В этом примере показано, как создать Узкополосную связь NB-IoT Физический Восходящий Разделяемый Канал (NPUSCH) Частота появления ошибочных блоков (BLER) симуляция в выборочном частотой исчезновении и Аддитивном белом Гауссовом шуме (AWGN) с помощью LTE Toolbox™.
3GPP ввел новый воздушный интерфейс, Узкополосную IOT (NB-IOT), оптимизированную для низких коммуникаций машины типа скорости передачи данных в Усовершенствованном LTE Pro Релиз 13. NB-IoT предоставляет стоимость и улучшения КПД степени, когда это избегает потребности в сигнализации комплекса, наверху требуемой для основанных на LTE систем.
Пример генерирует кривую BLER NB-IoT NPUSCH для многих точек ОСШ и параметров передачи. NPUSCH и узкополосный сигнал ссылки демодуляции (DRS) передаются во всех пазах. Действуя на основе паза пазом для каждой точки ОСШ, вычисление BLER включает эти шаги:
Сгенерируйте сетку ресурса и заполните ее с символами NPUSCH
Создайте основополосную форму волны SC-FDMA, модулирующим сетку
Передайте форму волны через шумный исчезающий канал
Выполните работу получателя (демодуляция SC-FDMA, оценка канала и эквализация)
Получите блок CRC путем декодирования компенсируемых символов
Определите производительность NPUSCH при помощи результата блока CRC при выходе декодера канала
Продолжительность симуляции является 5 транспортными блоками UL-SCH для многих точек ОСШ SNRdB
для различных повторений simReps
. Чтобы привести к значимым результатам пропускной способности, необходимо использовать большее число транспортных блоков (numTrBlks
). SNRdB
и simReps
может быть заданное как скаляр или числовой массив.
numTrBlks = 5; % Number of simulated transport blocks SNRdB = [-20 -18 -15 -12.5 -10 -6.4 -3.5 0.7]; % Range of SNR values in dB simReps = [2 16 64]; % Repetitions to simulate
В этом разделе мы конфигурируем параметры, требуемые для генерации NPUSCH. Существует два типа полезной нагрузки, заданной для передачи NPUSCH, формат 1 ('Данные') и формат 2 ('Управление'). Для формата 1 UE использует комбинацию схемы модуляции и кодирования (MCS) и присвоение ресурса, сообщенное через DCI, чтобы определить транспортный размер блока из набора, заданного в таблице 16.5.1.2-2 [3] TS 36.213. Для формата 2 NPUSCH несет ACK/NACK на 1 бит. chs.NPUSCHFormat
параметр задает формат и infoLen
задает транспортную длину блока. Параметры, используемые в этом примере, согласно A16-5 FRC, заданному в приложении A.16 [4] TS 36.104.
Операция HARQ NB-IoT имеет один или два процесса UL HARQ, и операция HARQ является асинхронной для NB-IoT UEs за исключением повторений в пакете. Операция Bundling использует сущность HARQ для вызова того же процесса HARQ для каждой передачи, которая является частью того же пакета. В пакете повторные передачи HARQ неадаптивны. Они инициированы, не ожидая обратной связи от приема предыдущих повторений. Восходящее предоставление, соответствующее новой передаче или повторной передаче пакета, только получено после последнего повторения пакета. Повторная передача пакета является также пакетом. Для получения дополнительной информации смотрите раздел TS 36.321 5.4.2 [5]. В этом примере не моделируются повторные передачи пакета.
ue = struct(); % Initialize the UE structure ue.NBULSubcarrierSpacing = '15kHz'; % 3.75kHz, 15kHz ue.NNCellID = 10; % Narrowband cell identity chs = struct(); chs.NPUSCHFormat = 'Data'; % NPUSCH payload type ('Data' or 'Control') % The number of subcarriers used for NPUSCH 'NscRU' depends on the NPUSCH % format and subcarrier spacing 'NBULSubcarrierSpacing' as shown in TS 36.211 % Table 10.1.2.3-1. There are 1,3,6 or 12 continuous subcarriers for NPUSCH chs.NBULSubcarrierSet = 0:11; % Range is 0-11 (15kHz); 0-47 (3.75kHz) chs.NRUsc = length(chs.NBULSubcarrierSet); % The symbol modulation depends on the NPUSCH format and NscRU as given by % TS 36.211 Table 10.1.3.2-1 chs.Modulation = 'QPSK'; chs.CyclicShift = 0; % Cyclic shift required when NRUsc = 3 or 6 chs.RNTI = 20; % RNTI value chs.NLayers = 1; % Number of layers chs.NRU = 1; % Number of resource units chs.SlotIdx = 0; % The slot index chs.NTurboDecIts = 5; % Number of turbo decoder iterations chs.CSI = 'On'; % Use channel CSI in PUSCH decoding % RV offset signaled via DCI (See 36.213 16.5.1.2) rvDCI = 0; % Calculate the RVSeq used according to the RV offset rvSeq = [2*mod(rvDCI+0,2) 2*mod(rvDCI+1,2)]; if strcmpi(chs.NPUSCHFormat,'Data') infoLen = 136; % Transport block size for NPUSCH format 1 elseif strcmpi(chs.NPUSCHFormat,'Control') infoLen = 1; % ACK/NACK bit for NPUSCH format 2 end
Структура channel
содержит параметры конфигурации модели канала.
channel = struct; % Initialize channel config structure channel.Seed = 6; % Channel seed channel.NRxAnts = 2; % 2 receive antennas channel.DelayProfile ='ETU'; % Delay profile channel.DopplerFreq = 1; % Doppler frequency in Hz channel.MIMOCorrelation = 'Low'; % Multi-antenna correlation channel.NTerms = 16; % Oscillators used in fading model channel.ModelType = 'GMEDS'; % Rayleigh fading model type channel.InitPhase = 'Random'; % Random initial phases channel.NormalizePathGains = 'On'; % Normalize delay profile power channel.NormalizeTxAnts = 'On'; % Normalize for transmit antennas
В этом примере, параметр perfectChannelEstimator
средства управления образовывают канал поведение средства оценки. Допустимыми значениями является true
или false
. Когда установлено в true
, используется совершенное средство оценки канала. В противном случае несовершенное средство оценки используется, на основе значений принятого ДОКТОРА NPUSCH.
% Channel estimator behavior
perfectChannelEstimator = true;
Структура cec
конфигурирует практическое средство оценки канала. Профиль задержки ETU с 1 Гц Доплер заставляет канал изменяться медленно в зависимости от времени. Чтобы гарантировать усреднение по всем поднесущим для блока ресурса, установите окно частоты на 23 Элемента Ресурса (REs).
% Configure channel estimator cec.PilotAverage = 'UserDefined'; % Type of pilot symbol averaging cec.TimeWindow = 1; % Time window size in REs cec.FreqWindow = 23; % Frequency window size in REs cec.InterpType = 'Cubic'; % 2D interpolation type
Для сигналов DRS в формате 1 NPUSCH скачкообразное движение группы последовательности может быть включено или отключено более высоким слоем специфичный для ячейки параметр groupHoppingEnabled
. Группа последовательности, скачкообразно двигающаяся для конкретного UE, может быть отключена через более высокий параметр слоя groupHoppingDisabled
как описано в Разделе TS 36.211 10.1.4.1.3 [1]. В этом примере мы используем SeqGroupHopping
параметр, чтобы включить или отключить скачкообразное движение группы последовательности
chs.SeqGroupHopping = 'on'; % Enable/Disable Sequence-Group Hopping for UE chs.SeqGroup = 0; % Higher-layer parameter groupAssignmentNPUSCH % Get number of time slots in a resource unit NULSlots according to % TS 36.211 Table 10.1.2.3-1 if strcmpi(chs.NPUSCHFormat,'Data') if chs.NRUsc == 1 NULSlots = 16; elseif any(chs.NRUsc == [3 6 12]) NULSlots = 24/chs.NRUsc; else error('Invalid number of subcarriers. NRUsc must be one of 1,3,6,12'); end elseif strcmpi(chs.NPUSCHFormat,'Control') NULSlots = 4; else error('Invalid NPUSCH Format (%s). NPUSCHFormat must be ''Data'' or ''Control''',chs.NPUSCHFormat); end chs.NULSlots = NULSlots;
Чтобы выполнить симуляцию уровня ссылки NB-IoT NPUSCH и результаты BLER графика для многих уровней повторения, этот пример выполняет следующие шаги:
Для передачи формата 1 NPUSCH для передачи данных UL:
Сгенерируйте случайный поток битов с размером желаемого транспортного блока
Выполните кодирование CRC, турбо кодирование и уровень, соответствующий, чтобы создать биты NPUSCH
Чередуйте биты на модуль ресурса, чтобы применить время, сначала сопоставляющее и создать кодовую комбинацию NPUSCH
Для формата 2 NPUSCH, используемого в сигнализации об обратной связи HARQ для NPDSCH:
Выполните битное повторение индикатора HARQ, чтобы создать кодовую комбинацию NPUSCH
Затем для любого формат NPUSCH:
Выполните скремблирование, модуляцию, отображение слоя и предварительное кодирование на кодовой комбинации, чтобы сформировать комплексные символы NPUSCH
Сопоставьте символы NPUSCH и соответствующий DRS к сетке ресурса
Сгенерируйте форму волны области времени путем выполнения модуляции SC-FDMA сетки ресурса
Передайте форму волны через исчезающий канал с AWGN
Восстановите переданную сетку путем выполнения синхронизации, оценки канала и эквализации MMSE
Извлеките символы NPUSCH
Восстановите транспортный блок путем демодуляции символов и канала, декодирующего получившиеся битные оценки
После дескремблирования повторяющиеся пазы мягко объединены перед восстановлением уровня. Транспортная частота появления ошибочных блоков вычисляется для каждой точки ОСШ. Оценка частоты появления ошибочных блоков основана на предположении, что все пазы в пакете используются, чтобы декодировать транспортный блок в UE. Пакет задан в слое MAC (см. 3GPP TS 36.321 5.4.2.1 [3]) как NPUSCH.NRU
NPUSCH.NULSlots
NPUSCH.NRep
пазы раньше несли транспортный блок.
% Get the slot grid and number of slots per frame if strcmpi(ue.NBULSubcarrierSpacing,'15kHz') slotGridSize = [12, 7]; NSlotsPerFrame = 20; % Slots 0...19 else slotGridSize = [48, 7]; NSlotsPerFrame = 5; % Slots 0...4 end tSlot = 10e-3/NSlotsPerFrame; % Slot duration % Get a copy of the configuration variables ue, chs and channel to create % independent simulation parfor loops ueInit = ue; chsInit = chs; channelInit = channel; for repIdx = 1:numel(simReps) chsInit.NRep = simReps(repIdx); % Number of repetitions of the NPUSCH NSlotsPerBundle = chsInit.NRU*chsInit.NULSlots*chsInit.NRep; % Number of slots in a codeword bundle TotNSlots = numTrBlks*NSlotsPerBundle; % Total number of simulated slots % Initialize BLER and throughput result maxThroughput = zeros(length(SNRdB),1); simThroughput = zeros(length(SNRdB),1); bler = zeros(1,numel(SNRdB)); % Initialize BLER result for snrIdx = 1:numel(SNRdB) % parfor snrIdx = 1:numel(SNRdB) % To enable the use of parallel computing for increased speed comment out % the 'for' statement above and uncomment the 'parfor' statement below. % This needs the Parallel Computing Toolbox (TM). If this is not installed % 'parfor' will default to the normal 'for' statement. % Set the random number generator seed depending on the loop variable % to ensure independent random streams rng(snrIdx,'combRecursive'); ue = ueInit; % Initialize ue configuration chs = chsInit; % Initialize chs configuration channel = channelInit; % Initialize fading channel configuration numBlkErrors = 0; % Number of transport blocks with errors estate = struct('SlotIdx',chs.SlotIdx); % Initialize NPUSCH encoder state dstate = estate; % Initialize NPUSCH decoder state lastOffset = 0; % Initialize overall frame timing offset trblk = []; % Initialize the transport block % Display the number of slots being generated fprintf('\nGenerating %d slots corresponding to %d transport block(s) at %gdB SNR\n',TotNSlots,numTrBlks,SNRdB(snrIdx)); for slotIdx = 0+(0:TotNSlots-1) % Calculate the frame number and slot number within the frame ue.NFrame = fix(slotIdx/NSlotsPerFrame); ue.NSlot = mod(slotIdx,NSlotsPerFrame); % Create the slot grid slotGrid = zeros(slotGridSize); if isempty(trblk) % Initialize transport channel decoder state dstateULSCH = []; if strcmpi(chs.NPUSCHFormat,'Data') % UL-SCH encoding is performed for the two RV values used for % transmitting the codewords. The RV sequence used is determined % from the rvDCI value signaled in the DCI and alternates % between 0 and 2 as given in TS 36.213 Section 16.5.1.2 % Define the transport block which will be encoded to create the % codewords for different RV trblk = randi([0 1],infoLen,1); % Determine the coded transport block size [~, info] = lteNPUSCHIndices(ue,chs); outblklen = info.G; % Create the codewords corresponding to the two RV values used % in the first and second block, this will be repeated till all % blocks are transmitted chs.RV = rvSeq(1); % RV for the first block cw = lteNULSCH(chs,outblklen,trblk); % CRC and Turbo coding is repeated chs.RV = rvSeq(2); % RV for the second block cw = [cw lteNULSCH(chs,outblklen,trblk)]; %#ok<AGROW> % CRC and Turbo coding is repeated else trblk = randi([0 1],1); % 1 bit ACK % For ACK, the same codeword is transmitted every block as % defined in TS 36.212 Section 6.3.3 cw = lteNULSCH(trblk); end blockIdx = 0; % First block to be transmitted end % Copy SlotIdx for the SCFDMA modulator chs.SlotIdx = estate.SlotIdx; % Set the RV used for the current transport block chs.RV = rvSeq(mod(blockIdx,size(rvSeq,2))+1); % NPUSCH encoding and mapping onto the slot grid txsym = lteNPUSCH(ue,chs,cw(:,mod(blockIdx,size(cw,2))+1),estate); slotGrid(lteNPUSCHIndices(ue,chs)) = txsym; % NPUSCH DRS and mapping on to the slot grid [dmrs,estate] = lteNPUSCHDRS(ue,chs,estate); slotGrid(lteNPUSCHDRSIndices(ue,chs)) = dmrs; % If a full block is transmitted, increment the clock counter so that % the correct codeword can be selected if estate.EndOfBlk blockIdx = blockIdx + 1; end % Perform SC-FDMA modulation to create the time domain waveform [txWaveform,scfdmaInfo] = lteSCFDMAModulate(ue,chs,slotGrid); % Add 25 sample padding. This is to cover the range of delays % expected from channel modeling (a combination of % implementation delay and channel delay spread) txWaveform = [txWaveform; zeros(25, size(txWaveform,2))]; %#ok<AGROW> % Initialize channel time for each slot channel.InitTime = slotIdx*tSlot; % Pass data through channel model channel.SamplingRate = scfdmaInfo.SamplingRate; [rxWaveform,fadingInfo] = lteFadingChannel(channel, txWaveform); % Calculate noise gain SNR = 10^(SNRdB(snrIdx)/20); % Normalize noise power to take account of sampling rate, which is % a function of the IFFT size used in SC-FDMA modulation N0 = 1/(sqrt(2.0*double(scfdmaInfo.Nfft))*SNR); % Create additive white Gaussian noise noise = N0*complex(randn(size(rxWaveform)), ... randn(size(rxWaveform))); % Add AWGN to the received time domain waveform rxWaveform = rxWaveform + noise; %------------------------------------------------------------------ % Receiver %------------------------------------------------------------------ % Perform timing synchronization, extract the appropriate % subframe of the received waveform, and perform SC-FDMA % demodulation if (perfectChannelEstimator) offset = hPerfectTimingEstimate(fadingInfo); else offset = lteULFrameOffsetNPUSCH(ue, chs, rxWaveform, dstate); if (offset > 25) || (offset < 0) offset = lastOffset; end lastOffset = offset; end % Synchronize the received waveform rxWaveform = rxWaveform(1+offset:end, :); % Perform SC-FDMA demodulation on the received data to recreate the % resource grid rxSlot = lteSCFDMADemodulate(ue,chs,rxWaveform); % Channel estimation if (perfectChannelEstimator) % Perfect channel estimation ue.TotSlots = 1; % Channel estimate for 1 slot estChannelGrid = lteULPerfectChannelEstimate(ue, chs, channel, offset); noiseGrid = lteSCFDMADemodulate(ue,chs,noise(1+offset:end ,:)); noiseEst = var(noiseGrid(:)); else [estChannelGrid, noiseEst] = lteULChannelEstimateNPUSCH(ue, chs, cec, rxSlot, dstate); end % Get NPUSCH indices npuschIndices = lteNPUSCHIndices(ue,chs); % Get NPUSCH resource elements from the received slot [rxNpuschSymbols, npuschHest] = lteExtractResources(npuschIndices, ... rxSlot, estChannelGrid); % Decode NPUSCH [rxcw,dstate,symbols] = lteNPUSCHDecode(... ue, chs, rxNpuschSymbols, npuschHest, noiseEst,dstate); % Decode the transport block when all the slots in a block have % been received if dstate.EndOfBlk % Soft-combining at transport channel decoder [out, err, dstateULSCH] = lteNULSCHDecode(chs,infoLen,rxcw,dstateULSCH); end % If all the slots in the bundle have been received, count the % errors and reinitialize for the next bundle if dstate.EndOfTx if strcmpi(chs.NPUSCHFormat,'Control') err = ~isequal(out,trblk); end numBlkErrors = numBlkErrors + err; % Re-initialize to enable the transmission of a new transport % block trblk = []; end end % Calculate the block error rate bler(snrIdx) = numBlkErrors/numTrBlks; fprintf('NPUSCH BLER = %.4f \n',bler(snrIdx)); % Calculate the maximum and simulated throughput maxThroughput(snrIdx) = infoLen*numTrBlks; % Max possible throughput simThroughput(snrIdx) = infoLen*(numTrBlks-numBlkErrors); % Simulated throughput fprintf('NPUSCH Throughput(%%) = %.4f %%\n',simThroughput(snrIdx)*100/maxThroughput(snrIdx)); end % Plot Block Error Rate vs SNR Results if repIdx == 1 figure; grid on; hold on; xlabel('SNR (dB)'); ylabel('BLER'); legendstr = {['NRep = ' num2str(chsInit.NRep)]}; else legendstr = [legendstr ['NRep = ' num2str(chsInit.NRep)]]; %#ok<AGROW> end plot(SNRdB, bler, '-o'); end % Set figure title title(sprintf(' NPUSCH Carrying %s: NRUsc = %d, NRU = %d, TBS = %d',... chsInit.NPUSCHFormat,chsInit.NRUsc,chsInit.NRU,infoLen)); legend(legendstr);
Generating 20 slots corresponding to 5 transport block(s) at -20dB SNR NPUSCH BLER = 1.0000 NPUSCH Throughput(%) = 0.0000 % Generating 20 slots corresponding to 5 transport block(s) at -18dB SNR NPUSCH BLER = 1.0000 NPUSCH Throughput(%) = 0.0000 % Generating 20 slots corresponding to 5 transport block(s) at -15dB SNR NPUSCH BLER = 1.0000 NPUSCH Throughput(%) = 0.0000 % Generating 20 slots corresponding to 5 transport block(s) at -12.5dB SNR NPUSCH BLER = 1.0000 NPUSCH Throughput(%) = 0.0000 % Generating 20 slots corresponding to 5 transport block(s) at -10dB SNR NPUSCH BLER = 1.0000 NPUSCH Throughput(%) = 0.0000 % Generating 20 slots corresponding to 5 transport block(s) at -6.4dB SNR NPUSCH BLER = 0.4000 NPUSCH Throughput(%) = 60.0000 % Generating 20 slots corresponding to 5 transport block(s) at -3.5dB SNR NPUSCH BLER = 0.0000 NPUSCH Throughput(%) = 100.0000 % Generating 20 slots corresponding to 5 transport block(s) at 0.7dB SNR NPUSCH BLER = 0.0000 NPUSCH Throughput(%) = 100.0000 % Generating 160 slots corresponding to 5 transport block(s) at -20dB SNR NPUSCH BLER = 1.0000 NPUSCH Throughput(%) = 0.0000 % Generating 160 slots corresponding to 5 transport block(s) at -18dB SNR NPUSCH BLER = 1.0000 NPUSCH Throughput(%) = 0.0000 % Generating 160 slots corresponding to 5 transport block(s) at -15dB SNR NPUSCH BLER = 0.6000 NPUSCH Throughput(%) = 40.0000 % Generating 160 slots corresponding to 5 transport block(s) at -12.5dB SNR NPUSCH BLER = 0.2000 NPUSCH Throughput(%) = 80.0000 % Generating 160 slots corresponding to 5 transport block(s) at -10dB SNR NPUSCH BLER = 0.0000 NPUSCH Throughput(%) = 100.0000 % Generating 160 slots corresponding to 5 transport block(s) at -6.4dB SNR NPUSCH BLER = 0.0000 NPUSCH Throughput(%) = 100.0000 % Generating 160 slots corresponding to 5 transport block(s) at -3.5dB SNR NPUSCH BLER = 0.0000 NPUSCH Throughput(%) = 100.0000 % Generating 160 slots corresponding to 5 transport block(s) at 0.7dB SNR NPUSCH BLER = 0.0000 NPUSCH Throughput(%) = 100.0000 % Generating 640 slots corresponding to 5 transport block(s) at -20dB SNR NPUSCH BLER = 1.0000 NPUSCH Throughput(%) = 0.0000 % Generating 640 slots corresponding to 5 transport block(s) at -18dB SNR NPUSCH BLER = 0.6000 NPUSCH Throughput(%) = 40.0000 % Generating 640 slots corresponding to 5 transport block(s) at -15dB SNR NPUSCH BLER = 0.2000 NPUSCH Throughput(%) = 80.0000 % Generating 640 slots corresponding to 5 transport block(s) at -12.5dB SNR NPUSCH BLER = 0.0000 NPUSCH Throughput(%) = 100.0000 % Generating 640 slots corresponding to 5 transport block(s) at -10dB SNR NPUSCH BLER = 0.0000 NPUSCH Throughput(%) = 100.0000 % Generating 640 slots corresponding to 5 transport block(s) at -6.4dB SNR NPUSCH BLER = 0.0000 NPUSCH Throughput(%) = 100.0000 % Generating 640 slots corresponding to 5 transport block(s) at -3.5dB SNR NPUSCH BLER = 0.0000 NPUSCH Throughput(%) = 100.0000 % Generating 640 slots corresponding to 5 transport block(s) at 0.7dB SNR NPUSCH BLER = 0.0000 NPUSCH Throughput(%) = 100.0000 %
Большее число транспортных блоков, numTrBlks
должен использоваться, чтобы привести к значимым результатам пропускной способности. Следующий график показывает симуляцию, запущенную с numTrBlks
установите на 5 000 для различных повторений с совершенным средством оценки канала.
3GPP TS 36.211 "Физические каналы и модуляция"
3GPP TS 36.212 "Мультиплексирование и кодирование канала"
3GPP TS 36.213 "Процедуры физического уровня"
3GPP TS 36.104 "Передача радио базовой станции (BS) и прием"
3GPP TS 36.321 "Среднее управление доступом (MAC); спецификация Протокола"
3GPP TS 36.331 "Радио-управление ресурсами (RRC); спецификация Протокола"
3GPP TS 36.300 "Полное описание; Этап 2 дюйма
О. Либерг, М. Зундберг, Y.-P. Ван, Дж. Бергман и Дж. Сакс, сотовый Интернет вещей: технологии, стандарты и производительность, Elsevier, 2018.
Следующая функция помощника используется в этом примере:
hPerfectTimingEstimate
: Совершенная синхронизация возместила вычисление