5G信號發(fā)生技術(shù)研究

　　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(shù)安徽省重點實驗室，安徽 蚌埠　233010)

　　摘要：5G 網(wǎng)絡(luò)具有數(shù)據(jù)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(guī)模的5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)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(fā)生是5G測試儀器的核心，本文基于“FPGA+DSP”架構(gòu)，實現(xiàn)5G信號發(fā)生，并以5G同步信號為主要對象，研究信號發(fā)生過程。通過分析結(jié)果表明，所提出的方案正確有效。

　　關(guān)鍵詞：5G;同步信號;基帶信號生成

　　*項目基金：中國電科技術(shù)創(chuàng)新基金項目《微波毫米波大帶寬大規(guī)模MIMO測試技術(shù)研究》

　　0 引言

　　隨著移動通信技術(shù)及人工智能的發(fā)展，人們對移動寬帶應(yīng)用需求日益強烈。然而在無人駕駛、智慧城市等連續(xù)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(tǒng)的4G通信已經(jīng)不能滿足要求^[1]。

　　3GPP (第三代伙伴關(guān)系項目) 是移動通信系統(tǒng)標準組織，其推出的第5代移動通信系統(tǒng)(5G)是面向2020年之后的新一代移動通信系統(tǒng)，具有數(shù)據(jù)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(guī)模的5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)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(fā)生技術(shù)為5G基站、終端、芯片等測試環(huán)節(jié)提供驗證方式，本文基于“FPGA+DSP”架構(gòu)，實現(xiàn)5G信號發(fā)生，并以5G同步信號為主要對象，研究信號發(fā)生技術(shù)。通過RS FSW分析結(jié)果表明，能夠滿足協(xié)議EVM解調(diào)指標要求，所提出的方案正確有效。

　　1 整體設(shè)計方案

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

　　5G物理層處理模塊是按照標準對碼流數(shù)據(jù)進行加擾、調(diào)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(xiàn)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(shù)據(jù)流并緩存入DDR3，然后主要進行上變頻之后送入DA之后到發(fā)射通道;發(fā)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(shù)據(jù)流經(jīng)過上混頻后到射頻輸出。同時，系統(tǒng)包含設(shè)備系統(tǒng)，總體模塊，主要完成不同處理環(huán)節(jié)信號數(shù)據(jù)處理、模塊之間的控制、時鐘管理、驅(qū)動、供電、人機交互等功能。

　　2 5G物理層模塊設(shè)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(qū)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(nèi)，包含有相關(guān)DMRS、PSS(主同步)，SSS(輔同步)和PBCH。

　　2.1 DMRS模塊設(shè)計

　　解調(diào)參考信號(DMRS)常常用于終端解調(diào)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]。

　　其中，c(m)為偽隨機序列，且初始值滿足式(2)所示。

　　對于特定頻帶的一個SS/PBCH周期中的SS/PBCH波束的最大數(shù)量L_max=4時，nhf是在幀中發(fā)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L_max=8或者L_max=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(shè)計

　　PBCH信道主要承載著廣播信息，包括系統(tǒng)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(diào)制、資源映射等過程^[4]。

　　其中傳輸塊處理流程如圖3所示。

　　(1)信息塊生成及交織

　　根據(jù)小區(qū)參數(shù)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(guān)的PBCH有效載荷位共8位，具體表示位，其中：分別是SFN(系統(tǒng)幀號)的第四，第三，第二和第一個有效位，半無線幀位; 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(xiàn)象構(gòu)建的編碼可以達到對稱容量^[6-7]。具體實現(xiàn)如式(3)所示。

　　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(jù)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(nèi)克積^[4]，其中：

　　2.3 基帶信號生成設(shè)計

　　3GPP標準規(guī)范定義了在天線端口的時間連續(xù)基帶信號，如式(4)所示^[3]：

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

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

　　令t=nTc，則

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

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

　　因此，經(jīng)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(shù)據(jù)進行IFFT變化，在乘以旋轉(zhuǎn)因子實現(xiàn)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(jié)果及分析

　　通過本單位自主研發(fā)的5G毫米波信號源發(fā)送頻點為2.3 GHz的5G信號，通過RS FSW進行解析，解析結(jié)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(guī)定，說明本文的5G信號源設(shè)計方案正確有效。

　　3 結(jié)論

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

　　參考文獻

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