利用仿真技术深入分析 5G 通信系统及其波形

概述

虽然第四代（4G）蜂窝系统——LTE 和 LTE-Advanced——还处在部署进程中，第五代（5G）系统的研发已经开始，5G 技术愿景是“随时随地万物接入”。5G 相比 4G 的一个显著优势是， 5G 能够提供超快（接近 10 Gbps）、连贯和优质的连通性，时延很低（不超过几毫秒），可以支持新的用例和构成物联网（IoT） 的数十亿个传感器。同样重要的是，5G 网络预计将会明显提高频谱效率和改善覆盖率。

这些能力预示着如今的社会愈加地依赖智能手机、平板电脑等无线设备中需要使用大量数据的应用。分析师预测，到 2020 年无线设备的数量将会达到 200 亿到 500 亿；从每天仅传输少量数据的机器对机器（M2M）设备到播放多个频道高清视频的应用无所 不在。这些设备投入使用后，影响将是不容忽视的——无线数据需求将会呈现爆发式增长。整个行业都把目光聚焦在 5G通信 上，希望 5G 能为客户提供每周 7 天、每天 24 小时随时随地无缝接入， 始终连接的能力，从而满足客户对数据的需要。

5G 通信的问题

虽然 5G 的早期研究工作已经持续了几年，但是把 5G 从理论变为实践以便及时应对 2020 年的数据爆发仍将是一大挑战。第一步是落实 5G 标准化。尽管业内人士对 5G 愿景有一致的定义， 但是标准化工作尚未展开。因此，研究人员面临的主要挑战是在标准尚未确立的条件下开发 5G 技术。3GPP 在 2015 年 9 月召开了首届 5G 研讨会，会议确定了 5G 愿景到 2016 年中期才会真正实现。5G 商业部署预计在 2020 年左右开始。与此同时，5G 研究的下一步是进入开发和部署阶段。

未来的 5G 无线通信系统将能够处理各种各样的流量类型，例如移动宽带和机器类型通信。我们正在研发新的多址接入方案、新的波形和调制格式，以处理各种不同的用例。在 5G 中，选择正确的波形是其中一个非常重要的决策。评测新的波形类型时有许多因素要考虑，包括频谱效率、时延、计算复杂性、能量效率、相邻信道共存性能和实施成本。由于 5G 很大程度上仍处于研究阶段，它提出的波形要求随时可能变化，导致在选择正确的波形时需要考虑得非常周密。对 5G通信 候选波形进行设计与评测是启动5G 研究的重要环节，这会推动 5G 生态系统向前发展，帮助客户加快 5G 移动无线网络的最终部署。

解决方案

物理层波形尚未有明确规定，因为业内对潜在波形没有达成共识， 所以目前有多个候选波形正在使用：滤波器组多载波（FBMC）、广义频分复用（GFDM）、通用滤波多载波（UFMC）、过滤正 交频分复用（F-OFDM），等等。F-OFDM 和 FBMC 已得到了多位研究人员的认可。

为了更好地理解这两种技术之间的区别，请参见图 1 中的结构图。对于 F-OFDM 信号，子载波数据符号（SK）是由符号时间间隔为 T 的原型滤波器（P）过滤，再增加到每个子载波。所用的原型滤波器有着矩形冲激响应 h(t)，它会产生不合需要的幅度响应，这是由频域中的大旁瓣导致的。为了尽量减小这种影响，矩形脉冲可被新的脉冲替代，使用常用的窗函数，在符号的起始处有柔过渡。这样会使旁瓣减小，但会导致主瓣增加。目前正在进行的研究工作为的是找到一种使用更好的窗函数的设计（例如基于Chebyshev 的设计），可以消除这个问题。

与 F-OFDM 类似，FBMC 是一种众所周知的多载波技术，数据符号同时在多个子载波频率上传输。这两种技术的主要区别是符号时间和原型滤波器的选择。例如在 FBMC 系统中（如图 1 所示）， 数据符号在使用时延的间隔是 T/2。当 (k+n) 是偶数时，相移是0°。当 (k+n) 是奇数时，相移是 90°。FBMC 能够最大限度地降低接收机的复杂程度，并能处理短脉冲传输和多路输入多路输 出（MIMO）信道。这就是 5G 研究人员对 FBMC 倍加关注的原因。

如前所述，F-OFDM 和 FBMC 并不是唯一的 5G 候选波形。5G 还采用了其他类型的波形技术和新的技术，技术调查目前正在进行之中，如图 2 所示。升余弦响应是最好的例子，此前用于传统的 OFDM 系统。它满足奈奎斯特判据，这意味着它没有符号间干扰，它的脉冲 h(t) 在应用中始终与移位 nT 正交。现在，一种新的数据传输方法再次引起了业界注意——超奈奎斯特（FTN） 信令。

图 1. 这里显示了 F-OFDM 和 FBMC 波形的基本结构图，以及每项技术对应的发射信号方程。

使用 FTN 方法，h(t) 不再与符号时间正交，脉冲出现的速度加快， 系数指定为 α。图 2 右上角的时频网格显示了在每个 TF 单位面积中有一个符号满足奈奎斯特判据。使用 FTN 方法，每个 TF 面积内的符号密度会增加——在相同的比特能量和频谱上使用常见的调制方法，此时可以传输多达两倍的比特数。这是一项创新。这样减少了所需的带宽，不过载波间的正交性会有一定损失。

FBMC 波形引入了一种新的脉冲形状自适应方法和一种动态子载波间隔技术，可用于调整能量扩展度，尽可能地减少能量损耗。基本上，每个子载波上的脉冲整形应当忽视波形的带外（OOB） 发射。这些优势使得 FBMC 成为一项非常强大的技术，适用于多用户异步分散频谱场景，例如 Web 接入或机器对机器（M2M） 通信。

对这些候选 5G通信 波形进行甄别是很重要的，不过同样重要的是， 要能够全面地分析这些候选波形。因为 5G通信 正在不断演进，这项任务所用的解决方案必须足够灵活，能够快速适应变化中的标准。解决方案必须能够支持在正交和非正交多载波通信系统中使用的各种 5G 候选波形，包括先进 MIMO 和波束赋形信号处理。此外， 为了帮助工程师启动他们的 5G 研究，解决方案应当很好地提供发射机和参考接收机建模实例，轻松地重新设计这些实例，以实现高于其他候选解决方案的出众性能。

此类解决方案的典型例子是是德科技电子系统级（ESL）设计软件、5G 基带探测程序库和 N7608B Signal Studio 定制调制软件。该解决方案能够提供所需要的灵活性和高级功能，从而快速、有效地生成和评测 5G 移动通信波形。SystemVue 软件是一个系统级通信设计环境，可生成 5G 候选波形（图 3）。它把物理层（PHY） 基带算法建模、精确射频建模、基于标准的参考知识产权（IP） 和测试设备的直接交互结合在一起。SystemVue 软件 在研发周期的早期使用，它把射频和基带设计路径转入实施，提供持续的交叉域验证。

图 2. 本图深入地分析了一些新 5G通信波形技术。

5G 基带探测程序库可添加至 SystemVue 套装产品中，提供可立即使用的 5G 候选波形技术先进数字信号处理模块、端到端物理层发射和接收仿真模型，以及 MIMO 信道信令方案（图 4）。它还可以生成参考波形以验证射频电路设计。SystemVue 及其 5G 程序库为设计团队启动 5G 技术研究提供了经济、高效的方法。使用此类解决方案，设计团队在开始进行最新 PHY 开发时能够更轻松地实施探索、验证和集成，使研发成本大幅减少，并降低进度和技术风险。

SystemVue 可用于 5G 信号生成和更多的系统级任务，而 Signal Studio 定制调制软件可以快速轻松地生成定制 FBMC、OFDM 和IQ 信号，以满足 5G 应用中的元器件、发射机和接收机测试需要 （图 5）。易于使用的参数化图形用户界面能够加速每个阶段的定制信号生成。

图 3. SystemVue 作为 ESL 设计和信号处理的专用平台，可替代通用的数字、模拟和数学环境。它支持系统架构师和算法开发人员构建创新的无线 PHY 和航空航天/ 国防通信系统，并为射频、DSP 和 FPGA/ASIC 实施提供卓越价值。

图 4. SystemVue 的 5G 通信基带探测程序库为 5G 技术研究提供可靠的、可立即使用的信号处理源代码。

在生成 5G 通信测试信号后，使用 SystemVue 或 Signal Studio 并结合两款硬件——精密型 AWG 和矢量信号发生器（配有宽带 I/Q 输入）——可以生成调制带宽高达 2 GHz、频率高达 44 GHz（使用上变频器则频率更高）的宽带测试信号，对 5G 候选波形进行极限和超出极限的测试。

多载波波形质量

系统在使用多载波波形（例如 FBMC 和 F-OFDM）时可能会遇到一些问题，使它们的波形质量受到影响，例如峰均功率比（PAPR） 和由射频链路的非线性引起的射频减损。PAPR 的定义是最大瞬态功率与平均功率之比。在多载波系统中，固有的高 PAPR 会严重影响通信系统的频谱性能。

图 6 显示了由 SystemVue 生成的互补累积分布函数（CCDF）曲线，包括 OFDM（红色）和 FBMC（蓝色）波形在波形 PAPR 降低 / 没有降低时的曲线。限幅更明显的话，甚至能够把 PAPR 降得更低；但也会增加 OOB 频谱再生和原始信号中的失真。因此， 确保总体误差矢量幅度（EVM）不超出规定限制非常关键。

图 5. N7608B 用于定制调制的 Signal Studio 软件可以更轻松地为 5G 应用生成和修改定制的波形，加快分析速度。

图 6. 影响多载波波形质量的两个因素是 PAPR 和射频链路的非线性。

射频链路的非线性是另一个显著影响波形质量的因素。为了更深入地了解这一点，可以参考图 7 中的非线性放大器模型。此处，

输入信号的功率从 -20 dBm 扫描到 10 dBm，增益为 28.5 dB。因为这个放大器模型展示了发射机和接收机链路间的多种类型的非线性特性，把测量设置在 1-dB 压缩模式，FBMC EVM 测量块连接在放大器的输出端。所生成的“my EVM vs swept input power”SystemVue 图显示，当输出功率达到压缩点时，EVM 会迅速增加。LO 信号源和调制器也可用于仿真相位噪声、IQ 失衡和其他射频减损对测量的影响。

SystemVue 软件 工作区包括这项设计以及本应用指南中讨论的其他设 计，可通过 http://www.keysight.com/find/eesof-how-to- 5g-waveforms 下载。工作区还包括一个交互式测试台，帮助工程师更好地理解如何利用单个仿真工具解决基带和射频问题。

评测 5G 通信系统性能

当设计5G通信候选波形时，对具有实际射频减损的波形的性能进行评测是十分关键的。这可以通过使用 SystemVue 软件 对射频特性建模，再执行端到端链路级仿真才实现。

为了有效地建模一个波形的射频特性，首先要对它的基本概念有所了解。当具有高 PAPR 的多载波信号经过非线性器件时，信号可能会出现较大的失真。业内通常用 1 dB 压缩点来指定发射机的非线性。接收机非线性的标准射频指标与发射机的不同，因为它们要解决的问题是不一样的。接收机的非线性指标称为截获点。输入和输出电压间的非线性关系可通过图 7 中的方程式来估算。直流偏置和高阶项在顶层仿真中可以忽略。

如图 7 所示，IQ 调制器使用射频载频 ω 的余弦和正弦表示。IQ 调制器中的线性失真是由混频器的不对称造成的；在模拟环境中始终存在。混频器的不对称可产生增益失衡 a 和正交误差 θ。正交误差是指两个本地振荡器信号之间的相位差，与固有的 90 ° 相位差无关。它会产生相位噪声和 / 或频偏。

图 7. 正确评测 5G 系统的性能需要考虑射频减损（非线性特性和 IQ 调制器），因为它会使波形的质量失真。

图 2 显示了一组 FBMC 发射机建模实例。它们可用于一个带宽为20-MHz 的 FBMC 信号，它分配了 128 个子载波。此处，QPSK 数据符号被映射到配有多相滤波网络合成滤波器组的 FBMC 发射机，再上变频到 2 GHz 频段。

在波形的射频特性被建模之后，下一步是评测波形的链路级性能。以 FBMC 系统的发射机配置为例，如图 1 所示，第一步是选择接收机模型的理想时间同步。下一步，使用发射机和接收机放大器模式，把一些非线性特征放在射频信道模型里。发射比特和接收比特随后通过逻辑方式连接到了原理图中的比特误码率（BER） 仿真模型的输入端。最后，在一千个传输数据帧上运行仿真。这个仿真生成了两幅图，参见图 8。

图 8. 上图显示了 FBMC 系统的端到端链路级仿真结果，参见图 1。

图 8 中，最左侧是加性高斯白噪声（AWGN）信道上的未编码BER 曲线，可以看到 FBMC 与 OFDM 的链路级性能是相似的。但是，发射机和接收机链路间的非线性会造成 BER 值增加。最右侧图是衰落信道上的编码 BER 曲线，它显示了低密度奇偶校验

（LDPC）算法的编码增益性能。注意：当存在非线性且没有降 低 PAPR 时，LDPC 的误差校正仍旧非常严格，与未编码用例非常相近。

结果汇总

虽然 5G通信已经准备好应对预计在 2020 年出现的数据爆发，但这一过程会是漫长和艰辛的。技术在不断演进，在早期研究和开发阶段中会有很大的变化。推动这一进程需要工程师设计正确的5G 波形，并且能够全面地评测这些波形。系统级 SystemVue 软件及其 5G通信 基带探测程序库为此提供了理想的解决方案。当需要这些波形来执行 5G通信 应用中的元器件、发射机和接收机测试时， Signal Studio 定制调制软件是正确的波形生成选择。借助这些解决方案，设计团队现在可以使用他们所需要的工具，在标准持续演进的同时，快速推进他们的 5G 研究。最终，他们将会加快未来 5G通信系统的部署。

5G 无线

https://www.keysight.com/cn/zh/solutions/5g.html​www.keysight.com

IoT/M2M

https://www.keysight.com/cn/zh/solutions/internet-of-things-iot.html​www.keysight.com

SystemVue 软件

https://www.keysight.com/main/redirector.jspx?action=ref&cname=COLLECTION&ckey=1297131&lc=chi&cc=CN​www.keysight.com