CC BY
88
ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ТЕХНОЛОГИИ МНОГОЧАСТОТНОЙ ПЕРЕДАЧИ С УНИВЕРСАЛЬНОЙ ФИЛЬТРАЦИЕЙ UFMC К ЧАСТОТНЫМ СДВИГАМ В КАНАЛЕ
Ворожищев Иван Викторович,
Московский технический университет связи и информатики, Москва, Россия, vorozhishchev.i@gmail.com
Бочечка Григорий Сергеевич,
НИИТС, Москва, Россия, Ключевые слова: 5G, Universal Filtered
g.bochechka@gmail.com Multi-Carrier, UFMC, OFDM, FBMC,
спектральная эффективность.
Рассматривается новая и перспективная технология многочастотной передачи с универсальной фильтрацией (Universal Filtered Multi-Carrier, UFMC) для будущих сетей мобильной связи 5G и её устойчивость к частотным сдвигам. Развитие современных мобильных сетей связи определяется быстрым ростом объёма передаваемых данных, развитием мобильных услуг и ростом количества устройств, подключаемых к мобильным сетям связи. Обеспечение высокой пропускной способности сетей 5G в условиях ограниченности частотного ресурса требует развития новых методов передачи данных, позволяющих повысить спектральную эффективность. Одними из недостатков технологии OFDM, стоящих на пути достижении большей спектральной эффективности, являются необходимость использования циклического префикса, который снижает скорость передачи информационных данных и, следовательно, спектральную эффективность, и высокая чувствительность к ошибкам оценки частотного сдвига. Технология UFMC, предложенная в качестве замены OFDM, основана на OFDM, но объединяет поднесущие в блоки, которые затем обрабатываются фильтрами на базе весового окна Дольфа-Чебышева длиной 7% от длины символа. Благодаря сглаживанию фронтов символа при свёртке сигнала с импульсной характеристикой фильтра, которое не вносит существенных искажений, UFMC позволяет отказаться от циклического префикса и благодаря этому увеличить спектральную эффективность сети мобильной связи по сравнению с технологией OFDM. Помимо этого, благодаря фильтрации технология UFMC позволяет снизить уровень внеполос-ных излучений, а также уменьшить чувствительность к ошибкам оценки частотного сдвига в канале связи.
Результаты моделирования для частотных сдвигов 0, 3%, 5% и 10% от расстояния между подне-сущими, проведённые на базе модели компании Alcatel-Lucent для среды MATLAB, показывают, что энергетический выигрыш технологии UFMC может составлять до 1 дБ по сравнению с технологией OFDM при небольших частотных сдвигах в канале (до 3% от расстояния между поднесущими) и несколько децибел при больших сдвигах.
Информация об авторах:
Ворожищев Иван Викторович, Московский Технический Университет Связи и Информатики (МТУСИ), зав. лаб. кафедры РТС,
студент 1-го курса магистратуры, Москва, Россия
Бочечка Григорий Сергеевич, НИИТС, руководитель управления инновационного центра, доцент МТУСИ, к.т.н., Москва, Россия
Для цитирования:
Ворожищев И.В., Бочечка Г.С. Исследование устойчивости технологии многочастотной передачи с универсальной фильтрацией UFMC к частотным сдвигам в канале // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2017. Том 11. №6. С. 25-28.
For citation:
Vorozhishchev I.V., Bochechka G.S. (2017). Sensitivity analysis of UFMC to carrier frequency offset estimation errors. T-Comm, vol. 11, no.6, рр. 25-28. (in Russian)
Я
25
Введение
Технологическое развитие современных мобильных сетей связи определяется быстрым ростом объёма передаваемых данных в сетях мобильной связи, развитием мобильных услуг и приложений, а также ростом количества устройств, подключаемых к мобильным сетям связи. Согласно требованиям [I], будущие сети мобильной связи 5G должны обеспечивать на порядок более высокие характеристики по сравнению с сетями LTE-Advanced, в том числе скорость передачи данных до 20 Гбит/с и сетевые задержки до 1 мс. Обеспечение высокой пропускной способности сетей 5G в условиях ограниченности частотного ресурса требует развития новых методов передачи данных, позволяющих повысить спектральную эффективность. Помимо этого, учитывая широкий охват различных типов устройств, сети 5G должны позволять передавать данные с использованием упрощенных систем синхронизации при наличии частотно-временных искажений.
В качестве перспективных технологий для сетей 5G рассматриваются технология многочастотной передачи с универсальной фильтрацией UFMC' и технология многочастотной передачи с гребенчатой фильтрацией (Filter Bank Mullicarrier, FBMC). Благодаря фильтрации можно отказаться от использования защитного интервала с циклическим префиксом, тем самым повысив спектральную эффективность по сравнению с технологией OFDM. Также за счет фильтрации, снижающей уровень боковых лепестков подне-сущих, FBMC и UFMC более устойчивы к ошибкам оценки частотного и временного сдвигов, чем технология OFDM, и поэтому не требуют передачи дополнительных обучающих сигналов и сложных систем синхронизации, что особенно важно для дешевых устройств IoT/M2M [2J.
Модель системы с технологией UFMC
Функциональная схема системы UFMC представлена на рис. 1 [3].
СЩФ
• Vi*
•
Fi,
СШФ &
Фильтр
Фильтр Fb.
Обработка символов в частотной области
6ПФ длимой 2N
г^еа
обработка
временной области
Преобразование
частоты
Канал связи
Преобразование
частоты
Рис. 1. Функциональная схема системы UFMC
В отличие от технологии OFDM, где блок комплексных канальных символов KAM размера N подается на N-точечпое обратное дискретное преобразование Фурье для формирования комплексной огибающей символа OFDM, в технологии UFMC блок символов KAM делится на В под-
блоков, каждый из которых состоит из щ символов KAM, и подается па отдельный блок Л'-точечного ОДПФ. Так как п
в В раз меньше N, на вход каждого блока ОДПФ помимо информационных символов KAM подаются нули, дополняющие размер подблока до N. В технологии UFMC частотный диапазон делится на В последовательных поддиапазонов, а в каждом /-ом поддиапазоне передается ц информационных поднесуших. Выбор числа поддиапазонов В определяется спектральными требованиями к системе [4].
Сигнал с выхода каждого блока ОДПФ подается на отдельный цифровой фильтр, частотная характеристика которого сдвигается по частоте в соответствии с поднесущими соответствующего поддиапазона. В качестве фильтров для технологии UFMC предлагается использовать фильтры, полученные с использованием окна Дольфа-Чебышева .длиной L, приблизительно равной 7% от длины символа [3], и приблизительно равной длине циклического префикса Ц.Р для
сигнала OFDM. Характеристики такого фильтра приведены на рис, 2,
Временная область
Частотное область
{ \
\
I \ \
/ \
J ) \ V
а
1d 2û 3û jö 50 60 70 io временные отсчеты
f-
-ЩМ ш щ ff
Iм I1 1 1 1 '1 'I
норииромннея частота
(. т РВД-'ОТСЧСГ)
Рис. 2. Импульсная и частотная характеристики фильтра Дольфа-Чебышева длиной SO и ослаблением боковых лепестков 60 дБ
Сглаживание фронтов канальных символов при свёртке с характеристикой фильтра во временной области (рис. 3) не вносит существенных искажений, однако позволяет подавить межсимвольную интерференцию в случае, если расширение задержки в канале не превышает длину фильтра L [5],
OFDM.
I ОВД та»
врученной отсчёт m
Рис. 3. Последовательность канальных символов OFDM и UFMC на одной поднесущей частоте [31
На рисунке 4 прел став лена спектральная плотность мощности одного поддиапазона сигнала UFMC в сравнении со Спектральной плотностью мощности сигнала OFDM.
Рис,
20 40 GO 3D 100
Частота, выраженная в количестве поднесущих
4. Спектральная плотность мощности сигнала UFMC и OFDM [3]
Уровень боковых лепестков у технологии UFMC значительно ниже, чем у технологии OFDM. Следовательно, технология UFMC более устойчива к интерференции между поднесущими [6].
Сигналы с выходов всех поддиапазонных фильтров складываются, и далее суммарный сигнал переносится на радиочастоту и передается в канале связи.
Вектор передачи X одного символа UFMC во временной области представляет собой сумму фильтрованных компонент всех поддиапазонов:
*=ZF.VA (I)
ы
где S(. — вектор символов KAM i-го поддиапазона; V — столбцы матрицы ОДПФ размерности (Д'хtr)■> соответствующие положению ;-го поддиапазона в общем диапазоне частот; F( — матрица Теплица размерностью Ц + L -1) х Аг j,
реализующая свёртку сигнала с характеристикой фильтра.
Выражение (I) можно записать в матричном виде, представив матрицы фильтров, ОДПФ и символов данных всех поддиапазонов в виде соответствующих векторов [4]:
х = FV s (2)
Р = .....FB]
V = cftag[V,,V2,...,VB]
S = U , Sj ,. ■ ■ з S^ 1
Вектор принимаемого сигнала у можно представить в виде свертки передаваемого сигнала х (2) матрицы Теплица Н, характер и зирующей импульсную характеристику канала связи во временной области, включая аддитивный шум п:
y = Hx + n = HFVs + n
В приемнике производится преобразование частоты принятого радиосигнала и его дополнительная обработка во временной области, в том числе фильтрация и синхронизация.
Далее сигнал переносится в частотную область. Так как символ UFMC имеет длину (/V + i,-l), его преобразование
из временной области в частотную производится с помощью 2Л,-точечного ДПФ, недостающие отсчеты на входе блока
ДБФ дополняются нулями. Неинформационные нулевые поднесущие на выходе блока ДПФ из последующей обработки исключаются.
Дальнейшая обработка сигнала аналогична обработке сигнала OFDM и включает оценку и компенсацию канальных искажений, демодуляцию, декодирование и т.д.
Результаты моделировании
Дня исследования влияния ошибок оценки частотного сдвига на помехоустойчивость системы с технологией UFMC в сравнении с технологией OFDM была доработана демонстрационная имитационная модель компании Alcatel-Lucent [7J для среды компьютерного моделирования MATLAB. Параметры моделирования представлены в табл. 1.
Таблица I
Параметры моделирования системы
Параметр моделирования Значение параметра
Система UFMC
Количество поддиапазонов 80
Количество поднесущих в одном поддиапазоне 12
Вид модуляции 16-KAM
Размер ОБПФ 1024
Тип филыра II КМ С Д ол ьф а- Ч ебы ш е ва
Длина фильтра 74
Ослабление фильтра в боковой полосе, дВ 100
Система OFDM
Количество поднесущих 960
Длина циклического префикса OFDM 73
Размер ОБПФ 1024
Общие параметры
Частотные сдвиги, выраженные в процентах от расстояния между поднесущими 0, 3%, 5%, 10%
Тип канала канал с АБГШ
Количество независимых испытаний 104
Для исследования влияния ошибок оценки частотного сдвига была получена зависимость вероятности битовой ошибки от отношения сигнал/шум в канале с ЛБГШ для технологий UFMC и OFDM при различных частотных сдвигах (рис. 5).
L in" i
кг*
-О- ОПЗМбнчкпггмхоснип —UFMC вм частотного «мига
OFOM, чисготый t#fi* — 10% -fr- UFMC, частотный едоиг — 10% - - V of ОМ. чвтиимй «»ж - 5% UFMC, частотным сд/тг — i* —V- OFDM. частотны* сдвиг —
10 15
Сигнал/шум, дБ
Рис. 5. Зависимость вероятности битовой ошибки от отношения сигнал/шум для технологий UFMC и OFDM в канале с АБГШ при частотных сдвигах 0, 3%, 5%, 10% от расстояния между поднесущими
Из рисунка 5 видно, что технология UFMC обеспечивает более высокую устойчивость к ошибкам оценки частотного сдвига, что позволит снизить требования к системе синхро-
T-Comm Vol. I I. #6-201 7
COMMUNICATIONS
низании и устройствах 5G. Энергетический выигрыш технологии UFMC может составлять до ] дБ по сравнению с технологией OFDM При небольших частотных сдвигах в канале (до 3% от расстояния между поднесущимн) и несколько децибел при больших сдвигах.
Заключение
Использование технологии UFMC в сети радиодоступа 5G позволит повысить спектральную эффективность будущих сетей мобильной связи по сравнению с сетями LTE-Advanced, использующими технологию OFDM. Технология UFMC позволяет отказаться от использования циклического префикса, который используется в технологии OKDM для борьбы с межсимволыюй интерференцией, и, следовательно, повысить скорость передачи информационных данных.
Технология UFMC более устойчива к ошибкам оценки частотного сдвига, чем технология OFDM, и поэтому не требует передачи дополнительных обучающих сигналов и сложных систем синхронизации, что особенно важно для дешевых устройств 1оТ/М2М.
Так как в технологии UFMC, в отличие от технологии FBMC, фильтруется не каждая поднесущая по отдельности, а фильтруются группы поднесу щи х частот, использование
технологии UFMC не приводит к существенному увеличению длины символа, и поэтому она имеет меньшие задержки передачи данных, чем технология FBMC.
Литература
1. Opportunities in 5G Networks: A Research and Development Perspective // под ред. Dr. Fci llu. Hi oca Raton; CRC Press, 2016. 538 c.
2. Recommendation ITU-R M.2083-0 // IMT Vision - Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond,2015-04.
3. 5G Waveform Candidate Selection. D3.!. March 03, 2015 II 5GNOW URL: http://www,5gnow.eu (дата обращения; 09.02.2017).
4. 5G Waveform Candidate Selection. D3.2. April 08, 2014 II 5GNOW URL: http://www.5gnow.eu (дата обращения: 09.02.2017),
5. Krank Schaieh, Thorsten Wild, Yejian Chen, Waveform contenders for 5G - suitability for short packet and low latency transmissions // Vehicular Technology Conference (VTC Spring), 2014 1EEF, 79th,
6. Xiaojic Wang, Thorsten Wild, and Frank Schaich. Filter Optimization for Carrier-Frequency- and Timing-Offset in Universal Filtered Multi-Carrier Systems // Vehicular Technology Conference (VTC Spring), 2015 IEEE 81th.
7. UFMC (Matlab files) II 5GNOW [Электронный ресурс] URL,: http://www.5gnow.eu/7page_id=424 (дата обращения: 09.02,2017).
SENSITIVITY ANALYSIS OF UFMC TO CARRIER FREQUENCY OFFSET ESTIMATION ERRORS
Ivan V. Vorozhishchev, Moscow Technical University of Communications and Informatics, Moscow, Russia, vorozhishchev.i@gmail.com Grigory S. Bochechka, National Research Institute of Technologies and Communication, Moscow, Russia, g.bochechka@gmail.com
Abstract. In this paper, we examine a novel Universal Filtered Multi-Carrier (UFMC) technology for future 5G networks and its sensitivity to carrier frequency offset (CFO) estimation errors. The development vector of modern mobile networks is defined by exponential growth of network traffic, evolution of mobile services and increase in the number of connected devices. Adding the support for increased bandwidth in 5G networks while taking into consideration the scarcity of available radio resources leads us to the development of more effective transmission schemes that are able to provide higher spectral efficiency than current technologies. OFDM, currently used in LTE and Wi-Fi, has several disadvantages that make it less suitable for 5G networks. OFDM is very sensitive to carrier frequency estimation errors and due to the cyclic prefix, OFDM is inefficient in terms of spectral efficiency. Universal Filtered Multi-Carrier technology, proposed as an evolution of OFDM, combines OFDM subcarriers into several sub-blocks of the same size, which then are filtered by a frequency-shifted Dolph-Chebyshev window. Due to the smoothing effect on the edges of UFMC symbol, caused by convolution of signal and filter's impulse response, UFMC is able not to use the cyclic prefix thus increasing spectral efficiency compared to OFDM. Due to the filtering effect of Dolph-Chebyshev window, UFMC has lower sidelobe levels and is less sensitive to carrier frequency offset estimation errors than OFDM. To study the effect of CFO estimation errors on UFMC signal, a modified Alcatel-Lucent MATLAB UFMC simulation script was used. Simulation results show that for CFO values of 0, 3%, 5% and 10% (in subcarrier spacings), UFMC BER performance gain compared to OFDM is up to 1 dB for CFO values less than 3%, and is up to several dBs for higher CFOs.
Keywords: 5G, Universal Filtered Multi-Carrier, UFMC, OFDM, FBMC, spectral efficiency. References
1. Dr. Hu, F. ed., (2016). Opportunities in 5G Networks: A Research and Development Perspective. CRC Press, pp. 287-299.
2. Recommendation ITU-R M.2083-0 // IMT Vision - Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond, 2015-04.
3. 5G Waveform Candidate Selection. 5GNOW. D3.I. March 03, 2015.
4. 5G Waveform Candidate Selection. 5GNOW. D3.2. April 08, 2014.
5. Schaich, F., Wild, T., Chen, Y. (2014). Waveform contenders for 5G - suitability for short packet and low latency transmissions. Vehicular Technology Conference (VTC Spring), 2014 IEEE 79th.
6. Wang, X., Wild, T., Schaich, F. (2015). Filter Optimization for Carrier-Frequency- and Timing-Offset in Universal Filtered Multi-Carrier Systems. Vehicular Technology Conference (VTC Spring), 2015 IEEE 81th.
7. UFMC (Matlab files), 5GNOW, viewed 09.02.2017, http://www.5gnow.eu/?page_id=424.
Information about authors:
Ivan V. Vorozhishchev, Moscow Technical University of Communications and Informatics, Department of Radio Engineering Systems Head of the Laboratory, first year graduate student, Moscow, Russia
Grigory S. Bochechka, National Research Institute of Technologies and Communication Head of Innovation Center, associate professor of the MTUCI, Ph. D., Moscow, Russia
7T>
