УДК 004

Канальное кодирование в системах 5G NR

Макаров Павел Олегович – аспирант Московского технического университета связи и информатики.

Аннотация: Подобно всем сетям мобильной связи, синхронизация в частотно-временной области является фундаментальным шагом, который позволяет новому пользовательскому оборудованию, нового радио (NR) пятого поколения (5G) правильно получать и передавать свои данные. Из-за широкого диапазона частот, определенных для систем 5G NR, соответствующая процедура синхронизации становится критически важной и создает множество проблем, особенно для приложений, которым потребуются точные генераторы для уменьшения больших значений смещения частоты. В этой статье мы рассмотрим описание физического уровня 5G NR и принцип канального кодирования в новой технологии NR.

Ключевые слова: NR, 5G, Радио, 3GPP.

Введение

Новое радио (NR) пятого поколения (5G), стандарт мобильной связи, представленный партнерским проектом третьего поколения (3GPP) как 3GPP Release 15 [1], представляет собой значительное улучшение долгосрочного развития (LTE-A). Стандарт, где основное внимание уделяется усовершенствованной мобильной широкополосной связи, сверхнадежной связи с малой задержкой и массовой связи машинного типа. Для достижения этих целей 3GPP представил унифицированную сетевую архитектуру с новой конструкцией физического уровня, которая поддерживает очень высокие несущие частоты, широкую полосу пропускания частот и новые методы, такие как массовые множественные входы и множественные выходы (MIMO). Эти основные модификации усложняют процедуру синхронизации.

Фактически, очень высокие определенные несущие частоты приводят к большим значениям смещения частоты и времени, что требует точного и дорогого генератора для согласования передатчика и приемника для связи без помех. Источники помех в основном связаны с несовершенством систем мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM), которые страдают от временных и частотных сдвигов, приводящих к межнесущим помехам и межсимвольным помехам (ISI) [2]. Смещение по времени связано с задержкой передачи, когда передаваемый сигнал достигает приемника с задержкой во времени [3]. В этом случае приемник не знает, когда передатчик отправил новый пакет. Обычно считается нормализованное смещение по времени, равное количеству отсчетов между переданным сигналом и принятым сигналом [2]. Если нормированное смещение по времени больше длины циклического префикса, то рассогласование быстрого преобразования Фурье окно можно наблюдать, что приводит к ISI и ICI. Оценку и коррекцию временного смещения следует выполнять на этапе синхронизации перед БПФ с использованием специальных алгоритмов синхронизации. В литературе хорошо известны и используются в системах беспроводной связи алгоритмы автокорреляции и кросс-корреляции [4]. В первом алгоритме полученный сигнал сопоставляется с задержанной версией того же сигнала. Однако во втором алгоритме полученный сигнал коррелируется с сохраненным образцом, известным приемнику, для оценки временного смещения [2]. Помимо временного сдвига, ошибки в генераторах передатчика и приемника приводят к смещению частоты, которое представляет собой линейную фазу по выборкам во временной области и вызывает ICI по поднесущим [4]. В отличие от смещения по времени, это смещение по фазе увеличивается во времени, так как оно прямо пропорционально индексу дискретного времени. Сдвиг частоты в OFDM обычно нормализуется к разносу поднесущих как отношение между ошибкой частоты и разносом поднесущих. Кроме того, несоответствие между частотой дискретизации как в передатчике, так и в приемнике представляет собой еще один источник смещения по времени. Кроме того, 3GPP представила новый механизм на основе высокоразмерных фазированных решеток для установления узконаправленных линий передачи между базовой станцией узла следующего поколения и пользовательским оборудованием.

Этот механизм требует точной настройки лучей передатчика и приемника, достигаемой с помощью набора операций, известных как управление лучом. Управление лучом требует сложных алгоритмов и высокоуровневой обработки в узле следующего поколения и пользовательского оборудования для выполнения множества задач управления, включая начальный доступ и отслеживание луча [5], что усложняет процедуру синхронизации.

1. Физический уровень 5G NR

Физический уровень NR имеет гибкую и масштабируемую структуру для поддержки различных вариантов использования с экстремальными (а иногда и противоречивыми) требованиями, а также широкий диапазон частот и вариантов развертывания. Ключевыми технологическими компонентами физического уровня NR являются схемы модуляции, форма сигнала, структура кадра, опорные сигналы, многоантенная передача и канальное кодирование. LTE поддерживает форматы модуляции QPSK, 16QAM, 64QAM и 256QAM, и все они также будут поддерживаться NR. Кроме того, 3GPP включает /2-BPSK в UL, чтобы еще больше снизить отношение пиковой мощности к средней и повысить эффективность усилителя мощности при более низких скоростях передачи данных, что важно, например, для услуг mMTC. Поскольку NR будет охватывать широкий спектр вариантов использования, вполне вероятно, что набор поддерживаемых схем модуляции может расшириться. Например, 1024QAM может стать частью спецификации NR, поскольку фиксированная транзитная передача «точка-точка» уже использует более высокие порядки модуляции, чем 256QAM. Различные схемы модуляции для разных категорий UE также могут быть включены в спецификацию NR.

3GPP согласился принять CP-OFDM с масштабируемой нумерологией (разнос поднесущих, циклический префикс) как в UL, так и в DL по крайней мере до 52,6 ГГц. Наличие одинаковой формы волны в обоих направлениях упрощает общую конструкцию, особенно в отношении беспроводного транзитного соединения и обмена данными между устройствами (D2D). Кроме того, существует поддержка OFDM DFT-Spread в UL для сценариев с ограниченным покрытием с передачей одного потока (то есть без пространственного мультиплексирования). Любая операция, прозрачная для приемника, может применяться поверх CP-OFDM на стороне передатчика, например, создание окон/фильтрация для улучшения ограничения спектра. Масштабируемая нумерология OFDM необходима для предоставления разнообразных услуг в широком диапазоне частот и вариантов развертывания. Разнос поднесущих масштабируется в соответствии с 15×2n кГц, где n — целое число, а 15 кГц — разнос поднесущих, используемый в LTE. Масштабный коэффициент 2n гарантирует, что слоты и символы различных нумерологий выровнены во временной области, что важно для эффективного включения сетей TDD [6]. Выбор параметра n зависит от различных факторов, включая тип развертывания, частоту несущей, требования к обслуживанию (задержка, надежность и пропускная способность), аппаратные ухудшения (фазовый шум генератора), мобильность и сложность реализации [7]. Например, более широкий разнос поднесущих может быть многообещающим для услуг, критичных к задержке (URLLC), небольшие зоны покрытия и более высокие несущие частоты. Более узкое разнесение поднесущих может использоваться для более низких несущих частот, больших зон покрытия, узкополосных устройств и усовершенствованных мультимедийных широковещательных многоадресных услуг (eMBMS). Также может быть возможно поддерживать несколько услуг одновременно с разными требованиями на одной и той же несущей путем мультиплексирования двух разных нумерологий (например, более широкий разнос поднесущих для URLLC и меньший разнос поднесущих для MBB/mMTC/eMBMS).

2. Канальное кодирование

NR использует коды проверки на четность с низкой плотностью (LDPC) для канала данных и полярные коды для канала управления. Коды LDPC определяются их матрицами проверки на четность, где каждый столбец представляет закодированный бит, а каждая строка представляет уравнение проверки на четность. Коды LDPC декодируются путем обмена сообщениями между переменными и проверки четности итеративным образом. Коды LDPC, предложенные для NR, используют квазициклическую структуру, в которой матрица проверки на четность определяется меньшей базовой матрицей. Каждый элемент базовой матрицы представляет либо нулевую матрицу ZxZ, либо сдвинутую единичную матрицу ZxZ. В отличие от кодов LDPC, реализованных в других беспроводных технологиях, коды LDPC, рассматриваемые для NR, используют совместимую по скорости структуру, как показано на рисунке 4. Голубая часть (вверху слева) базовой матрицы определяет высокоскоростной код со скоростью 2/3 или 8/9. Дополнительные биты четности можно сгенерировать, расширив базовую матрицу и включив строки и столбцы, отмеченные темно-синим цветом (внизу слева). Это позволяет осуществлять передачу с более низкими кодовыми скоростями или генерировать дополнительные биты четности, такие как те, которые используются для операции HARQ, с использованием нарастающей избыточности, аналогичной LTE. Поскольку матрица проверки на четность для более высоких кодовых скоростей меньше, задержка и сложность декодирования уменьшаются для высоких кодовых скоростей. Наряду с высокой степенью параллелизма, достижимой за счет квазициклической структуры, это обеспечивает очень высокую пиковую пропускную способность и низкие задержки. Кроме того, матрица проверки на четность может быть расширена до более низких скоростей, чем турбокоды LTE, которые полагаются на повторение для кодовых скоростей ниже 1/3. Это позволяет кодам LDPC достигать более высокой эффективности кодирования даже при низких скоростях кодирования, что делает их подходящими для случаев использования, требующих высокой надежности.

image1

Рисунок 1. Структура матриц NR LDPC.

Полярные коды будут использоваться для управляющей сигнализации уровней 1 и 2, за исключением очень коротких сообщений. Полярные коды являются относительно недавним изобретением, представленным Ариканом в 2008 году [6]. Это первый класс кодов, которые, как показано, достигают пропускной способности Шеннона с разумной сложностью декодирования для широкого спектра каналов. За счет объединения полярного кода с внешним кодом и отслеживания наиболее вероятных значений ранее декодированных битов в декодере (список) хорошая производительность достигается при более коротких длинах блоков, подобных тем, которые обычно используются для сигналов управления уровня 1 и уровня 2. При использовании большего размера списка производительность исправления ошибок повышается за счет более высокой сложности декодера.

Заключение

Гибкость, ультратонкий дизайн и совместимость с прямыми версиями — это столпы, на которых разрабатываются и строятся все компоненты технологии физического уровня 5G NR (схемы модуляции, форма волны, структура кадра, опорные сигналы, многоантенная передача и канальное кодирование). Высокий уровень гибкости и масштабируемости 5G NR позволит удовлетворить требования различных вариантов использования, включая широкий диапазон несущих частот и вариантов развертывания. Встроенная прямая совместимость гарантирует, что 5G NR сможет легко развиваться для поддержки любых непредвиденных требований.

Список литературы

  1. NR; Multiplexing Channel Coding Release 15, document TS 38.212, V.15.4.0, 3GPP, 2018.
  2. A. Alvarez and U. Spagnolini, ‘‘Distributed time and carrier frequency synchronization for dense wireless networks,’’ IEEE Trans. Signal Inf. Process. Netw, vol. 4, no. 4, pp. 683–696, Dec. 2018.
  3. -T.-D. Huynh, N. Noels, and H. Steendam, ‘‘Effect of offset mismatch in time-interleaved ADC circuits on OFDM-BER performance,’’ IEEE Trans. Circuits Syst. I, Reg. Papers, vol. 64, no. 8, pp. 2195–2206, Aug. 2017.
  4. Zeng, H. Huang, L. Yang, and Z. Zhang, ‘‘Joint estimation of frequency offset and Doppler shift in high mobility environments based on orthogonal angle domain subspace projection,’’ IEEE Trans. Veh. Technol., vol. 67, no. 3, pp. 2254–2266, Mar. 2018.
  5. Giordani et al., ‘‘A tutorial on beam management for 3GPP NR at mmWave frequencies,’’ IEEE Commun. Surveys Tuts., vol. 21, no. 1, pp. 173–196, Sep. 2018.
  6. IEEE Communications Magazine, vol. 54, no. 11, pp. 90-98, A. A. Zaidi, R. Baldemair, H. Tullberg, H. Bjorkegren, L. Sundstrom, J. Medbo, C. Kilinc, and I. D. Silva, November 2016, Waveform and numerology to support 5G services and requirements.
  7. IEEE Communications Standard Magazine (submitted), A. A. Zaidi, R. Baldemair, V. Molés-Cases, N. He, K. Werner, and A. Cedergren, OFDM Numerology Design for 5G New Radio to Support IoT, eMBB, and MBSFN.

Интересная статья? Поделись ей с другими: