支持5G新无线电增强频谱效率技术的系统级仿真

文/ Gent Paparisto, Joel Kirshman, David Vye

5G新无线电(5G NR)是定义下一代移动网络的无线标准。5G将提供比当前4G更大的容量，实现更高密度的移动宽带用户，并支持设备对设备和大规模机器通信。5G研发将支持更低的延迟、更高的可靠性和更低的电池消耗，以实现物联网(IoT)，这是一个由设备、车辆、家用电器等组成的网络，将连接和交换数据。

5 g的概述
5G通信的理想波形将能够支持高数据速率和宽带宽通信。它将实现节能操作，长脉冲和短脉冲传输模式的低延迟，并将能够在上行链路和下行链路之间快速切换。本文研究了几种现有和拟议的波形，以及正在考虑用于5G的MIMO技术，以及系统仿真软件如何使设计人员能够准确模拟其整体系统性能。

客观地说，3G和4G连接的是人，而5G将连接一切——智能手机、汽车、公用事业仪表、可穿戴设备等等。为了达到5G的性能要求，许多提高频谱和空间效率的技术正在开发中。新的候选调制波形、大规模多进多出(MIMO)天线、毫米波(mmWave)频谱分配(图1)和更高密度的单元都是正在研究的技术。使用毫米波频率范围正在探索宽带宽，利用可用的频谱曾经被认为是不切实际的商业无线应用。

图1:5G无线电接入和长期演进(LTE)(图片由爱立信提供)

提高空间效率正在通过小区密度来解决，以增加地理上的接入点密度，这将降低功耗，同时提高频谱重用以提高数据速率。此外，MIMO和Massive MIMO天线技术正在开发中，以大幅提高现有蜂窝的空中效率。

这些技术将反过来影响单个无线电组件。例如，前端设备设计可能需要支持正在考虑的5G新调制技术。虽然正交频分复用(OFDM)在4G上工作得很好，但到2020年预计将首次部署5G时，处理能力的进步将使系统设计人员考虑其他可能提供许多优势的波形。

早期5G候选波形
5G的几种现有波形正在考虑之中。尽管OFDM在4G系统中表现良好，但它需要使用循环前缀(CP)，这占用了数据流中的空间，降低了频谱效率。基于滤波器组多载波(FBMC)的调制技术没有循环前缀，因此可以提供更高的频谱效率。

FBMC不像OFDM那样对整个频带进行滤波，而是单独地对每个子载波进行滤波。FBMC中的子载波滤波器非常窄，时间常数很长——长到典型多载波符号的四倍。因此，符号相互重叠，并使用偏置正交振幅调制(QAM)来确保正交性。属于一个子带的子载波的数量是一个设计规范;一个子带中的子载波越多，基带处理的负载越小，但随着一个子带中子载波的增加，最终性能会下降。

NI AWR设计软件，特别是视觉系统模拟器(VSS)，支持使用这种具有专用FBMC调制/解调块的波形进行系统分析，该波形可以控制诸如子载波数量、子载波间距和中心频率等参数。在图2的例子中，卷积编码对误码率(BER)性能的影响被确定为通过加性高斯白噪声(AWGN)信道的FBMC调制信号，由软决策生成器和硬决策生成器解调和解码。

图2:标准FBMC调制/解调块用于分析误码率性能。

正在考虑的另一种调制方案是广义频分复用(GFDM)技术(图3)。在该波形中，载波彼此不正交，可以更好地控制带外发射并降低峰均功率比(PAPR)。这两个问题都是OFDM技术的主要缺陷。

GFDM基于数字实现的传统滤波器组多分支多载波概念。GFDM方法在具有高度频谱碎片化的系统中表现出特别有吸引力的优点，例如LTE-A和5G系统中要求的载波聚合。总的来说，与OFDM相比，GFDM特性提供了更低的PAPR，超低的带外辐射(由于可调tx滤波和使用循环前缀插入的基于块的传输)，以及高效的基于快速傅里叶变换(FFT)的均衡。

图3:GFDM波形。¹

除了FBMC和GFDM，其他正在考虑的新波形包括非正交多址(NOMA)和通用滤波多载波(UFMC)，这两种波形都可以提高物理层(PHY)的灵活性。VSS使系统设计人员能够通过仿真了解这些波形的优点和缺点，为前端组件设计人员提供关键信息。

图4说明了当5G调制技术受到非线性器件时，如何使用VSS来评估和比较其性能。在这个例子中，产生了四种波形，然后通过相同的功率放大器(pa)。信号源可以通过可调参数进行配置，如载波频率、子载波间距、子载波数量和子载波映射，这些参数适用于3GPP NR规范中提出的特定配置。

图4:在不同驱动级别下，各种5G候选波形的频谱再生显示，随着非线性PA被驱动到饱和，带外发射增加。

每个调制源块后面跟着一个线性前置放大器、一个非线性PA和相应的解调器。调谐器可用于调整前置放大器的增益，以查看非线性PA在不同输入功率水平下的影响。非线性PA前后的发射光谱显示了这些波形的光谱特征。这个例子演示了一些5G波形的频谱纯度优势(低相邻信道功率)是如何被PA非线性降级的。

利用VSS，信号的功率统计可以完全用互补累积分布函数(CCDF)来表征，它显示了功率在不同概率下等于或高于某一PAPR的概率。在VSS中模拟的CCDF曲线可用于计算pa和其他组件所需的净空。具有不同峰值平均统计数据的信号会对发射机中的组件施加压力并导致失真。显示了每个生成波形的CCDFs，以比较它们的PAPR特征。CCDF测量也可以在发射器的不同点上执行，以查明潜在的故障点，如图5所示。

图5。模拟CCDF曲线作为PAPR的函数。

CP-OFDM
2017年12月批准的3GPP标准倾向于使用循环前缀OFDM (CP-OFDM)作为5G非独立(NSA) NR的波形选择。CP-OFDM用于LTE，并在最重要的性能指标上排名最佳:与MIMO等多天线技术的兼容性、高频谱效率和低实现复杂性。它比其他多载波系统更不容易受到相位噪声和多普勒效应的影响。缺点是，CP-OFDM像其他OFDM信号一样具有很高的PAPR，这对功率放大器的线性度(和效率)产生了不利影响。Verizon 5G技术论坛也选择了CP-OFDM。²

误差矢量幅度(EVM)是另一个用于确定Tx/Rx链路和接收机架构如何影响系统性能的指标。图6显示了对于16-QAM信号，采用CP-OFDM(蓝色道)调制和OFDM(红色道)调制，将相位噪声引入系统对EVM测量和实际解调星座的影响。在这种情况下，循环前缀使EVM度量提高了3 dB以上。

这些结果强调了为什么CP-OFDM是5G的首选波形。它与LTE兼容，比其他信号更容易实现。VSS使设计人员能够生成标准5G信号，叠加相位噪声和其他损伤，并查看所选择的度量，以确定对于给定的组件规格，整体系统要求是否能够满足。

图6:引入相位噪声的OFDM和CP-OFDM系统的EVM测量和解调星座。

参考文献

1. 广义频分多路复用:下一代蜂窝系统的可选多载波技术分析，国际计算机协会。无线通信系统，ISWCS 2012
2. 5 gtf.org

Gent Paparisto是NI公司AWR集团射频系统的产品经理。

乔尔·克什曼(Joel Kirshman)是NI公司AWR集团的营销研究员。