LabVIEW開發(fā)最小化5G系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)

由于具有大量存儲(chǔ)能力和數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序的智能手機(jī)的激增，當(dāng)前一代產(chǎn)品被迫提高其吞吐效率。正交頻分復(fù)用由于其卓越的品質(zhì)，如單抽頭均衡和具有成本效益的實(shí)施，現(xiàn)在被廣泛用作物理層技術(shù)。這些好處是以嚴(yán)格的同步、正交性和高功耗為代價(jià)的。除了高數(shù)據(jù)速率外，不需要人工干預(yù)的應(yīng)用，如機(jī)器類通信、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和車對(duì)車通信（V2V），正在為未來的一代系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供解決方案。這些應(yīng)用需要低功耗、減少延遲和異步數(shù)據(jù)傳輸。

這刺激了對(duì)新型物理層波形的探索，從而提出了許多替代波形。廣義頻分復(fù)用（GFDM）是一種靈活的多載波傳輸策略，將適合上述特征，可以被認(rèn)為是實(shí)施5G網(wǎng)絡(luò)的可行競(jìng)爭(zhēng)者。GFDM系統(tǒng)基于不同時(shí)頻塊的調(diào)制，每個(gè)時(shí)頻塊在頻率上包含多個(gè)子載波，在時(shí)間上包含子符號(hào)。每個(gè)子符號(hào)上的子載波都使用特定于應(yīng)用的原型濾波器進(jìn)行濾波，該濾波器在時(shí)間和頻率上循環(huán)移動(dòng)。與其他多載波方案一樣，GFDM由于時(shí)域中存在大量符號(hào)而存在高峰均功率比（PAPR）問題。

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在基于GFDM的系統(tǒng)中，PAPR還原技術(shù)主要有三類。初始和最基本的類別是信號(hào)失真技術(shù)，它主要通過削波時(shí)域GFDM信號(hào)來降低信號(hào)PAPR。這些策略在GFDM系統(tǒng)中的PAPR減少方面表現(xiàn)得不夠好，因?yàn)樗鼈兙哂惺д嫣匦院透哒`差傳播率。信號(hào)加擾是PAPR減少技術(shù)的另一種，包括選擇性映射（SLM）和部分傳輸序列（PTS）[12]。為了產(chǎn)生大量的GFDM替代信號(hào)，GFDM信號(hào)與SLM頻域中的隨機(jī)相位旋轉(zhuǎn)矢量相乘。在逆快速傅里葉變換（IFFT）之后，選擇具有最低PAPR的替代GFDM信號(hào)進(jìn)行傳輸。候選信號(hào)的側(cè)信息（SI）隨后被傳送，從而實(shí)現(xiàn)有效的接收器恢復(fù)。在PTS技術(shù)中，通過將信號(hào)分成不連續(xù)的子塊，將每個(gè)子塊乘以適當(dāng)?shù)南嘈蛳蛄?，然后重?gòu)子塊以產(chǎn)生具有降低的PAPR的信號(hào)來降低PAPR[14]。PTS和SLM方法的計(jì)算要求很高，需要一種合適的相序向量的搜索策略。此外，它們需要向接收器提供所需的相序矢量和額外的側(cè)面信息，這會(huì)降低系統(tǒng)的頻譜效率。然而，上述所有PAPR緩解解決方案中的大多數(shù)在降低PAPR方面表現(xiàn)不佳，需要一種額外的機(jī)制來為每個(gè)比特流構(gòu)建替代候選信號(hào)。PAPR約簡策略的最后一類包括預(yù)編碼技術(shù)，包括離散哈特利矩陣變換（DHMT），離散正弦矩陣變換（DSMT）和離散余弦矩陣變換（DCMT）。這些技術(shù)導(dǎo)致PAPR降低，因?yàn)樗鼈冊(cè)贗FFT計(jì)算之前減少了調(diào)制數(shù)據(jù)信號(hào)之間的非周期自相關(guān)量。預(yù)編碼技術(shù)是降低GFDM系統(tǒng)中PAPR的有效策略之一。然而，與信號(hào)加擾技術(shù)相比，它們的PAPR降低較差。

我們提出了一種基于預(yù)編碼技術(shù)的高效PAPR約簡方法，以及一種基于奇異值分解（SVD）的最優(yōu)正交預(yù)編碼矩陣，與其他現(xiàn)有的預(yù)編碼策略相比，它具有最小的潛在平均功率和相當(dāng)好的PAPR最小化，而不會(huì)影響PAPR約簡。我們降低了平均功率以及峰均功率比，以提高PAPR緩解效率。利用NI的硬件，稱為通用軟件無線電外圍設(shè)備（USRP），開發(fā)了GFDM系統(tǒng)的實(shí)時(shí)原型，以驗(yàn)證減少PAPR的想法。從USRP接收到的光譜響應(yīng)通過與仿真表現(xiàn)出良好的一致性來驗(yàn)證所提出的方法。

基于預(yù)編碼的技術(shù)具有很大的潛力，因?yàn)樗鼈兪呛唵蔚木€性過程，無需任何額外的側(cè)面信息即可使用。預(yù)編碼既不會(huì)顯著增加復(fù)雜性，也不會(huì)破壞子載波的正交性，而是增強(qiáng)了PAPR降低性能。在本文中，將最優(yōu)預(yù)編碼作為降低GFDM傳輸信號(hào)PAPR的方法。在GFDM調(diào)制和傳輸之前，GFDM系統(tǒng)中的預(yù)編碼需要將每個(gè)GFDM模塊的調(diào)制數(shù)據(jù)乘以預(yù)編碼矩陣。GFDM系統(tǒng)使用預(yù)先確定的預(yù)編碼矩陣，因此發(fā)射器和接收器之間不需要握手。如果所有GFDM幀的預(yù)編碼矩陣都相同，那么也沒有必要進(jìn)行基于塊的優(yōu)化技術(shù)所需的所有處理。

用于實(shí)現(xiàn)疊加SI傳輸概念的測(cè)試臺(tái)采用LabVIEW軟件，可與NI硬件輕松合并，稱為通用軟件無線電外設(shè)RIO。LabVIEW的主要吸引力在于其簡單的可重配置，無需使用額外的硬件。USRP內(nèi)部由用于射頻轉(zhuǎn)換的低頻子板、用于開發(fā)USRP內(nèi)部數(shù)字信號(hào)處理（DSP）芯片的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）/數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）組成。USRP能夠在1.2-6GHz的寬頻率范圍內(nèi)運(yùn)行，涵蓋所有移動(dòng)通信場(chǎng)景。數(shù)字上/下變頻和插值/抽取等主要通信操作在USRP的FPGA板上實(shí)現(xiàn)，該板由LabVIEW軟件控制，用于執(zhí)行調(diào)制/解調(diào)等基帶操作。因此，USRP中的實(shí)際FPGA實(shí)現(xiàn)由軟件控制。這個(gè)想法提供了一個(gè)測(cè)試算法的機(jī)會(huì)，因?yàn)檐浖淖兓峭ㄟ^硬件上的實(shí)現(xiàn)來復(fù)制的。

兩個(gè)工作站，它們使用NIPXIe-PCIe8371Express卡與USRP連接。此接口具有832MB/s，這對(duì)于展示實(shí)時(shí)通信方案非常有用。連接USRP后，應(yīng)為發(fā)射器和接收器USRP分配一個(gè)唯一的ID。在LabVIEW中，矩形網(wǎng)格QAM調(diào)制數(shù)據(jù)按照框圖中指定的順序在成分的有源子載波上進(jìn)行GFDM調(diào)制。在對(duì)GFDM符號(hào)執(zhí)行所有基帶操作后，在每個(gè)數(shù)據(jù)包的開頭和結(jié)尾添加前導(dǎo)碼和長度為8的零序列。前導(dǎo)碼用于執(zhí)行同步和通道估計(jì)，而零填充可用于及時(shí)區(qū)分接收信號(hào)。USRP中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包不僅包含工資單數(shù)據(jù)，還包含控制信息?？刂菩畔║SRPIP、帶前導(dǎo)碼的數(shù)據(jù)位置和糾錯(cuò)碼。RxUSRP從可用空間接收疊加信號(hào)作為數(shù)據(jù)流。RxUSRP丟棄數(shù)據(jù)樣本，直到使用檢測(cè)算法觀察到大量能量。

所采用的方法提高了數(shù)據(jù)效率和PAPR，使GFDM系統(tǒng)成為5G通信的誘人替代方案。解決了設(shè)計(jì)具有最低PAPR的預(yù)編碼矩陣的優(yōu)化挑戰(zhàn)。仿真結(jié)果表明，預(yù)編碼策略可以顯著降低GFDM系統(tǒng)中的PAPR。實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果的魯棒性為GFDM系統(tǒng)中的PAPR約簡技術(shù)提供了可信度。

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