Out-of-band radiation and cfo immunity of potential 5G multicarrier modulation schemes

Abstract

Bu çalışmada genelleştirilmiş frekans bölümlemeli ço/u{g}ullama (GFDM) ve pencerelemeli döngüsel ön ekli dairesel offset dördül genlik modülasyonu (WCP-COQAM) olarak adlandırılan 5G haberleşme sistemleri için aday fiziksel katman modülasyon teknikleri, dik frekans bölümlemeli ço/u{g}ullama (OFDM) tekniği ile bant dışı (OOB) emisyonları ve taşıyıcı frekans hatası (CFO) dayanıklılı/u{g}ı açılarından karşılaştırılmıştır. GFDM ve WCP-COQAM'nin literatürdeki bazı çalışmalarda OFDM'e göre OOB emisyonları açısından daha iyi başarım gösterdiği iddia edilmektedir. Buna karşın, literatürdeki OOB emisyon karşılaştırmalarının eşit spektral verimlilik altında yapılmaması ve OOB emisyon azaltıcı tekniklerin OFDM için de uygulanmaması sebeplerinden ötürü bu karşılaştırmaların adil yapılmadı/u{g}ı değerlendirilmektedir. Çalışmamızda bu açılardan daha adil koşullar altında yapılan benzetimlerde 3 modülasyon tipi için OOB emisyonları açısından önemli farklılık gözlenmemiştir. Daha ileri seviyedeki benzetimlerde LTE standartlarında belirtilen spektral maske gerekliliklerine uygun koşullarda anfi do/u{g}rusalsızlı/u{g}ı ve dijitalden analo/u{g}a dönüştürücü etkileri altında 3 ayrı modülasyon tipi için iletilen sinyalin hata vektör genli/u{g}i (error vector magnitude) ve ortalama iletim gücü parametreleri açısından da benzer sonuçlar görülmüştür.Söz konusu modülasyon tipleri taşıyıcı frekans hatasına karşı gürbüzlükleri açısından da karşılaştırılmıştır. Daha iyi CFO gürbüzlüğü sağlayabilmek amacıyla literatürde offset dördül genlik modülasyonu OFDM (OQAM-OFDM) için uygulanan gelişmiş darbe biçimi tasarım yöntemleri WCP-COQAM için de uygulanmıştır. Bu durum çalışmamızın analitik anlamda önemli katkılarından olan OQAM-OFDM için diklik (orthogonality) şartlarını sağlayan darbe şekillerinin WCP-COQAM için de sağladığının matematiksel olarak kanıtlanması sayesinde mümkün olmuştur. Buna karşın, çeşitli kanal koşullarında hata oranı başarımının gözlendiği kapsamlı benzetimlerde CFO gürbüzlüğü açısından da GFDM veya WCP-COQAM, OFDM'e göre daha yüksek başarım göstermemiştir.

In this study, generalized frequency division multiplexing (GFDM) and windowed cyclic prefix circular offset quadrature amplitude modulation (WCP-COQAM), which are candidate physical layer modulation schemes for the 5G systems, are compared to orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) in terms of out-of-band (OOB) radiation levels and carrier frequency offset (CFO) immunity. GFDM and WCP-COQAM are shown to be superior to OFDM with respect to OOB emissions in some studies in literature. However, we consider that these comparisons are made under unfair conditions since OOB reduction techniques are not also applied to OFDM and the spectral efficiencies of the three modulations are not equal. Establishing fair comparison grounds accordingly, the simulation results yielded no significant OOB emission performance difference between the three modulation types. Further simulations considering some parameters related to the transmitted signals such as error-vector magnitude or average power under the effects of amplifier nonlinearity or digital-to- analog converter also revealed no significant difference between the three modulation types under LTE spectral mask requirements.The three modulation types are also compared in terms of their carrier frequency offset (CFO) immunities. To achieve better CFO immunity, advanced pulse shaping methods defined for offset quadrature amplitude modulation OFDM (OQAM- OFDM) are also applied to WCP-COQAM. This is possible since the two modulations are also proved to be equivalent in terms of orthogonality, which is one of the main analytic contributions of this thesis. However, the error rate performance simulations under CFO for various channel conditions did not improve CFO immunity for WCP-COQAM or GFDM compared to OFDM.