MATLAB詳解LTE 全面擁抱移動數(shù)據(jù)革命

以4G為首的新一代信息通信技術(shù)帶來了移動數(shù)據(jù)革命，并正在改變每一個人的生活。隨著國內(nèi)4G網(wǎng)絡(luò)的全面部署，LTE技術(shù)正逐步成為每一名通信行業(yè)人員的頭號學(xué)習(xí)目標(biāo)，如何更好、高效的學(xué)習(xí)LTE技術(shù)關(guān)系到每個相關(guān)人員的學(xué)習(xí)與工作。而LTE技術(shù)的學(xué)習(xí)重點與難點在于LTE物理層，包括OFDM、MIMO、SC-FDMA等。同時通過MATLAB對LTE進(jìn)行建模、仿真和實現(xiàn)，將是一種淺顯易懂的迅速理解LTE的好方法。MATLAB與LTE的完美結(jié)合會讓學(xué)習(xí)過程事半功倍。

正在發(fā)生的移動數(shù)據(jù)革命

我們生活在一個移動數(shù)據(jù)革命的年代。從GSM到3G，接著進(jìn)入4G，以及未來預(yù)計在2020年步入5G時代。隨著智能手機(jī)、便攜式計算機(jī)和平板電腦大規(guī)模的市場擴(kuò)展，移動通信系統(tǒng)提供的用戶需求服務(wù)和應(yīng)用已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止聲音通話。像網(wǎng)頁瀏覽、網(wǎng)上社交網(wǎng)絡(luò)以及音樂和視頻流媒體這些密集數(shù)據(jù)量移動服務(wù)，逐漸成為推動下一代無線移動通信標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的力量。這些新標(biāo)準(zhǔn)擁有了所必需的大數(shù)據(jù)通信速率和網(wǎng)絡(luò)能力，以支撐全球化傳輸這些類型豐富的多媒體應(yīng)用。

LTE關(guān)鍵技術(shù)

要想學(xué)會掌握4G，就要深刻理解LTE及其演進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)中的關(guān)鍵技術(shù)，這包括了OFDM、MIMO、Turbo編碼以及動態(tài)鏈路自適應(yīng)技術(shù)。

作為LTE標(biāo)準(zhǔn)的主要任務(wù)，移動數(shù)據(jù)通信速率的實質(zhì)性提升常常作為衡量通信研究，以及與移動通信鏈路最大可實現(xiàn)速率有關(guān)理論構(gòu)思的標(biāo)準(zhǔn)。香農(nóng)關(guān)于信道容量狀態(tài)的基礎(chǔ)工作告訴我們數(shù)據(jù)速率永遠(yuǎn)受限于可接收到的信號功率，同時傳輸速率也與帶寬相關(guān)。

1、MIMO

在接收端使用多路天線是一個比增加整體功率更好的辦法。這就是我們說的接收分集，也可在發(fā)送端使用，就是發(fā)送分集。不過，應(yīng)用發(fā)送分集或接收分集以提高數(shù)據(jù)速率只能在特定的點有效。超過這個點，增加數(shù)據(jù)速率會造成飽和。一個替代方案是同時在發(fā)送端和接收端應(yīng)用多路天線，即MIMO。MIMO是一個LTE標(biāo)準(zhǔn)中的核心技術(shù)。它深深根植于移動通信研究，支撐了LTE標(biāo)準(zhǔn)使用多徑天線的優(yōu)勢，從而滿足了峰值數(shù)據(jù)速率和通過率的要求。

2、OFDM

除了接收信號強(qiáng)度之外，傳輸帶寬也直接影響無線通信系統(tǒng)可達(dá)到的數(shù)據(jù)速率。一個與寬帶傳輸有關(guān)的重要的設(shè)計挑戰(zhàn)就是無線信道的多徑衰落效應(yīng)。為了克服時域均衡的問題，我們有兩個辦法可以適用于寬帶傳輸中：

1)使用多載波傳輸方案：寬帶信號可以處理成多路窄帶正交信號的和。應(yīng)用于LTE標(biāo)準(zhǔn)中多載波傳輸?shù)睦泳褪荗FDM傳輸。

2)使用單載波傳輸方案：OFDM可以提供一個簡單的多的頻域均衡方法，不需要要求高傳輸功率起落。一個在LTE標(biāo)準(zhǔn)中的例子被稱為單載波頻分復(fù)用，應(yīng)用于上行鏈路傳輸。

3、Turbo信道編碼

在LTE標(biāo)準(zhǔn)中，與以往不同，Turbo編碼作為了信道編碼機(jī)制的唯一方案，用于處理用戶數(shù)據(jù)。Turbo編碼近乎理想的性能被LTE采用源自他的復(fù)雜度可計算和執(zhí)行。LTE中的Turbo編碼為了有效的執(zhí)行進(jìn)行了很多改進(jìn)。

4、鏈路自適應(yīng)

鏈路自適應(yīng)的定義是：一種可以調(diào)整和適應(yīng)移動通信系統(tǒng)傳輸參數(shù)以更好響應(yīng)通信信道的動態(tài)性的技術(shù)。根據(jù)信道質(zhì)量不同，我們可以使用不同的調(diào)制和編碼技術(shù)(適應(yīng)性調(diào)制和編碼)，調(diào)整幾個發(fā)送或接收天線(適應(yīng)性MIMO)，甚至調(diào)整傳輸帶寬(適應(yīng)性波長)。

關(guān)注LTE物理層建模將會幫助你更好理解掌握以上的關(guān)鍵技術(shù)。物理層建模包括所有數(shù)據(jù)比特從更高層傳輸?shù)轿锢韺拥奶幚?。它表現(xiàn)為一些列傳輸信道如何映射到物理信道，信號處理如何在每一個物理信道工作，以及數(shù)據(jù)如何最終被傳送到天線而被發(fā)送。

圖1.1 LTE標(biāo)準(zhǔn)中的物理層協(xié)議

MATLAB與LTE完美結(jié)合

通過MATLAB程序來由淺入深地逐步建立起LTE物理層模型，并仿真和驗證系統(tǒng)的各個組件，將是一種淺顯易懂的方法來理解復(fù)雜深奧的LTE物理層規(guī)范。通過MATLAB中的通信系統(tǒng)工具箱、數(shù)字處理工具箱和系統(tǒng)工具箱3個部分的百種組件的建模、仿真和實現(xiàn)，可以讓你精通自己研究的LTE問題，更珍貴的是可以讓你有自信去嘗試新想法、新提議和驗證新的改進(jìn)，以及利用新工具和模型幫助你從理論知識邁向?qū)嵺`，從而最終獲得創(chuàng)新、設(shè)計、應(yīng)用的能力。