Этот пример сравнивает мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM) с фильтрованием-OFDM (F-OFDM) и подчеркивает преимущества схемы модуляции-кандидата для систем связи пятого поколения (5G).
Этот пример сравнивает модуляцию Filtered-OFDM с универсальной модуляцией с циклическим префиксом OFDM (CP-OFDM). Для F-OFDM хорошо разработанный фильтр применяется к символу OFDM временной области для улучшения внеполосного излучения поддиапазонного сигнала при сохранении комплексно-доменной ортогональности символов OFDM.
В этом примере моделируется модуляция Filtered-OFDM с конфигурируемыми параметрами. В нем освещается технология проектирования фильтра и базовая обработка передачи/приема.
s = rng(211); % Set RNG state for repeatabilityОпределите системные параметры для примера. Эти параметры могут быть изменены для изучения их влияния на систему.
numFFT = 1024; % Number of FFT points numRBs = 50; % Number of resource blocks rbSize = 12; % Number of subcarriers per resource block cpLen = 72; % Cyclic prefix length in samples bitsPerSubCarrier = 6; % 2: QPSK, 4: 16QAM, 6: 64QAM, 8: 256QAM snrdB = 18; % SNR in dB toneOffset = 2.5; % Tone offset or excess bandwidth (in subcarriers) L = 513; % Filter length (=filterOrder+1), odd
Соответствующая фильтрация для F-OFDM удовлетворяет следующим критериям:
Должен иметь плоскую полосу пропускания над поднесущими в поддиапазоне
Должен иметь острый переходный диапазон для минимизации защитных диапазонов
Должно иметь достаточное затухание стоп-диапазона
Этим критериям соответствует фильтр с прямоугольной частотной характеристикой, т.е. синк-импульсной характеристикой. Чтобы сделать это причинно-следственным, фильтр нижних частот реализуется с помощью окна, которое, эффективно усекает импульсную характеристику и предлагает плавные переходы к нулю на обоих концах [3].
numDataCarriers = numRBs*rbSize; % number of data subcarriers in sub-band halfFilt = floor(L/2); n = -halfFilt:halfFilt; % Sinc function prototype filter pb = sinc((numDataCarriers+2*toneOffset).*n./numFFT); % Sinc truncation window w = (0.5*(1+cos(2*pi.*n/(L-1)))).^0.6; % Normalized lowpass filter coefficients fnum = (pb.*w)/sum(pb.*w); % Filter impulse response h = fvtool(fnum, 'Analysis', 'impulse', ... 'NormalizedFrequency', 'off', 'Fs', 15.36e6); h.CurrentAxes.XLabel.String = 'Time (\mus)'; h.FigureToolbar = 'off';
% Use dsp filter objects for filtering filtTx = dsp.FIRFilter('Structure', 'Direct form symmetric', ... 'Numerator', fnum); filtRx = clone(filtTx); % Matched filter for the Rx
В F-OFDM поддиапазонный CP-OFDM сигнал проходит через спроектированный фильтр. Поскольку полоса пропускания фильтра соответствует полосе пропускания сигнала, затрагиваются только несколько поднесущих, близких к краю. Ключевым соображением является то, что длина фильтра может превышать длину циклического префикса для F-OFDM [1]. Интерференция между символами минимизируется благодаря конструкции фильтра с использованием оконной обработки (с мягким усечением).
Операции обработки на конце передачи показаны на следующей диаграмме передатчика F-OFDM.
% Set up a figure for spectrum plot hFig = figure('Position', figposition([46 50 30 30]), 'MenuBar', 'none'); axis([-0.5 0.5 -200 -20]); hold on; grid on xlabel('Normalized frequency'); ylabel('PSD (dBW/Hz)') title(['F-OFDM, ' num2str(numRBs) ' Resource blocks, ' ... num2str(rbSize) ' Subcarriers each']) % Generate data symbols bitsIn = randi([0 1], bitsPerSubCarrier*numDataCarriers, 1); % QAM Symbol mapper symbolsIn = qammod(bitsIn, 2^bitsPerSubCarrier, 'InputType', 'bit', ... 'UnitAveragePower', true); % Pack data into an OFDM symbol offset = (numFFT-numDataCarriers)/2; % for band center symbolsInOFDM = [zeros(offset,1); symbolsIn; ... zeros(numFFT-offset-numDataCarriers,1)]; ifftOut = ifft(ifftshift(symbolsInOFDM)); % Prepend cyclic prefix txSigOFDM = [ifftOut(end-cpLen+1:end); ifftOut]; % Filter, with zero-padding to flush tail. Get the transmit signal txSigFOFDM = filtTx([txSigOFDM; zeros(L-1,1)]); % Plot power spectral density (PSD) [psd,f] = periodogram(txSigFOFDM, rectwin(length(txSigFOFDM)), ... numFFT*2, 1, 'centered'); plot(f,10*log10(psd));
% Compute peak-to-average-power ratio (PAPR) PAPR = comm.CCDF('PAPROutputPort', true, 'PowerUnits', 'dBW'); [~,~,paprFOFDM] = PAPR(txSigFOFDM); disp(['Peak-to-Average-Power-Ratio for F-OFDM = ' num2str(paprFOFDM) ' dB']);
Peak-to-Average-Power-Ratio for F-OFDM = 11.371 dB
Для сравнения рассмотрим существующую методику модуляции OFDM с использованием полного занятого диапазона с тем же циклическим префиксом длины.
% Plot power spectral density (PSD) for OFDM signal [psd,f] = periodogram(txSigOFDM, rectwin(length(txSigOFDM)), numFFT*2, ... 1, 'centered'); hFig1 = figure('Position', figposition([46 15 30 30])); plot(f,10*log10(psd)); grid on axis([-0.5 0.5 -100 -20]); xlabel('Normalized frequency'); ylabel('PSD (dBW/Hz)') title(['OFDM, ' num2str(numRBs*rbSize) ' Subcarriers'])
% Compute peak-to-average-power ratio (PAPR) PAPR2 = comm.CCDF('PAPROutputPort', true, 'PowerUnits', 'dBW'); [~,~,paprOFDM] = PAPR2(txSigOFDM); disp(['Peak-to-Average-Power-Ratio for OFDM = ' num2str(paprOFDM) ' dB']);
Peak-to-Average-Power-Ratio for OFDM = 9.721 dB
Сравнивая графики спектральных плотностей для схем CP-OFDM и F-OFDM, F-OFDM имеет нижние боковые лепестки. Это позволяет увеличить использование выделенного спектра, что приводит к повышению спектральной эффективности.
См. раздел comm.OFDMModulator Система object™, которая также может быть использована для реализации модуляции CP-OFDM.
Следующий пример выделяет основную обработку приема для F-OFDM для одного символа OFDM. Принятый сигнал проходит через согласованный фильтр, за которым следует обычный приемник CP-OFDM. Он учитывает как увеличение фильтрации, так и задержку перед операцией БПФ.
В этом примере не рассматривается канал замирания, но шум добавляется к принятому сигналу для достижения требуемого SNR.
% Add WGN rxSig = awgn(txSigFOFDM, snrdB, 'measured');
Операции обработки приема показаны на следующей диаграмме приемника F-OFDM.
% Receive matched filter rxSigFilt = filtRx(rxSig); % Account for filter delay rxSigFiltSync = rxSigFilt(L:end); % Remove cyclic prefix rxSymbol = rxSigFiltSync(cpLen+1:end); % Perform FFT RxSymbols = fftshift(fft(rxSymbol)); % Select data subcarriers dataRxSymbols = RxSymbols(offset+(1:numDataCarriers)); % Plot received symbols constellation switch bitsPerSubCarrier case 2 % QPSK refConst = qammod((0:3).', 4, 'UnitAveragePower', true); case 4 % 16QAM refConst = qammod((0:15).', 16,'UnitAveragePower', true); case 6 % 64QAM refConst = qammod((0:63).', 64,'UnitAveragePower', true); case 8 % 256QAM refConst = qammod((0:255).', 256,'UnitAveragePower', true); end constDiagRx = comm.ConstellationDiagram( ... 'ShowReferenceConstellation', true, ... 'ReferenceConstellation', refConst, ... 'Position', figposition([20 15 30 40]), ... 'EnableMeasurements', true, ... 'MeasurementInterval', length(dataRxSymbols), ... 'Title', 'F-OFDM Demodulated Symbols', ... 'Name', 'F-OFDM Reception', ... 'XLimits', [-1.5 1.5], 'YLimits', [-1.5 1.5]); constDiagRx(dataRxSymbols);
% Channel equalization is not necessary here as no channel is modeled % BER computation BER = comm.ErrorRate; % Perform hard decision and measure errors rxBits = qamdemod(dataRxSymbols, 2^bitsPerSubCarrier, 'OutputType', 'bit', ... 'UnitAveragePower', true); ber = BER(bitsIn, rxBits); disp(['F-OFDM Reception, BER = ' num2str(ber(1)) ' at SNR = ' ... num2str(snrdB) ' dB']);
F-OFDM Reception, BER = 0.00083333 at SNR = 18 dB
% Restore RNG state
rng(s);Как показано, F-OFDM добавляет этап фильтрации к существующей обработке CP-OFDM как на передающем, так и на приемном концах. В этом примере моделируется распределение полного диапазона для пользователя, но один и тот же подход может быть применен для нескольких диапазонов (по одному на пользователя) для асинхронной операции восходящей линии связи.
См. раздел comm.OFDMDemodulator Система object™, которая может быть использована для реализации демодуляции CP-OFDM после согласованной фильтрации приема.
В примере представлены основные характеристики схемы модуляции F-OFDM как на передающем, так и на приемном концах системы связи. Изучите различные значения системных параметров для количества блоков ресурсов, количества поднесущих на блоки, длины фильтра, смещения тонального сигнала и SNR.
Схема модуляции с универсальной фильтрацией с несколькими несущими (UFMC) является другим подходом к OFDM с фильтрацией поддиапазонов. Для получения дополнительной информации см. пример модуляции UFMC и OFDM. В этом примере F-OFDM используется один поддиапазон, в то время как в примере UFMC используется несколько поддиапазонов.
F-OFDM и UFMC используют фильтрацию во временной области с незначительными различиями в способе проектирования и применения фильтра. Для UFMC длина фильтра ограничена равной длине циклического префикса, в то время как для F-OFDM она может превышать длину CP.
Для F-OFDM конструкция фильтра приводит к небольшой потере ортогональности (строго говоря), которая влияет только на граничные поднесущие.
Абдоли Дж., Джиа М. и Ма Дж., «Отфильтрованный OFDM: новая форма волны для будущих беспроводных систем», 2015 IEEE ® 16-й Международный семинар по достижениям в области обработки сигналов (SPAWC), Стокгольм, 2015, стр. 66-70.
R1-162152. «Гибкий сигнал на основе OFDM для 5G.» 3GPP TSG RAN WG1 встреча 84bis. Huawei; HiSilicon. Апрель 2016 года.
R1-165425. «Схема F-OFDM и конструкция фильтра». 3GPP TSG RAN WG1 совещание 85. Huawei; HiSilicon. Май 2016 года.