Этот пример демонстрирует, как измерить физический нисходящий канал совместно использованный канал (PDSCH) эффективность пропускной способности в многопользовательском, которое несколько - вводят, несколько - выводят (MU-MIMO) сценарий с LTE Toolbox™. Это моделирует основанный на некниге шифров режим передачи, TM9, с диагонализацией блока [1]. Этот пример поддерживает и схемы дуплекса деления частоты (FDD) и дуплекса деления времени (TDD). Это также поддерживает использование Parallel Computing Toolbox™, чтобы уменьшать эффективное время симуляции.
В сценарии MU-MIMO, из-за одновременной передачи данных ко многому пользователю, межпользовательская интерференция будет присутствовать в приемнике. Межпользовательская интерференция в приемнике может быть отменена с помощью предварительного кодирования методов в передатчике. Два линейных метода перед кодированием для передачи MU-MIMO являются инверсией канала и диагонализацией блока. Этот пример использует предварительное кодирование диагонализации блока. Этот пример измеряет пропускную способность PDSCH в сценарии MU-MIMO для многих точек отношения сигнал-шум (SNR). Для получения информации о том, как смоделировать однопользовательский MIMO (SU-MIMO) в LTE, смотрят на следующий пример: Пропускная способность PDSCH для основанных на некниге шифров Схем Перед кодированием: Порт 5 (TM7), Порт 7 или 8 или Порт 7-8 (TM8), Порт 7-14 (TM9 и TM10)
Простую блок-схему MU-MIMO с параметрами конфигурации симуляции по умолчанию, используемыми в примере, показывают в следующем рисунке.
Параметры симуляции для базовой станции и пользователей сконфигурированы в этом разделе. Пример выполняется в течение продолжительности симуляции двух систем координат для многих точек ОСШ. Увеличьте NFrames
увеличить время симуляции и привести к статистически значительным результатам пропускной способности. Используйте переменную SNRIn
чтобы установить ОСШ, это может быть массив значений или скаляра. Согласно ограничениям в LTE [2], этот пример поддерживает максимум 4 пользователей, имеющих до 4 слоев через всех пользователей. Количеству максимальных слоев на пользователя 2 года. Количество антенн передачи должно быть больше или быть равно общему количеству, получают антенны через всех пользователей.
NFrames = 2; % Number of frames SNRIn = [8 14]; % SNR range in dB NUsers = 2; % Number of active users NTxAnts = 2; % Number of antennas at eNodeB % Specify UE-specific parameters muNumLayers = [1 1 1 1]; % Number of layers for a maximum of 4 users muNumRxAnts = [1 1 1 1]; % Number of receive antennas for a maximum of 4 users muCodeRate = [0.5 0.5 0.5 0.5]; % Code rate for a maximum of 4 users muModulation = {'16QAM';'16QAM';'16QAM';'16QAM'}; % Modulation for a maximum of 4 users
Набор параметров, требуемых для TM9, задан ниже. Этот пример не выполняет декодирование формата DCI; DCIFormat
поле включено для полноты. Массив ячеек muPDSCH
хранит конфигурационную структуру передачи PDSCH для всех пользователей.
% Initialize cell arrays of PDSCH transmission configuration structures, % transport block sizes and coded transport block sizes. muPDSCH = cell(NUsers,1); trBlkSizes = cell(NUsers,1); codedTrBlkSizes = cell(NUsers,1); simulationParameters = []; % clear simulation parameters simulationParameters.NDLRB = 50; simulationParameters.PDSCH.PRBSet = (0)'; simulationParameters.PDSCH.DCIFormat = 'Format2C'; simulationParameters.PDSCH.TxScheme = 'Port7-14'; simulationParameters.PDSCH.NTxAnts = NTxAnts; simulationParameters.DuplexMode = 'FDD'; % 'FDD', 'TDD' simulationParameters.TotSubframes = 1; % PDSCH configuration structure for users based on the common and % user-specific parameters ncw = zeros(NUsers,1); for userIdx = 1:NUsers simulationParameters.PDSCH.TargetCodeRate = muCodeRate(userIdx); simulationParameters.PDSCH.Modulation = muModulation{userIdx}; simulationParameters.PDSCH.NLayers = muNumLayers(userIdx); % Initialize W to zero simulationParameters.PDSCH.W = zeros(muNumLayers(userIdx),NTxAnts); % Downlink reference measurement channel configuration enb = lteRMCDL(simulationParameters); % PDSCH transmission configuration structure for users muPDSCH{userIdx}= enb.PDSCH; % Number of codewords for users ncw(userIdx) = length(muPDSCH{userIdx}.Modulation); % Store transport block sizes for users trBlkSizes{userIdx} = muPDSCH{userIdx}.TrBlkSizes; end % Assign redundancy version sequence rvSequence = muPDSCH{1}.RVSeq;
Распечатайте сводные данные некоторых более соответствующих параметров симуляции.
hMultiUserParameterSummary(enb,muPDSCH,muNumRxAnts);
Parameter summary for TM9 MU-MIMO Transmission ------------------------------------------------------------------ Duplexing mode: FDD Transmission mode: TM9(MU-MIMO) Transmission scheme: Port7-14 Number of downlink resource blocks: 50 Number of allocated resource blocks: 1 Number of transmit antennas: 2 ------------------------------------------------------------------ Number of Transmission layers for UE-1: 1 Number of codewords for UE-1: 1 Number of receive antennas for UE-1: 1 Modulation codeword 1: 16QAM Transport block sizes codeword 1: 208 208 208 208 208 208 208 208 208 208 Code rate codeword 1: 0.5088 0.5088 0.5088 0.5088 0.5088 0.5088 0.5088 0.5088 0.5088 0.5088 ------------------------------------------------------------------ Number of Transmission layers for UE-2: 1 Number of codewords for UE-2: 1 Number of receive antennas for UE-2: 1 Modulation codeword 1: 16QAM Transport block sizes codeword 1: 208 208 208 208 208 208 208 208 208 208 Code rate codeword 1: 0.5088 0.5088 0.5088 0.5088 0.5088 0.5088 0.5088 0.5088 0.5088 0.5088
Параметры конфигурации модели канала для канала между eNodeB и пользователями хранятся в массиве ячеек muChannel
. Набор общих параметров для каждого канала первоначально задан. Параметры, заданные здесь, используются с lteFadingChannel
во время обработки подкадра.
muChannel = cell(NUsers,1); channel = struct; channel.DelayProfile ='EPA'; % Delay profile 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
Частота дискретизации канала зависит от размера БПФ, используемого в модуляторе OFDM. Это может быть получено с помощью функционального lteOFDMInfo
.
ofdmInfo = lteOFDMInfo(enb); channel.SamplingRate = ofdmInfo.SamplingRate; % Independent channel configuration parameters for each user chanSeeds = [1111 2222 3333 4444]; % Channel seed for a maximum of 4 users dopplerFreq = [5 50 25 15]; % Doppler frequency for a maximum of 4 users for userIdx = 1:NUsers muChannel{userIdx}= channel; muChannel{userIdx}.Seed = chanSeeds(userIdx); % Channel seed muChannel{userIdx}.NRxAnts = muNumRxAnts(userIdx); % Number of receive antennas muChannel{userIdx}.DopplerFreq = dopplerFreq(userIdx);% Doppler frequency end
Чтобы определить пропускную способность в каждой точке ОСШ, подкадр подкадром PDSCH, обработка цепи включает:
При вычислении Матрицы Перед кодированием - совершенная оценка канала используется, чтобы вычислить матрицу перед кодированием для каждого пользователя. Подробное объяснение этого шага дано в следующем разделе.
Обновление Текущего Процесса HARQ - Отделяется, процессы HARQ используются для каждого пользователя.
Создание Формы волны Передачи - Отделяется, символы PDSCH сгенерированы для каждого пользователя. Символы PDSCH предварительно закодированы с расчетной матрицей перед кодированием. Предварительно закодированные символы PDSCH, соответствующие UEs, объединены, и OFDM модулируется.
Моделирование канала - Передача форма волны через исчезающий канал каждому пользователю и добавляет шум (AWGN)
Выполнение Синхронизации и Демодуляции OFDM - Отдельно выполненный для каждого пользователя. Возместите полученные символы с учетом комбинации задержки реализации и распространения задержки канала. OFDM демодулируют символы.
Декодирование PDSCH - Отдельно выполненный для каждого пользователя. Совершенная оценка канала принята в приемнике для декодирования операций. Получите оценку полученных кодовых комбинаций с помощью ltePDSCHDecode
демодулировать и дескремблировать восстановленные символы PDSCH за всю передачу и получить пары антенны.
Декодирование DL-SCH и Хранение CRC Блока - Отдельно выполненный для каждого пользователя. Передайте вектор декодируемых мягких битов к lteDLSCHDecode
, который декодирует кодовую комбинацию и возвращается, ошибка блока CRC раньше определяла пропускную способность системы.
Матрица перед кодированием для каждого пользователя должна быть вычислена на основе оценок канала между eNodeB и пользователями. Матрица перед кодированием вычисляется с помощью метода диагонализации блока. Для расчета матрицы перед кодированием информация о состоянии канала (CSI) требуется в передатчике. В этом примере, ради простоты, совершенное знание канала между eNodeB и пользователями принято в базовой станции.
Для TDD оценки канала между eNodeB и пользователями оцениваются в последнем подкадре UL перед подкадром DL. Эти оценки канала используются, чтобы вычислить матрицу перед кодированием, W
. Все последующие подкадры DL (включая специальные подкадры) до следующего подкадра UL предварительно закодированы с матричным W
.
Для FDD существует задержка одного подкадра между вычислением W
и подкадр, где это используется. Например, W
используемый в подкадре DL n
был вычислен с оценками канала, полученными в подкадре DL n-1
.
Функция hMultiUserPrecodingMatrix вычисляет W
использование следующих шагов:
Получите совершенную оценку канала для продуманного подкадра для всех пользователей
Насчитайте оценки канала для всего выделенного RBS
Вычислите матрицу перед кодированием использование метода диагонализации блока согласно blkdiagbfweights
функция.
Обратите внимание на то, что для выделения одного блока ресурса, матрица перед кодированием обычно будет хорошо соответствующей к условиям канала с небольшим отклонением от оптимального предварительного кодирования. Но когда размер выделения увеличивается, матрица перед кодированием учитывает среднее значение условий канала по целому выделению. Это усреднение вызывает отклонение от оптимальной матрицы перед кодированием. Поэтому можно ожидать ухудшение в эффективности как размер увеличений распределения ресурсов.
'Для' цикла для обработки точек ОСШ включен ниже. Чтобы включить использование параллельных вычислений для увеличенной скорости используют 'parfor' вместо 'для' в цикле. Это требует Parallel Computing Toolbox. Если это не будет установлено, то 'parfor' примет значение по умолчанию к нормальному 'для' оператора.
% Initialize variables used in the simulation and analysis maxThroughput = zeros(length(SNRIn),NUsers); simThroughput = zeros(length(SNRIn),NUsers); harqProcesses = cell(NUsers,1); % Initialize cell array for constellation plot rxConstellation = cell(numel(SNRIn),NUsers,2); % Copy the channel cell array and cell array of PDSCH transmission % configuration structure to optimize parallel processing (only if running % the example with Parallel Computing Toolbox) muChannelInit = muChannel; muPDSCHInit = muPDSCH; % During the simulation, some fields of enb will be updated, make a copy to % reinitialize it when simulating each SNR point enbInit = enb; % For TDD precalculate vector of subframe types: D, S and U for downlink, % special, and uplink, respectively if strcmpi(enb.DuplexMode,'TDD') subframeType = char(10,1); initialSubframeNo = enb.NSubframe; for sNo=0:9 % for all subframes in a frame enb.NSubframe = sNo; duplexInfo = lteDuplexingInfo(enb); subframeType(sNo+1) = duplexInfo.SubframeType(1); % first char: D, S or U end enb.NSubframe = initialSubframeNo; end % CFI can be a scalar, or a vector of length 10 (corresponding to a frame) % if the CFI varies per subframe. If CFI is scalar, create a local copy of % CFI as a vector (one value per subframe). if numel(enb.CFI) == 1 CFI = repmat(enb.CFI,1,10); else CFI = enb.CFI; end for snrIdx = 1:numel(SNRIn) % Comment out for parallel computing %parfor snrIdx = 1:numel(SNRIn) % Uncomment for parallel computing % Set the random number generator seed depending on the loop variable % to ensure independent random streams rng(snrIdx,'combRecursive'); % Reinitialize enb structures (they are modified during % each SNR point simulation) enb = enbInit; % Reinitialize muChannel and muPDSCH cell array muChannel = muChannelInit; muPDSCH = muPDSCHInit; % Initialize the state of all HARQ processes harqProcesses = cell(NUsers,1); for userIdx = 1:NUsers harqProcesses{userIdx} = hNewHARQProcess(enb,muPDSCH{userIdx}); end harqProcessSequence = 1; % Set up variables for the main loop lastOffset = zeros(NUsers,1); frameOffset = zeros(NUsers,1); blkCRC = []; rxSymbols = cell(NUsers,2); % DL-SCH symbols for constellation plot bitTput = cell(NUsers,1); txedTrBlkSizes = cell(NUsers,1); W = cell(NUsers,1); pdschIndices = []; pdschRho = 0; % Flag to indicate if a precoding matrix cell array W is available. isWready = false; % Flag to indicate if a subframe is to be processed. Set to true if % there is data to be processed in the subframe, i.e. non-zero transport % block size. processSubframe = false; % Main for loop: for all subframes for subframeNo = 0:(NFrames*10-1) % Update subframe number enb.NSubframe = subframeNo; % Load CFI for current subframe enb.CFI = CFI(mod(subframeNo,length(CFI))+1); % Get HARQ process ID for the subframe from HARQ process sequence harqID = harqProcessSequence(mod(subframeNo,... length(harqProcessSequence))+1); % Channel fading process time offset for the current subframe and % transport block size(s) trBlk = zeros(NUsers,2); % User can have maximum 2 transport block trBlkNext = zeros(NUsers,2); for userIdx = 1:NUsers % Initialize channel fading process time offset for each subframe muChannel{userIdx}.InitTime = subframeNo/1000; trBlk(userIdx,1:ncw(userIdx)) = trBlkSizes{userIdx}(:,mod(subframeNo, 10)+1).'; % Get transport block for next subframe trBlkNext(userIdx,1:ncw(userIdx))= trBlkSizes{userIdx}(:,mod(subframeNo+1,10)+1).'; end % Set the flag to trigger subframe processing if isWready && any(trBlk(:)) processSubframe = true; else processSubframe = false; end % Precoding matrix calculation if strcmpi(enb.DuplexMode,'TDD') % Estimate channel in UL subframe if strcmp(subframeType(mod(subframeNo,10)+1),'U') processSubframe = false; % UL subframe, no DL data % Only perform channel estimate if next subframe is DL if strcmp(subframeType(mod((subframeNo+1),10)+1),'D') W = hMultiUserPrecodingMatrix(enb,muPDSCH,muChannel); isWready = true; end end else %FDD % Calculate the precoding matrix for next subframe only if it % carries data (i.e. non-zero trBlkNext) if any(trBlkNext(:)) W = hMultiUserPrecodingMatrix(enb,muPDSCH,muChannel); isWready = true; else isWready = false; end end % Subframe processing if processSubframe % In this example, the variables pdschRho and pdschIndices will % have the same values for all users codedTrBlk = zeros(NUsers,2); for userIdx = 1:NUsers % Update current HARQ process for all users harqProcesses{userIdx}(harqID) = hHARQScheduling( ... harqProcesses{userIdx}(harqID), subframeNo, rvSequence); % Map precoding matrix of all users into PDSCH configuration % cell array muPDSCH{userIdx}.W = W{userIdx}; % PDSCH resource element power allocation in dB pdschRho = muPDSCH{userIdx}.Rho; % Generate indices for mapping of PDSCH symbols on resource % grid [pdschIndices,pdschInfo] = ltePDSCHIndices(enb,... muPDSCH{userIdx},muPDSCH{userIdx}.PRBSet); % Obtain coded transport block size codedTrBlk(userIdx,1:ncw(userIdx)) = pdschInfo.G; end % Generate grid without any PDSCH mapped [~,txGrid,enbOut] = lteRMCDLTool(enb,[]); % Get the HARQ ID sequence from 'enbOut' for HARQ processing harqProcessSequence = enbOut.PDSCH.HARQProcessSequence; % Generate complex-valued modulated symbol for PDSCH in multi-user % MIMO transmission with block-diagonalization precoding pdschSymbols = hMultiUserPDSCH(enb,muPDSCH,codedTrBlk,... harqProcesses,harqID); powerAdjPerRE = 10^(pdschRho/20); % Perform PDSCH symbols mapping on resource grid txGrid(pdschIndices) = pdschSymbols*powerAdjPerRE; % Perform OFDM modulation [waveform,ofdmInfo] = lteOFDMModulate(enb,txGrid); % 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 = [waveform; zeros(25,NTxAnts)]; % Calculate noise gain including compensation for downlink % power allocation SNR = 10^((SNRIn(snrIdx)-muPDSCH{userIdx}.Rho)/20); % Normalize noise power to take account of sampling rate, % which is a function of the IFFT size used in OFDM % modulation, and the number of antennas N0 = 1/(sqrt(2.0*NTxAnts*double(ofdmInfo.Nfft))*SNR); % Pass the waveform through noisy fading channels and receiver % operations for each user for userIdx = 1:NUsers % Pass data through channel model rxWaveform = lteFadingChannel(muChannel{userIdx},txWaveform); % 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 % Synchronization offset, OFDM demodulation, % perfect channel estimation, PDSCH and DL-SCH Decoding [harqProcesses{userIdx},dlschSymbols,lastOffset(userIdx)]... = hReceiverOperations(enb,muPDSCH{userIdx},rxWaveform,... muChannel{userIdx},harqProcesses{userIdx},trBlk(userIdx,... 1:ncw(userIdx)),lastOffset(userIdx),harqID,subframeNo,noise); % Store the decoded DLSCH symbols for constellation % plotting rxSymbols{userIdx,1} = [rxSymbols{userIdx,1}; dlschSymbols{1}(:)]; if ncw(userIdx)>1 rxSymbols{userIdx,2} = [rxSymbols{userIdx,2}; dlschSymbols{2}(:)]; end % Store values to calculate throughput % Only for subframes with data if(any(trBlk(userIdx,1:ncw(userIdx))) ~= 0) blkCRC = [blkCRC harqProcesses{userIdx}(harqID).blkerr]; bitTput{userIdx} = [bitTput{userIdx} ... trBlk(userIdx,1:ncw(userIdx)).*(1-harqProcesses{userIdx}(harqID).blkerr)]; txedTrBlkSizes{userIdx} = [txedTrBlkSizes{userIdx} ... trBlk(userIdx,1:ncw(userIdx))]; end end end end % Calculate the maximum and simulated throughput maxTput = zeros(NUsers,1); simTput = zeros(NUsers,1); for userIdx = 1:NUsers maxTput(userIdx) = sum(txedTrBlkSizes{userIdx}); % Max possible throughput simTput(userIdx) = sum(bitTput{userIdx},2); % Simulated throughput % Display the results dynamically in the command window fprintf('\nSNR = %.2f dB. Throughput for UE-%d %d Frame(s) = %.4f Mbps\n',... SNRIn(snrIdx),userIdx,NFrames,1e-6*simTput(userIdx)/(NFrames*10e-3)); fprintf('SNR = %.2f dB. Throughput(%%) for UE-%d %d Frame(s) = %.4f %%\n',... SNRIn(snrIdx),userIdx, NFrames,simTput(userIdx)*100/maxTput(userIdx)); end maxThroughput(snrIdx,:) = maxTput; simThroughput(snrIdx,:) = simTput; rxConstellation(snrIdx,:,:)= rxSymbols; end % Plot received symbol constellation for snrIdx = 1:numel(SNRIn) ii = 1; figure; for userIdx = 1:NUsers subplot(NUsers,max(ncw),ii); plot(rxConstellation{snrIdx,userIdx,1},'.r'); title(['User ' num2str(userIdx) ', Codeword 1, SNR '... num2str(SNRIn(snrIdx)) ' dB']); xlabel('In-Phase'); ylabel('Quadrature'); grid on; if size(rxConstellation{snrIdx,userIdx,2})~=0 ii = ii+1; subplot(NUsers,max(ncw),ii); plot(rxConstellation{snrIdx,userIdx,2},'.r'); title(['User ' num2str(userIdx) ', Codeword 2, SNR '... num2str(SNRIn(snrIdx)) ' dB']); xlabel('In-Phase'); ylabel('Quadrature'); grid on; end ii = ii+1; end end
SNR = 8.00 dB. Throughput for UE-1 2 Frame(s) = 0.0520 Mbps SNR = 8.00 dB. Throughput(%) for UE-1 2 Frame(s) = 26.3158 % SNR = 8.00 dB. Throughput for UE-2 2 Frame(s) = 0.1352 Mbps SNR = 8.00 dB. Throughput(%) for UE-2 2 Frame(s) = 68.4211 % SNR = 14.00 dB. Throughput for UE-1 2 Frame(s) = 0.1456 Mbps SNR = 14.00 dB. Throughput(%) for UE-1 2 Frame(s) = 73.6842 % SNR = 14.00 dB. Throughput for UE-2 2 Frame(s) = 0.1976 Mbps SNR = 14.00 dB. Throughput(%) for UE-2 2 Frame(s) = 100.0000 %
Результаты пропускной способности для всех пользователей отображены в командном окне MATLAB® после того, как симуляция для каждой точки ОСШ будет завершена. Они также получены в выходных массивах simThroughput
и maxThroughput
.
legendString = cell(NUsers,1); figure; for userIdx = 1:NUsers plot(SNRIn, simThroughput(:,userIdx)*100./maxThroughput(:,userIdx),'*-.'); hold on; legendString{userIdx} = strcat('UE-' ,num2str(userIdx), ': ', ... num2str(muNumLayers(userIdx)), ' layer(s), ' ,num2str(NTxAnts), ... ' TxAnt(s), ', num2str(muNumRxAnts(userIdx)), ' RxAnt(s)'); end grid on; xlabel('SNR (dB)'); ylabel('Throughput (%)'); legend(legendString,'Location','SouthEast');
Для статистически допустимых результатов симуляция должна быть запущена для большего числа систем координат. Фигура ниже показов пропускная способность заканчивается при симуляции 1 000 систем координат.
Этот пример использует следующие функции помощника:
Спенсер К., А. Свиндлехерст, М. Хардт. "Обеспечивающие нуль Методы для Нисходящего Пространственного Мультиплексирования в Многопользовательских Каналах MIMO". Транзакции IEEE на Обработке сигналов, Издании 52, № 2, февраль 2004, стр 461-471.
Лим К., Т. Ю, Б. Клерккс, Б. Ли, B. Контейнер. "Недавний тренд многопользовательского MIMO в усовершенствованном LTE". Коммуникационный Журнал IEEE, март 2013, стр 127-135.