Scalable Time-Frequency Domain Resource Block

ใจความสำคัญของเทคโนโลยี 5G เช่น ตัวประสานทางอากาศ (air interface) ที่ใหม่ มีความสามารถมากขึ้นกว่าเดิม ไม่เพียงแค่ช่วยปรับปรุงการใช้งานโทรศัพท์แถบความถี่กว้าง (mobile broadband) แต่ยังสามารถให้เกิดบริการรูปแบบใหม่ขึ้น เช่น ภารกิจที่สำคัญหรืออุปกรณ์ Internet of Thing (IoT) จำนวนมาก 5G ได้นำเทคนิครูปคลื่น (waveform) และการเข้าถึงหลายช่องทาง (multiple access) บนฐานของ Orthogonal Frequency Division Multiplex (OFDM) แบบปรับปรุง รวมถึงโครงสร้างที่ยืดหยุ่นที่สามารถให้บริการได้อย่างมีประสิทธิภาพและสร้างการรองรับสำหรับมาตรฐานในอนาคต

โครงสร้างบล็อกทรัพยากร เทคนิครูปคลื่นแบบใหม่ และการเข้าถึงหลายช่องทางบนเทคโนโลยี 5G (Slot-based Framework, Waveform and Multiple Access Techniques on 5G)

ในมาตรฐาน 5G OFDM ยังคงเป็นตัวเลือกของมาตรฐาน แม้จะทำให้ 5G เป็นมาตรฐานการสื่อสารไร้สายยุคแรกที่ไม่ได้ทำการเปลี่ยนรูปแบบของรูปคลื่นและการเข้าถึงหลายช่องทาง ข้อดีของ OFDM ประกอบด้วย [1]

1. ความซับซ้อนต่ำ สามารถใช้เครื่องรับสัญญาณที่มีความซับซ้อนต่ำแม้จะใช้งานกับสัญญาณที่มีความกว้างแถบความถี่กว้างขึ้น ซึ่งหมายถึงเครื่องรับสัญญาณที่ราคาถูกลง
2. ประสิทธิภาพคลื่นความถี่สูง สามารถใช้เทคนิค MIMO ความซับซ้อนต่ำที่สามารถเพิ่มอัตราการส่งข้อมูลได้อย่างง่าย ส่งผลให้เข้าใกล้ขีดจำกัดของแชนนอน (Shannon’s limit) มากขึ้น
3. กินพลังงานต่ำ รองรับคลื่นพาห์เดียว (single carrier) ที่มีกำลังผันผวนต่ำ ส่งผลให้อัตราส่วนระหว่างกำลังสูงสุดกับกำลังเฉลี่ยต่ำ (peak to average power ratio: PAPR) เพื่อการส่งข้อมูลขาขึ้นที่ใช้พลังงานน้อยลง 4) พื้นที่การใช้ความถี่ OFDM สามารถนำเทคนิคการปรับปรุงต่าง ๆ เช่น การกรอง (windowing/filtering) เพื่อที่ลดผลกระทบของการเปล่งสเปกตรัมในช่วงความถี่และนอกช่วงความถี่ (in-band and out-of-band emissions) ซึ่งเป็นส่วนสำคัญต่อการมัลติเพล็กซ์บริการต่าง ๆ ใน 5G

ระบบตัวเลขของ OFDM แบบปรับขนาดได้โดยการปรับระยะของคลื่นพาห์ย่อย

ในระบบ LTE รองรับความกว้างแถบความถี่สูงสุด 20 MHz และระยะระหว่างคลื่นพาห์ย่อยของ OFDM ขนาดเดียวคือ 15 kHz ในระบบ 5G NR รองรับ OFDM แบบปรับขนาดได้ เพื่อที่รองรับการใช้งานในย่านความถี่ต่าง ๆ เช่น คลื่นมิลลิเมตรที่มีความกว้างแถบความถี่มากขึ้น ตามตาราง ซึ่งจำเป็นที่คลื่นพาห์ย่อยจะสามารถปรับขนาดตามความกว้างแถบความถี่ เพื่อที่จะไม่ให้ความซับซ้อนในการประมวลผลของการแปลงฟาสฟูเรียร์ (fast fourier transform) เพิ่มขึ้นแบบเลขชี้กำลัง โดยระยะระหว่างคลื่นพาห์ย่อยของ OFDM

นอกจากนี้ 5G NR สามารถใช้งาน OFDM หลายขนาดได้พร้อมกัน เพื่อให้ใช้บริการได้อย่างมีประสิทธิภาพ เช่น การใช้งานคลื่นพาห์ย่อยขนาดเล็กจะทำให้มีขนาดตัวเติมแบบวนใหญ่ขึ้น ซึ่งสามารถนำไปใช้งานเป็นบริการการออกอากาศ (broadcast) ร่วมกันได้ และสุดท้าย 5G NR สามารถใช้งานคลื่นพาห์ร่วม (carrier aggregation) กันได้หลายขนาดได้พร้อม เช่น การใช้ร่วมใช้คลื่นมิลิเมตรกับคลื่นย่านความถี่ต่ำกว่า 6 GHz ร่วมกันเพื่อความทนทานและมีประสิทธิภาพในการใช้งาน [2]

ในการที่จะรองรับการมัลติเพล็กซ์ (multiplex) บริการใน 5G อย่างมีประสิทธิภาพ ทั้งการเปล่งสเปกตรัมในช่วงความถี่และนอกช่วงความถี่ต้องทำให้ต่ำที่สุดเพื่อไม่ให้ไปรบกวนบริการอื่น ๆ ที่ความถี่ข้างเคียง OFDM สามารถทำการประมวลผลภายหลังได้ เช่น การกรองในโดเมนเวลาหรือในโดเมนความถี่เพื่อปรับปรุงการใช้งานพื้นที่ความถี่

หนึ่งในเทคนิคที่ใช้งานคือเทคนิค OFDM แบบตัวเติมแบบวนกับการกรองแบบบวกส่วนซ้อนเหลื่อมแบบถ่วงน้ำหนัก (cyclic-prefix OFDM with weighted overlap add: CP-OFDM with WOLA) ซึ่งช่วยในการลดการเปล่งสเปกตรัมในช่วงความถี่และนอกช่วงความถี่ เทคนิคนี้เคยถูกใช้งานมาก่อนในระบบ LTE ก่อนนี้ ซึ่งยืนยันได้ถึงประสิทธิภาพที่ดีของเทคนิคดังกล่าว

การให้บริการ 5G อย่างหลากหลาย

การรับรองบริการและอุปกรณ์ที่หลากหลายของ 5G ต้องการรูปคลื่นและการเข้าถึงอย่างหลากหลาย (multiple access) ที่เหมาะที่สุด 5G ถูกออกแบบโครงสร้างที่มีความยืดหยุ่นเพื่อประสิทธิภาพการมัลติเพล็กซ์บริการที่หลากหลายและให้การรองรับสำหรับอนาคต ความยืดหยุ่นดังกล่าวไม่เพียงแต่อยู่ในโดเมนความถี่เท่านั้น แต่ในโดเมนเวลาเช่นกัน ตัวอย่างเช่น resource spread multiple access (RSMA) ที่จะช่วยลดเวลาการเชื่อมต่อระหว่างผู้ใช้กับสถานีรับ-ส่ง [4]

คาบเวลาการส่งแบบปรับได้

ในโดเมนเวลา 5G สามารถทำการปรับโครงสร้างเพื่อให้ได้ความหน่วงที่ต่ำกว่าเทคโนโลยีในปัจจุบันอย่างมาก เทียบกับ LTE ที่รองรับคาบเวลาการส่งแบบคงที่ที่ 1 ms 5G ถูกออกแบบเพื่อสามารถปรับขนาดของคาบเวลาการส่งให้ปรับขึ้นลงได้ตามความต้องการของบริการนั้น ๆ ความยืดหยุ่นนี้สามารถทำให้ตัวประสานทางอากาศมีความเหมาะสมในการใช้งานความหน่วงต่ำโดยการใช้คาบเวลาการส่งสั้น (หลักร้อยไมโครวินาที) หรือการใช้งานที่ทนต่ำปัญหาการดีเลย์ของสัญญาณโดยใช้คาบเวลาการส่งยาว

นอกจากนั้น 5G ยังรองรับการมัลติเพล็กซ์องคาบเวลาการส่งที่ขึ้นอยู่กับการบริการ (service-aware transmission time interval multiplexing) ในย่านความถี่เดียวกัน เพื่อที่จะสามารถส่งข้อมูลโดยใช้คาบเวลาการส่งที่แตกต่างกันในระดับสัญลักษณ์แทนที่การใช้คาบเวลาที่แตกต่างกันในระดับเฟรมย่อย (ซึ่งมีขนาดใหญ่ถึง 1 ms) เช่น การบริการที่ต้องการความหน่วงต่ำสามารถส่งข้อมูลเพียงเฟรมย่อยละ 2 สัญลักษณ์ (ประมาณ 140 us) ซึ่งจะสามารถประมวลผลเฟรมย่อยนั้นได้อย่างรวดเร็วต่างจากปัจจุบันที่ต้องรอการประมวลผลจากเฟรมย่อยถัดไปถึงประมาณ 500 us

การบรรจุเฟรมย่อยเองแบบรวม (self-contained integrated subframe)

การบรรจุเฟรมย่อยเองแบบรวมเป็นอีกหนึ่งเทคนิคที่สามารถลดความหน่วงได้ โดยการรวมข้อมูลที่ส่งกับการตอบรับ (acknowledgement) ในเฟรมย่อยเดียวกัน ข้อมูลที่ส่งจากเครือข่ายถึงอุปกรณ์และการตอบรับจากอุปกรณ์ถึงเครือข่ายเฟรมย่อยเดียวกัน โดยในคาบเวลาการส่งเดียวสามารถมีการสื่อสารทั้ง การอนุญาติส่งข้อมูลขาลง การส่งข้อมูลขาลง คาบเวลาคุม (guard period) การตอบรับขาขึ้น ภายในคาบเวลาการส่งเดียว

การบรรจุเฟรมย่อยเองแบบรวมยังสามารถมัลติเพล็กซ์สำหรับบริการที่จะเกิดขึ้นใหม่ในอนาคต โดยหนึ่งในเทคนิคนั้นคือการรองรับเฟรมย่อยเปล่าและย่านความถี่เปล่า เพื่อที่สามารถเพิ่มบริการใหม่ ๆ เข้ามาในระบบ 5G ได้

เฟรมย่อยยังสามารถบรรจุส่วนหัวเพิ่มเติมเพื่อบ่งบอกข้อมูลเพิ่มเติมสำหรับการส่งข้อมูล เช่น ในย่านความถี่ที่ไม่ได้จดทะเบียนจำเป็นต้องรองรับการฟังก่อนพูดคุย (listen-before-talk) เพื่อการใช้งานที่เท่าเทียมกันระหว่างผู้ใช้ โดยส่วนหัวของการฟังก่อนพูดคุยจะถูกส่งโดยเครือข่ายจะถูกใช้งานโดยอุปกรณ์การสื่อสารขาลงเพื่อขาถึงช่องสัญญาณสำหรับการสื่อสาร และเมื่อการสื่อสารระหว่างอุปกรณ์ต่ออุปกรณ์ (device to device: D2D) ส่วนหัวสามารถกำหนดทิศทางการสื่อสารและข้อมูลจัดลำดับการสื่อสารระหว่างอุปกรณ์

การบรรจุเฟรมย่อยเองแบบรวมยังเป็นส่วนสำคัญในเทคนิคสายอากาศ เช่น massive MIMO ในการสื่อสารขาลง ในการที่จะส่งข้อมูลระหว่างเซลล์ส่งกับอุปกรณ์ การส่งข้อมูลต้องประเมินช่องสัญญาณและต้องปรับลำคลื่นการส่งข้อมูลตลอดเวลา กลไกการตอบกลับได้มาจากการสื่อสารขาขึ้น เช่น ข้อมูลช่องสัญญาณของการสื่อสารขาขึ้นและสัญญาณอ้างอิงขาขึ้น ข้อมูลช่องสัญญาณขาลงสามารถประมาณได้อย่างแม่นยำจากคุณสมบัติ channel reciprocal ที่สามารถใช้สัญญาณอ้างอิงขาขึ้นในการประมาณช่องสัญญาณขาลงในระบบการส่งสัญญาณแบบแบ่งเวลา เฟรมย่อยแบบข้อมูลขาลงเป็นหลักมี 3 ส่วนหลัก ส่วนควบคุมขาลงแบบต่อเนื่อง ส่วนข้อมูลขาลงแบบต่อเนื่อง คาบเวลาคุม และส่วนควบคุมขาขึ้นแบบต่อเนื่อง เฟรมย่อยแบบข้อมูลขาขึ้นมีโครงสร้างที่คล้ายแบบข้อมูลขาลง ต่างกันที่มีคาบเวลาควบคุมก่อนส่วนข้อมูลขาขึ้นแบบต่อเนื่อง โครงสร้างดังกล่าวช่วยลดการรบกวนกันของส่วนควบคุมขาขึ้นและขาลง โดยจำเป็นต้องส่งสัญญาณควบคุมในทิศทางเดียวกันทุก ๆ เซลล์รอบข้าง ทำให้สามารถสับเปลี่ยนทิศทางอย่างมั่นคง เฟรมย่อยแบบต่าง ๆ ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของเครือข่ายและความจุช่องสัญญาณโดยสับเปลี่ยนทิศทางการสื่อสารได้อย่างรวดเร็วในเครือข่าย

อ้างอิง

[1] Qualcomm Technologies, inc. (2016) . 5G Waveform & Multiple Access Techniques. Retrieved October 24, 2019, from https://www.qualcomm.com/media/documents/files/whitepaper-making-5g-nr-a-reality.pdf

[2] Qualcomm Technologies, inc. (2015) . 5G Waveform & Multiple Access Techniques. Retrieved October 24, 2019, from https://www.qualcomm.com/media/documents/files/5g-research-on-waveform-and-multiple-access-techniques.pdf

[3] 3GPP: TS 38.211 “Physical channels and modulation (Release 15)”, 2017

[4] Y. Cao, H. Sun, J. Soriaga and T. Ji, “Resource Spread Multiple Access – A Novel Transmission Scheme for 5G Uplink,” 2017 IEEE 86th Vehicular Technology Conference (VTC-Fall), Toronto, ON, 2017, pp. 1-5.