FSK ve 5G NR'ye Giriş
Frekans Değiştirici (FSK) en eski ve en güvenilir dijital modulation tekniklerinden biridir. Bluetooth Low Energy, RFID etiketleri ve miras sistemleri arasında taşıyıcı frekansı değiştirmek için kodlanmıştır.
5G Yeni Radyo (NR), beşinci nesil hücresel ağlar için küresel standart, temel olarak farklı bir yaklaşım gerektirir. Orthogonal Frekans Bölümü Multixing (OFDM), geniş bir bant kanalını birçok dar, orthogonal altkarriere böler, yüksek çözünürlükte iletişim kurmalı, çok düşük maliyetli iletişimli iletişim (çok düşük iletişim) ve esnek elektronik iletişim hattını sağlar.
FSK'nın 5G NR'ye adapte olup olmadığı sorusu sadece akademik değil, ağ operatörleri, çip satıcıları ve IoT ekosistem oyuncularının geri uyumlu modulation şemalarına yatırım yapıp güvenmeyeceğine karar vermelidir. Bu makale, FSK'nın 5G NR ile teknik uyumluluğunu değerlendiriyor, temel engelleri tanımlar ve belirli kullanım vakalarına potansiyel entegrasyon stratejileri keşfetmeli.
Core Modulation Principles: FSK vs. OFDM
FSK Temelleri
FSK, taşıyıcı frekansının giriş bitine göre frekansını azaltır. En basit ikili formda (BFSK), iki frekans 0 ve 1. Merkezin frekansından gelen frekans sapması, moderasyon indeksini belirler:0)0h) GFSK (Gaussian-filtre FSK) gibi sürekli olarak daha düşük emisyonlar, yüksek indeksler sabit bant genişliğini azaltır.
Frekans sapması veri oranıyla bağlantılıdır: intersymbol müdahalesinden kaçınmak için, frekans kesintisi QAM gibi doğrusal modülasyon şemalarına kıyasla en az olmalıdır.Bu, bant genişliği ve transput gibi doğal bir ticaret-off yaratır.
5G NR
5G NR, döngü öncesi (CP-OFDM) ile her iki alt bağlantı için (PKK'yı azaltmak için ayarlanan) için, 16QAM, 64QAM veya 256QAM (ve 1024QAM'a kadar) farklı frekans gruplarına ve dağıtım senaryolarına adaptasyon sağlar.
Örneğin, 15 kHz ile 20 MHz kanalı, her biri sembolünü korumak veya her bir modda algılamak için sembolün kullanımını desteklemeli. MIMO uzaysal çokluxing ile birlikte, OFDM, 20 Gbps'yi ideal koşullardan daha fazla elde eder. FSK, hatta MFS ile bu yoğunluka yaklaşabilir, çünkü frekansının spacing veya simgesel algılamayı korumak için sembolünden daha büyük olmamalıdır.
Robustness ve Gürültü Performansı
FSK, yüksek hacimli güç oranıyla, sabit yükselticiler ve dikkatli bir şekilde geri dönüştürülen USB cihazları için ideal kılar, FSK'nın güç avantajı önemli olabilir - genellikle 3-6 dB aynı hata oranı için.
Ancak, OFDM, frekans-selective fading ile uyumlu bir miktar yükleme ve kanal kodlama ile savaşabilir, ancak FSK'nın geniş frekans ccupancy, daraltıcı müdahaleye daha duyarlı hale getirir. 5G NR ayrıca bağlantı bütçesini kapatmak için ileri ileri doğru bir hata düzeltmesi (PCLD ve Polar kodları) içerir.
5G NR Networks'te Uyumluluk Challenges
Spectral Verimlilik Mismatch
En temel bariyer, 5G tarafından talep edilen büyük veri oranlarına destek olmak için, her her her hertz, uzaysal akışta 8 bit / n / nöral bir modülasyon için 1 bit / 10 / 10 °K'ya kadar, aksi takdirde yüzlerce EDİN hizmet edebilir. 5G NR OF 256QAM ile elde etmek gerekir.
Bir FSK'yi yalnızca bant genişliği sınırlı segmentlerde kullanmayı düşünebilir, ancak 5G NR'nin kaynak ızgarası şu anda 5G NR kanalı için uygun bir şekilde tasarlanmıştır.FSK dalgaformunu ekleyin, genel kullanımları azaltır 3GPP özellikleri şu anda 5G NR kanalı için FSK tabanlı bir dalgaformu tanımlayamaz.
TheDM Subcarriers ile Interference
FSK sinyalleri, Gaussian filtrelemesi ile birlikte, FSK vericisinden gelen frekans geçişi, 5G NR baz istasyonları ve kullanıcı ekipmanları için sıkı ⁇ maske gerekliliklerini aşabilir. 5G NR bir bekçi grubu ve bir kaynak blok yapısını kullanır; Gaussian filtrelemesi ile bile, yüksek hacimli emisyonlar, muhtemelen kapasite maliyetinden daha fazla.
Tersine, DSK sinyalleri bir FSK alıcıya gürültü olarak görünür. Birçok alt taşıyıcıda bulunan toplam OFDM gücü FSK ön uçunu süzdür, özellikle FSK alıcının dar bant filtrelemesi eksikliği varsa. Bu, aynı taşıyıcıyı dinamik olmayan bir şekilde devre dışı bırakır.
Donanım ve Radyo Front-Bitişleri
5G NR kullanıcı ekipmanı (UE) ve temel istasyonlar, FSK'yi destekleyebilir, ancak tersine doğru değildir: iki mod operasyonu için, maliyet ve karmaşık artış.
Dahası, senkronizasyon gereksinimleri farklıdır. OFDM, frekans dengelemesi için kesin zamanlı ve frekans senkronizasyonuna dayanır; 5G NR bu temel ve ikincil senkronizasyon sinyalleri (PSS/SSS) FSK alıcıları genellikle frekans dengelemelerine daha hoşgörüsüzdür, bu da daha az verimlidir.Tek bir cihazda iki temel bant işlemci veya yapılandırılabilir bir dijital ön-endişe gerektirir.
Latency ve senkronizasyon Sorunları
URLLC hizmetleri, alt kademelik saniyelik değerleri gerektirir. FSK, 100 kHz sapma ile daha uzun bir süre sembolü olabilir, ancak genel paket süresi kısa subcarrier spacing ile karşılaştırılabilir. Örneğin, 15 kHz OFDM sembolü 66.7 μs sürer, ancak 100 kHz BFS ile sinyal 10 μs ile daha fazla olabilir, ancak genel paket süresi daha düşük veri oranları nedeniyle daha uzun olabilir.
Power Beauty Trade-offs
FSK vericileri kısa patlamalar için (eski geliştirme yükselteçleri için) EXG NR, son derece zorlu resepsiyon (DRX) gibi güç tasarrufu özelliklerini tanıttı ve uyandırma sinyalleri.A FSK tabanlı bir uyandırma alıcısı (WUR) aslında bir potansiyel uygulama (bölgedeki bütünleme stratejilerine bakınız).
5G Systems'de FSK için Potansiyel Bütünleme Stratejileri
Hybrid Modulation Schemes
Bir pragmatik yaklaşım, FSK'yi tek bir dalgaformunda karıştırmak. Örneğin, bir OFDM subcarrier, FSK'yi içsel bir modülasyon olarak kullanabilir, ancak dış yapı seçili altkarrierler için genellikle FSK-OFDM veya frekans geçiş anahtarı olarak adlandırılır.
Bir diğer hibrit, FSK'yı kontrol kanalları için, sağlamlığın veri oranına öncelik verildiği kontrol kanalları kullanmak. Örneğin, 5G NR fiziksel bağlantı kontrolü kanalı (PUCCH) BPSK ve QPSK'yi kullanıyor; altüst bir bant FSK, hücre destekli cihazlar için bağlantı bütçesini artırabilir.
Yazılım-Defined Radio ve Flex Waveforms
Yazılım tanımlı radyo (SDR) platformları, kanal koşullarına ve hizmet gereksinimlerine dayanan dinamik dalgaform seçimi sağlar. SDR ile donatılmış 5G istasyonu ilke olarak, FSK iletimlerine hizmet etmek için küçük bir kaynak bloğu veya sensör ağları için test etmek için özel bir bağlantı sağlar. Open Radio Access Network (O-RAN) mimarisi modüler temel bant işlemesini destekler, SDR olmayan dalgalar için özel 5G ağları için özel olarak ilgili.
Anahtar meydan okuma gerçek zamanlı dalgaformu geçiştir. 5G NR'nin çerçeve yapısı (10 ms radyo çerçevesi yuvalara ve mini-slotlara bölünmüş) saygı gösterilmesi gerekir. FSK için özel bir zaman slot veya frekans grubu ayırt edilebilir, ancak bu, OFDM kaynak kullanılabilirliği azaltır. SDR, farklı modülasyon ve demodülasyon zincirlerini işlemek için programlanabilir hızlandırıcılar gerektirir.
Hedeflenen Uygulamalar: IoT, M2M ve Low-Power Cihazları
5G bağlamda FSK için en çekici kullanım durumu büyük bir IoT (mMTC) 5G NR Lite (RedCap) cihazları, daha düşük bant genişliğini (örneğin, 20 MHz) ve daha az MIMO katmanlarına destek vererek karmaşıklığı azaltmaktadır.
3GPP Bülteni 17 Narrowband IoT (NB-IoT) ve LTE-M 5G çerçevesi içinde tanıttı, ancak bu, FSK'nin bir FSK tabanlı NB-IoT uzantısını önerdiler, ancak bu, dar bant genişliği ile benzer bir güç verimliliği elde edemedi.
Örnek: Wake-Up Alıcılar (WUR)
5G NR cihazları, yalnızca FSK'nın her zaman kontrol kanalı olarak hizmet ettiği düşük güç (mikroamps) çok düşük bir güç kullanır ve sadece gerekli olduğunda ana radyoyu uyandırır.
Unlicensed Spectrum ve Backhaul Links
5G NR ayrıca, yüksek veri hızı hedefleri, 60 GHz bandında (802.11ad/ay) daha kolay tolere edilebilir. Örneğin, FSK gibi tek kişilik modulationlar, FSK'nın gürültüye karşı daha iyi sağlamlık sunabilir.
Kablosuz arkahaul için, sabit bağlantıların küçük hücreleri birbirine bağlandığı, FSK düşük seviyeli telemetri ve kontrol için kullanılabilir, ana veriler de OFDM'yi kullanırken, bu bir niş uygulamadır, ancak ayrı bir radyo arayüzüne ihtiyaç duyar.
Future Research Path and Standardization Efforts
3GPP rolü
3GPP, 5G NR standartlarını tanımlayan birincil vücut.Şimdiye kadar sadece OFDM tabanlı dalgaformları NR. Herhangi bir FSK girişi, tüm katmanları etkileyecektir - 17/18'nin olgunluğunun altında, FSK'nın genel amaçlı olarak eklenebilmesi olası değildir.
Gelişmiş Dijital Sinyal İşleme
Modern DSP, FSK'nın dezavantajlarını hafifletebilir. Frekans alanı FSK için eşitleştirme (FD-FSK) gibi gelişmiş algoritmaların daha fazla hata oranı olmadan daha fazla yayılmasına izin vererek verimliliği artırabilecektir. Interference iptal teknikleri (başarılı müdahale iptali veya SDMIC) FSK'nin FSK sinyalini veya altta kodlamak için aşırı yüklemesi mümkün olabilir.
Bilişsel Radyo ve Dinamik Spectrum Access
Bir bilişsel radyo çerçevesinde, 5G üssü istasyonu, spektrumun kullanılmamış kısımlarını tespit edebilir ve FSK iletimlerini öngörebilir. Bu, lisanslı paylaşılan erişim (LSA) ile benzerdir, ancak esnek 5G hava arayüzü vizyonu ile uyumlu olacaktır.
Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç
FSK ve 5G NR OFDM temel olarak farklı tasarım felsefelerini temsil ediyor. FSK, 5G taşıyıcısı olmayanlar için basitliğe ve düşük güç tüketimine karşı verimlilik ve veri oranına öncelik veriyor. 5G NR OFDM karmaşık multi-carrier işleme yoluyla en üst düzey bir şekilde yükseltilebilir.
Ancak, FSK 5G ekosistemlerinde destekleyici bir rol oynayabilir. Potansiyel entegrasyon yolları, karma dalgaformları (FSK-OFDM), 3GPP gibi dinamik olarak tümleşik radyolar FSK kanallarını benimsemek için mümkün değildir, ancak gelecekteki yükseltmeler için özel geliştirmeler için dikkate alabilir.
Ağ operatörleri ve cihaz üreticileri için, prudent stratejisi esnek dalgaformları ve düşük güç teknikleri ile ilerlemeleri izlemektir, ancak ana akım 5G hizmetleri için OFDM'ye güvenmeye devam ederken, FSK ve OFDM'nin düşük veri oranlarına ihtiyacı olan heterojen bir hava arayüzüdür, özel FSK radyolar (örneğin, Bluetooth, Zigbee veya özel alt anahtar sistemler) en iyi şekilde idare edilir.