Моделирование шума фазы NR и компенсация

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

Figure contains an axes. The axes with title Phase noise magnitude response contains an object of type line.

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 применяет теплового шума или образовывает канал модель 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')

Figure contains an axes. The axes with title Equalized Symbols Constellation Without CPE Compensation contains 2 objects of type line.

% 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: 5.926056% 
% 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: 0.000495 

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')

Figure contains an axes. The axes with title Equalized Symbols Constellation With CPE Compensation contains 2 objects of type line.

% 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: 4.794181% 
% 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

Похожие темы

Для просмотра документации необходимо авторизоваться на сайте