Kita perlu membahas terlebih dahulu tentang Circular Convolution (cc) yang mengubah Channel Multipath Selektif Frekuensi menjadi Channel Flat Fading. Kemudian, kita akan melihat bahwa simbol dengan bantalan nol menghilangkan ISI, tetapi menyebabkan dekode yang tidak efisien pada penerima.


Contoh: Mari kita pertimbangkan bagian sinyal berikut:

x(0), x(1), …, x(N-1)

Salin simbol L di akhir sebagai Cyclic Prefix (bagian biru pada Gambar di atas), jadi :

x(N-L), …, x(N-1), x(0), x(1), …, x(N-1)

Catatan: teks tebal bertujuan untuk menyorot kemungkinan Cyclic Prefix yang ditambahkan sebelum simbol pertama kita x (0) dengan n = 0.

Mari kita bayangkan saluran h (n) sebagai channel, transmisi, jadi kita memiliki output di  (causal-system) receivers  kita sebagai berikut y (n): dan seterusnya.

Perhatikan ini:

    y(0) = h(0).x(0) + h(1).x(N-1) + …,
    y(1) = h(1).x(0) + h(0).x(1) + …


 Kami menyadari bahwa ada pergeseran melingkar antara h (n) dan x (n) seperti diagram berikut berdasarkan sumber studi ini :

aa


Apa itu Convultion:

Convultion dalam domain waktu sama dengan  standard multiplication  dalam domain frekuensi melalui Fourier Transform (FT). Oleh karena itu, kami mencapai Flat-fading system Y (w) = H (w) .X (w) dari y (n) = h (n) cc x (n) (cc menunjukkan konvolusi melingkar).

Ini berarti bahwa kita tidak akan mencapai sistem yang sama jika kita menggunakan simbol yang tidak memiliki bantalan. Menyalin bagian akhir dari simbol IFFT-OFDM sebagai Cyclic Prefixes adalah pendekatan yang lebih baik daripada menggunakan nilai 0 untuk Cyclic Prefixes.

Berikut adalag gambaran Convultion atau belokan merutu Wikipedia


Bagaimana simbol OFDM ditransmisikan melalui udara?


 Sinyal data dimodulasi dengan sinyal sub-pembawa dengan skema modulasi tertentu, mis. Quadrature Phase Shift Keying (QPSK). Kemudian, kami mengambil sampel keluarannya dengan IFFT dan memasukkan Cyclic Prefix. Simbol OFDM kemudian diubah menjadi analog oleh Digital Analog Converter (DAC), dan dimodulasi dengan frekuensi radio untuk dipancarkan melalui udara (dimodulasi = pada dasarnya bergeser ke frekuensi radio pada domain frekuensi).

Ringkasan:

1. Ada distorsi sinyal di bawah Saluran Pemudaran Selektif Frekuensi ketika bandwidth sinyal kita lebih besar dari bandwidth koheren.

2. Frequency Division Multiplex Access (FDMA) membagi bandwidth channel  menjadi beberapa bandwidth sub-operator, dan dengan demikian menghindari sinyal yang tumpang tindih karena penundaan transmisi dalam multi-path propagation.

3. Orthogonal Frequency Division Multiplex Access (OFDMA) menghilangkan Inter-Symbol Interference (ISI) oleh sinyal ortogonal (dalam pertimbangan frekuensi) dan mendukung algoritma decoding yang efisien pada penerima dengan (bukan nol) Cyclic Prefix.