Ключевые особенности LTE System Toolbox
- Содержит модели, соответствующие стандартам LTE и LTE-Advanced (Версии 8,9 и 10)
- Реализован полный функционал приемопередатчика на физическом уровне, включая OFDM (нисходящий канал) и SC-FDMA (восходящий канал)
- Поддерживается передача сигнала несколькими антеннами (технология MIMO) и функции формирования диаграммы направленности в соответствии с идентификаторами мобильной станции (UE)
- Оценка канала связи, синхронизация и функции приема по технологии MIMO
- Имеются соответствующие стандарту модели каналов распространения сигнала
- Включены тестовые модели и генераторы сигналов для эталонного измерения характеристик радиоканала
- Интерактивные инструменты для проверки соответствия стандарту и измерения числа битовых ошибок
- Восстановление низкоуровневых параметров, таких как идентификатор соты [8].
Глава 3. Экспериментальная часть
Технология LTE, разработанная консорциумом 3GPP, является одним из наиболее перспективных стандартов для развертывания сетей беспроводной широкополосной связи четвертого поколения [9]. Множество работ посвящены помехоустойчивости каналов связи технологии LTE, однако недостаточно сведений по исследованию помехоустойчивости при использовании квадратурной амплитудной модуляции.
Цель работы состоит в проведении эксперимента для исследования помехоустойчивости каналов связи технологии LTE при помощи моделирования в среде MatLab.
|
|
|
В настоящей работе исследуется помехоустойчивость канала связи технологии LTE с использованием SISO- и MIMO-OFDM систем. Для этого создана программная реализация радиоканала с использованием SISO и MIMO систем в среде Simulink пакета прикладных программ MatLab (рисунки 8а, 8б).
Рисунок 8а - Скриншот программной среды Simulink. Построение имитационной блок-схемы SISO канала
Рисунок 8б - Скриншот программной среды Simulink. Построение имитационной блок-схемы MIMO канала (2×2)
Алгоритм работы исследуемой имитационной модели следующий: источник сигнала (Bernoulli Binary Generator) генерирует случайную двоичную последовательность, поступающую на вход свёрточного кодера, где с помощью регистра сдвига производится кодирование всей передаваемой последовательности. Далее сигнал поступает на модулятор, где закладывается информация в изменение фазы. Затем промодулированный сигнал поступает на вход пространственно-временного кодера Аламоути блоками по 2 символа, он формирует матрицу по определенному закону, каждая строка которой поступает отдельно на передающие антенны. Сигнал от передающих антенн поступает на приёмные антенны по Рэлеевскому каналу, претерпевая многолучевое рассеяние, доплеровский сдвиг, временную дисперсию. После чего на пространственно-временном декодере по определенному закону восстанавливается переданная последовательность. Далее следует демодулятор, декодер, а затем устройство, сравнивающее сигнал на передаче и на приеме, результат выводится на счетчик ошибок.
|
|
|
При создании схемы радиоканала использованы нижеописанные блоки программной среды Simulink.
Bernoulli Binary Generator - генератор случайной двоичной последовательности с распределением Бернулли (для распределения Бернулли вероятность «1» = р, вероятность «0» = (1-р)). Распределение Бернулли имеет среднее значение (1-p) и дисперсию р (1-р). Вероятность параметра «0» определяет р, где p - любое вещественное число от нуля до единицы.
Выходной сигнал может быть матрицей, вектором или одномерным массивом.
Рисунок 9 - Скриншот программной среды Simulink. Выбор параметров блока Bernoulli Binary Generator
Rectangular QAM modulator baseband - блок прямоугольного QAM-модулятора предназначен для модуляции сигнала M-арной квадратурной амплитудной модуляцией с созвездием на прямоугольной решетке. Выходной сигнал является низкочастотным промодулированным сигналом, который может быть представлен вектором входного сигнала, скаляром или матрицей.
|
|
|
Все значения мощностей рассчитаны на сопротивление в 1 Ом.
Рисунок 10 - Созвездие точек прямоугольного QAM - модулятора при использовании кода Грея
У сигнального созвездия есть точки M, где М представляет собой разрядность модуляции. M должна иметь вид 2K для некоторого положительного целого числа K.
Рисунок 11 - Скриншот программной среды Simulink. Выбор параметров блока Rectangular QAM modulator baseband
Блок масштабирует сигнальное созвездие в зависимости от выбранного параметра метода нормализации. Ниже перечислены возможные параметры масштабирования:
- минимальное расстояние между символами - расстояние между ближайшей парой точек в созвездии;
- средняя мощность - средняя мощность символов в созвездии;
- пиковая мощность - максимальная мощность символов в созвездии.
Блок прямоугольного QAM модулятора обеспечивает возможность
визуализации сигнального созвездия из блочной маски для определения параметров блока.
|
|
|
Разрядность М - число точек в сигнальном созвездии, представляющее собой число вида 2K для некоторого положительного целого числа K.
Тип входной последовательности указывает, состоит ли входная последовательность из целых чисел или групп битов.
Упорядочивание созвездия определяет положение каждого символа группы выходных битов или целого числа на диаграмме блока.
Отображение совокупности - параметр вида строка или векторный столбец размера M, который должен иметь уникальные целочисленные значения в диапазоне [0, M-1]. Значения должны иметь тип данных double. Первый элемент этого вектора соответствует главной крайней левой точке созвездия с последующими элементами, идущими по столбцам, слева направо. Последний элемент соответствует самой правой нижней точке.
Метод нормализации определяет, каким способом блок масштабирует сигнальное созвездие: минимальное расстояние между символами, средняя мощность или пиковая мощность.
Рисунок 12 - Скриншот программной среды Simulink. Выбор параметров блока Rectangular QAM demodulator baseband
Rectangular demodulator QAM baseband - блок прямоугольного QAM демодулятора предназначен для демодуляции сигнала, который модулируется с помощью квадратурной амплитудной модуляции с созвездием на прямоугольной решётке.
Все значения мощностей рассчитаны на сопротивление в 1 Ом. На вход данного блока может поступать вектор входного сигнала, скаляр или матрица. Созвездие сигнала имеет М точек, где М представляет собой разрядность модуляции. M должна иметь вид 2k для некоторого натурального К.
Дисперсия источника шума. Этот параметр появляется при выборе типа решения «метод максимального правдоподобия» или «метод наибольшего правдоподобия».
Блок AWGN Channel добавляет белый шум к действительной или комплексной составляющей входного сигнала. Когда входной сигнал является реальным, этот блок добавляет реальный гауссовский шум и производит реальный выходной сигнал. Если входной сигнал является комплексным, этот блок добавляет комплексный гауссов шум и производит комплексный выходной сигнал соответственно. Блок AWGN берёт время выборки из входного сигнала.
Данный блок принимает входной сигнал вида скаляра, вектора или матрицы с одинарным или двоичным типом данных.
Рисунок 13 - Скриншот программной среды Simulink. Выбор параметров блока AWGN Channel
Обработка входных данных представляется в виде колонн в качестве каналов. При выборе этой опции, блок воспринимает каждый столбец входа в виде отдельного канала.
Начальные данные - данные для гауссовского генератора шума.
Числа генерируются случайным образом. Первоначальный параметр данных в этом блоке инициализирует генератор шума. Начальные данные могут быть скаляром или вектором с длиной, соответствующей количеству
каналов во входном сигнале. Каждый раз, при запуске симуляции, этот блок выдает один и тот же сигнал. Первый раз, при запуске симуляции, блок случайным образом выбирает первоначальное заполнение. Блок повторяет одни и те же начальные данные каждый раз, когда вы запускаете моделирование.
Выбор режима, в котором указываются дисперсии шума: сигнал-шум (Eb/No, Es/No, SNR) - отклонения от маски или отклонение от порта. Все эти параметры показывают отношение сигнал/шум, однако имеют некоторое различие. Eb/No (дБ) - показывает отношение бита энергии к мощности шума спектральной плотности, в децибелах; Es/No (дБ) - соотношение энергии символа к мощности шума спектральной плотности, в децибелах; SNR (дБ) - отношение мощности сигнала к мощности шума в децибелах.
В данном окне также выставляются параметры моделирования. Количество бит на символ - число битов в каждом символе ввода.
Мощность входного сигнала, по отношению к 1 Ом (Вт).
Среднеквадратичная мощность входных символов (если Режим Eb/No или Es/No) или входных выборок (Если режим SNR) в ваттах.
Символ за период - продолжительность информационного канала (т.е. без канального кодирования), измеряется в секундах.
Дисперсия - значение дисперсии белого гауссовского шума.
The Multipath Rayleigh Fading Channel - блок «канал многолучевого Рэлеевского затухания» реализует моделирование канала с многолучевым Рэлеевским замиранием. Этот блок можно использовать для моделирования мобильных беспроводных систем связи. Этот блок принимает некое скалярное значение входного сигнала или вектор-столбец. Блок принимает образец времени от входного сигнала. Входной сигнал должен иметь дискретное время выборки больше, чем 0.
Относительное движение между передатчиком и приемником вызывает доплеровский сдвиг частоты сигнала. Вы можете указать доплеровский спектр затухания Рэлея с использованием параметра доплеровского типа спектра. Для каналов с несколькими путями распространения, можно назначить для каждого пути свой доплеровский спектр.
Поскольку многолучевой канал отражает сигналы в нескольких местах, передаваемый сигнал проходит к приемнику по нескольким путям, каждый из которых может иметь различные расстояние и временные задержки. В диалоговом окне блока, параметр дискретной векторной задержки определяет время задержки для каждого пути. Если вы не установили значение вектора параметра усиления на 0 дБ в параметре Normalize, общий коэффициент усиления примет среднее значение усиления для каждого пути. Когда вы установите флажок, блок использует кратное вектора среднего усиления пути вместо самого среднего вектора усиления путь, выбирая коэффициент масштабирования так, что эффективное усиление канала, учитывая все пути, составляет 0 дБ.
Число путей указывает длину дискретных векторных задержек пути или среднее вектора усиления пути. Если оба эти параметра являются векторами, то они должны иметь одинаковую длину; если только один из этих параметров содержит скалярное значение, то блок преобразует его в вектор, размер которого совпадает с размером другого вектора.
Рисунок 14 - Скриншот программной среды Simulink. Выбор параметров блока Multipath Rayleigh Fading Channel
Максимальный доплеровский сдвиг (Гц) - положительное скалярное значение, которое указывает величину максимального допплеровского смещения.
Тип спектра Допплера определяет спектр Допплера в Рэлеевском канале. Этот параметр по умолчанию выставлен Jakes. Кроме того, также можно выбрать любой из следующих типов:
- Flat;
- Gaussian;
- Rounded;
- RestrictedJakes;
- AsymmetricalJakes;
- Bi-Gaussian;
- Bell.
Для всех типов допплеровского спектра, кроме Jakes и Flat, вы можете выбрать один или несколько параметров для управления формой спектра.
Также можно выбрать тип задержек. Задержки дискретного пути вектора (с), представляющие вектор, который определяет задержку распространения для каждого пути. Средний вектор усиления пути (дБ) - вектор, который определяет коэффициент усиления для каждого пути.
Нормализация усиления вектора общего коэффициента усиления на 0 дБ. Можно добавить визуализацию канала в начале моделирования. Для этого нужно установить этот флажок, чтобы открыть инструмент визуализации канала, когда начинается моделирование.
Комплексное усиление пути порта. Для активации данной функции нужно установить этот флажок, чтобы создать порт, который выводит значения комплексного усиления пути для каждого из путей распространения сигнала. Здесь N представляет собой число выборок входного сигнала, а М представляет собой количество дискретных дорожек (количество задержек).
Порт канальной задержки фильтра. Для применения данной функции нужно установить этот флажок, чтобы создать порт, который выводит значение задержки. Эта задержка равна нулю, если моделируется только один путь, но может быть больше нуля, если путей несколько.
Рисунок 15 - Скриншот программной среды Simulink. Выбор параметров блока OSTBC Encoder
Блок OSTBC кодирует последовательности входных символов с использованием ортогонального пространственно-временного блочного кода (OSTBC). Блок отображает входные символы поблочно и объединяет выходные кодовые слова матрицы во временной области.
Блок поддерживает временные и пространственные домены для передачи блочного кода.
В данном блоке можно выбрать количество антенн на передающей стороне. Блок поддерживает 2, 3, или 4 передающие антенны. По умолчанию используется 2.
Устанавливается скорость передачи кода. Вы можете указать 3/4 или 1/2. Это поле появляется только при использовании более 2 передающих антенн, поле по умолчанию установлено значение 3/4. Для 2 передающих антенн это значение составляет 1.
Блок OSTBC сумматор складывает значения входного сигнала от всех приемных антенн и оценивает сигнал, чтобы извлечь полезную информацию из символов, которые были закодированы с использованием ортогонального пространственно-временного блочного кода OSTBC.
Рисунок 16 - Скриншот программной среды Simulink. Выбор параметров блока OSTBC Combiner
Оценка входного сигнала не может быть постоянной в течение каждой передачи кодового блочного слова, поэтому в данном блоке используется алгоритм оценки только первого периода символа на одно кодовое слово блока. Блок проводит операции комбинирования для каждого символа самостоятельно.
В работе исследована помехоустойчивость канала связи технологии LTE при различных типах модуляции: BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM; значение SNR для исследования достаточного уровня BER рассматриваемых видов модуляции выставлялось в блоке AWGN (рисунки 17а, 17б).
Рисунок 17а - Скриншот программной среды Simulink. Построение блок-схемы выбора модулятора
Рисунок 17б - Скриншот программной среды Simulink. Блок изменения значения SNR
В результате эксперимента получены графики зависимости вероятности битовых ошибок (BER) от отношения сигнал/шум (SNR) в канале с системами SISO и MIMO (рисунки 18а, 18б).
Рисунок 18а - Зависимости BER от SNR для различных типов модуляции для канала с SISO
Рисунок 18б - Зависимости BER от SNR для различных типов модуляции для канала с MIMO
Допустимым уровнем BER при SNR 21 дБ является 10-6 для менее помехозащищённого типа модуляции 64QAM [10]. Соответственно, для более низких типов модуляции значение SNR должно быть ниже.
В результате моделирования получены значения SNR при уровне BER 10-6 [10], приведённые в таблице 4.
Таблица 4 - Зависимость BER от SNR для различных типов модуляции
| Тип модуляции | Максимально | допустимые | Значение SNR для |
| Значение SNR | согласно | исследуемого канала, дБ | |
| спецификации, дБ | |||
| BPSK | 3 | 3 | |
| QPSK | 9 | 6,8 | |
| 16QAM | 15,5 | 13,5 | |
| 64QAM | 21 | 18,9 | |
В ходе проведённого эксперимента были получены значения BER при заданном уровне сигнала для каналов с системами SISO и MIMO. Было определено, что каналы с системой MIMO более помехоустойчивы, чем каналы с системой SISO.
Глава 4. Расчётная часть
Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 1639; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!