O Novo Paradigma das Comunicações 5G e as Técnicas de Transmissão de Suporte. Técnicas de Transmissão por Blocos. João Guerreiro 12/2017

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1 O Novo Paradigma das Comunicações 5G e as Técnicas de Transmissão de Suporte Técnicas de Transmissão por Blocos João Guerreiro 12/2017

2 Resumo Enquadramento do 5G Aplicações e Requisitos do 5G Objetivos das Técnicas de Transmissão Fatores Críticos das Técnicas de Transmissão Técnicas de Transmissão por Blocos Recomendações Atuais para o 5G 2

3 Enquadramento do 5G Voz 1G Comunicações Analógicas 2G Dados 3G Importância decrescente Importância crescente 4G Comunicações Digitais 5G Paradigma das Comunicações Paradigma Celulares das Tradicionais Redes Celulares Novo Paradigma 3

4 Aplicações e Requisitos do 5G (1) Caso de Uso MMTC Internet das Coisas de Larga Escala embb Banda Larga Móvel Melhorada URLLC Comunicações Ultra-críticas Aplicação Cidades Inteligentes Realidade Virtual Veículos Autónomos Requisito Conectividade Massiva Maior Capacidade Elevada Fiabilidade/Latência reduzida 4

5 Aplicações e Requisitos do 5G (2) Maior Capacidade Maiores Débitos Binários Melhor Eficiência Espectral Conectividade Massiva Modo de baixo consumo Rajadas de Tráfego Operações Assíncronas Elevada Fiabilidade/Latência Reduzida Taxa de Perda de Pacotes Baixa Baixa Complexidade 5

6 Objetivos das Técnicas de Transmissão (1) Comunicação Digital bits Transmissor (TX) Meio de Propagação Recetor (RX) bits Objetivo: Troca de informação binária entre TX e RX Técnica de Transmissão: Desenho do TX e RX Resolução de trade-offs dependentes dos fatores mais críticos 6

7 Objetivos das Técnicas de Transmissão (2) Eficiência Espectral Sistemas MIMO Resiliência ao Multipercurso Baixa Distorção Envolvente Contida Eficiência Energética Eficiência de Amplificação Baixa Complexidade Hardware/Algoritmos Simples 7

8 Fatores Críticos das Técnicas de Transmissão Complexidade Caso de uso embb Downlink Foco no Terminal Móvel Durabilidade da Bateria Estação Base (TX) Terminal móvel (RX) Baixa Complexidade Uplink Baixa Complexidade Terminal móvel (TX) Estação Base (RX) Elevada Eficiência Energética 8

9 Fatores Críticos das Técnicas de Transmissão Eficiência Energética (1) s(t) y(t) Amplificação bits TX (??) Modulação RF (f c ) Amplificação P y [W] Zona Linear Máxima Eficiência Sinais de envolvente constante não trazem problemas Sinais de envolvente variável implicam um ponto de trabalho afastado da zona de máxima eficiência Eficiência energética η < 10% Menor autonomia Zona Não-Linear Baixa Eficiência P s [W] 9

10 Fatores Críticos das Técnicas de Transmissão Eficiência Energética (2) Amplificar sinal com envolvente variável perto da zona de saturação leva a efeitos de distorção nãolinear. P y [W] Zona Linear Máxima Eficiência S(f) Y(f) Zona Não-Linear Distorção In-band f[hz] Distorção Out-of-band f[hz] Perda de Desempenho Interferência de Canal Adjacente P s [W] Trade off distorção não-linear/ eficiência energética 10

11 Fatores Críticos das Técnicas de Transmissão Multipercurso Estação Base (TX) Terminal móvel (RX) O multipercurso pode condicionar fortemente o desempenho Quanto menor o tempo de transmissão dos símbolos, maior o efeito de multipercurso e pior o desempenho Cenários de alto débito binário críticos Elevada Interferência Inversão dos Efeitos do Canal (Igualização) Tempo Frequência 11

12 Técnicas de Transmissão por Blocos OFDM Técnicas de transmissão por blocos na base do 5G Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) 4G (3GPP LTE) e WiFi (802.11a) Divisão na frequência tradicional OFDM (subportadoras ortogonais) Bandas de duarda Baixa eficiência espectral f[hz] Sobreposição de subportadoras Eficiência espectral f[hz] 12

13 Técnicas de Transmissão por Blocos CP-OFDM (1) CP-OFDM TX bits Conversor S/P QAM QAM QAM IDFT Conversor P/S Prefixo Cíclico (CP) Janelamento Filtragem Modulação RF Sinal multiportadora Geração simples do sinal multiportadora Transmissão adaptada aos diferentes sub-canais Janelamento para reduzir emissões fora da banda Garantia de ortogonalidade 13

14 Técnicas de Transmissão por Blocos CP-OFDM (2) bits Conversor S/P QAM QAM QAM CP-OFDM TX IDFT Conversor P/S Prefixo Cíclico (CP) Janelamento Filtragem Modulação RF Bloco CP-OFDM CP DADOS Redução da Eficiência Espectral Elevados Débitos Binários em Multipercurso Redução da Eficiência Energética 14

15 Técnicas de Transmissão por Blocos CP-OFDM (3) CP-OFDM RX Remoção CP Conversor S/P DFT Igualização Deteção Conversor S/P bits Igualização simples no domínio da frequência Soma de várias subportadoras Sinal com grande gama dinâmica ~ 10 db Problemas de amplificação Inadequado para Uplink 15

16 Técnicas de Transmissão por Blocos SC-FDE (1) Single Carrier with Frequency-Domain Equalization (SC-FDE) SC-FDE TX DFT-Precoding OFDM bits Modulação Prefixo Cíclico (CP) Modulação RF CP DADOS Bloco SC-FDE Sinal monoportadora TX simples Envolvente Contida Elevada eficiência energética Terminal móvel TX (Uplink) 16

17 Técnicas de Transmissão por Blocos SC-FDE (2) SC-FDE RX Remoção CP Conversor S/P DFT Igualização IDFT Deteção Conversor S/P bits RX SC-FDE mais complexo que RX CP- OFDM Estação base RX (Uplink) Mais interferência 17

18 Recomendações Atuais para o 5G (1) Técnicas de transmissão podem variar conforme o caso de uso do 5G. Consenso em torno das técnicas de transmissão por bloco. Uplink: Técnicas de transmissão monoportadora com sequenciamento de símbolos no tempo permitem menor gama dinâmica e amplificação menos problemática. Downlink: Técnicas de transmissão multiportadora permitem alocação de espectro flexível e igualização simples no domínio da frequência. 18

19 Recomendações Atuais para o 5G (2) Downlink Técnicas de transmissão multiportadora Estação Base (TX) Terminal móvel (RX) CP-OFDM Uplink Técnicas de transmissão monoportadora Terminal móvel (TX) Estação Base (RX) SC-FDE 19

20 Obrigado 20