Sieci 5G - koniec spekulacji, jest standard

Wybór metody modulacji poprzedziła analiza zalet oraz wad różnych technik. Ostatecznie podjęto decyzję, że w sieciach piątej generacji stosowana będzie szerokopasmowa modulacja wielotonowa CP-OFDM (Cyclic Prefix Orthogonal Frequency Division Multiplexing) z modulacją podnośnych QPSK, 16-QAM, 64-QAM albo 256-QAM. O tym wyborze przesądziły liczne zalety tej metody.

Dlaczego wybrano CP-OFDM?

 

Rys. 1. W łączu uplink stosowana będzie modulacja DFT-S-OFDM

W teorii technika OFDM jest znana od lat 60. ubiegłego wieku, a na poważnie zainteresowano się nią pod koniec lat 80., gdy rozwijano sieci GSM i później, gdy pracowano nad standardem UMTS. W obu przypadkach nie zdecydowano się jednak na jej wdrożenie, ponieważ możliwości obliczeniowe dostępnych wówczas procesorów nie były do tego wystarczające.

Z czasem postęp w tej dziedzinie pozwolił na upowszechnienie OFDM m.in. w: naziemnej telewizji cyfrowej DVB (Digital Video Broadcast), systemach radiofonii cyfrowej DAB (Digital Audio Broadcast), technologii transmisji danych ADSL (Assymetric Digital Subscriber Line) i transmisji danych przez sieć energetyczną PLC (Powerline Communication).

Popularność tej techniki wynika stąd, że zapewnia dużą szybkość transmisji przy jednoczesnym ograniczeniu zniekształceń sygnału spowodowanych zjawiskiem wielodrogowości, tzw. interferencji międzysymbolowych (intersymbol interferences, ISI). Ich usunięcie w innych metodach modulacji jest problemem.

Czym jest CP?

W OFDM strumień danych o dużej przepływności jest rozdzielany na kilka wolniejszych strumieni, które są przesyłane dalej równocześnie z wykorzystaniem wielu nośnych, co wydłuża czas trwania jednego symbolu. Dzięki temu sygnały odbite w wyniku zjawiska wielodrogowości, które docierają do odbiornika z opóźnieniem, mają mniejszy wpływ na jakość odbieranego sygnału.

Ponadto w wariancie CP-OFDM zapobiega się interferencjom międzysymbolowym, wprowadzając odstęp między kolejnymi symbolami, tzw. cykliczny prefiks (cyclic prefix, CP). CP to skopiowane zakończenie symbolu wstawione na jego początek.

Dzięki niemu, jeśli opóźnienie między sygnałem oryginalnym i odbitym nie przekroczy jego długości, w odbiorniku można przesłaną informację bez problemu odtworzyć. CP jest tak dobierane, aby było trochę dłuższe niż najdłuższe spodziewane opóźnienie, które może wystąpić w danym kanale komunikacyjnym.

Warto dodać, że dzięki temu, że OFDM nie jest nową metodą, przez lata wdrożeń m.in. w sieciach LTE opracowano rozwiązania, które pozwolą na obniżenie kosztów jej adaptacji na potrzeby sieci 5G. Ważną zaletą jest też możliwość realizacji systemów transmisji wieloantenowej MIMO-OFDM.

Na co ma wpływ PAPR?

 

Rys. 2. Szczelina będzie się składać z maksymalnie czternastu symboli

Metoda OFDM nie jest pozbawiona wad. Jednym z jej ograniczeń jest duża wartość współczynnika PAPR (Peak-Average Power Ratio). Definiuje się go jako stosunek mocy szczytowej do średniej mocy transmitowanego sygnału. Odgrywa on ważną rolę w projektowaniu terminali użytkowników, na przykład smartfonów, ponieważ ma wpływ na sprawność wzmacniacza mocy w nadajniku.

Maksymalna sprawność jest uzyskiwana, kiedy wzmacniacz pracuje w zakresie nasycenia swojej charakterystyki. Niska wartość PAPR umożliwia pracę wzmacniacza właśnie na tym odcinku. Przy większych wartościach tego współczynnika punkt pracy wzmacniacza przesuwa się na liniowy fragment charakterystyki, by uniknąć zniekształceń sygnału. To powoduje obniżenie sprawności. W przypadku stacji bazowych większy pobór mocy nie stanowi poważnego problemu. W przypadku terminali mobilnych, w których dąży się do wydłużenia czasu pracy na bateriach, jest to jednak bardzo niekorzystne.

Dlatego w sieciach 5G w łączu w górę (uplink) postanowiono stosować technikę DFT-S-OFDM z modulacjami: Pi/2-BPSK, która jest nowością, 16-QAM, 64-QAM albo 256-QAM. Czym DFT-SOFDM różni się od techniki CP-OFDM, z której będzie się korzystać w łączu w dół (downlink), wyjaśnia rysunek 1. Zaletą modulacji DFT-S-OFDM jest uzyskanie niskiego współczynnika PAPR, przy jednoczesnym zapewnieniu odporności na zjawisko wielodrogowości.

SCS a jakość transmisji

Sieci piątej generacji będą działać na wielu częstotliwościach, wyższych i niższych. Poniżej 1 GHz wykorzystywane będą m.in. pasma 600, 700 i 800 MHz. Bierze się je pod uwagę szczególnie w dziedzinie Internetu Rzeczy. W zakresie od 1 do 6 GHz w Chinach, Europie, Korei Południowej i Japonii w kręgu zainteresowań jest zwłaszcza pasmo 3,3-3,8 GHz.

Wielkie nadzieje wiąże się też z zakresem fal milimetrowych, szczególnie do częstotliwości 52,6 GHz, chociaż prowadzone są już badania nad wykorzystaniem w komunikacji bezprzewodowej pasm 64-71 GHz i 71-76 GHz. Przykładowe przedziały częstotliwości, które zostały wstępnie zarezerwowane dla sieci 5G NR w różnych regionach świata, to: 24,25-27,5 GHz i 40,5-43,5 GHz (Europa), 27,5-28,35 GHz, 37-38,6 GHz i 38,6-40 GHz (USA), 24,75-27,5 GHz i 37-43,5 GHz (Chiny). Przejście na wyższe częstotliwości będzie miało swoje konsekwencje.

Im wyższa jest częstotliwość nośnej, tym większy jest szum fazowy. Przykładowo różnica wartości tej wielkości dla 1 i 28 GHz wynosi 20 dB. Im węższy jest odstęp między podnośnymi (Subcarrier Spacing, SCS), tym z powodu szumu fazowego większą wartość ma współczynnik EVM (Error Vector Magnitude), który charakteryzuje jakość modulacji.

Im wyższa jest częstotliwość nośnej, tym większe jest także przesunięcie Dopplera. Przy prędkości użytkownika rzędu kilkudziesięciu km/h na częstotliwości kilkudziesięciu GHz może ono sięgnąć nawet kilkunastu procent odstępu pomiędzy częstotliwościami podnośnych. Zatem im będzie on węższy, tym efekt Dopplera będzie bardziej odczuwalny.

Jakie odstępy są dozwolone?

 

Rys. 3. Sieci 5G NR będą oparte na transmisji wieloantenowej MU-MIMO

Z drugiej strony im większy SCS, tym krótszy jest symbol OFDM, a zatem i prefiks CP. To z kolei skutkuje większym wpływem zjawiska wielodrogowości na jakość transmisji. Dobór szerokości odstępu pomiędzy podnośnymi wymaga zatem kompromisu.

Dlatego zdecydowano, że w sieciach 5G NR będzie on skalowalny. Dopuszczalne są następujące wielokrotności 15 kHz: 15, 30, 60, 120 i 240 kHz. Wybrano taką wartość podstawową, aby ułatwić współistnienie sieci piątej generacji i LTE, w których SCS wynosi właśnie 15 kHz.

Blok PRB (Physical Resource Block) w sieciach 5G NR będzie się składał z 12 podnośnych. W rezultacie, im węższy będzie odstęp pomiędzy nimi, tym węższy będzie PRB. Przy 15 kHz jego szerokość wyniesie 180 kHz, czyli tyle, ile w LTE, przy 30 kHz - 360 kHz, przy 60 kHz - 720 kHz, natomiast przy 120 kHz - 1440 kHz.

Wraz ze zmianą odstępu między podnośnymi odpowiedniemu skróceniu albo wydłużeniu ulega też cykliczny prefiks CP. Pozwoli to na dostosowanie jego długości do warunków propagacji w danym kanale komunikacyjnym. Konsekwencją elastyczności SCS jest oprócz tego skalowalność ramki. Cecha ta zapewni kompatybilność sieci 5G NR w przód.

Struktura ramki

Szczelina (slot) w sieciach piątej generacji ma się składać z maksymalnie czternastu symboli. W związku z tym, że czas trwania symbolu jest odwrotnie proporcjonalny do SCS, im szerszy jest ten odstęp, tym szczelina jest węższa. Przy SCS równym 15 kHz będzie ona zatem trwała 1 ms, przy 30 kHz - 500 μs, 60 kHz - 250 μs, zaś 125 kHz - 125 μs (rys. 2). Skalowany czas trwania szczeliny zapewni elastyczność parametrów transmisji - przepustowości, opóźnień, gwarantowanej niezawodności - dla różnych zastosowań sieci 5G NR.

Ramka, trwająca 10 ms, podzielona jest na odcinki czasu o długości 1 ms (subframe). Przy odstępie między podnośnymi równym 15 kHz ramka będzie się więc składała z dziesięciu milisekundowych szczelin, przy SCS wynoszącym 30 kHz z dwudziestu półmilisekundowych szczelin, 60 kHz - czterdziestu szczelin po 0,25 milisekundy, a 125 kHz - 80 szczelin, każda po 125 μs.

Szczeliny mogą być wykorzystane do transmisji w łączu downlink, uplink albo w obu jednocześnie, w przypadku komunikacji asynchronicznej. Będą one konfigurowane statycznie lub dynamicznie, w zależności od potrzeb wynikających z natężenia ruchu sieciowego. Kierunek transmisji dla symboli określa specjalny wskaźnik SFI (Slot Format Indicator).

Miniszczeliny. Czym są BWP?

Dodatkowo rozważa się wprowadzenie miniszczelin (minislots) składających się przynajmniej z dwóch, a maksymalnie z siedmiu symboli. Korzystano by z nich na przykład w transmisji asynchronicznej oraz zastosowaniach wymagających bardzo małych opóźnień (Ultra Reliable Low Latency Communications, URLLC), nieosiągalnych w przypadku standardowej ramki trwającej 10 ms.

W sieciach 5G wprowadzona zostanie też zupełnie nowa koncepcja podziału kanału na części, tzw. BWP (Bandwidth Parts). Każdy z przedziałów BWP składać się będzie z grupy przylegających do siebie bloków PRB i będzie miał przypisany SCS i CP.

Poszczególne BWP będą przydzielane różnym użytkownikom stosownie do ich możliwości i potrzeb. Zapewni to oszczędność energii, jeśli parametry urządzenia nie pozwalają na wykorzystanie w pełni przepustowości sieci NR lub nie jest ona w danym zastosowaniu wymagana.

MIMO w wersji MU

W sieciach piątej generacji planuje się wdrożyć transmisję wieloantenową MIMO (Multiple Input, Multiple Output) w wersji MU (Multi-User). Komunikacja w takim przypadku będzie przebiegać w następujący sposób: najpierw stacja bazowa, która w sieciach 5G NR określana będzie jako gNB, wyśle do wszystkich urządzeń użytkowników (user equipment, UE) znajdujących się w jej zasięgu specjalny komunikat CSI-RS (Channel State Information Reference Signal).

Będzie się z niego korzystać wyłącznie w łączu w dół, w celu oceny jakości transmisji w kanale komunikacyjnym między gNB a danym UE. To ostatnie w odpowiedzi na CSI-RS wyśle do stacji bazowej komunikat SRS (Sounding Reference Signal).

Z niego z kolei będzie się korzystać tylko w łączu uplink. Scharakteryzuje on jakość propagacji sygnału między nadajnikiem a odbiornikiem, stanowiąc wypadkową różnych negatywnych zjawisk, takich jak rozproszenie, tłumienie, odbicia. Na podstawie odpowiedzi SRS gNB obliczy również położenie każdego odbiornika.

Następnie dane dla poszczególnych UE będą kodowane i dzielone na strumienie, które rozdzieli się między anteny nadajnika. Nowe techniki kształtowania wiązki, które zostaną wprowadzone w sieciach 5G NR, sprawią, że siła sygnału wysyłanego w kierunku odbiorcy zostanie zmaksymalizowana, zaś w pozostałych kierunkach będzie minimalna.

W przyszłych sieciach NR planuje się również wdrożenie systemów Massive MIMO. Liczba anten ma w nich sięgać nawet kilkuset.

Monika Jaworowska