基于Matlab的3L基带系统仿真平台的实现

史晓霞，蒋　挺

(北京邮电大学 信息与通信工程学院，北京 100876)



基于Matlab的3L基带系统仿真平台的实现

史晓霞，蒋挺

(北京邮电大学 信息与通信工程学院，北京 100876)

摘要随着网络信息技术的发展，物联网作为一种战略新兴产业，近些年来发展迅猛，且具有良好的发展趋势，但却依旧无法像互联网般普及大众。在此基础上，对物联网目前的发展现状及前景进行了分析说明，针对物联网对基带系统低功耗、低成本和广覆盖的要求，提出了3L基带通信系统，并设计出系统框架，搭建了基于Matlab的系统仿真平台。通过分析系统仿真结果图，得出3L基带通信系统满足物联网需求，为以后物联网的进一步发展奠定了基础。

关键词物联网；3L基带系统；Matlab；仿真平台

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

随着信息技术的发展，物联网发展迅速。物联网目前被用于医疗卫生、智能交通和环境监测等领域，产业发展趋势良好，给人们的生活提供了便利。

物联网作为国家五大新兴战略性产业，目前正在飞速地发展，但始终无法像互联网一样普及。文献中有各方面对物联网的发展现状与出现的问题进行理论上的分析，总结起来主要由于物联网不仅仅是人与人之间的互相连接，还延伸到了人与物、物与物[1]。在现实世界中物的数量远远超过人的数据，而且遍布全球各地，这就导致了物联网需要广覆盖，并且要达到普及大众，还需要使终端有低成本、低损耗[2-10]。前人从理论上对其进行分析，并未对物联网终端之间的通信系统进行软件实现。本文就物联网存在的问题进行研究，实际提出了3L基带通信系统，通过对系统框架等进行设计，使得物联网实现低成本、低功耗和广覆盖，从而促进物联网的发展。

13L基带通信系统设计

物联网中，为了获取精确信息，在监测区域通常部署着大量信息节点，可能达到成千上万，甚至更多。一方面，信息节点可以分布在很大的地理区域内；另一方面，信息节点部署很密集，在面积较小的空间内，需要密集部署大量的传感器节点。就物联网现有的需求与亟待解决的问题，提出3L基带通信系统，通过设计使其具有低功耗、低成本和广覆盖的特点。

1.1信道模型

3L基带系统模型中上行链路信道为物理上行共享信道(PUSCH)，用来传输数据；下行链路信道分为物理广播同步信道(PBSCH)和物理下行共享信道(PDSCH)。在系统中，无论是上行信道还是下行信道，均可通过提高扩频因子与重复次数对信号进行加强。

本系统采用的是加性高斯白噪声(Additive White Gaussian Noise，AWGN)信道。AWGN是最基本的噪声与干扰模型。加性噪声：叠加在信号上的一种噪声，通常记为n(t)，而且无论有无信号，噪声n(t)都是始终存在的。因此通常称它为加性噪声或者加性干扰。

在Matlab中，有许多种叠加白噪声的信号处理函数，本系统采用的是awgn(sig_sx,Eb_N0(snrIdx),′measured′)，其可以通过衡量信号的大小来给信号加噪，以满足实际需求。

1.2系统框架设计

3L基带系统仿真平台是基于Matlab搭建的仿真平台，其包含了上行、下行链路的整个通信过程，包括发送和接收。下面将分别对上、下行的通信系统进行详述。

对于上行的整个通信过程，本系统设置的是AWGN信道，其发送机和接收机框图对应的上行发送和接收链路框图，如图1所示。

图1　3L基带系统的上行发送与接收链路

在3L基带系统中的上行链路中包含一个信道，即上行数据共享信道PUSCH，其中主要是对数据的处理过程，包括加CRC、去CRC、编译码、加解扰、调制解调和上下采样这些模块，还有前导的添加。

对于下行的整个通信过程，本系统设置的是AWGN信道，其发送机和接收机框图分别如图2和图3所示。

在3L基带通信系统中的下行链路中主要包含2个信道，分别是广播信道和数据共享信道，由于其在不同信道，本系统是对这2个信道中的数据分别进行了处理。对于广播信道中，主要是主同步序列、辅同步序列和帧检测序列的产生以及对SIB数据的处理。对SIB数据的处理包括加CRC、去CRC、编译码、交织、解交织、加解扰、调制解调和上下采样这些模块。对于数据共享信道，主要包括对DCI部分和用户数据部分的处理，对这2部分数据的处理也包含了加CRC、去CRC、编译码、交织、解交织、加解扰、调制解调和上下采样这些模块。

图2　3L基带系统的下行发送链路

图3　3L基带系统的下行接收链路

1.3上行链路仿真流程

上行链路中，含有一个信道，即PUSCH信道，其传输的只有数据。而这种数据处理需要将MAC数据经过编码、重复、加扰、前导插入、星座映射和扩频，这是发送端中所要进行的操作。为了更好地分析系统，对上行链路中的接收端部分，也相应实现。上行链路的仿真流程如图4所示。

由图4可以看出，上行仿真流程大致分为以下步骤：首先，进入系统，对数据进行初始化，设置参数，参数包括循环次数sim_num，这是为了得到较准确的仿真结果，故而可以尽量将循环次数设置较大；循环控制信噪比范围Eb_N0，这是为了方便与观察在不同信噪比下的仿真结果；符号速率sym_rate以及帧长度Frame_length等其他常量按照规定的数据进行设置；模块中算法选择，如每次仿真可以使用不同的算法，从而使得方便观察哪一种算法对实现3L系统更加有利。用户需要修改的是sim_num、Eb_N0以及算法。

如果信噪比数snrIdx小于设定的信噪比数量，则进行仿真次数的判断，否则，显示出仿真图，结束。

如果仿真次数idx小于设定的仿真数量，则对用户数据进行处理，否则，对误比特数和传输比特数进行统计，并且进行误比特率的计算，判断信噪比是否已经全部仿真完成，重复第2步和第3步，直到对于所有的信噪比都已仿真完成，仿真流程结束。

图4　3L基带系统的上行仿真流程

1.4下行链路仿真流程

下行链路中，含有2个信道，分别是PDSCH信道和PBSCH信道，在PBSCH信道中主要是对同步序列和SIB数据的传输，在PDSCH信道中主要是对DCI和USERDATA的数据处理。下行链路的仿真流程如图5所示。

首先，同上行一样，进入系统，对数据进行初始化，设置参数，参数包括：循环次数：sim_num；循环控制信噪比范围：Eb_N0；模块算法选择；符号速率：sym_rate以及帧长度Frame_length。用户可以修改的主要是循环次数和循环控制信噪比范围。

如果信噪比数snrIdx小于设定的信噪比数量，则进行仿真次数的判断，否则，显示出仿真图，结束。

下行信道可分为广播信道和数据信道，如果仿真次数idx小于设定的仿真数量，则分别对广播数据部分和用户共享信道部分进行处理。对于广播信道中产生的SIB数据进入信道后，进行数据处理；需要注意的是，在接收端要处理数据时需要利用到同步信息。

PDSCH信道中的数据也正常进行传输。下行数据信道中的数据传输可分为2个部分：DCI传输和UserData传输。如果仿真次数idx超出设定的仿真数量，进行误比特率的计算，进入下一轮信噪比的循环。当对于所有的信噪比都已经仿真完成，仿真流程结束。

图5　3L基带系统的下行仿真流程

2系统仿真与分析

在系统仿真中，以上行链路为例进行分析说明，其中设置仿真参数中，传输速率为12 kbit/s，码长为133 bits，码率为1/2，帧数为10 000帧(为了结果比较精确，故设定为10 000)，信噪比为-16、-15、-14、-13、-12、-11和-10 dB(因在-10 dB之上，误码率基本为0，故只进行到-10 dB)，仿真信道为AWGN信道，在此条件下对系统进行仿真，仿真结果如图6所示。

图6　3L基带系统的上行仿真结果

由图6可以看出，与传统通信系统的整体性能相比较，3L基带通信系统的整体性能并没有降低很多。而在上述的叙述中可以发现，与现有的通信系统相比较，3L基带通信系统在系统设计上减少了许多信道。在现有的通信系统，信道基本可以分为逻辑信道、传输信道与物理信道，逻辑信道又会包括广播控制信道等一系列控制信道，传输信道又包括广播信道、寻呼信道和上下行共享信道等，物理信道主要是控制信道，各自拥有自己的功能。总体上，现有的通信系统的信道太多，且太复杂，而3L基带通信系统在上行的信道设计上，只保留了传输数据的上行数据共享信道，而下行只包括广播信道和下行数据共享信道。虽然在信道上做了大量简化，但是并没有影响信号传输的准确性，并且使得整个通信系统的复杂度降低，系统运行时间缩短，以通信系统的广覆盖、低成本特点，使得3L基带通信系统整体上达到物联网低成本、低功耗和广覆盖的需求。

3结束语

物联网可以被应用到各行各业，但是其整体性价比较低，其需要低成本、低功耗和广覆盖。本文提出的3L基带系统通过简化信道设计使得整个系统复杂度低，又基于通信系统的广覆盖、低成本，使得所提出的系统符合物联网的需求。本文通过搭建基于Matlab的3L基带系统仿真平台，并分别从上、下行链路描述了系统仿真流程，在一定程度上为3L基带系统的进一步完善和发展提供了参考。可以通过对该系统进一步研究，使得系统更加成熟完整，从而使得对物联网的研究更加便捷，并且使其具有更高的性价比，物联网发展必将更加迅速，深入到人们的生活中。

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史晓霞女，(1991—)，硕士研究生。主要研究方向：短距离无线通信技术。

蒋挺男，(1962—)，教授。主要研究方向：通信技术、信息论研究和应用。

作者简介

基金项目：国家自然科学基金资助项目(61171176)。

收稿日期：2015-11-09

中图分类号TN929.5

文献标识码A

文章编号1003-3106(2016)03-0009-03

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.03.03

引用格式：史晓霞,蒋挺.基于Matlab的3L基带系统仿真平台的实现[J].无线电工程,2016,46(3):9-11，29.