В этом примере показано, как измерить пропускную способность физического общего канала нисходящей линии связи (PDSCH) в многопользовательском сценарии с множеством входов и множеством выходов (MU-MIMO) с LTE Toolbox™. Он моделирует режим передачи на основе некодовой книги, TM9, с блок-диагонализацией [1]. В этом примере поддерживаются как схемы дуплексирования с частотным разделением каналов (FDD), так и схемы дуплексирования с временным разделением каналов (TDD). Он также поддерживает использование Toolbox™ параллельных вычислений для сокращения эффективного времени моделирования.
В сценарии MU-MIMO вследствие одновременной передачи данных множеству пользователей межпользовательские помехи будут присутствовать в приемнике. Межпользовательские помехи в приемнике могут быть отменены с использованием методов предварительного кодирования в передатчике. Двумя методами линейного предварительного кодирования для передачи MU-MIMO являются инверсия канала и диагонализация блока. В этом примере используется предварительное кодирование блок-диагонализации. В этом примере измеряется пропускная способность PDSCH в сценарии MU-MIMO для ряда точек отношения сигнал/шум (SNR). Для получения информации о моделировании однопользовательского MIMO (SU-MIMO) в LTE см. следующий пример: Пропускная способность PDSCH для схем предварительного кодирования, не основанных на кодовых книгах: порт 5 (TM7), порт 7 или 8 или порт 7-8 (TM8), порт 7-14 (TM9 и TM10)
Простая блок-схема MU-MIMO с параметрами конфигурации моделирования по умолчанию, используемыми в примере, показана на следующем рисунке.

Параметры моделирования для базовой станции и пользователей конфигурируются в этом разделе. Пример выполняется для длины моделирования двух кадров для нескольких точек SNR. Увеличение NFrames увеличение времени моделирования и получение статистически значимых результатов производительности. Использовать переменную SNRIn для установки SNR он может быть массивом значений или скаляром. Согласно ограничениям в LTE [2], этот пример поддерживает максимум 4 пользователя с максимум 4 уровнями для всех пользователей. Максимальное количество слоев на пользователя - 2. Количество передающих антенн должно быть больше или равно общему количеству приемных антенн для 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, необходимых для TM9, указан ниже. В этом примере декодирование формата DCI не выполняется; DCIFormat поле включено для полноты. Массив ячеек muPDSCH сохраняет структуру конфигурации 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 сводку некоторых наиболее релевантных параметров моделирования.
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 eNireB и пользователями сохраняются в массиве ячеек. muChannel. Набор общих параметров для каждого канала изначально определен. Параметры, определенные здесь, используются с lteFadingChannel во время обработки подкадров.
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 можно получить с помощью функции 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
Для определения пропускной способности в каждой точке SNR цепочка обработки PDSCH подкадра за подкадром включает в себя:
Вычисление матрицы предварительного кодирования - совершенная оценка канала используется для вычисления матрицы предварительного кодирования для каждого пользователя. Подробное описание этого шага приводится в следующем разделе.
Обновление текущего процесса HARQ - для каждого пользователя используются отдельные процессы HARQ.
Создание формы сигнала передачи - для каждого пользователя генерируются отдельные символы PDSCH. Символы PDSCH предварительно кодируются вычисленной матрицей предварительного кодирования. Предварительно кодированные символы PDSCH, соответствующие UE, объединяются и модулируются OFDM.
Моделирование канала - передача сигнала через канал замирания каждому пользователю и добавление шума (AWGN)
Выполнение синхронизации и демодуляции OFDM - выполняется отдельно для каждого пользователя. Смещение принятых символов для учета комбинации задержки реализации и расширения задержки канала. OFDM демодулируют символы.
Декодирование PDSCH - выполняется отдельно для каждого пользователя. Совершенная оценка канала принимается в приемнике для операций декодирования. Получение оценки принятых кодовых слов с использованием ltePDSCHDecode демодулировать и дескремблировать восстановленные символы PDSCH для всех пар антенн передачи и приема.
Декодирование DL-SCH и сохранение блочного CRC - выполняется отдельно для каждого пользователя. Передать вектор декодированных мягких битов в lteDLSCHDecode, которая декодирует кодовое слово и возвращает ошибку блочного CRC, используемую для определения пропускной способности системы.
Матрица предварительного кодирования для каждого пользователя должна быть вычислена на основе оценок канала между eNireB и пользователями. Матрица предварительного кодирования вычисляется с использованием способа блок-диагонализации. Для вычисления матрицы предварительного кодирования в передатчике требуется информация о состоянии канала (CSI). В этом примере, для простоты, на базовой станции предполагается совершенное знание канала между eNireB и пользователями.
Для TDD оценки канала между eNireB и пользователями оцениваются в последнем подкадре UL перед подкадром DL. Эти оценки канала используются для вычисления матрицы предварительного кодирования, W. Все последующие подкадры DL (включая специальные подкадры) до следующего подкадра UL предварительно кодируются матрицей W.
Для FDD существует задержка одного подкадра между вычислениями W и подкадр, где он используется. Например, W используется в субкадре DL n был вычислен с оценками канала, полученными в субкадре DL n-1.
Функция hMultiUserPrecedMatrix вычисляет W используя следующие шаги:
Получение идеальной оценки канала для рассматриваемого подкадра для всех пользователей
Среднее значение оценок канала для всех выделенных RB
Вычислить матрицу предварительного кодирования с использованием метода блок-диагонализации согласно blkdiagbfweights функция.
Следует отметить, что для выделения одного блока ресурсов матрица предварительного кодирования обычно будет хорошо согласована с условиями канала с небольшим отклонением от оптимального предварительного кодирования. Но по мере увеличения размера выделения матрица предварительного кодирования учитывает среднее из условий канала по всему выделению. Это усреднение вызывает отклонение от оптимальной матрицы предварительного кодирования. Поэтому можно ожидать снижения производительности по мере увеличения объема выделяемых ресурсов.
Цикл «for» для обработки точек SNR включен ниже. Чтобы разрешить использование параллельных вычислений для увеличения скорости, используйте «parfor» вместо «for» в цикле. Для этого требуется панель инструментов параллельных вычислений. Если этот параметр не установлен, по умолчанию будет использоваться обычный оператор for.
% 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 по пропускной способности для всех пользователей отображаются в окне команд MATLAB ® после завершения моделирования для каждой точки SNR. Они также фиксируются в выходных массивахsimThroughput 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 достоверных результатов моделирование должно выполняться для большего числа кадров. На рисунке ниже показаны результаты по пропускной способности при моделировании 1000 кадров.

В этом примере используются следующие вспомогательные функции:
Спенсер К., А. Суиндлхерст, М. Хаардт. «Методы нулевого форсирования для пространственного мультиплексирования нисходящей линии связи в многоканальных MIMO-каналах». IEEE Transactions on Signal Processing, том 52, № 2, февраль 2004 года, стр. 461-471.
Лим К., Т. Ю, Б. Клеркс, Б. Ли, Б. Шим. «Недавняя тенденция многопользовательского MIMO в LTE-advanced». IEEE Communications Magazine, март 2013, стр. 127-135.