Моделирование и компенсация шума фазы NR

Этот пример демонстрирует влияние фазового шума в 5G системе OFDM и показывает, как использовать опорный сигнал отслеживания фазы (PT-RS) в компенсации общей фазовой ошибки (CPE). Пример измеряет величину вектора ошибок (EVM) и вероятность битовой ошибки (BER) с и без компенсации CPE.

Введение

В 5G NR 3GPP вводит новый уставочный сигнал, названный опорным сигналом отслеживания фазы (PT-RS), для борьбы с шумом генератора. Шум, происходящий в генераторы результатов в фазовой модуляции информационного сигнала, приводит к значительным изменениям в частотном спектре и временных свойствах информационного сигнала. Это явление, связанное с генераторами, называется фазовым шумом. Фаза шум, производимый в локальных генераторах, вносит значительное ухудшение на частотах миллиметровой волны (mmWave) в зависимости от степени спектральной плотности фазы шума. Фазовый шум приводит к CPE и межнесущей интерференции (ICI). CPE ведет к идентичному повороту принятого 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 производительность системы. Пример применяет фазовый шум к форме волны, состоящей из физического совместно используемого нисходящего канала (PDSCH), и показывает изменение EVM и BER без и с компенсацией CPE. Этот рисунок показывает цепь обработки, реализованную в этом примере.

Фаза моделирования шума

Спектральная плотность генератора степени моделирует фазу шум. Этот пример использует многополюсную модель нуля, чтобы аппроксимировать спектральную плотность степени генератора. Используйте PNModel поле simParameters структура для выбора модели фазового шума: 'A', 'B' или 'C'. Наборы параметров 'A' и 'B' получают из практических генераторов, работающих на 30 ГГц и 60 ГГц соответственно, как описано в TDoc R1-163984. Набор параметров 'C' получен из практического генератора, работающего на 29,55 ГГц, как описано в TR 38.803 Раздел 6.1.10.

В примере используется несущая с интервалом между поднесущими 60 кГц для полосы пропускания 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, занимающий полную несущую со схемой модуляции, установленной на '64QAM', и количеством слоев, установленным на 1. Пример по умолчанию представляет собой один слой и одно кодовое слово случайных незакодированных бит.

% 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 генерируется для 2 систем координат и поля NumFrames от simParameters структура управляет количеством систем координат формы волны. Задействованы следующие шаги:

  • Сгенерируйте случайное кодовое слово с битовой емкостью PDSCH

  • Получите символы PDSCH для случайного кодового слова и сопоставьте их с сеткой

  • Сгенерируйте и сопоставьте символы DM-RS с сеткой

  • Сгенерируйте и сопоставьте символы PT-RS с сеткой

  • Выполните OFDM-модуляцию 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);

Применение фазового шума

Примените фазовый шум к переданной форме волны. Чтобы четко наблюдать влияние фазы шума, пример не применяет никаких тепловых шумов или модели канала в сложение с фазовым шумом. Пример применяет тот же фазовый шум ко всем слоям.

rxWaveform = zeros(size(txWaveform),'like',txWaveform);
for i = 1:size(txWaveform,2)
    rxWaveform(:,i) = pnoise(txWaveform(:,i));
    release(pnoise)
end

Приемник

Перед возвратом уравненных символов PDSCH и декодированных бит приемник выполняет следующие шаги:

  • Временная синхронизация

  • Демодуляция OFDM

  • Оценка канала

  • Эквализация

  • Оценка и коррекция CPE

  • Декодирование PDSCH

Для шага оценки и коррекции CPE приемник использует логическое поле CompensateCPE от simParameters структура. Поскольку в примере не используется канал распространения, шаги временной синхронизации, оценки канала и эквализации не являются строго необходимыми. Однако эти шаги помогают исследовать фазу эффекты шума, если вы вводите канал.

Пример показывает уравненные символы созвездия, EVM и вероятность битовой ошибки с компенсацией CPE и без.

Случай 1: Без компенсации CPE

Чтобы отключить компенсацию CPE, установите поле CompensateCPE от simParameters структура, равная 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 от simParameters структура, равная 0. Используйте PT-RS, чтобы оценить CPE во всех местоположениях символов OFDM в пазе. Исправьте CPE в местоположениях символов OFDM в области значений символов OFDM PT-RS.

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 

Дальнейшие исследования

  • Чтобы визуализировать влияние фазы шума, измените частоту несущей, интервал между поднесущими, количество ресурсных блоков, схему модуляции и количество систем координат.

  • Чтобы увидеть эффекты фазы шума на созвездии, измените модель фазы шума.

  • Чтобы проанализировать эффект компенсации CPE с различными строениями, измените время и плотность частот PT-RS.

  • Визуализируйте влияния фазы шума, включив модели теплового шума и канала.

Сводные данные

Этот пример демонстрирует влияние фазы шума и показывает, как оценить и исправить CPE с PT-RS. Пример также показывает, что компенсация CPE уменьшает EVM и улучшает вероятность битовой ошибки. Отображаемый график созвездия показывает огромный ICI в частотах mmWave, указывающий, 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