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1 Presentation Title By Author 2014 The MathWorks, Inc. 1

2 4G LTE 轻松入门 陈建平 MathWorks 中国 2014 The MathWorks, Inc. 2

3 大纲 4G 综述 LTE 系统工具箱的应用 黄金参考模型 点到点链路级仿真 信号发生和分析 信号信息恢复 4G 系统的并行仿真加速 3

4 无线标准的演化 * *Although ETSI the European standardization body started GSM, later ETSI and other standard bodies formed 3GPP and 3G and 4G standards were developed globally by 3GPP. For a while a standard body known as 3GPP2 competed with 3GPP and developed North American 3G CDMA standards based on IS-95 but 3GPP2 finally dissolved in

5 不同标准的峰值速率 Technology Theoretical peak data rate (at low mobility) GSM IS-95 GPRS EDGE CDMA-2000 (1xRTT) WCDMA (UMTS) HSDPA (Rel 5) CDMA-2000 (1x-EV-DO) HSPA+ (Rel 6) WiMAX (802.16e) LTE (Rel 8) WiMAX (802.16m) LTE-Advanced (Rel 10) 9.6 kb/s 14.4 kb/s kb/s 473 kb/s 307 kb/s 1.92 Mb/s 14 Mb/s 3.1 Mb/s 84 Mb/s 26 Mb/s 300 Mb/s 303 Mb/s 1 Gb/s 5

6 LTE 的演进 LTE (Release 8) 发布于 2008 年 LTE (Release 9) 发布于 2009 年, 基于 R8 做了微小的改动 LTE-Advanced = LTE-A = LTE Release 10 最大峰值速率 1Gbps 6

7 LTE 关键技术 基本接入方式 Downlink: OFDMA Uplink: SC-FDMA 多天线 (MIMO) 技术 自适应技术 自适应调制和编码 自适应预编码 自适应 MIMO 动态带宽分配 Turbo 码 7

8 OFDM 正交频分复用 多载波调制方案 ( 基于 FFT 变换 ) 在每个子载波 ( 窄带 ) 中独立传输数据 特点 抗多径衰落的健壮性 低复杂度的频域均衡器 1 G(ω)H(ω) ω 8

9 MIMO Multiple Input Multiple Output 使用多个发射和接收天线 Y = H*X + n h 1,1 X h 2,1 h 4,4 h 1,2 H= h 11 h 12 h 13 h 14 h 21 h 22 h 23 h 24 h 31 h 32 h 33 h 34 h 41 h 42 h 43 h 44 Y Multiple Input 信道 Multiple Output 9

10 自适应技术 自适应调制和编码 自适应预编码 自适应 MIMO 动态带宽分配 10

11 Turbo 码 LTE 标准的纠错码技术 性能 : 逼近信道容量 ( 香农界 ) 卷积码的演化 基于迭代译码 11

12 大纲 4G 综述 LTE 系统工具箱的应用 黄金参考模型 点到点链路级仿真 信号发生和分析 信号信息恢复 4G 系统的并行仿真加速 12

13 演示 : 下行一致性测试 Tx Ch Rx >> ltedlconformancetesttool 13

14 LTE 系统工具箱 Modulation ltesymbolmodulate 易用的高层模型 Demodulation ltesymboldemodulate Scrambling ltepdschprbs Layer Mapping LteLayerMap Layer Demapping ltelayerdemap Precoding LteDLPrecode Deprecoding ltelayerdeprecode 传输层信道函数 处理细节函数库 Scrambling Scrambling Modulation Modulation Layer Mapping Precoding Resource Mapping Resource Mapping Resource indices: ltepdschindices Complete PDSCH processing: Encoding: ltepdsch Decoding: ltepdschdecode Precoding Matrix Indication ltepmiselect ltepmiinfo ltecsicodebook 14

15 标准兼容 通过和已有仪器产生的信号一致性测试 Rohde & Schwarz Agilent 2009 年开始被工业界采用 Steepest Ascent 对现场采集的 LTE 信号成功解调 15

16 典型的应用场景 验证内部 LTE 物理层模型的黄金参考 完整的端到端链路级仿真 信号发生和分析 Transmitter Test Waveform Generation 信号信息恢复 16

17 1. 用于验证黄金参考模型 "We used LTE System Toolbox to validate our LTE baseband IP cores and example design C models. This meant we could trust our own C models matched the 3GPP specification and allowed us to verify our RTL designs against the C models with confidence. Catching issues early in simulation saved a lot of time later when it came to hardware testing. The MATLAB environment allowed us to rapidly assemble and run test cases." Bill Wilkie, Director of Communications Signal Processing (Europe), Xilinx. "Steepest Ascent's LTE Toolbox gave us much valued confidence in assessing our LTE physical layer performance. My team's decision to use the capabilities of the LTE Toolbox as reference to validate our LTE designs proved beneficial for risk reduction and accelerating project milestones, a choice I would support again. 17

18 用于验证黄金参考模型 目标 内部设计模型和外部参考模型的对照验证 特点 标准兼容的参考模型 不同层面的抽象 优点 底层 = 速率匹配 编码 中层 = 传输信道 降低风险 早期验证 规格的双重独立确认 18

19 用于验证黄金参考模型 演示 简明的下行设置 容易嵌入到自己编写代码之中 Uplink example: PUCCHMixedFormatsExample 19

20 2. 端到端的连路级仿真 "We rely on Steepest Ascent's LTE Toolbox for a variety of project needs. One use is as a golden reference for our own in-house simulator where the Toolbox's complete feature set has allowed us to build industrial strength simulations rapidly with guaranteed baseline requirements. Its extensible design enables us to customise these models for our own LTE research work. All this is made easier by the great documentation and excellent product support." 20

21 端到端的连路级仿真 目标 设计和优化 LTE 系统的子集 特点 完整的经过验证的环境 已有的测试链路级性能的仿真模型 吞吐率 BER 误帧率 优点 节约时间 容易维护 集中在需要修改的有价值的部分 21

22 端到端的连路级仿真 演示性能测试 信道均衡 % Perform frame synchronization offset = ltedlframeoffset(enb,rxwaveform); rxwaveform = rxwaveform(1+offset:end,:); % Align to frame start % Perform OFDM demodulation rxgrid = lteofdmdemodulate(enb,rxwaveform); 22

23 3. 信号发生和分析 Antenna builder company Initial response: The tool does too much Second thought: We need additional test cases and the LTE Toolbox provides more flexibility than is available from T&M vendors 23

24 信号发生和分析 目的 Tx Ch Rx 产生标准兼容的信号, 比如用于测试天线或者放大器组件 特点 优点 产生标准兼容的信号的高层工具 (ltermcultool,ltermcdltool,ltetestmodeltool) 强大的分析能力 (EVM, ACLR, ) Transmitter Test Waveform Generation 无需 LTE 专业知识 参数化和 MATLAB 带来的弹性 真实的测试组件和模型干扰的信号 24

25 信号发生和分析 Test Model Waveforms Tx Ch Rx TS Standard-compliant signal available in the MATLAB workspace >> ltetestmodeltool 25

26 信号发生和分析 E-TM (TS ) Tx Ch Rx % Generate test model waveform & populated resource grid [waveform,tmgrid,config]=ltetestmodeltool('1.1','5mhz'); Primary Synchronisation Signals Secondary Synchronisation Signals Broadcast Channel Unused Cell Specific Reference Signals Physical Control Format Indicator Channel Physical Downlink Control Channel Physical Downlink Shared Channel 26

27 LTE 标准兼容的信号 : 信号发生和传输 LAN/USB/GPIB RF Signal Generator hdownloadandplaywaveformusingn5172b.m 在 MATLAB 中产生 LTE 基带信号 下载到通用信号发生仪 配置和控制一起参数 Instrument Control Toolbox 27

28 LTE 标准兼容的信号 : 信号识别和分析 输入 IQ 数据到 MATLAB 可视化分析 Spectrum Analyzer LAN/USB/GPIB hcaptureiqusingn9010a.m 28

29 在 VSA 中分析接收到的 LTE 波形 TS Table EVM requirements 29

30 4. 信号信息的恢复 Defense company We have used Steepest Ascent software to successfully process the standards-based aspects of data produced from live exercises. Based on the excellent performance of the toolkit, we feel that our decision was correct and justified 30

31 4. 信号信息恢复 目标 从实际的 LTE 信号中提取信息 特点 同步和解调 诸如 MIB 和 SIB1 信号的提取 定位信息 优点 现成的解调能力 可扩展的基于 MATLAB 的解决方案 31

32 4. 信号信息恢复 演示 依据输入信号自动同步 MIB 解调和控制信道 搜索小区 ID 和定时 执行 执行 小区搜索 信道估计 MIB 译码 获取小区带宽 确认天线数和 PHICH 设置 32

33 LTE 系统工具箱 Modulation ltesymbolmodulate 易用的高层模型 Demodulation ltesymboldemodulate Scrambling ltepdschprbs Layer Mapping LteLayerMap Layer Demapping ltelayerdemap Precoding LteDLPrecode Deprecoding ltelayerdeprecode 传输层信道函数 处理细节函数库 Scrambling Scrambling Modulation Modulation Layer Mapping Precoding Resource Mapping Resource Mapping Resource indices: ltepdschindices Complete PDSCH processing: Encoding: ltepdsch Decoding: ltepdschdecode Precoding Matrix Indication ltepmiselect ltepmiinfo ltecsicodebook 33

34 粒度 : 高层接口 信号发生器 基于图形用户界面 MATLAB 函数 34

35 粒度 : 中层接口 传输信道 35

36 粒度 : 底层接口 PDSCH Fine Mid-level 36

37 LTE 系统工具箱支持 : Downlink Transport Channels & Control Information Uplink Transport Channels & Control Information DL-SCH HI UL-SCH UCI BCH CFI DCI Physical Channels and Signals Physical Channels and Signals PDSCH PDCCH PUSCH SRS PBCH Reference Signals PUCCH PRACH PCFICH PSS - SSS DRS (PUCCH) PHICH DRS (PUSCH) 37 37

38 大纲 4G 综述 LTE 系统工具箱的应用 黄金参考模型 点到点链路级仿真 信号发生和分析 信号信息恢复 4G 系统的并行仿真加速 38

39 并行 for 循环 (parfor) 串行 并行 << 初始化 >> << 初始化 >> p = parpool for i = 1:numel(SNRdB) end <<PDSCH 算法 >> parfor i = 1:numel(SNRdB) end <<PDSCH 算法 >> << 后处理 >> << 后处理 >> delete(p) 39

40 多核工作站加速 LTE 仿真 Parallel Computing Toolbox 桌面计算机 Local 核数 计算时间 ( 小时 ) 加速比 基线 x x x MATLAB Desktop (Client) PDSCH 一致性测试 (10 4 子帧 ) 40

41 计算机集群加速仿真 MATLAB Distributed Computing Server 桌面计算机 计算机集群 Local Cluster MATLAB Desktop (Client) Scheduler 41

42 Q & A 2014 The MathWorks, Inc. 42