Nopeaan konvolutioon perustuva suodatettu OFDM ja ikkunoitu OFDM aaltomuotojen suorituskykyvertailussa 5G fyysiselle kerrokselle

Nykyisten mobiiliverkkojen vaatimukset kasvavat jatkuvasti, mikä johtuu pitkälti uusien mobiililaitteiden ja -palveluiden suosion kasvusta. Lisäksi matkapuhelinverkkoja on alettu käyttämään pääasiallisena internetyhteytenä, sillä nykyteknologialla on mahdollista saavuttaa kiinteään laajakaistayhteyksiin verrattavia käyttäjäkokemuksia useimmissa sovelluksissa. Nykyiset Long Term Evolution (LTE) ja LTE-Advanced ovat neljännen sukupolven (4G) teknologioita, jotka tarjoavat jo hyvin suuria tiedonsiirtonopeuksia. Tulevaisuuden palvelut vaativat kuitenkin uusia ominaisuuksia verkolta ja tämän takia uusia teknlogioita tutkitaan jatkuvasti lisää. Viidennen sukupolven (5G) teknologia pyrkii kasvattamaan tiedonsiirtonopeuksia entisestään. Lisäksi on ennustettu, että tulevaisuuden teknologiat vaativat tukea myös pienille ja viivekriittisille lähetyksille, kuten Internet of Things (IoT) ja Machineto-Machine (M2M) -tyyppisille palveluille. Tämä tarkoittaa, että verkkoon yhdistettyjen laitteiden määrä tulee kasvamaan räjähdysmäisesti. Verkossa ovat jatkossa esimerkiksi älykkäät autot, kodinkoneet, sensorit ja monet muut älykkäät laitteet, mikä vaatii mobiiliverkoilta merkittävästi suurta kapasiteettia ja joustavuutta. Tässä diplomityössä tutkitaan kahden uuden aaltomuodon soveltuvuutta 5G aaltomuodoksi: ikkunoitu CP-OFDM ja nopeaan konvoluutioon perustuva suodatettu CP-OFDM. Referenssinä on käytetty LTE-tyylistä kanavasuodatettua CP-OFDM aaltomuotoa vertaillen alltomuotojen spektraalista tehokkuutta ja vuototehoa. Aaltomuotojen suorituskykyä vertaillaan lopuksi kokonaisen tietoliikennelinkin yli. Tulosten perusteella kanavan käyttötehokkuus kasvaa uusilla aaltomuodoilla niin laaja- kuin kapeakaistalähetyksissä, mahdollistaen suurempia tiedonsiirtonopeuksia samassa kanavassa. Parannusta on havaittavissa erityisesti kapeakaistaisten lähetysten vuototehossa. Tämä sallii taajudessa lähekkäin olevien eri alikantoaaltoväliä, eri mittaisia syklisiä etuliitteitä tai eri aikasynkronisuusvaatimuksia käyytävien signaalien lähettämisen samanaikaisesti, häiritsemättä merkittävästi muita lähetyksiä.The demands for modern wireless cellular networks are increasing constantly due to the introduction of new mobile devices and services. Additionally, mobile networks are being used as a primary Internet connection as the current wireless networks are able to achieve similar user experiences than with wired connections in most applications. Long Term Evolution (LTE) and LTE-Advanced are current 4G technologies already allowing very high peak data rates. However, additional features are needed from network to satisfy traffic demands of the future and suitable technologies are in high interest in nowadays research. The fifth generation (5G) wireless system targets to increase data transmission rates further. In addition, it has been forecast that the traffic trends of the future becomes more delay-critical and small bursts communication has a bigger role. These type of services are e.g. Internet of Things (IoT) and Machine-to-Machine (M2M) communications. These increases dramatically the number of devices connected to Internet, for example smart cars, domestic appliances, sensors and other smart devices, which will require significantly improved capacity and flexibility from the forthcoming mobile communication networks. In this thesis, two waveform candidates for 5G are evaluated and compared: Windowed CP-OFDM and Fast Convolution based Filtered CP-OFDM. LTE-like channel filtered CP-OFDM is used as a reference in spectral efficiency, power leakage and overall link performance comparisons of the waveforms. It will be shown that the spectral utilization is improved with proposed waveforms in broadband and narrowband transmissions, which allows higher data rates inside the same bandwidth. The most significant improvement is observed in narrowband power leakage evaluations. Reduced power leakage allows to transmit several narrowband signals with different subcarrier spacings, cyclic prefix lengths, or different timing accuracy with tight frequency spacing without significant interference levels