Механизмы модуляции в стандарте 5G

Для повышения спектральной эффективности, наряду с пространственным мультиплексированием, в 5G могут использоваться разновидности технологий неортогонального множественного доступа (NOMA) и N-OFDM-сигналов.

Принцип разделения каналов на основе иерархической модуляции NOMA

Рисунок 3 - Принцип разделения каналов

Метод NOMA предусматривает, что в одно и то же время, на тех же частотах с одинаковыми методами расширения спектра и кодирования сигналов может быть предоставлено множественный доступ к сети на основе распределения мощностей сигналов. Другими словами, для множественного доступа в NOMA используется домен мощности, в котором разные уровни мощности задействованы для обслуживания различных пользователей.

Считается, что при этом каждым пользователем в NOMA может быть использована вся пропускная способность канала доступа к сети в течение всего времени связи, из-за чего достигается уменьшение задержек, а скорость передачи данных пользователей может быть увеличенна.

OFDM является цифровой схемой модуляции, которая использует большое количество близко расположенных ортогональных поднесущих. Каждая поднесущая модулируется по обычной схеме модуляции (например, квадратурная амплитудная модуляция) на низкой символьной скорости, сохраняя общую скорость передачи данных, как и у обычных схем модуляции одной несущей в той же полосе пропускания. На практике сигналы OFDM получаются применением обратного БПФ (Быстрое преобразование Фурье)

Рисунок 4 – Схема преобразования Фурье с OFDM

Преимущества OFDM:

Основным преимуществом OFDM по сравнению со схемой с одной несущей является её способность противостоять сложным условиям в канале. Например, бороться с затуханием в области ВЧ в длинных медных проводниках, узкополосными помехами и частотно-избирательным затуханием, вызванным многолучевым характером распространения, без использования сложных фильтров-эквалайзеров. Канальная эквализация упрощается вследствие того, что OFDM сигнал может рассматриваться как множество медленно модулируемых узкополосных сигналов, а не как один быстро модулируемый широкополосный сигнал. Низкая символьная скорость делает возможным использование защитного интервала между символами, что позволяет справляться с временным рассеянием и устранять межсимвольную интерференцию (МСИ).

Недостатки OFDM:

- Ограниченная спектральная эффективность при использовании относительно широкой полосы частот;

- Невозможность маневра частотой поднесущих для отстройки от сосредоточенных по спектру помех;

- Чувствительность к допплеровскому смещению частоты, что снижает возможности реализации высокоскоростной связи с движущимися объектами.

N-OFDM — мультиплексирование с неортогональным частотным разделением каналов является цифровым методом модуляции, использующим множество близко расположенных, неортогональных по частоте поднесущих. Как и в OFDM, каждая поднесущая модулируется по обычной схеме модуляции (например, квадратурная амплитудная модуляция).

Несмотря на возросшую сложность демодуляции N-OFDM сигналов по сравнению с OFDM, переход к неортогональной расстановке частот поднесущих обеспечивает ряд преимуществ:

- Более высокая спектральная эффективность, позволяющая уменьшить полосу частот, занимаемую сигналом, и улучшить электромагнитную совместимость множества терминалов.

- Адаптивная отстройка от сосредоточенных по частоте помех путём изменения номиналов частот поднесущих.

- Возможность учёта допплеровских сдвигов частот поднесущих при работе с перемещающимися на высоких скоростях абонентами.

- Использование различных частотных планов в качестве дополнительного ключа для защиты информации от несанкционированного доступа к каналу связи.

- Уменьшение пик-фактора многочастотной сигнальной смеси.