基于Matlab的3L基帶系統(tǒng)仿真平臺的實現(xiàn)

史曉霞，蔣　挺

(北京郵電大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，北京 100876)

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基于Matlab的3L基帶系統(tǒng)仿真平臺的實現(xiàn)

史曉霞，蔣挺

(北京郵電大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，北京 100876)

摘要隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)作為一種戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，近些年來發(fā)展迅猛，且具有良好的發(fā)展趨勢，但卻依舊無法像互聯(lián)網(wǎng)般普及大眾。在此基礎(chǔ)上，對物聯(lián)網(wǎng)目前的發(fā)展現(xiàn)狀及前景進(jìn)行了分析說明，針對物聯(lián)網(wǎng)對基帶系統(tǒng)低功耗、低成本和廣覆蓋的要求，提出了3L基帶通信系統(tǒng)，并設(shè)計出系統(tǒng)框架，搭建了基于Matlab的系統(tǒng)仿真平臺。通過分析系統(tǒng)仿真結(jié)果圖，得出3L基帶通信系統(tǒng)滿足物聯(lián)網(wǎng)需求，為以后物聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞物聯(lián)網(wǎng)；3L基帶系統(tǒng)；Matlab；仿真平臺

Implementation of Simulation Platform for 3L Baseband System Based on Matlab

SHI Xiao-xia，JIANG Ting

(CollegeofInformationandCommunicationEngineering,BeijingUniversityofPostsandTelecommunications,Beijing100876,China)

AbstractWith the development of network and information technology,the Internet of Things,as a strategic emerging industry,has a rapid development in recent years and has a good development trend,but still it can not achieve the popularization.On the basis of this,the present situation and prospect of the IOT are analyzed.As IOT requires that the baseband system has low power consumption,low cost and long distance,3L baseband communication system is presented,simulation framework is designed and a simulation platform based on MATLAB is created.Through the analysis of the system simulation results,it is concluded that the 3L baseband communication system meets the needs of the IoT,which is the foundation for the further development of the Internet of Things.

Key wordsIOT;3L baseband system;Matlab;simulation platform

0引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅速。物聯(lián)網(wǎng)目前被用于醫(yī)療衛(wèi)生、智能交通和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域，產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢良好，給人們的生活提供了便利。

物聯(lián)網(wǎng)作為國家五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，目前正在飛速地發(fā)展，但始終無法像互聯(lián)網(wǎng)一樣普及。文獻(xiàn)中有各方面對物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀與出現(xiàn)的問題進(jìn)行理論上的分析，總結(jié)起來主要由于物聯(lián)網(wǎng)不僅僅是人與人之間的互相連接，還延伸到了人與物、物與物[1]。在現(xiàn)實世界中物的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人的數(shù)據(jù)，而且遍布全球各地，這就導(dǎo)致了物聯(lián)網(wǎng)需要廣覆蓋，并且要達(dá)到普及大眾，還需要使終端有低成本、低損耗[2-10]。前人從理論上對其進(jìn)行分析，并未對物聯(lián)網(wǎng)終端之間的通信系統(tǒng)進(jìn)行軟件實現(xiàn)。本文就物聯(lián)網(wǎng)存在的問題進(jìn)行研究，實際提出了3L基帶通信系統(tǒng)，通過對系統(tǒng)框架等進(jìn)行設(shè)計，使得物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)低成本、低功耗和廣覆蓋，從而促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

13L基帶通信系統(tǒng)設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)中，為了獲取精確信息，在監(jiān)測區(qū)域通常部署著大量信息節(jié)點，可能達(dá)到成千上萬，甚至更多。一方面，信息節(jié)點可以分布在很大的地理區(qū)域內(nèi)；另一方面，信息節(jié)點部署很密集，在面積較小的空間內(nèi)，需要密集部署大量的傳感器節(jié)點。就物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)有的需求與亟待解決的問題，提出3L基帶通信系統(tǒng)，通過設(shè)計使其具有低功耗、低成本和廣覆蓋的特點。

1.1信道模型

3L基帶系統(tǒng)模型中上行鏈路信道為物理上行共享信道(PUSCH)，用來傳輸數(shù)據(jù)；下行鏈路信道分為物理廣播同步信道(PBSCH)和物理下行共享信道(PDSCH)。在系統(tǒng)中，無論是上行信道還是下行信道，均可通過提高擴(kuò)頻因子與重復(fù)次數(shù)對信號進(jìn)行加強(qiáng)。

本系統(tǒng)采用的是加性高斯白噪聲(Additive White Gaussian Noise，AWGN)信道。AWGN是最基本的噪聲與干擾模型。加性噪聲：疊加在信號上的一種噪聲，通常記為n(t)，而且無論有無信號，噪聲n(t)都是始終存在的。因此通常稱它為加性噪聲或者加性干擾。

在Matlab中，有許多種疊加白噪聲的信號處理函數(shù)，本系統(tǒng)采用的是awgn(sig_sx,Eb_N0(snrIdx),′measured′)，其可以通過衡量信號的大小來給信號加噪，以滿足實際需求。

1.2系統(tǒng)框架設(shè)計

3L基帶系統(tǒng)仿真平臺是基于Matlab搭建的仿真平臺，其包含了上行、下行鏈路的整個通信過程，包括發(fā)送和接收。下面將分別對上、下行的通信系統(tǒng)進(jìn)行詳述。

對于上行的整個通信過程，本系統(tǒng)設(shè)置的是AWGN信道，其發(fā)送機(jī)和接收機(jī)框圖對應(yīng)的上行發(fā)送和接收鏈路框圖，如圖1所示。

圖1　3L基帶系統(tǒng)的上行發(fā)送與接收鏈路

在3L基帶系統(tǒng)中的上行鏈路中包含一個信道，即上行數(shù)據(jù)共享信道PUSCH，其中主要是對數(shù)據(jù)的處理過程，包括加CRC、去CRC、編譯碼、加解擾、調(diào)制解調(diào)和上下采樣這些模塊，還有前導(dǎo)的添加。

對于下行的整個通信過程，本系統(tǒng)設(shè)置的是AWGN信道，其發(fā)送機(jī)和接收機(jī)框圖分別如圖2和圖3所示。

在3L基帶通信系統(tǒng)中的下行鏈路中主要包含2個信道，分別是廣播信道和數(shù)據(jù)共享信道，由于其在不同信道，本系統(tǒng)是對這2個信道中的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行了處理。對于廣播信道中，主要是主同步序列、輔同步序列和幀檢測序列的產(chǎn)生以及對SIB數(shù)據(jù)的處理。對SIB數(shù)據(jù)的處理包括加CRC、去CRC、編譯碼、交織、解交織、加解擾、調(diào)制解調(diào)和上下采樣這些模塊。對于數(shù)據(jù)共享信道，主要包括對DCI部分和用戶數(shù)據(jù)部分的處理，對這2部分?jǐn)?shù)據(jù)的處理也包含了加CRC、去CRC、編譯碼、交織、解交織、加解擾、調(diào)制解調(diào)和上下采樣這些模塊。

圖2　3L基帶系統(tǒng)的下行發(fā)送鏈路

圖3　3L基帶系統(tǒng)的下行接收鏈路

1.3上行鏈路仿真流程

上行鏈路中，含有一個信道，即PUSCH信道，其傳輸?shù)闹挥袛?shù)據(jù)。而這種數(shù)據(jù)處理需要將MAC數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼、重復(fù)、加擾、前導(dǎo)插入、星座映射和擴(kuò)頻，這是發(fā)送端中所要進(jìn)行的操作。為了更好地分析系統(tǒng)，對上行鏈路中的接收端部分，也相應(yīng)實現(xiàn)。上行鏈路的仿真流程如圖4所示。

由圖4可以看出，上行仿真流程大致分為以下步驟：首先，進(jìn)入系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化，設(shè)置參數(shù)，參數(shù)包括循環(huán)次數(shù)sim_num，這是為了得到較準(zhǔn)確的仿真結(jié)果，故而可以盡量將循環(huán)次數(shù)設(shè)置較大；循環(huán)控制信噪比范圍Eb_N0，這是為了方便與觀察在不同信噪比下的仿真結(jié)果；符號速率sym_rate以及幀長度Frame_length等其他常量按照規(guī)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置；模塊中算法選擇，如每次仿真可以使用不同的算法，從而使得方便觀察哪一種算法對實現(xiàn)3L系統(tǒng)更加有利。用戶需要修改的是sim_num、Eb_N0以及算法。

如果信噪比數(shù)snrIdx小于設(shè)定的信噪比數(shù)量，則進(jìn)行仿真次數(shù)的判斷，否則，顯示出仿真圖，結(jié)束。

如果仿真次數(shù)idx小于設(shè)定的仿真數(shù)量，則對用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，否則，對誤比特數(shù)和傳輸比特數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，并且進(jìn)行誤比特率的計算，判斷信噪比是否已經(jīng)全部仿真完成，重復(fù)第2步和第3步，直到對于所有的信噪比都已仿真完成，仿真流程結(jié)束。

圖4　3L基帶系統(tǒng)的上行仿真流程

1.4下行鏈路仿真流程

下行鏈路中，含有2個信道，分別是PDSCH信道和PBSCH信道，在PBSCH信道中主要是對同步序列和SIB數(shù)據(jù)的傳輸，在PDSCH信道中主要是對DCI和USERDATA的數(shù)據(jù)處理。下行鏈路的仿真流程如圖5所示。

首先，同上行一樣，進(jìn)入系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化，設(shè)置參數(shù)，參數(shù)包括：循環(huán)次數(shù)：sim_num；循環(huán)控制信噪比范圍：Eb_N0；模塊算法選擇；符號速率：sym_rate以及幀長度Frame_length。用戶可以修改的主要是循環(huán)次數(shù)和循環(huán)控制信噪比范圍。

如果信噪比數(shù)snrIdx小于設(shè)定的信噪比數(shù)量，則進(jìn)行仿真次數(shù)的判斷，否則，顯示出仿真圖，結(jié)束。

下行信道可分為廣播信道和數(shù)據(jù)信道，如果仿真次數(shù)idx小于設(shè)定的仿真數(shù)量，則分別對廣播數(shù)據(jù)部分和用戶共享信道部分進(jìn)行處理。對于廣播信道中產(chǎn)生的SIB數(shù)據(jù)進(jìn)入信道后，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；需要注意的是，在接收端要處理數(shù)據(jù)時需要利用到同步信息。

PDSCH信道中的數(shù)據(jù)也正常進(jìn)行傳輸。下行數(shù)據(jù)信道中的數(shù)據(jù)傳輸可分為2個部分：DCI傳輸和UserData傳輸。如果仿真次數(shù)idx超出設(shè)定的仿真數(shù)量，進(jìn)行誤比特率的計算，進(jìn)入下一輪信噪比的循環(huán)。當(dāng)對于所有的信噪比都已經(jīng)仿真完成，仿真流程結(jié)束。

圖5　3L基帶系統(tǒng)的下行仿真流程

2系統(tǒng)仿真與分析

在系統(tǒng)仿真中，以上行鏈路為例進(jìn)行分析說明，其中設(shè)置仿真參數(shù)中，傳輸速率為12 kbit/s，碼長為133 bits，碼率為1/2，幀數(shù)為10 000幀(為了結(jié)果比較精確，故設(shè)定為10 000)，信噪比為-16、-15、-14、-13、-12、-11和-10 dB(因在-10 dB之上，誤碼率基本為0，故只進(jìn)行到-10 dB)，仿真信道為AWGN信道，在此條件下對系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6　3L基帶系統(tǒng)的上行仿真結(jié)果

由圖6可以看出，與傳統(tǒng)通信系統(tǒng)的整體性能相比較，3L基帶通信系統(tǒng)的整體性能并沒有降低很多。而在上述的敘述中可以發(fā)現(xiàn)，與現(xiàn)有的通信系統(tǒng)相比較，3L基帶通信系統(tǒng)在系統(tǒng)設(shè)計上減少了許多信道。在現(xiàn)有的通信系統(tǒng)，信道基本可以分為邏輯信道、傳輸信道與物理信道，邏輯信道又會包括廣播控制信道等一系列控制信道，傳輸信道又包括廣播信道、尋呼信道和上下行共享信道等，物理信道主要是控制信道，各自擁有自己的功能?？傮w上，現(xiàn)有的通信系統(tǒng)的信道太多，且太復(fù)雜，而3L基帶通信系統(tǒng)在上行的信道設(shè)計上，只保留了傳輸數(shù)據(jù)的上行數(shù)據(jù)共享信道，而下行只包括廣播信道和下行數(shù)據(jù)共享信道。雖然在信道上做了大量簡化，但是并沒有影響信號傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，并且使得整個通信系統(tǒng)的復(fù)雜度降低，系統(tǒng)運行時間縮短，以通信系統(tǒng)的廣覆蓋、低成本特點，使得3L基帶通信系統(tǒng)整體上達(dá)到物聯(lián)網(wǎng)低成本、低功耗和廣覆蓋的需求。

3結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)可以被應(yīng)用到各行各業(yè)，但是其整體性價比較低，其需要低成本、低功耗和廣覆蓋。本文提出的3L基帶系統(tǒng)通過簡化信道設(shè)計使得整個系統(tǒng)復(fù)雜度低，又基于通信系統(tǒng)的廣覆蓋、低成本，使得所提出的系統(tǒng)符合物聯(lián)網(wǎng)的需求。本文通過搭建基于Matlab的3L基帶系統(tǒng)仿真平臺，并分別從上、下行鏈路描述了系統(tǒng)仿真流程，在一定程度上為3L基帶系統(tǒng)的進(jìn)一步完善和發(fā)展提供了參考?？梢酝ㄟ^對該系統(tǒng)進(jìn)一步研究，使得系統(tǒng)更加成熟完整，從而使得對物聯(lián)網(wǎng)的研究更加便捷，并且使其具有更高的性價比，物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展必將更加迅速，深入到人們的生活中。

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史曉霞女，(1991—)，碩士研究生。主要研究方向：短距離無線通信技術(shù)。

蔣挺男，(1962—)，教授。主要研究方向：通信技術(shù)、信息論研究和應(yīng)用。

作者簡介

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(61171176)。

收稿日期：2015-11-09

中圖分類號TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1003-3106(2016)03-0009-03

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.03.03

引用格式：史曉霞,蔣挺.基于Matlab的3L基帶系統(tǒng)仿真平臺的實現(xiàn)[J].無線電工程,2016,46(3):9-11，29.