Изучение сценариев совместимости 5G-технологии с помощью универсального испытательного стенда

Введение

В статье представлены три тематических исследования и описывается универсальный измерительно-испытательный стенд для научных исследований и опытно-конструкторских работ (НИОКР). С этой целью на серии примеров, в которых основное внимание уделяется сосуществованию оборудования 5G с устаревшими беспроводными системами, 5G со спутниковыми сигналами и LTE с сигналами радаров, демонстрируется несколько способов оптимальной организации испытательного стенда.

По мере того как спектр сигналов беспроводной связи становится все более насыщенным (даже перегруженным), растет вероятность непреднамеренных и неожиданных помех. Соответственно, обеспечение заданной производительности и удовлетворение спроса пользователей относительно качества обслуживания зависит от обеспечения сосуществования систем передачи 5G с устаревшими сетями 4- и 3-го поколений (4G/3G), персональными сетями (Personal Area Network, PAN), системами спутниковой связи и передачи информации, радиолокационными системами и т. д.

Необходимость сосуществования

Под термином coexistence в рамках этой статьи мы подразумеваем сосуществование и возможность совместной работы оборудования 5G с техническими средствами, основанными на других технологиях.

Как уже упоминалось, одним из примеров поиска новых способов более эффективного использования доступного спектра является возможность эффективного совместного применения спектра коммерческими сетями LTE и военными радиолокационными системами. Другой пример — использование LTE в 5-ГГц диапазоне ISM, не требующем лицензирования аппаратуры, в частности применение этого диапазона в качестве вторичного канала.

Система когнитивного радио (Cognitive Radio System, CRS) — еще одна возможность увеличить эффективность эксплуатации частотного спектра за счет его совместного динамического использования. С помощью децентрализованного управления спектром система когнитивного радио может применять технологии динамического доступа, которые находят и занимают на вторичной основе недостаточно занятые или «пустые» участки спектра, не создавая помехи для основных пользователей.

Модель спектра, показанного на рис. 1, позволяет понять ценность таких подходов. В примере использования поддиапазона 6 ГГц задействовано несколько сигналов 5G, смешанных с сигналами 3G и 4G. Смоделированные сигналы 5G являются идеальным представлением и имеют значительно меньшее внеполосное излучение спектра, чем их аналоги 3G и 4G. Конечно, такое поведение может существенно отличаться после обработки сигналов оборудованием на практике.

Рис. 1. Для поддиапазона 6 ГГц решение проблемы совместимости устройств сетей 5G является обязательным

Соответственно, в любом заданном сценарии требуется выяснить, как будут взаимодействовать сигналы, насколько эффективным должно быть подавление внеполосного излучения и какой понадобится защитный интервал частот, исключающий взаимные помехи. Эту информацию можно получить с помощью программного обеспечения для моделирования и универсального измерительного оборудования.

Выбор источников взаимных помех для оценки сосуществования с 5G-устройствами

При разработке устройств связи 5-го поколения оцениваются преимущества и недостатки использования сигналов разных типов (речь идет не столько о самой передаче как таковой, сколько о типе модуляции), включая методы:

• OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) — мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов;
• FBMC (Filter-Bank Multi-Carrier Modulation) — частотное мультиплексирование с множеством несущих и банком частотных фильтров;
• UFMC (Universal Filtered Multi-Carrier) — универсальный фильтруемый многочастотный сигнал на нескольких несущих.

Сравнительный анализ использования технологий UFMC и OFDM в сетях 5G выходит за рамки статьи и представлен в [4], однако мы все же рассмотрим ряд моментов, представляющих для нас интерес.

В настоящее время метод OFDM применяется в системах 4G. По этой и многим другим причинам он привлекателен для 5G за счет использования так называемого фильтрованного OFDM (Filtered-OFDM, F-OFDM: не путать с Fast-OFDM, который иногда также представляют как F-OFDM). В методе Filtered-OFDM используется сигнал OFDM с фильтрацией внеполосных излучений. Родственным OFDM-вариантом является GFDM (Generalised Frequency-Division Multiplexing) — технология на основе передачи данных с помощью частотного разделения на несколько несущих, которая имеет много общего с OFDM. Основное различие в том, что поднесущие не ортогональны друг другу. GFDM — система с несколькими несущими, основанная на классической фильтрации сигналов, но несущие не ортогональны [5].

В свою очередь, метод FBMC вместо фильтрации всей полосы, как в случае OFDM, осуществляет фильтрацию каждой поднесущей отдельно специальным узкополосным фильтром с продолжительной по времени импульсной характеристикой. Это позволяет регулировать внеполосное излучение каждой поднесущей, что увеличивает общую спектральную эффективность при сохранении высокой скорости передачи данных. Способ фильтрации основной полосы частот в этом случае базируется либо на многофазной структуре, либо на расширенном фильтре с обратным быстрым преобразованием Фурье (Inverse Fast Fourier Transform, IFFT).

Известна еще одна технология передачи — универсальный фильтруемый многочастотный сигнал (Universal Filtered Multicarrier, UFMC), или OFDM с универсальной фильтрацией (UF-OFDM). В технологии UFMC, в отличие от FBMC, фильтруется не каждая поднесущая по отдельности, а группы поднесущих частот (поддиапазонные блоки), состоящие из определенного количества соседних поднесущих частот. Такой подход позволяет уменьшить внеполосные излучения по сравнению с технологией OFDM. Потенциальное преимущество этого подхода — снижение сложности алгоритмов основной полосы частот [4].

На рис. 2 для сравнения показаны сигналы OFDM, FBMC, UFMC (UF-OFDM) и GFDM, полученные путем моделирования.

Рис. 2. Сигналы, претендующие на использование в технологии 5G, в меньшей мере мешают соседним каналам в сравнении с OFDM-сигналом

В качестве пояснения к рис. 2 используются данные из технического документа компании Keysight Technologies [2]:

• левый график показывает два примера с использованием метода FBMC (зеленый и красный) с коэффициентом перекрытия фильтров равным 3 и 4 соответственно;
• на центральном графике демонстрируется использование метода UFMC с фильтрами Дольфа — Чебышева на уровнях боковых лепестков –40 дБ (зеленый) и –120 дБ (красный);
• правый график в обоих примерах с GFDM-сигналами соответствует случаю использования фильтра «корень из приподнятого косинуса» (RRC): зеленый — с циклическим префиксом, применяемым в OFDM; красный — без префикса.

Как видно из всех трех графиков, у OFDM-сигнала — высокие боковые лепестки (например, внеполосные излучения), которые могут оказать неблагоприятное воздействие на соседних пользователей. Эти три варианта обеспечивают лучшие внеполосные характеристики и, таким образом, позволяют использовать гораздо меньшие защитные полосы частот и добиться большей эффективности при эксплуатации спектра. Потенциальные преимущества предусматривают повышение производительности системы для соседних каналов и увеличение числа пользователей, которые могут работать в этом спектре [6].

Примеры совместного использования 5G с 4G, 3G, PAN и с каналами спутниковой связи

Первым мы рассмотрим практический пример, который иллюстрирует наиболее вероятный сценарий уже в самом ближайшем будущем, когда оборудование 5G станет работать вместе с сигналами от оборудования 4G, 3G и PAN. Сигнал 5G представлен в форме FBMC, а сигнал 4G соответствует LTE — стандарту беспроводной высокоскоростной передачи данных для мобильных телефонов и других терминалов, работающих с данными.

Второй эксперимент в рамках тематических исследований мы проведем в сантиметровом диапазоне волн около 28 ГГц. В первую очередь этот участок спектра представляет интерес для приложений с высокой скоростью передачи данных при его совместном использовании с сигналами спутниковой связи. Мы также дадим оценку совместимости с радиолокационными сигналами.

Примеры сосуществования 5G с 4G LTE

На рис. 3 показана фотография универсального испытательного стенда от компании Keysight Technologies, используемого для анализа сценариев сосуществования. На большом экране в левом верхнем углу видно окно векторного анализа сигналов PathWave 89600 VSA с программным обеспечением, установленным на анализатор сигналов PXA N9030B серии X, который находится под дисплеем. На экране в правом верхнем углу видно окно ПО PathWave System Design (SystemVue) — среды автоматизации электронного проектирования (САПР), которая содержит библиотеки стандартных сигналов и позволяет подключать дополнительные библиотечные модули. Эта среда помогает системным архитекторам и разработчикам алгоритмов воплощать инновационные идеи на физическом (PHY) уровне. ПО SystemVue с библиотекой проверки (W1906EP) в основной полосе частот 5G работает на высокопроизводительном встроенном AXIe-контроллере M9537A (четырехъядерный процессор 2,8 ГГц, 8-Гбайт ОЗУ), установленном в шасси AXIe M9505A с пятью слотами, которое находится под дисплеем. В шасси также установлен двухканальный генератор сигналов произвольной формы (AWG) M8190A 12 Гвыб/с, представляющий собой модуль с форм-фактором 2U и занимающий два средних слота шасси M9505A.

Рис. 3. Эта конфигурация, обеспечивающая универсальную испытательную площадку для исследования сосуществования оборудования с технологией 5G, объединяет готовые аппаратно-программные элементы от компании Keysight Technologies

Поскольку частота всех симулируемых сигналов меньше 5 ГГц, в этой конфигурации можно использовать оба выходных канала M8190A для генерации множества сигналов: канал 1 генерирует сигналы-кандидаты 5G, а канал 2 — одиночный сигнал, соответствующий унаследованным технологиям 3G, 4G и PAN. Два канала объединяются с помощью внешнего разветвителя, подключенного к входу анализатора сигналов PXA. Программное обеспечение PXA и 89600 VSA позволяет осуществлять анализ композитного сигнала [2].

Сигналы LTE и FBMC были сгенерированы с помощью интерфейса SystemVue. Отдельные источники сигналов LTE и FBMC генерируют комплексные сигналы, которые затем накладываются на сигналы несущей с помощью IQ-модуляторов. Их ввели в сумматор сигналов, сформировавший единый составной сигнал в программном обеспечении, который был загружен в M8190A AWG.

Оценка сосуществования FBMC с LTE без искажений

Сначала прибор PXA применялся для измерения спектра FBMC и LTE, полученного путем моделирования в SystemVue и сгенерированного генератором сигналов M8190A. Внеполосное затухание сигнала FBMC было намного более резким, чем сигнала LTE (OFDM), что связано с фильтрацией каждой поднесущей, используемой в технологии FBMC.

Для того чтобы оценить сосуществование 5G с LTE-сигналом в центральной области частично свободного сигнала FBMC, мы вырезали в SystemVue 90 активных поднесущих в сигнале FBMC и разместили спектр сигнала на центральной частоте LTE посередине выемки (левая часть рис. 4а). На правой стороне рис. 4б на экране показан результат измерения, выполненного с помощью ПО 89600, работающего на PXA. В этой конфигурации амплитуда вектора ошибок (EVM) LTE составила около 0,6%, что указывает на минимальное влияние внеполосных компонентов FBMC на сигнал LTE.

Рис. 4. Анализ спектра с помощью ПО 89600 VSA позволяет получить:
а) множество информативных кривых;
б) сводку ошибок (верхний правый график). Амплитуда вектора ошибок в этой конфигурации сигнала LTE составляет 0,6%

С помощью SystemVue мы оценили величину вектора ошибок LTE как функцию уменьшения ширины окна в спектре сигнала FBMC. На рис. 5 показаны графики LTE EVM (вертикальная ось) в зависимости от ширины окна FBMC, исчисляемой количеством деактивированных поднесущих (горизонтальная ось). В направлении слева направо эффекты становятся более значительными, если ширина пропуска поднесущих составляет менее 70.

Рис. 5. Слева направо: по мере уменьшения ширины окна в спектре FBMC интерференция увеличивается, а значение EVM ухудшается

Если бы мы пропустили сигнал FBMC через усилитель мощности (УМ) передатчика в режиме компрессии (мягкого ограничения амплитуды), то восстановление спектра сигнала FBMC также могло бы оказать негативное влияние на сигнал LTE.

Оценка сосуществования этого типа 5G в среде LTE может оказаться полезной при определении защитной полосы частотного спектра между двумя сигналами для максимального увеличения спектральной эффективности. В этом случае амплитуда EVM была показателем качества передатчика и мерой влияния помех, а коэффициент битовых ошибок (BER) и пропускную способность можно использовать для определения эффективности функционирования приемника.

Оценка сосуществования FBMC с LTE при искажениях

Для того чтобы смоделировать искажения сигнала, мы добавили в схему SystemVue передатчик с усилителем мощности. Источник FBMC генерировал промежуточную частоту (ПЧ), которая подвергалась полосовой фильтрации и преобразовывалась с повышением частоты до 2 ГГц с помощью смесителя и гетеродина. Этот сигнал снова подвергался полосовой фильтрации перед поступлением в УМ с точкой сжатия 1 дБ для моделирования нелинейных характеристик усилителя.

Как и прежде, этот сигнал и сигнал LTE были отправлены в сумматор для повторной выборки и смешивания как единый композитный сигнал. Данный процесс полностью симулировался, не подвергаясь генерации и анализу с помощью оборудования.

Моделирование было проведено с двумя значениями для точки сжатия 1 дБ — 30 и 27 дБм (например, в случае РЧ-искажений). На рис. 6 показан случай для значения 30 дБм. Полученный спектр представлен на рис. 6а (FBMC выделен синим, LTE — красным), а анализ с использованием ПО 89600 — на рис 6б. Возобновившийся спектральный рост смоделированного УМ заполняет пробел в спектре сигнала FBMC. Видно, что пробел оказался менее глубоким, чем в предыдущем примере. На рис. 6б видно (нижнее правое окно), что величина EVM равна 2,068%, что обусловлено расширением спектра из-за искажений сигнала.

Рис. 6. Характеристики моделирования с точкой сжатия 1 дБ при мощности 30 дБм

На рис. 7 показаны результаты, когда точка сжатия 1 дБ опускается до 27 дБм. Спектр FBMC расширяется в еще большей мере, а значение EVM выросло до 3,63% из-за увеличения интерференции.

Рис. 7. Сдвиг точки сжатия 1 дБ до уровня мощности 27 дБм влияет на сосуществование сигналов и вызывает видимое снижение производительности

Из этого случая следует важный вывод: при оценке компромиссов между требованиями к сигналу основной полосы частот и требованиями к схемотехническому решению ограничение сигнала УМ может оказаться критически важным фактором. Фактически, если радиочастотные характеристики усилителя не могут сохранить характеристики сигнала в основной полосе, это может сказаться на внеполосных характеристиках сигнала 5G и привести к сложностям сосуществования между 5G и 4G LTE.

Завершая обсуждение, вернемся к процессу, описанному в начале этого примера. Используя M8190A AWG, канал 1 генерировал сигналы 5G (центральная частота: 2 ГГц, частота дискретизации: 1,2 ГГц), а канал 2 — традиционные сигналы 3G, 4G и PAN (центральная частота: 2,2 ГГц, частота дискретизации: 1,2 ГГц). Объединение двух каналов с помощью внешнего разветвителя и измерение с использованием PXA дает перегруженный спектр. Данная ситуация подробнее описана и проиллюстрирована в [2].

Примеры сосуществования 5G на частотах спутниковой связи и радаров

Второй эксперимент в рамках тематических исследований для оценки совместимости 5G мы выполним в сантиметровом диапазоне волн около 28 ГГц. Эта полоса представляет интерес для приложений с высокой скоростью передачи данных и совместным использованием спектра со спутниковыми сигналами. Поскольку мы переходим в иной, намного более высокочастотный диапазон, была изменена конфигурация испытательного стенда, который применялся в поддиапазоне 6 ГГц. В качестве анализатора сигналов использовался анализатор сигналов N9040B UXA (2 Гц — 50 ГГц, полоса анализа: 1 ГГц). Другим прибором для анализа был 4-канальный аналоговый осциллограф DSOV334A Infiniium серии V с полосой частот до 33 ГГц (рис. 8).

Рис. 8. Добавление 33-ГГц осциллографа (внизу слева) и 44-ГГц векторного генератора сигналов (внизу в центре) позволяет оценить сосуществование в некоторых ВЧ-полосах, выделенных для 5G

Сосуществование 5G в полосе частот 28 ГГц

При создании тестовых сценариев мы воспользовались ПО SystemVue для формирования широкополосного спутникового сигнала в виде APSK (amplitude phase shift keying — амплитудно-фазовая манипуляция) и широкополосного сигнала-кандидата 5G, например заказного OFDM. Как и в предыдущем анализе, эти сигналы были повторно дискретизованы, объединены в композитный сигнал и загружены в генератор сигналов произвольной формы M8190A. Результирующие сигналы I и Q, генерируемые M8190A, подавались на входы широкополосной I/Q-модуляции PSG и накладывались на сигнал несущей. На рис. 9 показан результирующий спектр с заказным OFDM-сигналом (слева) и широкополосным спутниковым сигналом APSK (справа). Анализ с помощью ПО VSA (не показано) демонстрирует гармоничное сосуществование обоих сигналов, о чем свидетельствует относительно чистая диаграмма созвездий.

Рис. 9. Более глубокий анализ подтверждает эвристическую оценку этого спектра — разрыв между сигналами достаточно велик, чтобы обеспечить сосуществование без взаимных помех

Перемещение спутникового сигнала примерно на 100 МГц ближе к сигналу-кандидату 5G положит конец этой гармонии. Просмотр результатов демодуляции для заказного OFDM-сигнала в ПО VSA показал заметную дисперсию в диаграмме созвездия, указывающую на значительные помехи от спутникового сигнала [2].

Использование ПО VSA для более детального анализа выявило влияние этих помех на заказные OFDM-поднесущие. На рис. 10 белая линия представляет собой среднее значение вектора ошибок EVM в зависимости от поднесущей, и она четко показывает тенденцию к росту на краю полосы (крайний правый угол), где спутниковый сигнал мешает форме волны 5G. При увеличении масштаба синие и зеленые вертикальные линии представляют распределение величины EVM на каждой поднесущей в зависимости от символа, а более высокие линии указывают на более сильные помехи.

Рис. 10. С увеличением масштаба изображения EVM в зависимости от поднесущей обнаруживается возрастание влияния помех вблизи края полосы

Сосуществование 5G в полосе частот диапазона 39 ГГц

Общий спектр также может представлять интерес и в полосе частот 39 ГГц. Поскольку максимальная частота генератора M8190A составляет 44 ГГц, тот же стенд можно использовать для исследования
и в этой области. В данном случае для создания спутникового сигнала с несколькими несущими применялось ПО SystemVue. Поскольку оно позволяет моделировать очень сложные сигналы при оценке сценариев потенциальных помех, каждая несущая была сконфигурирована как сигнал QPSK, 8 PSK или 16QAM. Сигнал-кандидат 5G не менялся. Итог моделирования, представленный на рис. 11, указывает на потенциальную возможность сосуществования 5G с другими сигналами в этом диапазоне частот.

Рис. 11. Результат моделирования в полосе частот 39 ГГц

Примеры сосуществования сигналов от радаров в присутствии сигналов LTE

В США операторы беспроводных сетей потребовали обеспечить совместное применение спектра в тех случаях, когда полоса LTE перекрывается с радарной полосой Министерства обороны США. Такая эксплуатация полосы допускается, если, например, военно-морские суда не используют радарную связь в прибрежных районах.

Этот сценарий представляет собой еще один интересный пример сосуществования, и его относительно легко проанализировать с помощью третьего варианта предлагаемого тестового стенда. Его основными элементами являются анализатор сигналов PXA, M8190A AWG и SystemVue с библиотекой основной полосы частот радара (W1905EP), работающей на встроенном контроллере в шасси AXIe (рис. 12). На этом стенде была изучена возможность сосуществования радарной системы S-диапазона с передатчиком LTE в среде с несколькими излучателями. Полный набор сигналов, созданный в ПО SystemVue, включает восемь излучателей: два S-диапазона, один LTE, один EDGE, один GSM, два W-CDMA и один WLAN.

Рис. 12. Этот упрощенный вариант испытательного стенда позволяет осуществить подробный анализ взаимодействия между радиолокационными сигналами и коммерческими сигналами беспроводной и сотовой связи

Незначительные помехи — умеренная деградация

В этом исследовании на сосуществование для измерения спектра использовался анализатор сигналов PXA, а для оценки характеристик сигнала LTE — величина вектора ошибок EVM. Анализ с помощью ПО 89600 VSA показал, что EVM составляет 1,3%, а зависимость этого показателя от числа поднесущих указывает на снижение производительности из-за помех от радиолокационного сигнала.

Больше помехи — больше деградация

Мы немного изменили условия эксперимента, переместив частоту излучателя радара на 50 МГц ближе к LTE-сигналу (левая часть рис. 13). В этом случае излучатель радара оказал гораздо более сильное влияние на характеристики сигнала LTE: величина EVM выросла на 14,1%, и стала очень заметной дисперсия на диаграмме созвездия (слева увеличенное изображение на рис. 13).

Рис. 13. На дисплее 89600 VSA (справа) сигнальное созвездие (вверху слева) и график зависимости EVM от поднесущей (вверху справа) четко указывают на проблемы сосуществования, поскольку сигнал радара вторгается в сигнал LTE

До сих пор мы уделяли особое внимание EVM как показателю качества передатчика и индикатору хорошего или плохого сосуществования. С другой стороны, BER и пропускная способность служат ключевыми показателями чувствительности приемника с источниками помех и без них. В качестве варианта предыдущего эксперимента можно оценить влияние радиолокационного источника помех S-диапазона на кодированный BER моделируемого нисходящего канала LTE. В этом случае в РЛС (радаре) использовалась линейная частотная модуляция (Linear Frequency Modulation, LFM), в которой центральная частота сигнала перескакивает через заданный диапазон значений.

На рис. 14 показаны результаты моделирования кодированного BER (ось Y) в зависимости от центральной частоты радиолокационного излучателя (ось X). Увеличение BER в диапазоне 0–24% является показателем серьезного ухудшения, поскольку сигнал РЛС накладывается на частоту нисходящего канала LTE.

Рис. 14. Зависимость измеренных значений BER от центральной частоты источника помех (РЛС) позволяет выявить участки спектра с потенциальной проблемой сосуществования

Выводы

По мере развития исследований и разработки в области 5G сосуществование соответствующих технологий с 5G станет важной областью изучения независимо от того, уделяется ли внимание взаимодействию между новыми и унаследованными формами сигналов или между коммерческими и военными системами. Описанные стенды представляют собой универсальную масштабируемую платформу для оценки самых разных сценариев. Хотя подход с использованием испытательного стенда жизнеспособен в научно-исследовательских лабораториях, он не заменяет полевые испытания с реально работающими системами.

Все аналитические инструменты — приборы, программное обеспечение и библиотеки — можно приобрести в компании Keysight Technologies. Описания и руководства по применению можно загрузить по соответствующим ссылкам с сайта компании [7]. Дополнительная информация по вопросам сосуществования представлена в [2], также подготовленном компанией Keysight Technologies.