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發(fā)表于 2019-01-13 18:42:22
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“原文 Understanding LTE with MATLAB ,作者Houman Zarrinkoub，本文是對(duì)于該書的翻譯，書中的專業(yè)性詞匯給出了英文原文，圖和表的排版都是參考原文，翻譯不準(zhǔn)確的地方請(qǐng)讀者多多包涵。本文僅限于個(gè)人學(xué)習(xí)，研究，交流，不得用于其他商業(yè)用途！”
5.18.2 SIMO模式 SIMO模式可以看作是SISO模式的一般情況。LTE傳輸模式1通常被視為SIMO傳輸模式。在這種模式下，信號(hào)處理鏈與SISO的情況非常相似，只是它使用多個(gè)（在我們的功能中為兩個(gè)或四個(gè)）接收天線。在接收器上使用多個(gè)天線可以讓我們利用接收分集。最大比值組合接收分集（MRC）比單輸入單輸出（SISO）系統(tǒng)具有更好的誤碼率性能。建模接收分集不會(huì)改變發(fā)射機(jī)，但會(huì)對(duì)信道建模和接收機(jī)操作帶來許多變化。所有這些變化都與多通道處理有關(guān)。
在傳輸性能之后，加載通道處理來自單個(gè)傳輸天線的樣本。但是，根據(jù)接收天線的數(shù)量，它分別對(duì)每個(gè)鏈路（發(fā)送器-接收器對(duì)）應(yīng)用信道建模。衰落信道的輸出現(xiàn)在是一個(gè)多信道矩陣，行數(shù)等于傳輸樣本數(shù)，列數(shù)等于接收天線數(shù)。類似地，awgn通道處理衰落通道的多通道輸出，并在添加白噪聲的情況下產(chǎn)生相同大小的輸出。
由于多通道接收信號(hào)現(xiàn)在是接收器的輸入，因此接收器中執(zhí)行的第一組操作必須跨不同的通道重復(fù)（表示不同的接收天線）。這些包括OFDM接收器、資源元素去映射器和達(dá)到均衡器功能的信道估計(jì)器。
每個(gè)接收器上的估計(jì)數(shù)據(jù)資源元素現(xiàn)在與一個(gè)新的均衡器相結(jié)合，以生成對(duì)發(fā)送信號(hào)的最佳估計(jì)。均衡器使用ZF或MMSE方法在每個(gè)天線上相等，但結(jié)果根據(jù)MRC進(jìn)行組合。這種方法基本上是根據(jù)每個(gè)接收天線的功率測(cè)量來衡量和衡量其貢獻(xiàn)。下面的matlab函數(shù)包含SIMO情況下收發(fā)器中的操作。 1function [dataIn, dataOut, txSig, rxSig, dataRx, yRec, csr_ref]...
2 = commlteSIMO_step(nS, snrdB, prmLTEDLSCH, prmLTEPDSCH, prmMdl)
3%% TX
4% Generate payload
5dataIn = genPayload(nS, prmLTEDLSCH.TBLenVec);
6% Transport block CRC generation
7tbCrcOut1 =CRCgenerator(dataIn);
8% Channel coding includes - CB segmentation, turbo coding, rate matching,
9% bit selection, CB concatenation - per codeword
10[data, Kplus1, C1] = lteTbChannelCoding(tbCrcOut1, nS, prmLTEDLSCH, prmLTEPDSCH);
11%Scramble codeword
12scramOut = lteScramble(data, nS, 0, prmLTEPDSCH.maxG);
13% Modulate
14modOut = Modulator(scramOut, prmLTEPDSCH.modType);
15% Generate Cell-Specific Reference (CSR) signals
16csr = CSRgenerator(nS, prmLTEPDSCH.numTx);
17% Resource grid filling
18E=8*prmLTEPDSCH.Nrb;
19csr_ref=reshape(csr(1:E),2*prmLTEPDSCH.Nrb,4);
20txGrid = REmapper_1Tx(modOut, csr_ref, nS, prmLTEPDSCH);
21% OFDM transmitter
22txSig = OFDMTx(txGrid, prmLTEPDSCH);
23%% Channel
24% SIMO Fading channel
25[rxFade, chPathG] = MIMOFadingChan(txSig, prmLTEPDSCH, prmMdl);
26idealhD = lteIdChEst(prmLTEPDSCH, prmMdl, chPathG, nS);
27% Add AWG noise
28nVar = 10.^(0.1.*(-snrdB));
29rxSig = AWGNChannel(rxFade, nVar);
30%% RX
31% OFDM Rx
32rxGrid = OFDMRx(rxSig, prmLTEPDSCH);
33% updated for numLayers -> numTx
34[dataRx, csrRx, idx_data] = REdemapper_1Tx(rxGrid, nS, prmLTEPDSCH);
35% MIMO channel estimation
36if prmMdl.chEstOn
37 chEst = ChanEstimate_1Tx(prmLTEPDSCH, csrRx, csr_ref, 'interpolate');
38 hD=ExtChResponse(chEst, idx_data, prmLTEPDSCH);
39else
40 hD = idealhD;
41end
42% Frequency-domain equalizer
43% Based on Maximum-Combining Ratio (MCR)
44yRec = Equalizer_simo( dataRx, hD, nVar, prmLTEPDSCH.Eqmode);
45% Demodulate
46demodOut = DemodulatorSoft(yRec, prmLTEPDSCH.modType, nVar);
47% Descramble both received codewords
48rxCW = lteDescramble(demodOut, nS, 0, prmLTEPDSCH.maxG);
49% Channel decoding includes - CB segmentation, turbo decoding, rate dematching
50[decTbData1, ~,~] = lteTbChannelDecoding(nS, rxCW, Kplus1, C1, prmLTEDLSCH, prmLTEPDSCH);
51% Transport block CRC detection
52[dataOut, ~] = CRCdetector(decTbData1);
53end
54
5.18.2.1 函數(shù)改進(jìn) 啟用Simo模式所需的修改會(huì)影響以下三個(gè)功能。 Redemapper_1Tx 現(xiàn)在通過在for循環(huán)中迭代接收天線來支持多通道處理，以便分別提取數(shù)據(jù)、CSR和其他信號(hào)。
ChanEstimate_1Tx 現(xiàn)在通過在多個(gè)天線上重復(fù)基于CSR信號(hào)的資源網(wǎng)格生成過程來支持多通道處理。
Equalizer_simo 采用MRC方法生成接收器處資源元素的最佳估計(jì)。與siso模式的頻域均衡器不同，simo模式的均衡器必須結(jié)合來自多個(gè)信道的貢獻(xiàn)。
1function [data, csr, idx_data, pdcch, pss, sss, bch] = REdemapper_1Tx(in, nS, prmLTE)
2%#codegen
3% NcellID = 0; % One of possible 504 values
4% numTx = 1; % prmLTE.numTx;
5% Get input params
6numRx=prmLTE.numRx; % number of receive antennas
7Nrb = prmLTE.Nrb; % either of {6,...,1}
8Nrb_sc = prmLTE.Nrb_sc; % 12 for normal mode
9numContSymb = prmLTE.contReg; % either {1, 2, 3}
10Npss= prmLTE.numPSSRE;
11Nsss=prmLTE.numSSSRE;
12Nbch=prmLTE.numBCHRE;
13Ncsr=prmLTE.numCSRResources;
14Ndci=prmLTE.numContRE;
15%% Specify resource grid location indices for CSR, PDCCH, PDSCH, PBCH, PSS, SSS
16%% 1st: Indices for CSR pilot symbols
17lenOFDM = Nrb*Nrb_sc;
18idx = 1:lenOFDM;
19idx_csr0 = 1:6:lenOFDM; % More general starting point = 1+mod(NcellID, 6);
20idx_csr4 = 4:6:lenOFDM; % More general starting point = 1+mod(3+NcellID, 6);
21idx_csr =[idx_csr0, 4*lenOFDM+idx_csr4, 7*lenOFDM+idx_csr0, 11*lenOFDM+idx_csr4];
22%% 2nd: Indices for PDCCH control data symbols
23ContREs=numContSymb*lenOFDM;
24idx_dci=1:ContREs;
25idx_pdcch = ExpungeFrom(idx_dci,idx_csr0);
26%% 3rd: Indices for PDSCH and PDSCH data in OFDM symbols whee pilots are present
27idx_data0= ExpungeFrom(idx,idx_csr0);
28idx_data4 = ExpungeFrom(idx,idx_csr4);
29switch nS
30 %% 4th: Indices for BCH, PSS, SSS are only found in specific subframes 0 and 5
31 % Thsese symbols share the same 6 center sub-carrier locations (idx_ctr)
32 % and differ in OFDM symbol number.
33 case 0 % Subframe 0
34 % PBCH, PSS, SSS are available + CSR, PDCCH, PDSCH
35 idx_6rbs = (1:72);
36 idx_ctr = 0.5* lenOFDM - 36 + idx_6rbs ;
37 idx_SSS = 5* lenOFDM + idx_ctr;
38 idx_PSS = 6* lenOFDM + idx_ctr;
39 idx_ctr0 = ExpungeFrom(idx_ctr,idx_csr0);
40 idx_bch=[7*lenOFDM + idx_ctr0, 8*lenOFDM + idx_ctr, 9*lenOFDM + idx_ctr, 10*lenOFDM + idx_ctr];
41 idx_data5 = ExpungeFrom(idx,idx_ctr);
42 idx_data7 = ExpungeFrom(idx_data0,idx_ctr);
43 idx_data = [ContREs+1:4*lenOFDM, 4*lenOFDM+idx_data4, ...
44 5*lenOFDM+idx_data5, 6*lenOFDM+idx_data5, 7*lenOFDM+idx_data7, 8*lenOFDM+idx_data5, ...
45 9*lenOFDM+idx_data5, 10*lenOFDM+idx_data5, 11*lenOFDM+idx_data4, ...
46 12*lenOFDM+1:14*lenOFDM];
47 case 10 % Subframe 5
48 % PSS, SSS are available + CSR, PDCCH, PDSCH
49 % Primary ans Secondary synchronization signals in OFDM symbols 5 and 6
50 idx_6rbs = (1:72);
51 idx_ctr = 0.5* lenOFDM - 36 + idx_6rbs ;
52 idx_SSS = 5* lenOFDM + idx_ctr;
53 idx_PSS = 6* lenOFDM + idx_ctr;
54 idx_data5 = ExpungeFrom(idx,idx_ctr);
55 idx_data = [ContREs+1:4*lenOFDM, 4*lenOFDM+idx_data4, 5*lenOFDM+idx_data5, 6*lenOFDM+idx_data5, ...
56 7*lenOFDM+idx_data0, 8*lenOFDM+1:11*lenOFDM, 11*lenOFDM+idx_data4, ...
57 12*lenOFDM+1:14*lenOFDM];
58 otherwise % other subframes
59 % Only CSR, PDCCH, PDSCH
60 idx_data = [ContREs+1:4*lenOFDM, 4*lenOFDM+idx_data4, ...
61 5*lenOFDM+1:7*lenOFDM, ...
62 7*lenOFDM+idx_data0, ...
63 8*lenOFDM+1:11*lenOFDM, ...
64 11*lenOFDM+idx_data4, ...
65 12*lenOFDM+1:14*lenOFDM];
66end
67%% Handle 3 types of subframes differently
68pss=complex(zeros(Npss,numRx));
69sss=complex(zeros(Nsss,numRx));
70bch=complex(zeros(Nbch,numRx));
71data=complex(zeros(numel(idx_data),numRx));
72csr=complex(zeros(Ncsr,numRx));
73pdcch = complex(zeros(Ndci,numRx));
74idx_data=idx_data.';
75for n=1:numRx
76 tmp=in(:,:,n);
77 data(:,n)=tmp(idx_data); % Physical Downlink Shared Channel (PDSCH) = user data
78 csr(:,n)=tmp(idx_csr.'); % Cell-Specific Reference signal (CSR) = pilots
79 pdcch(:,n) = tmp(idx_pdcch.'); % Physical Downlink Control Channel (PDCCH)
80 if nS==0
81 pss(:,n)=tmp(idx_PSS.'); % Primary Synchronization Signal (PSS)
82 sss(:,n)=tmp(idx_SSS.'); % Secondary Synchronization Signal (SSS)
83 bch(:,n)=tmp(idx_bch.'); % Broadcast Cahnnel data (BCH)
84 elseif nS==10
85 pss(:,n)=tmp(idx_PSS.'); % Primary Synchronization Signal (PSS)
86 sss(:,n)=tmp(idx_SSS.'); % Secondary Synchronization Signal (SSS)
87 end
88end
1function hD = ChanEstimate_1Tx(prmLTE, Rx, Ref, Mode)
2%#codegen
3Nrb = prmLTE.Nrb; % Number of resource blocks
4Nrb_sc = prmLTE.Nrb_sc; % 12 for normal mode
5Ndl_symb = prmLTE.Ndl_symb; % 7 for normal mode
6numRx = prmLTE.numRx;
7% Assume same number of Tx and Rx antennas = 1
8% Initialize output buffer
9hD = complex(zeros(Nrb*Nrb_sc, Ndl_symb*2,numRx));
10% Estimate channel based on CSR - per antenna port
11csrRx = reshape(Rx, numel(Rx)/(4*numRx), 4, numRx); % Align received pilots with reference pilots
12for n=1:numRx
13 hp= csrRx(:,:,n)./Ref; % Just divide received pilot by reference pilot
14 % to obtain channel response at pilot locations
15 % Now use some form of averaging/interpolation/repeating to
16 % compute channel response for the whole grid
17 % Choose one of 3 estimation methods "average" or "interpolate" or "hybrid"
18 switch Mode
19 case 'average'
20 tmp=gridResponse_averageSubframe(hp, Nrb, Nrb_sc, Ndl_symb);
21 case 'interpolate'
22 tmp=gridResponse_interpolate(hp, Nrb, Nrb_sc, Ndl_symb);
23 case 'hybrid'
24 tmp=gridResponse_averageSlot(hp, Nrb, Nrb_sc, Ndl_symb);
25 otherwise
26 error('Choose the right mode for function ChanEstimate.');
27 end
28 hD(:,:,n)=tmp;
29end
30
1function [y, num, denum] = Equalizer_simo(in, hD, nVar, EqMode)
2%#codegen
3switch EqMode
4 case 1, % Zero forcing
5 num = conj(hD);
6 denum=conj(hD).*hD;
7 case 2, % MMSE
8 num = conj(hD);
9 denum=conj(hD).*hD+nVar;
10 otherwise,
11 error('Two equalization mode available: Zero forcing or MMSE');
12end
13y = sum(in .*num,2)./sum(denum,2);
14
5.18.2.2驗(yàn)證收發(fā)器性能 為了觀察接收分集對(duì)性能的影響，我們可以執(zhí)行simo收發(fā)器模型（commlteSIMO）的matlab腳本。首先，我們?cè)谀_本中設(shè)置與模型的各個(gè)組件相關(guān)的參數(shù)（commlteSIMO_參數(shù)）。這與siso中使用的腳本相同，只是我們將接收參數(shù)的數(shù)量從1更改為4。 1% PDSCH
2numTx = 1; % Number of transmit antennas
3numRx = 4; % Number of receive antennas
4chanBW = 4; % Index to chanel bandwidth used [1,....6]
5contReg = 1; % No. of OFDM symbols dedictaed to control information [1,...,3]
6modType = 2; % Modulation type [1, 2, 3] for ['QPSK,'16QAM','64QAM']
7% DLSCH
8cRate = 1/3; % Rate matching target coding rate
9maxIter = 6; % Maximum number of turbo decoding terations
10fullDecode = 0; % Whether "full" or "early stopping" turbo decoding is performed
11% Channel model
12chanMdl = 'frequency-selective-high-mobility';
13corrLvl = 'Low';
14% Simulation parametrs
15Eqmode = 2; % Type of equalizer used [1,2] for ['ZF', 'MMSE']
16chEstOn = 1; % Whether channel estimation is done or ideal channel model used
17maxNumErrs = 1e7; % Maximum number of errors found before simulation stops
18maxNumBits = 1e7; % Maximum number of bits processed before simulation stops
19visualsOn = 0; % Whether to visualize channel response and constellations
20snrdB = 16; % Value of SNR used in this experiment
21
圖5.14說明了星座圖，并顯示了Simo
OFDM收發(fā)器如何補(bǔ)償多徑衰落效應(yīng)，并旋轉(zhuǎn)和縮放損壞的星座（均衡前），使其回到可以正確解調(diào)的星座（均衡后）。圖5.15顯示了均衡前后發(fā)送和接收信號(hào)的功率譜密度。結(jié)果表明，當(dāng)發(fā)射信號(hào)具有歸一化為1的功率譜幅度時(shí)，接收信號(hào)的幅度譜反映了信道多徑衰落響應(yīng)的影響。均衡后，幅度譜表現(xiàn)出更為平坦的性質(zhì)，與傳輸譜非常相似。
5.18.2.3 誤碼率測(cè)量
為了驗(yàn)證收發(fā)器的誤碼率性能，我們創(chuàng)建了一個(gè)名為commltesimo_test_timing_ber.m的測(cè)試臺(tái)，首先初始化LTE系統(tǒng)參數(shù)，然后迭代一系列的信噪比值，并調(diào)用循環(huán)中的commltesimo_fcn函數(shù)來計(jì)算相應(yīng)的誤碼率值。 1% Script for SIMO LTE (mode 1)
2%
3% Single codeword transmission only,
4%
5clear all
6clear functions
7disp('Simulating the LTE Mode 1: Single Tx and multiple Rx antrenna');
8%% Create the parameter structures
9commlteSIMO_params;
10[prmLTEPDSCH, prmLTEDLSCH, prmMdl] = commlteSIMO_initialize( chanBW, contReg, modType, Eqmode,...
11 numTx, numRx, cRate,maxIter, fullDecode, chanMdl, corrLvl, chEstOn, maxNumErrs, maxNumBits);
12clear chanBW contReg numTx numRx modType Eqmode cRate maxIter fullDecode chanMdl corrLvl chEstOn maxNumErrs maxNumBits;
13%%
14zReport_data_rate(prmLTEDLSCH, prmLTEPDSCH);
15MaxIter=numel(prmMdl.snrdBs);
16ber_vector=zeros(1,MaxIter);
17tic;
18for n=1:MaxIter
19 fprintf(1,'Iteration %2d out of %2d :
', n, MaxIter);
20 hPBer = comm.ErrorRate;
21 snrdB = prmMdl.snrdBs(n);
22 maxNumErrs=prmMdl.maxNumErrs;
23 maxNumBits=prmMdl.maxNumBits;
24 %% Simulation loop
25 nS = 0; % Slot number, one of [0:2:18]
26 Measures = zeros(3,1); %initialize BER output
27 while (( Measures(2)< maxNumErrs) && (Measures(3) < maxNumBits))
28 [dataIn, dataOut, txSig, rxSig, dataRx, yRec, csr] = ...
29 commlteSIMO_step(nS, snrdB, prmLTEDLSCH, prmLTEPDSCH, prmMdl);
30 % Calculate bit errors
31 Measures = step(hPBer, dataIn, dataOut);
32 % Visualize constellations and spectrum
33 if visualsOn
34 zVisualize( prmLTEPDSCH, txSig, rxSig, yRec, dataRx, csr, nS);
35 end;
36 % Update subframe number
37 nS = nS + 2; if nS > 19, nS = mod(nS, 20); end;
38 end
39 ber=Measures(1);
40 ber_vector(n)=ber;
41 disp(ber_vector);
42end;
43toc;
44%% Now visualize
45semilogy(prmMdl.snrdBs, ber_vector);
46title('BER - commlteSIMO');xlabel('SNR (dB)');ylabel('ber');grid;
在執(zhí)行matlab腳本時(shí)，命令提示符中會(huì)顯示消息，包括收發(fā)器參數(shù)（調(diào)制類型、編碼速率、信道帶寬、天線配置和最大數(shù)據(jù)速率）、正在執(zhí)行的迭代以及已用時(shí)間的最終計(jì)數(shù)。
圖5.16顯示了作為信噪比值函數(shù)的收發(fā)器的誤碼率。在這個(gè)例子中，我們?cè)诎藗�(gè)迭代中處理5000萬位，每個(gè)迭代的特征是一個(gè)信噪比值。收發(fā)器采用16QAM調(diào)制方案，編碼速率為1/3，系統(tǒng)帶寬為10MHz，Simo天線配置為1×4。選擇此參數(shù)集將導(dǎo)致9.91Mbps的最大數(shù)據(jù)速率，如函數(shù)zreport_data_rate.m所報(bào)告的那樣。
圖5.6 SIMO模型的BER計(jì)算 5.19本章小結(jié) 在本章中，我們研究了LTE標(biāo)準(zhǔn)中使用的多載波傳輸方案。重點(diǎn)開發(fā)了基于正交頻分復(fù)用（OFDM）傳輸?shù)腗ATLAB下行鏈路收發(fā)器。首先，我們研究了更現(xiàn)實(shí)的移動(dòng)通信信道表示，并介紹了多徑衰落信道模型。然后，我們提出了一個(gè)OFDM傳輸方案的功能要素，旨在對(duì)抗多徑衰落的影響。
然后，我們回顧了發(fā)送器中的功能元素，包括：（i）導(dǎo)致資源網(wǎng)格形成的數(shù)據(jù)的時(shí)頻表示；（ii）在資源網(wǎng)格中包含OFDM引導(dǎo)信號(hào)（或參考信號(hào)）；以及（iii）使用反向FFT計(jì)算傳輸數(shù)據(jù)的OFDM信號(hào)生成。作為一種基于資源網(wǎng)格表示的完全在頻域中指定的時(shí)域信號(hào)。
隨后，我們回顧了接收機(jī)中的典型功能元素，包括：（i）計(jì)算接收資源網(wǎng)格的OFDM接收機(jī)，（ii）基于參考信號(hào)的信道估計(jì)，（iii）基于信道估計(jì)結(jié)果插值的整個(gè)資源網(wǎng)格的信道響應(yīng)計(jì)算，以及（iv）頻域E。基于估計(jì)信道響應(yīng)的定性，用于恢復(fù)傳輸資源元素的最佳估計(jì)。
最后，我們整合了所有的功能元素，在Matlab中為L(zhǎng)TE標(biāo)準(zhǔn)的單天線下行傳輸模式建立了一個(gè)收發(fā)器模型。收發(fā)器也被稱為L(zhǎng)TE傳輸模式1，它處理SISO和SIMO下行鏈路收發(fā)器操作。通過模擬，我們進(jìn)行了定性評(píng)估和誤碼率性能測(cè)量。結(jié)果表明，該收發(fā)器能有效地對(duì)抗多徑衰落引起的碼間干擾的影響。在下一章中，我們將介紹MIMO多天線方案，其中多個(gè)天線用于傳輸。
本章完 2019/1/13
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