РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ МЕТОДОВ ЦИФРОВОЙ МОДУЛЯЦИИ В СИСТЕМАХ СВЯЗИ 5G NR

ОГЛАВЛЕНИЕ 2
АННОТАЦИЯ 3
ВВЕДЕНИЕ 4
Цель 7
Задачи 7
1 OFDM-модуляция в 5G New Radio 8
1.1 Теоретическая часть 8
1.2 Формирование сигнала в 5G NR 12
1.3 Особенности практической реализации OFDM в 5G NR 14
1.4 Описание работы программы 15
2 Численный эксперимент 20
3 Реальный эксперимент 24
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 35
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 36
ПРИЛОЖЕНИЕ А 37
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 46
ПРИЛОЖЕНИЕ В 59
ПРИЛОЖЕНИЕ Г 61
Купить

На протяжении XX-го столетия весь мир испытывал настоящий бум в области научно-технического прогресса. Об этом красноречиво свидетельствуют исследования в области ядерной физики, изобретение самолета, полет человека в космос и многое другое. Примерно это же время зародилась идея создания системы сотовой связи - сферы исследования настоящей работы.
Начало эры мобильной связи было ознаменовано появлением сетей первого поколения 1G (от англ. G - generation - «поколение») в 1980-х годах. Этот телекоммуникационный стандарт базировался на аналоговой передаче сигнала. Такая особенность накладывала серьезные ограничения как на скорость передачи данных, так и на функционал системы связи в целом. Поэтому в 2G, появившемся в начале 1990-х годов, применялась технология, совмещающая аналоговую и цифровую передачу информации, что позволило существенно увеличить скорость. Третье поколение связи, ставшее актуальным в начале XXI века, использовало уже пакетную передачу данных, сделавшую возможным выход в Интернет. Вошедшее в нашу жизнь с 2010 года 4 поколение мобильной связи характеризовалось еще большей скоростью передачи данных, открывшей перед пользователем такие опции, как, например, видеосвязь. Однако и технологии, применяемые в 4G, имеют свой потолок, который с годами прорисовывается все более явственно, поскольку мир не стоит на месте. Всем известная технология Wi-Fi-сетей (от англ. Wireless Fidelity - «беспроводная точность») тоже имеет свои ограничения. В связи с этим в последние годы все чаще обсуждается тема создания следующего поколения мобильной связи. 5G - это новейший телекоммуникационный стандарт связи, предполагающий принципиально новый уровень сервиса и опций клиентов. Высокие скорости (до 20 Гбит/c), возможность огромного количества подключений на единицу площади, быстрый отклик и низкая задержка, а также хорошее покрытие внутри зданий - вот лишь немногие преимущества 5G. Все это сделает возможным функционирование как человеко-ориентированных, так и машинно-ориентированных приложений. К примеру, с появлением пятого поколения мобильной связи станет возможным бурное развитие интернета вещей IoT (от англ. Internet of Things - интернет вещей) и такого перспективного направления, как телемедицина, находящихся сейчас в лишь зародыше; на новый уровень смогут выйти технологии виртуальной и дополненной реальности. 5 поколение мобильной связи уже тестировалось в ряде таких высокоразвитых стран, как Япония, Китай и Южная Корея.
Разработкой стандартов системы связи 5G New Radio занимается консорциум 3GPP (от англ. 3rd Generation Partnership Project), в который входят крупнейшие зарубежные компании, такие как Huawei и Nokia [1]. Базируясь на этих стандартах, они создают программное обеспечение системы связи пятого поколения. В России на данный момент программного обеспечения такой системы мобильной связи нет, поэтому его разработка является крайне важной задачей. В подтверждение этого следует упомянуть, что в ноябре 2019 года кафедра радиофизики радиофизического факультета выиграла грант Правительства РФ «Разработка программно-аппаратного комплекса для формирования тестовых сигналов стандарта 5G NR», соисполнителем которого я являюсь. Моей задачей является разработка OFDM-модулятора, являющегося одной из важнейших составляющих всей системы связи. А это значит, что актуальность данной работы обеспечивается в том числе и заинтересованностью в ней Правительства Российской Федерации.
Концептуальным отличием 5G от предыдущего поколения связи является использование волн миллиметрового диапазона, что соответствует частотному ресурсу до 100 ГГц. Однако такое новшество накладывает и более высокие требования к системе связи. Для того, чтобы им удовлетворять, система связи должна быть очень гибкой. Поэтому стандарт 5G New Radio предусматривает применение всевозможной оптимизации энергозатрат (например, в 5G расстояние между поднесущими частотами не является постоянным). К числу отличительных черт 5G также можно отнести и использование больших массивов антенн. Также не обошлось и без внедрения иных ранее не задействованных технологий.
В данной работе функционирование системы связи рассматривается в рамках физического уровня, включающего в себя главным образом процедуры кодирования-декодирования и модуляции-демодуляции.
Настоящая работа посвящена OFDM-модуляции сигналов.
Для того, чтобы наглядно продемонстрировать рассматриваемый в данной работе участок из всего многообразия процедур 5G New Radio, обратимся к структуре передатчика, приведенной на рисунке 1:
На данном рисунке можно наблюдать весь путь, проходимый информацией от битового потока до излучения с антенны. Он заключается в следующих преобразованиях: на начальном этапе информация в виде битового потока подвергается кодированию. Затем она все еще в битовом виде поступает на вход блока, отвечающего за цифровую модуляцию сигнала. Результатом правильной работы этого сегмента является уже 2- мерный массив данных, который далее подается на ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь). На заключительном этапе сигнал излучается антенной. Проведенный анализ позволяет сформулировать цель и задачи данной работы.
Цель
Разработка комплекса алгоритмов и программ, реализующих методы формирования OFDM-сигналов в системах мобильной связи пятого поколения.
Задачи
1. Программная реализация OFDM-модулятора системы мобильной связи пятого поколения.
2. Апробация разработанного комплекса программ в численном эксперименте.
3. Экспериментальное подтверждение работоспособности разработанного модулятора с использованием программно-определяемого радио (SDR).
Основная часть данной работы состоит из трех глав. В первой части первой главы рассматривается теория метода, во второй и третьей частях приводятся специфика формирования сигнала в 5G NR и вытекающие особенности реализации соответственно, в четвертой описывается принцип работы программы. Вторая глава работы посвящена описанию численного эксперимента по передаче и приему сигнала, сформированного с применением разработанного OFDM-модулятора. В третьей главе описывается практический эксперимент с использованием программно¬определяемого радио (SDR).

Купить