基于LTE标准的码本预编码链路级仿真系统

资 源 简 介

本项目旨在实现LTE系统物理层下行链路的预编码功能及其对应的链路级仿真框架。该系统重点聚焦于发送端的设计与编程，遵循3GPP LTE协议规范。核心功能包括实现层映射与预编码模块，支持2x2及4x4等多种MIMO天线配置。项目详细编写了标准定义的码本生成算法，能够根据秩指示和预编码矩阵指示从预定义的码本集合中选取最佳预编码矩阵，以实现空间复用或发射分集。仿真流程涵盖了从传输块生成、循环冗余校验、Turbo编码、速率匹配、星座调制到空间处理的全过程。通过在发送端应用预编码技术，系统可以将调制后的多层数据流映射

详 情 说 明

基于LTE标准的码本预编码链路级仿真系统设计

1. 项目介绍

本项目是一个专门针对LTE（Long Term Evolution）物理层下行链路设计的链路级仿真系统。系统核心聚焦于码本（Codebook）预编码技术的实现，模拟了从基站发送端到移动终端接收端的完整信号处理流程。该仿真系统严格遵循3GPP TS 36.211协议规范，旨在评估在不同信噪比（SNR）环境下，空间复用技术对系统误码率（BER）和吞吐量的影响，是研究MIMO（多输入多输出）技术和链路自适应算法的重要工具。

2. 功能特性

• 多天线配置支持：系统支持2x2及4x4多种MIMO天线配置，并涵盖了Rank 1及高秩（如Rank 2）的层映射实现。
• 标准码本实现：内置基于3GPP协议的预编码码本生成算法，对于2天线配置实现了协议定义的复数域向量/矩阵选择，对于4天线配置实现了基于Householder变换的预编码矩阵构建。
• 全链路仿真流程：涵盖随机比特生成、星座调制（QPSK/16QAM）、层映射、码本预编码、OFDM调制（IFFT及循环前缀插入）、平坦瑞利衰落信道模拟、加性高斯白噪声（AWGN）注入。
• 先进接收机算法：接收端集成了基于最小均方误差（MMSE）准则的MIMO均衡技术，能够有效抑制层间干扰。
• 性能量化评估：系统能够自动计算并绘制SNR-BER曲线以及系统吞吐量曲线，并提供均衡后的星座图观察功能。

3. 实现逻辑与仿真流程

仿真系统的核心逻辑位于主程序中，其执行步骤如下：

• 参数初始化：定义LTE带宽参数（如25个资源块、5MHz带宽）、FFT大小、载波数及循环前缀长度。设置发送天线数、接收天线数、传输层数（Rank）以及调制阶数。
• 码本预处理：根据发送天线数量和层数，调用内部函数生成符合协议标准的码本集合。根据预设的预编码矩阵指示（PMI），选定特定的预编码矩阵W。
• 迭代仿真循环：

1. 比特映射与调制：为每一层生成随机信息比特，并根据选定的调制方式（QPSK或16QAM）将其映射为复数符号流。 2. 预编码处理：将调制后的多层符号矩阵与选定的预编码矩阵W进行相乘，将层信号映射到物理天线端口。 3. OFDM调制：各天线端口的信号经过子载波映射，置于IFFT频域格子的中心频段，并在时域添加循环前缀（CP）以对抗多径干扰。 4. 信道穿透：构建MIMO复随机衰落信道矩阵H，模拟信号在空间中的能量衰减与相位偏移。 5. 噪声注入：根据当前仿真的SNR计算噪声方差，向接收信号中加入复高斯白噪声。 6. 接收端处理：完成去CP、FFT变换及子载波提取，恢复出频域接收符号。 7. MMSE均衡：计算等效信道矩阵（H与W的乘积），利用MMSE算法计算权重矩阵G，对接收信号进行解预编码和层间解耦。 8. 解调与统计：进行硬判决解调，恢复比特流并统计误码数。

• 数据可视化：仿真结束后，自动生成误码率对数曲线、吞吐量变化曲线以及最后一帧信号的均衡后星座图。

4. 关键算法与实现细节

• 码本生成算法：

* 对于2天线系统：直接根据3GPP协议表实现。Rank 1包含4个矢量（如[1;1], [1;-1]等），Rank 2包含3个特定的单位矩阵及旋转矩阵。 * 对于4天线系统：采用Householder变化方法。通过基础向量$u_n$构造Householder矩阵，从中提取列向量组成子空间，实现复杂波束赋形向量的快速计算。

• 空间处理逻辑：

* 层映射与预编码在代码中通过矩阵乘法实现：$y = W cdot x$，其中$x$是层数据，$W$是选定的码本矩阵，$y$是映射到天线端口的数据。

• MMSE均衡器：

* 实现公式为：$G = (H_{eff}^{H} H_{eff} + sigma^2 I)^{-1} H_{eff}^{H}$。其中$H_{eff}$为实际物理信道与预编码矩阵的乘积。该算法在考虑信号检测的同时平衡了噪声的影响，是提升MIMO系统性能的关键。

• 调制与解调方案：

* 系统精确实现了3GPP定义的Gray映射规则。在QAM调制中，数据经过单位化功率处理（如16QAM除以sqrt(10)），确保了仿真环境的严谨性。

5. 使用方法

1. 启动MATLAB软件。
2. 调整主程序开头部分的“系统参数配置”区域：

* 修改 Num_Ant_TX 和 Num_Ant_RX 设置天线规模。 * 通过 Num_Layers 设置空间流层数。 * 通过 Mod_Order 切换调制方式。 * 通过 PMI 尝试不同的预编码向量。

1. 运行脚本，在控制台观察仿真进度。
2. 仿真完成后，系统会自动弹出性能评估图表。

6. 系统要求

• 软件环境：MATLAB R2016b 及以上版本。
• 硬件要求：建议 8GB RAM 以上，具备多核处理器以加快大规模循环仿真速度。
• 基础知识：用户需具备基本的MIMO通信理论知识及LTE物理层协议背景。