基于Matlab的3L基帶系統仿真平臺的實現

史曉霞，蔣　挺

(北京郵電大學 信息與通信工程學院，北京 100876)

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基于Matlab的3L基帶系統仿真平臺的實現

史曉霞，蔣挺

(北京郵電大學 信息與通信工程學院，北京 100876)

摘要隨著網絡信息技術的發展，物聯網作為一種戰略新興產業，近些年來發展迅猛，且具有良好的發展趨勢，但卻依舊無法像互聯網般普及大眾。在此基礎上，對物聯網目前的發展現狀及前景進行了分析說明，針對物聯網對基帶系統低功耗、低成本和廣覆蓋的要求，提出了3L基帶通信系統，并設計出系統框架，搭建了基于Matlab的系統仿真平臺。通過分析系統仿真結果圖，得出3L基帶通信系統滿足物聯網需求，為以后物聯網的進一步發展奠定了基礎。

關鍵詞物聯網；3L基帶系統；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

隨著信息技術的發展，物聯網發展迅速。物聯網目前被用于醫療衛生、智能交通和環境監測等領域，產業發展趨勢良好，給人們的生活提供了便利。

物聯網作為國家五大新興戰略性產業，目前正在飛速地發展，但始終無法像互聯網一樣普及。文獻中有各方面對物聯網的發展現狀與出現的問題進行理論上的分析，總結起來主要由于物聯網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]。在現實世界中物的數量遠遠超過人的數據，而且遍布全球各地，這就導致了物聯網需要廣覆蓋，并且要達到普及大眾，還需要使終端有低成本、低損耗[2-10]。前人從理論上對其進行分析，并未對物聯網終端之間的通信系統進行軟件實現。本文就物聯網存在的問題進行研究，實際提出了3L基帶通信系統，通過對系統框架等進行設計，使得物聯網實現低成本、低功耗和廣覆蓋，從而促進物聯網的發展。

13L基帶通信系統設計

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

1.1信道模型

3L基帶系統模型中上行鏈路信道為物理上行共享信道(PUSCH)，用來傳輸數據；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)。在系統中，無論是上行信道還是下行信道，均可通過提高擴頻因子與重復次數對信號進行加強。

本系統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，本系統采用的是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系統框架設計

3L基帶系統仿真平臺是基于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，包括發送和接收。下面將分別對上、下行的通信系統進行詳述。

對于上行的整個通信過程，本系統設置的是AWGN信道，其發送機和接收機框圖對應的上行發送和接收鏈路框圖，如圖1所示。

圖1　3L基帶系統的上行發送與接收鏈路

在3L基帶系統中的上行鏈路中包含一個信道，即上行數據共享信道PUSCH，其中主要是對數據的處理過程，包括加CRC、去CRC、編譯碼、加解擾、調制解調和上下采樣這些模塊，還有前導的添加。

對于下行的整個通信過程，本系統設置的是AWGN信道，其發送機和接收機框圖分別如圖2和圖3所示。

在3L基帶通信系統中的下行鏈路中主要包含2個信道，分別是廣播信道和數據共享信道，由于其在不同信道，本系統是對這2個信道中的數據分別進行了處理。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生以及對SIB數據的處理。對SIB數據的處理包括加CRC、去CRC、編譯碼、交織、解交織、加解擾、調制解調和上下采樣這些模塊。對于數據共享信道，主要包括對DCI部分和用戶數據部分的處理，對這2部分數據的處理也包含了加CRC、去CRC、編譯碼、交織、解交織、加解擾、調制解調和上下采樣這些模塊。

圖2　3L基帶系統的下行發送鏈路

圖3　3L基帶系統的下行接收鏈路

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，其傳輸的只有數據。而這種數據處理需要將MAC數據經過編碼、重復、加擾、前導插入、星座映射和擴頻，這是發送端中所要進行的操作。為了更好地分析系統，對上行鏈路中的接收端部分，也相應實現。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，進入系統，對數據進行初始化，設置參數，參數包括循環次數sim_num，這是為了得到較準確的仿真結果，故而可以盡量將循環次數設置較大；循環控制信噪比范圍Eb_N0，這是為了方便與觀察在不同信噪比下的仿真結果；符號速率sym_rate以及幀長度Frame_length等其他常量按照規定的數據進行設置；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3L系統更加有利。用戶需要修改的是sim_num、Eb_N0以及算法。

如果信噪比數snrIdx小于設定的信噪比數量，則進行仿真次數的判斷，否則，顯示出仿真圖，結束。

如果仿真次數idx小于設定的仿真數量，則對用戶數據進行處理，否則，對誤比特數和傳輸比特數進行統計，并且進行誤比特率的計算，判斷信噪比是否已經全部仿真完成，重復第2步和第3步，直到對于所有的信噪比都已仿真完成，仿真流程結束。

圖4　3L基帶系統的上行仿真流程

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數據的傳輸，在PDSCH信道中主要是對DCI和USERDATA的數據處理。下行鏈路的仿真流程如圖5所示。

首先，同上行一樣，進入系統，對數據進行初始化，設置參數，參數包括：循環次數：sim_num；循環控制信噪比范圍：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次數和循環控制信噪比范圍。

如果信噪比數snrIdx小于設定的信噪比數量，則進行仿真次數的判斷，否則，顯示出仿真圖，結束。

下行信道可分為廣播信道和數據信道，如果仿真次數idx小于設定的仿真數量，則分別對廣播數據部分和用戶共享信道部分進行處理。對于廣播信道中產生的SIB數據進入信道后，進行數據處理；需要注意的是，在接收端要處理數據時需要利用到同步信息。

PDSCH信道中的數據也正常進行傳輸。下行數據信道中的數據傳輸可分為2個部分：DCI傳輸和UserData傳輸。如果仿真次數idx超出設定的仿真數量，進行誤比特率的計算，進入下一輪信噪比的循環。當對于所有的信噪比都已經仿真完成，仿真流程結束。

圖5　3L基帶系統的下行仿真流程

2系統仿真與分析

在系統仿真中，以上行鏈路為例進行分析說明，其中設置仿真參數中，傳輸速率為12 kbit/s，碼長為133 bits，碼率為1/2，幀數為10 000幀(為了結果比較精確，故設定為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，故只進行到-10 dB)，仿真信道為AWGN信道，在此條件下對系統進行仿真，仿真結果如圖6所示。

圖6　3L基帶系統的上行仿真結果

由圖6可以看出，與傳統通信系統的整體性能相比較，3L基帶通信系統的整體性能并沒有降低很多。而在上述的敘述中可以發現，與現有的通信系統相比較，3L基帶通信系統在系統設計上減少了許多信道。在現有的通信系統，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。總體上，現有的通信系統的信道太多，且太復雜，而3L基帶通信系統在上行的信道設計上，只保留了傳輸數據的上行數據共享信道，而下行只包括廣播信道和下行數據共享信道。雖然在信道上做了大量簡化，但是并沒有影響信號傳輸的準確性，并且使得整個通信系統的復雜度降低，系統運行時間縮短，以通信系統的廣覆蓋、低成本特點，使得3L基帶通信系統整體上達到物聯網低成本、低功耗和廣覆蓋的需求。

3結束語

物聯網可以被應用到各行各業，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基帶系統通過簡化信道設計使得整個系統復雜度低，又基于通信系統的廣覆蓋、低成本，使得所提出的系統符合物聯網的需求。本文通過搭建基于Matlab的3L基帶系統仿真平臺，并分別從上、下行鏈路描述了系統仿真流程，在一定程度上為3L基帶系統的進一步完善和發展提供了參考。可以通過對該系統進一步研究，使得系統更加成熟完整，從而使得對物聯網的研究更加便捷，并且使其具有更高的性價比，物聯網發展必將更加迅速，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。

蔣挺男，(1962—)，教授。主要研究方向：通信技術、信息論研究和應用。

作者簡介

基金項目：國家自然科學基金資助項目(61171176)。

收稿日期：2015-11-09

中圖分類號TN929.5

文獻標識碼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基帶系統仿真平臺的實現[J].無線電工程,2016,46(3):9-11，29.