Evaluación y comparación del rendimiento de modulaciones candidatas para 5G en presencia del ruido de fase para ondas milimétricas

Abstract

Objective: Evaluate and investigate the effect of phase noise in different waveform(s) for mm-wave radio access technologies. Background: Mobile communication systems operating in higher frequencies than those currently allocated to 4G networks are being considered by industry as a very promising approach to significantly boost capacity. Such a system can potentially utilize the much larger spectrum available in high frequencies. Moreover, in order to support user data rates of Gbps and above, contiguous bandwidths larger than 100 MHz (being the widest bandwidth currently defined for 4G) are required. Depending on the realization of the 5G system, bandwidths in the order of several GHz may be needed for efficient high capacity data delivery. Such wide contiguous blocks of bandwidth are not available below 6 GHz, where the spectrum is highly fragmented, but can be found in higher frequencies above 6 GHz, and in particular in the millimetre-wave (mm-wave) frequency bands. A millimetre-wave air-interface, operating in frequencies beyond 30 GHz, can serve extreme demands on capacity, throughput, latency, mobility, and reliability, by making use of the large available bandwidths. A mm-wave radio access technology (RAT) is therefore envisioned to be an integral part of the 5G multi-RAT system. The foundation of a successful mm-wave radio access technology is based on the waveform design. The currently used waveform in 4G systems is OFDM. However, the propagation characteristics for the frequencies in mm-wave bands are relatively unfavourable compared to the frequencies below 6 GHz. Furthermore, the signals transmitted and received at very high frequencies are subject to severe RF impairments. However, the small wavelength also brings benefits, allowing for a much larger number of antenna elements to be integrated into the devices. An efficient waveform design has to overcome the mm-wave specific (propagation and RF impairment related) challenges, while harnessing the benefits of large available channel bandwidth and massive number of antennas. Project Description: The project will investigate single-carrier and multi-carrier waveforms such as OFDM, FBMC, UW-OFDM, DFTS-OFDM, and possibly their variants/hybrids for mm-wave communication. These candidate waveforms (and possibly new waveforms) will be evaluated for the following key performance indicators:  Robustness against RF impairments (Phase noise)  Low Peak-to-Average-Power-Ratio(PAPR)

Objetivo: Evaluar e investigar el efecto que produce el ruido de fase en diferentes modulaciones para frecuencias de la banda milimétrica. Contexto: En la actualidad, las empresas del sector de las comunicaciones móviles vienen considerando la posibilidad de desarrollar sistemas de comunicaciones móviles que operen en frecuencias más altas que los actuales sistemas 4G, con la intención de aumentar significativamente la capacidad que otorgan dichos sistemas. El incremento de la capacidad se podría conseguir ya que en las frecuencias más altas hay más espectro disponible, y por lo tanto se podría utilizar un ancho de banda mayor, pudiendo superar el ancho de banda máximo utilizado actualmente para 4G (100 MHz) y alcanzar así velocidades de transmisión del orden de Gbps. Dependiendo de la aplicación del sistema 5G, podrían necesitarse anchos de banda del orden de GHz para conseguir una velocidad de transmisión elevada. Para frecuencias por debajo de 6GHz, no disponemos de anchos de banda contiguos libres del orden de GHz, pero sí que los podemos encontrar para frecuencias superiores a 6GHz por lo que ésta es la motivación para utilizar frecuencias más elevadas para 5G. Un interfaz de ondas milimétricas operando a frecuencias mayores que 30 GHz con un ancho de banda elevado puede soportar demandas extremas de capacidad, ¿throughtput¿, latencia, movilidad y fiabilidad. Por lo tanto, todos los pronósticos apuntan a que la Tecnología de Acceso Radio de ondas milimétricas formará parte de la multi-RAT para 5G. La base para conseguir un buen comportamiento para la tecnología de acceso radio de ondas milimétricas se encuentra en el diseño de la modulación utilizada. En los actuales sistemas 4G la modulación utilizada es OFDM. Sin embargo, las características de propagación para las ondas milimétricas son relativamente adversas en comparación con las características de propagación para frecuencias por debajo de 6 GHz. Además, las señales transmitidas y recibidas en frecuencias altas están sujetas a los efectos de las degradaciones de los equipos de RF. No obstante, las altas frecuencias también nos ofrecen la ventaja de tener una longitud de onda menor, lo que permite utilizar arrays de antenas con muchos más elementos integrados. Un diseño eficiente de modulación tiene que ser robusto ante las degradaciones que encontramos en las ondas milimétricas (peores características de propagación y mayores degradaciones producidas por los equipos de RF), así como aprovechar las ventajas que nos aportan (mayor ancho de banda disponible y arrays de antenas con mayor número de elementos). Descripción del proyecto: El estudiante investigará diferentes modulaciones, tanto de una (portadora) como múltiples portadoras, como OFDM, FBMC, UW-OFDM, DFTS-OFDM, y posiblemente distintas versiones de las anteriores pensadas para la transmisión en ondas milimétricas. El comportamiento de estás modulaciones candidatas (y posiblemente nuevas modulaciones) para 5G será evaluado utilizando los siguientes factores:  Robustez en presencia de las degradaciones de los equipos RF (principalmente el ruido de fase)  LowPeak-to-Average-Power-Ratio(PAPR)