MATLAB 在下一代通信系统研发的应用 陈建平 MathWorks 2015 The MathWorks, Inc. 1
未来移动通信的挑战 4G, 5G 和 WLAN 标准 100-1000 倍的速度提升 无处不在的可靠服务 更高的复杂度 新的架构 新的频带 ( 毫米波 ) 更多天线 (Massive MIMO) 先进的 RF 和 DSP 协同设计 2
4G LTE & LTE-A 标准 标准低速移动传输速率高速移动传输速率 LTE-A > 1 Gbps >100 Mbps 4G 1 Gbps 100 Mbps LTE(R8/R9) HSPA+ HSDPA 100 Mbps 42 Mbps 14 Mbps WCDMA/UMTS 2 Mbps 384 kbps EDGE ~ 250 kbps 3
WLAN 标准 标准带宽 (MHz) MIMO 描述 802.11ac 20,40,80, 160 802.11n 20 40 Up to 8 spatial streams, MU-MIMO Up to 4 spatial streams VHT Very High Throughput HT High Throughput 802.11g 20 N/A Non-HT 802.11a 20 N/A 802.11b 20 N/A 4
从天线到比特的系统仿真 天线 / 天线阵射频 数字 (WiFi, LTE, Bluetooth, NFC, TV, ) 媒体 New product: Antenna Toolbox WLAN System Toolbox Major releases: Communications System Toolbox LTE System Toolbox Phased Array System Toolbox New Hardware Support Package Zynq Software-Defined Radio Digital baseband DAC RF RF ADC Digital baseband Transmitter (TX) Receiver (RX) 5
例子 : 802.11a/g/n/ac MIMO-OFDM 系统 MATLAB OFDM 作为基础的调制方式 自适应波束成形 ( 最多 8 天线 ) 点到点的仿真 图形化的测试 可动态调整参数 6
天线阵设计的挑战 理解需求 独立天线元的参数 : 频率 方向 位置 材质 效率 应使用那种天线或者天线阵? 不同种类 各种配置 如何评估天线的性能 系统集成 增益 耦合 泄露 天线和信号处理的联合建模 7
天线工具箱 Antenna Toolbox 根据预预定义的元素设计天线 / 天线阵 无需全面的 CAD 设计 快速特征分析 无需成为 EM 专家 和信号处理算法集成 不同的天线场景的快速迭代 8
智能 RF 建模 SimRF: RF 前端的快速仿真 射频前端的架构设计和指标分析数字模拟的集成仿真设计, 比如 DPD, AGC 对实现的测试和调试为组织定制一个 RF 模型 Webinar: Design and Verify RF Transceivers for Wireless Communication Systems 9
例子 : 用 MATLAB 和 SimRF 对 Analog Devices RF 收发机仿真 AGC RSSI 10
WLAN 系统工具箱? 物理层 (PHY) 建模 Standard- compliant functions for the design, simulation, analysis, and testing of wireless LAN communications systems 发射机 & 接收机 L-SIG, HT-SIG, VHT-SIG-A, VHT-SIG-B OFDM, MIMO Equalization, STBC Combining Packet detection, symbol timing correction Coarse and fine frequency offset estimation Preamble signal decoders for L-SIG, HT-SIG, VHT-SIG-A, VHT-SIG-B fields 传播信道 测试 Packet Error Rate Spectral Emissions EVM TGn TGac 11
支持的标准 标准带宽 (MHz) MIMO 描述 802.11ac 20,40,80, 160 802.11n 20 40 Up to 8 spatial streams, MU-MIMO Up to 4 spatial streams VHT Very High Throughput HT High Throughput 802.11g 20 N/A Non-HT 802.11a 20 N/A 802.11b 20 N/A WLAN Toolbox uses the VHT, HT, Non-HT naming convention 12
开源, 可定制算法 开放的 可定制的 MATLAB 代码 不同的粒度的接口 支持 C 代码生成 MATLAB Coder wlanwaveformgenerator wlanhtsig wlanlstf 13
使用场景 信号产生 End-to-End 仿真 HW & Radio Connectivity RF Signal Generator 信号检测 Packet detected Zynq SDR 测试 VHT-SIGA Decoded Packet successfully decoded! 14
WLAN 信号产生 cfgvht = wlanvhtconfig gencfg = wlangeneratorconfig VHTsignal = wlanwaveformgenerator([1 0 0 1], cfgvht, gencfg); 15
WLAN 信号产生 ( 细节控制 ) Generate fields individually Short Training Field lstf = wlanlstf(cfgvht); lltf = wlanlltf(cfgvht); lsig = wlanlsig(cfgvht); 16
End-to-End 仿真 17
信号恢复 Packet detection Coarse frequency estimate Fine timing estimation Fine frequency estimate Channel estimation MCS Nr of space streams STBC, Payload duration MIMO Channel estimation PSDU length 18
信号恢复 (cont.) 包检测信道估计和包长计算 信号解调和译码 Packet detected Packet length = 3360 samples Packet successfully decoded! 19
与测试仪器互连 Instrument Control Toolbox 信号产生和传输 WLAN System Toolbox LAN/USB/GPIB RF Signal Generator 在 MATLAB 中产生基带信号 下载到信号发生器中 20
与测试仪器互连 Instrument Control Toolbox 信号捕获和分析 Spectrum Analyzer WLAN System Toolbox LAN/USB/GPIB 从仪器中抓取 IQ 数据 在 MATLAB 中进行可视化处理和分析 21
硬件互联 Communications System Toolbox Zynq SDR, RTL-SDR, USRP RTL- SDR Zynq SDR http://www.mathworks.com/products/communications/features.html #hardware-connectivity-and-software-defined-radio USRP SDR 22
LTE 系统工具箱 Modulation ltesymbolmodulate 易用的高层模型 Demodulation ltesymboldemodulate Scrambling ltepdschprbs Layer Mapping LteLayerMap Layer Demapping ltelayerdemap Precoding LteDLPrecode Deprecoding ltelayerdeprecode 传输层信道函数 处理细节函数库 Scrambling Scrambling Modulation Modulation Layer Mapping Precoding Resource Mapping Resource Mapping Resource indices: ltepdschindices Complete PDSCH processing: Encoding: ltepdsch Decoding: ltepdschdecode Precoding Matrix Indication ltepmiselect ltepmiinfo ltecsicodebook 23
加速仿真 编程要点 矢量化 预分配内存 并行计算 高层并行结构 (e.g. parfor) 结合集群 云 和网格 MATLAB 转 C GPUs 24
总结 从天线到比特的物理层仿真方法天线 / 天线阵设计智能射频系统的建模 LTE 和 LTE-A 的物理层建模 MATLAB 和 SDR 硬件的互联 Digital baseband DAC RF RF ADC Digital baseband Transmitter (TX) Receiver (RX) mathworks.com/communications-systems 25