LabVIEWは最小限の5Gシステムテストプラットフォームを開発
大容量ストレージとデータリッチなアプリケーションを備えたスマートフォンの普及により、現世代の製品はスループット効率の向上を余儀なくされています。OFDM は、シングルタップ イコライゼーションやコスト効率の高い実装などの優れた品質により、現在物理層技術として広く使用されています。これらの利点は、厳密な同期、直交性、および高い電力消費を犠牲にして実現されます。高いデータレートに加えて、マシンタイプ通信、モノのインターネット (IoT)、車車間通信 (V2V) などの人間の介入を必要としないアプリケーションは、将来世代のシステム設計のためのソリューションを提供しています。これらのアプリケーションでは、低消費電力、待ち時間の短縮、および非同期データ転送が必要です。
これにより、新しい物理層波形の探求が刺激され、多くの代替波形の提案につながりました。上記の特性に適合する柔軟なマルチキャリア伝送戦略である一般化周波数分割多重 (GFDM) は、5G ネットワーク実装の有力な競合相手と考えることができます。GFDM システムは、異なる時間-周波数ブロックの変調に基づいており、各時間-周波数ブロックには、周波数の複数のサブキャリアと時間のサブシンボルが含まれています。各サブシンボルのサブキャリアは、時間と周波数が周期的にシフトされるアプリケーション固有のプロトタイプ フィルターを使用してフィルター処理されます。他のマルチキャリア方式と同様に、GFDM は時間領域のシンボル数が多いため、ピーク対平均電力比 (PAPR) の問題に悩まされます。
GFDM ベースのシステムには、主に 3 種類の PAPR 削減技術があります。最初の最も基本的なカテゴリは信号歪み技術で、主に時間領域の GFDM 信号をクリッピングすることで信号 PAPR を低減します。これらの戦略は、歪み特性と高いエラー伝播率のため、GFDM システムでの PAPR 低減には十分に機能しません。信号スクランブリングは、選択マッピング (SLM) や部分送信シーケンス (PTS) などの PAPR 低減技術の 1 つです [12]。多数の GFDM サロゲート信号を生成するには、GFDM 信号に SLM の周波数領域でランダムな位相回転ベクトルを乗算します。逆高速フーリエ変換 (IFFT) の後、PAPR が最も低い代替 GFDM 信号が送信用に選択されます。その後、候補信号のサイド情報 (SI) が送信され、効率的な受信機回復が可能になります。PTS 技術では、信号を不連続なサブブロックに分割し、各サブブロックに適切な位相シーケンス ベクトルを乗算し、サブブロックを再構築して PAPR が低減された信号を生成することによって PAPR が低減されます [14]。PTS および SLM 方法は計算量が多く、位相シーケンス ベクトルに適した検索戦略が必要です。さらに、必要な位相シーケンス ベクトルと追加のサイド情報を受信機に提供する必要があるため、システムのスペクトル効率が低下します。ただし、上記の PAPR 緩和ソリューションのほとんどは、PAPR の低減においてあまり効果が得られず、ビットストリームごとに代替候補信号を構築するための追加メカニズムが必要です。PAPR 削減戦略の最後のカテゴリには、離散ハートレー行列変換 (DHMT)、離散サイン行列変換 (DSMT)、離散コサイン行列変換 (DCMT) などのプリコーディング技術が含まれます。これらの技術は、IFFT 計算前の変調データ信号間の非周期的自己相関の量を低減するため、PAPR の低減につながります。プリコーディング技術は、GFDM システムで PAPR を削減するための効果的な戦略の 1 つです。ただし、PAPR の低減効果は信号スクランブル技術に比べて不十分です。
我々は、プリコーディング技術に基づいた効率的な PAPR 削減方法と、特異値分解 (SVD) に基づいた最適な直交プリコーディング行列を提案します。これは、PAPR 削減を損なうことなく、潜在的な平均電力が最小で適度に良好な PAPR 最小化を実現します。PAPR 軽減効率を向上させるために、平均電力とピーク対平均電力比を削減しました。Universal Software Defined Radio Peripheral (USRP)と呼ばれるNIハードウェアを使用して、PAPRを削減するアイデアをテストするためにGFDMシステムのリアルタイムプロトタイプが開発されました。USRP から受信したスペクトル応答は、シミュレーションとの良好な一致を示し、提案された方法を検証します。
プリコーディングベースの技術は、追加の追加情報なしで使用できる単純な線形プロセスであるため、大きな可能性を秘めています。プリコーディングは複雑さを大幅に増加させたり、サブキャリアの直交性を破壊したりすることはありませんが、PAPR 低減パフォーマンスを向上させます。本稿ではGFDM送信信号のPAPRを低減する手法として最適プリコーディングを用いる。GFDM 変調と送信の前に、GFDM システムでのプリコーディングでは、各 GFDM モジュールの変調データにプリコーディング行列を乗算する必要があります。GFDM システムは事前に決定されたプリコーディング行列を使用するため、送信機と受信機の間でハンドシェイクは必要ありません。プリコーディング行列がすべての GFDM フレームで同じである場合、ブロックベースの最適化手法で必要なすべての処理を行う必要もありません。
オーバーレイSI伝送コンセプトの実装に使用されるテストベンチは、Universal Software Radio Peripheral RIOと呼ばれるNIハードウェアと簡単に統合できるLabVIEWソフトウェアを使用します。LabVIEW の主な魅力は、追加のハードウェアを使用せずに簡単に再構成できることです。USRP の内部は、RF 変換用の低周波サブボードと、USRP の内部デジタル信号処理 (DSP) チップを開発するためのアナログ - デジタル コンバーター (ADC)/デジタル - アナログ コンバーター (DAC) で構成されています。 。USRP は 1.2 ～ 6 GHz の広い周波数範囲で動作でき、あらゆるモバイル通信シナリオをカバーします。デジタルアップ/ダウンコンバージョンや補間/間引きなどの主要な通信操作はUSRPのFPGAボードに実装されており、変調/復調などのベースバンド操作を実行するためにLabVIEWソフトウェアによって制御されます。したがって、USRP での実際の FPGA 実装はソフトウェアによって制御されます。このアイデアは、ソフトウェアの変更がハードウェアの実装によって複製されるため、アルゴリズムをテストする機会を提供します。
2 台のワークステーション。NIPXIe-PCIe8371Express カードを使用して USRP に接続されています。このインターフェイスの速度は 832MB/s で、リアルタイム通信シナリオをデモンストレーションするのに非常に役立ちます。USRP を接続した後、送信機と受信機の USRP に一意の ID を割り当てる必要があります。LabVIEWでは、長方形グリッドQAM変調データは、ブロックダイアグラムで指定された順序でコンポーネントのアクティブサブキャリア上でGFDM変調されます。GFDM シンボルに対してすべてのベースバンド操作を実行した後、プリアンブルと長さ 8 のゼロ シーケンスが各パケットの先頭と末尾に追加されます。プリアンブルは同期とチャネル推定を実行するために使用され、ゼロ パディングは受信信号を時間内に区別するために使用できます。USRP で送信されるパケットには、給与データだけでなく制御情報も含まれています。制御情報には、USRPIP、プリアンブル付きのデータ位置、エラー訂正コードが含まれます。RxUSRP は、利用可能なスペースから重畳信号をデータ ストリームとして受信します。RxUSRP は、検出アルゴリズムを使用して大量のエネルギーが観測されるまで、データ サンプルを破棄します。
採用されたアプローチによりデータ効率と PAPR が向上し、GFDM システムが 5G 通信の魅力的な代替手段となります。PAPR が最も低いプリコーディング行列を設計するという最適化の課題に取り組みます。シミュレーション結果は、プリコーディング戦略により GFDM システムの PAPR を大幅に削減できることを示しています。実験結果とシミュレーション結果の堅牢性により、GFDM システムにおける PAPR 低減技術の信頼性が得られます。
これは LabVIEW のアプリケーションです。その他の開発事例については、Beijing Hanwen Wangxing の公式 Web サイトをご覧ください。LabVIEWプロジェクトの協力開発が必要な場合は、お問い合わせください。