LTE网络系统架构 lte系统网络结构图

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mob64ca13f7419f 2023-12-01 12:10:12

文章标签 LTE网络系统架构网络算法文档资料下行链路 文章分类 架构后端开发

LTE（长期演进）下行链路 PHY（物理）层处理链路可以认为是下行链路共享信道（DLSCH）和物理下行链路共享信道（PDSCH）处理的组合。DLSCH 即下行链路传输信道 TrCH。

LTE下行链路物理模型描述，具体可参照之前文章：

本节主要学习 LTE物理信道的调制与解调功能，文末给出仿真代码。

1、调制

LTE使用的调制方案包括：QPSK, QAM16 和 QAM64。图1所示为三个调制方案的星座图：

LTE网络系统架构 lte系统网络结构图_下行链路

LTE网络系统架构 lte系统网络结构图_算法_02

LTE网络系统架构 lte系统网络结构图_文档资料_03

图1 LTE 三种调制方案星座图

1.1 QPSK调制器映射规则

表1 LTE中QPSK调制映射器规则

载荷比特图形	调制符号
	同相（I）	正交（Q）
00	$\frac{1}{\sqrt{2}}$	$\frac{1}{\sqrt{2}}$
01	$\frac{1}{\sqrt{2}}$	$-\frac{1}{\sqrt{2}}$
10	$-\frac{1}{\sqrt{2}}$	$\frac{1}{\sqrt{2}}$
11	$-\frac{1}{\sqrt{2}}$	$-\frac{1}{\sqrt{2}}$

1.2 QAM16 调制器映射规则

表2 LTE中QAM16调制映射器规则

载荷比特图形	调制符号		载荷比特图形	调制符号
载荷比特图形	同相（I）	正交（Q）	载荷比特图形	同相（I）	正交（Q）
0000	$\frac{1}{\sqrt{10}}$	$\frac{1}{\sqrt{10}}$	1000	$-\frac{1}{\sqrt{10}}$	$\frac{1}{\sqrt{10}}$
0001	$\frac{1}{\sqrt{10}}$	$\frac{3}{\sqrt{10}}$	1001	$-\frac{1}{\sqrt{10}}$	$\frac{3}{\sqrt{10}}$
0010	$\frac{3}{\sqrt{10}}$	$\frac{1}{\sqrt{10}}$	1010	$-\frac{3}{\sqrt{10}}$	$\frac{1}{\sqrt{10}}$
0011	$\frac{3}{\sqrt{10}}$	$\frac{3}{\sqrt{10}}$	1011	$-\frac{3}{\sqrt{10}}$	$\frac{3}{\sqrt{10}}$
0100	$\frac{1}{\sqrt{10}}$	$-\frac{1}{\sqrt{10}}$	1100	$-\frac{1}{\sqrt{10}}$	$-\frac{1}{\sqrt{10}}$
0101	$\frac{1}{\sqrt{10}}$	$-\frac{3}{\sqrt{10}}$	1101	$-\frac{1}{\sqrt{10}}$	$-\frac{3}{\sqrt{10}}$
0110	$\frac{3}{\sqrt{10}}$	$-\frac{1}{\sqrt{10}}$	1110	$-\frac{3}{\sqrt{10}}$	$-\frac{1}{\sqrt{10}}$
0111	$\frac{3}{\sqrt{10}}$	$-\frac{3}{\sqrt{10}}$	1111	$-\frac{3}{\sqrt{10}}$	$-\frac{3}{\sqrt{10}}$

1.3 QAM64 调制器映射规则

表3 LTE中QAM64调制映射器规则

载荷比特图形	调制符号		载荷比特图形	调制符号
载荷比特图形	同相（I）	正交（Q）	载荷比特图形	同相（I）	正交（Q）
000000	$\frac{3}{\sqrt{42}}$	$\frac{3}{\sqrt{42}}$	100000	$-\frac{3}{\sqrt{42}}$	$\frac{3}{\sqrt{42}}$
000001	$\frac{3}{\sqrt{42}}$	$\frac{1}{\sqrt{42}}$	100001	$-\frac{3}{\sqrt{42}}$	$\frac{1}{\sqrt{42}}$
000010	$\frac{1}{\sqrt{42}}$	$\frac{3}{\sqrt{42}}$	100010	$-\frac{1}{\sqrt{42}}$	$\frac{3}{\sqrt{42}}$
000011	$\frac{1}{\sqrt{42}}$	$\frac{1}{\sqrt{42}}$	100011	$-\frac{1}{\sqrt{42}}$	$\frac{1}{\sqrt{42}}$
000100	$\frac{3}{\sqrt{42}}$	$\frac{5}{\sqrt{42}}$	100100	$-\frac{3}{\sqrt{42}}$	$\frac{5}{\sqrt{42}}$
000101	$\frac{3}{\sqrt{42}}$	$\frac{7}{\sqrt{42}}$	100101	$-\frac{3}{\sqrt{42}}$	$\frac{7}{\sqrt{42}}$
000110	$\frac{1}{\sqrt{42}}$	$\frac{5}{\sqrt{42}}$	100110	$-\frac{1}{\sqrt{42}}$	$\frac{5}{\sqrt{42}}$
000111	$\frac{1}{\sqrt{42}}$	$\frac{7}{\sqrt{42}}$	100111	$-\frac{1}{\sqrt{42}}$	$\frac{7}{\sqrt{42}}$
001000	$\frac{5}{\sqrt{42}}$	$\frac{3}{\sqrt{42}}$	101000	$-\frac{5}{\sqrt{42}}$	$\frac{3}{\sqrt{42}}$
001001	$\frac{5}{\sqrt{42}}$	$\frac{1}{\sqrt{42}}$	101001	$-\frac{5}{\sqrt{42}}$	$\frac{1}{\sqrt{42}}$
001010	$\frac{7}{\sqrt{42}}$	$\frac{3}{\sqrt{42}}$	101010	$-\frac{7}{\sqrt{42}}$	$\frac{3}{\sqrt{42}}$
001011	$\frac{7}{\sqrt{42}}$	$\frac{1}{\sqrt{42}}$	101011	$-\frac{7}{\sqrt{42}}$	$\frac{1}{\sqrt{42}}$
001100	$\frac{5}{\sqrt{42}}$	$\frac{5}{\sqrt{42}}$	101100	$-\frac{5}{\sqrt{42}}$	$\frac{5}{\sqrt{42}}$
001101	$\frac{5}{\sqrt{42}}$	$\frac{7}{\sqrt{42}}$	101101	$-\frac{5}{\sqrt{42}}$	$\frac{7}{\sqrt{42}}$
001110	$\frac{7}{\sqrt{42}}$	$\frac{5}{\sqrt{42}}$	101110	$-\frac{7}{\sqrt{42}}$	$\frac{5}{\sqrt{42}}$
001111	$\frac{7}{\sqrt{42}}$	$\frac{7}{\sqrt{42}}$	101111	$-\frac{7}{\sqrt{42}}$	$\frac{7}{\sqrt{42}}$
010000	$\frac{3}{\sqrt{42}}$	$-\frac{3}{\sqrt{42}}$	110000	$-\frac{3}{\sqrt{42}}$	$-\frac{3}{\sqrt{42}}$
010001	$\frac{3}{\sqrt{42}}$	$-\frac{1}{\sqrt{42}}$	110001	$-\frac{3}{\sqrt{42}}$	$-\frac{1}{\sqrt{42}}$
010010	$\frac{1}{\sqrt{42}}$	$-\frac{3}{\sqrt{42}}$	110010	$-\frac{1}{\sqrt{42}}$	$-\frac{3}{\sqrt{42}}$
010011	$\frac{1}{\sqrt{42}}$	$-\frac{1}{\sqrt{42}}$	110011	$-\frac{1}{\sqrt{42}}$	$-\frac{1}{\sqrt{42}}$
010100	$\frac{3}{\sqrt{42}}$	$-\frac{5}{\sqrt{42}}$	110100	$-\frac{3}{\sqrt{42}}$	$-\frac{5}{\sqrt{42}}$
010101	$\frac{3}{\sqrt{42}}$	$-\frac{7}{\sqrt{42}}$	110101	$-\frac{3}{\sqrt{42}}$	$-\frac{7}{\sqrt{42}}$
010110	$\frac{1}{\sqrt{42}}$	$-\frac{5}{\sqrt{42}}$	110110	$-\frac{1}{\sqrt{42}}$	$-\frac{5}{\sqrt{42}}$
010111	$\frac{1}{\sqrt{42}}$	$-\frac{7}{\sqrt{42}}$	110111	$-\frac{1}{\sqrt{42}}$	$-\frac{7}{\sqrt{42}}$
011000	$\frac{5}{\sqrt{42}}$	$-\frac{3}{\sqrt{42}}$	111000	$-\frac{5}{\sqrt{42}}$	$-\frac{3}{\sqrt{42}}$
011001	$\frac{5}{\sqrt{42}}$	$-\frac{1}{\sqrt{42}}$	111001	$-\frac{5}{\sqrt{42}}$	$-\frac{1}{\sqrt{42}}$
011010	$\frac{7}{\sqrt{42}}$	$-\frac{3}{\sqrt{42}}$	111010	$-\frac{7}{\sqrt{42}}$	$-\frac{3}{\sqrt{42}}$
011011	$\frac{7}{\sqrt{42}}$	$-\frac{1}{\sqrt{42}}$	111011	$-\frac{7}{\sqrt{42}}$	$-\frac{1}{\sqrt{42}}$
011100	$\frac{5}{\sqrt{42}}$	$-\frac{5}{\sqrt{42}}$	111100	$-\frac{5}{\sqrt{42}}$	$-\frac{5}{\sqrt{42}}$
011101	$\frac{5}{\sqrt{42}}$	$-\frac{7}{\sqrt{42}}$	111101	$-\frac{5}{\sqrt{42}}$	$-\frac{7}{\sqrt{42}}$
011110	$\frac{7}{\sqrt{42}}$	$-\frac{5}{\sqrt{42}}$	111110	$-\frac{7}{\sqrt{42}}$	$-\frac{5}{\sqrt{42}}$
011111	$\frac{7}{\sqrt{42}}$	$-\frac{7}{\sqrt{42}}$	111111	$-\frac{7}{\sqrt{42}}$	$-\frac{7}{\sqrt{42}}$

在实际实现中，尤其是matlab，我们可以调用以下代码：

QAM16 = comm.RectangularQAMModulator(16);
out = constellation(QAM16);

LTE网络系统架构 lte系统网络结构图_网络_172

2、Matlab实现

function y = lte_Modulator(u, Mode)

% Initialization
% Mode 1 -- QPSK 2--
%%
% 为避免每次调用函数时创建和释放系统对象的开销，函数内的系统对象为持久变量声明类型
%  持久变量声明类型可以支持只在函数第一次调用时创建系统对象，从而提高循环调用函数时的仿真速度
%%

persistent QPSK QAM16 QAM64
if isempty(QPSK)
    QPSK = comm.PSKModulator(4, 'BitInput', true, 'PhaseOffset', pi/4,...
                  'SymbolMapping', 'Custom', 'CustomSymbolMapping', [0 2 3 1]);
              
    QAM16 = comm.RectangularQAMModulator(16, 'BitInput', true, 'NormalizationMethod', 'Average power',...
                  'SymbolMapping', 'Custom', 'CustomSymbolMapping', [11 10 14 15 9 8 12 13 1 0 4 5 3 2 6 7]);
              
    QAM64 = comm.RectangularQAMModulator(64, 'BitInput', true, 'NormalizationMethod', 'Average power',...
                  'SymbolMapping', 'Custom', 'CustomSymbolMapping',...
                   [47 46 42 43 59 58 62 63 45 44 40 41 57 56 60 61 37 36 32 33 49 ...
                    48 52 53 39 38 34 35 51 50 54 55 7 6 2 3 19 18 22 23 5 4 0 1 ...
                   17 16 20 21 13 12 8 9 25 24 28 29 15 14 10 11 27 26 30 31]);
end

% Processing
switch Mode
    case 1
        y = step(QPSK, u);
    case 2
        y = step(QAM16,u);
    case 3
        y = step(QAM64,u);
end

2.1 LTE调制Matlab实现

在QPSK调制情况下，我们可以调用 comm.PSKModulator 系统对象并将其调制阶数设置为4.参数属性描述如下：

1）' BitInput ' 属性：这里设置属性为 ' true' , 表示将调制器输入为比特值向量。QPSK调制下，每 2bit 映射到一个调制符号；

2） ' PhaseOffset '

次为 [ 3/4 pi, pi / 4, -pi / 4, -3 / 4 pi ]；

3）' CustomSymbolMapping ' 属性：确保LTE中定义的比特图形产生相应的输出符号。

对于QAM16，QAM64调制实现，可参考如上代码利用matlab通信工具箱函数实现。

2.2 LTE解调及Matlab实现

解调可以使用硬判决或者软判决解码 —— 使用硬判决解码时，解调器输入符号映射为估计输出比特；软判决解码时，输出为对数估计似然比（LLR）向量。

硬判决解调代码如下所示：

function y = lte_DemodulatorHard(u, Mode)

% Initialization
% Mode 1 -- QPSK 2--
persistent QPSK QAM16 QAM64
if isempty(QPSK)
    QPSK = comm.PSKDemodulator('ModulationOrder',4, 'BitOutput', true, ...
           'PhaseOffset',pi/4,'SymbolMapping', 'Custom', 'CustomSymbolMapping',  ...
           [0 2 3 1]);
              
    QAM16 = comm.RectangularQAMDemodulator('ModulationOrder',16, 'BitOutput', true, ...
       'NormalizationMethod', 'Average power','SymbolMapping', 'Custom', ...
       'CustomSymbolMapping', [11 10 14 15 9 8 12 13 1 0 4 5 3 2 6 7]);
              
    QAM64 = comm.RectangularQAMDemodulator('ModulationOrder',64, 'BitOutput', true, ...
            'NormalizationMethod', 'Average power','SymbolMapping', 'Custom', ...
            'CustomSymbolMapping', [47 46 42 43 59 58 62 63 45 44 40 41 ...
            57 56 60 61 37 36 32 33 49 48 52 53 39 38 34 35 51 50 54 55 7 6 2 3 19 18 ... 
            22 23 5 4 0 1 17 16 20 21 13 12 8 9 25 24 28 29 15 14 10 11 27 26 30 31]);
end

软判决解调代码如下所示

function y = lte_DemodulatorSoft(u, Mode, NoiseVar)

% Initialization
% Mode 1 -- QPSK 2--
persistent QPSK QAM16 QAM64

if isempty(QPSK)
    QPSK = comm.PSKDemodulator('ModulationOrder',4, 'BitOutput', true,   ...
              'PhaseOffset',pi/4, 'SymbolMapping', 'Custom',   ...
              'CustomSymbolMapping', [0 2 3 1], 'DecisionMethod', ...
              'Approximate log-likelihood ratio', 'VarianceSource', 'Input port');
              
    QAM16 = comm.RectangularQAMDemodulator('ModulationOrder',16, 'BitOutput', true,  ...
              'NormalizationMethod', 'Average power', 'SymbolMapping', 'Custom', ... 
              'CustomSymbolMapping', [11 10 14 15 9 8 12 13 1 0 4 5 3 2 6 7], ...
              'DecisionMethod', 'Approximate log-likelihood ratio', ...
              'VarianceSource', 'Input port');
              
    QAM64 = comm.RectangularQAMDemodulator('ModulationOrder',64, 'BitOutput', true, ... 
              'NormalizationMethod', 'Average power', 'SymbolMapping', ...
              'Custom','CustomSymbolMapping', [47 46 42 43 59 58 62 63 45 44 40 41 ...
              57 56 60 61 37 36 32 33 49 48 52 53 39 38 34 35 51 50 54 55 7 6 2 3 19 ...
              22 23 5 4 0 1  17 16 20 21 13 12 8 9 25 24 28 29 15 14 10 11 27 26 30 31], 
              'DecisionMethod', 'Approximate log-likelihood ratio', ...
              'VarianceSource', 'Input port');
end

2.3 BER测量

QAM16和 QAM64 的带宽利用率分别是 QPSK 的 2倍和3倍。不过，高阶调制方案会更易受到信道噪声的影响。比较QPSK、QAM16和QAM64调制方案，在给定误码率概率下，接收端需要更高的Eb/No。

以下代码为一个简单的LTE 调制解调系统，用以衡量各种调制方案的BER和SNR之间的关系。该系统包括调制器、解调器、AWGN信道、计算BER和Eb/No的函数。主要代码展示如下所示：

clear
clc
close all

EbNo = 25;
maxNumErrs = 1000;
maxNumBits = 20e6;

FRM = 9600;
% Modulation Mode 
ModulationMode =3;          % 1--QPSK  2--QAM16  3-- QAM64
k = 2* ModulationMode;
snr = EbNo + 10*log10(k);   

% Processing loop: transmitter, channel model and receiver
 numErrs = 0;
 numBits = 0;
 
 AWGN = comm.AWGNChannel;
 AWGN.EbNo = snr;
 
 while((numErrs < maxNumErrs) && (numBits < maxNumBits))
    
     % Transmitter
    u = randi([0,1], FRM, 1);
    x = lte_Modulator( u, ModulationMode);
        
    % channel
    c0 = AWGN.step(x);
    c1 = scatterplot(c0);
    title('QAM64调制散点图');
    grid on
    
    % Receiver
    r0 = lte_DemodulatorHard(c0, ModulationMode);
    y = r0(1:FRM);
    
    % Measurements 
    numErrs = numErrs + sum(y ~= u);
    numBits = numBits + FRM;
 end
 
 %
 ber = numErrs / numBits

由于该仿真以函数形式呈现，实际执行时要调用MATLAB工具箱 bertool

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