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      5G信號發生技術研究

      作者:林藝輝 徐蘭天時間:2019-02-26來源:電子產品世界收藏

        作者/林藝輝1,2,徐蘭天1,2(1.中國電子科技集團公司第四十一研究所,安徽 蚌埠 233010;2.電子信息測試技術安徽省重點實驗室,安徽 蚌埠 233010)

      本文引用地址:http://www.dxpaa.com/article/201902/397969.htm

        摘要 網絡具有數據速率超高、延時小、移動性高、能效高、交通密度高等特點,能夠滿足新一代移動通信中各類場景的需求。隨著標準的推進,大規模的網絡規劃和部署勢在必行,5G測試儀器的需求也越來越迫切。5G信號發生是5G測試儀器的核心,本文基于“FPGA+DSP”架構,實現5G信號發生,并以5G為主要對象,研究信號發生過程。通過分析結果表明,所提出的方案正確有效。

        關鍵詞:5G;;

        *項目基金:中國電科技術創新基金項目《微波毫米波大帶寬大規模MIMO測試技術研究》

        0 引言

        隨著移動通信技術及人工智能的發展,人們對移動寬帶應用需求日益強烈。然而在無人駕駛、智慧城市等連續廣域覆蓋熱點/高容量、低功耗大連接和低時延高可靠的場景中,傳統的4G通信已經不能滿足要求[1]

        3GPP (第三代伙伴關系項目) 是移動通信系統標準組織,其推出的第5代移動通信系統(5G)是面向2020年之后的新一代移動通信系統,具有數據速率超高、延時小、移動性高、能效高、交通密度高等特點,能夠滿足新一代移動通信中各類場景的需求。

        隨著5G標準的推進,大規模的5G網絡規劃和部署勢在必行,5G測試儀器的需求也越來越迫切[2]。5G信號發生技術為5G基站、終端、芯片等測試環節提供驗證方式,本文基于“FPGA+DSP”架構,實現5G信號發生,并以5G為主要對象,研究信號發生技術。通過RS FSW分析結果表明,能夠滿足協議EVM解調指標要求,所提出的方案正確有效。

        1 整體設計方案

        本文基于“FGPA+DSP”架構實現5G基帶信號發生,并提供射頻通道完成信號發生。系統主要由5G物理層處理模塊、Fading模塊、全數字IQ寬帶多路中頻處理模塊及寬帶射頻發射模塊組成,如圖1所示。

      nEO_IMG_1.jpg

        5G物理層處理模塊是按照標準對碼流數據進行加擾、調制、資源映射等;Fading模塊提供瑞利、萊斯、高斯等衰落模型及ITU等信道模型實現真實信號場景的模擬;大寬帶高速率中頻處理模塊處理Fading模塊來的IQ數據流并緩存入DDR3,然后主要進行上變頻之后送入DA之后到發射通道;發射通道及本振模塊基于頻段分為兩部分,包括6 GHz以下及毫米波部分,由中頻模塊送入的模擬IQ數據流經過上混頻后到射頻輸出。同時,系統包含設備系統,總體模塊,主要完成不同處理環節信號數據處理、模塊之間的控制、時鐘管理、驅動、供電、人機交互等功能。

        2 5G物理層模塊設計

        5G物理層模塊是5G信號源的核心部分。5G標準對下行基帶信號的信道和信號重新進行了定義。SS / PBCH承載了小區的同步信息及廣播信息。SS / PBCH塊時域上由4個OFDM符號組成,頻域上有240個資源粒子組成。并且SS / PBCH塊內,包含有相關DMRS、PSS(主同步),SSS(輔同步)和PBCH。

        2.1 DMRS模塊設計

        解調參考信號(DMRS)常常用于終端解調基站信息時的信道估計過程。終端假定用于SS / PBCH塊的參考信號序列如式(1)所示[3]

        b1.jpg

        其中,c(m)為偽隨機序列,且初始值滿足式(2)所示。

        b2.jpg

        對于特定頻帶的一個SS/PBCH周期中的SS/PBCH波束的最大數量Lmax=4時,nhf是在幀中發送PBCH的半幀的編號,iSSB是的SS / PBCH索引的兩個最低有效位。

        對于Lmax=8或者Lmax=64時,nhf等于0,且iSSB是的SS / PBCH索引的三個個最低有效位。

        對于DMRS,要求按照先頻域k和后時域l的順序映射到資源元素(k,l),其中k為以g.jpg為初始,并間隔4個資源粒子的頻率索引,l為{1,3}的時間索引。

        2.2 PBCH模塊設計

        PBCH信道主要承載著廣播信息,包括系統幀號、半幀索引等信息。PBCH信道的處理過程如圖2所示,包括傳輸塊處理、第二次加擾、調制、資源映射等過程[4]

      nEO_IMG_2.jpg

        其中傳輸塊處理流程如圖3所示。

      nEO_IMG_3.jpg

        (1)信息塊生成及交織

        根據小區參數生成MIB,并進行有效位擴充,形成完整的信息塊。擴充生成與時間相關的PBCH有效載荷位共8位,具體表示位a.jpg,其中:b.jpg分別是SFN(系統幀號)的第四,第三,第二和第一個有效位,d.jpg半無線幀位; c.jpg分別是SS / PBCH塊索引的第3,第2和第1個LSB。

        形成完整信息塊后,進行交織處理,輸出比特流。

        (2)信道編碼

        對于PBCH信道,采取的編碼方式為Polar編碼。Polar編碼利用極化現象構建的編碼可以達到對稱容量[6-7]。具體實現如式(3)所示。

      b3.jpg

        其中,u為輸入比特矩陣,Gn為生成矩陣,d為輸出矩陣。

        在PBCH信道處理過程中,輸入比特矩陣u根據原始輸入比特和CRC校驗比特特生成,生成矩陣Gn為矩陣G2的n 次克羅內克積[4],其中:

      e.jpg

        2.3 設計

        3GPP標準規范定義了在天線端口的時間連續基帶信號f.jpg,如式(4)所示[3]

        b4.jpg

        式子實現復雜度高,直接影響算法的實時性能,因此本文在式子基礎上提出一種基于因子變換的FFT算法實現。推演過程如下:

        由于OFDM符號中CP是根據符號內容進行填充的,可以先不考慮CP,則式(4)可以轉變成如下:

        令t=nTc,則

        b5.jpg

        其中Tc=1/(△fmax*Nf),且△fmax=480*103,Nf=4096。則

        令N=(480*103*4096)/ △f,則式(5)可轉換成如下。

        b6.jpg

        因此,經過變換,基帶信號生成過程可以變換如式(6)所示。即通過頻域數據進行IFFT變化,在乘以旋轉因子實現基帶信號生成。通過IFFT運算能夠有效降低基帶信號生成計算復雜度,提高效率。

        2.4 實驗結果及分析

        通過本單位自主研發的5G毫米波信號源發送頻點為2.3 GHz的5G信號,通過RS FSW進行解析,解析結果如圖4所示。其中PSS、SSS、 PBCH DMRS及PBCH的EVM指標分別為0.589%、0.576%、0.740%及0.190%,符合3GPP的規定,說明本文的5G信號源設計方案正確有效。

      nEO_IMG_4.jpg

        3 結論

        5G信號源是5G技術研究的核心內容,相關技術的研究能夠有效推動關鍵核心器件、基站性能測試。本文依據3GPP標準,基于“FPGA+DSP”架構,實現5G信號發生,并以5G同步信號為主要對象,研究信號發生技術,包括5G基帶模塊各信號的產生、編碼技術、資源映射,并提出了一種基于因子變換的FFT算法實現5G基帶信號生成,有效降低了基帶生成實現復雜度。通過RS FSW分析結果表明,能夠滿足協議EVM解調指標要求,所提出的方案正確有效。

        參考文獻

        [1]蔡志猛.5G移動通信發展趨勢及若干關鍵技術[J].數字技術與應用, 2015(2):41-41.

        [2]李婷. 基于4G通信技術來看待5G的未來[J] 信息通信,2018(4):255-256.

        [3]3GPP TS 38.211 (V15.0.0). 3rd Generation Partnership Project;Technical Specification Group Radio Access Network;NR;Physical channels and modulation[S].3GPP Organizational Partners.2017-12.

        [4]3GPP TS 38.212 (V15.0.0). 3rd Generation Partnership Project;Technical Specification Group Radio Access Network;NR;Multiplexing and channel coding[S].3GPP Organizational Partners.2017-12.

        [5]3GPP TS 38.213 (V15.0.0). 3rd Generation Partnership Project;Technical Specification Group Radio Access Network;NR;Physical layer procedures for control[S].3GPP Organizational Partners.2017-12.

        [6]王繼偉,王學東,李斌,等.極化碼在BEC信道下性質研究[J].通信技術,2012,45(09):33-35.

        [7]樊婷婷. Polar碼的若干關鍵技術研究[D].北京交通大學, 2017.



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