LTE关键技术仿真

1、19 北京邮电大学课程设计报告-LTE关键技术仿真-杨光熙北京邮电大学课程设计报告课题： LTE关键技术仿真 姓 名 班 级 学 号 指导教师 课程设计名称LTE关键技术仿真学 院信息与通信工程学院指导教师林雪红学生姓名杨光熙班 级2008211132学 号08210874课程设计内容教学目的：理解信道编码的基本原理，根据给定的技术标准，进行仿真设计和程序代码编写，对信道编码的仿真结果做出理论分析，加强对纠错技术的理解，做到理论联系实践，学会系统设计和Matlab仿真，培养分析和解决问题的能力。基本内容：1、 AWGN信道下的理论误码特性和仿真误码特性；2、 数字调制信号在AWGN信道的误码特

2、性 ；3、卷积码在AWGN信道的误码特性。主要技术指标：理解数字频带通信系统模型，应用matlab对其进行仿真。实验方法：在Windows开发平台上使用MATLAB R2010a作为开发工具，编写LTE信道编码的.M文件，进行模块状态测试和纠错性能测试，以及系统整体的误码性能测试与分析。团队分工：该课程设计由个人独立完成，但过程中有请教其他同学。学生课程设计报告见附页课程设计成绩评定遵照实践教学大纲并根据以下四方面综合评定成绩：1、课程设计目的任务明确，选题符合教学要求，份量及难易程度2、团队分工是否恰当与合理3、综合运用所学知识，提高分析问题、解决问题及实践动手能力的效果4、是否认真、独立完

3、成属于自己的课程设计内容，课程设计报告是否思路清晰、文字通顺、书写规范评语:成绩:指导教师签名：年 月 日目录1 LTE概述41.1商业目的41.2主要技术目标41.3 体系结构51.3.1网络拓扑51.3.2协议栈52仿真62.1仿真162.1.1AWGN信道62.1.2蒙特卡罗仿真算法法62.1.3仿真内容要求与设计62.1.4仿真结果及分析72.2仿真282.2.1瑞利衰落信道92.2.2 QPSK的调制与解调92.2.3仿真内容要求与设计102.2.4仿真结果与分析102.3仿真3-要求1112.3.1卷积码的编码112.3.2卷积码的译码122.3.3仿真内容要求与设计122.3.4

4、硬判决译码132.3.5软判决译码142.3.6仿真结果与分析152.4仿真3-要求2162.4.1凿孔卷积码162.4.2 仿真内容要求与结果173重点研究的问题184实验心得185参考文献1919 在此祝老师工作顺利，天天开心，万事如意LTE概述 LTE是英文Long Term Evolution的缩写，始于2004年3GPP的多伦多会议，LTE也被通俗的称为3.9G，被视作从3G向4G演进的主流技术。 两种模式：TDD-LTE和FDD-LTE目标：高速率、高效率、低延时1.2三种主要技术体制比较1.1 商业目的 保证未来十年内3GPP无线接入技术的领先地位（主要竞争对手为Wimax）1.

5、2 主要技术目标 1. 上下行峰值速率分别为100Mbps和50Mbps； （相应频谱利用率分别为5bps/Hz和2.5bps/Hz） 2. 基于分组交换； 3. 非常低的延时（以支持大型在线网游以及VoIP）； 4. 对低速移动，优化系统，同时支持高达350km/h的高速移动； 5. 支持最大达100km的小区半径； 6. 强大的多媒体多播广播业务能力2仿真2.1仿真1 2.1.1AWGN信道AWGN(Additive White Gaussian Noise)即为加性高斯白噪声，是最基本的噪声与干扰模型。加性噪声是指叠加在信号上的一种噪声，通常记为n(t)，而且无论有无信号，噪声n(t)都

6、是始终存在的，因此通常称它为加性噪声或者加性干扰；白噪声是指噪声的功率谱密度在所有的频率上均为一常数，则称这样的噪声为白噪声。如果白噪声取值的概率分布服从高斯分布，则称这样的噪声为高斯白噪声。AWGN，在通信上指的是一种通道模型（channel model），此通道模型唯一的信号减损是来自于宽带（Wideband）的线性加成或是稳定谱密度（以每赫兹瓦特的带宽表示）与高斯分布振幅的白噪声，白噪声是指功率谱密度在整个频域内均匀分布的噪声，即其功率谱密度为常数。AWGN从统计上而言是随机无线噪声，其特点是其通信信道上的信号分布在很宽的频带范围内。2.1.2蒙特卡罗仿真算法该算法又称随机性模拟算法，是

7、通过计算机仿真来解决问题的算法，同时可以通过模拟来检验自己模型的正确性。它的基本思想是，为了求解数学、物理、工程技术以及管理等方面的问题，首先建立一个概率模型或随机过程，使它们的参数，如概率分布或数学期望等是所求问题的解；然后通过对模型或过程的观察或抽样试验来计算所求参数的统计特征，并用算术平均值作为所求解的近似值。对于随机性问题，有时还可以根据实际物理背景的概率法则，用电子计算机直接进行抽样试验，从而对问题进行解答。在通信系统的误码率计算中，由于计算公式复杂，甚至在很多情况下无法得到解析解，因此通过蒙特卡罗方法模拟实际的通信过程，得到仿真的通信系统误码率就成为一种方便的手段。2.1.3仿真内

8、容要求与设计仿真内容1的要求是对AWGN信道下的理论误码性能以及蒙特卡洛模拟仿真的误码性能进行比较。根据高斯分布概念可知，若随机变量X服从一个数学期望为、标准方差为2的高斯分布，记为，则其概率密度函数为高斯分布的期望值决定了其位置，其标准差决定了分布的幅度。故设计信道噪声功率参数如下：E=1;snr=10(snr_in_dB/10);sgma=sqrt(E/snr)/2);经AWGN信道的输入序列及输出序列设计如下：signal=round(rand(1,N*260); %信息序列u=2*signal-1;r=u+sgma*randn(size(u) %经信道加高斯噪声系统流程图设计如图2-1

9、-1所示：图2-1-1 序列通过AWGN信道流程图2.1.4仿真结果及分析根据上面的设计，通过matlab仿真得到误码性能比较如图2-1-2所示：图2-1-2 AWGN信道下误码性能比较从图2-1-2中可以看出，随着信噪比的增加，AWGN信道下的误码性能呈下降趋势，而且当SNR大于6时，AWGN信道的误码率很小，对系统影响已经可以忽略不计了；除此之外，还可以看出，运用蒙特卡洛模拟的仿真曲线和理论性能曲线很接近，基本上是重合在一起，这说明蒙特卡洛随即模拟法的模拟效果很好，可以看出蒙特卡洛模拟法是一种很好的随机模拟方法。2.2仿真2数字调制信号的基本仿真模型如下图所示，该模型与任务一中最大的不同就

10、是多了一个调制方式。2.2.1数字调制信号在AWGN信道的误码特性图2-2-1 瑞利分布曲线图2.2.2 QPSK的调制与解调QPSK（Quadrature Phase Shift Keying）为正交相移键控，是一种数字调制方式。QPSK是在M=4时的调相技术，它规定了四种载波相位，分别为45°，135°，225°，315°，调制器输入的数据是二进制数字序列，为了能和四进制的载波相位配合起来，则需要把二进制数据变换为四进制数据，这就是说需要把二进制数字序列中每两个比特分成一组，共有四种组合，即00，01，10，11，其中每一组称为双比特码元。每一个双比

11、特码元是由两位二进制信息比特组成，它们分别代表四进制四个符号中的一个符号。QPSK中每次调制可传输2个信息比特，这些信息比特是通过载波的四种相位来传递的。解调器根据星座图及接收到的载波信号的相位来判断发送端发送的信息比特。首先将输入的串行二进制信息序列经串并变换，变成m=log2M个并行数据流，每一路的数据率是R/m，R是串行输入码的数据率。I/Q信号发生器将每一个m比特的字节转换成一对（pn，qn）数字，分成两路速率减半的序列，电平发生器分别产生双极性二电平信号I(t)和Q(t)，然后对coswct和sinwct进行调制，相加后即得到QPSK信号。2.2.3仿真内容要求与设计此次仿真内容是对

12、两种不同方法产生的瑞利衰落信道进行误码性能仿真及分析，发送信号为QPSK信号。根据上述的瑞利衰落信道及QPSK调制解调技术的介绍，设计具体仿真方法如下：r = ax + n，其中x为发送信号，即QPSK序列，a为服从Rayleigh分布的衰落系数，n为高斯噪声。其中衰落系数a的产生采用两种不同方法：利用公式a = (randn + j*randn)*1/sqrt(2)，得到衰落系数；利用Matlab自带的rayleighchan函数产生衰落系数。对输出信号的判决：对输出信号通过函数 conj(a)*r/|a|2与各个星座点的欧氏距比较，距离最短的即为判决信号。流程图设计如图2-2-2所示：图2

13、-2-2 QPSK序列通过瑞利信道流程图2.2.4仿真结果与分析根据上述的仿真设计，通过matlab仿真得到两种方法得到的瑞利衰落信道的误码性能比较如图2-2-3所示：图2-2-3两种不同方法产生的瑞利信道的误码性能比较从图2-2-3中可以看出，随着信噪比的增加，AWGN信道的误码性能在不断减小，在信噪比大于10时，信道的误码率已经低于0.01，对系统的影响已经大大减小。通过上图还可以看出，两种方法产生的AWGN信道的误码性能曲线基本上是重合在一起的，具有很高的拟合度；不过从曲线平滑度上来看，通过Matlab自带的AWGN函数产生的高斯噪声信道的误码曲线平滑度更好一些。在仿真中采用的高斯信道的

14、函数为AWGN（x，SNR，measured），该函数具有两个参数，这两个参数对产生的高斯信道的误码性能有着重要的影响。由于M的值越大，传输的符号越多，因此在相同信噪比的条件下，M越大，则误码率越大，所以我们就知道，最高的是64QAM，依次是16QAM，4QAM。虽然MQAM调制可以增加编码效率，但是它同时会增加误码率。因此，既可以达到较高的编码效率，又可以将误码率降低到最低，是我们在实际应用中应该平衡考虑的两点。2.3仿真3-要求12.3.1卷积码的编码卷积码是1955年艾利亚斯(Elias)最早提出，稍后，1957年伍成克拉夫(Wozencraft)提出了一种有效译码方法，即序列译码。19

15、63年梅西(Massey)提出了一种性能稍差，但比较实用的门限译码方法，由于这一实用性进展使卷积码从理论走向实用化。而后1967年维特比(Viterbi)提出了最大似然译码法。它对存储器级数较小的卷积码的译码很容易实现，人们后来称它为维特比算法或维特比译码，并被广泛地应用于现代通信中。卷积码是一种非线性码，非常适用于纠正随机错误，其与分组码的主要差别在于卷积码编码器有记忆，在任意给定的时段，编码器的n个输出不仅与此时段的k个输入有关，而且也与前m个输入（记忆器件中存储的）有关。因此卷积一般可采用（n，k，m）来表示，其中k为输入码元数，n为输出码元数，m为编码器中的存储器数（有的写成N = m

16、+1）。编码效率Rc=k/n, 约束度m 或N，约束长度 n*m 或n*N。卷积码完全由生成矩阵或生成多项式（为矩阵的第一行，又称基本生成矩阵）所确定。描述卷积码的方法有两类：图解表示（树状图、状态图、格状图）和解析表示（延时算子多项式、半无限矩阵）。卷积码的输入输出关系，可用解析表示法。如（2，1，2）卷积码：用， 表示编码器的两个脉冲冲激响应，由卷积码定义可知编码可由输入信息序列u和编码器的两个冲激响应的卷积得到。由于编码器m=2级寄存器，故冲激响应至多可持续到N=m+1=2+1=3位，且可写成：，。 若输入信息序列为u=(10111)，则相应编码方程可写为 ，（其中“*”表示卷积运算），

17、即 ，最后输出的码字为：C=(11100001100111)。（例如，输入5位、m=2、n=2，输出（5+2）x2 =14 位）。卷积码的编码器和状态图如图2-3-1所示：图2-3-1卷积码的编码器与状态图2.3.2卷积码的译码卷积码的译码方法：通常采用Viterbi算法，它是对最大似然译码作了简化，使之实用化，路径分硬判决和软判决，可以计算Viterbi译码的联合界。Viterbi译码算法是接受一段，计算一段，比较一段，选择最有可能的码段保留下来，然后再接收一段，计算一段，比较一段，选择最有可能的码段保留下来，如此反复进行下去，从而最后达到整个码序列是一个有最大似然函数的序列。Viterbi

18、译码流程图如图2-3-2所示：图2-3-2 维特比译码流程图2.3.3仿真内容要求与设计此次仿真的内容是对两个不同的卷积码进行AWGN信道下的误码性能比较与分析，根据上述的卷积码的编码与译码原理，我们设计此次仿真如下：卷积码1相关参数：码率1/2，约束长度为5，生成多项式为 23 33；卷积码2相关参数：码率1/3，约束长度为9，生成多项式为 557 663 711 。根据卷积码的原理，设计此次两种卷积码的编码器如图2-3-3所示图2-3-3本次仿真时的编码器设计其流程图如图2-3-4所示：图2-3-4卷积编码译码流程图维特比译码可分为软判决和硬判决两种，下面我们对其分别进行仿真研究。2.3.

19、4 硬判决译码硬判决译码即比较汉明距作为累计度量，故直接将接收序列转为0,1序列即可，此时的判决代码为：for j=1:length(recv); if recv(j)>0; recv(j)=1; else recv(j)=0; end end其中HMdist为比较两个序列的汉明距，deci2bin为将十进制数转换为二进制。2.3.5软判决译码由于硬判决在判决过程中将接收直接判决为1 0,而损失了相应的近似信息，导致了信道信息在某种意义上的浪费。软判决将接收电平量化，尽可能保存相应的信息，故可以提高译码性能。理想情况下软判决根据信道特性而选取量化方式，而对于实际产品如手机来说，信道特性是

20、可变的，故在仿真中采取了均匀量化，相应的接收和量化程序如下。 msg=(randn(1,96)>0); sigma=sqrt(5)*10(-w/20); cod=codec(msg,g1,g2); bpsk=cod*2-1; noise=randn(1,length(bpsk); recv=bpsk+3*sigma*noise; de=Sviterbi(recv,3)即不判决而将直接将接收电平输入Viterbi软判决译码器。其与硬判决的差异仅在于其比较欧氏距而非汉明距，并以欧氏距度量累计作为选择路径的标准。其理论上比硬判决有着3dB左右的优势。EUdist为欧氏距比较函数。其与硬判决的差

21、错率比较如下图由图可见，软判决的确比硬判决有着一定的优势，在信噪比低的情况下尤其如此。而在现代通信环境下，软判决译码将比硬判决译码有着相当大的优势。2.3.6仿真结果与分析根据上述流程图设计，在matlab中仿真得到两个卷积码在AWGN信道下的误码性能软硬判决分别比较如图2-3-5所示：信号经16QAM通过AWGN信道误码曲线软硬判决比较信号经QPSK通过AWGN信道误码曲线软硬判决比较图2-3-5两个卷积码在AWGN信道下的误码性能比较通过图2-3-5可以看出，随着信噪比的增加，卷积码在AWGN信道下的误码率是逐渐下降的。单独比较每个图中的软硬判决曲线可知，软判决要明显优于硬判决。而通过上下

22、两个图的比较可以看出，在相同的信噪比条件下，16QAM比QPSK的误码率小，因此信道通过16QAM编码更好。2.4仿真3-要求22.4.1凿孔卷积码2.4.2仿真内容要求与结果掌握凿空卷积码的译码规则，比较不同凿空卷积码和未凿空卷积码的性能 在matlab中仿真得到两个卷积码在AWGN信道下的误码性能软硬判决分别比较如下图所示：两种卷积码经过16QAM通过信道误码曲线两种卷积码经过通过信道误码曲线3重点研究的问题1. 在任务一中理论AWGN信道曲线和Matlab仿真曲线走势以及二者的比较。2. 在任务一中为什么有的时候两条曲线差别比较大，不重合。3. 在任务二中，数制之间的转换是怎样实现的。4. 在任务二中，MQAM的误码率随着M的增加有什么变化趋势，以及M分别等于4,16,64的时候信号经过AWGN信道曲线和Matlab仿真曲线的变化趋势，比较三者的优缺点。5. 在任务三中，软硬判决的区别与联系，二者的比较。6. 在任务三中，16QAM与QPSK的比较，二者哪一个更好。7. 凿孔卷积码的实现与应用，与未凿孔卷积码的区别。4实验心得历时三周的小学期转眼已经接近尾声，我的小学期任务也已经完成。这个小学期的时间虽然不长，但我却有很多收获以及很多感触。这次的任务是要用matlab来进行编程来完成的，而我们既没有