5G信号发生技术研究

　　作者/林艺辉^1,2，徐兰天^1,2(1.中国电子科技集团公司第四十一研究所，安徽 蚌埠 233010;2.电子信息测试技术安徽省重点实验室，安徽 蚌埠　233010)

　　摘要：5G 网络具有数据速率超高、延时小、移动性高、能效高、交通密度高等特点，能够满足新一代移动通信中各类场景的需求。随着5G标准的推进，大规模的5G网络规划和部署势在必行，5G测试仪器的需求也越来越迫切。5G信号发生是5G测试仪器的核心，本文基于“FPGA+DSP”架构，实现5G信号发生，并以5G同步信号为主要对象，研究信号发生过程。通过分析结果表明，所提出的方案正确有效。

　　关键词：5G;同步信号;基带信号生成

　　*项目基金：中国电科技术创新基金项目《微波毫米波大带宽大规模MIMO测试技术研究》

　　0 引言

　　随着移动通信技术及人工智能的发展，人们对移动宽带应用需求日益强烈。然而在无人驾驶、智慧城市等连续广域覆盖热点/高容量、低功耗大连接和低时延高可靠的场景中，传统的4G通信已经不能满足要求^[1]。

　　3GPP (第三代伙伴关系项目) 是移动通信系统标准组织，其推出的第5代移动通信系统(5G)是面向2020年之后的新一代移动通信系统，具有数据速率超高、延时小、移动性高、能效高、交通密度高等特点，能够满足新一代移动通信中各类场景的需求。

　　随着5G标准的推进，大规模的5G网络规划和部署势在必行，5G测试仪器的需求也越来越迫切^[2]。5G信号发生技术为5G基站、终端、芯片等测试环节提供验证方式，本文基于“FPGA+DSP”架构，实现5G信号发生，并以5G同步信号为主要对象，研究信号发生技术。通过RS FSW分析结果表明，能够满足协议EVM解调指标要求，所提出的方案正确有效。

　　1 整体设计方案

　　本文基于“FGPA+DSP”架构实现5G基带信号发生，并提供射频通道完成信号发生。系统主要由5G物理层处理模块、Fading模块、全数字IQ宽带多路中频处理模块及宽带射频发射模块组成，如图1所示。

　　5G物理层处理模块是按照标准对码流数据进行加扰、调制、资源映射等;Fading模块提供瑞利、莱斯、高斯等衰落模型及ITU等信道模型实现真实信号场景的模拟;大宽带高速率中频处理模块处理Fading模块来的IQ数据流并缓存入DDR3，然后主要进行上变频之后送入DA之后到发射通道;发射通道及本振模块基于频段分为两部分，包括6 GHz以下及毫米波部分，由中频模块送入的模拟IQ数据流经过上混频后到射频输出。同时，系统包含设备系统，总体模块，主要完成不同处理环节信号数据处理、模块之间的控制、时钟管理、驱动、供电、人机交互等功能。

　　2 5G物理层模块设计

　　5G物理层模块是5G信号源的核心部分。5G标准对下行基带信号的信道和信号重新进行了定义。SS / PBCH承载了小区的同步信息及广播信息。SS / PBCH块时域上由4个OFDM符号组成，频域上有240个资源粒子组成。并且SS / PBCH块内，包含有相关DMRS、PSS(主同步)，SSS(辅同步)和PBCH。

　　2.1 DMRS模块设计

　　解调参考信号(DMRS)常常用于终端解调基站信息时的信道估计过程。终端假定用于SS / PBCH块的参考信号序列如式(1)所示^[3]。

　　其中，c(m)为伪随机序列，且初始值满足式(2)所示。

　　对于特定频带的一个SS/PBCH周期中的SS/PBCH波束的最大数量L_max=4时，nhf是在帧中发送PBCH的半帧的编号，iSSB是的SS / PBCH索引的两个最低有效位。

　　对于L_max=8或者L_max=64时，nhf等于0，且iSSB是的SS / PBCH索引的三个个最低有效位。

　　对于DMRS，要求按照先频域k和后时域l的顺序映射到资源元素(k,l)，其中k为以为初始，并间隔4个资源粒子的频率索引，l为{1，3}的时间索引。

　　2.2 PBCH模块设计

　　PBCH信道主要承载着广播信息，包括系统帧号、半帧索引等信息。PBCH信道的处理过程如图2所示，包括传输块处理、第二次加扰、调制、资源映射等过程^[4]。

　　其中传输块处理流程如图3所示。

　　(1)信息块生成及交织

　　根据小区参数生成MIB，并进行有效位扩充，形成完整的信息块。扩充生成与时间相关的PBCH有效载荷位共8位，具体表示位，其中：分别是SFN(系统帧号)的第四，第三，第二和第一个有效位，半无线帧位; 分别是SS / PBCH块索引的第3，第2和第1个LSB。

　　形成完整信息块后，进行交织处理，输出比特流。

　　(2)信道编码

　　对于PBCH信道，采取的编码方式为Polar编码。Polar编码利用极化现象构建的编码可以达到对称容量^[6-7]。具体实现如式(3)所示。

　　其中，u为输入比特矩阵，Gn为生成矩阵，d为输出矩阵。

　　在PBCH信道处理过程中，输入比特矩阵u根据原始输入比特和CRC校验比特特生成，生成矩阵Gn为矩阵G2的n 次克罗内克积^[4]，其中：

　　2.3 基带信号生成设计

　　3GPP标准规范定义了在天线端口的时间连续基带信号，如式(4)所示^[3]：

　　式子实现复杂度高，直接影响算法的实时性能，因此本文在式子基础上提出一种基于因子变换的FFT算法实现基带信号生成。推演过程如下：

　　由于OFDM符号中CP是根据符号内容进行填充的，可以先不考虑CP，则式(4)可以转变成如下：

　　令t=nTc，则

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

　　令N=(480*103*4096)/ △f，则式(5)可转换成如下。

　　因此，经过变换，基带信号生成过程可以变换如式(6)所示。即通过频域数据进行IFFT变化，在乘以旋转因子实现基带信号生成。通过IFFT运算能够有效降低基带信号生成计算复杂度，提高效率。

　　2.4 实验结果及分析

　　通过本单位自主研发的5G毫米波信号源发送频点为2.3 GHz的5G信号，通过RS FSW进行解析，解析结果如图4所示。其中PSS、SSS、 PBCH DMRS及PBCH的EVM指标分别为0.589%、0.576%、0.740%及0.190%，符合3GPP的规定，说明本文的5G信号源设计方案正确有效。

　　3 结论

　　5G信号源是5G技术研究的核心内容，相关技术的研究能够有效推动关键核心器件、基站性能测试。本文依据3GPP标准，基于“FPGA+DSP”架构，实现5G信号发生，并以5G同步信号为主要对象，研究信号发生技术，包括5G基带模块各信号的产生、编码技术、资源映射，并提出了一种基于因子变换的FFT算法实现5G基带信号生成，有效降低了基带生成实现复杂度。通过RS FSW分析结果表明，能够满足协议EVM解调指标要求，所提出的方案正确有效。

　　参考文献

　　[1]蔡志猛.5G移动通信发展趋势及若干关键技术[J].数字技术与应用, 2015(2):41-41.

　　[2]李婷. 基于4G通信技术来看待5G的未来[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]王继伟,王学东,李斌,等.极化码在BEC信道下性质研究[J].通信技术,2012,45(09):33-35.

　　[7]樊婷婷. Polar码的若干关键技术研究[D].北京交通大学, 2017.