Simulation platform for 5G systems

Abstract

Thanks to the technological advances in communications, it has never been so fast and simple to communicate with people anywhere in the world, as well as enjoying a variety of services, only by using a mobile phone with internet access. But the increasing number of users and features requires an ever-demanding design of wireless communication systems, with the constant need to increase speed and efficiency in information transmission. A new generation of wireless communication systems that will revolutionize the way we share information is currently emerging, promising a significant increase in transmission rates. This generation presents itself as 5G. In order to optimize the bandwidth usage, current 4G systems already use a signal modulation technique called OFDM, and future 5G systems will also make use of this technique. Despite having optimum spectral performance, OFDM modulation has a high signal Peak-to-Average Power Ratio (PAPR), which can cause the power amplifiers to operate in a non-linear zone. This may compromise the electrical efficiency of the system and increase the probability of error in information transmission. To evaluate the performance of wireless communication systems against the distortions caused by the amplification of OFDM signals, a simulation platform was developed. In this platform are included laboratory measurements for two types of amplifiers in different operating environments that are typical in 5G systems. In order to understand how different system characteristics differently affect its performance, signals with two distinct bandwidths are tested for three digital signal modulation techniques. The tests also consider the effects of the wireless channel as well as schemes of multi-antenna systems.

Graças aos avanços tecnológicos na área das comunicações, nunca foi tão rápido e simples comunicar com pessoas em qualquer parte do mundo, bem como usufruir de uma inúmera variedade de serviços, apenas utilizando um telemóvel com acesso à internet. Mas o aumento do número de utilizadores e funcionalidades exigem o desenvolvimento de sistemas de comunicação sem fios cada vez mais exigentes, com a necessidade constante de aumentar a velocidade e eficiência na transferência de informação. Atualmente está a surgir uma geração de sistemas de comunicação sem fios que revolucionará a forma como partilharemos informação, prometendo um aumento significativo nas taxas de transmissão de dados. Esta geração apresenta-se como 5G. De forma a otimizar o aproveitamento da largura de banda, os atuais sistemas 4G já utilizam uma técnica de modulação de sinal denominada de Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) e os futuros sistemas 5G também farão uso desta técnica. Apesar de ter um óptimo desempenho ao nível de aproveitamento espectral, a modulação OFDM apresenta elevados valores na razão entre a potência de pico e a potência média (PAPR) do sinal, o que pode levar os amplificadores de potência a operar numa zona não linear. Comprometendo a eficiência energética do sistema e aumentando a probabilidade de erro na transmissão de informação. Para avaliar o desempenho de sistemas de comunicação sem fios face aos efeitos provocadas pela amplificação de sinais OFDM, foi desenvolvida uma plataforma de simulação. Nesta plataforma são incluídas medições laboratoriais realizadas a dois tipos de amplificadores para diversos ambientes de funcionamento típicos dos sistemas 5G. De forma a entender como diferentes características de sistemas influenciam de forma diferente o seu desempenho, são testados sinais com duas larguras de banda distintas para três técnicas de modulação digital de sinal. Os testes realizados consideram também os efeitos do canal sem-fios assim como esquemas de sistemas com múltiplas antenas.