Método de transmissão de Block Windowed Burst Orthogonal Frequency Division Multiplexing com sobreposição de janelas e segmentação de tempo [NI-TECH-2020-25]

A multiplexação por divisão de frequências ortogonais (OFDM), desde o 3G e mesmo com o 5G é a técnica de modulação preferida devido à sua robustez face a interferência inter-símbolo associada com canais de múltiplos caminhos.

Embora a significativa emissão fora da banda (devido à utilização de um perfil de janela rectangular) e a grande relação entre o pico e a média de potência limitem consideravelmente as suas eficiências espectral e de potência, estes factores suscitaram o interesse na investigação de novas formas de onda baseadas em OFDM, capazes de manter as principais características de vantagem do OFDM ao mesmo tempo que colmatam as suas desvantagens.

A invenção consiste num método e um aparelho transceptor de uma técnica de múltiplas portadoras baseada em OFDM que agrupa múltiplos blocos OFDM com janelas com um único bloco zero para lidar com o atraso de propagação de múltiplas vias do canal. As novas janelas propostas asseguram um espectro compacto de blocos com base em OFDM. Para manter a taxa de transmissão e a ocupação do espectro dos blocos OFDM com janela são sobrepostos parcialmente no domínio do tempo. Para melhorar a robustez contra canais dispersivos no tempo, é utilizada a intercalação de amostras dos blocos baseados em OFDM embalados e sobrepostos. São divulgadas diferentes corporificações de receptores não iterativos e iterativos para cancelar tanto as interferências de canal (no domínio da frequência) como as interferências resultantes da operação sobreposta (no domínio do tempo).

As técnicas divulgadas permitem a melhoria da eficiência espectral alavancada pela sobreposição de janelas e blocos, a melhoria da eficiência energética resultante da utilização de um único bloco de bloco zero por múltiplos blocos baseados em OFDM e a resiliência de transmissão contra os efeitos dispersivos do tempo.

Contexto

Espera-se que os futuros sistemas de comunicações sem fios 5G e doravante tragam melhorias na forma como os dados são transmitidos e as formas de onda são concebidas. Tais melhorias estão relacionadas com uma maior taxa de dados, menor latência, e flexibilidade trazida pela necessidade de transmitir sobre condições de canais hostis, bem como uma maior eficiência espectral e energética A Multiplexação Ortogonal por Divisão de Frequência (OFDM) tem sido, desde a 3ª geração (3G) de comunicações sem fios, a forma de onda preferida, devido à sua robustez à interferência entre símbolos associada a canais multi-caminhos. A fim de apoiar a transmissão de dados em vários cenários, com diferentes qualidades de serviço, requisitos de atraso e diferentes frequências portadoras, está a ser desenvolvido um novo formato de onda pelo 3GPP, no âmbito do 5G. A escolha da forma de onda para o formato de onda 5G culminou na adopção do OFDM com a adição de prefixo cíclico para as transmissões de downlink e uplink, deixando em aberto a possibilidade de utilizar novos tipos de modulação de forma de onda, como habitualmente designado no contexto do 5G.

Assim, o desenvolvimento de novas técnicas como alternativas ao OFDM, com maior eficiência espectral e de potência, tem sido objecto de muitos estudos recentes, tendo sido propostas várias técnicas como: multiplexação filter-bank multicarrier (FBMC); multiplexação por divisão de frequência generalizada (GFDM); filtered-OFDM; e, mais recentemente, a técnica Time-Interleaved Block Windowed Burst Orthogonal Frequency Division Multiplexing (TIBWB-OFDM).

Sobre a tecnologia

No TIBWB-OFDM, os blocos baseados em OFDM são sequencialmente cíclicos, estendidos e com janela, no domínio do tempo, através de uma janela dependente do roll-off, conhecida como raiz quadrada elevada a cosseno , concedendo um confinamento de espectro muito melhor, reduzindo a radiação fora da banda e melhorando a eficiência espectral quando comparada com os sistemas CP-OFDM. É realizada uma operação de intercalação entre as amostras de tempo de cada bloco baseado em OFDM, criando um efeito de diversidade no domínio da frequência, melhorando a robustez contra desvanecimentos profundos na banda. Nesta forma de onda, vários blocos baseados em OFDM de pequenas janelas são embalados juntamente com um único bloco zero para lidar com o atraso de propagação multicaminhos do canal sem fios, melhorando assim a eficiência energética.

Embora o confinamento espectral aumente para um maior roll-off da janela, o comprimento do bloco TIBWB-OFDM aumenta proporcionalmente, devido à justaposição dos símbolos dos componentes. Isto implica uma redução da taxa de símbolos, o que limita os ganhos de eficiência espectral. Consequentemente, o ganho de eficiência espectral conseguido com esta técnica de modulação é limitado, quer pela melhoria do confinamento espectral através da redução da radiação fora da banda (OOB) quando se utiliza um roll-off maior, quer pela melhoria da taxa de símbolos quando se utiliza uma janela rectangular convencional, uma vez que é utilizado um único prefixo ZP por cada grupo de blocos embalados baseados em OFDM. Além disso, a potência média global do bloco TIBWB-OFDM é reduzida, implicando assim um aumento da taxa de potência de pico em média (PAPR) transmitida, o que limita os ganhos de eficiência energética alcançáveis.

A abordagem alternativa relativa à construção do símbolo TIBWB-OFDM é abordada ao permitir uma sobreposição parcial entre os símbolos OFDM com janela adjacente, no domínio do tempo para manter a taxa de transmissão e a ocupação do espectro. Esta nova forma de onda permitiria alcançar uma eficiência espectral muito elevada, uma vez que não há expansão temporal do bloco TIBWB-OFDM, permitindo uma economia de espectro ao transmitir a uma taxa fixa. Além disso, a sobreposição da operação cria uma forma de onda mais plana, diminuindo o efeito de atenuação das janelas e opondo-se à diminuição da potência média do sinal e consequentemente diminuindo o PAPR do sinal. No entanto, a operação de sobreposição introduz interferência entre os dados transmitidos em sub-blocos adjacentes. Assim, os algoritmos de cancelamento do domínio temporal devem ser desenvolvidos atuando como métodos de reconstrução do sinal. É incluído um algoritmo de cancelamento sucessivo de interferência linear para a frente e para trás (ISC) para anular a interferência auto-criada resultante deste processo, com base num processo sequencial. Neste processo, os dados enviados no primeiro símbolo permitem recuperar parcialmente a informação que tenha sido corrompida (sobreposta) pelo símbolo seguinte. Além disso, os dados enviados no último símbolo permitem a recuperação parcial dos dados que foram corrompidos pelo símbolo anterior. Além disso, para melhorar a robustez contra os canais dispersivos do tempo é utilizada a intercalação de amostras do embalado e do TIBWB-OFDM com sobreposição de janelas (OMC) com base em blocos. Estão também incluídas diferentes encarnações de recetores não iterativos e iterativos para cancelar tanto as deficiências dos canais (no domínio da frequência) como as interferências resultantes da sobreposição da operação (no domínio do tempo). Neste contexto, as técnicas de equalização linear ou iterativa do domínio da frequência (FDE), como o erro quadrático médio mínimo (MMSE) ou o equalizador iterativo de feedback de decisão de bloco (IB-DFE), respetivamente, podem ser complementadas com técnicas de ISC linear ou algoritmos iterativos de cancelamento de interferência inter-bloco (IBIC) para melhorar o desempenho da nova forma de onda proposta.

Detalhes adicionais

F. Conceição, M. Gomes, V. Silva and R. Dinis, “Time Overlapping TIBWB-OFDM Symbols for 740 Peak-To-Average Power Ratio Reduction,” in 11th Conference on Telecommunications (ConfTele 2019), Lisbon, Portugal, June 2019.

F. Conceição, M. Gomes, V. Silva and R. Dinis, “Highly efficient TIBWB-OFDM waveform for broadband 737 wireless communications,” in 2020 IEEE 91st Vehicular Technology Conference (VTC2020-Spring), Antwerp, 738 Belgium, pp. 1-5, May 2020.

F. Conceição, M. Gomes, V. Silva and R. Dinis, “An OFDM-Based Waveform With High Spectral Efficiency,” in IEEE Communications Letters, vol. 24, no. 11, pp. 2614-2618, Nov. 2020

Estágio de desenvolvimento

TRL 4 – Tecnologia validada em laboratório.

Benefícios

Algumas das soluções propostas têm inconvenientes, tais como a dificuldade de alargar a FBMC a Múltiplas Entradas e Saídas Múltiplas (MIMO) consideram como uma tecnologia chave para a 5G. Esta patente provisória aborda o TIBWB-OFDM já demonstrou ser facilmente extensível a cenários MIMO. No entanto, o prometido aumento espectral e de eficiência energética proposto pelo método é limitado pelo crescimento dos blocos baseados em OFDM com janela e também devido à sua justaposição.

O procedimento de janelas, embora melhore o confinamento espectral dos blocos baseados em OFDM formando o sinal TIBWB-OFDM, provoca a extensão temporal do bloco e, portanto, uma redução da taxa de transmissão. Para manter a taxa de transmissão, de facto, a ocupação espectral deve aumentar, limitando assim os ganhos de eficiência espectral da técnica. Além disso, a expansão temporal também aumenta o PAPR de cada bloco baseado em OFDM. Assim, embora uma redução do PAPR seja conseguida através da utilização única de um bloco zero para múltiplos blocos embalados baseados em OFDM, a redução global conseguida é limitada.

A nova técnica permite uma sobreposição parcial entre blocos com janelas adjacentes baseados em OFDM, no domínio do tempo, conseguindo assim melhorias efetivas na eficiência espectral e de potência. Para isso, é necessário desenvolver algoritmos de equalização nos recetores capazes de sobrepor a interferência auto-criada resultante deste processo.

Esta nova forma de onda permitiria alcançar uma maior eficiência espectral, uma vez que a expansão temporal do sinal TIBWB-OFDM é evitada. Além disso, a sobreposição da operação diminui o efeito de atenuação das janelas no domínio do tempo, opondo-se à diminuição da potência média do sinal e, consequentemente, diminuindo efetivamente o PAPR do sinal transmitido.

Aplicações

Forma de onda baseada em OFDM com potência consideravelmente melhorada e eficiência espectral adequada para comunicações sem fios e óticas de forte dispersão de frequências, com potencial utilização a ser incluída nos sistemas de comunicação sem fios para lá do 5G

Oportunidade

Disponível para licenciamento exclusivo e não-exclusivo.

Palavras-chave

New waveforms for beyond-5G; MIMO systems; OFDM; Hybrid Modulation system; Power and Spectral efficiency; Filtered OFDM; Time-interleaving; Iterative-block frequency domain equalization.

Propriedade Intelectual

• Pedido de patente submetido (WO2020261176).

NOVA Inventors

Rui Miguel Henriques Dias Morgado Dinis