5G信號發生技術研究

林藝輝 　徐蘭天

摘要：5G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。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同步信號為主要對象，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;同步信號;基帶信號生成

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。

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。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同步信號為主要對象，研究信號發生技術。通過RSFSW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。

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6GHz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。

公式

其中，c（m）為偽隨機序列，且初始值滿足式（2）所示。

公式

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Lmx=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I的順序映射到資源元素（k，I），其中k為以v=Nclmod4為初始，并間隔4個資源粒子的頻率索引，I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。

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，具體表示位公式，其中：公式分別是SFN（系統幀號）的第四，第三，第二和第一個有效位，公式半無線幀位;公式分別是SS1PBCH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。具體實現如式（3）所示。

其中，u為輸入比特矩陣，G，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G。為矩陣G2的n次克羅內克積！4），其中：

2.3基帶信號生成設計

3GPP標準規范定義了在天線端口的時間連續基帶信號公式，如式（4）所示）：

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算法實現基帶信號生成。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：

公式

其中公式，且公式則

公式

令N=（480*103*4096）/△f，則式（5）可轉換成如下。

公式

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2.3GHz的5G信號，通過RSFSW進行解析，解析結果如圖4所示。其中PSS、SSS、PBCHDMRS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。

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RSFSW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]3GPPTS38.211（V15.0.0）.3rd Generation Partnership Project;Technical SpecificationGroupRadio Access Network;NR;Physical channels and modulation[S].3GPPOrganizational Partners.2017—12.

[4]3GPPTS38.212（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.