Экспериментальная апробация методов повышения помехоустойчивости систем связи 5G NR
|
Аннотация 2
ВВЕДЕНИЕ 6
1 Обзор общей концепции и основных положений стандарта 5G NR 10
1.1 Эволюция систем связи 10
1.2 Поддерживаемые системами связи 5G NR сценарии 12
1.3 Ключевые нововведения радиостандарта 5G NR 14
1.4 Стек протоколов 5G NR 16
1.5 Обзор ключевых компонентов физического уровня 5G NR [9-15] 18
1.6 Каналы и сигналы физического уровня 5G NR 22
1.7 Начальный доступ абонента к сети 28
1.8 Комплекс алгоритмов и программ, реализующих генерацию и
формирование сигналов физического уровня стандарта 5G NR 30
1.9 Выводы по главе 1 32
2 Исследование помехоустойчивости 5G NR при одновременной работе с
системой связи с шумоподобными сигналами 33
2.1 Система связи с псевдослучайной цифровой модуляцией 33
2.2 Формирование канала PDSCH 40
2.3 Процедура приема PDSCH 44
2.4 Эксперименты по приемопередаче сигнала 5G NR PDSCH 52
2.5 Выводы по главе 2 60
3 Модификация детектора сигналов PUCCH нулевого формата 61
3.1 Сигналы PUCCH нулевого формата 61
3.2 Процедура генерации PUCCH нулевого формата 62
3.3 Процедура декодирования PUCCH нулевого формата 64
3.4 Численные эксперименты по апробации предлагаемой методики
детектирования 67
3.5 Практические эксперименты по апробации предлагаемой методики
детектирования 71
3.6 Выводы по главе 3 76
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 78
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 79
ПРИЛОЖЕНИЕ A 83
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 93
ВВЕДЕНИЕ 6
1 Обзор общей концепции и основных положений стандарта 5G NR 10
1.1 Эволюция систем связи 10
1.2 Поддерживаемые системами связи 5G NR сценарии 12
1.3 Ключевые нововведения радиостандарта 5G NR 14
1.4 Стек протоколов 5G NR 16
1.5 Обзор ключевых компонентов физического уровня 5G NR [9-15] 18
1.6 Каналы и сигналы физического уровня 5G NR 22
1.7 Начальный доступ абонента к сети 28
1.8 Комплекс алгоритмов и программ, реализующих генерацию и
формирование сигналов физического уровня стандарта 5G NR 30
1.9 Выводы по главе 1 32
2 Исследование помехоустойчивости 5G NR при одновременной работе с
системой связи с шумоподобными сигналами 33
2.1 Система связи с псевдослучайной цифровой модуляцией 33
2.2 Формирование канала PDSCH 40
2.3 Процедура приема PDSCH 44
2.4 Эксперименты по приемопередаче сигнала 5G NR PDSCH 52
2.5 Выводы по главе 2 60
3 Модификация детектора сигналов PUCCH нулевого формата 61
3.1 Сигналы PUCCH нулевого формата 61
3.2 Процедура генерации PUCCH нулевого формата 62
3.3 Процедура декодирования PUCCH нулевого формата 64
3.4 Численные эксперименты по апробации предлагаемой методики
детектирования 67
3.5 Практические эксперименты по апробации предлагаемой методики
детектирования 71
3.6 Выводы по главе 3 76
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 78
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 79
ПРИЛОЖЕНИЕ A 83
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 93
5G - это новейший телекоммуникационный стандарт связи, который должен вывести функциональные возможности систем мобильной связи на принципиально иной уровень. Характеристики систем связи 5G, намеченные разработчиками радиостандарта 5G New Radio, должны включать высочайшие скорости передачи данных (значительно больше 1 Гбит/с), огромную плотность подключений (вплоть до 1 млн на км2), высокую мобильность и сверхмалые задержки (менее 1 миллисекунды). Эти преимущества позволят решать множество новых задач, предъявляющих высокие требования к скорости передачи и надежности соединения в режиме реального времени.
Системы связи пятого поколения ориентированы не только на обеспечение постоянно растущих нужд человека, но и на поддержку машинно¬ориентированных приложений. В исследованиях шведского производителя телекоммуникационного оборудования Ericsson выделяется как минимум 200 вариантов использования систем связи 5G в производстве, здравоохранении, энергетике, коммунальной сфере, сервисах медиа и развлечениях, транспорте, сельском хозяйстве, торговле, общественной безопасности, финансовых услугах [1]. С другой стороны, широкие функциональные возможности и специфический набор предъявляемых требований делают внутреннюю организацию радиостандарта нового поколения чрезвычайно сложной, и потому требуют огромного объема научных исследований.
Научные положения, выносимые на защиту
1. Применение при приеме PUCCH нулевого формата модификации алгоритма детектирования, основанной на использовании относительного уровня сигнала на выходе согласованного приемника при пороговом значении L = 4, позволяет достичь требуемых стандартами 5G NR значений вероятностей «ложной тревоги» и «пропуска цели».
2. При совместной работе в одной полосе частот системы связи 5G NR и источника внешнего шумового сигнала возможность правильного декодирования сигнала, означающая, согласно стандартам 5G NR,
безошибочный прием 70% передаваемых блоков данных, достигается при уровне отношения сигнал/шум равном 5 дБ, что делает возможным использование сигналов с псевдослучайной модуляцией для передачи дополнительной информации в системе связи 5G NR.
Новизна научных положений, выносимых на защиту
1. Предложено при приеме PUCCH нулевого формата использовать относительный уровень сигнала на выходе согласованного приемника. Проведена экспериментальная апробация, полностью подтвердившая высокую эффективность предложенного метода приема.
2. Экспериментально получены зависимости вероятности безошибочной передачи данных в нисходящем канале системы связи 5G NR от уровня помех, создаваемых внешним источником шума.
Достоверность научных положений, выносимых на защиту, и других результатов
1. Достоверность первого защищаемого положения подтверждается совпадением результатов численных экспериментов, согласующихся с требованиями стандартов 5G NR, и реальных экспериментов со средней погрешностью, равной 5%.
2. Достоверность второго защищаемого положения подтверждается совпадением результатов численных экспериментов для сценария прямой видимости (LOS) и реальных экспериментов с максимальной погрешностью в 4%.
3. При проведении экспериментов использовалось тестовое программное обеспечение, разработанное на кафедре радиофизики НИ ТГУ [2-6]. При разработке данного комплекса программ и алгоритмов, реализующих физический уровень систем связи 5G NR, проводилась проверка правильности работы (верификация), для которой использовалось референсное программное обеспечение, предоставляемое расширением среды для научных расчетов MatLab 5G NR Toolbox.
4. Созданная программная реализация методов и алгоритмов формирования и демодуляции сигналов 5G NR полностью соответствует стандартам 5G NR.
Научная ценность положений 1 и 2
1. Определяется достижением требуемых стандартами 5G NR вероятностей «ложной тревоги» и «пропуска цели».
2. Предложен вариант расширения систем связи 5G NR для передачи дополнительной информации за счет включения в число физических каналов шумоподобных сигналов.
Практическая значимость 2 положения, выносимого на защиту
Численно и экспериментально показано, что вероятность безошибочного декодирования, заданная в стандартах величиной в 70% от числа всех передаваемых блоков данных, достигается по уровню 5 дБ.
Внедрение результатов работы
Созданный комплекс алгоритмов и программ является программной частью программно-аппаратного комплекса для формирования тестовых сигналов стандарта 5G NR, разработанного совместно сотрудниками кафедры радиофизики НИ ТГУ и сотрудниками «АО «НПФ Микран».
Проекты и гранты
Соглашение с Минобрнауки России от «26» ноября 2019 г. № 075-11¬2019-031 (проект «Разработка программно-аппаратного комплекса для формирования тестовых сигналов стандарта 5G NR»). Рук. Пономарев О.Г.
Диссертация состоит из трех глав. В первой главе приводится краткая история развития в области систем связи, предопределившая появление систем пятого поколения. Описываются основные варианты применения систем связи 5G NR, подтверждающие их актуальность и востребованность, приводятся отличия от систем предыдущего поколения. Рассматриваются все этапы преобразования информации в стеке протоколов 5G NR, особо выделяется физический уровень как основной во всей системе связи. Приводится описание всех физических каналов и сигналов, в соответствии с которым разработан комплекс алгоритмов и программ, реализующих генерацию и демодуляцию сигналов стандарта 5G NR.
Вторая глава посвящена исследованию работы 5G NR совместно с источником внешнего шумоподобного сигнала. В рамках этой работы рассматриваются передающая и приемная части системы связи с псевдослучайной цифровой модуляцией. Описываются механизмы и методы формирования и приема физического канала PDSCH. Излагается ход проведения численных и практических экспериментов, результаты которых отражены во втором защищаемом положении.
В третьей главе рассматриваются сигналы PUCCH нулевого формата; описывается определенная стандартами 3GPP процедура их детектирования, для исследования которой проводится ряд численных экспериментов. Предлагается модификация этого алгоритма, для проверки эффективности которой проводится ряд численных и реальных экспериментов, на чем базируется первое защищаемое положение.
Системы связи пятого поколения ориентированы не только на обеспечение постоянно растущих нужд человека, но и на поддержку машинно¬ориентированных приложений. В исследованиях шведского производителя телекоммуникационного оборудования Ericsson выделяется как минимум 200 вариантов использования систем связи 5G в производстве, здравоохранении, энергетике, коммунальной сфере, сервисах медиа и развлечениях, транспорте, сельском хозяйстве, торговле, общественной безопасности, финансовых услугах [1]. С другой стороны, широкие функциональные возможности и специфический набор предъявляемых требований делают внутреннюю организацию радиостандарта нового поколения чрезвычайно сложной, и потому требуют огромного объема научных исследований.
Научные положения, выносимые на защиту
1. Применение при приеме PUCCH нулевого формата модификации алгоритма детектирования, основанной на использовании относительного уровня сигнала на выходе согласованного приемника при пороговом значении L = 4, позволяет достичь требуемых стандартами 5G NR значений вероятностей «ложной тревоги» и «пропуска цели».
2. При совместной работе в одной полосе частот системы связи 5G NR и источника внешнего шумового сигнала возможность правильного декодирования сигнала, означающая, согласно стандартам 5G NR,
безошибочный прием 70% передаваемых блоков данных, достигается при уровне отношения сигнал/шум равном 5 дБ, что делает возможным использование сигналов с псевдослучайной модуляцией для передачи дополнительной информации в системе связи 5G NR.
Новизна научных положений, выносимых на защиту
1. Предложено при приеме PUCCH нулевого формата использовать относительный уровень сигнала на выходе согласованного приемника. Проведена экспериментальная апробация, полностью подтвердившая высокую эффективность предложенного метода приема.
2. Экспериментально получены зависимости вероятности безошибочной передачи данных в нисходящем канале системы связи 5G NR от уровня помех, создаваемых внешним источником шума.
Достоверность научных положений, выносимых на защиту, и других результатов
1. Достоверность первого защищаемого положения подтверждается совпадением результатов численных экспериментов, согласующихся с требованиями стандартов 5G NR, и реальных экспериментов со средней погрешностью, равной 5%.
2. Достоверность второго защищаемого положения подтверждается совпадением результатов численных экспериментов для сценария прямой видимости (LOS) и реальных экспериментов с максимальной погрешностью в 4%.
3. При проведении экспериментов использовалось тестовое программное обеспечение, разработанное на кафедре радиофизики НИ ТГУ [2-6]. При разработке данного комплекса программ и алгоритмов, реализующих физический уровень систем связи 5G NR, проводилась проверка правильности работы (верификация), для которой использовалось референсное программное обеспечение, предоставляемое расширением среды для научных расчетов MatLab 5G NR Toolbox.
4. Созданная программная реализация методов и алгоритмов формирования и демодуляции сигналов 5G NR полностью соответствует стандартам 5G NR.
Научная ценность положений 1 и 2
1. Определяется достижением требуемых стандартами 5G NR вероятностей «ложной тревоги» и «пропуска цели».
2. Предложен вариант расширения систем связи 5G NR для передачи дополнительной информации за счет включения в число физических каналов шумоподобных сигналов.
Практическая значимость 2 положения, выносимого на защиту
Численно и экспериментально показано, что вероятность безошибочного декодирования, заданная в стандартах величиной в 70% от числа всех передаваемых блоков данных, достигается по уровню 5 дБ.
Внедрение результатов работы
Созданный комплекс алгоритмов и программ является программной частью программно-аппаратного комплекса для формирования тестовых сигналов стандарта 5G NR, разработанного совместно сотрудниками кафедры радиофизики НИ ТГУ и сотрудниками «АО «НПФ Микран».
Проекты и гранты
Соглашение с Минобрнауки России от «26» ноября 2019 г. № 075-11¬2019-031 (проект «Разработка программно-аппаратного комплекса для формирования тестовых сигналов стандарта 5G NR»). Рук. Пономарев О.Г.
Диссертация состоит из трех глав. В первой главе приводится краткая история развития в области систем связи, предопределившая появление систем пятого поколения. Описываются основные варианты применения систем связи 5G NR, подтверждающие их актуальность и востребованность, приводятся отличия от систем предыдущего поколения. Рассматриваются все этапы преобразования информации в стеке протоколов 5G NR, особо выделяется физический уровень как основной во всей системе связи. Приводится описание всех физических каналов и сигналов, в соответствии с которым разработан комплекс алгоритмов и программ, реализующих генерацию и демодуляцию сигналов стандарта 5G NR.
Вторая глава посвящена исследованию работы 5G NR совместно с источником внешнего шумоподобного сигнала. В рамках этой работы рассматриваются передающая и приемная части системы связи с псевдослучайной цифровой модуляцией. Описываются механизмы и методы формирования и приема физического канала PDSCH. Излагается ход проведения численных и практических экспериментов, результаты которых отражены во втором защищаемом положении.
В третьей главе рассматриваются сигналы PUCCH нулевого формата; описывается определенная стандартами 3GPP процедура их детектирования, для исследования которой проводится ряд численных экспериментов. Предлагается модификация этого алгоритма, для проверки эффективности которой проводится ряд численных и реальных экспериментов, на чем базируется первое защищаемое положение.
В соответствии с целью и задачами патентного поиска по теме диссертации был проведен поиск патентной и научно-технической документации, относящейся к следующим вопросам: поиск новых методов повышения помехоустойчивости систем связи 5G NR; поиск существующих программно-аппаратных решений в области передачи и приема сигналов стандарта 5G NR.
Поиск патентной документации произведен в базах данных патентной информации патентных ведомств России (ФИПС) и США (USPTO). Глубина осуществленного поиска (27 лет в ФИПС и 41 год в USPTO) позволила сформировать полноценную картину проведения научных исследований и патентования в области помехоустойчивости систем мобильной связи пятого поколения в России и США. Причем поиск в американской базе данных USPTO, являющейся знаком качества, показал выявил ряд патентов из других стран (Китай, Австрия, Швеция), что почти наверняка свидетельствует о факте их патентования и в национальных ведомствах.
Отмечена особая активность следующих американских фирм и организаций:
- QUALCOMM INCORPORATED;
- РИАРДЕН, ЛЛК.
Поиск патентной документации произведен в базах данных патентной информации патентных ведомств России (ФИПС) и США (USPTO). Глубина осуществленного поиска (27 лет в ФИПС и 41 год в USPTO) позволила сформировать полноценную картину проведения научных исследований и патентования в области помехоустойчивости систем мобильной связи пятого поколения в России и США. Причем поиск в американской базе данных USPTO, являющейся знаком качества, показал выявил ряд патентов из других стран (Китай, Австрия, Швеция), что почти наверняка свидетельствует о факте их патентования и в национальных ведомствах.
Отмечена особая активность следующих американских фирм и организаций:
- QUALCOMM INCORPORATED;
- РИАРДЕН, ЛЛК.
