Этот пример демонстрирует удар шума фазы в 5G система OFDM и показывает, как использовать опорный сигнал отслеживания фазы (PT-RS) в компенсации общей ошибки фазы (CPE). Пример измеряет величину вектора ошибок (EVM) и частоту ошибок по битам (BER) с и без компенсации CPE.
Введение
В 5G NR, 3GPP вводит новый опорный сигнал, названный опорным сигналом отслеживания фазы (PT-RS), чтобы иметь дело с шумом генератора. Шум, понесенный в генераторах, приводит к фазовой модуляции информационного сигнала, ведя к существенным изменениям в спектре частоты и синхронизируя свойства информационного сигнала. Это явление, связанное с генераторами, называется шумом фазы. Шум фазы, произведенный в локальных генераторах, вводит значительное ухудшение в волне миллиметра (mmWave) частоты, в зависимости от степени спектральная плотность шума фазы. Шум фазы приводит к CPE и интерференции межпоставщика услуг (ICI). CPE приводит к идентичному вращению полученного символа в каждой поднесущей. ICI приводит к потере ортогональности между поднесущими. Из-за распределенной структуры PT-RS в частотном диапазоне, пример, в основном, использует PT-RS, чтобы оценить и минимизировать эффект CPE на производительности системы. Пример применяет шум фазы на форму волны, состоящую из физического нисходящего канала совместно использованный канал (PDSCH), и показывает изменение в EVM и BER без и с компенсацией CPE. Этот рисунок показывает цепь обработки, реализованную в этом примере.
Моделирование шума фазы
Степень генератора спектральная плотность моделирует шум фазы. Этот пример использует нулевую модель многополюсника, чтобы аппроксимировать степень спектральная плотность генератора. Используйте PNModel
поле simParameters
структура, чтобы выбрать модель шума фазы: 'B' или 'C'. Наборы параметров и 'B' получены из практических генераторов, действующих на уровне 30 ГГц и 60 ГГц, соответственно, как описано в TDoc R1-163984. Набор параметров 'C' получен из практического генератора, действующего на уровне 29,55 ГГц, как описано в Разделе TR 38.803 6.1.10.
Пример использует поставщика услуг с интервалом поднесущей 60 кГц для пропускной способности передачи 50 МГц.
% Configure carrier carrier = nrCarrierConfig; carrier.SubcarrierSpacing = 60; carrier.CyclicPrefix = 'normal'; carrier.NSizeGrid = 66; % Set the operating frequency and choose the phase noise model simParameters = []; simParameters.Fc = 30e9; % Frequency in Hz simParameters.PNModel = 'A'; % 'A' (TDoc R1-163984 Set A), 'B' (TDoc R1-163984 Set B), 'C' (TR 38.803) % Get the sample rate ofdmInfo = nrOFDMInfo(carrier); sr = ofdmInfo.SampleRate; % Phase noise level foffsetLog = (4:0.1:log10(sr/2)); % Model offset from 1e4 Hz to sr/2 Hz foffset = 10.^foffsetLog; % Linear frequency offset pn_PSD = hPhaseNoisePoleZeroModel(foffset,simParameters.Fc,simParameters.PNModel); % dBc/Hz % Set phase noise level pnoise = comm.PhaseNoise('FrequencyOffset',foffset,'Level',pn_PSD,'SampleRate',sr); pnoise.RandomStream = "mt19937ar with seed"; % Visualize spectrum mask of phase noise figure semilogx(foffset,pn_PSD) xlabel('Frequency offset (Hz)') ylabel('dBc/Hz') title('Phase noise magnitude response') grid on
Сконфигурируйте PDSCH
Пример конфигурирует PDSCH занятие полного поставщика услуг с набором схемы модуляции к '64QAM' и количество набора слоев к 1. Значения по умолчанию в качестве примера к единственному слою и одной кодовой комбинации случайных незакодированных битов.
% Set PDSCH parameters pdsch = nrPDSCHConfig; pdsch.PRBSet = 0:carrier.NSizeGrid-1; pdsch.SymbolAllocation = [0 14]; pdsch.Modulation = '64QAM'; pdsch.NumLayers = 1; pdsch.MappingType = 'A'; pdsch.NID = 1; pdsch.RNTI = 2; % Set DM-RS parameters pdsch.DMRS.DMRSConfigurationType = 1; pdsch.DMRS.DMRSTypeAPosition = 2; pdsch.DMRS.DMRSAdditionalPosition = 0; pdsch.DMRS.DMRSLength = 1; pdsch.DMRS.DMRSPortSet = []; pdsch.DMRS.NumCDMGroupsWithoutData = 1; pdsch.DMRS.NIDNSCID = 1; pdsch.DMRS.NSCID = 0; % Set PT-RS parameters pdsch.EnablePTRS = 1; pdsch.PTRS.TimeDensity = 1; pdsch.PTRS.FrequencyDensity = 2; pdsch.PTRS.REOffset = '00'; pdsch.PTRS.PTRSPortSet = [];
Сгенерируйте форму волны
Форма волны сгенерирована для 2 систем координат и поля NumFrames
из simParameters
структура управляет количеством систем координат формы волны. Включенные шаги:
Сгенерируйте случайную кодовую комбинацию с емкостью в битах PDSCH
Получите символы PDSCH для случайной кодовой комбинации и сопоставьте их с сеткой
Сгенерируйте и сопоставьте символы DM-RS с сеткой
Сгенерируйте и сопоставьте символы PT-RS с сеткой
Выполните модуляцию OFDM для полной сетки всех систем координат
% Number of frames to generate the waveform simParameters.NumFrames = 2; % Get the number of slots in the waveform and number of symbols in a slot numSlots = carrier.SlotsPerFrame*simParameters.NumFrames; nSlotSymb = carrier.SymbolsPerSlot; % Initialize the grid for specified number of frames txGrid = zeros(carrier.NSizeGrid*12,nSlotSymb*numSlots,pdsch.NumLayers); % Processing loop txbits = []; rng('default') for slotIdx = 0:numSlots - 1 % Set slot number carrier.NSlot = slotIdx; % Get PDSCH indices and structural information [pdschInd,pdschIndicesInfo] = nrPDSCHIndices(carrier,pdsch); % Generate random codeword(s) numCW = pdsch.NumCodewords; % Number of codewords data = cell(1,numCW); for i = 1:numCW data{i} = randi([0 1],pdschIndicesInfo.G(i),1); txbits = [txbits; data{i}]; %#ok<AGROW> end % Get modulated symbols pdschSym = nrPDSCH(carrier,pdsch,data); % Get DM-RS symbols and indices dmrsSym = nrPDSCHDMRS(carrier,pdsch); dmrsInd = nrPDSCHDMRSIndices(carrier,pdsch); % Get PT-RS symbols and indices ptrsSym = nrPDSCHPTRS(carrier,pdsch); ptrsInd = nrPDSCHPTRSIndices(carrier,pdsch); % Resource element mapping to slot grid slotGrid = nrResourceGrid(carrier,pdsch.NumLayers); slotGrid(pdschInd) = pdschSym; slotGrid(dmrsInd) = dmrsSym; slotGrid(ptrsInd) = ptrsSym; % Generate txGrid for all frames by mapping slotGrid at respective % locations txGrid(:,slotIdx*nSlotSymb+1:(slotIdx+1)*(nSlotSymb),:) = slotGrid; end % Perform OFDM modulation carrier.NSlot = 0; % Reset the slot number to 0 for OFDM modulation txWaveform = nrOFDMModulate(carrier,txGrid);
Примените шум фазы
Примените шум фазы к переданной форме волны. Чтобы ясно наблюдать удар шума фазы, пример не добавляет теплового шума, или канал влияет в дополнение к шуму фазы. Пример применяет тот же шум фазы ко всем слоям.
rxWaveform = zeros(size(txWaveform),'like',txWaveform); for i = 1:size(txWaveform,2) rxWaveform(:,i) = pnoise(txWaveform(:,i)); release(pnoise) end
Приемник
Прежде, чем возвратить компенсируемые символы PDSCH и декодируемые биты, приемник выполняет эти шаги:
Временная синхронизация
Демодуляция OFDM
Оценка канала
Эквализация
Оценка CPE и коррекция
Декодирование PDSCH
Для шага оценки и коррекции CPE приемник использует логическое поле CompensateCPE
из simParameters
структура. Поскольку пример не использует канал распространения, шаги временной синхронизации, оценки канала, и эквализация не строго необходима. Однако эти шаги помогают исследовать эффекты шума фазы, если вы вводите канал.
Пример показывает компенсируемые символы созвездия, EVM и частоту ошибок по битам, с и без компенсации CPE.
Случай 1: Без компенсации CPE
Чтобы отключить компенсацию CPE, установите поле CompensateCPE
из simParameters
структура к 0.
simParameters.CompensateCPE = 0; [eqSymbols,rxbits] = practicalReceiver(carrier,pdsch,simParameters,rxWaveform); refSymbols = getConstellationPoints(pdsch); % Display the constellation diagram figure plot(eqSymbols,'.') hold on plot(refSymbols,'+') title('Equalized Symbols Constellation Without CPE Compensation') grid on xlabel('In-Phase') ylabel('Quadrature')
% Display RMS EVM evm = comm.EVM('ReferenceSignalSource','Estimated from reference constellation','ReferenceConstellation',refSymbols); fprintf('RMS EVM (in percent) for equalized symbols without CPE compensation: %f%% \n',evm(eqSymbols))
RMS EVM (in percent) for equalized symbols without CPE compensation: 5.928819%
% Display bit error rate errorRate = nnz(rxbits-txbits)/numel(txbits); fprintf('Bit error rate without CPE compensation: %f \n',errorRate)
Bit error rate without CPE compensation: 0.000503
Случай 2: С компенсацией CPE
Чтобы включить компенсацию CPE, установите поле CompensateCPE
из simParameters
структура к 0. Используйте PT-RS, чтобы оценить CPE во всех местоположениях символа OFDM в пазе. Откорректируйте CPE в местоположениях символа OFDM в области значений символов PT-RS OFDM.
simParameters.CompensateCPE = 1; [eqSymbolsCPE,rxbitsCPE] = practicalReceiver(carrier,pdsch,simParameters,rxWaveform); % Display the constellation diagram figure plot(eqSymbolsCPE,'.') hold on plot(refSymbols,'+') title('Equalized Symbols Constellation With CPE Compensation') grid on xlabel('In-Phase') ylabel('Quadrature')
% Display RMS EVM fprintf('RMS EVM (in percent) for equalized symbols with CPE compensation: %f%% \n',evm(eqSymbolsCPE))
RMS EVM (in percent) for equalized symbols with CPE compensation: 4.797706%
% Display bit error rate errorRateCPE = nnz(rxbitsCPE-txbits)/numel(txbits); fprintf('Bit error rate with CPE compensation: %f \n',errorRateCPE)
Bit error rate with CPE compensation: 0.000066
Дальнейшее исследование
Чтобы визуализировать удар шума фазы, измените несущую частоту, интервал поднесущей, количество блоков ресурса, схемы модуляции и количества систем координат.
Чтобы видеть эффекты шума фазы на созвездии, измените модель шума фазы.
Чтобы анализировать эффект компенсации CPE с различными настройками, измените время и плотность частоты PT-RS.
Визуализируйте удары шума фазы включением модели канала и тепловой шум.
Сводные данные
Этот пример демонстрирует удар шума фазы и показывает, как оценить и откорректировать CPE PT-RS. Пример также показывает, что компенсация CPE уменьшает EVM и улучшает частоту ошибок по битам. Отображенный график созвездия показывает огромный ICI в mmWave частотах, указывая, что компенсация ICI должна быть выполнена в дополнение к компенсации CPE.
Локальные функции
function [eqSymbols,rxbits] = practicalReceiver(carrier,pdsch,params,rxWaveform) % Returns equalized modulated symbols after performing the timing % estimation, OFDM demodulation, channel estimation, MMSE equalization, % CPE estimation and correction, and PDSCH decoding. % Get the current slot number, number of slots, number of symbols % per slot, and total number of symbols nSlot = carrier.NSlot; numSlots = carrier.SlotsPerFrame*params.NumFrames; nSlotSymb = carrier.SymbolsPerSlot; numTotalSymbols = numSlots*nSlotSymb; % Get reference grid with DM-RS symbols dmrsSymCell = cell(1,numSlots); dmrsIndCell = cell(1,numSlots); refGrid = zeros(carrier.NSizeGrid*12,numTotalSymbols,pdsch.NumLayers); for NSlot = 0:numSlots-1 carrier.NSlot = NSlot; slotGrid = nrResourceGrid(carrier,pdsch.NumLayers); dmrsSymCell{NSlot+1} = nrPDSCHDMRS(carrier,pdsch); dmrsIndCell{NSlot+1} = nrPDSCHDMRSIndices(carrier,pdsch); slotGrid(dmrsIndCell{NSlot+1}) = dmrsSymCell{NSlot+1}; refGrid(:,NSlot*nSlotSymb+1:(NSlot+1)*(nSlotSymb),:) = slotGrid; end % Perform timing estimation and correction carrier.NSlot = nSlot; offset = nrTimingEstimate(carrier,rxWaveform,refGrid); waveformSync = rxWaveform(1+offset:end,:); % Perform OFDM demodulation on the received data to recreate the % resource grid, including padding in the event that practical % synchronization results in an incomplete slots being demodulated rxGrid = nrOFDMDemodulate(carrier,waveformSync); [K,L,R] = size(rxGrid); if (L < numTotalSymbols) rxGrid = cat(2,rxGrid,zeros(K,numTotalSymbols-L,R)); end % Declare storage variables eqSymbols = []; % equalized symbols for constellation plot rxbits = []; for NSlot = 0:numSlots-1 % Extract grid for current slot currentGrid = rxGrid(:,NSlot*nSlotSymb+(1:nSlotSymb),:); % Get the PDSCH resources carrier.NSlot = NSlot; dmrsSymbols = dmrsSymCell{NSlot+1}; dmrsIndices = dmrsIndCell{NSlot+1}; ptrsSymbols = nrPDSCHPTRS(carrier,pdsch); ptrsIndices = nrPDSCHPTRSIndices(carrier,pdsch); [pdschIndices,pdschIndicesInfo] = nrPDSCHIndices(carrier,pdsch); % Channel estimation [estChannelGrid,noiseEst] = nrChannelEstimate(currentGrid,dmrsIndices,dmrsSymbols,"CDMLengths",pdsch.DMRS.CDMLengths); % Get PDSCH resource elements from the received grid [pdschRx,pdschHest] = nrExtractResources(pdschIndices,currentGrid,estChannelGrid); % Equalization pdschEq = nrEqualizeMMSE(pdschRx,pdschHest,noiseEst); % Common phase error (CPE) estimation and correction if params.CompensateCPE % Initialize temporary grid to store equalized symbols tempGrid = nrResourceGrid(carrier,pdsch.NumLayers); % Extract PT-RS symbols from received grid and estimated % channel grid [ptrsRx,ptrsHest,~,~,~,ptrsLayerIndices] = nrExtractResources(ptrsIndices,currentGrid,estChannelGrid,tempGrid); % Equalize PT-RS symbols and map them to tempGrid ptrsEq = nrEqualizeMMSE(ptrsRx,ptrsHest,noiseEst); tempGrid(ptrsLayerIndices) = ptrsEq; % Estimate the residual channel at the PT-RS locations in % tempGrid cpe = nrChannelEstimate(tempGrid,ptrsIndices,ptrsSymbols); % Sum estimates across subcarriers, receive antennas, and % layers. Then, get the CPE by taking the angle of the % resultant sum cpe = angle(sum(cpe,[1 3 4])); % Map the equalized PDSCH symbols to tempGrid tempGrid(pdschIndices) = pdschEq; % Correct CPE in each OFDM symbol within the range of reference % PT-RS OFDM symbols if numel(pdschIndicesInfo.PTRSSymbolSet) > 0 symLoc = pdschIndicesInfo.PTRSSymbolSet(1)+1:pdschIndicesInfo.PTRSSymbolSet(end)+1; tempGrid(:,symLoc,:) = tempGrid(:,symLoc,:).*exp(-1i*cpe(symLoc)); end % Extract PDSCH symbols pdschEq = tempGrid(pdschIndices); end % Store the equalized symbols and output them for all the slots eqSymbols = [eqSymbols; pdschEq]; %#ok<AGROW> % Decode the PDSCH symbols and get the hard bits eqbits = nrPDSCHDecode(carrier,pdsch,pdschEq); for i = 1:numel(eqbits) rxbits = [rxbits; double(eqbits{i}<0)]; %#ok<AGROW> end end end function sym = getConstellationPoints(pdsch) %getConstellationPoints Constellation points % SYM = getConstellationPoints(PDSCH) returns the constellation points % SYM based on modulation schemes provided in PDSCH configuration object. sym = []; modulation = string(pdsch.Modulation); % Convert modulation scheme to string type ncw = pdsch.NumCodewords; % Number of codewords if ncw == 2 && (numel(modulation) == 1) modulation(end+1) = modulation(1); end % Get the constellation points for cwIndex = 1:ncw qm = strcmpi(modulation(cwIndex),{'QPSK','16QAM','64QAM','256QAM'})*[2 4 6 8]'; sym = [sym; nrSymbolModulate(reshape(de2bi(0:2^qm-1,qm,'left-msb')',[],1),modulation(cwIndex))]; %#ok<AGROW> end end