5G OFDM – Modulacja z Ortogonalnym Podziałem Częstotliwości

5G OFDM – Modulacja z Ortogonalnym Podziałem Częstotliwości

Dziś przyjrzymy się technologii OFDM w sieciach 5G. OFDM, czyli Orthogonal Frequency Division Multiplexing, to kluczowa metoda modulacji, która umożliwia 5G osiąganie bardzo wysokiej przepustowości i niskich opóźnień. Już w LTE była wykorzystywana, ale w 5G została znacząco rozszerzona i zoptymalizowana. Wczoraj omówiliśmy E-UTRAN, który jest odpowiedzialny za fizyczne połączenia – teraz czas, by zrozumieć, jak dane są przesyłane w tych połączeniach.

Co to jest OFDM?

OFDM to technika, która dzieli kanał transmisyjny na wiele wąskich, ortogonalnych podkanałów (nośnych), z których każdy przesyła fragment danych. Dzięki ortogonalności nie dochodzi do interferencji między nimi, mimo że są bardzo blisko siebie w widmie.

W 5G każdy z tych podkanałów jest modulowany niezależnie, a dane są przesyłane równolegle, co znacznie zwiększa efektywność transmisji, zwłaszcza w środowiskach wielodrogowych (z odbiciami i zakłóceniami).

OFDM w LTE vs 5G

CP-OFDM i DFT-s-OFDM w 5G NR

5G NR korzysta głównie z CP-OFDM (Cyclic Prefix OFDM) – zarówno w uplinku, jak i downlinku. Umożliwia to łatwą implementację MIMO, lepszą synchronizację i odporność na zakłócenia.

W przypadku transmisji uplink (od urządzenia do sieci), możliwe jest również użycie DFT-s-OFDM (Discrete Fourier Transform spread OFDM), który zmniejsza Peak-to-Average Power Ratio (PAPR) – ważne w urządzeniach mobilnych, by oszczędzać energię.

Elastyczność parametrów OFDM w 5G

W LTE mieliśmy stałą szerokość podnośnej (15 kHz). W 5G dostępnych jest wiele opcji:

• 15 kHz – dla niskich pasm (np. pasmo n78)
• 30 kHz – stosowane szeroko w trybie FDD
• 60 kHz – dla pasm o większej przepustowości
• 120 kHz – dla pasm mmWave
• 240 kHz – w specjalnych zastosowaniach, np. URLLC

Ta elastyczność nazywa się skalowalną numerologią. Dzięki niej 5G może dopasować strukturę ramek do różnych pasm częstotliwości, przypadków użycia (eMBB, URLLC, mMTC), a nawet do warunków propagacyjnych.

Struktura ramki OFDM w 5G

5G NR dzieli transmisję na ramki, subramki, sloty i symbole OFDM. Czas trwania slotu zależy od użytej numerologii. Przykład:

Zastosowania różnych numerologii

W 5G OFDM nie działa w trybie uniwersalnym – każda numerologia służy innym celom:

• 15–30 kHz – transmisja głosu i danych w paśmie sub-6 GHz
• 60–120 kHz – wysokoprzepustowe usługi eMBB
• 240 kHz – usługi o ultra-niskim opóźnieniu (URLLC), np. autonomiczne pojazdy

Dlaczego OFDM jest idealne dla 5G?

OFDM zapewnia wysoką odporność na zakłócenia i odbicia fal. Jest efektywne spektralnie i dobrze współpracuje z technikami MIMO. Dzięki skalowalnej strukturze slotów i szerokości kanału możliwe jest dostosowanie do różnych potrzeb i typów urządzeń.

Wyzwania związane z OFDM

Choć OFDM jest bardzo efektywne, ma też swoje ograniczenia:

• Wysoki PAPR – szczególnie niekorzystny dla urządzeń mobilnych
• Wymaga dokładnej synchronizacji – szczególnie przy wyższych częstotliwościach
• Może mieć problemy w środowiskach silnie zakłóconych bez odpowiedniego CP

Rozszerzenia: f-OFDM, UFMC, FBMC

W ramach dalszych badań nad modulacją dla 5G pojawiły się też alternatywy dla klasycznego OFDM:

• f-OFDM (Filtered OFDM) – ogranicza zakłócenia międzykanałowe
• UFMC (Universal Filtered Multicarrier) – zwiększa elastyczność pasma
• FBMC (Filter Bank Multicarrier) – dobra separacja kanałów, ale wyższa złożoność

Na razie jednak standard 3GPP dla 5G NR pozostaje przy CP-OFDM jako głównym schemacie modulacji.

Podsumowanie roli OFDM w 5G

OFDM jest fundamentem transmisji w 5G NR. Dzięki elastyczności, wysokiej wydajności i odporności na zakłócenia umożliwia realizację ambitnych celów 5G – od transmisji wideo 4K po sterowanie robotami w czasie rzeczywistym. Jutro możemy zgłębić, jak działa MIMO w 5G, ponieważ OFDM i MIMO są ze sobą ściśle powiązane i razem zapewniają pełną moc nowoczesnej sieci mobilnej.