LTE物理层链路端到端仿真系统

资 源 简 介

本项目主要实现LTE下行物理层关键链路的端到端仿真，旨在通过MATLAB环境模拟符合LTE标准的核心传输流程。功能覆盖了发送端的CRC循环冗余校验码添加、码块分割、Turbo编码、速率匹配、位级扰码以及层映射与预编码处理。在调制方案上，系统支持QPSK、16QAM和64QAM等多种映射方式。传输方案采用正交频分复用（OFDM）技术，包含子载波映射、快速傅里叶逆变换（IFFT）以及循环前缀（CP）的自动插入。信道模型部分不仅集成了加性高斯白噪声（AWGN），还支持典型城市（TU）或扩展步行者（EPA）等衰落

详 情 说 明

基于MATLAB的LTE物理层链路简化仿真系统

项目介绍

本项目是一款旨在模拟LTE下行物理层数据传输核心流程的MATLAB仿真工具。系统严格遵循LTE标准的核心逻辑，实现了从发送端比特流处理到接收端数据恢复的闭环通信链路。该工具能够量化评估不同信噪比环境对系统性能（如误码率、误块率及吞吐量）的影响，为深入理解LTE物理层规范及无线通信算法提供直观的仿真平台。

功能特性

1. 完整的比特级处理流：集成了符合LTE标准的CRC校验码生成、Turbo编码、简化速率匹配以及位级扰码技术。
2. 多样化的调制方案：系统兼容QPSK、16QAM以及64QAM三种调制方式，能够适应不同的链路质量需求。
3. OFDM波形生成：实现了OFDM核心变换，包括子载波资源映射、导频信号插入、快速傅里叶逆变换（IFFT）以及循环前缀（CP）的自动添加。
4. 综合信道环境：在加性高斯白噪声（AWGN）的基础上，通过多径滤波器模拟实际无线环境中的频选衰落特性。
5. 稳健的接收机设计：包含OFDM解调、基于导频符号的最小二乘（LS）信道估计、线性插值均衡、软比特解调以及高性能Turbo译码。
6. 可视化分析工具：自动生成误码率（BER）、误块率（BLER）、系统吞吐量曲线、信道估计均方误差（MSE）以及接收端星座图。

使用方法

1. 环境准备：确保MATLAB已安装通信工具箱（Communications Toolbox）。
2. 参数配置：在主程序起始位置，用户可根据需要修改SNR范围（SNR_dB）、调制阶数（ModulationOrder）及资源块数量（NumRBs）。
3. 执行仿真：运行主函数，系统将开始逐个信噪比点的迭代仿真。
4. 结果查看：仿真结束后，系统会自动弹出包含五项性能指标的综合分析图表，并在命令行输出相关统计数据。

系统要求

1. 软件版本：推荐使用MATLAB R2020b及以上版本以获得最佳兼容性。
2. 必备工具箱：Communications Toolbox（用于CRC、Turbo编解码及QAM调制功能）。

物理层实现逻辑与功能说明

本仿真系统按照LTE下行链路的标准处理顺序，在单个主函数中实现了以下核心逻辑：

1. 发送端参数初始化与对象创建 系统首先定义带宽参数（以25个资源块为例，模拟5MHz带宽），并初始化符合LTE标准多项式的CRC生成器对象和Turbo编码器。Turbo编码采用（4, [13 15], 13）构成的格形结构。

2. 发送端比特级处理

• 数据源生成：根据资源块数量计算子帧负载大小。
• CRC添加：在原始信息后附加24位CRC校验码（CRC-24A）。
• 纠错编码：利用Turbo编码器对比特流进行信道编码。
• 简化速率匹配：根据当前子帧可用的物理资源（调制阶数及OFDM符号数），通过截断或零填充方式使编码后的数据长度适配传输物理需求。
• 扰码处理：将匹配后的数据与伪随机序列进行异或处理，实现干扰随机化。

3. 调制与资源映射

• 符号映射：根据预设阶数将比特流映射为QAM复数符号。
• OFDM资源栅格构建：建立二维时频资源网格。
• 导频插入：在每个子帧的特定符号位置插值导频参考信号，为接收端信道估计提供基准。
• 数据填充：将调制后的数据符号映射到除导频外的剩余子载波位置。

4. 信号变换与波形合成

• IFFT变换：将频域网格信号转换至时域。
• 循环前缀（CP）：在每个OFDM符号起始位置复制尾部采样点，以抵抗多径引起的符号间干扰（ISI）。

5. 模拟传输信道 信号通过一个5抽头的移动平均滤波器以模拟多径衰落环境，并根据设定的信噪比水平叠加高斯白噪声。

6. 接收端处理逻辑

• OFDM解调：去除循环前缀并进行FFT，将时域信号还原至频域。
• 信道估计与均衡：

- 提取导频位置的接收信号，通过除法获取导频处的信道响应。 - 使用线性插值法（interp1）推算出所有数据子载波上的信道状态信息。 - 采用迫零（Zero-Forcing）准则校正数据符号的幅度和相位偏移。

• 软解调：将均衡后的复合符号转换为近似对数似然比（LLR）的软比特。
• 解扰：利用同步的扰码序列还原软比特极性。
• 译码与校验：执行速率解匹配，随后送入Turbo译码器，最后通过CRC检测器判断数据块是否重构成功。

7. 指标计算与性能分析 系统在子帧循环结束后统计各信噪比下的总误码数和错误块数，通过归一化计算BER和BLER。吞吐量则根据成功接收的比特总数与仿真时间的比值计算，单位为Mbps。

关键函数与算法实现细节

• Turbo编解码算法：使用comm.TurboEncoder和Decoder对象，编码速率基准为1/3，译码迭代次数设定为6次，确保了在低信噪比下的增益。
• 星座图处理：系统在最高信噪比点捕捉接收均衡后的复数符号，用于直观展示星座点聚集情况。
• 信道估计器：利用LS（Least Squares）算法获取已知点的响应，并通过线性插值算法覆盖整个资源网格，能够应对简化的频率选择性衰落。
• 链路级自适应模拟：通过调整ModulationOrder参数（2, 4, 6），系统可模拟从QPSK到64QAM的切换。
• 同步机制：本系统假设帧同步与符号同步已完成，侧重于研究编码调制与多径信道之间的相互作用。