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Winnie2, raeuberhotzenplotz1, DH0GHU, Bruder_M, Marc_RE, Jens1978

Der Nachfolger von OFDM

Startbeitrag von Bruder_M am 26.08.2016 12:23

Moin,

OFDM kennen sicher die meisten durch DAB und DVB-T sowie drahtgebunden als DMT bei DSL.
Die nächste Ausbaustufe war konsequenterweise dann optisches OFDM [1].
Ich habe mich vor Kurzem mit einem Doktor meiner ehemaligen Uni unterhalten und erfahren, dass das Nachfolgeverfahren nun explizit nicht-orthogonales FMD ist [2].
Dabei wird bewusst auf die Orthogonalität, die sich aus der rechteckförmigen Impulsformung der Symbole ergibt, verzichtet und eine "weichere" Impulsformung verwendet. Das Verfahren nennt sich dann GFDM (Generalized Frequency Division Multiplex). Aus praktischen Gründen wird hier meist der Gaußimpuls (wie bereits bei der GMSK-Modulation für GSM-Mobilfunk) verwendet, da dieser einige einzigartige Eigenschaften hat (gleiche Kurvenform im Zeit- und Spektralbereich, Symmetrie, Konzentration der Energie innerhalb der Halbwertsbreite, vereinfachte Entzerrung...). Es wird hier bewusst eine Intersymbol-Interferenz (ISI), als auch eine Interträger-Interferenz (ICI) in Kauf genommen, da sich durch das Modulationsverfahren insgesamt größere Vorteile abzeichnen, wie bessere Unterdrückung der Außerband-Strahlung, Immunität gegen Frequenzversatz*) und keine Synchronisierungs-Schwierigkeiten.
Verwendet werden soll das Verfahren beim Mobilfunk der 5. Generation (5G). In diesem Zusammenhang soll dann auch die Signalverarbeitung nicht mehr dezentral in vielen kleinen, verteilten Basis-Stationen (BTS), sondern zentral in der Cloud stattfinden [3].

Was meint ihr? Ist das die nächste Evolutions-Stufe der digitalen Modulation, von der wir bald alle profitieren werden (von Latenzen unter 1 ms soll die Rede sein) oder nur alter Wein in neuen Schläuchen?
Ich persönlich finde das sehr spannend, da ich mir immer wieder einige Teilaspekte auch überlegt habe und mich gefragt habe, was denn nun nach OFDM käme.

Ich lade ein zu einer fruchtbaren Diskussion und bin sehr auf eure Meinungen gespannt.

Sonnige Grüße,
Marek


[1] http://www.ant.uni-bremen.de/sixcms/media.php/102/9801/ecoc2009_paul_kammeyer.pdf
[2] http://www.ant.uni-bremen.de/sixcms/media.php/102/12338/Woltering_Schedler%20-%20InOWo2014.pdf
[3] http://www.ant.uni-bremen.de/sixcms/media.php/102/12800/ComMag_2015_Virtualizaiton_Wuebben.pdf

*) Nie losgelassen hat mich z.B. die Frage, wie denn ein OFDM-Spektrum durch den Dopplereffekt "verschwimmt".

Antworten:

Nettes Thema, guck mal hier: http://ieeexplore.ieee.org/document/5073571/

von Jens1978 - am 26.08.2016 12:37
Es gibt noch mehr Anwärter für das in Frage kommende Modulationsverfahren bei 5G.

Neben GFDM sind das FBMC (Filter Bank MultiCarrier) u. UFMC (Universal Filtered MultiCarrier).

Jedes Verfahren hat seine Vor- und Nachteile, sind allerdings allesamt besser im Vergleich zu OFDM.

http://www.rfwireless-world.com/Terminology/FBMC-vs-UFMC-vs-GFDM-5G-Waveforms.html

Ergänzung, wer noch tiefer in das Thema Modulationsverfahren bei 5G einsteigen möchte:
https://cdn.rohde-schwarz.com/pws/dl_downloads/dl_application/application_notes/1ma271/1MA271_0e_5G_waveform_candidates.pdf

von Winnie2 - am 27.08.2016 12:10
... letztendlich sind dies alles mathematische Modellvorstellungen für die Verfahren mit denen man sich der Shannon-Grenze annähert. Abgestrahlt wird immer das selbe E- und H-Felder :rp:

Uns mache bereits in Serie befindliche Systeme sind ja schon verdammt hane an der Shannon-Grenze. Wieviel man da noch herausholen können wird?

P.S. Optisches-OFDM gibt es doch, oder?

von raeuberhotzenplotz1 - am 29.08.2016 11:06
Zitat
raeuberhotzenplotz1
P.S. Optisches-OFDM gibt es doch, oder?


Ja, gibt es.

von Bruder_M - am 29.08.2016 11:11
Zitat
raeuberhotzenplotz1
Uns mache bereits in Serie befindliche Systeme sind ja schon verdammt hane an der Shannon-Grenze. Wieviel man da noch herausholen können wird?

Naja, siehe das R&S-Papier - man will halt das letzte Prozent an Effizienz rausholen, und man möchte die Kosten reduzieren, z.B. durch möglichst niedrige Crest-Faktoren, die ein Sender verarbeiten muss...

von DH0GHU - am 29.08.2016 11:16
... ja verstehe, ich denke auch, daß eher noch andere Punkte wie z.B. Crest Faktor usw. eine Rolle spielen...

Wenn wir schon bei diesem Thema sind: ist jemand bekannt, ob für leitungsgebundene Kommunikation (Kupferkabel, Stromnetz) also ADSL, Powerline, HomePlug usw. auch Alternativen zu OFDM in Diskussion sind? Hier sind ja manche Randbedingungen anders (Sendeleitung Bandbreiten usw.)? Das Thema würde mich interessieren...

von raeuberhotzenplotz1 - am 29.08.2016 11:53
Zitat
raeuberhotzenplotz1
... letztendlich sind dies alles mathematische Modellvorstellungen für die Verfahren mit denen man sich der Shannon-Grenze annähert.


Es geht in Funknetzen nicht nur um die Shannon-Grenze, besonders in Mobilfunknetzen ist zudem die Frequenzwiedernutzung u. das Interferenzpotential von Bedeutung.
Bedeutet:
Wie oft können dieselben Frequenzen räumlich getrennt voneinander u. auch in Verbindung mit MIMO genutzt werden?
Wie stark sind die Spektralanteile welche in den Geräten "als Nebenprodukt" entstehen aber keinerlei Informationen übertragen?
Wie lassen sich die Ausserbandausstrahlungen mit vertretbarem technischen Aufwand reduzieren.
Gerade was diesen Punkt betrifft steht LTE ziemlich schlecht da, weil hier v.a. bei den Basisstationen mit ziemlich aufwendigen analogen HF-Filtern gearbeitet werden muss.

Mal eine technische Betrachtung. Die Ausserbandausstrahlungen können bei LTE in der Größenordnung -30 bis -20 dB liegen,
bedeutet dass wenn ein mobiles Gerät z.B. mit 200 mW bei 862 MHz ein Signal abstrahlt dass das Gerät bei 863 bis 864 MHz eine Störabstrahlung in der Größenordnung 2 mW (Worst Case) erzeugen kann.
Welcher Hersteller baut solch steilflankige analoge HF-Filter in ein Smartphone um Ausserbandausstrahlungen zu reduzieren?

von Winnie2 - am 29.08.2016 12:12
Zitat
Winnie2

Welcher Hersteller baut solch steilflankige analoge HF-Filter in ein Smartphone um Ausserbandausstrahlungen zu reduzieren?


Keiner (Dein Beispiel steht übrigens auch in dem R&S-Papier...). Er setzt Sender ein, die so linear sind (gf. mit Vorverzerrung?), dass die Normen gerade eingehalten werden... Das kostet Geld (und Strom).
Filterung wäre in dem Beispiel auch fast unmöglich, ohne auf Cavity-Filter oä zu setzen.

von DH0GHU - am 29.08.2016 14:36
Nochmals die Frage, sind diese neuen Verfahren auch bei leitungsgebundenen Kommunikationssystemen irgendwo in Diskussion? Die hier dikutierten Probleme sind ja schon funkkanalspezifisch.

von raeuberhotzenplotz1 - am 30.08.2016 05:39
Praktisch alle hier diskutierten Verfahren sind für die Übertragung mittels Funk vorgesehen, bei einer Übertragung über Leitungen sind andere Verfahren notwendig.

Die Übertragungsnormen werden speziell an die Eigenschaften des Übertragungsweges angepasst – und Kabel haben andere Übertragungseigenschaften im Vergleich zu Funkwellen.

Es existieren z.B. mit VDSL u. G.fast an die Übertragungseigenschaften von zwei Kupferdrähten angepasst Übertragungsverfahren.
Ein Cyclic Prefix ist bei Übertragungen über Kabel unnötigt, da es im Kabel keine Mehrwegeausbreitung gibt.
Zudem ist die Übertragungsqualität im Kabel besser im Vergleich zu Funkübertragungswegen.

Ein Problem ist dass OFDM für wirklich große Bandbreiten im Gigabit-Bereich doch sehr rechenaufwändig wird u. für reale Produkte ein Kompromiss von Aufwand zu Nutzen notwendig wird.
Solange keine Mehrwegeausbreitung auf dem Übertragungsweg auftritt ist die Verwendung von OFDM im Prinzip unnötig.
Längerfristig führt ohnehin kein Weg an der Glasfaser vorbei, weil die Übertragungskapazität von Kupferkabeln ist doch ziemlich begrenzt.

von Winnie2 - am 30.08.2016 09:27
Zitat
Winnie2
...
Längerfristig führt ohnehin kein Weg an der Glasfaser vorbei, weil die Übertragungskapazität von Kupferkabeln ist doch ziemlich begrenzt...


Das hat man schon in den 1980ern gehört ;) Kupfer lebt. Die Automobilindustrie hat sich mit Byteflight und MOST die Finger verbrannt und geht ganz klar wieder zurück auf Kupfer. Es sind da schon Links bis 6GBit/s über verdrillte Leitungen ein Thema.

Ich denke hier an Kommunikationssysteme auf Kupferleitungen die einen Bus mit mehreren Teilnehmern darstellen und auf denen es Abzweigungen gibt. -> klarer Fall für OFDM, da viele Reflexionen und quasi Mehrwegeausbreitung.

von raeuberhotzenplotz1 - am 30.08.2016 10:03
Über eine Strecke von bis zu 10 Metern sind auch über zwei Kupferdrähte Datenraten von bis zu 10 Gigabit/s möglich, und 10 Meter Leitungsstrecke dürften bei einer Punkt-zu-Punkt-Verbindung im Auto ausreichend sein.

Was ich meinte das sind Datenraten im Gigabit-Bereich über 100 Meter und mehr. Hier muss es bereits Koaxkabel sein u. soll es noch weiter gehen; über mehrere Kilometer dann wird es sehr aufwendig nicht auf Glasfaser zu setzen.

Die meisten leitungsgebundenen Netze innerhalb eines Gebäudes setzen mittlerweile auf sternformige Verteilung mit Knotenpunkten.
Busförmige Datennetze mit hohen Datenraten werden höchstens noch bei Powerline genutzt.
Neue Busnetzarchitekturen mit Datenraten im Gigabit-Bereich sind heutzutage eher unüblich.

von Winnie2 - am 30.08.2016 10:19
Zitat
Winnie2
Längerfristig führt ohnehin kein Weg an der Glasfaser vorbei, weil die Übertragungskapazität von Kupferkabeln ist doch ziemlich begrenzt.


Stimmt, die Bundespost hat damals schon gesagt, mehr als 300 Baud gehen da niemals rüber :-)

von Marc_RE - am 30.08.2016 10:22
Das lag allerdings nicht an den Leitungen selbst sondern an der verbauten Vermittlungstechnik. Die nutzbare Bandbreite pro Telefonleitung betrug ca. 3,4 kHz – und zu Zeiten der Deutschen Bundespost gab es noch keine bezahlbaren Geräte die 28 kbit/s vollduplex über diese begrenzte Bandbreite übertragen konnten.
Alle Signalübertragungen auf deutschen Telefonleitungen mussten zu Zeiten der Bundespost sowohl SSB- (wg. Trägerfrequenztechnik) als auch FM-kompatibel (wg. Richtfunkstrecken) sein.

von Winnie2 - am 30.08.2016 10:27
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