Этот пример сравнивает Универсальную фильтрованную мультинесущую (UFMC) с Ортогональным мультиплексированием деления частоты (OFDM) и подсвечивает достоинства схемы модуляции кандидата Пятого поколения (5G) системы связи.
UFMC был рассмотрен как альтернативную форму волны к OFDM в 3GPP, ЗАПУСТИЛ фазу I исследования во время 3GPP Релиз 14.
OFDM, как метод модуляции мультинесущей, был широко принят системами связи 4G, такими как LTE и Wi-Fi®. Это имеет много преимуществ: робастность, чтобы образовать канал задержки, эквализация частотного диапазона одно касания и эффективное внедрение. Что часто не подсвечивается, его затраты, такие как потеря в спектральном КПД из-за более высоких боковых лепестков и строгих требований синхронизации. Новые методы модуляции, таким образом, рассматривают для систем связи 5G, чтобы преодолеть некоторые из этих факторов.
Как пример, система LTE в полосе пропускания канала на 20 МГц использует 100 блоков ресурса 12 поднесущих каждый в отдельном расстоянии между поднесущими 15 кГц. Это использует только 18 МГц выделенного спектра, ведя к 10-процентной потере. Кроме того, циклический префикс 144 или 160 выборок на символ OFDM приводит к другой потере КПД на ~7 процентов за полную 17-процентную потерю в возможном спектральном КПД.
С теперь заданными требованиями ITU для систем 5G приложения требуют более высоких скоростей передачи данных, более низкой задержки и более эффективного использования спектра. Этот пример фокусируется на новом методе модуляции, известном как Универсальную фильтрованную мультинесущую (UFMC), и сравнивает его с OFDM в типовой среде.
s = rng(211); % Set RNG state for repeatabilityЗадайте системные параметры для примера. Эти параметры могут быть изменены, чтобы исследовать их удар на систему.
numFFT = 512; % number of FFT points subbandSize = 20; % must be > 1 numSubbands = 10; % numSubbands*subbandSize <= numFFT subbandOffset = 156; % numFFT/2-subbandSize*numSubbands/2 for band center % Dolph-Chebyshev window design parameters filterLen = 43; % similar to cyclic prefix length slobeAtten = 40; % side-lobe attenuation, dB bitsPerSubCarrier = 4; % 2: 4QAM, 4: 16QAM, 6: 64QAM, 8: 256QAM snrdB = 15; % SNR in dB
UFMC рассматривается как обобщение Фильтрованного OFDM и FBMC (Мультинесущая Набора фильтров) модуляции. Целая полоса просачивается, отфильтрованный OFDM и отдельные поднесущие просачиваются FBMC, в то время как группы поднесущих (поддиапазоны) просачиваются UFMC.
Эта группировка поднесущей позволяет уменьшать длину фильтра (при сравнении с FBMC). Кроме того, UFMC может все еще использовать QAM, когда это сохраняет комплексную ортогональность (при сравнении с FBMC), который работает с существующими схемами MIMO.
Полная полоса поднесущих (N) разделена на поддиапазоны. Каждый поддиапазон имеет постоянное число поднесущих, и не все поддиапазоны должен использоваться для данной передачи. ОБПФ NPT для каждого поддиапазона вычисляется, вставляя нули для освобожденных несущих. Каждый поддиапазон отфильтрован фильтром длины L, и ответы от различных поддиапазонов суммированы. Фильтрация сделана, чтобы сократить внеполосные спектральные выбросы. Различные фильтры на поддиапазон могут быть применены, однако, в этом примере, тот же фильтр используется для каждого поддиапазона. Окно Чебышева с параметрированным затуханием бокового лепестка используется, чтобы отфильтровать IFFT выход на поддиапазон [1].
Обработку конца передачи показывают в следующей схеме.
% Design window with specified attenuation prototypeFilter = chebwin(filterLen, slobeAtten); % Transmit-end processing % Initialize arrays inpData = zeros(bitsPerSubCarrier*subbandSize, numSubbands); txSig = complex(zeros(numFFT+filterLen-1, 1)); hFig = figure; axis([-0.5 0.5 -100 20]); hold on; grid on xlabel('Normalized frequency'); ylabel('PSD (dBW/Hz)') title(['UFMC, ' num2str(numSubbands) ' Subbands, ' ... num2str(subbandSize) ' Subcarriers each']) % Loop over each subband for bandIdx = 1:numSubbands bitsIn = randi([0 1], bitsPerSubCarrier*subbandSize, 1); % QAM Symbol mapper symbolsIn = qammod(bitsIn, 2^bitsPerSubCarrier, 'InputType', 'bit', ... 'UnitAveragePower', true); inpData(:,bandIdx) = bitsIn; % log bits for comparison % Pack subband data into an OFDM symbol offset = subbandOffset+(bandIdx-1)*subbandSize; symbolsInOFDM = [zeros(offset,1); symbolsIn; ... zeros(numFFT-offset-subbandSize, 1)]; ifftOut = ifft(ifftshift(symbolsInOFDM)); % Filter for each subband is shifted in frequency bandFilter = prototypeFilter.*exp( 1i*2*pi*(0:filterLen-1)'/numFFT* ... ((bandIdx-1/2)*subbandSize+0.5+subbandOffset+numFFT/2) ); filterOut = conv(bandFilter,ifftOut); % Plot power spectral density (PSD) per subband [psd,f] = periodogram(filterOut, rectwin(length(filterOut)), ... numFFT*2, 1, 'centered'); plot(f,10*log10(psd)); % Sum the filtered subband responses to form the aggregate transmit % signal txSig = txSig + filterOut; end set(hFig, 'Position', figposition([20 50 25 30])); hold off;
% Compute peak-to-average-power ratio (PAPR) PAPR = comm.CCDF('PAPROutputPort', true, 'PowerUnits', 'dBW'); [~,~,paprUFMC] = PAPR(txSig); disp(['Peak-to-Average-Power-Ratio (PAPR) for UFMC = ' num2str(paprUFMC) ' dB']);
Peak-to-Average-Power-Ratio (PAPR) for UFMC = 8.2379 dB
Для сравнения мы рассматриваем существующий метод модуляции OFDM, с помощью полной занятой полосы, однако, без циклического префикса.
symbolsIn = qammod(inpData(:), 2^bitsPerSubCarrier, 'InputType', 'bit', ... 'UnitAveragePower', true); % Process all sub-bands together offset = subbandOffset; symbolsInOFDM = [zeros(offset, 1); symbolsIn; ... zeros(numFFT-offset-subbandSize*numSubbands, 1)]; ifftOut = sqrt(numFFT).*ifft(ifftshift(symbolsInOFDM)); % Plot power spectral density (PSD) over all subcarriers [psd,f] = periodogram(ifftOut, rectwin(length(ifftOut)), numFFT*2, ... 1, 'centered'); hFig1 = figure; plot(f,10*log10(psd)); grid on axis([-0.5 0.5 -100 20]); xlabel('Normalized frequency'); ylabel('PSD (dBW/Hz)') title(['OFDM, ' num2str(numSubbands*subbandSize) ' Subcarriers']) set(hFig1, 'Position', figposition([46 50 25 30]));
% Compute peak-to-average-power ratio (PAPR) PAPR2 = comm.CCDF('PAPROutputPort', true, 'PowerUnits', 'dBW'); [~,~,paprOFDM] = PAPR2(ifftOut); disp(['Peak-to-Average-Power-Ratio (PAPR) for OFDM = ' num2str(paprOFDM) ' dB']);
Peak-to-Average-Power-Ratio (PAPR) for OFDM = 8.8843 dB
Сравнивая графики спектральной плотности для схем OFDM и UFMC, UFMC имеет более низкие боковые лепестки. Это позволяет более высокое использование выделенного спектра, ведя к увеличенному спектральному КПД. UFMC также показывает немного лучший PAPR.
Пример затем подсвечивает, что основные UFMC получают обработку, которая, как OFDM, основана на БПФ. Фильтрация поддиапазона расширяет получить окно времени к следующей длине степени двойки для операции FFT. Каждое альтернативное значение частоты соответствует поднесущей основной лепесток. В типичных сценариях эквализация на поднесущую используется для компенсации объединенного эффекта канала и фильтрации поддиапазона.
В этом примере только компенсируется фильтр поддиапазона, потому что никакие эффекты канала не моделируются. Шум добавляется к полученному сигналу достигнуть желаемого ОСШ.
% Add WGN rxSig = awgn(txSig, snrdB, 'measured');
Обработку получать-конца показывают в следующей схеме.
% Pad receive vector to twice the FFT Length (note use of txSig as input) % No windowing or additional filtering adopted yRxPadded = [rxSig; zeros(2*numFFT-numel(txSig),1)]; % Perform FFT and downsample by 2 RxSymbols2x = fftshift(fft(yRxPadded)); RxSymbols = RxSymbols2x(1:2:end); % Select data subcarriers dataRxSymbols = RxSymbols(subbandOffset+(1:numSubbands*subbandSize)); % Plot received symbols constellation constDiagRx = comm.ConstellationDiagram('ShowReferenceConstellation', ... false, 'Position', figposition([20 15 25 30]), ... 'Title', 'UFMC Pre-Equalization Symbols', ... 'Name', 'UFMC Reception', ... 'XLimits', [-150 150], 'YLimits', [-150 150]); constDiagRx(dataRxSymbols);
% Use zero-forcing equalizer after OFDM demodulation rxf = [prototypeFilter.*exp(1i*2*pi*0.5*(0:filterLen-1)'/numFFT); ... zeros(numFFT-filterLen,1)]; prototypeFilterFreq = fftshift(fft(rxf)); prototypeFilterInv = 1./prototypeFilterFreq(numFFT/2-subbandSize/2+(1:subbandSize)); % Equalize per subband - undo the filter distortion dataRxSymbolsMat = reshape(dataRxSymbols,subbandSize,numSubbands); EqualizedRxSymbolsMat = bsxfun(@times,dataRxSymbolsMat,prototypeFilterInv); EqualizedRxSymbols = EqualizedRxSymbolsMat(:); % Plot equalized symbols constellation constDiagEq = comm.ConstellationDiagram('ShowReferenceConstellation', ... false, 'Position', figposition([46 15 25 30]), ... 'Title', 'UFMC Equalized Symbols', ... 'Name', 'UFMC Equalization'); constDiagEq(EqualizedRxSymbols);
% BER computation BER = comm.ErrorRate; % Perform hard decision and measure errors rxBits = qamdemod(EqualizedRxSymbols, 2^bitsPerSubCarrier, 'OutputType', 'bit', ... 'UnitAveragePower', true); ber = BER(inpData(:), rxBits); disp(['UFMC Reception, BER = ' num2str(ber(1)) ' at SNR = ' ... num2str(snrdB) ' dB']);
UFMC Reception, BER = 0 at SNR = 15 dB
% Restore RNG state
rng(s);Пример представляет основные характеристики схемы модуляции UFMC и в передаче, и получите концы системы связи. Исследуйте различные значения системного параметра для количества поддиапазонов, количества поднесущих на поддиапазон, отфильтруйте длину, затухание бокового лепестка и ОСШ.
Обратитесь к FBMC по сравнению с Модуляцией OFDM для примера, который описывает схему модуляции Мультинесущей набора фильтров (FBMC). F-OFDM по сравнению с примером Модуляции OFDM описывает Фильтрованную-OFDM схему модуляции.
UFMC рассматривается выгодным по сравнению с OFDM путем продукта выше спектрального КПД. Фильтрация поддиапазона обладает преимуществом сокращения защиты между поддиапазонами и также сокращением длины фильтра, которая делает эту схему привлекательной для кратковременных вспышек. Последнее свойство также делает его привлекательным по сравнению с FBMC, который страдает от намного более долгой длины фильтра.
Schaich, F., Дикий, T., Чен, Y., "Претенденты формы волны на 5G - Пригодность для короткого Пакета и Низких Передач Задержки", Автомобильная Технологическая Конференция, стр 1-5, 2014.
Дикий, T., Schaich, F., Чен И., "воздушный дизайн интерфейса 5G на основе Universal, Фильтрованной (UF-) OFDM", Proc. 19-й Международной Конференции по Цифровой обработке сигналов, стр 699-704, 2014.