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Type: DISSERTAÇÃO DIGITAL
Degree Level: Mestrado
Title: Pulse shaping of OFDM-based waveforms for the 5G air interface : Conformação de pulso de formas de onda OFDM para a interface aérea 5G
Title Alternative: Conformação de pulso de formas de onda OFDM para a interface aérea 5G
Author: Luque Quispe, Jaime Junior, 1987-
Advisor: Meloni, Luís Geraldo Pedroso, 1958-
Abstract: Resumo: As formas de onda com multiplexação ortogonal por divisão de freqüência (OFDM) foram utilizadas com sucesso na interface aérea 3GPP LTE para superar a seletividade do canal e proporcionar uma boa eficiência espectral e altas taxas de transmissão de dados. O próximo sistema de comunicações 5G tem como objetivo oferecer suporte a mais serviços do que o antecessor, como comunicações de banda larga móveis, comunicações de tipo máquina e comunicações de baixa latência, e considera muitos outros cenários de aplicação, como o uso de espectro fragmentado. Esta diversidade de serviços com diferentes requisitos não pode ser suportada pela OFDM convencional, pois OFDM configura toda a largura de banda com parâmetros que atendem a um serviço em particular. Além disso, pode ocorrer interferência interportadora (ICI) quando a OFDM convencional é usada com multiplexação assíncrona de múltiplos usuários e isso é devido às altas emissões fora de banda (OOB) das subportadoras e à violação da condição de ortogonalidade do sinal. Portanto, para atender aos requisitos das futuras aplicações sem fio 5G, o desenvolvimento de uma interface aérea inovadora com novas capacidades torna-se necessário, em particular, uma nova forma de onda mais espectralmente ágil do que OFDM capaz de suportar múltiplas configurações, suprimindo efetivamente a interferência entre usuários, e com integração direta com as camadas superiores. Este trabalho centra-se em duas técnicas de conformação de pulsos para reduzir a emissões fora de banda e melhorar o desempenho de formas de onda baseadas em OFDM. A conformação de pulsos pode permitir o uso de parametrizações múltiplas dentro da forma de onda e abandonar os paradigmas rígidos de ortogonalidade e sincronismo com uma degradação de desempenho causada por interferência intersymbol (ISI) e ICI relativamente baixa. A primeira parte aborda um método de modelagem de pulso baseado na filtragem por subportadora para reduzir a emissão fora de banda no transmissor e interferência de canal adjacente (ACI) no receptor. Ele pode ser implementado usando funções de janela e alguns formatos de janela são apresentados nesta parte. O primeiro usa o prefixo cíclico (CP) existente dos símbolos para suavizar as transições abruptas do sinal, portanto, os grandes lóbulos espectrais sinc causados pelos filtros retangulares. Isso garante a compatibilidade retroativa em sistemas que usam OFDM com prefixo cíclico (CP-OFDM). O formato da segunda janela estende o comprimento do CP para reter a capacidade da forma de onda para combater a propagação do atraso do canal. Os efeitos no desempenho do ISI e ICI são estudados em termos de relação de sinal para interferência (SIR) e taxa de erro de bit (BER) usando formas de onda LTE em um cenário de espectro fragmentado multi-usuário. A segunda parte deste trabalho aborda o desenho e análise de filtros para a contenção espectral flexível em transceptores com filtragem baseada em sub-banda. Este filtro, chamado aqui semi-equiripple, exibe melhor atenuação na banda de rejeição para reduzir as interferências entre subbandas do que os filtros equiripple e filtros sinc baseados em janelamento e também possui boas características de resposta ao impulso para reduzir o ISI. O projeto de filtros baseia-se no algoritmo Parks-McClellan para obter diferentes taxas de decaimento da banda de parada e atende a especificações arbitrárias de máscaras de emissão de espectro (SEM) com baixa distorção dentro da banda. Portanto, pode ser útil para obter baixas emissões fora da banda e configurar sub-bandas com parâmetros independentes, uma vez que a interferência assíncrona é contida pelos filtros. São estudadas três distorções de ISI no filtro: espalhamento de símbolos relacionado à causalidade do filtro, ecos de símbolos devido a ondulações na banda e amplificação de ISI devido a amostras de valores anômalas nas caudas de sua resposta de impulso. O desempenho do filtro é avaliado em termos de densidade de espectro de potência (PSD) e conformidade com SEMs, taxa de erro de modulação (MER) e operação em um esquema assíncrono multi-serviço usando uma única forma de onda. O SIR e o efeito da filtragem na precisão da modulação são avaliados usando formas de onda OFDM ISDB-T e LTE. Estruturas de hardware flexíveis também são propostas para implementações reais. Os resultados mostram que esses métodos de conformação de pulso permitem que a forma de onda explore os fragmentos de espectro disponíveis e ofereça suporte a múltiplos serviços sem uma penalidade de desempenho significativa, o que pode permitir uma interface aérea mais flexível

Abstract: Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) waveforms have been used successfully in the 3GPP Long Term Evolution (LTE) air interface to overcome the channel selectivity and to provide good spectrum efficiency and high transmission data rates. The forthcoming 5G communication system aims to support more services than its predecessor, such as enhanced mobile broadband, machine-type communications and low latency communications, and considers many other application scenarios such as the fragmented spectrum use. This diversity of services with different requirements cannot be supported by conventional OFDM since OFDM configures the entire bandwidth with parameters attending one service in particular. Also, substantial intercarrier interference (ICI) can occur when conventional OFDM is used with asynchronous multiuser multiplexing and this is due to the high out-of-band (OOB) emissions of the subcarriers and the violation of the signal orthogonality constraint. Therefore, to meet the requirements of future 5G wireless applications, the development of an innovative air interface with new capabilities becomes necessary, in particular, a new waveform more spectrally agile than OFDM capable of supporting multiple configurations, suppressing the inter-user interference effectively, and with straightforward integration with the upper layers. This work focuses on two pulse shaping techniques to reduce the OOB emission and improve the in-band and OOB performances of OFDM-based waveforms. Pulse shaping can enable the use of multiple parameterizations within the waveform and abandon the strict paradigms of orthogonality and synchronism with relatively low performance degradation caused by intersymbol interference (ISI) and ICI. The first part addresses a pulse shaping method based on per-subcarrier filtering to reduce both OOB emission in the transmitter and adjacent channel interference (ACI) in the receiver. It can be implemented using window functions and some window formats are presented in this part. The first uses the existing cyclic prefix (CP) of OFDM symbols to smooth abrupt transitions of the signal, thus the large sinc spectral sidelobes caused by the rectangular filters. This guarantees backwards compatibility in systems using conventional cyclic prefixed OFDM (CP-OFDM). The second window format extends the CP length to retain the waveform ability to combat channel delay spread. The effects on performance of ISI and ICI are studied in terms of the signal to interference ratio (SIR) and bit error rate (BER) using LTE waveforms in a multi-user fragmented spectrum scenario. The second part of this work addresses the design and analysis of a filters for flexible spectral containment in subband-based filtering transceivers. This filter, called here semi-equiripple, exhibits better stopband attenuation to reduce the inter-subband interferences than equiripple and windowed truncated sinc filters and also has good impulse response characteristics to reduce ISI. The design is based on the Parks-McClellan algorithm to obtain different stopband decay rates and meet arbitrary spectrum emission masks (SEM) specifications with low in-band distortion. Therefore, it can be useful to achieve low OOB emission and configure subbands with independent parameters since the asynchronous interference is contained by the filters. Three ISI distortions in the filter are studied: symbol spreading related to the filter causality, symbol echoes due to in-band ripples, and ISI amplification due to outlier samples in the tails of its impulse response. The performance of the filter is assessed in terms of the power spectrum density (PSD) and compliance with tight SEMs, modulation error rate (MER) and operation in a multi-service asynchronous scheme using a single waveform. The SIR and the effect of filtering on the modulation accuracy are evaluated using OFDM ISDB-T and LTE waveforms. Flexible hardware structures are also proposed for actual implementations. The results show that these pulse shaping methods enable the waveform to exploit the available spectrum fragments and support multiple services without significant performance penalty, which can allow a more flexible air interface
Subject: Multiplexação por divisão de frequência ortogonal
Filtros digitais
Comunicações moveis
Modulação digital
Processamento digital de sinais
Language: Inglês
Editor: [s.n.]
Citation: LUQUE QUISPE, Jaime Junior. Pulse shaping of OFDM-based waveforms for the 5G air interface: Conformação de pulso de formas de onda OFDM para a interface aérea 5G. 2016. 1 recurso online (82 p.) Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação, Campinas, SP. Disponível em: http://www.repositorio.unicamp.br/handle/REPOSIP/332405. Acesso em: 6 Jan. 2021.
Date Issue: 2016
Appears in Collections:FEEC - Tese e Dissertação

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