5G DFT-s-OFDM – Modulacja z Rozpraszaniem Transformacją Fouriera

5G DFT-s-OFDM – Modulacja z Rozpraszaniem Transformacją Fouriera

Wczoraj poznaliśmy E-UTRAN, dziś zagłębimy się w DFT-s-OFDM – technikę modulacji stosowaną w 5G, szczególnie w łączu uplink, czyli z urządzenia do stacji bazowej. DFT-s-OFDM łączy w sobie zalety klasycznego OFDM i niskiego współczynnika PAPR, dzięki czemu idealnie sprawdza się w urządzeniach mobilnych, które muszą oszczędzać energię.

Co to jest DFT-s-OFDM?

DFT-s-OFDM oznacza Discrete Fourier Transform-spread Orthogonal Frequency Division Multiplexing. To zmodyfikowana wersja OFDM, w której dane przed przekształceniem na sygnał OFDM są najpierw przekształcane przez dyskretną transformatę Fouriera (DFT). W efekcie końcowym sygnał ma niższy współczynnik mocy szczytowej (PAPR), co ma ogromne znaczenie dla energooszczędności.

Dlaczego DFT-s-OFDM jest stosowany w 5G?

W 5G technika DFT-s-OFDM jest wykorzystywana przede wszystkim w kanale uplink – czyli w transmisji danych z urządzenia użytkownika (UE) do stacji bazowej (gNodeB). Wynika to z faktu, że:

• urządzenia mobilne mają ograniczoną moc nadajnika,
• niższy PAPR oznacza mniejsze zużycie baterii,
• DFT-s-OFDM pozwala na wykorzystanie tańszych i prostszych komponentów radiowych w telefonach.

Jak działa DFT-s-OFDM? Porównanie z OFDM

W standardowym OFDM dane użytkownika są bezpośrednio mapowane na wiele podnośnych (subcarrierów) i przesyłane równolegle. Natomiast w DFT-s-OFDM dane są najpierw przekształcane przez DFT, co rozrzuca je po całym widmie, a dopiero potem poddawane modulacji OFDM. Dzięki temu sygnał ma charakter bardziej zbliżony do sygnału pojedynczonośnego (single-carrier), a więc ma niższy PAPR.

Zastosowanie DFT-s-OFDM w 5G NR

W standardzie 5G NR (New Radio), DFT-s-OFDM jest stosowane w uplinku dla fizycznych kanałów:

• PUCCH (Physical Uplink Control Channel)
• PUSCH (Physical Uplink Shared Channel)

Natomiast w downlinku (z sieci do urządzenia) wykorzystywana jest klasyczna modulacja OFDM. Taki podział zapewnia najlepsze dopasowanie techniczne i energetyczne do warunków, w jakich działają urządzenia mobilne.

Integracja z MIMO i kodowaniem

DFT-s-OFDM dobrze współpracuje z technikami MIMO (Multiple Input Multiple Output), ale z pewnymi ograniczeniami. Ponieważ DFT-s-OFDM działa bardziej jak transmisja pojedynczonośna, możliwości niezależnego formowania wiązek są ograniczone w porównaniu do klasycznego OFDM. Z tego powodu stosuje się ją głównie przy niższych przepływnościach, gdzie korzyści energetyczne są ważniejsze niż maksymalna przepustowość.

Zalety i ograniczenia DFT-s-OFDM

Podobne techniki – SC-FDMA z LTE

Jeśli wcześniej znałeś LTE, to DFT-s-OFDM może Ci się kojarzyć z SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access), który był jego odpowiednikiem w LTE uplink. DFT-s-OFDM to naturalny rozwój tej idei w 5G, z zachowaniem wszystkich jej zalet.

Przyszłość DFT-s-OFDM w 5G i 6G

DFT-s-OFDM nadal będzie stosowana w przyszłych wersjach 5G, szczególnie w urządzeniach IoT, czujnikach i mobilnych terminalach, gdzie energooszczędność jest priorytetem. Możliwe, że w 6G pojawią się nowe warianty tej techniki, które jeszcze bardziej zoptymalizują działanie uplinku.