New hybrid modulation techniques for future generations of communications

Abstract

As próximas gerações de comunicações móveis, designada por 5ª geração (5G) e pós-5G, possuem requisitos ambiciosos, nos quais se destacam as muito elevadas taxas de transferência de dados, requisitos de elevada eficiência espetral e de potência e também flexibilidade de transmissão em condições de canais adversas e a taxas variáveis. A técnica Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) tem vindo a ser a mais utilizada pois apresenta vantagens interessantes, tais como, a fácil implementação baseada nos algoritmos da transformada de Fourier rápida (FFT) e a sua inversa (IFFT), e o facto de permitir uma igualização eficiente e de baixa complexidade no domínio da frequência. Para além disso, o OFDM apresenta-se como uma técnica robusta quando utilizada na transmissão de dados em canais dispersivos. No entanto, uma das desvantagens inerentes ao uso desta técnica está associada à sua eficiência espetral limitada, devido à elevada amplitude do seu espetro fora da banda útil de informação. Deste modo, o objetivo deste trabalho é o estudo de novas técnicas de modulação híbridas, nomeadamente, Time Interleaved Block Windowed Burst OFDM (TIBWB-OFDM) que permite aumentar a eficiência espetral e de potência, adaptadas a diversos ambientes móveis que se traduzem em canais dispersivos no tempo e na frequência. Esta é considerada uma técnica híbrida, pois combina características relativas a transmissão monoportadora e multiportadora. A forma de onda TIBWB-OFDM permite alcançar um maior confinamento no espetro de sinal que melhora com o aumento do roll-off da janela, uma vez que a amplitude do sinal fora da banda útil (out of band - OOB) diminui. No entanto, o comprimento dos blocos do sinal TIBWB-OFDM cresce temporalmente, correspondendo a uma diminuição da taxa de transmissão, limitando o aumento da eficiência espetral do sistema. Além disso, a operação de multiplicação pela janela é responsável pela redução da potência média do sinal, que, por sua vez, depende do valor do roll-off da janela. Como consequência, a relação entre a potência máxima e a potência média (peak-to-average power ratio - PAPR) do sinal TIBWB-OFDM tende a crescer à medida que o roll-off aumenta. Portanto, este trabalho propõe um método alternativo relativo à construção do símbolo TIBWB-OFDM, permitindo uma sobreposição parcial entre os símbolos OFDM adjacentes para reduzir o PAPR. Para além disso, a nova forma de onda ajuda a melhorar a eficiência espetral em detrimento da interferência introduzida entre os blocos do sinal, que contribui para a degradação nas performances em termos da taxa de erros (bit error rate - BER), que, por sua vez, depende do roll-off da janela. Para compensar o aumento na taxa de erros, este trabalho também propõe diferentes recetores, iterativos e não-iterativos, da técnica TIBWB-OFDM, com igualização em ambos os domínios da frequência e tempo, capazes de cancelar tanto as restrições dos canais dispersivos no tempo e a interferência resultante entre os blocos baseados em OFDM da forma de onda TIBWB-OFDM.

The future generations of mobile communications, known as 5th generation (5G) and post-5G, have ambitious requirements, which include very high data transfer rates, high spectral and power requirements, as well as transmission flexibility under conditions of adverse channels and at variable rates.The Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) technique has been, since the 3rd generation (3G) of wireless communications, the preferred waveform of choice since it presents interesting advantages, such as the easy implementation based on the FFT and its inverse (IFFT) algorithms, and the fact that efficient equalization in the frequency domain can be performed. In addition, OFDM is a robust technique when transmitting through dispersive channels. However, one of the drawbacks inherent to the use this technique is associated with its limited spectral efficiency, due to the high amplitude of its spectrum outside the allocated bandwidth. In this way, the objective of this work is the study of new hybrid modulation techniques, namely Time Interleaved Block Windowed Burst OFDM (TIBWB-OFDM) that allows increasing spectral and power efficiency, adapted to diverse mobile environments that translate into time dispersive (TD) channels and frequency dispersive (FD) channels. This is considered a hybrid technique since it combines features related to single-carrier and multi-carrier transmission. The TIBWB-OFDM waveform enables to achieve greater confinement in the signal spectrum that improves with the increase of the window roll-off since the out of band (OOB) radiation drops. However, the TIBWB-OFDM blocks length grows in time domain, which corresponds to a decrease on the transmission rate, limiting the increase in the spectral efficiency of the system. Furthermore, the windowing operation is responsible for the reduction in the average power of the signal, which, in turn, depends on the value of the window roll-off. As a consequence, the peak-to-average power ratio (PAPR) of the TIBWB-OFDM signal tends to grow as the roll-off increases. Therefore, this work proposes an alternative method concerning the TIBWB-OFDM symbol construction by allowing a partial overlap between adjacent windowed OFDM-based symbols in order to reduce PAPR. Moreover, the new waveform helps to improve the spectral efficiency at the expense of introduced interference between the signal's blocks, that deteriorate the bit error rate (BER) performances, which, in turn, depends on the value of the window roll-off. In order to compensate the loss in BER, this work also proposes different TIBWB-OFDM receivers, iterative and non-iterative ones, with equalization at both frequency and time domains, able to cancel both TD channel constraints and interference between OFDM-based blocks of the TIBWB-OFDM waveform.