Технические принципы и симуляции физического уровня стандарта 5G NR

Аннотация – Разработка продуктов 5G ускоряется, начиная с первых устройств и развертывания сети в 2019 году. Технология New Radio (NR) представляет гибкую архитектуру, которая сделает возможным быструю связь с низкой временной задержкой, необходимую для широкополосных мобильных сетей следующего поколения и таких приложений, как подключенные беспилотные автомобили, умные здания и сообщества, цифровое здравоохранение, и промышленный интернет вещей. Гибкость стандарта 5G NR сделает проектирование и тестирование более сложными. Инженерам, разрабатывающим 5G, включая технологии и связанные устройства, требуется четкое представление о фундаментальных концепциях, лежащих в основе спецификации 5G NR, а также стандартные совместимые функции и базовые примеры. В данной статье, мы представляем ключевые технологии и концепции физического уровня 5G. Вы узнаете о структуре сигналов 5G; как сигналы формируются, модулируются, и обрабатываются; об управлении лучами в системах с массивным MIMO; и методах моделирования и измерения производительности физического канала.

СОДЕРЖАНИЕ

I. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ КЛЮЧЕВЫХ КОНЦЕПЦИЙ ФИЗИЧЕСКОГО УРОВНЯ СТАНДАРТА 5G NEW RADIO

II. ОСОБЕННОСТИ ФИЗИЧЕСКОГО УРОВНЯ 5G. 

А. Транспортные каналы, физические каналы, и физические сигналы 5G. 

1) Транспортные каналы. 

2) Каналы и сигналы физического уровня. 

Б. Сигналы 5G, структура кадра, и нумерология. 

1) Сигналы

2) Структура кадра. 

а) Переменное расстояние между поднесущими. 

б) Слоты и OFDM символы.

3) Части канальных полос. 

В) Нисходящий поток данных в 5G NR. 

1) Нисходящие каналы общего пользования. 

2) Физический нисходящий канал общего пользования. 

3) PDSCH мультиантенное прекодирование. 

4) Размещение PDSCH.

III. МЕТОДЫ СИМУЛЯЦИИ ФИЗИЧЕСКОГО УРОВНЯ 5G И ИЗМЕРЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ. 

IV. ВЫВОДЫ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.

АКРОНИМЫ.

Ключевые слова – 5G; New Radio; Physical Layer; Simulation

I. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ КЛЮЧЕВЫХ КОНЦЕПЦИЙ ФИЗИЧЕСКОГО УРОВНЯ СТАНДАРТА 5G NEW RADIO

Для начала мы сделаем обзор требований и сценариев использования 5G, сопровождая его обзором ключевых особенностей физического уровня 5G. Наконец, мы представим 5G ToolboxTM, который реализует спецификацию физического уровня 5G для симуляции и генерации сигнала.

А. Сценарии использования 5G

5G предназначен для поддержки множества сценариев использования. Спецификация разработана так, чтобы связать мобильные сети и устройства, поддерживающие огромный диапазон приложений, включая:

- Улучшенную мобильную широкополосную передачу данных (eMMB), требующую чрезвычайно высоких мобильных широкополосных скоростей передачи данных и увеличенную спектральную эффективность

- Широкомасштабную связь между устройствами (mMTC) требующую поддержку огромного количества соединений, энергоэффективности и работу при низкой мощности

- Сверхнадежную связь с низкой задержкой (URLLC), которая нужна, например, для автономных авто и удаленной хирургии

Б. Основные отличия физического уровня между 5G и LTE

На ряду с тем, что 5G сохраняет некоторые сходства с LTE, на рис. 1 можно увидеть, что текущие требования привели к значительным различиям. Некоторые повлияли напрямую на физический уровень. Например, 5G будет работать на более высоких частотах, и использовать полосы шире, чем LTE, что сказывается на проектировании радиотракта и обработке на нулевой частоте. 5G значительно более гибкий, нежели LTE, в приспособлении к ряду сценариев использования, скоростей передачи данных и задержек. Это достигается путем использования переменного расстояния между поднесущими и частями частотного ресурса, чтобы получить более эффективное использование доступного частного ресурса при различных обстоятельствах.

Изначально 5G NR предназначен для поддержки большего числа сценариев использования, чем LTE, с более жесткими требованиями по задержке. Это приводит к нескольким ключевым изменениям в организации ресурсной сетки для 5G NR, которые изложены ниже:

- Требования к задержке: 5G NR поддерживает двухстороннюю задержку физического уровня в 1 мс для сценариев URLLC.

- Спектральные и пропускные требования: 5G NR требует более высокую пропускную способность. Больше пропускной способности достигается за счет большего частотного ресурса или большей спектральной эффективности. Более высокий частотный ресурс требует частотные полосы с “прилегающими” каналами. Это доступно только на таких несущих частотах, как 60 или 70 ГГц, в то время как LTE расположен ниже 6 ГГц. И снова, это имеет значительные последствия на проектирование физического уровня, т.к. формированию лучей требуется поддержка этих более высоких частот. На более высоких частотах доступно больше спектра, и 5G NR устроен так, чтобы воспользоваться этим преимуществом, используя частотный ресурс шириной до 400 МГц. Двигаясь к более детальным аспектам физического уровня, отметим, что расстояние между поднесущими, фиксированное для LTE 15 КГц, сейчас может принимать значения между 15 и 240 КГц.

- Эффективная сигнализация: относительное частотное распределение, абонентскому оборудованию (UE) LTE, размещенному в соте с полосой 20 МГц, требуется декодировать всю эту полосу, т.к. интересуемый сигнал может быть в любом месте. С другой стороны, UE 5G не требуется поддержка всей полосы. Напомним, что полоса в 5G NR может быть сильно больше, что могло бы усугубить упомянутую проблему. Интересуемые сигналы могут быть ограничены подсекцией полосы, а разделение полосы на части является одной из новых концепций, которые помогут в этом.

- Энергетическая/мощностная эффективность. Наконец, в 5G NR было уменьшено число сигналов, которые все время пересылаются, чтобы сохранить энергию. Основной жертвой стали специальные справочные сигналы соты, по-другому CRS, которые предоставляются в LTE во всей соте как справочная основа для демодуляции и оценки качества канала.  В 5G NR CRS больше нет. Другим поводом для этого изменения послужило то, что на более высоких несущих частотах сигналам нужно быть сформированными в луч (beamformed), чтобы преодолеть потери при распространении. В результате, и сложно, и не полезно предоставлять справочные сигналы по всей соте: сила сигнала была бы низкой, а для каждого канала и так формируется луч, значит UE нужно знать о прекодирующей матрице отдельно. Вместо этого, UE в 5G опирается на справочные сигналы, которые проходят то же формирование луча, что и ассоциированный канал.

Рисунок 1. Сравнение параметров физического уровня 5G и LTE

II. ОСОБЕННОСТИ ФИЗИЧЕСКОГО УРОВНЯ 5G

Нами создана серия образовательных видео, которые объясняют все компоненты и особенности физического уровня 5G. Эта статья предоставляет сокращенную версию следующих тем:

- Транспортные каналы, физические каналы, и физические сигналы

- Сигналы 5G, структура кадра, и нумерология

- Данные нисходящего потока

- Данные восходящего потока

Дополнительная информация доступна как для тем, упомянутых выше, так и для следующих особенностей физического уровня 5G [1]:

- Контроль нисходящего потока

- CORESETs

- Контроль восходящего потока

- DMRS

- Блок сигнала синхронизации

- Процедура инициализации: поиск соты и RACH

- Сигналы для зондирования канала

- Гибридное формирование лучей

А. Транспортные каналы, физические каналы, и физические сигналы 5G

Физический уровень 5G, как и LTE, организован как множество каналов и сигналов, которые служат специфическим целям, таким как установление соединений между UE и базовыми станциями (БС), перенос информации, и реализация функций контроля. Стандарт 5G определяет разные каналы, которые используются для предоставления различных типов передачи данных и контролирующих служб на канальном уровне стека протокола 5G.

В следующих параграфах мы дадим краткий обзор необходимой терминологии. Для полного рассмотрения этих тем, пожалуйста посмотрите страницу “5G Explained” на mathworks.com [1].

1) Транспортные каналы

Транспортные каналы в 5G имеют несколько различных функций:

- Предоставляют информационные транспортные сервисы от физического уровня к канальному (широковещательные канал).

- Несут контролирующую и сигнальную информацию и данные в нисходящей и восходящей информации.

- Определяют скремблирование, канальное кодирование, перемежение и подбор скоростей для применения к информации в каждом направлении.

- Устанавливают восходящее соединение от UE к БС 5G (RACH, или random-access channel – канал случайного доступа).

Рисунок 2. Транспортные каналы нисходящего и восходящего потока

2) Каналы и сигналы физического уровня

Каналы физического уровня в 5G определяют механику расположения информационных сообщений в определенных позициях по времени и частоте. Есть три типа каналов физического уровня для нисходящего и восходящего потока: общего пользования, контрольные и широковещательные.

Каналы общего пользования, контрольные и широковещательные каналы именуются как DL-SCH/PDSCH, PDCCH, BCH/PBCH для нисходящего потока, и UL-SCH, PUSCH, PUCCH для восходящего потока.

Сигналы синхронизации и эталонные сигналы позволяют UE и базовой станции устанавливать соединение, координировать временное размещение информации и демодулировать сигналы. Сигналы синхронизации и эталонные сигналы именуются как PSS, SSS, и DM-RS.

Рисунок 3. Пример размещения каналов на OFDM сетке 5G

Б. Сигналы 5G, структура кадра, и нумерология
Эта секция дает краткий обзор структуры сигналов и нумерологии 5G. Эта структура имеет как множество сходств с LTE, так и важные отличия, которые следует отметить.

1) Сигналы

5G сигналы, как и LTE, используют OFDM сигналы с циклическим префиксом (CP-OFDM). Тем не менее, в 5G есть еще много деталей и большая гибкость. Эти особенности включают в себя нумерологию смешанного кадра, множество частей полосы, множество каналов общего пользования, полностью параметризируемые SS очереди (bursts), и большое количество CORESET (множеств контроля ресурсом) и поисковых пространств.

а) Ресурсные элементы и ресурсные блоки

Информация в 5G размещается на частотно-временной сетке. Единицей времени является OFDM символ, а единицей частоты является поднесущая.

Внутри этой сетки несущие информацию ресурсы физического уровня разделены на ресурсные блоки (набор из 12 поднесущих в частотной области), которые в свою очередь состоят из ресурсных элементов. Ресурсный элемент – это один OFDM символ внутри одной поднесущей.

Рисунок 4. Ресурсные элементы и блоки, размещенные внутри частотно-временной сетки

1)  Структура кадра

Структура кадра 5G концептуальна похожа на LTE, но является более гибкой для достижения различных требований для работы при высокой скорости и низкой задержке.

Кадры 5G длятся 10 мс, имея 10 подкадров в каждом кадре. Возможно переменное число слотов в подкадре с 14 OFDM символами в слоте.

Как результат, возможно переменное значение OFDM символов в подкадре.

а) Переменное расстояние между поднесущими
Одной из основных инноваций в 5G стандарте является концепция гибких нумерологии и расстояния между поднесущими, что сделало доступными диапазоны полос и задержек. В стандарте 5G расстояние между поднесущими может быть 15 кГц, умноженные на два в степени, т.е. расстояние может варьироваться от 15 до 240 кГц. Сигналы 5G могут содержать переменные расстояния между поднесущими. Это значит, что внутри сигнала 5G могут быть заданы разные по времени и частоте ресурсные блоки.

Одно из требований 5G является повышение максимально поддерживаемой полосы канала. Благодаря предоставлению больших расстояний между поднесущими, а также более высокого числа нисходящих ресурсных блоков, мы можем достичь большей средней полосы в сравнении с LTE. В LTE максимальная полоса составляет 20 МГц, тогда как в 5G полоса может быть равна 397.4 МГц.

Такая гибкость разработана, чтобы достичь требования различных сервисов в 5G (улучшенное мобильное широковещание, массовая межмашинная связь, и сверхнадежная связь с низкой задержкой). Увеличенное расстояние между поднесущими может также помочь работе в миллиметровом диапазоне частот.

В столбцах: Конфигурация слота 0

Рисунок 5. Гибкие нумерология и расстояния между поднесущими в стандарте 5G

б) Слоты и OFDM символы
Как только разрешение по частоте изменяется путем варьирования расстояния между поднесущими, то это также влияет на кадр или его длительность во временной области. В стандарте 4G LTE один подкадр имеет длительность 1 мс. В 5G при 15 кГц 1 мс соответствует одному слоту. Когда расстояние между поднесущими увеличивается в два в степени раз, длительность слота также делится на 2, 4 и т.д.

Рисунок 6. Изменение в расстоянии между поднесущими соответствует изменению в числе временных слотов в кадре

1)  Части канальных полос

Другим важным аспектом гибкости в 5G является возможность делить канальную полосу на части (BWP – bandwidth parts), которые являются наборами последовательных ресурсных блоков, характеризуемых их собственным расстоянием между поднесущими и циклическим префиксом.

Наличие BWP помогает в плане двух проблем. Во-первых, некоторые устройства могут не иметь возможности принять всю канальную полосу целиком. Во-вторых, BWP допускают адаптацию канальной полосы для уменьшения потребления энергии, когда требуется только узкая полоса. UE 5G может быть настроено так, что будет иметь до четырех частей канальной полосы, но лишь одна будет активной одномоментно. UE не рассчитано на прием данных вне активной части канальной полосы.

В) Нисходящий поток данных в 5G NR
В этом разделе, мы ближе познакомимся с нисходящей передачей данных в 5G New Radio.

1) Нисходящие каналы общего пользования
Нисходящий канал общего пользования, или DL-SCH, является каналом, который несет пользовательскую информацию. Он также несет другие фрагменты информации, такие как различные типы системных информационных блоков, или SIB (System Information Block). Цепочка кодирования включает в себя обычные шаги, такие как CRC, сегментацию на кодовые блоки, подстройка скорости, и объединение. Все эти шаги уже известны из LTE. Основное отличие от LTE, это использование LDPC кодирования. Выходом цепочки кодирования является кодовое слово.

5G поддерживает нисходящую передачу для единичного пользователя вплоть до восьми уровней. Это значит, что возможно установить до восьми потоков, передаваемых в параллель. Эти потоки идут для одного или двух кодовых слов: первое кодовое слово для первых четырех уровней и второе для следующих четырех.

Затем кодированные данные размещаются в физическом нисходящем канале общего пользования, или PDSCH.

Рисунок 7. Цепочка кодирования для нисходящего канала общего пользования

2)     Физический нисходящий канал общего пользования

Физический нисходящий канал общего пользования легко настраиваемый – гораздо легче, чем в LTE – и мы рассмотрим некоторые детали в следующем параграфе. Он настраивается обоими: нисходящей контрольной информацией, которая может меняться от слота к слоту, и контролем радио ресурса, который также может настроить некоторые параметры. Это очень похоже на LTE. В этом канале мы видим скремблирование, модуляцию, уровневое размещение, прекодирование для MIMO обработки, ресурсное размещение и распределение по физическим антеннам.

Хотя все это известные блоки, есть несколько отличий, на которые стоит обратить внимание. Этап прекодирования явно не указан в стандарте, хотя вполне ожидаемо, что он будет присутствовать. NR использует тот же лист модуляций в нисходящем канале, что и LTE: от QPSK до 256-QAM;

3)     PDSCH мультиантенное прекодирование

После того как одно или два кодовых слова размещены между первым и восьмым уровнем, уровни проходят прекодирование, которое, что интересно, не указано в стандарте для нисходящего потока.

Прекодрование – это операция, которая размещает уровни на столько же или больше антенных портов, используя матричное умножение с помощью прекодера. Специальный случай прекодирования – это размещение одного уровня на множество антенн, которое позволяет осуществить формирование луча. Для передачи при прямой видимости, скорее всего, это означает нацеливание на определенное направление. Другой случай прекодирования является размещение нескольких уровней на множество антенн. Этот более общий случай иногда называют пространственным мультиплексированием.

Один ключевой аспект прекодирования в 5G это то, что ассоциированные демодуляционные эталонные сигналы, или DMRS, должны проходить то же прекодирование. В результате UE не требуется знать о прекодировании, т.к. эффект от прекодера включается в оценку канала.

Затем выход прекодера размещается на физических ресурсных блоках, мы увидим это в следующем параграфе. Нисходящие каналы и сигналы, включающие PDSCH и ассоциированные DMRS, совместно используют OFDM сетку.

4)     Размещение PDSCH

Здесь мы рассмотрим примеры размещения ресурса PDSCH во времени. PDSCH может охватывать весь слот, как показано внизу сетки на рис. 8. Он также может использовать только части слота. Его иногда называют частичным слотовым размещением, и это является новой возможностью 5G New Radio в сравнение с LTE. Как вы можете помнить, LTE всегда выделяет полный подкадр в 1 мс под PDSCH.

Рисунок 8. Частичное и полное размещение слотов на OFDM сетке

С помощью пользовательского интерфейса, который использует 5G Toolbox от MathWorks, возможно итерационно исследовать некоторые опции размещения.

Рисунок 9 показывает 10 подкадров с расстоянием между поднесущими равным 30 кГц, это значит всего 20 слотов. PDSCH показан зеленовато синим.

Не обязательно размещать ресурсный блок смежно, тем не менее проще сигнализировать, когда это так. Если он смежен от 0 до 20, то PDSCH будут переданы в первых 10 слотах, затем следует пять пустых слотов. Это, потому что мы размещаем слоты с 0 по 9 с периодом в 15 слотов.

Рисунок 9. Размещение слотов с 0 по 9 с периодичностью в 15 слотов приводит к передаче PDSCH в первых 10 слотах, за которой следует пять пустых слотов

Если размещение изменяется на что-то другое (например, i[0:5 и 8]), слоты 6, 7 и 9 не будут передавать PDSCH.

Рисунок 10. Если размещение изменено на i[0:5 и 8], слоты 6, 7 и 9 не будут передавать PDSCH

Отметим, что внутри каждого слота PDSCH использует символы со 2 по 10.  Это называется частичным слотовым размещением. Вы можете выбрать размещение в целом слоте, в этом случае не будет разрыва между передачами PDSCH.

Отметим также, что эталонные сигналы для PDSCH показаны желтым. Эти позиции недоступны для размещения PDSCH.

III. МЕТОДЫ СИМУЛЯЦИИ ФИЗИЧЕСКОГО УРОВНЯ 5G И ИЗМЕРЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ
 

Наилучший способ понять физический уровень 5G, это исследовать его путем использования симуляций, что можно сделать при помощи 5G Toolbox в среде MATLAB®.

Предложенная среда симуляции предназначена для трех первичных сценариев использования:

- Сквозная симуляция, позволяющая вам моделировать полную цепочку: передатчик, канал, приемник, чтобы анализировать производительность системы, включая вероятность битовой ошибки и пропускную способность.

- Генерация сигнала и его анализ, включая расстояние между поднесущими и кадровую нумерологию в NR. Вы можете использовать сигналы, чтобы тестировать конструкции радио-трактов и другие компоненты, а также для получения I/Q отсчетов для тестирования “по воздуху” с помощью радиоизмерительной аппаратуры.

- Верификация модели по золотому эталону. 5G Toolbox является настраиваемым и редактируемым MATLAB кодом, т.е. вы можете видеть, как алгоритмы работают, модифицировать их для вашей модели, и верифицировать поведение вашей модели.

Функции для моделирования всех аспектов физического уровня, которые обсуждались в данной статье, доступны. Эти функции отражают структуру 5G сигналов, восходящих и нисходящих каналов и физических сигналов, а также дают доступ к деталям обрабатывающих подсистем. Как дополнение, имеются модели каналов, специфицированные стандартом 5G [2].

Все функции в 5G Toolbox открыты, редактируемы и настраиваемы. Это позволяет видеть реализацию и понимать математику алгоритмов 5G. Они станут отличным подспорьем для верификации пользовательских реализаций.

MATLAB код, предоставляемый этим инструментом может автоматически быть переведен в C/C++ код, чтобы ускорить симуляции и для использования во внешних тестовых и имитационных средах.

Чтобы помочь пользователю начать, доступны и готовы к использованию исчерпывающие справочные примеры, охватывающие процедуры синхронизации NR, обработки нисходящего и восходящего потоков [3].

Рисунок 11. Исчерпывающие справочные примеры, охватывающие процедуры синхронизации NR, обработки нисходящего и восходящего потоков, которые доступны и готовы к использованию

IV. ВЫВОДЫ

В этой короткой статье мы представили ключевые концепции из сложного физического уровня 5G, объясняя, как особенности 5G относятся к специфичным требованиям приложений для мобильных систем связи будущего. Также мы представили эффективную среду для моделирования и симуляции 5G New Radio систем.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
 

[1]https://de.mathworks.com/videos/series/5g-explained.html

[2]https://de.mathworks.com/help/5g/referencelist.html?type=function&s_cid=doc_ftr

[3]https://de.mathworks.com/help/5g/examples.html?&s_tid=CRUX_gn_example

АКРОНИМЫ

BCH Broadcast Channel

BER Bit Error Rate

BWP Bandwidth Part

CORESET Control Resource Set

CP-OFDM Cyclic Prefix-OFDM

CRC Cyclic Redundancy Check

CRS Cell Reference Signal

DL-SCH Downlink Shared Channel

DM-RS Demodulation Reference Signal

eMBB Enhanced Mobile Broadband

IoT Internet of Things

I/Q In-Phase and Quadrature

LDPC Low Density Parity Check

LTE Long-Term Evolution

MIMO Multiple Input Multiple Output

mMTC Massive Machine Type Communications

NR New Radio

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing

PBCH Physical Broadcast Channel

PDCCH Physical Downlink Control Channel

PDSCH Physical Downlink Shared Channel

PSS Primary Synchronization Signal

PUCCH Physical Uplink Control Channel

PUSCH Physical Uplink Shared Channel

QPSK Quadrature Phase Shift Keying

RF Radio Frequency

RS Reference Signal

SIB System Information Block

SS Synchronization Signal

SSS Secondary Synchronization Signal

UE User Equipment

UL-SCH Uplink Shared Channel

URLLC Ultra-Reliable and Low-Latency Communications